大型高炉冷却壁优化设计.docx

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1、谈谈大型高炉冷却壁设计优化目录摘要11 .前言22 .冷却壁损坏原因分析23 .冷却壁优化分析43.1. 炉腹至炉身下部的冷却结构43.2.材质选择依据分析43.3.设计优化73.3.1.制备安装优化73.3.2.设计优化73.4.冷却系统设计83. 4.1.一是优化铜冷却壁的使用方式84. 4.2.二是采用软水密闭循环系统94 .炉缸冷却壁优化分析104. 1.材质选择依据分析105. 2.制备115 .结论12摘要针对大型高炉寿命及冷却壁优化设计问题，通过研究冷却壁的破损机理、实际应用情况及高炉传热模型，比较分析冷却壁材质及结构差异，提出铜钢复合冷却壁和板壁结合结构、铸铁冷却壁、铜冷却壁分

2、别更适用于高热负荷区、炉缸区域及铁口区域。同时依据铜冷却壁和铸铁冷却壁为国内高炉常用冷却壁，结合其适用区域及现存问题，提出铜冷却壁可从“控制氧含量在0.003%之内，减短长度，采用复合孔型、凸台设计、热喷涂表面、背部压浆工艺和固定销安装”等方面优化；铸铁冷却壁可从“提高比表面积至1.0以上，设计圆形水管尺寸为766mm和806mm,控制椭圆形水管短长轴在0.40.5之间，适当增大象脚区域冷却壁尺寸，冷却壁中心对准象脚区域”等方面优化。关键词：高炉；冷却壁；炉缸；铜合金；冷却水质1 .前言高炉内部高温高压的冶炼环境给高炉安全长寿带来严峻的考验，特别是热负荷较大的炉身下部、炉腰、炉腹区域及温度波动

3、大的炉缸区域，已成为高炉安全长寿的主要限制性环节。冷却器的优化选型对保障炉身下部、炉腰、炉腹及炉缸区域的安全稳定尤为重要，选择合适的冷却器能够大大延长高炉的寿命，减少中修次数，延长大修时间，为企业带来巨大的经济效益。目前，高炉炉身上部一般采用铸铁冷却壁，炉身下部及炉腰、炉腹部位一般采用铜冷却壁，有部分高炉整体采用铸铁冷却壁。炉缸部位一般采用铸铁冷却壁，但也有部分高炉在炉缸“象脚区域”采用一段铜冷却壁，以加强该部位的冷却。对于高炉关键部位的冷却器选型目前仍存在许多争议，需要进一步明确不同种类冷却壁的破损形式，对比冷却器的优缺点，提出更加合理的冷却器选择方案。本文结合部分国内案例，旨在明晰高炉上下

4、部冷却壁的工作条件及使用条件，对比分析不同冷却器的使用效果及破损机理，提出合理得冷却器配置对策，最终为高炉炉身下部、炉腰、炉腹及炉缸的长寿提供指导。2 .冷却壁损坏原因分析冷却壁为高炉提供有效的冷却，是最重要的高炉冷却设备之一，起到支撑耐火材料内衬、降低内衬温度和保持内衬完整性的作用，从而维持高炉合理的操作内型，同时在耐火材料消失之后，冷却壁依靠冷却作用能够生成保护性渣皮，形成“永久性”内衬。总体来说，冷却壁的工作状态对延长高炉寿命具有重要的作用和意义。而我国高炉现阶段常用的铸铁冷却壁和铜冷却壁在使用中存在着一定的问题，破损现象时有发生。如图1所示，铸铁冷却壁传热性能较较弱、寿命较低，热应力的

5、直接影响、煤气流及炉料的冲刷磨损、渗透作用的发生均会导致铸铁冷却壁破损。当温度升高至400以上时：1）由于铸铁冷却壁内端温度高、外端温度低的工作条件，热应力作用明显，机械强度明显下降，在煤气及炉料的直接冲刷作用下，冷却壁镶砖逐渐减薄；2）同时CO通过渗透作用进入冷却壁基体，在400600下，发生2CO-CO2+C反应，碳元素不断沉积，造成冷却壁变脆、力学性能降低，最终冷却壁表面产生裂纹。图1铸铁冷却壁破损机理如图2所示，铜冷却壁在化学侵蚀、机械摩擦和热应力作用下，会出现烧损、磨损、冷却水管暴露和弯曲变形等破损现象。化学侵蚀即为“氢病”现象，铜冷却壁中含有的O与铜基体结合生成的C%0,在与出接触

