（机械工程专业论文）沙钢2500m3高炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 冷却壁是决定着高炉一代炉龄的高炉关键冷却设备。改进和优化高炉冷却系 统结构，可有效提高高炉生产率，降低炼铁成本，增加高炉的使用寿命。沙钢 2 5 0 0 m 3 高炉生产运行过程中，冷却壁的故障( 水管漏水、炉缸烧穿、炉缸炉壳 开裂问题) 极易造成炉况波动，产量下降，焦比上升，冶炼成本增加，而高炉炉 缸耐火材料的异常侵蚀是影响高炉寿命的决定性因素。本文针对这些问题，开展 冷却壁失效形式分析与运行可靠性研究，提出了水管漏水、炉缸烧穿、炉缸炉壳 开裂问题的解决方案，并对炉役后期冷却壁漏水处理方法进行了总结。 阐述了基于高炉冷却壁的热力学基础理论，开展了工作状况中冷却壁温度场 以及应力场仿真分析，分析了2 5 0 0 m 3 高炉冷却壁的失效形式、损坏特点与原因， 探讨了冷却壁的配置、冷却壁软水系统对冷却壁的水管漏水、冷却壁炉缸部位的 烧穿与开裂的影响，为合理的设备结构设计提供了参考。 通过对炉身中下部冷却壁冷却水管漏水的失效形式分析，得出了该部位冷 却壁的损伤原因：化学侵蚀、相变破坏、热应力破坏。进行了软水输送系统支 管水量均衡化分配、软水密闭循环系统自动化控制升级等技术改造，有效避免 了冷却壁局部冷却能力差和产生水管垢层的现象，显著提升了该段冷却壁寿命。 数值分析了炉缸部分温度场，校核了碳砖熔蚀线距离，探讨了炉缸烧穿失 效的原因：炉缸部位第六、七层碳砖位置的冷却强度不够，碳砖熔蚀线向炉壳 偏移是造成该部位异常侵蚀的重要原因。进一步分析得出了炉缸冷却壁改进技 术方案：合理使用铸铜冷却壁，改变冷却壁结构形式消除冷却死角，提升系统 水量可以有效增加炉缸冷却效果，降低炉缸烧穿事故的再次发生的概率。 研究了炉缸部位炉壳的热应力特性，进行了炉壳材质的力学分析，分析了 冷却水对炉缸炉壳开裂的影响规律。得到了炉壳开裂的主要原因为冷却壁漏水。 分析了高炉炉役后期的炉身中下部冷却壁冷却水管的漏水原因，提出并实现了 在线进行软水3 2 业水切换的技术方案，铸铁冷却壁漏水的管道穿管法和埋柱造 衬法技术方案。 关键词：冷却壁，水管破损，温度场，热应力，高炉延寿 沙钢2 5 0 0 m 3 高炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进 a bs t r a c t b l a s tf u r n a c ec o o l i n gw a l la st h em a i nc o o l i n ge q u i p m e n to fb l a s tf u r n a c e d e c i d e ss e r v i c el i f eo ft h eb l a s tf u r n a c e i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y , r e d u c e i r o n m a k i n gc o s ta n di n c r e a s et h es e r v i c el i f eo fb l a s tf u r n a c e ，t h es t r u c t u r eo ft h e b l a s tf u r n a c em u s tb ei m p r o v e da n do p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h es u r v e yr e s u l t so f p r o d u c t i o no p e r a t i o ns t a t u s e sa n dm a i n t e n a n c ep r o c e s s e so fs h a z h o us t e e lb l a s t f u r n a c ew i t h2 5 0 0 m 3v o l u m e ，t h el e a k a g eo fc o o l i n gw a l l sc o o l i n gw a t e rp i p el e a d t of u r n a c ep r a c t i c ew a v i n g ，p r o d u c t i o nd e c l i n i n g ，c o k er a t er i s i n ga n ds m e l t i n gc o s t p r o m o t i n g ，a n dt h ea b n o r m a le r o s i o no fb l a s tf u r n a c eh e a r t h sr e f r a c t o r ym a t e r i a li s t h ed e c i s i v ef a c t o ro fi n f l u e n c i n gb l a s tf u r n a c e sl i f e a n dt h ep