高爐冷卻設(shè)備歸總與分析

【摘 要】高爐煉鐵生產(chǎn)是冶金（鋼鐵）工業(yè)最主要的環(huán)節(jié)，高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。高爐用的冷卻介質(zhì)有：水、風(fēng)、汽水混合物等。最普遍用的是水。冷卻設(shè)備有冷卻壁，冷卻水箱等。冷卻壁是高爐內(nèi)襯的重要水冷件，安裝在高爐的爐身、爐腰、爐腹、爐缸等部位，不但承受高溫，還承受爐料的磨損、熔渣的侵蝕和煤氣流的沖刷，必須具備良好的熱強(qiáng)度、耐熱沖擊、抗急冷急熱性等綜合性能。冷卻水箱也叫冷卻板，是埋設(shè)在高爐襯磚之內(nèi)的冷卻器。

【關(guān)鍵詞】冷卻介質(zhì) 冷卻壁 冷卻水箱

高爐煉鐵生產(chǎn)是冶金（鋼鐵）工業(yè)最主要的環(huán)節(jié)。高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。高爐冷卻的目的在于增大爐襯內(nèi)的溫度梯度，致使1150℃等溫面遠(yuǎn)離高爐爐殼，從而保護(hù)某些金屬結(jié)構(gòu)和混凝土構(gòu)件，使之不失去強(qiáng)度。使?fàn)t襯凝成渣皮，保護(hù)甚至代替爐襯工作，從而獲得合理爐型，延長爐襯工作能力和高爐使用壽命。

1 冷卻水質(zhì)

高爐用的冷卻介質(zhì)有：水、風(fēng)、汽水混合物等。最普遍用的是水，它導(dǎo)熱率大，熱容量大，便于運(yùn)送，成本便宜。風(fēng)比水導(dǎo)熱性差，在熱流強(qiáng)度大時(shí)冷卻器易過熱，故多用在冷卻強(qiáng)度不太大的地方。使用風(fēng)冷的成本比水貴，但安全可靠，故高爐爐底多用空氣冷卻。用汽水混合物冷卻的優(yōu)點(diǎn)是，汽化潛熱較大，可以大量節(jié)省水，又可回收抵押蒸汽，在高爐上正在大量使用。水冷設(shè)備有噴水冷卻，冷卻壁和冷卻水箱等專用冷卻設(shè)備，也有風(fēng)口、渣口、熱風(fēng)閥等專用設(shè)備的冷卻。

1.1 一般概念

（1）高爐冷卻對水質(zhì)的要求為：不含有機(jī)械雜質(zhì)、懸浮物不超過200毫克/升，暫時(shí)硬度不超過10°（德國度）。（2）水的硬度：天然水中含有鈣、鎂、鹽類等水垢生成物的含量。一般重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽等，構(gòu)成了水中的硬度。一、暫時(shí)硬度：就是指水中含有重碳酸鹽的含量。二、永久硬度：就是指除去重碳酸鹽的其它鹽類。三、總硬度： 就是指暫時(shí)硬度與永久硬度之和。湖水硬度小一些，地下水硬度高一些，一般用暫時(shí)硬度衡量水的硬度。（3）水的硬度單位：德國度（°H）簡稱度。即在10000份水中含有1份氧化鈣或氧化鎂為一度。也就是1升水中含有10毫克的氧化鈣或氧化鎂為一度。（4）水的硬度分類：硬度 0～4° 4～8° 8～16° 16～30° >30°；性質(zhì) 很軟水 軟水 中等硬水 硬水 很硬水；對水系統(tǒng)要求新水暫時(shí)硬度≯15°H，循環(huán)水≯8°H。（5）軟化水：就是人為地以某種程度從水中除去了鈣鎂鹽類，如用Na離子交換器置備軟水。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

高爐技術(shù)進(jìn)步的特點(diǎn)，表現(xiàn)為高爐煉鐵已發(fā)展成為較成熟的技術(shù)。從近幾年高爐技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展方向看，突出的特點(diǎn)是大型化、高效化和自動化。因此采用較為先進(jìn)的高爐冷卻技術(shù)具有較大的吸引力，成為爭相探討和研究課題。

