高爐冷卻技術(shù)與高爐長(zhǎng)壽

1、高爐冷卻技術(shù)與高爐長(zhǎng)壽高爐冷卻技術(shù)與高爐長(zhǎng)壽 武鋼研究院 宋木森 高爐冷卻與高爐壽命密切相關(guān)，高爐冷卻 設(shè)備的設(shè)計(jì)，冷卻方法，冷卻設(shè)備的結(jié)構(gòu)， 冷卻水質(zhì)，水溫，水量，冷卻水的管理及 高爐操作維護(hù)等很大程度決定著高爐的壽 命。現(xiàn)就武鋼的高爐冷卻技術(shù)的進(jìn)步談?wù)?對(duì)這些問題的看法。 1、高爐冷卻技術(shù)的改進(jìn)及效果 1.1 高爐爐腹以上冷卻設(shè)備設(shè)計(jì)改進(jìn)過程及 應(yīng)用效果 1）80年代以前，爐腹以上用灰鑄鐵冷卻壁， 爐身上部用支梁式冷卻水箱，爐腰有冷卻 板托圈。爐腰和爐身砌有800-1400mm厚的 磚襯，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果很差，爐身上部 磚襯易脫落，爐身中上部經(jīng)常發(fā)生爐殼發(fā) 紅、開裂、漏煤氣，3-5年必須中

2、修。 圖1 爐身下部厚壁結(jié)構(gòu) 圖 2號(hào)高爐第二代爐身結(jié)構(gòu) 2）80-90年冷卻設(shè)備的改進(jìn)：冷卻壁改為 帶勾頭的灰鑄鐵冷卻壁，取消支梁式水箱， 爐身下部冷卻壁采用雙層水管冷卻，提高 了冷卻壁的高度，達(dá)12-13段，還采用過球 墨鑄鐵冷卻壁，托圈以上采用新研制的浸 磷酸粘土磚、微孔鋁炭磚、炭磚，甚至采 用碳化硅磚和氮化硅結(jié)合碳化硅磚。 圖3 93年武鋼4號(hào)高爐中修內(nèi)襯砌筑圖 應(yīng)用效果：爐身上部的磚襯壽命明顯延長(zhǎng)， 基本消除了 磚襯過早損壞、爐殼開裂、發(fā) 紅等現(xiàn)象。但爐身中下部至爐腹的壽命仍 然很短，即使全部用碳化硅磚，3-5年必須 中修。損壞較快的原因是冷卻強(qiáng)度太小， 冷卻壁很容易燒壞，爐身中下部

3、至爐腹區(qū) 間是爐渣形成的區(qū)間，爐渣侵蝕嚴(yán)重。k、 na、zn等有害物高富集區(qū)，強(qiáng)侵蝕的區(qū)間， 從而認(rèn)識(shí)到該區(qū)域僅依靠耐火材料的改進(jìn) 不可能獲得長(zhǎng)壽。 3）90年以后，武鋼5號(hào)高爐建設(shè)冷卻設(shè)備 的改進(jìn)：爐腹至爐喉全部采用鑲磚冷卻壁， 取消了 爐腰脫圈，爐腰以上中部帶凸臺(tái)的 冷卻壁結(jié)構(gòu)，最上部一段冷卻壁（16段） 采用光面冷卻壁，內(nèi)部不砌磚襯的 新型結(jié) 構(gòu)。水管直徑加大，由原44.56mm改為 706mm，冷卻水由工業(yè)水直排方式改為 軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)，磚襯改為340mm 碳化硅結(jié)合碳化硅磚的薄壁爐襯。 圖4 4號(hào)高爐第三代爐體結(jié)構(gòu)圖 應(yīng)用效果：這次改進(jìn)，高爐爐腹以上的壽 命大大延長(zhǎng)，使武鋼高爐