a p e rm a k e sa n a l y s i s b a s e do nt h ec o o l i n gw a l lf a i l u r ef o r m s ，s o l v e st h ep r o b l e m so fp i p el e a k i n g ，f u r n a c e b r e a k o u t ，h e a r t hf u r n a c es h e l lc r a c k i n g ，a n ds u m m a r i z e sp r o c e s s i n gm e t h o d sf o r f u r n a c ec o o l i n gw a l ll e a k a g ef o rt h el a t e rp h a s eo fi t sc o m p a i g n t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h e2 5 0 0m 3b l a s tf u r n a c ec o o l i n gw a l l sa p p l i c a t i o n sa n dc o o l i n gw a l l sf a i l u r e f o r m sw e r ei n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc a u s e so ft h eb l a s tf u r n a c e sd a m a g e w e r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y i no r d e rt op r o v i d er e f e r e n c ef o rr e a s o n a b l ed e s i g n i n g o fe q u i p m e n ts t r u c t u r e ，t h ei n f l u e n c e so ft h ec o o l i n gw a l lc o n f i g u r a t i o n ，c o o l i n gw a l l s o f tw a t e rs y s t e mo fc o o l i n gw a l lp i p el e a k a g e ，a n dc o o l i n gw a l lc o o l i n gp a r t s b u r n i n g t h r o u g ha n dc r a c kw e r ea n a l y s e d t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do f t h e c o o l i n g w a l li nt h e w o r k i n g c o n d i t i o nw e r e a n a l y s e d b a s e do nt h e t h e r m o d y n a m i ct h e o r y t h el e a k a g ef o r m e so ft h ec o o l i n gw a t e rp i p eo ft h em i d l o w e rc o o l i n gw a l lo f t h ef u r n a c eb o d yf o rt h el a t e rp h a s eo fi t sc o m p a i g nw e r ea n a l y s e d t h ed a m a g e c a u s e st h a tw h yt h ep a r t se s a i l yp r o d u c ec h e m i c a le r o s i o n ，p h a s ec h a n g ef a l i u r ea n d t h e r m a ls t r e s sd a m a g ew e r eo b t a i n e d t h ee q u a l i z a t i o nd i s t r i b u t i o no fb r a n c hw a t e r f o rt h es o f tw a t e rc o n v e y i n gs y s t e ma n do p t i m i z i n gs o f tw a t e rc l o s e dc i r c u l a t i o n s y s t e m sa u t o m a t i o nc o n t r o lw e r et r a n s f o r m e d t h ep a r t so fc o o l i n gw a l l sp o o r i i 江苏大学工程硕士学位论文 c o o l i n ga b i l i t ya n dt h ec a u s e so fw a