6、反应后，发生还原反应，生成水蒸气，导致基体膨胀易出现裂纹，而这种侵蚀在150C以下会明显缓解。机械磨损是导致铜冷却壁破损的主要原因，炉料因温度上升而膨胀，冷却壁与之接触，产生较大正压力；同时壁体因与高温煤气流直接接触，温度上升超过铜冷却壁最高承受温度，高温下铜冷却壁的力学性能下降，在炉料的冲刷作用下，使得铜冷却壁破坏严重。壁体温度升高后会产生较大的热应力，应力的长期积累使铜冷却壁热面形成微小裂纹，使铜的力学性能进一步下降，变得更软，更易产生弯曲变形。若铜冷却壁固定方式的不合理或者定位销螺栓损坏，铜冷却壁水管周围则会产生裂纹，进而导致冷却壁漏水。4可冷却壁+CuCU1CPJjF+CH2O91yj

7、_Ifc口H艺料，不S_机械磨损IT升高31P2*d-Jd铜冷却壁图2铜冷却壁破损机理3 .冷却壁优化分析3.1. 炉腹至炉身下部的冷却结构2000年以后，铜冷却壁开始在高炉上得到推广应用。铜冷却壁起源于欧洲，陆续发展到中国、日本、美国、韩国等钢铁大国。我国巨型高炉设计建造时，结合已有技术的实践经验和国外技术的发展趋势，在京唐、沙钢、日照等巨型高炉炉腹至炉身下部高热负荷区域，采用了国产铜板轧制钻孔的铜冷却壁；湛江高炉采用6根水管强化型镶砖铁素体球墨铸铁冷却壁。近10年来，国内外高炉采用铜冷却壁的应用效果绝大多数不及预期，不少10003000m3高炉甚至出现过早破损，铜冷却壁使用35年就大量损坏

8、、被迫更换。关于炉腹至炉身下部高热负荷区域的铜冷却壁的应用问题，仍是今后一个时期需要深入研究、亟待攻克的关键技术难题。3.2.材质选择依据分析如图3所示，高炉炉腰、炉腹及炉身下部工作环境恶劣，既承受着高温的煤气流和熔融渣铁流的冲刷，又承受着高强度的热冲击，特别是随着近年我国高炉大喷煤工艺不断发展，导致热流强度进一步提高。因此，对高炉炉体冷却壁的抗热、抗磨性能提出更高的要求，选择合理的冷却壁材质和结构显得尤为必要。图3高热负荷区热流密度图在20世纪末球墨铸铁冷却壁因其机械强度可达400MPa450MPa,仰长率可达18%20%,常用于高炉炉腹、炉腰及炉身下部等高热负荷区域。随着冷却壁制造技术的不

9、断发展，国内大部分高炉高热负荷区逐渐采用铜冷却壁结构。表1冷却壁基体材料热力学性能及物理性能项目灰铸铁球墨铸铁铜异热系数W(mK)403840380熔化温度/1225-1250-1083允许工作温度/C400709-760150熔点/C115011501083比热容J(kgK)480544386抗拉强度bMPa160400196屈服强度bMPa-250-生长率s%O2030龟裂前渣皮生成与脱落循环/次30-40203-250-体积密度g/cm377.28.9表2不同冷却结构特点冷却器配置优点缺点铸铁冷却壁热损失小、冷却均匀、炉壳开孔小；双孔管强化凸台设计、砖壁一体化简化安装砖衬易脱落、维修难、

10、边角易损、水管与壁体传热差铜冷却壁高导热、取消砖衬、快速生成渣皮、结构简单、冷却能力高高温下强度差、抗磨损能力差、安装质量要求高铜钢复合冷却壁壁体温度底、结构强度增加、整体变形量小、降低成本，维修方便铜为热面抗磨损能力差冷却器配置优点缺点板壁结合冷却壁易于更换、易于维修、冷却能力强炉空开孔多工易漏煤气，造价局，成本局对比我国高炉高热负荷区常用的铸铁冷却壁与铜冷却壁来看，铜冷却壁正常承受热流强度为75.47kWn30min内可承受最大热流强度为384.33kWm2,而铸铁冷却壁仅为70kWm20铜冷却壁允许工作温度为150,虽然铸铁冷却壁的允许工作温度为600C,但铜冷却壁短时峰值热流强度可达3