（1）采用軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)最佳。因?yàn)椋阂?、軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)的冷卻可靠性好。冷卻的可靠性，是衡量冷卻系統(tǒng)優(yōu)劣最重要的標(biāo)準(zhǔn)。不結(jié)垢，可以長壽。二、水量消耗少。軟水密閉循環(huán)冷流系統(tǒng)中，沒有水蒸發(fā)損失，流失也極小。水泵的軸封處的流失是系統(tǒng)的主要流失點(diǎn)，流失量是系統(tǒng)總?cè)莘e的1‰補(bǔ)水量，故水量消耗是極少的。三、動力消耗低。閉路系統(tǒng)與開路系統(tǒng)不同，其水泵的工作壓力取決于膨脹罐內(nèi)N2壓力，而水泵揚(yáng)程是由系統(tǒng)的管路阻力損失決定的，冷卻水的靜壓頭能夠得到完全的利用。四、管路腐蝕小。因?yàn)樗情]路，空氣進(jìn)不去。因此，軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)是一種比較經(jīng)濟(jì)的冷卻方法。（2）汽化冷卻分為兩種循環(huán)方式：自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)。一、汽化冷卻的優(yōu)點(diǎn)：冷卻介質(zhì)為軟水，可防止結(jié)垢。自然循環(huán)需要?jiǎng)恿?，在停電情況下仍能繼續(xù)運(yùn)行。二、汽化冷卻的缺點(diǎn)：冷卻設(shè)備在承受大而多變的熱負(fù)荷沖擊下容易產(chǎn)生循環(huán)脈動，甚至可能出現(xiàn)膜狀沸騰，致使冷卻設(shè)備過熱而燒壞。汽化冷卻時(shí)，冷卻壁本體的溫度比水冷時(shí)高，縮短了冷卻壁的壽命。水冷卻的冷卻壁本體的最高溫度已接近珠光體相變的溫度。鑄鐵在760 ℃時(shí)，珠光體發(fā)生相變，使鑄鐵機(jī)械性能急劇變壞，因此使冷卻壁壽命縮短。（3）工業(yè)水冷卻的優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)大，熱容量大，便于輸送，成本便宜。工業(yè)水冷卻的致命弱點(diǎn)是水質(zhì)差，容易結(jié)垢而降低冷卻強(qiáng)度，導(dǎo)致燒壞冷卻設(shè)備，水的循環(huán)量大，能耗大。（4）噴水冷卻，結(jié)構(gòu)輕便簡單易行。我國大中型高爐多作為備用冷卻手段，小高爐用的較多。目前國外一些極薄爐墻或大中型高爐下部，有采用爐殼內(nèi)砌碳磚，以噴水作為唯一冷卻手段，效果也不錯(cuò)。

1.3 冷卻原理

冷卻水通過被冷卻的部件空腔，并從其表面將熱量帶走，從而使冷卻水的自身溫度提高。

（1）自然循環(huán)汽化冷卻工作原理：利用下降管中的水和上升管中的汽水混合物的比重不同所形成的壓頭，克服整個(gè)循環(huán)過程中的阻力，從而產(chǎn)生連續(xù)循環(huán)，汽化吸熱而達(dá)到冷卻目的。（2）軟水密閉循環(huán)冷卻工作原理：它是一個(gè)完全封閉的系統(tǒng)，用軟水（采用低壓鍋爐軟水即可）作為冷卻介質(zhì)，其工作溫度50～60℃（實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)40～45℃）由循環(huán)泵帶動循環(huán)，以冷卻設(shè)備中帶出來的熱量經(jīng)過熱交換器散發(fā)于大氣。系統(tǒng)中設(shè)有膨脹罐，目的在于吸收水在密閉系統(tǒng)中由于溫度升高而引起的膨脹。系統(tǒng)工作壓力由膨脹罐內(nèi)的N2壓力控制，使得冷卻介質(zhì)具有較大的熱度而控制水在冷卻設(shè)備中的汽化。（3）工業(yè)水開路循環(huán)冷卻工作原理：由動力泵站將涼水池中的水輸送到冷卻設(shè)備后，自然流回涼水池或冷卻塔，把從冷卻設(shè)備中帶出的熱量散發(fā)于大氣。系統(tǒng)壓力由水泵供水能力大小控制。（4）外部噴淋的工作原理：用于高爐外部噴淋式降溫。

1.4 方式

目前國內(nèi)高爐采用的冷卻方式有四種：（1）工業(yè)水開路循環(huán)冷卻系統(tǒng)；（2）汽化冷卻系統(tǒng)；（3）軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)；（4）外部噴淋。

1.5 目的

高爐冷卻的目的在于增大爐襯內(nèi)的溫度梯度，致使1150℃等溫面遠(yuǎn)離高爐爐殼，從而保護(hù)某些金屬結(jié)構(gòu)和混凝土構(gòu)件，使之不失去強(qiáng)度。使?fàn)t襯凝成渣皮，保護(hù)甚至代替爐襯工作，從而獲得合理爐型，延長爐襯工作能力和高爐使用壽命。高爐冷卻是形成保護(hù)性渣皮、鐵殼、石墨層的重要條件。高爐常用的冷卻介質(zhì)有：水、風(fēng)、汽水混合物。根據(jù)高爐各部位工作條件，爐缸、爐底的冷卻目的主要是使鐵水凝固的1150℃等溫面遠(yuǎn)離高爐殼，防止?fàn)t底、爐缸被渣鐵水燒漏。而爐身冷卻的目的是為了保持合理的操作爐型和保護(hù)爐殼。

