銅冷卻壁在高爐爐體上的應(yīng)用

銅冷卻壁在高爐爐體上的應(yīng)用

由于鑄鐵冷卻壁和銅冷卻板在使用過程中都存在不同程度的問題，歐洲開始研究和使用銅冷卻壁。1978年,銅冷卻壁首次在比利時(shí)西德瑪B高爐爐身下部安裝了一塊進(jìn)行試驗(yàn),取得成功后,1979年德國蒂森鋼鐵公司在漢堡4號(hào)高爐爐身中部安裝了2塊進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),經(jīng)9年運(yùn)行,銅冷卻壁狀態(tài)良好,測(cè)量銅材磨損量僅為0～3mm,而與其相鄰的鑄鐵冷卻壁都出現(xiàn)了大量的裂紋和嚴(yán)重的損傷。1988年,蒂森鋼鐵公司在魯羅爾特廠6號(hào)高爐爐身下部安裝了2塊銅冷卻壁重復(fù)上述試驗(yàn),得到了相同的結(jié)果。至20世紀(jì)90年代末,世界上已有近60座高爐使用了銅冷卻壁,銅冷卻壁技術(shù)作為高爐爐體長壽技術(shù)的發(fā)展方向,逐步得到高爐煉鐵同行的認(rèn)可。據(jù)國外研究表明,銅冷卻壁具有以下幾方面優(yōu)勢(shì):①高導(dǎo)熱性能。鑄鐵冷卻壁導(dǎo)熱系數(shù)低,300℃左右時(shí)約30.4W(m.K),隨著溫度的升高而不斷下降,700℃時(shí)只有22.5W/(m.K),,銅冷卻壁的導(dǎo)熱系數(shù)是鑄鐵的12～15倍,因而銅冷卻壁工作時(shí)壁體熱面與水通道表面正常情況下僅保持15～20℃的溫差,短時(shí)最大溫差不超過100℃。②良好的抗熱震性能,如今鑄鐵冷卻壁采用了鐵索體球墨鑄鐵材料,抗熱震性能和韌性已大大改善,但仍不及銅冷卻壁卓越的導(dǎo)熱能力,銅冷卻壁熱面能夠快速形成渣皮。大量試驗(yàn)表明,銅冷卻壁重新形成渣皮只需20～30min,而鑄鐵冷卻壁卻需要4～5h。③良好的抗熱流沖擊性能。銅冷卻壁導(dǎo)熱性好,能承受的最大熱流強(qiáng)度為350kW/m(約15min),而鑄鐵冷卻壁能承受的最大熱流強(qiáng)度僅為70kW/m(約15min)。國內(nèi)銅冷卻壁的應(yīng)用始于2000年。2000m3以上的高爐中,使用銅冷卻壁的有武鋼1號(hào)高爐(2001年)和本鋼5號(hào)高爐(2001年),各在爐腰、爐身下部使用兩段PW公司的連鑄銅冷卻壁。至目前為止,我國大約有近100座左右的高爐使用了銅冷卻壁。下面,結(jié)合寶鋼1號(hào)高爐生產(chǎn)實(shí)踐,對(duì)銅冷卻壁使用過程中遇到的問題以及解決措施進(jìn)行闡述。1冷卻爐寶鋼1號(hào)高爐2008年大修時(shí),在爐缸、爐腹、爐腰、爐身部位采用了部分銅冷卻壁(如圖1所示)。其中,風(fēng)口以下采用3段光面銅冷卻璧;H2、H3段位于象腳侵蝕區(qū),采用了120塊銅冷卻壁,銅冷卻壁高度約1740mm,H4段設(shè)在出鐵口環(huán)帶,在每個(gè)鐵口的周圍及2個(gè)鐵口之間設(shè)置銅冷卻壁,共計(jì)22塊,銅冷卻壁壁厚100mm;風(fēng)口以上采用5段鑲磚銅冷卻壁,爐腹設(shè)1段鑲磚銅冷卻壁(B1),高2200mm,60塊,爐腰設(shè)1段鑲磚銅冷卻壁(B2),高3000mm,60塊,爐身下部設(shè)3段鑲磚銅冷卻壁(S1～S3),其中,S1是60塊,S2是58塊,S3是56塊,每段高2400mm,鑲磚材質(zhì)為石墨磚,銅冷卻壁內(nèi)通道當(dāng)量直徑為Φ56mm。爐體冷卻壁冷卻采用兩個(gè)系統(tǒng),純水I系統(tǒng)和純水Ⅱ系統(tǒng)。純水I系統(tǒng)主要冷卻爐底、爐缸冷卻壁和爐身中上部冷卻壁,水量4320m3/h。