t e rs c a l e sf o r m a t i o nw e r ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t e d f o rc r e a t i n gt h eb a s i cc o n d i t i o n sf o r p r o m o t i n gt h ec o o l i n gw a l l sl i f e t h et e m p e r a t u r ef i e l do fp a r t so ft h eh e a r t hw a ss i m u l a t e da n da n a l y s e d t h e c a r b o nb r i c kc o r r o s i o nl i n ed i s t a n c ew a sc a l c u l a t e d t h er e a s o n so fh e a r t hb u r n i n g t h r o u g hf a i l u r ew e r eo b t a i n e da n dt h eh e a r t hc o o l i n gw a l lw a si m p r o v e d t h e r e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ec o o l i n gs t r e n g t ho fi n6 t ha n d7 t hf l o o rc a r b o nb r i c k p o s i t i o nw a sn o te n o u g h ，a n dt h ec a r b o nb r i c kc o r r o s i o nl i n et ot h ef u r n a c es h e l l m i g r a t i o nw a st h ei m p o r t a n tc a u s ea b o u tt h ea b n o r m a le r o s i o n r a t i o n a lu s i n go f c a s tc o p p e rc o o l i n gs t a v ea n dc h a n g i n go ft h e c o o l i n gw a l ls t r u c t u r ef o r mt o e l i m i n a t ec o o l i n gb l i n da n g l e ，a n dp r o m o t i n gs y s t e mw a t e rc a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s e t h ee f f e c to ft h eh e a r t hc o o l i n ga n dr e d u c et h ep r o b a b i l i t yf u r n a c eb r e a k o u ta c c i d e n t w h i c hm a yh a p p e na g a i n t h ei n f l u e n c e so ft h e r m a ls t r e s so nt h eh e a r t hf u r n a c es h e l lp a r t sa n dt h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so ff u r n a c es h e l lm a t e r i a l sw e r ea n a l y s e d t h ei n f l u e n c e so f w a t e ro nt h eh e a r t hf u r n a c es h e l lc r a c k i n gw e r er e s e a r c h e d t h er e s e a r c hs h o w e d t h a tt h em a t e r i a l so fs h a z h o us t e e lb l a s tf u m a c ew e r em e ts t a n d a r d sa n dt h e r m a l s t r e s sw i l ln o tl e a dt ot h ef u r n a c es h e l lc r a c kw h e nn o r m a lp r o d u c t i o n c o o l i n gw a l l l e a k a g ew a st h em a i nr e a s o no ff u r n a c es h e l lc r a c k i n g t h el e a k a g er e a s o n so ft h ec o o l i n gw a t e r p i p eo f t