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高炉铜冷却壁的技术进展
发表时间:[2007-10-19]  作者:宋家齐 胡静  编辑录入:admin  点击数:4601

摘要对高炉应用铜冷却壁的最新技术进展情况进行了总结,认为铜冷却壁应用于高炉炉腹、炉腰和炉身下部等高热负荷区域,是现代高炉的最佳炉体冷却方案。

 

关键词 高炉 长寿 铜冷却壁 热负荷

 

1概况

       随着高炉炼铁技术的不断进步,高炉生产朝着优质、高产、低耗和长寿的方向发展。而随着高炉炉容大型化、生产高效化,高炉的利用系数和冶炼强度不断提高,导致高炉炉腹、炉腰和炉身下部等部位热负荷上升,同时高炉炉况的波动引起软熔带位置频繁上下移动,反复出现的热冲击、挤压、磨损、化学侵蚀,使高炉炉腹、炉腰和炉身下部等部位的工作环境异常恶劣,加速了耐材的侵蚀和冷却设备的损坏。国内外高炉生产实践表明,由于高炉冷却设备损坏引起高炉停炉大修的比例超过27%。因此,延长高炉冷却设备的寿命一直是研究高炉长寿的一个重要课题。

     由于铸铁冷却壁和铜冷却板在使用的过程中都不同程度的存在问题,上世纪70年代欧洲开始研究和使用铜冷却壁,收到了非常好的效果。1978年,铜冷却壁首次在比利时西德玛B高炉炉身下部安装了一块进行试验,取得成功后,1979年德国蒂森钢铁公司在汉堡4号高炉炉身中部安装了2块进行工业试验,经9年运行,铜冷却壁状态良好,测量铜材磨损量仅为03 mm,而与其相邻的铸铁冷却壁都出现了大量的裂纹和严重的损伤。1988年蒂森钢铁公司在鲁罗尔特厂6号高炉炉身下部安装了2块铜冷却壁重复上述试验,得到了相同的结果。自90年代以来,世界上已有近60座高炉使用了铜冷却壁,铜冷却壁技术作为高炉炉体长寿技术的发展方向,逐步得到高炉炼铁同行的认可。

 

2高炉应用铜冷却壁的技术优势

21铜冷却壁的技术特点

    与铸铁冷却壁相比,铜冷却壁有以下特点:

    (1)高导热性能。铸铁冷却壁导热系数低,300左右时坌3304W(m·K),随着温度升高不断下降,700 时只有225 W(m·K)。铜冷却壁的导热性能高,其导热系数是铸铁的1215倍,因而铜冷却壁工作时壁体热面与水通道表面正常情况下仅保持1520 ℃的温差,短时最大温差不超过100 。由于铜冷却壁的表面温度很低,且非常稳定,不会产生很大的热应力,不会产生裂纹,所以使用一代炉龄后的铜冷却壁均无裂纹出现。

    (2)良好的抗热震性能。虽然第四代铸铁冷却壁采用了铁素体球墨铸铁材料,其抗热震性能和韧性已大大改善,但远不及铜冷却壁卓越的导热能力,在铜冷却壁热面不仅能形成稳定的渣皮,而且在渣皮脱落时,也能够快速的重新生成渣皮。大量实践表明,铜冷却壁重新形成渣皮只需2030min,而铸铁冷却壁却需要45 h。在渣皮损坏、再形成的过程中,冷却设备的温度越低,渣皮形成的速度越快,冷却设备要承受的热疲劳周期也越短,这使得铜冷却壁具有良好的抗热疲劳性能。而当冷却壁砖衬熔损而渣皮又脱落时,冷却壁热面温度经常达到750以上,这一温度正是球墨铸铁中珠光体的相变温度,因晶体相变引起壁体强度下降,产生热裂纹最终导致冷却壁损坏。另外,铜具有较高的延伸率,也使铜冷却壁具有很高的耐热震性能。