該冷卻系統(tǒng)首先冷卻爐底、爐缸冷卻壁,經(jīng)支管排出后匯集到8個(gè)集管內(nèi),再通過支管分配到爐身中上部冷卻壁對(duì)其冷卻,冷卻壁內(nèi)水速2.03m/s。純水I系統(tǒng)冷卻爐腹到爐身下部銅冷卻壁,水量5084m3/h,冷卻壁內(nèi)水速2.31m/s。為跟蹤好銅冷卻壁工作狀態(tài),掌握其周圍環(huán)境溫度,在銅冷卻壁附近安裝了大量熱電偶進(jìn)行監(jiān)測(cè)。爐缸側(cè)壁炭磚溫度檢測(cè)設(shè)15層,在圓周上按16個(gè)方位設(shè)置,每個(gè)方位2支,每層共32支;每個(gè)鐵口及附近再增設(shè)4支熱電偶。此外,爐缸冷卻壁(H1～H5)還配有40支熱電偶,監(jiān)測(cè)冷卻壁的壁體溫度爐腹至爐身上部冷卻壁設(shè)21層熱電偶,每層12支,按12個(gè)方位布置。這樣就強(qiáng)化了高爐冷卻系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè),能適時(shí)了解銅冷卻壁的工況,滿足高爐長壽管理需要。2用鋼1號(hào)廣泛應(yīng)用銅冷卻壁2.1爐墻結(jié)厚情況1號(hào)高爐(三代)于2009年2月15日投產(chǎn),開爐后前半年?duì)t況總體順行。2009年9月以后,爐墻出現(xiàn)階段性結(jié)厚現(xiàn)象。2009年9月-2010年5月18日,共有6次爐墻結(jié)厚及大脫落(爐墻脫落造成風(fēng)口曲損情況見表1)。其中,以2009年9月和2010年5月較嚴(yán)重。2009年9月,洗爐歷時(shí)18天,爐墻脫落造成風(fēng)口曲損11個(gè),休風(fēng)兩次共791min;2010年5月,風(fēng)口曲損20個(gè),休風(fēng)350min。兩次結(jié)厚造成僅產(chǎn)量損失就超過6萬t。爐墻結(jié)厚不僅造成爐況長期大波動(dòng),嚴(yán)重制約1號(hào)高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)一步發(fā)揮,尤其重要的是大脫落后造成風(fēng)口嚴(yán)重曲損,給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅和重大潛在風(fēng)險(xiǎn)。2.2爐體冷卻系統(tǒng)1號(hào)高爐投產(chǎn)初期,爐型維持最初的設(shè)計(jì)爐型,爐況順行,爐墻沒有發(fā)生結(jié)厚現(xiàn)象。半年后,隨著高爐內(nèi)襯逐步被侵蝕,設(shè)計(jì)爐型向操作爐型轉(zhuǎn)變。首次采用銅冷卻壁的爐體冷卻系統(tǒng)沒有進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,總體冷卻強(qiáng)度偏大,銅冷卻壁的壁體和壁筋溫度較低(爐腰B2段銅冷卻壁壁體溫度情況如圖2所示);在2009年9月-2010年5月期間,邊緣布料偏重,邊緣氣流總體偏弱(如圖3所示),且邊緣4點(diǎn)之間的溫度偏差較大(開爐后邊緣4點(diǎn)溫度變化情況如圖4所示)。此外,爐頂采用并罐裝料存在先天布料偏析,切罐后對(duì)氣流的影響較大,造成軟熔帶的頻繁波動(dòng)。上述因素的共同作用,造成高爐爐墻發(fā)生多次結(jié)厚現(xiàn)象。2.3調(diào)整和提高爐頂液壓系統(tǒng)(1)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。