h em i d - l o w e rc o o l i n gw a l lo f t h ef u m a c eb o d yf o rt h el a t e rp h a s eo fi t sc o m p a i g nw e r es u m m a r i z e d w a t e r s o f t e n i n g i n d u s t r i a lw a t e rs w i t c h i n go n l i n e ，l e a k i n gp i p ew e a rt u b em e t h o do fc a s t i r o nc o o l i n gw a l la n db u r i e dc o l u m nm a d ec o n t r a s tm e t h o dw e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：c o o l i n gw a l l ，w a t e rd a m a g e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a ls t r e s s ，b l a s t f u r n a c el i f ee x t e n s i o n i i i 江苏大学工程硕士学位论文 图目录 图1 1 高炉生产工艺流程图2 图1 2 高炉炉型图2 图2 12 5 0 0 m 3 高炉软水系统工艺流程图1 0 图3 1h - 1 号试样的金相组织18 图3 22 撑高炉第十段第3 8 # 、3 9 # 脱落的冷却壁2 2 图3 3 冷却水管( 内壁垢层)图3 4 冷却水管( 垢层已敲落) 2 2 图3 51 群高炉第九段冷却壁破损水管平面布局2 5 图3 62 社高炉第十段冷却壁破损水管平面布局一2 6 图3 73 社高炉第九段冷却壁水管破损平面布局2 6 图3 8 冷却壁总环管系统结构图2 7 图3 9 主管环管连接处压力分布图2 7 图3 1 0 支管处冷却水水温差分布图2 8 图3 1 1 进水环管与进水支管施工结构解剖图2 9 图3 1 2 试棒与水管3 0 图3 1 32 带试样的金相组织( a 、b 为抛光态，c 、d 为腐蚀态) 3 1 图3 1 43 号试样的石墨形态一3 3 图3 1 54 号试样的石墨形态3 3 图3 1 6 石墨尺寸3 3 图3 1 7 水管外表层组织图3 1 8 水管内表层组织3 4 图3 1 9 软水密闭循环系统中脱气系统组成图3 9 图3 2 0 软水总管和环管处的结构改造图4 l 图3 2 1 改造后的进水总管与环管连接处压力分布图4 2 图3 2 2 改造前后冷却壁支管冷却水流量分布图4 3 图4 1 穿炉耐材示意图4 4 图4 2 穿炉冷却壁位置示意图4 5 图4 32 5 0 0 m 3 高炉炉缸热应力模型4 5 图4 4 炉缸侵蚀线计算结果和穿炉后实测结果对比图4 6 图4 52 社高炉4 # 冷却壁对应碳砖侵蚀剖面图4 9 v 沙钢2 5 0 0 m 3 高炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进 i i 图4 。6 第二段冷却壁原设计尺寸5 1 图4 7 第二段冷却壁改造后的设计尺寸51 图5 1 高炉炉缸处炉壳开裂实物图5 3 图5 2 炉缸部位炉壳的模型图5 4 图5 3 炉缸部位炉壳应力分布图5 4 图5 4 炉壳开裂实物图5 6 图5 5 冷却壁断裂实物图5 6 图6 1 软水工业水快速切换法示意图5 7 图6 2 冷却壁漏水水管穿管示意图5 8 图6 。3 冷却柱结构图6 0 图6 。4 冷却柱安装布置图与冷却柱水路示意图6 l 江苏大学工程硕士学位论文 表目录 表2 1 沙钢2 5 0 0 m 3 高炉冷却壁配置情况表8 表3 11 舞高炉第九段冷却壁冷却水管破损统计( 部分) 1 4 表3 22 舞高炉第十段冷却壁冷却水管破损情况统计表( 部分) 1 5 表3 33 # 高炉第九段冷却壁冷却水管破损情况统计表1 6 表3 44 社冷却壁力学性能和金相结果1 9 表3 5 球墨铸铁化学成分3 0 表3 6 球墨铸铁力学性能一3l 表3 71 社、2 挣金相组织对比3 1 表3 8 低铬灰口铸铁化学成分3 2 表3 9 低铬灰口铸铁力学性能一3 2 表3 1 0 管道钝化预膜中的监控标准3 6 表3 1 1 清洗过程中的质量受控3 7 表3 1 2 钝化预膜过程中的分析数据3 8 表3 1 3 新增阀门明细表4 0 表3 1 4 膨胀罐调试前后系统压力变化4 0 表4 12 5 0 0 m 3 高炉炉缸材料物性参数4 6 表4 2 高炉水温差测量记录表4 7 表5 1 开裂处炉壳材料的力学分析5 5 表6 1 冷却壁漏水处理前后产量数据对比5 9 表6 2 冷却壁漏水处理前后焦比数据对比5 9 表6 3 冷却壁漏水处理前后成本数据对比5 9 表6 4 冷却柱安装前后炉身西北角温度趋势6 3 i x 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 1 1 高炉炼铁工艺与高炉结构组成 自然界中的铁大多数是以铁的氧化物状态存在于矿石中，如赤铁矿、磁铁 矿等。