4、壽命中間不中修 首次達(dá)到15年9個(gè)月的先進(jìn)水平。 從生產(chǎn)中觀察，爐腰以上的高爐磚襯仍然 在2-3年內(nèi)全部侵蝕光，以后的13年全靠冷 卻壁維持正常生產(chǎn)。分析高爐壽命延長(zhǎng)的 原因有： a、冷卻水管直徑加大，由44.56mm70 6mm，水量達(dá)4000-5500m3/h，后期最大5800 m3/h，水速1.5-2.5m/s，保證了足夠的冷卻強(qiáng)度； b、軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)的正確運(yùn)用，消除了水 中雜物和水垢的產(chǎn)生，始終保持良好的冷卻效果； c、球墨鑄鐵冷卻壁制造質(zhì)量良好； d、高爐操作維護(hù)制度、冷卻水運(yùn)行管理制度合理， 管理嚴(yán)格。 圖5 冷卻壁破損情況 4）2001年以后冷卻壁的改進(jìn) 從2001年1號(hào)

5、高爐第3代大修改造，爐身冷卻壁作 了較大改進(jìn)： a、爐腹到爐喉仍然全部采用鑲磚冷卻壁； b、冷卻壁鑲磚改為冷卻壁燕尾槽相配合的冷鑲磚， 鑲磚后冷卻壁表面形成厚150mm的滿鋪磚襯，冷 卻壁內(nèi)不另砌磚，爐身成為磚襯厚度僅為150mm 的薄壁爐襯。這是根據(jù)5號(hào)高爐爐身磚襯侵蝕光以 后，靠球墨鑄鐵冷卻壁維持13年正常生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)， 得出的新型爐身結(jié)構(gòu)； c、爐身下部、爐腹、爐腰采用銅冷卻壁： 根據(jù)5號(hào)高爐和4號(hào)高爐大修調(diào)查結(jié)果，球 墨鑄鐵冷卻壁的破損速度和破損情況，在 操作維護(hù)好的情況下，只能滿足10-15年的 高爐壽命要求，進(jìn)一步延長(zhǎng)高爐壽命達(dá)到 15-20年，球墨鑄鐵冷卻壁已不能滿足要求， 因此在

6、爐身下部、爐腰、爐腹處采用2-4段 銅冷卻壁，武鋼1號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、 8號(hào)都采用了這種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壽命為15-20 年。 圖6 武鋼5號(hào)高爐第二代內(nèi)型剖面圖 1.2 冷卻水水質(zhì)的改進(jìn) 1991年以前武鋼高爐30多年都是采用長(zhǎng)江的水作 為冷卻水，水中雜物多，易形成水垢，嚴(yán)重影響 冷卻效果，調(diào)查發(fā)現(xiàn)水垢厚達(dá)5-6mm，水管腐蝕 嚴(yán)重。還在4號(hào)高爐采用過汽化冷卻，壽命很短。 1991年5號(hào)高爐建設(shè)，開始引進(jìn)了盧森堡的軟水 密閉循環(huán)冷卻技術(shù)，自己通過較長(zhǎng)時(shí)間的摸索形 成了軟水閉路循環(huán)運(yùn)行管理制度，較好地掌握了 軟水密閉循環(huán)運(yùn)行管理技術(shù)，在確保高爐長(zhǎng)壽中 發(fā)揮了重要作用。 1.3爐缸爐底冷卻設(shè)

7、備設(shè)計(jì)改進(jìn) 1）爐缸冷卻壁1991年以前30多年都采用灰鑄鐵 平板冷卻壁，工業(yè)水冷卻，水管直徑44.56mm 的無(wú)縫鋼管。在這段時(shí)間高爐壽命主要是爐身破 損太快，3-5年一中修，爐缸問題不突出，只是在 高爐后期磚襯侵蝕嚴(yán)重時(shí)，高爐大修前出現(xiàn)熱流 強(qiáng)度過高，冷卻強(qiáng)度不足（12000千卡/m2時(shí)）， 一般情況下爐缸冷卻沒有出現(xiàn)冷卻能力不足。 2）爐底冷卻：早期60年代爐底不冷卻，69年以 后3號(hào)高爐采用過風(fēng)冷，70年以后4號(hào)高爐開始采 用水冷卻，爐底水冷管采用10210mm的無(wú)縫鋼 管，5根并聯(lián)成一組，60根水管并聯(lián)成12組。水 量440m3/時(shí)，水壓0.43mpa，以后新建的高爐都 采用水冷。

