新型高炉冷却设备——铜冷却壁.pdf

2 0 01年第 1期 宝钢技术 新型高炉冷却设备 铜冷却壁 周 治 中 宝钢 股份 公 司 炼铁部 上海2 0 0 9 4 1 摘要 铜冷却 壁是 近 2 O年发展 起 来的一种 新型 的 高炉冷却设备 与原 有冷却 设备 相 比 它 冷却强度 走 能满足高炉最走热负荷的需要 生产 实践表明它不易破损 使用一代妒龄 9年 后 的磨损 量仅 为 0 3 l l i m 理论 上 可使 用几代 妒龄 对 高炉长寿起 了推 动的作 用 现 已在 国外 普遍 推 广 关键 词 高炉 铜 冷却壁 冷却板 中图分类号 T F 0 6 6 7 文献标 识 码 B文章编号 1 0 0 8 0 7 1 6 c 2 0 0 1 O l 一 0 0 5 7 0 7 A Ne w Ki n d o f BF Co o l i n g P l a n t Co p p e r s t a v e ZH0U Zh i z h o n g B a o s t e e l I r o n ma k i n g D e p a r t me n t S h a n g h a i 2 0 0 9 4 1 Ch i n a Ab s t r a c t Co p p e r s t a v e wh i c h i s d e v e l o p e d i n r e c e n t t w o d e c a d e s a n e w k i nd o f c o o l i n g p l a n t c o n t r i b u t e s t o l o n g c o mp a i g n t e c h n o l o g i e s o f b l a s t f u ma c e a n d h a s b e e n w i d e l y u s e d a b r o a d Co mp a r e d wi t h o l d o n e i t p o s s e s s e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f g r e a t c o o l i n g i n t e n s i t y wh i c h c a n me e t t h e d e ma n d s o f b i g g e s t h o t l o a d Th e n i n e y e a r p r a c t i c e res u l t wi t h 0 3 mi n W e a r t h i c k n e s s i nd i c a t e s t h a t t h e c o p p e r s t a v e c a n b e u s e d f o r n e a r l y s e v e r a l d e c a d e s t h e o r e t i c a l l y Ke y W o r d s BF C o p p e r s t r i v e Coohn g p l a t e 1前 言 铜冷却壁的研究始于 7 0年代 1 9 7 8年开始上 高炉试验 最 初仅在 S I D M A R B高炉炉身下部装 了一块进行试验 经 1年试用后拆下 发现铜冷 却壁无任何裂纹 铜材仅磨损 l m 而相邻的铸 铁冷却壁却已出现众多裂纹 遍体鳞伤 试验取得 成功 1 9 7 9年蒂森钢铁公司再次于汉堡 4 高炉 进行工业性试验 在高炉炉身 中部安装 了两块铜 冷却壁 经运行 9年后铜冷却壁无裂纹且保 留着 原有的棱角 测量铜材磨损量仅为 0 3 m l n 铜 冷却壁工作面厚度为 1 3 5 m m 而与其相邻 的铸 铁冷却壁都出现大量的裂纹和严重 的损伤 有的 地方已局部剥落 水管裸露在炉 内 铜冷却 壁最 大磨损率仅为 0 3 m m a 其理论寿命已远远超过 周治中 高工1 9 4 1 年生 1 9 6 3年 毕业于北京钢 院 现从 事炼 铁专业电话2 6 6 4 9 2 3 1 人们所期望的 3 0 5 0年 铜冷却壁 的出现 揭开 了高炉冷却设备新的前景 近几年 宝钢与 P W 霍戈文及克 瓦纳 等公 司就铜冷却壁技术进行 了技术交流 本文根据国 外铜冷却壁使用情况及宝钢高炉冷却设备使用状 况 分析 比较几种冷却设备的优缺点 并介绍铜冷 却壁 的应 用前 景 2 铸铁冷却壁及铜冷却板的使用情况 以往高炉广泛使用的冷却设备主要有两大类 型 铸铁冷却壁及铜冷却板 但这两种冷却设备 在生产过程中都 易破损 严重影响了高炉寿命 为了与 铜冷 却壁 进 行对 比 主要从 它 们 的破 损 机 理来研 究 2 1 铸铁 冷却壁 的破损 机理 1 铸铁冷却壁困其材质导热性差导致它容 易破损 维普资讯 5 8 宝钢技术 2 0 0 1年第 1期 铸铁的导热 系数仅 为 3 0 4 