    (3)良好的抗热流冲击性能。铜冷却壁导热性好,能承受的最大热流强度为350 kWm2(15 min),而铸铁冷却壁能承受的最大热流强度仅为70kWm2(15 min)。因为铜冷却壁是靠渣皮在炉内工作的,而渣皮的导热系数很小,只有2W(m۰K),它能隔热,降低传到铜冷却壁的热流强度,使热负荷大大降低。生产中渣皮厚度50 mm时,实际的热流强度仅为269 kWm2(上限值),远远小于铜冷却壁能承受的最大热流强度。同时铜冷却壁工作时,热量直接由铜冷却壁传递给冷却水,不像铸铁冷却壁工作时,热量由冷却壁传递给水管(且冷却壁本体和水管之间还存在0103 mm气隙),再由水管传递给冷却水,这也是铜冷却壁具有良好抗热冲击性能的原因之一。

22铜冷却壁的应用优势

    (1)综合经济性好。就铜冷却壁本身来说其价格较高,但由于省下了价格昂贵的高级耐火材料,可大大减少这部分投资;铜冷却壁厚度较铸铁冷却壁大大减小,同时炉内不需砌砖,炉墙变薄,对于大修的高炉,如不更换炉壳,炉容可以扩大10%~15%,对于相同容积的高炉炉壳可缩小,这也能减少投资;大大减少大修施工的工作量,缩短了大修工期,赢得了更多的生产时间,可创造更多的效益;冷却水用量减少使循环水系统的投资也能减少。因此,在炉腹、炉腰和炉身下部等高热负荷区域采用铜冷却壁,不会导致投资增加,综合经济性好。

    (2)可确保高炉稳定生产。在炉腹、炉腰和炉身下部等高热负荷区域采用铜冷却壁,高炉生产过程中,不必担心这部分冷却设备破损引起高炉的休风,可提高高炉的有效作业率;由于不会发生因冷却设备损坏而向炉内大量漏水,从而消除了造成炉凉的一个重要因素。这些对高炉的稳定生产都是非常必要的,它将会产生很大的经济效益。

    (3)可提高高炉技术经济指标。铜冷却壁能使高炉在生产过程中形成光滑平坦的炉型,有利于高炉稳定顺行、强化冶炼。由于改善了高炉操作工艺条件,对实现高炉优质、高产和低耗是非常有利的。

    (4)可降低操作成本。铜冷却壁由于能快速重建渣皮,因此热损失较低,同时可降低30%~40%的冷却水量,既减少生产运行费用,又可减少冷却水系统的投资费用,同时由于高炉热损失减少,对降低高炉燃料比有利,也使操作成本显著降低。

    (5)可大大降低设备维护费用。由于铜冷却壁使用寿命长,不会出现铸铁冷却壁易发生破损的情况,因此铜冷却壁在生产过程中不用更换,也不需要备品备件,可大大降低设备维护费用。同时铜冷却壁冷却区域可保证炉壳处于低温水平,不会出现炉壳发红、开裂等异常情况,亦可大大降低设备维修费用,确保高炉稳定生产。

    (6)可降低今后高炉大修投资。铜冷却壁现在已有在第2代炉役继续使用的实绩,根据磨损量来推算甚至有可能用于第3代,甚至更长,这将大大降低以后高炉的大修投资。

 

3  高炉应用铜冷却壁的技术进展

31  铜冷却壁在高炉上的典型应用

    比利时西德玛B高炉(炉缸直径105m)19954月在第8(炉腰)安装了铜冷却壁;19966月又在第6(炉腹)、第7(炉腰)、第9(炉身下部)安装了铜冷却壁,而第5(炉腹)仍安装铸铁冷却壁。200112月大修时(第五代炉役,炉缸直径1075 m)发现铜冷却壁状态非常好,于是又在第23(炉缸)、第5段、第1011(炉身下部)安装了铜冷却壁,目前B高炉总共安装了9段铜冷却壁(370),如图l所示。


    西德玛A高炉2003年大修时炉体冷却设备设置如图2所示,是目前比较典型的高炉炉体冷却设备设置,其在炉腹、炉腰和炉身下部采用了5段铜冷却壁,同时在炉缸部位采用了6段横形铜冷却壁。





    3、图4为西德玛B高炉炉腹、炉腰和炉身下部的热负荷情况。由图可以看出,在高炉内热负荷最高区域是炉腹、炉腰和炉身下部,是熔融渣铁形成的区域,使用铜冷却壁可充分发挥它的特长,因此铜冷却壁在这些部位得到了越来越广泛的应用。使用铜冷却壁后,这些部位已不再需要使用性能优良的高级耐火材料,依靠生产过程中自己形成的渣皮来作为炉衬,即使在炉况波动时渣皮脱落也能很快再生,这是最佳的一种工艺方案。对于大喷煤比的高炉,边缘煤气流强,炉腹、炉腰、炉身下部的热负荷更高,使用铜冷却壁就更安全。