8、3）水冷管設(shè)置在高爐密封板上面，埋在炭素?fù)v料 層中。國(guó)內(nèi)多數(shù)高爐將水冷管設(shè)置在密封板下部， 以防止漏水。其實(shí)這種擔(dān)心是多余的，武鋼1991 年開始使用爐底水冷管都是設(shè)在密封板上面，從 未出現(xiàn)過問題，大修拆爐時(shí)水管仍完好無(wú)損。 4）爐缸冷卻壁的改進(jìn) 隨著高爐冶煉強(qiáng)度的提高，爐身壽命延長(zhǎng)，高爐壽命的關(guān) 鍵問題移到了爐缸，如何延長(zhǎng)爐缸的壽命成為重點(diǎn)問題， 采取改進(jìn)強(qiáng)化爐缸冷卻是首先想到的措施。 武鋼91年新建5號(hào)高爐開始采用軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)，水 管由44.56mm改為706mm的無(wú)縫鋼管，冷卻壁材質(zhì)采 用球墨鑄鐵冷卻壁。水量4000-5800m3/時(shí)，使用效果很好， 保證了高爐爐缸正常工作16年

9、，其中未發(fā)現(xiàn)爐缸熱負(fù)荷過 高，爐缸炭磚溫度過高的現(xiàn)象。5號(hào)高爐大修時(shí)調(diào)查結(jié)果， 爐缸炭磚殘存厚度最薄處僅280mm，說(shuō)明該高爐已到了應(yīng) 該大修的年齡。 2000年以后設(shè)計(jì)的高爐考慮到 高爐冶煉強(qiáng)度提高，爐缸侵 蝕加劇，高爐設(shè)計(jì)壽命進(jìn)一步提高到20年，還應(yīng)進(jìn)一步加 強(qiáng)冷卻，爐缸2-3段冷卻壁采用了鑄銅冷卻壁。 2、球墨鑄鐵冷卻壁制造技術(shù)簡(jiǎn)介 武鋼研究院和武鋼機(jī)制公司合作開發(fā)出 qt400-20球墨鑄鐵冷卻壁在武鋼5號(hào)、4號(hào) 高爐上成功應(yīng)用，高爐壽命達(dá)到10-15年9 個(gè)月的先進(jìn)水平，目前已銷售到國(guó)內(nèi)多家 鋼鐵廠并銷售到歐洲多國(guó)、巴西等國(guó)家。 有以下幾項(xiàng)技術(shù)： 表1球墨鑄鐵化學(xué)成分要求 csimn

10、psmg殘 re殘 3.0-3.71.6-2.20.20.070.020.5-0.07 0.02-0.035 2)球化處理工藝先進(jìn) 采用一種長(zhǎng)效復(fù)合球化劑，含重稀土、鎂、鋇、 硅、鈣、鐵等元素的球化劑，具有白口傾向小， 脫硫、脫氧能力強(qiáng)和抗球化衰退能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 3）冷卻壁水管防滲碳技術(shù)先進(jìn) 冷卻壁鑄造過程中高溫鐵水與水管接觸會(huì)產(chǎn)生滲 碳，其后果是使水管脆性增加，當(dāng)冷卻壁變形、 彎曲時(shí)，水管斷裂漏水。因此制造冷卻壁時(shí)要求 對(duì)水管進(jìn)行防滲碳處理。武鋼研制的防滲碳方法 具有很好的防滲碳效果，可以達(dá)到幾乎不滲碳的 效果。 4）水管彎制技術(shù)：武鋼機(jī)制公司有專用彎管機(jī)， 可以保證彎曲部位橢圓度不大于14

