高爐銅冷卻壁破損分析與處理

供稿|魏凱，李鑫，鄒德勝 / WEI Kai, LI Xin, ZOU De-Sheng

高爐銅冷卻壁破損分析與處理

Analysis and Processing of Copper Cooling Stave Damage of Blast Furnace

供稿|魏凱，李鑫，鄒德勝 / WEI Kai, LI Xin, ZOU De-Sheng

內(nèi)容導(dǎo)讀

本鋼新1號高爐有效容積4747 m3，爐腹至爐身下部采用銅冷卻壁冷卻，爐腰部位銅冷卻壁在生產(chǎn)中渣皮穩(wěn)定性差，脫落頻繁，在生產(chǎn)不到6年后出現(xiàn)大面積破損，被迫多次休風，威脅到高爐安全生產(chǎn)。通過分析發(fā)現(xiàn)，爐腰銅冷卻壁受到高溫爐料、煤氣流沖擊造成磨損；操作制度造成軟熔帶根部過低；銅冷卻壁應(yīng)力影響渣皮等原因是冷卻壁破損的主要原因。經(jīng)過研究，提出了改用霧化冷卻、插入微型銅冷卻棒、爐皮強制打水等解決方案。改造后，保證了安全生產(chǎn)，取得了良好的效果，但如果從根本上解決破損問題，應(yīng)空料線停爐更換冷卻壁。

本鋼新1號高爐是本鋼最大的現(xiàn)代化高爐，有效容積4747 m3，2008年10月9日投產(chǎn)，實現(xiàn)了本鋼煉鐵廠高爐向大型化、現(xiàn)代化的改造。新1號高爐采用了先進的薄壁內(nèi)襯理念，爐腹至爐身下部采用銅冷卻壁冷卻，依靠銅冷卻壁熱導(dǎo)率高的特點，通過在其熱表面形成穩(wěn)定渣皮來獲得長壽。然而，生產(chǎn)實踐卻發(fā)現(xiàn)渣皮穩(wěn)定性差、經(jīng)常脫落，在生產(chǎn)不到6年后，銅冷卻壁就出現(xiàn)破損，尤其是在爐腰部位破損尤為嚴重。因此，對銅冷卻壁破損調(diào)查分析，分析銅冷卻壁破損原因，提出應(yīng)對措施，保障高爐長壽。

新1號高爐銅冷卻壁基本情況

新1號高爐采用板壁結(jié)合的冷卻方式，爐腹下部采用密集式八通道強化型銅冷卻板渡，爐腹上部到爐身下部5層較高熱負荷區(qū)域采用鉆孔銅冷卻壁，銅冷卻壁結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，銅冷卻壁厚度120 mm，熱面加工多個燕尾槽，燕尾槽間距107 mm，燕尾槽深度40 mm、燕尾槽寬度66 mm，以固結(jié)氮化硅結(jié)合碳化硅耐火材料，每塊有4通道當量直徑φ35 mm水道，通道間距210～230 mm。

新1號高爐爐體采用分區(qū)(并聯(lián))軟水閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)，爐體冷卻水分為二層，Ⅰ系為爐底、爐缸冷卻壁及冷卻板供水，Ⅱ系為爐腹以上冷卻器供水，一層與二層之間設(shè)有調(diào)節(jié)閥，在生產(chǎn)過程Ⅱ系冷卻水流量基本在4800 m3/h左右。

新1號高爐銅冷卻壁水管損壞及臨時處理過程

新1號高爐從2014年5月26日開始發(fā)現(xiàn)8段冷卻壁水管損壞，至今已發(fā)現(xiàn)19根水管損壞，分別分布在6塊冷卻壁上，水管漏和壞的位置均分布在8段135°方向和45°方向的6塊冷卻壁上，損壞情況是壞一根水管后以這根水管為基礎(chǔ)扇形分布。平均每15天損壞一根冷卻壁水管，為處理冷卻壁水管損壞向爐內(nèi)漏水共進行了12次休風。以發(fā)現(xiàn)8段冷卻壁第一根86#水管損壞為例，5月24日丙班發(fā)現(xiàn)Ⅱ系補水每班2.4 t，期間對外部水管多次檢查，沒有發(fā)現(xiàn)漏點，水渣車間對軟水也詳細檢查沒有漏點，燃料比沒有發(fā)現(xiàn)明顯變化。5月26日熱風爐故障休風后發(fā)現(xiàn)15#風口來水，檢查風口小套、二套及火管沒有漏點。5月27日乙班打壓查漏確認86#水管壞，11:40改工業(yè)水。6月6日季度休風斷層發(fā)現(xiàn)8段86#水管壞，從6月12日開始有3～4次斷水現(xiàn)象發(fā)生，透開后發(fā)現(xiàn)水管中有一些生料(見圖1)，期間高爐7次爆震， 6月16日休風將86#水管灌漿堵死。其余損壞水管處理為改通氮氣＋水霧化冷卻(水量0.5～1.5 t/h)。