    5为西德玛B高炉炉身上部的热负荷情况,可见,炉身上部由于热负荷已大大降低,又是固体炉料通过的区域,还不能生成渣皮,因此不能使用铜冷却壁。因为铜的机械强度低,材质硬度小,不耐磨损,固体炉料对它的磨损将是一个严重的威胁,目前普遍使用铸铁冷却壁。

    炉缸部位是高炉的一个重要的薄弱环节,主要是渣铁流动对耐材的冲刷以及高温热应力对耐材的破坏。保护炉缸的办法主要是提高耐材的质量和强化炉缸的冷却,使1 150℃等温线尽可能地移向炉内,以便在耐材表面形成凝固层,保护耐材不受渣铁的侵蚀和降低耐材的温度,降低热应力的破坏作用。相对炉腰、炉腹及炉身下部而言,炉缸处的热负荷并不是很高,图6所示的西德玛B高炉炉缸的热负荷情况可以证实这一点。采用铜冷却壁,它极强的冷却能力对保护耐材来说有很大好处,但投资将有所增加。随着高炉长寿技术的发展,对高炉生产的安全性提出了更高的要求,因此目前炉缸部位采用铜冷却壁方案的高炉有增加的趋势。

32  高炉应用铜冷却壁的技术发展趋势

    轧制铜冷却壁应用广泛。虽然应用于高炉的铜冷却壁有不少采用连铸工艺制造,但由于存在晶粒粗大的铸造组织,易产生缩孔和疏松缺陷,致密性差,表面还存在微裂纹,而且存在铸造应力,而轧制铜冷却壁金相组织均匀、晶粒细小致密,无内应力,因此得到了愈来愈广泛的应用。

    长圆孔铜冷却壁发展迅猛。以30 mm×85 mm的长圆孔铜冷却壁与Ø55 mm的圆孔铜冷却壁进行比较,长圆孔铜冷却壁冷却面积增加181%,冷却水流速相同的情况下其冷却能力大大增强,同样的冷却强度下其水量可大幅减少;同时冷却壁总厚度可减少25 mm,可大大降低冷却壁成本,对扩大高炉炉容也是非常有利的。

    铜冷却壁凹槽深度大大减小。为了保证镶砖质量,早期的高炉铜冷却壁凹槽深度设计尺寸大。实践证明,铜冷却壁热面耐材的耐久能力及质量并不重要,只是在开炉期间,这些耐火材料对铜冷却壁有保护作用,当耐材侵蚀后完全靠铜冷却壁的高导热能力使其壁面形成低温,快速形成稳定的渣皮来保证铜冷却壁的正常使用,因此,在铜冷却壁上砌很厚或优质耐火材料是不必要的,减少铜冷却壁凹槽深度以降低其制造成本已是大势所趋。

    高炉应用铜冷却壁技术必须加强水系统管理。冷却水水质及稳定性对冷却设备的传热效果及高炉长寿起着重要的作用。由于铸铁冷却壁要求水质的含氧量低,一般采用软水或纯水密闭循环冷却技术,因此当一个冷却系统中有铸铁冷却壁、铜冷却壁两种以上冷却没备时,必须设置热力除氧装置处理补充水,并采刚氮气加压技术提高冷却水的沸点。同时,在高炉上应用铜冷却壁技术,冷却水水速必须大于15ms,并控制好水的硬度,避免产生硬质垢,还需定期进行杀菌灭藻,以保证不会因微生物大量繁殖而在冷却通道内形成生物粘泥,影响铜冷却壁的传热效率。此外,由于铜冷却壁安装在炉腹、炉腰、炉身下部位置,而炉身中上部及炉缸部位采用铸铁冷却壁,为保证铸铁冷却壁的安全和避免冷却系统复杂化,大都采用同一套软水或纯水密闭循环冷却系统。

 

4结语

    在高炉的炉腹、炉腰和炉身下部等高热负荷部位应用铜冷却壁,可充分发挥其特长,具有铸铁冷却壁无法比拟的优越性。轧制长圆孔铜冷却壁是一种发展趋势,对提高设备冷却能力,降低投资,保证高炉稳定生产大有裨益。

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