11、%，壁厚減薄 率不大于15%。 5）特殊的熱處理技術(shù)：增加冷卻壁中心的延伸率 和消除鑄造產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 6）冷卻壁材質(zhì)性能要求 力學(xué)性能按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取大樣（20070150mm） 拉力強(qiáng)度380mpa，延伸率20%，金相組織： 鐵素體含量90%，石墨球化級(jí)別1-3級(jí) 7）質(zhì)量檢驗(yàn)：對(duì)外形尺寸、表面質(zhì)量，檢漏試驗(yàn)、 通球試驗(yàn)等按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行 圖7 鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁 圖8 鑲磚銅冷卻壁 3、鑄鐵冷卻壁的破損原因分析 3.1制造質(zhì)量 4號(hào)高爐用球墨鑄鐵冷卻壁比5號(hào)高爐球墨 鑄鐵冷卻壁的力學(xué)性能有明顯降低，是兩 座高爐壽命的原因之一。 表2 5號(hào)高爐球墨鑄鐵冷卻壁力學(xué)性能 段名段名 b(n/mm2)(

12、%) maxmin平均平均maxmin平均平均 第第1段段50039543926.117.121.8 第第2段段485410463.5251721.3 第第3段段480405438.8261721.5 第第4段段480405438.825.11720.8 第第5段段515400438.827.51720.9 第第6段段515395450.824.818.121.3 第第7段段486398432.224.21720.6 第第8段段460395422.824.817.221.3 第第9段段465390425.526.217.221.7 第第10段段470390430.224.817.121 第第1

13、1段段49040043424.71720.2 第第12段段48039042527.41821.5 第第13段段49539543126.117.420.9 第第14段段465400422.224.21720.5 第第15段段470395439.324.417.120.4 第第16段段490405445.7261720.5 第第17段段49041043726.71720.5 總體總體43621 表3 4號(hào)高爐4-16段冷卻壁力學(xué)性能 段名段名 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b(n/mm2)延伸率延伸率(%) b標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)bmaxbmin平均平均b標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)maxmin平均平均 第第4段段37047037040412

14、261219.2 第第5段段3705053703981212281219.7 第第6段段3704403703941212261219.6 第第7段段370445370410.51212271221.3 第第8段段370430375398.51212261221.5 第第9段段3704253703881212261220.7 第第10段段3704803703981212281220.2 第第11段段370465385411.81212251221.2 第第12段段370435370405.81212271219.6 第第13段段370470370403.71212261218.9 第第14段段3

15、70450370400.91212261218.7 第第15段段370485370403.81212251219.3 第第16段段3704553704011212271219.6 平均平均401.120 外層金相組織：拉力強(qiáng)度373mpa 中層金相組織：拉力強(qiáng)度333mpa 延伸率19.23%鐵素體含量90% 延伸率7.0%鐵素體含量75% 圖9 冷卻壁金相組織 圖10 石墨形態(tài) 圖11 金相組織 3.2冷卻壁受溫度影響 溫度過高，溫度急劇波動(dòng)產(chǎn)生疲勞應(yīng)力， 高溫氣流和爐料磨損是冷卻壁破損的直接 原因。 4000c以上拉力強(qiáng)度迅速下降，延伸率升高， 可見溫度不能超過4000c. 表4 球墨鑄鐵

16、高溫下的力學(xué)性能 性能性能b/mpa0.2/mpa5/% /% 溫溫 度度 0c 3153802401519 3504002551423 4004003051419 4503852551018 5003252701132 5502601951431 6001801321537 6501531151435 70096632045 75057392455 3.3爐料磨損 高溫氣流、爐料磨損是重要破損原因，5號(hào)高爐磨損速度， 見下表。 表4 冷卻壁的殘存厚度（取樣斷口）/mm 冷卻壁段冷卻壁段 號(hào)號(hào) 切口左邊切口左邊中心中心切口右邊切口右邊原始厚度原始厚度最大侵蝕厚最大侵蝕厚 度度 15240240

