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水冷管在炉底板十下布置对冷却效果的影响

张波，杜鹏宇

(中冶京诚工程技术有限公司)

摘 要：分别对江阴3200m3高炉和北营3200m3高炉的炉底水冷形式进行建模计算，并与通过现场生产数据对比分析，可以看出，无论炉役前期和炉役后期，两种不同水冷管布置形式对炉缸炉底的冷却效果无明显差别，炉底水冷管冷却水部能够及时带走炉底热量但两种形式对施工的要求及生产后的炉体维护要求有所不同。

关 键 词：高炉；炉底；水冷管布置；冷却效果

高炉炉缸炉底冷却优劣随着内衬结构变化和高炉强化冶炼渐渐得到重视，《高炉炼铁工艺设计规范》建议炉底冷却形式宜采用水冷结构[1]。目前，国内炉底水冷管的布置位置分为两类，一类是在炉底封板上部，另一类是在炉底封板下部。究竟哪种水冷管布置形式能够更好的提升炉底冷却效果，一直是高炉设计者关心的问题，为综合分析水冷管布置形式对炉底的温度影响，本文对国内两座3200m3高炉不同炉底冷却布置形式进行理沦分析，采用工业现场数据进行对比，并结合高炉实际操作条件，确定更为合理的炉底冷却水管的布置形式。

1 炉底水冷管冷却效果研究现况

国外[2—4]对炉缸炉底的数学模型研究以化学侵蚀线和稳态温度场为主，分析稳态温度场对炉缸炉底侵蚀线的影响，没有对炉底冷却水管布置形式进行冷却效果分析。

国内杜钢等[5]在研究炉缸炉底传热时，以直角坐标系为基础，建立炉缸炉底二维传热过程数学模型。该模型由于采用稳态传热计算，没有考虑非稳态的影响，在建立模型时忽略了冷却水管的布置形式对计算结果的影响。

程树森，杨天钧等[6]采用建立三维柱坐标模型，以当量截面代替实际工作截面分析凝固潜热对炉缸炉底温度场的影响，获得化学侵蚀线在炉缸炉底的侵蚀形状，也没有考虑冷却水管布置形式对炉底传热的影响。

项钟庸等[7]认为，从冷却的观点，冷却水管设置在炉底封板之上比较合理。国内绝大部分高炉都采用炉底水冷结构，水冷管设置在炉底封板上部时，冷却水管更接近炭砖热面，能够更好的导出炉底热量，增加冷却效果。但没有定量分析冷却水管的布置形式对炉底温度场的影响效果。国内高炉操作者根据自身的使用习惯和操作经验，选择不同冷却水管的布置形式，都没有定量说明两种炉底冷却水管的布置形式的优劣性。

为准确分析两种水冷管布置形式对高炉的影响效果，笔者结合国内两座3200m3高炉的设计图纸，采用有限元建立二维温度场数学模型[8]，对于不同水冷管布置形式在炉役前期和炉役后期的温度场进行分析比较，以此获得最合理的冷却水管布置形式。

2 炉底水冷管布置形式

(1)炉底水冷管布置在封板上部。江阴兴澄特钢高炉3200m3高炉炉体100％水冷，软水密闭冷却，自下而上一连式冷却方式，炉底水冷管布置在封板上部，在炉壳内部炉底找平层共布置30根冷却水管，以高炉中心线对称分布，管径Φ121mm×6．5mm，管道间距250mm。水冷管周围全部采用炭素捣料传递热量，炉底封板下部采用耐热混凝土结构(如图1所示)。

江阴3200m3高炉于2009年9月26日投产，投产后炉缸炉底监测热电偶温度一直保持在合理水平。2011年9月炉底第1层炭砖测温点温度保持在80℃，第2层炭砖中心测温点温度为130℃，边缘测温点平均温度保持在65℃。高炉原料成本一直维持在较低水平，操作稳定，经济指标运行良好。

(2)炉底水冷管布置在封板下部。本溪北营钢铁(集团)股份有限公司新1号高炉采用软水密闭循环冷却系统，分区冷却，炉体100％水冷，炉底水冷管布置在炉底封板下部，炉底共布置26根冷却水管，水管间距300mm，以高炉中心线对称分布，每侧13根，管径Φ108mm×6mm。炉底水冷管周同耐材使用高导热的不定形炭素捣料传递热量，水冷管底部使用耐热混土结构(如图2所示)。