表1 新1號高爐銅冷卻壁(板)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 損壞冷卻壁水管中發(fā)現(xiàn)的生料

新1號高爐8段冷卻壁損壞原因分析

銅冷卻壁磨損原因分析

本鋼新1號高爐銅冷卻壁在使用5年8個月后出現(xiàn)大面積破損，主要原因是磨損，最大磨損量67 mm，局部出現(xiàn)冷卻水通道暴露、甚至銅冷卻壁部分燒損。通過對2014年年修時安裝柱狀冷卻器時鉆取的冷卻壁銅塊樣的位置和厚度分析，破損主要發(fā)生在爐腰下部，具有明顯區(qū)域性，銅冷卻壁破損與下列因素有關(guān)。(圖2為2014年11月11日年修安裝柱狀冷卻器時所鉆取的銅塊樣的剩余厚度，其中1為正常冷卻壁厚度)。

圖2 不同部位剩余冷卻壁厚度

(1) 新1號高爐由于施工原因，造成稱量罐中心線與高爐本體中心線偏離5 cm左右，因此高爐在布料時產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，導(dǎo)致高爐90°和270°方向偏料現(xiàn)象嚴重，最大時90°方向比270°方向料面低到1 m以上，嚴重影響了高爐煤氣流的分布，45°到135°方向氣流要明顯強于對面方向，過強的氣流導(dǎo)致這個區(qū)域的冷卻壁磨損嚴重。

(2) 銅冷卻壁掛渣容易，要求渣皮具有良好穩(wěn)定性，避免銅冷卻壁直接受到高溫煤氣流、渣鐵接觸沖擊，但實際生產(chǎn)中受高爐順行、原燃料波動等情況的影響，渣皮均勻性變差，容易脫落。同時，爐腹形狀為上大、下小，下部截面收縮，承受爐料沖擊作用力逐漸增大，煤氣沖刷作用逐漸減弱，爐腹下部使用5層銅冷卻板，銅冷卻板之間砌筑耐火材料有利渣皮穩(wěn)定；爐身下部雖然也是高熱負荷區(qū)域，但其形狀為上小、下大，爐料沖擊作用力逐漸減小，煤氣沖刷作用逐漸增大；爐腰形狀為直段，向上的煤氣流和向下的爐料的碰撞點都集中在爐腰部位，因此爐腰部位的冷卻壁磨損最大。

圖3 135°方向7段—9段電偶溫度趨勢圖

操作制度的影響

新1號高爐從2009年年修失常開始，為了確保高爐順行，采用中心加焦料制，保證較強的中心氣流，其操作軟熔帶應(yīng)為“∧”型，軟熔帶根部過低，爐腰銅冷卻壁長期處于干區(qū)，易導(dǎo)致該區(qū)域冷卻壁不耐沖刷磨損，同時在爐況波動、渣皮頻繁脫落和爐溫的大幅波動的情況下，銅冷卻壁在熱震下極易產(chǎn)生金屬疲勞和裂紋[1]。圖3為2014年1月1日至2014年5月30日8段冷卻壁水管損壞前45°～135°方向壁體電偶溫度趨勢圖，通過此圖看出，生產(chǎn)中銅冷卻壁的壁體溫度始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而且溫度較低，說明渣皮也處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