2 冷卻壁

高爐冷卻壁是高爐內(nèi)襯的重要水冷件，安裝在高爐的爐身、爐腰、爐腹、爐缸等部位，不但承受高溫，還承受爐料的磨損、熔渣的侵蝕和煤氣流的沖刷，必須具備良好的熱強(qiáng)度、耐熱沖擊、抗急冷急熱性等綜合性能。冷卻壁能有效地防止?fàn)t殼受熱和燒紅，高爐內(nèi)襯磚被燒蝕后主要靠渣皮保護(hù)冷卻壁本身，并維持高爐的安全生產(chǎn)。因此，冷卻壁的材質(zhì)及性能好壞決定其工作壽命乃至高爐爐身的壽命。

根據(jù)國內(nèi)高爐狀況，大多數(shù)球墨鑄鐵不能很好滿足高爐長壽的需要， 如銅冷卻壁性能雖好， 但造價(jià)太高，目前還不能被企業(yè)大量應(yīng)用。由于鋼具有延伸率高，抗拉強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高，抗熱沖擊性及整體導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)。因此鋼冷卻壁的應(yīng)用， 對我國高爐長壽還是有現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 鋼冷卻壁在包鋼高爐的應(yīng)用和研究結(jié)果已經(jīng)表明了鋼冷卻壁的技術(shù)特點(diǎn)

（1）具有優(yōu)于球墨鑄鐵冷卻壁的材料性能，同樣使用工況下的使用壽命比球墨鑄鐵冷卻壁長。（2）傳熱效率略高于球墨鑄鐵冷卻壁。（3）由于采用機(jī)械加工方式，鋼液的鑄造流動性好于球墨鑄鐵，鋼冷卻壁的厚度可以比球墨鑄鐵減小一些， 這樣有利于減少設(shè)備投資和擴(kuò)大高爐冶煉空間。

2.2 鋼冷卻壁存在下述缺陷

（1）傳熱效率的提高（這種提高的程度有限）主要是依靠冷卻水流動狀態(tài)的改變實(shí)現(xiàn)的，從現(xiàn)代超高冶煉強(qiáng)度長壽高爐的需要來看，鋼冷卻壁的傳熱效率仍顯不足。（2）鋼冷卻壁的壽命延長主要是改善了冷卻壁本體金屬的材料性能所致（韌性及其相關(guān)的方面）冷卻壁與磚襯之間的熱傳遞效率沒有得到根本的改觀，對于降低磚襯耐火磚的侵蝕速率、延長耐火磚的使用壽命、提高高爐中部（有爐襯工作時(shí)間）沒有產(chǎn)生明顯的有益效果。（3）在達(dá)到一定溫度時(shí)，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)基本上與球墨鑄鐵相同，冷卻壁熱面上的渣皮生成條件沒有改觀。（4）軋制鋼坯上鏜成的冷卻水通道存在的直角，雖然提高了冷卻水的傳熱系數(shù)，改善了冷卻壁邊角部的冷卻，但也同時(shí)增加了冷卻水的局部阻力損失。（5）鑄入鑄鋼內(nèi)部的冷卻水管雖然避免了滲碳問題，但水管表面出現(xiàn)局部熔化粘結(jié)的可能性仍然存在， 在水管與冷卻壁本體金屬之間存在的溫差應(yīng)力將有害于水管的正常壽命。（6）鑄鋼的組織致密度較低，基體導(dǎo)熱性能比球墨鑄鐵無明顯提高。雖然鋼冷卻壁存在上述的缺陷， 但仍然不失為一種優(yōu)于球墨鑄鐵做基體材料的高爐鑲磚冷卻壁。

2.3 鑄鋼冷卻壁的生產(chǎn)制作的核心難點(diǎn)

