摘要为了满足高炉长寿的需要，开发了一种具有高冷却性能的铸铁冷却壁。热态实验结果表明，这种铸铁冷却壁的冷却能力明显大于普通铸铁冷却壁，能够承受100kW/m2的热流密度。由于该种冷却壁具备冷却能力大、造价低等优点，因此有着很好的工业应用前景。研究认为，在炉腹及炉身下部高热负荷区使用铜冷却壁，炉身中、上部正常热负荷区使用冷却水管表面合金化铸铁冷却壁，可以实现炉腹、炉腰冷却壁寿命与其他部位冷却壁寿命同步的高炉长寿目标。

关键词  高炉  冷却水管表面合金化 铸铁冷却壁 热态实验

1  引言

    冷却壁是高炉广泛使用的冷却设备，其性能的优劣直接影响到高炉一代炉役寿命。为了延长高炉寿命，增加企业经济效益，高性能冷却壁的研究和开发一直是炼铁工作者关注的重要课题。虽然铜冷却壁冷却性能优良，但价格昂贵。目前，我国只有少量大中型高炉在高热负荷区开始使用铜冷却壁。而其他部位以及我国的绝大部分高炉仍然使用普通铸铁冷却壁。随着高炉冶炼的不断强化，炉体热负荷不断增大，现有普通铸铁冷却壁已难以完全满足现代高炉的需要。为了提高铸铁冷却壁的冷却性能，满足高炉长寿的需求，北京科技大学与世林（漯河)冶金设备有限公司共同开发了一种高性能铸铁冷却壁一冷却水管表面合金化铸铁冷却壁，简称合金化管铸铁冷却壁。

在开发高性能铸铁冷却壁的过程中，首先分析了普通铸铁冷却壁冷却能力低的原因及提高铸铁冷却壁冷却能力的可行性。传统的铸铁冷却壁制造工艺是在冷却钢管外壁刷涂或喷涂l层0．20～0．40mm手的防渗碳涂料，这样在浇注时虽然能起到很好的防渗碳作用，但在冷却水管外壁和冷却壁基体之间形成了一个由涂层和气隙构成的绝热层，该绝热层是冷却壁冷却能力的限制性环节。为了降低涂层及气隙的热阻，新开发的铸铁冷却壁，它不是刷涂或喷涂防渗碳涂料，而是对钢管活化处理后再进行合金化处理，在钢管外壁形成了一层0．10mm厚的合金层，该合金层不仅防渗碳效果优良，而且导热性好，热导率≥95 W／(m·K)。            

为了测定合金化管铸铁冷却壁的实际冷却性能，作者在常熟喷嘴厂专用的高炉冷却壁热态实验炉上对该种冷却壁进行了1：l模拟热态实验。实验结果表明，合金化管铸铁冷却壁冷却性能优于普通铸铁冷却壁，可以承受100kW／m²的热负荷，而造价与普通铸铁冷却壁大致相同。

  本文对合金化管铸铁冷却壁与普通铸铁冷却壁的热态试验结果进行了比较分析，利用试验数据计算了冷却壁壁体与冷却水之间的平均热阻，分析了合金化管铸铁冷却壁冷却能力优于普通铸铁冷却壁的原因，并通过对试验冷却壁的解剖，进一步验证分析结果的正确性。

2热态实验装置及试验过程

  热态试验装置包括四部分：冷却壁试验炉、柴油燃烧室、水循环系统和测试系统(如图1所示)。试验提供高炉冷却壁的模拟热环境；柴油燃烧室为试验炉提供稳定均匀的热源；水循环系统则为冷却壁提供所需的冷却水，并保证在较大的范围内对流量(流速)、温度进行调节；测试系统包括流量计、温度计、热电偶数据采集仪表。

    热态实验的目的是测量不同条件下冷却壁的温度分布和热流密度。为使测量准确，需要使进水口水温尽量保持恒定，因此，本试验用水泵直接从江河中抽取循环水，并通过下水道排入江河中。该系统无需换热装置，具有方便、准确的效果。试验冷却壁有4个水通道(单层Ø70mm)，为增大进出水温差、减小测量误差，在试验时将冷却水管串连为二进二出。本试验共布置了62只镍铬一镍硅热电偶，测点位置和深度根据需要决定。为保证测量的精确性，用电容焊接机将热电偶焊在测孔底部。其中6只热电偶用于监测靠近冷却壁热面的炉内温度变化。

    热态实验分两种情况进行：一种是铸铁冷却壁前面没有渣皮，模拟高炉冷却壁热面完全暴露在高温煤气下的温度分布情况；另一种是铸铁冷却壁热面挂了一层厚度为30 mm的渣皮，模拟高炉内铸铁冷却壁挂渣后的温度分布情况。

    在确认系统各部分状况良好的情况下开始点火，使系统升温，炉温从室温升高到1200℃，壁内通道水速在0．518～2．03m／s变化，在炉温达到稳态后记录试验结果。由于冷却水来至湖水，所以进水温度一直保持在29．6℃左右，出水温度随着水速发生变化，最高温度达到41．1℃。排出的烟气温度最高达913℃。在试验结束前进行热冲击试验。

3实验结果和分析

3．1  炉温与热流密度、热面温度的关系

    根据试验数据得出合金化管铸铁冷却壁炉温与热流密度、热面温度的关系(如图2所示)。图2显示，无渣合金化管镶砖铸铁冷却壁当炉温l 100℃时，热流密度为100kW／m²，本体热面温度718 ℃，没有超过铸铁冷却壁自身所能承受的长期工作温度760 ℃。当炉温1148℃时，热流密度为112 kW／m²，本体热面温度789℃，已经超过了铸铁冷却壁的安全工作温度，说明本试验合金化管铸铁冷却壁能承受100kW／m²的热负荷。另外，从图中也可以看出，当冷却壁热面有渣皮存在时，即使炉温超过1 200℃，冷却壁的热流密度及热面温度都非常小，可见渣皮对铸铁冷却壁起到了很好的保护作用。

