济钢1750 m3高炉叠合式冷却肇的应用

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济钢1750 m³高炉叠合式冷却肇的应用

高新运陈德明赵晓明

(济南钢铁股份有限公司)

摘要针对济钢1750m³高炉风口区冷却壁上端容易损坏漏水，影响高炉长寿的问题，开发应用了一种新型叠合式冷却壁，将风口区冷却壁上端易损坏部位减薄，在减薄部位叠加一层能够独立冷却的紫铜冷却板，有效增强炉体耐热性。

关键词高炉冷却壁冷却板叠合式

济钢3座1750m³高炉均为“薄壁”炉型高炉，其炉体装备为：炉缸(风口区)为4段光面球墨铸铁冷却壁；炉腹、炉腰及炉身下部为3段铜冷却壁，炉身下部以上到炉喉钢砖下沿也是球墨铸铁冷却壁，属于炉体全部冷却的高炉；其中炉腹、炉腰及炉身中下部冷却壁为满镶砖全覆盖式冷却壁，耐火砖在冷却壁表面的覆盖厚度为150mm(即覆盖面镶砖厚度)。这种“薄壁”炉型高炉在维护操作炉型方面有一定优势，但在炉体结构方面是存在一定缺陷的，特别是炉缸风口区冷却壁，上端设计的相对较高，容易直接接触高温和风口回旋区，因此冷却壁容易损坏。通过对济钢3座1750 m³高炉风口区冷却壁损坏情况的调查，认为采取将风口区球墨铸铁冷却壁上端减薄，在减薄部位附加一层能够独立冷却的铜冷却板的方法是非常有效的。

l 风口区冷却壁损坏情况

针对济钢1750m³高炉风口区冷却壁损坏漏水问题，利用2006年1～3月结构调整机会，首先对1号1750m³高炉进行了项修。项修停炉期间，发现风口区(第4段)冷却壁损坏，随即更换了3块漏水比较严重的冷却壁，对漏水较轻的冷却壁水管进行了焊补。2006年11月2—10日，又对2号1 750 m³高炉于进行了为期8天零18小时的项修，项修时发现该高炉风口区(第4段)冷却壁损坏极为严重。该区域24块冷却壁的上端母体全部受到严重侵蚀，其中单块冷却壁受侵蚀的最大深度达到360mm，占该冷却壁上部壁体总厚度(411mm)的86．5％，侵蚀高度自第5段(铜)冷却壁下沿算起最大达到600mm。由于冷却壁母体被严重侵蚀“掏空”，造成大量冷却水管裸露(见图1)，其中完全裸露的水管达到79根，占总水管数量的54．86％，已经漏水水管29根，占总水管数量的20．13％。由于停炉前对损坏程度估计不足，没有形成理想的修理方案，也没有做好充分的物资准备。因此，只对已破损漏水的水管进行简单焊补处理，重新恢复了砖衬，没有进行更换冷却壁就恢复了生产。由于该高炉没有更换冷却壁，在项修开炉后不久，原来经过焊补的水管又开始漏水，到开炉后第4个月时，漏水水管已经达到17根。这些漏水水管成为既危及高炉炉况稳定又危及炉缸炭砖安全的重大隐患。

由于2号l 750 m³高炉存在风口区冷却壁漏水的重大隐患，已经计划2007年11月对其进行第2次项修，由于特殊原因临时改为1号1750m³高炉第2次项修。1号l750m³高炉停炉这次项修时，发现风口区冷却壁侵蚀也已经非常严重，其中上次项修新换上去的冷却壁也被侵蚀到与相邻冷却壁相同的程度。由此说明不改变该区域冷却壁结构形式和材质，难以满足高炉长寿要求。

2 风口区冷却壁损坏的原因

造成1 750m³高炉风口区冷却壁损坏的主要原因有2个，一是结构原因，二是材质原因。

(1)结构原因。从炉体结构方面分析包含2个原因，一是损坏部位在风口大套以上。按照济钢1750m³高炉冷却壁布置分布，属于炉缸第4段冷却壁，甚至也可以称“风口区冷却壁”。该段冷却壁与第5段冷却壁(即炉腹冷却壁)对接处形成一个向炉内“凸”出的折点，由于向炉内“凸”出的量比较大，导致该部位砖衬相对较薄，即只有230mm(见图2)。由于砖衬较薄加上材质抗渣性能不好，因此，该区域砖衬不可能支撑较长时间。二是从高炉设计内型方面分析，其损坏部位属于炉腹区域，风口区(炉缸第4段冷却壁)冷却壁与炉腹冷却壁折点，比设计内型的炉缸与炉腹折点高出680mm，从设计内型上说明风口区冷却壁上端损坏部位是由于处于炉腹高温区所致。如果设计时能够将炉腹铜冷却壁向下延伸500 mm，风口区冷却壁损坏问题就很有可能不会发生，但那样会带来外部配管方面的麻烦。