高炉炼铁是加入还原剂、石灰石，并提供足够的热量以熔化渣铁，从铁 矿石中将铁还原出来，并熔化成生铁。高炉的还原剂和燃料主要是焦炭，冶炼 时从风口喷入重油、天然气、煤粉等其他燃料，用以节省焦炭。为了提高矿石 品位及利用贫矿资源，矿石须经过选矿、烧结，做成烧结矿和球团矿供高炉冶 炼 1 1 。 高炉生产设备除了高炉本体外，还有以下几个系统( 高炉生产工艺流程见 图1 1 ) ： ( 1 ) 上料系统：包括原料的储存、中和、储矿槽、称量与筛分，最后通过 料车或皮带机将炉料运至炉项，经装料设备装入高炉。主要任务是及时、准确、 稳定地将合格的原燃料送入高炉。 ( 2 ) 送风系统：包括鼓风机、热风炉、热风总管、尾管等。主要任务是连 续、可靠地供给高炉所需的热风。 ( 3 ) 煤气除尘系统：包括煤气管线、重力除对煤气质量的要求。 ( 4 ) 渣铁处理系统：包括出铁场、泥炮、开孔机、堵渣机、炉前行车、铁 水罐、铸铁机、渣罐或冲水渣设备等。主要任务是及时处理高炉排放的渣铁， 保证高炉生产正常进行。 ( 5 ) 喷吹系统：喷煤有原煤的存储、煤粉的制备、运输、收集、喷吹罐及 喷枪等；喷油有油的卸入、存储、加热、油泵及喷枪。主要任务是保证均匀、 稳定地向高炉喷入大量的煤粉( 或油) ，以煤( 或油) 代焦，降低消耗，节约昂 贵、短缺的冶金焦炭。 尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等，高压高炉还有高压阀组：有的高炉采 用静电除尘器、干式布袋除尘器。主要任务是回收高炉煤气，使其含尘量降至 l o m g m 3 ，以满足用户。 沙钢2 5 0 0 m 3 高炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进 图1 1 高炉生产工艺流程图 f i g 1 1f u r n a c ep r o d u c t i o np r o c e s sf l o wd i a g r a m 图1 2 高炉炉型图 f i g 1 2b l a s tf u m a c et y p ed i a g r a m 卜炉基：2 一炉壳；3 一冷却壁；4 一炉缸耐材；5 一铁口；6 一风口 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 高炉冷却壁技术 冷却壁对高炉的经济炼铁和生产寿命起着至关重要的作用，尤其是在热负 荷较大的炉身下部及炉缸部位，其意义更为突出。从理论上讲，高炉炉身中下 部的冷却壁能正常工作，在表面附上一层薄薄的渣皮，其使用寿命就可以有效 延长；炉缸部位冷却能力强，就可以有效增加炉缸耐材的使用寿命。两个部位 的冷却壁寿命长短直接影响着高炉的长寿与否。因此，若能提高冷却壁的寿命， 不但可以降低钢铁长流程中冶炼成本，提高企业核心竞争力，而且在一定程度 上延长高炉的寿命，可以节约大量的大修费用，改善冶炼指标，增加总产量， 从而在炼铁工序中真正实现降本增效，最终达到优化企业资源、能量、环保等 方面的配置目标。 高炉冶炼过程是在高温下进行的。炉料在炉内经过加热、直接和间接还原以 及渣铁分离等一系列复杂的物理化学变化，产生了铁、渣和各种气体，故高炉 炉衬不仅要承受炉料的机械磨损和温度变化引起的热应力破坏，而且还要承受 铁、渣和各种气体的化学侵蚀，尤其在热负荷较大区域如炉腹、炉腰、炉缸等。 1 2 1 高炉炉体冷却的意义 ( 1 ) 通过冷却，降低内衬的温度，使炉衬保持一定的强度，延长炉衬的寿 命，保持内衬的完整，从而维护炉型，保护炉壳。 ( 2 ) 通过冷却，在高炉内表面形成一层薄薄的渣皮保护炉衬，在炉衬消失 时用以代替炉衬工作。 1 2 2 冷却壁的优点 与其他高炉冷却器相比较，它能有效地防止热负荷较高部位的炉壳受热和烧 红，增加高炉冶炼的安全性能，并在炉腹能形成渣皮来保护冷却壁本体。具体 优点有以下几点： ( 1 ) 密封性能好，冷却比较均匀，受侵蚀的炉墙内型比较整齐和平滑，不 影响高炉炉型、气流分布，保证了高炉生产的稳定顺行； ( 2 ) 冷却面积大，即冷却整个炉壳区； ( 3 ) 从炉内吸收的热量相对较少； 沙钢2 5 0 0 1 1 1 3 高炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进 ( 4 ) 冷却壁较薄，在相同炉壳内径下，可提供较大的工作容积。 1 3 国内外高炉冷却壁的发展过程及现状 1 3 1 国外高炉冷却壁的发展过程及现状 早期的高炉没有进行冷却，若要延长高炉寿命，就必须对高炉炉壳进行保 护，确保其在冶炼过程中保持设计强度【3 1 。为了保护高炉炉壳，人们己采用了 许多种冷却方法。最早的冷却方法是炉外冷却m 5 】，即采用喷淋冷却或套筒冷却， 由于以上冷却方法是让巨大的热流首先通过炉内一侧的炉壳，然后被炉外冷却 介质带走，这使得高炉炉外温差较大且承受了较高的热应力。