11、0OkW/H?以上甚至更高，因此其壁体实际最高温度与允许最高温度之比不超过0.65,而铸铁冷却壁为0.80.9,因此铜冷却壁能承受较高的热流冲击。虽然铸铁冷却壁在无渣皮保护时耐磨性能更加优异，但对于高热负荷区而言，冷却壁抗高热负荷能力更为重要，因此综合考虑在该区域采用铜冷却壁更为适用。目前，新型铜钢复合冷却壁在高炉高热负荷区域得到了应用。铜钢复合冷却壁采用爆炸焊接工艺将TU2纯铜板和Q235钢板焊接在一起，冷却壁热面的铜和冷却壁冷面的钢分别保证了冷却壁的高导热性和高温环境不易挠度变形的特性。就铜钢复合冷却壁导热性能和力学性能来说，可应用于高炉高热负荷区。对比铜冷却壁与铜钢复合冷却壁，铜冷却壁抗

12、拉强度为200MPa250MPa,热传效率为78400W,在部分铜被钢代替后，冷却壁的抗拉强度提升至311MPa,传热效率变为77486W,因此铜钢复合冷却壁可以在保证传热效率的同时，大幅提升抗拉强度。因此综合考虑抗拉能力与传热能力，铜钢复合冷却壁较之铜冷却壁表现更为优异。另外，一些高炉没有采用传统的全冷却壁方案，而是采用冷却板与冷却壁结合的方案。板壁结合冷却结构就单纯的冷却壁结构而言，不仅弥补了冷却壁不宜更换的缺点，而且起到了强化耐火材料结构稳定性与稳定渣皮的作用，较适用于高热负荷区。韩国现代唐津1#、2#高炉风口区以上至炉腹下部采用铜冷却板，炉腹上部、炉腰和炉身下部采用铜冷却壁，有效解决了

13、风口与炉腹交界连接问题；国内柳钢在炉腰和炉身下部采用板壁结合方式，亦取得了良好的应用效果。综上，高热负荷区冷却壁优先选取铜钢复合冷却壁或板壁结合方式，其次选取铜冷却壁。3. 3.设计优化铜冷却壁是我国现阶段高热负荷区应用最多的冷却壁类型，在不进行更换成铜钢复合冷却壁和板壁结合方式时，可采用以下措施进行炉体冷却壁优化。4. 3.1.制备安装优化冷却壁的质量是决定其使用性能的先天性因素，因此严格控制冷却壁的生产制造及安装过程是高炉高效长寿运行的基础。铜冷却壁制作应严格依据相应的制作标准。铜冷却壁一般以高纯度、高致密度的TU2无氧铜轧制铜板为原料，控制含氧量在0.003%以内，防止富余的氧与铜结合，

14、减少“氢病”现象的发生。同时在制作过程中可适当使用热喷涂表面处理工艺，提高铜冷却壁的耐高温、耐磨和耐腐蚀性能，减少磨损。在安装冷却壁时考虑采用固定销固定，螺栓留有一定余量，并将挂螺栓孔改成长方型或椭圆形，同时控制安装过程中固定点、浮动点及滑动点的分布，保护套管与炉壳及冷却壁间的孔隙分别用硅橡胶圈压实和快干密封胶填充，上下层水管用软连接方式进行连接。5. 3.2.设计优化式中：丫一均匀分布载荷下简支梁最大挠度，mm；q均匀分布载荷值，N/mm；简支梁长度，mm；E简支梁材料的弹性模量，N/mm2；/一简支梁材料的截面惯性距，mm4o根据上述公式可知冷却壁长度较长、挠度越大，受高温热应力就越明显，

15、冷却壁两端翘曲变形问题也会随着严重。参考马钢2#高炉2016年冷却壁破损状况，在设计冷却壁时，可适当减短冷却壁长度，如沙钢5800m3高炉炉腹部位长度为3.4m的冷却壁可以改为两段设计，每段长1.7m。燕尾槽角度及缝隙大小等会明显影响冷却壁的受热膨胀，参考梅钢4号高炉2016年冷却壁破损状况，可以将冷却壁燕尾槽向上倾斜14。，铜冷却壁缝隙改为30mm,并用背部压浆方式填充缝隙。如图5所示，为改善炉型拐点处冷却壁极易受到上升煤气流和下降渣铁流的冲刷问题，位于炉腹和风口带衔接处的冷却壁可采用凸台设计，控制凸台高度不超过350mm,将进水管包覆在内，同时在凸台部位和本体过渡区域增加圆角过渡，从而有效阻止高温煤气流烧损水管。图4凸台设计冷却壁示意图为应对我国高炉不断向薄壁炉型转变的趋势，可以通过减少燕尾槽深度和冷却通道的加工偏差，将冷却壁的厚度减薄到105mm,同时将冷却壁设计为复合孔型，较之常用的圆孔型，这种孔型冷却壁既提供了更强的冷却能力，又减少了冷却壁的制作费用。3.4.冷却系统设计3.