就是如何解決鑄鋼冷卻壁在澆注過程中冷卻水管不被熔穿，不變形，并且使基體與冷卻水管之間熔合良好，無間隙，無熱阻層，我們采取的主要措施和技術(shù)原理如下：

（1）利用熔合內(nèi)冷卻鐵熱平衡原理，依據(jù)公式G冷=fv0ρ冷（M0-Mr）/M0計(jì)算出內(nèi)冷鐵的重量，合理設(shè)置螺旋內(nèi)冷鐵的型式、尺寸，以改變鑄鋼冷卻壁的溫度場，降低澆注時(shí)冷卻水管表面的鋼水溫度。（2）應(yīng)用傳熱學(xué)原理，吹入超低溫氣體，改變冷卻水管周圍的溫度場分布，提高冷卻水管強(qiáng)度，避免產(chǎn)生變形。（3）冷卻水管表面不需涂刷任何防護(hù)涂料，如果使用反而會極大地影響鑄鋼冷卻壁的整體導(dǎo)熱性能。（4）嚴(yán)格控制澆注溫度和澆注時(shí)間。澆注溫度和澆注時(shí)間選擇不當(dāng)，就會直接造成冷卻壁水管被熔穿和變形。我們在制作中，經(jīng)過理論計(jì)算并經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證澆注溫度控制在1510--1550℃，澆注時(shí)間46s。（5）合理開設(shè)澆冒系統(tǒng)，要避免鋼水通過內(nèi)澆口直接沖刷冷卻壁內(nèi)鑄水管。（通過采用這些工藝措施，我們克服了球鐵冷卻壁冷卻水管和基體材料間存在氣隙熱阻層、壁體導(dǎo)熱性差的難題，解決了鑄鋼冷卻壁內(nèi)鑄冷卻水管易熔穿變形等技術(shù)難題。）

2.4 鑄鋼冷卻壁的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下

（1）通球率為鋼管內(nèi)徑的0.76倍，達(dá)到球鐵冷卻壁的部頒的通球率標(biāo)準(zhǔn)。（2）在1.0MPa水壓下進(jìn)行壓力試驗(yàn)，無任何泄壓和滲漏現(xiàn)象。（3）機(jī)械性能檢驗(yàn)：σb≥410MPa，δ≥30%，芯部δ≥20%。（4）解剖檢查：內(nèi)鑄冷卻水管、基體、螺旋內(nèi)冷鐵之間熔合良好，無間隙，無熱阻層，保證了整體導(dǎo)熱性能優(yōu)良，導(dǎo)熱系數(shù)λ=51.9W/m.℃。

3 冷卻水箱

冷卻水箱也叫冷卻板，是埋設(shè)在高爐襯磚之內(nèi)的冷卻器，材質(zhì)上以鑄鐵居多，鑄鋼的、鋼板焊的也有，以前則多用青銅鑄成內(nèi)部水路以鑄入水管的較多，也有空腔的、隔板的等。在外形上有扁平臥式的，也有支梁式的（實(shí)際是楔形冷卻水箱）。

冷卻水箱一般也是用HT15-33鑄成，臥室的厚度為75～110mm，內(nèi)鑄鋼管的管徑為44.5mm，壁厚為6mm的冷拔無縫鋼管。安裝時(shí)距爐內(nèi)磚襯工作表面的距離為：爐身上部230mm、爐身下部345mm。冷卻水箱上下有填充層以允許磚襯膨脹。這種冷卻器冷卻強(qiáng)度大，故可以維持較厚的磚襯，它插入磚襯中，故和磚的接觸面較大，冷卻效果好，同時(shí)也能支承砌體。其方式多用密閉式。冷卻水箱固定在爐殼上，雖然采用了交錯(cuò)布置的排列方法，但插入密度仍不宜過大，以免影響爐殼的強(qiáng)度。為了防止從冷卻水箱周圍漏煤氣而采用了密封裝置，簡單的辦法就是把冷卻水箱插入固定在爐殼上的支架外殼之中，其間隙填充用石棉加水玻璃。有的高爐在爐墻從薄變厚處，或在爐腹和爐腰之間，或在爐腰和爐身之間，緊密的布置一層不可更換的冷卻片。相互的間隙只有20～40mm，以保護(hù)爐缸支柱上的爐腰支圈。支梁式冷卻水箱可以起到更好的支撐磚襯的作用，而且冷卻水箱本身就有與爐殼固定的法蘭圈，所以密封性好。缺點(diǎn)是冷卻強(qiáng)度不大，故多用于爐身上部。

4 結(jié)語

綜上所述，冷卻壁與冷卻水箱相比，冷卻壁的優(yōu)點(diǎn)是，冷卻均勻爐墻光滑。下料阻力小，爐殼完整，故強(qiáng)度與密封性好。而冷卻水箱的優(yōu)點(diǎn)是，冷卻強(qiáng)度大而且深入，可以支撐耐火磚襯，可更換，且外層水管損壞時(shí)水管尚可工作，重量較輕。

參考文獻(xiàn)：

[1] 冶金設(shè)備介紹——高爐冷卻.中國冶金行業(yè)網(wǎng)，2012.12.24.

[2] 煉鐵之窗——包鋼煉鐵廠，內(nèi)部刊物，2013.4.

作者簡介：鄔鵬（1985—），男，內(nèi)蒙古烏海人，本科，畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，助理工程師，研究方向：設(shè)備管理，運(yùn)營，維護(hù)，檢修，調(diào)試，工程概預(yù)算，審核。