1 8 8 4 年美国开始 使用青铜冷却板，1 8 8 9 年铜冷却板用于冷却炉腹区 6 1 。同时在美国试验使用铸 铁冷却壁用来冷却高炉风口区以及炉缸和炉腹，随后铜冷却箱用在除炉缸之外 的高炉其它部分阴。伴随着密集型插入式冷却板及冷却壁的应用，炉体冷却方 法取得了重大的进步，冷却区域迅速扩大，不但炉缸和炉腹需要冷却，炉身也 开始采用冷却。 最早的冷却壁是前苏联在1 9 4 0 年前后研究和开发的。日本在1 9 6 7 年以前 还基本使用铜冷却板进行冷却，1 9 6 7 年日本新日铁引进了冷却壁，并进行了技 术改进。1 9 6 9 年名古屋3 群高炉第一次采用了水管单进单出、单层管的光面冷却 壁，这是日本第一代冷却壁 8 1 。在当时使用效果良好，炉龄为4 5 年，从此成 为大量使用冷却壁的起点。此后以日本新日铁为代表推出了四种冷却壁。在冷 却壁的改进过程中主要做了如下工作 9 , 1 0 1 ： ( 1 ) 通过改变冷却水管的布置，提高冷却能力并增强冷却壁内部温度分布 的均匀性，降低热应力对冷却壁的损害。 ( 2 ) 增加凸台以支撑部分内衬，一方面可以减少炉内热流损失，降低焦比， 另一方面减少炉内热流对冷却壁直接冲刷，以达到保护冷却壁自身的目的。 ( 3 ) 通过改进镶砖材质，降低冷却壁肋区温度，增强其挂渣能力。 ( 4 ) 通过减薄凸台厚度，可以提高凸台内部冷却的均匀性，以利于保护凸 厶 口o ( 5 ) 通过将内衬和冷却壁铸造在一起，降低热流对冷却壁凸台的直接冲刷， 4 江苏大学工程硕士学位论文 避免凸台被过早的烧坏，同时也有利于保护冶炼过程中高炉炉均的平滑，给高 炉炉料顺行创造条件。 1 3 2 国内高炉冷却壁的应用过程及现状 我国在5 0 年代采用铸铁冷却套，以缩短铜冷却板的长度，同时引进前苏 联开发的冷却壁并进行消化吸收。6 0 年代后期在少数高炉上采用了汽化冷却， 如1 9 7 0 年建成的武钢4 撑2 51 6 m 3 高炉及鞍钢和首钢的高炉。这种冷却壁本体采 用含c r 铸铁，冷却水管的进水管在下，水流垂直向上排水管在上方，以满足气 化冷却的要求，镶砖为粘土质，这就是我国第二代冷却壁 1 1 】。1 9 7 0 年，梅山冶 金公司由于偶然的因素创造了以碳素捣打料代替镶砖材质，改变了铸入砖的制 造工艺【l2 1 。1 9 8 4 年，北京钢铁设计研究院到西德g h h 学习高炉软水密闭循环 技木，请德国专家介绍了冷却壁制造的要点。1 9 8 7 年武钢5 稃高炉考察了p w 公 司及g h h 公司冷却壁制造厂。根据梅山冶金公司的经验和德国g h h 的冷却壁 制造要点，进行了研究，其成果为我国的第三代冷却壁的制造奠定了基础，并 用于1 9 8 9 年以后投产的一批高炉中。我国第三代冷却壁的特点是：冷却壁本体 采用铁素体球墨铸铁，冷却水管与第二代基本相同，镶砖采用嵌砌的方式【1 3 】。 我国冷却板和冷却壁结合的形式，首先是用在1 9 5 6 年大修的鞍钢5 撑6 撑高 炉上【l4 1 。但由于铸铁的抗热冲击性差，未能有效地延长高炉寿命。梅山冶金公 司推广高炉炉身采用冷却板和冷却壁结合的形式，自1 9 8 6 年1 月投产以来，没 有进行中修，至1 9 9 5 年1 月底，高炉寿命己达七年零九个月，单位炉容产量已 达5 4 4 6 t ，创造了国内设计制造冷却设备的高炉不中修的长寿记录。 1 4 国内高炉冷却壁的主要分类和特点 冷却壁是高炉安全生产的关键部分，它在高温状态下工作，工作条件恶劣。 由于其高温交变热应力作用下容易引起损坏，使高炉被迫停炉大中修。要延长 冷却壁使用寿命，必须选择合理的材质。下面以现阶段国内外高炉常用冷却壁 的材质为主线，概述其种类、特点和制备技术。根据制造材质，高炉冷却壁有 铸铁冷却壁、铸钢冷却壁和铜冷却壁3 大类。 沙钢2 5 0 0 m 3炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进 1 4 1 铸铁冷却壁 2 0 世纪5 0 年代初，我国高炉采用的是原苏联设计的冷却壁，冷却壁本体 是一般铸铁，如h t l 5 0 、h t 2 0 0 ，内铸蛇形冷却水管，镶砖为粘土砖【1 5 】。2 0 世 纪7 0 年代，我国的第二代冷却壁本体材质为低铬铸铁，冷却水管的进水管在下， 水流垂直向上，排水管在上方，冷却壁镶砖为粘土砖。武钢、鞍钢、首钢的高 炉在此期间均有应用1 6 】。2 0 世纪8 0 年代，我国的第三代冷却壁本体采用铸态 高韧性铁素体球墨铸铁，典型材质为q t 4 0 0 1 8 和q t 4 0 0 2 0 ，冷却水管与第二 代基本相同，镶砖采用嵌砌的方式【1 7 】。 1 4 2 铸钢冷却壁 铸造型钢冷却壁简称铸钢冷却壁。作为换代高炉冷却壁，它与球墨铸铁冷 却壁相比综合性能均有提升，由于是新型冷却材料，在炉内操作上仍存在摸索 阶段，经验积累和总结阶段。 铸钢冷却壁研制的目的为设法改善铸件基体的导热性能，促进基体与冷却 水管之间的熔合，消除基体与冷却水管间的气隙层，进而从根本上提高冷却壁 的整体导热效果。