从风口区冷却壁自身结构方面分析，上端母体太厚(壁厚411 mm，而砖衬厚度为230mm)，如果设计的薄一点，前面就可以增加砖衬厚度，就可以延长砖衬使用时间，这样至少可以延缓冷却壁损坏时间。但由于该区域属于“炉腹高温区”，仅仅依靠增加砖衬厚度是不可能延长太多时间的。因此，只能通过结构优化与创新才能得到真正的长寿。

折点与风口区冷却壁上端位置对比

(2)材质和损坏机理分析。由于球墨铸铁材质含碳量较高(一般在3％以上)，并且其中的碳是以球状石墨形态存在，球状石墨的直径一般为0．025～0．15mm。球状石墨在铸铁基体内的作用虽然比基体内存在着的片状石墨要好，但球状石墨的存在实际上相当于在冷却壁的基体内布满了无数个微小的孔洞。因为石墨本身既没有强度又没有塑性，也就相当于在冷却壁基体内部布满了众多潜在的裂纹扩展源，特别是在石墨被高炉炉气中的CO氧化后“晶粒”会逐渐长大，加剧了裂纹的形成和扩展。经研究还发现一般铸铁或球墨铸铁在600℃以上时，线膨胀系数成倍增加，产生膨胀性体积“生长”的现象，导致铸铁或球墨铸铁在高温下的“体积”不稳定，由于铸铁或球墨铸中碳素“晶粒”的长大和高温状态下的“体积”膨胀，加速了冷却壁受热表面裂纹的产生。由于高炉炉况的波动使冷却壁受热表面上的渣皮反复形成与脱落，造成冷却壁受热表面温度频繁处于600℃以上的温度，给铸铁或球墨铸中碳素“晶粒”长大和高温状态下“体积”膨胀创造了许多机会，使“晶粒”长大和“体积”膨胀反复产生，久而久之导致已经形成的裂纹不断从表面向内扩展，使球墨铸铁冷却壁从受热表面开始一点点一层层剥落，最终冷却水管裸露、破裂，使冷却壁破损。球墨铸铁冷却壁“肌体”从受热面开始逐渐剥落，直至暴露出冷却水管，最终导致冷却水管损坏的情况。其损坏的外形和程度几乎所有高炉都基本相似，这就充分说明铸铁或球墨铸铁冷却壁不适合在高炉高温区域使用，实践证明高炉高温区域只有采用优质紫铜材料制造的冷却壁或冷却板，才能够满足高炉长寿的需要。

(3)材质导热和热负荷分析。灰口铁(铸铁和球墨铸铁)导热系数为167．2～334．4 W／(m·K)；紫铜导热系数为l 412．84 W／(m·K)，假设我厂风口区冷却壁材质导热系数是334．4 W／(m·K)，那么仍然比紫铜低4．225倍，证明铸铁冷却壁在传热方面无法与紫铜冷却壁相比。

对风口中套冷却系统进行了热负荷分析，该系统冷却水流量670 m³／h，进出水温差只有0．6℃(进水温度40℃，出水温度40．6℃)，认为完全可以承担新增铜冷却板的冷却任务。由于济钢1750 m³高炉炉体全部采用“软水联合密闭循环”，没有在新增铜冷却板的出水部位安装热电偶，仍然利用原有风口中套冷却系统进出水温度检测。由于测温元件精度的原因，实际测出的水温差比没有串连新增铜冷却板时高出不足0．1℃，按照0．1℃计算，新增的24块铜冷却板总体热负荷为67000k．J／(m²·h)，说明该部位确实是处于高温环境，采用铸铁或者球墨铸铁冷却壁是无法长期承受的。因此，本着最大限度节约高档有色金属的原则，只在风口区冷却壁最需要保护的部位设置紫铜冷却板，以此延长高炉寿命。

3 新型叠合式冷却壁的设计与实施

济钢1750m³高炉风口区冷却壁除2个风口之间比较狭窄需要布置3层水管以外，两端区域的冷却水管是平铺布置，并且冷却壁下端已经做的比较薄，上部完全有减薄的余地。通过研究决定将球墨铸铁冷却壁右上端厚度，即由411mm减薄为170mm，然后在该部位附加一块厚度为115 mm的铜冷却板，构成一种新型的叠合式冷却壁(也称复合冷却壁)。由于减薄余量比铜冷却板厚度要大，同时又将砌砖厚度由230mm增加到345mm，又增加了耐材对冷却壁的保护时问。