17、2402400 1122522522524015 916016516524080 8150155140240100 718018017024070 4、鑄銅冷卻壁的應(yīng)用 鑄銅冷卻壁內(nèi)鑄入無(wú)縫鋼管，也可鑄入銅管， 武鋼用的鑄銅冷卻壁是鑄入706mm10號(hào)無(wú)縫鋼管。 武鋼鑄銅冷卻壁的理化性能指標(biāo)要求見下表： cupsmnpbfe導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率 w/mk 99.5 0.02 0.0005 0.005 0.005 0.01 270 鑄銅冷卻壁的導(dǎo)熱率略低于軋制銅冷卻壁，軋制 銅導(dǎo)熱系數(shù)360w/mk，鑄銅300w/mk，軋制銅 冷卻壁水管出口都為焊接，容易發(fā)生漏水事故， 鑄銅冷卻壁則沒有這樣的缺陷。 武

18、鋼將鑄銅冷卻壁用于爐缸2-3段冷卻壁，對(duì)爐缸 蘑菇侵蝕區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化冷卻，以延長(zhǎng)爐缸壽命。該 部位熱流強(qiáng)度遠(yuǎn)低于爐腹和爐身下部，用鑄銅冷 卻壁冷卻能力已足夠，因此不用軋制銅冷卻壁， 制造價(jià)格相對(duì)較低，預(yù)計(jì)爐身中部用鑄銅冷卻壁 也很合適。 5、其他材質(zhì)冷卻壁 1）武鋼在爐缸和爐身上部使用過低鉻鑄鐵 冷卻壁，在灰鑄鐵基礎(chǔ)上加入0.5-1.0%的 cr，型號(hào)為rt-cr，加cr后其他性能和 gdt-94型灰鑄鐵相同，加cr冷卻壁性能沒 有改進(jìn)，使用效果無(wú)改進(jìn)，武鋼已不用。 2）鑄鋼冷卻壁：爐身曾少量用過鑄鋼冷卻壁，認(rèn) 為鋼的延伸率更好，導(dǎo)熱系數(shù)也比鑄鐵高。根據(jù) 高爐破損調(diào)查結(jié)果，高爐冷卻壁存在嚴(yán)重滲碳的

19、 情況，使用過程中和鑄鐵冷卻壁一樣都會(huì)因滲碳 變脆而開裂。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比鑄鐵冷卻壁高，似 乎優(yōu)于鑄鐵冷卻壁，但試驗(yàn)表明鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨 溫度升高迅速下降，至3000c鑄鋼和球墨鑄鐵的 導(dǎo)熱系數(shù)已很相近，鋼冷卻壁已無(wú)優(yōu)勢(shì)。而且鑄 鋼冷卻壁鑄造時(shí)因鋼水溫度高，鑄造難度增加， 水管容易燒壞，因此我們認(rèn)為沒有必要用鑄鋼冷 卻壁。 6、延長(zhǎng)冷卻壁壽命的高爐操作維護(hù) 高爐冷卻設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、施工良好的情 況下，更重要的是操作維護(hù)，操作維護(hù)是 一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，高爐投產(chǎn)后每時(shí)每刻都 必須保持操作維護(hù)工作到位。主要有以下 幾方面： 1）精料是長(zhǎng)壽的基礎(chǔ)：a、保持原燃料質(zhì) 量?jī)?yōu)良穩(wěn)定；b、控制有害元素入爐量，主 要