通过理论分析可知，铸钢冷却壁可取代球墨铸铁冷却壁，并 有望使高炉一代炉龄由现在的7 1 0 年提高到1 5 年以上 1 8 】。 铸钢熔点高、延伸率高、抗拉强度高、抗热冲击性能好，可适应高炉炉内 的工况。铸钢冷却壁基体含碳量低，没有铸铁冷却壁因石墨氧化而生成的孔洞 或裂缝。铸钢无铸铁的高温不可逆的相变生长现象，特别是低碳钢具有较好的 屈服强度，伸长率随着温度的升高而增加，它可使局部的高应力重新分布，使 应力集中得以释放 1 9 】，同时微合金化可进一步增强钢的抗热疲劳性、抗氧化性 2 0 1 ，因而大大减缓各种应力的破坏作用。 1 4 3 铜冷却壁 铜冷却壁是一种新型的冷却设备，其导热性好，冷却能力强，不易破损， 国内外已较普遍推广【2 1 1 。与以上冷却设备相比，铜冷却壁冷却强度大，能满足 高炉最大热负荷的需要。目前国内铜冷却壁制作工艺主要为：轧制铜板冷却壁 和铸铜冷却壁。铜冷却壁的主要特点如下： 6 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 铜冷却壁导热性好、冷却强度大。铜的导热系数几乎为铸铁的1 0 倍 2 2 】。 冷却壁工作时内外温差小，其最大温差不足1 0 0 ，不会产生很大的热应力， 其热面是在9 0 。c 以下的低温状态工作，因此不会产生裂纹。铜冷却壁冷却强度 大，生成的炉渣立即在冷却壁表面形成渣皮，起到保护铜冷却壁自身的作用。 为了能让渣皮牢牢地镶嵌在冷却壁上，冷却壁的工作面设计成凹凸燕尾槽状 2 3 1 。 ( 2 ) 铜冷却壁冷却均匀，在炉内易形成光滑的炉型，可减轻煤气流的冲刷 和炉料的磨损。形成渣皮后，炉料、煤气流和熔融的渣铁不能直接接触铜冷却 壁，对于冷却壁的熔损很少。本次1 撑高炉大修经过仔细查看，铜冷却壁在一代 炉龄( ( 7 年) 后最大的磨损量仅为3i l t l l ，完全可以多代炉役使用【2 4 1 。 ( 3 ) 虽然用不同的方法制造的铜冷却壁的冷却效果不尽相同，但各种方法 制作的铜冷却壁均可达到高炉长寿的要求。 1 5 本文主要研究的内容 作者在查阅大量科技文献的基础上，分析了国内外高炉冷却壁研究现状， 指出了高炉冷却壁亟需深入研究的问题如下： ( 1 ) 冷却壁热面温度过高可引起石墨铸铁冷却壁产生化学侵蚀、相变破 坏及热应力破坏等破坏形式，最终导致冷却壁冷却水管破损，壁体断裂甚至熔 蚀失效。 ( 2 ) 软水冷却系统中垢层的产生可降低冷却壁约2 3 的冷却效果；软水 水管的设计形式及施工质量会导致水冷支管水流分布的不均匀性，二者皆可造 成冷却壁局部区域冷却能力不足，导致水管破损或耐材侵蚀。 ( 3 ) 通过炉缸烧穿事故的原因分析得出冷却系统的水量及冷却壁设计的 缺陷是造成炉缸耐材异常侵蚀的主要原因之一。 通过分析表明，对高炉冷却壁主要研究工作有： ( 1 ) 本文提出了合理提高冷却水量、改善冷却壁设计参数、优化炉缸冷却 壁配置、完善施工质量跟踪体系等管理或技改措施，以此消除冷却壁失效形式 的产生因素，有效提升冷却壁的生命周期。 ( 2 ) 对炉役后期冷却壁漏水处理方法的总结，可以减少对炉况的波动，降 低冶炼成本，提高企业竞争力，也可以有效增加高炉的寿命。 7 沙钢2 5 0 0 m 3 r 高炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进 第二章沙钢2 5 0 0 m 3 高炉冷却壁基础 2 1沙钢2 5 0 0 仲高炉冷却壁的应用 2 1 12 5 0 0 r m 高炉冷却壁配置组合 基于打造北区6 5 0 万吨长流程生产线的大背景下，沙钢建设有三座2 5 0 0 m 3 高炉，是该工程中的核心分厂之一。三座高炉以德国蒂森克虏伯钢厂先进设备 为基础，经过相应的修配改建造而成。 沙钢立足于稳定、高产、长寿的目标，采用p w 并罐式无料钟炉顶上料系 统，节能环保型渣处理系统( p w 公司专利i n b a 渣处理系统) ，t r t 煤气余压 发电技术，库特勒浓相喷吹工艺，炉底采用日本d n k 超微孔、微孔碳砖加瑞 尔陶瓷杯耐火材料，炉身及炉腹部分采用铜冷却壁设备，冷却壁冷却系统选用 串联式密闭软水循环冷却系统等设计理念。三座同类型高炉的冷却壁布置略有 不同，l 撑、3 群高炉的冷却壁配置形式相同，即各有十三段，合计各类冷却壁4 8 l 块，其中5 8 段为铜冷却壁。2 撑高炉为能最大可能的利用利旧铜冷却壁，增加 一段铜冷却壁，即5 - 9 段为铜冷却壁，其余冷却壁配置相同，总共十四段冷却 壁，合计各类冷却壁5 2 1 块。三座高炉冷却壁的组合配置如表2 1 所示： 表2 1 沙钢2 5 0 0 m 。高炉冷却壁配置情况表 t a b 2 1t h ec o n f i g u r a t i o nt a b l eo f2 5 0 0m 3b l a s tf u r n a c ec o o l i n gw a l l 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 2 2 5 0 0 仲高炉冷却壁软水系统简介 三座2 5 0 0 m 3 高炉的风口中、小套、热风阀及其法兰冷却均使用工业水开路 循环系统，高炉本体及冷却壁冷却使用的是软水密闭串联式循环系统。