3．1铜冷却板设计

由于铜冷却板具有导热系数高和较大的冷却强度，可承受132000 W／m²最大热流强度，并且侵蚀速度慢(0．3 mm／a，宝钢经验)，是理想的长寿冷却材料，并且能够15 min完成渣皮再生，完全能够抵御风口区冷却壁上端的高热负荷且变化大的情况。

铜冷却板与风口中套中压冷却水串联冷却，通过计算能够保证不增加系统阻力，不影响原有水量和水速，铜冷却板采取一进一出的管路布置形式，铜冷却板内部的水道采取钻孔方式制造，当量直径为60mm，水道布置形式见图3。这样可以在保证在风口中套安全水速的前提下，在外部配管方面设计成风口中套和铜冷却板及能够串联组合又能够随时分开的2个独立单元，分别配置阀门，采用金属软管连接。一旦其中某个单元出现问题，可以通过阀门控制立即将串联断开，使铜冷却板和风口中套都能够就近切换工业水，进行分别独立冷却或直接断掉水源，这种连接备用方式也成为国内首创。

3．2叠合式冷却壁集成设计

由于叠合式冷却壁有球墨铸铁冷却壁和铜冷却板2个单元，如何连接才能保证单元问的结构强度，如何减少对炉壳开孔，成为本次研发的又一难点。设计开发时首先着眼于减少炉壳开孔，保证炉壳强度。因此，铜冷却板冷却水只能采取一进一出的模式，并且选定铜冷却板的进出水管利用球墨铸铁冷却壁上部原2个紧固螺栓位置，将球墨铸铁冷却壁上端的紧固螺栓改为1个。这样在增加24块铜冷却板的情况下，炉壳圆周方向仅增加了24个孔，实现了以最少的开孔获得最大的成功。

球墨铸铁冷却壁和铜冷却板的连接固定，采取了在铜冷却板上留孔穿螺栓，在球墨铸铁冷却壁上钻孔攻丝的结构形式。安装时将铜冷却板上的螺栓孔与球墨铸铁冷却壁上的螺纹孔对正，就保证冷态连接的精确度，铜冷却板用螺栓首先固定在球墨铸铁冷却壁上(见图4)，并且在铜冷却板和球墨铸铁冷却壁之间的固定螺栓上增加了20mm厚的隔离垫，使铜冷却板与球墨铸铁冷却壁之间形成“三点”接触，以此避免铜冷却板与球墨铸铁冷却壁因配合面不吻合造成的应力。为保证铜冷却板与球墨铸铁冷却壁之间能够顺利传热，在铜冷却板与球墨铸铁冷却壁之问的问隙内填人“铁屑填料”。通过上述措施既有效保证了连接强度，又使二者组成一个整体，减少了安装施工难度。新型叠合式冷却壁的球墨铸铁冷却壁部分继续保持了原有的“6进6出”冷却水管排列模式，有效维护和保持了原炉体冷却系统的平衡性和完整性(见图5)；为加强对铜冷却板的检测，确保其使用安全，在高炉圆周方向6个方位的

4 新型叠合式冷却壁的实际应用及效果

2007年3月，利用3号1750 m³高炉项修的机会，将风口区(第4段)冷却壁全部更换为新型叠合式冷却壁。

自2007年4月1日3号1750 m³高炉风口区全部采用新型叠合式冷却壁，并正式投产算起，至今使用时间已经超过1年零8个月，明显超过原有冷却壁平均使用寿命1．5年的周期(见表2)，而且新型叠合式冷却壁一直安全稳定运行，未发现任何异常，其中铜冷却板的检测温度一直稳定在45℃左右。2007年11月和2008年3月又迅速在在1、2号1750 m³高炉推广应用，到现在所有采用新型叠合式冷却壁的高炉均未发现任何异常。

5 结语

实践应用证明，济钢3座1750 m³高炉采用新型叠合式冷却壁后，彻底杜绝了风口区冷却壁频繁损坏漏水问题，有效防止了因漏水对炉缸炭砖产生破坏，可明显延长高炉寿命，同时大大降低工人频繁查漏水的劳动强度，大大提高人身和设备安全，可以大幅度减少高炉项修次数，经济效益巨大。仅按照减少项修次数和减少项修停产时间及节约用水方面计算，年创经济效益2712万元。并且已经在新建的4号3200m³大型高炉上采用。