20、是k、na、zn；c、爐料結(jié)構(gòu)變化時(shí)，防 止邊緣氣流過分發(fā)展，燒壞冷卻壁。 2）制定合理冷卻制度 a、保持水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行：保持冷卻水系統(tǒng)穩(wěn)定順 行與高爐爐況穩(wěn)定，維護(hù)合理爐型密切相關(guān)。冷 卻強(qiáng)度過大會(huì)引起爐墻結(jié)厚，冷卻強(qiáng)度過小會(huì)引 起冷卻壁溫度升高，燒壞冷卻壁。過冷過熱都會(huì) 破壞高爐順行，影響高爐生產(chǎn)，必須十分注意。 b、水溫差、熱負(fù)荷控制：高爐冷卻壁的冷卻一般 穩(wěn)定水量不變，調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度。例如武鋼進(jìn)水溫 度控制按t20c，進(jìn)水溫度37.5-39.50c， t1.50c，進(jìn)水溫度38.5-39.50c，夏天按下限， 冬天按上限靠近。 爐缸爐底水溫差控制范圍：爐底10c，爐缸1-3 段0.50c

21、。 正常情況下冷卻壁熱負(fù)荷為28000-40000mj/h之間波動(dòng)， 當(dāng)熱負(fù)荷大于42000mj/h，則表明邊緣氣流過分發(fā)展，渣壁可 能脫落，當(dāng)熱負(fù)荷小于24000mj/h，則表明邊緣結(jié)厚可能。 各高爐的熱負(fù)荷均不相同，應(yīng)通過實(shí)際摸索確定熱負(fù)荷的控制 范圍。 例：5號(hào)高爐第一代冷卻壁各區(qū)域熱流強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（mj/m2h） 部位爐身上 部 爐身中 部 爐身下 部及爐 腰 爐腹風(fēng)口帶爐缸 熱流強(qiáng) 度 29.30100.46167.44125.5883.7216.74 70年?duì)t底安全操作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：爐底熱流強(qiáng)度 16wmk， 6000c20wmk，80%，鐵水溶蝕 指數(shù)26%左右，可以滿足高爐20年壽

22、命的要求。 炭磚質(zhì)量的好壞與炭磚原料極為重要，應(yīng)當(dāng)以電 煅無(wú)煙煤和石墨化無(wú)煙煤為原料生產(chǎn)炭磚。 目前炭磚生產(chǎn)采用加入大量電極石墨為原料生產(chǎn) 微孔炭磚和半石墨炭磚，以達(dá)到提高導(dǎo)熱系數(shù)的 作法是錯(cuò)誤的，將影響炭磚的使用效果。美國(guó) nma炭磚原料中加入大量石墨，nmd全部以電極 石墨為原料生產(chǎn)的炭磚，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到40- 60w/mk，兩種磚都不是微孔炭磚，抗鐵水溶蝕 性差，有多座高爐應(yīng)用這兩種磚砌筑爐缸，已有 幾座高爐在2-3年就燒穿了，實(shí)踐證明電極石墨為 原料生產(chǎn)的炭磚使用效果差，不應(yīng)作為炭磚原料。 疏松多孔結(jié)構(gòu) 深黑色：孔洞 圖12 nma 炭磚的電極石墨顆粒料顯微結(jié)構(gòu) 深黑色：孔洞、裂紋 圖13 電煅無(wú)煙煤顯微結(jié)構(gòu) 深黑色：孔洞 圖14 石墨化無(wú)煙煤顯微結(jié)構(gòu) 深黑色：孔洞、裂紋 圖15 電極石墨顯微結(jié)構(gòu) 8、幾個(gè)相關(guān)問題的觀點(diǎn)、幾個(gè)相關(guān)問題的觀點(diǎn) 8.1關(guān)于永久性爐襯問題關(guān)于永久性爐襯問題 武鋼武鋼4號(hào)高爐破損調(diào)查證明，高爐爐缸爐底炭磚號(hào)高爐破損調(diào)查證明，高爐爐缸爐底炭磚 爐襯內(nèi)凝結(jié)一層厚度不大的渣壁，保持不溶化，爐襯內(nèi)凝結(jié)一層厚度不大的渣壁，保持不溶化， 保護(hù)炭磚爐襯不被侵