软水由 软水水泵房经供水总管供应至高炉( 水泵2 用1 备) ，在高炉的炉基处分为两路， 一路供炉底水冷管，冷却炉底耐材；一路供高炉本体的冷却壁冷却使用。两路 软水在炉顶回水环管汇合后再进入回水总管，软水通过回水总管并经设在炉项 的脱气罐脱气和膨胀罐稳压后回到软水冷却塔，经冷却后回水泵房，冷却处理 后再次循环使用。同时接通一根事故水塔水管路，确保在事故状态下有冷却水 通入冷却壁，保证高炉冷却系统安全。 炉底冷却系统由8 5 根由3 2 6 的单进单出的水管组成，冷却壁的基本分布 情况正如表2 1 所示。软水系统流程工艺设计相同，现以3 挣高炉为例如图2 1 所示：三座2 5 0 0 m 3 高炉的设计水量为：炉底2 7 0 m 3 h ，水速为2 1 7 m s ；冷却 壁2 8 8 0m 3 h ，水速为1 6 1 m s 。到炉役后期做增大调整，炉底提升为31 0m 3 h ， 水速2 6 7 r n s ；冷却壁3 2 0 0m 3 h ，水速1 7 8 m s 。 相对国内同级别炉座，沙钢冷却壁设计受原来高炉冷却设备影响，单层布局 数量偏少( 国内同类型高炉单层基本在4 4 块左右) ，为了实现级别高炉的铜冷 却壁能用在高级别上的利旧效果，在整个冷却壁系统的设计上就采用了的水管 间距偏大，冷却壁本体平面偏宽的设计思路。虽然很好的解决了铜冷却壁利旧 问题，但其他部位冷却壁冷却能力相对较差，尤其是炉缸冷却能力与国内同级 别炉座相比偏小。这样就给冷却壁的寿命及高炉的使用寿命埋下了隐患，存在 一定的缺陷。 9 沙钢2 5 0 0 m 3炉炉体冷却壁运行可靠性研究与改进 图2 12 5 0 0 m 3 高炉软水系统工艺流程图 f i g 2 12 5 0 0 m 3t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo f b l a s tf u r n a c ew a t e rs o f t e n i n gs y s t e m 2 2 沙钢2 5 0 0 u 高炉冷却壁的失效形式 沙钢三座2 5 0 0 m 3 高炉相继投产，l 撑高炉运行初期，受到原辅材料质量波 动、对中型高炉生产技术的匮乏以及设备管理水平的不足等诸多方面的影响， 运行极不正常，生产水平迟迟不能达标，各种因素造成的非计划休风十分频繁。 对冷却壁、炉内耐材的使用寿命造成了影响。但对1 j f j 高炉高炉运行中存在的问 题的发现与分析过程中，对其他两座高炉的顺利开炉和生产组织积累了宝贵的 实践经验。 2 2 1 炉身中部铸铁冷却壁水管漏水 由于生产初期炉身中部铸铁冷却壁的运行方式为抑制中心气流而发展边缘 气流，使得炉身部分的冷却壁表面渣铁很难有效形成，较强的相对流及有害元 素对冷却壁表面镶砖造成较大冲刷，大大影响了炉身部分冷却壁的寿命。另外 由于技术人员缺乏对冷却壁的正确使用、维护和故障判断经验及处理能力，自 2 0 0 8 年投产以来，炉内冷却壁相继出现管道漏水现象，大量的冷却水进入高炉 1 n 江苏大学工程硕士学位论文 会导致以下两种状况： ( 1 ) 炉况波动，产量降低。 炉身中下部冷却壁水管漏水，会造成附着在冷却壁表面的渣铁脱落，气流 在这些部位形成紊乱，对炉况造成波动，直接导致产量有所下降。 ( 2 ) 焦比上升，冶炼成本增加。 流入高炉炉内的冷水会降低局部反应温度，降低冶炼强度，而分解产生的 h 2 会消耗大量热量。为了保证高炉正常炉温，必须增加大量的冶金焦炭，焦比 相比正常状态有大幅度上升，冶炼成本随之增加。 2 2 2 炉缸部位烧穿与炉壳开裂 炉缸部位烧穿是炼铁行业重大生产事故。烧穿事故的发生会来带火灾、煤气 中毒等恶性人身、设备事故，烧穿事故的发生将直接导致高炉一代炉龄结束2 5 1 。 据不完全统计，沙钢2 0 1 0 年的烧穿事故停产抢修1 2 天，共造成直接经济损失 2 7 3 0 万元。抢修后的炉缸只能维持较低水平生产，对炉缸的大修将产生用高达 4 1 7 亿元。鉴于此，穿炉事故造成较大人生安全威胁以及公司造成的十分严重 经济损失。 炉缸部位炉壳开裂是指在高炉炉底封板和高炉铁口之间的炉壳发生开裂故 障。该部位炉壳的开裂会产生大量的炉内煤气外泄，造成人员煤气中毒事故。 炉壳开裂是炉缸内部耐材侵蚀比较严重的一种外在表现形式，虽然没有铁水外 溢，但却是一代炉龄即将结束的信号。此时，就要严密监控炉缸水温差的变化， 加强护炉措施的力度，降低铁水冶炼强度，避免穿炉事故的发生。据统计，沙 钢2 0 1 1 年的炉缸炉壳开裂共造成停产检修6 7 小时，日产铁水由原来的6 2 4 0 吨 天，降低到5 9 0 0 吨天。带来的经济损失不可估量。 2 3 热力学理论基础 冷却壁的设计性能是影响高炉寿命的重要因素之一 2 6 1 。随着高炉冶炼强度 的不断提高，部分高炉冷却壁出现了破裂损伤现象。当冷却壁镶砖遭到破坏时， 冷却壁与冷却水之间由于存在较大的温度梯度，将产生较大的热应力，是造成 冷却壁自身破裂的重要原因。同时，冷却壁自身的热应力问题也是其设计