銅冷卻壁應(yīng)力對渣皮的影響

銅冷卻壁熱面溫度與冷卻水之間溫差可能引起冷卻壁發(fā)生撓度變形，在同等熱負荷下，銅冷卻壁越高撓度越大[2]。以煤氣溫度1200～1400 ℃、冷卻水溫度35 ℃作為基礎(chǔ)條件，采用ANSYS軟件對銅冷卻壁非穩(wěn)態(tài)傳熱分析，計算出不同冷卻壁高度，在不同熱負荷條件下所產(chǎn)生的撓度(見表2)。例如，當熱流強度達到180 kW/m2時，銅冷卻壁高度分別為2000 mm、2400 mm、2850 mm和3150 mm時，其撓度對應(yīng)值分別為14 mm、20 mm、28 mm和34 mm，新1號高爐8段銅冷卻壁高度為2730 mm，撓度就接近1%，大的撓度變形會導(dǎo)致渣皮脫落、甚至銅冷卻壁出現(xiàn)應(yīng)力裂紋。

新1號高爐8段冷卻壁損壞處理辦法

冷卻壁損壞的水管通氮氣加水霧化

對損壞冷卻壁的水管改通氮氣冷卻，為增加氮氣的冷卻強度，在氮氣管上設(shè)置3 個噴霧噴嘴，向氮氣管內(nèi)噴水霧化。霧化后的水，隨氮氣進入冷卻壁后，由于粒徑較小，易蒸發(fā)，從而吸收蒸發(fā)潛熱，增加冷卻能力，見圖4。目前部分高爐銅冷卻壁損壞，就采用了這種處理方式， 冷卻效果較好。此方案適合單塊冷卻壁損壞1根或多根水管，該冷卻壁并未失效，仍能工作。現(xiàn)在新1號高爐損壞的冷卻壁水管基本上采用這種方法。

表2 銅冷卻壁高度與熱負荷、撓度對應(yīng)關(guān)系

圖4 銅冷卻壁水管霧化冷卻示意圖

插入微型銅冷卻棒

微型銅冷卻棒是在由于冷卻壁破損漏水造成冷卻壁冷卻強度不足，影響渣皮形成的情況下對冷卻壁冷卻強度的一種彌補。使用微型銅冷卻棒的前提是該區(qū)域能夠形成渣皮。采用插入微型銅冷卻棒的方式修復(fù)，不需要采取控料線等措施，高爐休風即能施工，對高爐整體損害小。目前新1號高爐利用年修對損壞的4塊冷卻壁加裝了35根微型銅冷卻棒，效果良好。

爐身鋼甲打水

采用水箱安裝在爐皮鋼甲上或用水管加噴頭向爐皮打水。目前新1號高爐采取此項措施對爐身鋼甲進行打水，確保爐身鋼甲強度。現(xiàn)在新1爐爐身鋼甲溫度及冷卻壁電偶溫度都控制在正常范圍。

控料線更換冷卻壁

更換8段銅冷卻壁一般控料線都需要控到風口中心線以下。到目前為止，國內(nèi)的4000 m3以上大高爐還沒有控料線更換8段銅冷卻壁的先例，國內(nèi)只有寶鋼3#高爐(當時爐容4350 m3)降料線更換爐身上部冷卻壁兩次，但為了新1號高爐的長期穩(wěn)定順行，有望近期控料線更換冷卻壁。

結(jié)論

(1) 合理的煤氣流分布是減少冷卻壁磨損的必要條件。

(2) 提高操作水平，減少爐溫波動，增加渣皮的穩(wěn)定性，為減少冷卻壁損壞提供了保障。

(3) 為了減少偏料程度，新1號高爐準備從風口布局上再做調(diào)整，對45°～135°區(qū)域內(nèi)的風口調(diào)大，225°～315°區(qū)域內(nèi)的風口調(diào)小，必要時可加長風口(690cm→720cm)，從根本上使煤氣流趨于均勻狀態(tài)，減少冷卻壁的磨損。

(4) 目前采取的這些舉措只是減緩冷卻壁水管的損壞，如果從根本上解決，必須控料線更換冷卻壁。

[1] 朱仁良, 居勤章. 銅冷卻壁高爐操作現(xiàn)象及思考. 煉鐵. 2012, 31(4): 10

[2] 王寶海. 鞍鋼3號高爐銅冷卻壁破損調(diào)查. 煉鐵. 2014, 33(3): 35

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.06.16

魏凱，工程師，本鋼集團公司煉鐵廠新1號高爐車間工藝專責。

本溪鋼鐵集團有限公司煉鐵廠，遼寧 本溪 117000

李鑫，高級工程師，本鋼集團公司煉鐵廠新1號高爐車間車間主任。

鄒德勝，工程師，本鋼集團公司煉鐵廠新1號高爐車間生產(chǎn)主任。