北营3200m3高炉于2012年11月投产，运行状况良好，2013年4月入炉焦比321kg／t，煤比162kg／t，焦丁比39kg／t，燃料比522kg／t，热风温度1250℃，利用系数2．599。截至4月中旬，高炉累计出铁952615t，经济运行指标均处于国内先进水平。冷却壁进出水安装水温差检测设备，实时监测冷却壁的热流强度；炉缸炉底布置热点偶测温，并安装炉缸炉底侵蚀模型软件，实时分析炉缸侵蚀状态。

3 两种炉底水冷管布置形式温度场计算

3．1 现场工况参数

炉缸炉底是高炉工作环境最恶劣的区域，该区域的耐材始终受到高温渣铁的冲刷和侵蚀，炭砖侵蚀线，即1150℃等温线，和炭砖800℃脆化线是炉缸炉底侵蚀机理的主要推动力，二者的叠加作用是炉缸炉底出现“象脚”状侵蚀的主要原因。因此，对炉缸炉底的温度场分析主要考虑炭砖侵蚀线和炭砖脆化线。根据高炉实际运行的温度采集数据，铁水温度为1450℃或1500℃，冷却壁冷却水温度42℃，环境温度边界条件为20℃；对流换热面边界为炉壳外表面和炉底封板边缘处上表面，以及炉基的与空气接触的外表面，换热强度按照普通对流换热计算，导热按设计采购商提供的参数确定边界，根据设计资料，共对9种材料的物理属性设定边界条件。数学模型采用文献[8]中的模型进行仿真。

3．2 炉底水冷管布置计算结果

为延长炉缸炉底的寿命，避免高温渣铁的直接冲刷侵蚀炉缸炉底耐材，尽量将1150℃侵蚀线推出耐材的热面，以形成具有自保护功能的渣铁层，以此减少炉缸炉底的耐材侵蚀速度。高炉炉役初期，由于铁水环流对耐材的冲刷较轻，“象脚”状侵蚀线还未形成，炉缸炉底内型以设计尺寸为物理模型进行计算。

炉底水冷管布置在封板上部时，其温度场计算结果如图3所示。温度曲线沿炉缸炉底呈二次曲线向炉外推移。由于圆形炉壳与直线水冷管的排布形式，在炉壳边缘处水冷管无法排布，导致该部分耐材积蓄热量。该部位耐材是高导热石墨和炭素捣料，由于热量沿该部位继续向炉壳外部传递，导致80℃等温线在该位置处严重向外偏移，出现非平滑凸起状，增加了局部80℃等温区域。而在炉底有水冷管道布置处，由于水冷管道的热交换作用，80℃等温线贴近水冷管附近，在水冷管附近温度梯度较大，大部分热量都被冷却水带走，相当于水冷管隔离了炉内热量继续向炉底传递的过程。该水冷管布置形式边缘炉基温度为40～60℃。

炉底水冷管布置在封板下部时，其温度场计算结果如图4所示。在炉壳边缘处，80℃等温线与水冷管布置在封板上部的温度场偏移形状类似，二者的差别在于偏移的程度有所减小，80°等温区域相对减少。炉底水冷管附近的等温线比较密集，80℃等温线仍然没有向下穿过水冷管布置层，说明炉底冷却水管能够完全带走从炉内传出的热量，保证热量不向炉底继续传递。该水冷管布置形式边缘炉基温度为40～60℃，与水冷管布置在封板上部时相同。

3．3 计算结果与实际数据对比

2011年9月15日，江阴3200m3高炉主控室监测炉底第1、2层炭砖测温点数据见表1、2。炉底第1层炭砖测温点分布位置如图5所示，第2层测温点分布位置如图6所示。靠近炉底封板炭砖温度范围为40～115℃，第1层炭砖的平均温度约为70℃，第2层炭砖平均温度约为110℃，与数学模型计算的温度相一致。炉底水冷管附近的温度与计算温度差别为±5℃，该误差能够满足工业数据要求。

为更加准确地确定炭砖侵蚀情况，北营3200m3高炉炉缸炉底布置较多的热电偶，并安装侵蚀模型软件，该软件可以根据热电偶测温数据绘制炭砖侵蚀线。2013年7月，主控室测温数据见表3、4。炉底第1层炭砖热电偶安装位置如图7所示，第2层热电偶安装位置如图8所示。测温数据与数学模型计算的温度场分布相符，可以确认模型的边界条件和计算参数的选择正确，建模参数符合工业现场工况。