3．2合金化管铸铁冷却壁与其他冷却壁的比较

    表l列出了相近炉温下三种冷却壁在同一热态实验炉上的试验结果，其中普通涂层铸铁冷却壁热态试验由北京科技大学宋阳升博士2000年完成，它的结构参数与本试验合金化管铸铁冷却壁结构参数完全相同。其他两种冷却壁是作者近期的试验结果。从表l及图3可以看出，在两块铸铁冷却壁结构参数完全相同、炉温相近的情况下，合金化管球墨铸铁冷却壁的热流密度几乎是涂层铸铁冷却壁的2倍，但热面温度比涂层铸铁冷却壁低174℃，整体温度平均降低150℃，这充分表明合金化管铸铁冷却壁的冷却能力远远超过了普通铸铁冷却壁。如果经费有限，将合金化管铸铁冷却壁用在高炉的高热负荷区，不失为一种较好的选择。因为合金化管铸铁冷却壁冷却能力的提高，降低了壁体整体温度，有利于对炉衬的冷却和表面渣皮的形成，有利于延长高炉寿命。

    但试验结果也显示，在高炉的高热负荷区，当冷却壁完全暴露在高温煤气下时，合金化管铸铁冷却壁热面温度仍然超过了铸铁的安全工作温度，而铜冷却壁的热面温度仍然在安全线内。为了保持高炉15-20年寿命，应该根据高炉不同工作区域环境选择冷却壁，选择的原则为冷却壁工作最高温度不能超过冷却壁自身所能承受的长期工作温度。据此得出，铜冷却壁可以应用在炉腹、炉腰、炉身下部高热负荷区，利用铜冷却壁超强的冷却能力及容易挂渣的优势来解决这些区域寿命的问题；而合金化管铸铁冷却壁适合应用在炉身中、上部区域，从而满足高炉整体炉型和长寿的思想，这就是一种“自分区冷却”的思想。

3．3合金化管铸铁冷却壁本体与冷却水之间的热阻分析

研究资料显示，冷却壁本体与冷却水之间热阻的大小决定了冷却壁冷却能力 的大小。铸铁冷却壁本体与冷却水之间存在4个热阻，分别为水管内表面与冷却水之间的对流换热热阻Ra，水管管壁的导热热阻Rw，镀层导热热阻Rc以及气隙层的热阻Rg。其中，涂层及气隙层热阻是决定铸铁冷却壁冷却能力的主要因素。本试验在设计布置热电偶时，就考虑了冷却壁壁体与冷却水之间热阻的计算问题。将测量水管外壁与冷却壁壁体接触面平均温度的热电偶旋转在深度80mm（水管中心线距冷面距离）、距水管内壁16mm的地方（如图4所示），此处基本可以代表冷却水管外壁的平均温度。以炉温1147℃、流速1。18m/s的试验结果为例，计算合金化管铸铁冷却壁壁体与冷却水之间的热阻。

  传热稳定时，有：

    Q=KF_B(t_D一t_平)

式中Q——冷却水带走的热量，kW；

    K——冷却壁壁体与水的传热系, W／(m²·K)；

  F_B——冷却壁水管的外表面积，m²；

  t_平——冷却水的平均温度，℃；

  t_D——冷却水管外壁与壁体接触的平均温度，℃。

  把试验数据带入公式(1)得出合金化管铸铁冷却壁本体与冷却水之间总的传热热阻：

    R=6．86×10^-4(m²·℃)／W

与普通涂层铸铁冷却壁的计算结果相比较，有

    R合金化管铸铁   6．86×10^-4          1

   -----------------------=----------------≈------

 R涂层铸铁     4．22×10^-3        6．2

  同时，计算出合金化管铸铁冷却壁气隙热阻与镀层热阻之和(Rg+Rc)占总热阻R的40％，而普通涂层冷却壁气隙热阻占总热阻的87％。热阻分析结果说明：冷却水管处理新工艺(合金化工艺)减小了冷却水管与冷却壁本体之间的气隙，从而降低了冷却水与冷却壁体之间的热阻，大大提高了铸铁冷却壁的冷却能力。

  为了验证分析结果的正确性，沿冷却水管轴向对试验冷却壁进行解剖(见图5)，发现管壁与壁体之间既没有明显的气隙，两者又没有熔合，而从等离子喷涂铸铁冷却壁解剖图(见图6)可以看到明显的气隙层，由此进一步证明了热态试验结果与热阻计算分析结果的准确性。

    目前，合金化管铸铁冷却壁在马钢、建龙等5家钢铁厂的7座高炉上开始使用，效果很好。

4结论

  (1)相同炉温下，合金化管铸铁冷却壁热流密度是普通铸铁冷却壁所能承受的热流密度的1．7倍。

   (2)合金化管铸铁冷却壁壁体与冷却水之间的热阻是普通涂层铸铁冷却壁热阻的1／6左右。

    (3)合金化管铸铁冷却壁能承受100 kW／m²的热流密度，它的冷却能力明显优于普通铸铁冷却壁，适合于我国多数高炉的长寿要求，有很好的工业应用前景。

    (4)在高炉高热负荷区使用铜冷却壁，其他区域使用合金化管铸铁冷却壁，可以实现炉腹、炉腰冷却壁寿命与其他部位冷却壁寿命同步的高炉长寿目标。