開爐至出現(xiàn)爐墻結(jié)厚現(xiàn)象時(shí),冷卻爐體銅冷卻壁的純水Ⅱ系系統(tǒng)流量一直維持在5000m3/h左右,銅冷卻壁單串水速在2.3m/s左右,冷卻強(qiáng)度偏大。出現(xiàn)爐墻結(jié)厚現(xiàn)象后,為降低冷卻強(qiáng)度,臨時(shí)適當(dāng)下調(diào)水量,最低曾將水量調(diào)低至1700m3/h左右,后根據(jù)水溫差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。同時(shí),適當(dāng)上調(diào)進(jìn)水溫度至48～52℃之間。2010年9月之后,隨著爐墻黏結(jié)問題的解決,水量逐步穩(wěn)定在4000m3/h,水速在2.0m/s左右,進(jìn)水溫度按36～40℃范圍控制。在爐墻結(jié)厚最初期間,純水Ⅱ系統(tǒng)冷卻能力偏大,但水量調(diào)節(jié)較困難。后針對(duì)純水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不足,對(duì)系統(tǒng)工藝進(jìn)行局部優(yōu)化改造。增設(shè)調(diào)控純水Ⅱ系統(tǒng)南北兩側(cè)的旁通閥,分流部分水量,使這部分水量直接進(jìn)入脫氣罐和膨脹罐,避免造成供水泵和系統(tǒng)管網(wǎng)憋壓。同時(shí),也相應(yīng)平衡好系統(tǒng)冷卻水量。(2)操業(yè)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。上部通過布料制度的變化,適當(dāng)發(fā)展邊緣氣流,使軟熔帶根部上移,最終使?fàn)t芯焦和軟熔帶之間的通路擴(kuò)大,打開煤氣流動(dòng)通道,調(diào)整后的Z/W值如圖5所示(W值:邊緣煤氣流分布指數(shù),為十字測(cè)溫邊緣4點(diǎn)溫度平均值與爐頂溫度的比值;Z值:中心煤氣流分布指數(shù),為十字測(cè)溫次中心4點(diǎn)溫度平均值與爐頂溫度的比值)。下部通過送風(fēng)制度的調(diào)整,提高風(fēng)量和鼓風(fēng)動(dòng)能,使?fàn)t芯焦縮小和高爐煤氣流初始分布中的中心氣流得到合理分配。高爐風(fēng)量逐步由6900m3/min調(diào)整到7100m3/min左右,相應(yīng)的鼓風(fēng)動(dòng)能也由原先的150～155kJ/s調(diào)整到155～165kJ/s(如圖6所示),為保持合理的操作爐型打下良好基礎(chǔ)。(3)解決爐頂布料偏析問題。大修后的1號(hào)高爐(三代)采用并罐無料鐘裝料工藝。由于設(shè)計(jì)方面原因,爐頂布料過程存在偏析,主皮帶與爐頂2個(gè)料罐中心連線夾角為13°。2個(gè)料罐爐料到達(dá)爐頂料面時(shí),圓周方向料流量不同。在換罐初期,通過日常生產(chǎn)發(fā)現(xiàn),爐頂上料罐狀態(tài)為IC、110(1號(hào)罐為焦炭、2號(hào)罐為礦石)時(shí),中心氣流相對(duì)偏強(qiáng)、邊緣氣流相對(duì)偏弱;而當(dāng)料罐狀態(tài)改為IO、IIC(1號(hào)罐為礦石、2號(hào)罐為焦炭)時(shí),中心氣流相對(duì)偏強(qiáng),邊緣氣流相對(duì)偏弱。為減少爐料在罐內(nèi)的粒度偏析,采取在主皮帶頭部增加擋料板,盡量使落料點(diǎn)處于切換溜槽中心。2009年12月15日定修時(shí),通過把主皮帶頭部擋料板推進(jìn)280mm,盡量使落料點(diǎn)處于切換溜槽中心,使?fàn)t料進(jìn)入兩個(gè)罐的速度趨于一致;切換溜槽角度初步統(tǒng)一調(diào)至45°。