3．4 炉役后期的计算

根据高炉现场数据与数学模型计算结果的数据对比，可以判断数学模型的正确性，能够准确反映炉底温度的变化以及水冷管附近的温度数据。为彻底分析炉役后期炉缸炉底的温度状况，对温度场进行计算，更深一步分析水冷管布置形式对炉缸温度场的影响。

炉役后期，炭砖因遭受渣铁侵蚀、热应力导致的环裂等破坏，导致炉缸炉底侵蚀线不断向炉壳外部推移，在环流影响较严重区域出现“象脚”状侵蚀曲线。根据国内外高炉大修及炉缸分析水冷管布置形式对炉底温度场的影响，为高炉设计初步方案提供理论支持，在上述计算模型的基础上，对江阴3200m3高炉和北营3200m3高炉底侵蚀线，设定两种不同水冷管布置形式的3200m3高炉计算模型侵蚀线的形状如图9、10所示，在“象脚”区域炭砖残留厚度最薄处为600mm，铁水侵蚀线在第4层炭砖的下部。通过模型计算的结果可知，除了温度场梯度增大，80℃等温线向外扩张外，炉役后期与前期的温度曲线无明显差异。

从图9可以看出，水冷管布置在炉底封板上部时，“象脚”状侵蚀向炉壳处延伸，80℃等温线比未侵蚀前更贴近炉底水冷管，120℃等温线也向外偏移，温度场内的梯度变化更快。炉底水冷管的冷却换热作用能够及时导出传递的热量，阻隔热量向下传递，将水冷管下部区域保持在40～60℃左右。炉壳边缘处由于没有水冷管布置，导致120℃温度区域向下凸出，80℃温度区域分布扩大至炉壳和炉基[8]。从图10可知，水冷管布置在炉底封板下部时，炉基边缘处120℃等温线没有出现凸出区域，80℃等温线向炉壳和炉基延伸，该区域与未侵蚀前相比，范围明显扩大，但其扩大的范围主要向下偏向炉基，炉基边缘处封板附近温度则保持在60～80℃左右，其热量分布略优于水冷管布置在上部的分布状态，二者对炉内温度场的影响差别不明显[8]。无论是炉役前期还是炉役后期，两种炉底水冷管的布置形式主要差别在边缘炉底位置处的温度场不同，它们对炉缸炉底的温度场分布影响较小。

如果从设计施工角度考虑，当水冷管布置在封板上部，炉内石墨砖布置时需要开槽，槽缝与水冷管的接触缝隙如果不严将会影响热量的传递。同时，在炉底炉壳板上需要开几十个孔以便水冷管从炉内穿出，在炉壳表面形成大量的单边焊缝，随着开炉后热应力造成的疲劳，单边焊缝容易出现漏煤气现象，这都是高炉生产过程中的巨大隐患。同时，高炉开炉后，炉壳由于受热膨胀力的作用向上移动，导致出现炉底水冷管弯曲变形，降低炉底的传热效果。这些不利因素增加了高炉生产过程，尤其是炉役后期的炉壳拉裂现象的产生，进而导致炉基出现大量的隔热空洞，在目前炉料中碱金属含量明显增加的情况下，这种隐患会带来严重后果。当水冷管布置在炉底封板下部时，由于炉壳的受热变形不会引起炉底水冷管弯曲变形。同时，由于没有在炉壳上开孔，炉壳部分的焊缝减少，降低了炉底漏煤气的风险，而且高炉的建设施工也比水冷管布置到封板上部容易，更能够合理控制施工质量。炉底封板在受热向上变形的情况下，还可以及时补充炭素捣打料弥补炉壳热涨引起的空隙，在不影响生产的情况下实施炉外修补措施。

4 结语

通过江阴和北营两座3200m3高炉不同炉底水冷管布置形式对冷却效果的模拟温度场计算及现场测温数据的对比分析，可以看出，炉底水冷管主要起到隔离炉底热量继续向炉基传递的作用。由于水冷管的存在，炉底热量在传递到水冷管布置位置就被冷却水及时带走，无论水冷管布置在封板上部还是在封板下部，二者温度分布没有明显差别。但是，从高炉施工和维护的观点看，炉底水冷管布置在封板下部时不仅有利于高炉建设时期的质量控制，而且更有利于高炉生产过程中的维护操作。

参 考 文 献：

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