2010年2月10日,利用臨時(shí)休風(fēng)機(jī)會(huì),進(jìn)一步把主皮帶頭部擋料板再往里推進(jìn)50mm(總共已推進(jìn)330mm,切換溜槽角度仍統(tǒng)一保持在45°)。改進(jìn)后,擋板才真正起到了擋料的作用,使落料點(diǎn)往中心布置。(4)爐型維護(hù)效果。通過采取以上一系列的措施,高爐的爐型得到有效維護(hù)。自2010年5月18日以來,1號(hào)高爐的操作爐型總體穩(wěn)定、合理,沒有發(fā)生過明顯的爐墻結(jié)厚和風(fēng)口大面積曲損現(xiàn)象。2.4銅冷卻壁熱負(fù)荷變化1號(hào)高爐有效解決爐墻頻繁結(jié)厚問題后,出現(xiàn)了銅冷卻壁附近爐墻熱負(fù)荷波動(dòng)大的問題。1號(hào)高爐自2010年5月后,爐體熱負(fù)荷出現(xiàn)明顯波動(dòng),其中主要表現(xiàn)在爐身的S1、S2和S3段部位。2010年以來,1號(hào)高爐各段銅冷卻壁的熱負(fù)荷變化情況如圖7所示。針對(duì)1號(hào)高爐爐體熱負(fù)荷波動(dòng)偏大的問題,目前操業(yè)上仍在進(jìn)行摸索和調(diào)節(jié)階段。據(jù)了解,國內(nèi)一些在爐體采用銅冷卻壁的高爐在投產(chǎn)3-5年后出現(xiàn)一些磨損、破損以及冷卻壁外部水管接頭變形情況。1號(hào)高爐自投產(chǎn)以來,雖發(fā)生過多次爐墻黏結(jié)脫落、熱負(fù)荷大幅波動(dòng)情況,到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)銅冷卻壁破損現(xiàn)象,今后需加強(qiáng)對(duì)銅冷卻壁使用的關(guān)注和檢測(cè)。3關(guān)于銅冷卻壁的不同應(yīng)用配置3.1爐缸冷卻壁與導(dǎo)電系數(shù)有關(guān)系近些年,新建或大修的高爐在爐缸采用銅冷卻壁的高爐已較普遍。高爐爐缸采用部分銅冷卻壁的初衷是基于銅冷卻壁良好的導(dǎo)熱性,銅冷卻壁耐材表面溫度低、改善傳熱,有利于在炭磚表面形成凝固層而保護(hù)炭磚。從寶鋼高爐爐缸采用銅冷卻壁實(shí)際運(yùn)行來看,效果不明顯,幾座高爐均有側(cè)壁溫度異常升高現(xiàn)象。從爐缸傳熱機(jī)理來看,要保持在爐缸內(nèi)形成穩(wěn)定的凝固層,必須切實(shí)把爐內(nèi)熱量有效傳遞到冷卻水,爐缸導(dǎo)熱示意如圖8所示,相應(yīng)材料導(dǎo)熱系數(shù)見表2。此外,據(jù)中冶賽迪進(jìn)行模型計(jì)算表明:炭磚NMA的導(dǎo)熱系數(shù)15W/(m·K),而煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.03W/(m·K),二者相差500倍。當(dāng)冷卻壁和炭磚間產(chǎn)生0.9mm氣隙時(shí),就有可能使炭磚冷面溫度達(dá)到600℃以上。如果冷卻壁與爐墻間產(chǎn)生了氣隙,傳熱受阻,則炭磚溫度和冷卻壁溫度將沒有相關(guān)性,僅靠提高冷卻設(shè)備的冷卻強(qiáng)度沒有明顯效果。生產(chǎn)實(shí)踐表明,爐缸采用銅冷卻壁存在一些不利因素,主要體現(xiàn)在:①銅冷卻壁為光面多邊形沒有弧度,在銅冷卻壁的接縫處出現(xiàn)縫隙。爐缸耐材采用小塊炭磚砌筑時(shí),小塊炭磚與銅冷卻壁熱面形成三角縫隙(如圖9所示),對(duì)策是一般為采用相應(yīng)的膠泥進(jìn)行填充。如果碳素膠泥未能在烘爐期間及時(shí)固化,在高爐投產(chǎn)后,容易被擠出和氣蝕形成間隙,成為冷卻壁接縫處的薄弱環(huán)節(jié)。②銅冷卻壁較軟,柔性大,在溫度和內(nèi)壓作用下易產(chǎn)生機(jī)械變形。③銅冷卻壁的壁厚為100mm,而爐缸鑄鐵冷卻壁的壁厚一般在160mm。為保證冷卻壁熱面的一致性,在銅冷卻壁冷面自流澆鑄料的厚度將比鑄鐵冷卻壁厚60mm。在兩種類型的冷卻壁接觸處為薄弱環(huán)節(jié),易造成自流澆鑄料不密實(shí),成為串氣通道。④爐缸不同段數(shù)采用不同類型的冷卻壁,在冷卻水量相同的情況下,冷卻強(qiáng)度不一樣,易造成爐缸高度方向不同的凝鐵層厚度,不利于爐缸整個(gè)凝鐵層的穩(wěn)定。寶鋼3號(hào)高爐爐缸采用全鑄鐵冷卻壁冷卻,至目前高爐已生產(chǎn)將近18年,爐缸狀況總體受控,預(yù)計(jì)高爐一代爐齡將達(dá)19年?？傊?通過對(duì)寶鋼高爐爐缸冷卻壁使用情況分析及生產(chǎn)實(shí)踐,認(rèn)為銅冷卻壁的主要特性不是爐缸冷卻的限制性環(huán)節(jié)。采用鑄鐵冷卻壁配合適當(dāng)?shù)臓t缸耐材、冷卻系統(tǒng)完全能夠滿足高爐長壽的要求,爐缸采用銅冷卻壁冷卻沒有必要。3.2爐腰至爐身下的銅冷卻壁高爐生產(chǎn)過程,爐腹到爐身下部爐襯要承受煤氣流和爐料的磨損、堿金屬和鋅蒸氣滲透破壞、初渣化學(xué)侵蝕以及由于溫度波動(dòng)所產(chǎn)生的熱震破壞作用等,環(huán)境較為惡劣。該區(qū)域原先采用鑄鐵冷卻壁冷卻的高爐,較多出現(xiàn)冷卻壁壁體產(chǎn)生裂紋、水管破損、不能滿足高爐長壽需要。近些年,在爐體上采用銅冷卻壁冷卻的高爐越來越多,多數(shù)高爐在爐體安裝4～5段銅冷卻壁,少數(shù)安裝6段銅冷卻壁,主要目的還是期望利用銅冷卻壁良好的導(dǎo)熱性,形成穩(wěn)定渣皮保護(hù)冷卻壁。爐腹區(qū)域位于軟熔帶的下方,一直處于高爐濕區(qū),采用導(dǎo)熱性好的銅冷卻壁冷卻,可確保渣皮的快速形成。尤其對(duì)爐腹角相對(duì)較大的高爐,穩(wěn)定的渣皮更有利于保護(hù)該區(qū)域冷卻設(shè)備避免受到氣流的直接沖擊。因此,該部位采用銅冷卻壁,可以更好的起到保護(hù)冷卻設(shè)備和爐皮的作用。對(duì)不同高爐來說,通常有三種煤氣流分布模式,即邊緣發(fā)展型、中心發(fā)展型和介于兩者之間的邊緣適度發(fā)展型,相對(duì)應(yīng)的軟熔帶形狀如圖10所示。隨著噴煤水平和煤比的提高,邊緣氣流得到發(fā)展,軟熔帶的形狀類似于圖10(a)所示。在該情況下,爐腰和爐身下部采用銅冷卻壁冷卻能夠發(fā)揮其積極作用。在高爐能夠保持長期爐況穩(wěn)定、原燃料條件相對(duì)較好的條件下,亦可以采用銅冷卻壁。操作上如果長期保持中心氣流過強(qiáng),軟熔帶根部過低[如圖10(b)所示],銅冷卻壁長期處于干區(qū),易導(dǎo)致該區(qū)域銅冷卻壁不耐沖刷磨損。在爐況不能保持長期穩(wěn)定,渣皮頻繁脫落和頻繁進(jìn)行熱洗爐,銅冷卻壁在熱震下極易出現(xiàn)金屬疲勞和產(chǎn)生金屬裂紋。即便是圖10(c)類型的氣流分布模式,也易導(dǎo)致銅冷卻壁破損。以上兩種情況在該部位采用銅冷卻壁時(shí),尤其要關(guān)注。某高爐投產(chǎn)5年后,爐腰及爐身下部銅冷卻壁(第6段冷卻壁上部和第7段冷卻壁下部)磨損和破損情況如圖11所示。此外,爐況長期不穩(wěn)定,爐墻頻繁結(jié)厚和頻繁洗爐的高爐,如果在爐身下部設(shè)置銅冷卻壁,由于銅冷卻壁要經(jīng)受頻繁的熱應(yīng)力和熱脹冷縮狀況,銅冷卻壁外部的連接水管如采用金屬硬管連接,在冷卻壁變形的情況下,金屬硬管對(duì)冷卻壁水管產(chǎn)生了約束力,使水管不能自由位移,同時(shí)在熱疲勞的