0 w m K 冷 却壁 工作 时 内外 温差 大 生 产 实测 它 的工作 面 温度一般 在 I O 0 C 左 右 煤 气 流 波 动 气 流 强 时 其 工作 面最高 温 度 可 达 5 0 0 8 0 0 以上 如 图 1 由图 l 可 看 出 冷却 水温 度一 般 在 3 0 C左 右 其 内外温差可 高达 5 0 0 C以上 温差 的波动亦高达 4 0 0 C以上 温差大且叉经常大幅波动 必然产生 很大的应力 致使金属疲劳产生裂纹 特别在高 p 蠲 温时 铸铁的强度大大降低 更容易产生裂纹并随 着时 间的推 移 裂纹 逐 步 扩 大 裂纹 本 身 叉 降低 了 热的传导能力 使冷却壁的工作 面温度进一步升 高 进 一步加 大了热 应力 周而复始裂纹不断加 深 最终使铸铁冷却壁本体一点点剥落 直至玲却 水管裸露出来并烧坏 有时冷却壁随着裂纹的扩 大 直接将冷却水管拉断而破损 囤 I S I D MA R B高炉妒身下部第 5段铸铁冷却壁温度记录 F i g 1 Te mpe l t t r e r e c o r d o f 5 c a s t i n g i ron s lav e o f l o we r p a r t o f S I DMAR B s t a c k 1 最大值 2 平均值 3 均方差 2 铸造工艺本身给冷却壁带来了缺陷 降低 了它的冷却能力 铸铁冷却 壁的冷却水 管是铸 造在 冷却壁 中 的 水管与冷却壁本体间有不同程度 的间隙和杂 质 有的是铸造工艺必需的添加物 这叉降低了它 的热传导能力 使冷却壁的工作面温度升高 加大 了热应力 从而加速冷却壁的破损 3 铸铁冷却壁的不合理结构使它容易破损 现在第 3代 第 4代冷却壁的结 构为 字形 其额头部突出在炉 内 当耐材被侵蚀后直接受煤 气流冲刷使其局部热负荷增 大 形成 了更大的温 差 同时叉受到固态炉料的磨损 若炉况不顺时 滑料 崩料 坐料都对它造成冲击磨损 炉身下部 的冷却壁 其额头突出在生铁熔融区 极易遭受铁 水的熔损而发生烧坏 因此铸铁冷却壁 的额头是 整个冷却壁 中最薄弱的环节 一般冷却壁都是额 头部位首先烧坏 接着耐火材料失去了支撑保护 耐材逐渐脱落和侵蚀 煤气 流对立冷壁 的作用加 强 立冷壁部位便逐渐产生裂纹 并不断加深直至 破损 2 2 铜冷却 板 的破 损 机理 铜冷却板其材质是纯铜 具有良好的导热性 维普资讯 周治中 新型高炉冷却设备 铜冷却壁 5 9 冷 却 强度很 大 按 理 说 它不 应 该 烧坏 但 亲 钢 使 用 的铜冷却 板在 生产过 程 中都 有过 大量破损 的纪 录 1 高 炉第 1代 炉 役 共烧 坏 了 3 0 3块 2 高 炉 到 目前 为止 已烧 坏 了 3 8 3块 给 生 产 带 来 了 巨 大 损失 就其结 构 和使 用 特 专来 研 究 破 损 的 主要 原 因如下 1 由于冷却 板 是横插 在炉 内的 从 高炉 山的 工作 面来 看它 是 点状 分 布 进行 冷 却 这 样 对耐 材 的冷却 是不均 匀 的 冷 却效 果差 的地 方 耐 材容 易 被 侵蚀 随着 耐 材 的侵 蚀 铜 冷却 板 的 前端 大 部 分裸 露在 炉内 如 图 2所 示 在 强 烈 煤气 流的作 用 下 前 端的热 负荷 特 别重 而根部 的热 负荷相 对 要低 得 多 因此 对 一块 冷 却 板来 说 热 负荷 很 不均 匀 当炉 况波 动边 缘 煤 气 流增 强 时 冷却 板 前端 的冷 却水 温度便 会 大 幅 度 升高 甚 至 会 出现 汽化 现 象 且 冷却水 温度 升高和 汽化还 会造 成冷却板 内部结 垢 特 别是 汽 化 时结 垢 速 度 更快 冷 却板 内因产 生大量 的气泡及 结垢 形成 隔热层 导热 大大降低 使得冷却板工作面温度大幅升高以致 烧坏 图 2宝钢 1 号 高炉停 妒后 8 1 2 段 铜 冷却板前 端裸露 在 炉 内的状 况 F i g 2 D a ma g e o f 8 t o 1 0 c o p p e r c o o l i n g p l a t e o f Ba o s t e e l No 1 BF a f kT 0 o ff 2 铜 冷却板 是横插 在炉 内 的 在融熔 区熔 融 的铁水很容易滴落到裸露的冷却板前端 当铜冷 却板 因冷 却水 汽化 或 板 内结 垢 而导 热 性 变 差 时 就会造成冷却板熔损性烧坏 这是它容易烧坏的 第二 个重 要原 因 3 使用冷却板后高炉内不能形成平滑的操 作炉型 冷却板将受 炉料磨损而损伤 特别在 滑 料 崩料 坐 料时更 严重 冷却板 经磨 损工作层 厚 度变薄 就容 易发生 损坏 总之 铜冷却板是点式冷却 冷却不均匀 形 成的渣 皮 也不 均 匀 不 牢 固 热 负荷 变 化大 其 导 热能力由于冷却水汽化和结垢而降低 使纯铜导 热 好 的优 势 因此而 丧失 所 以生产 过 程 中铜冷 却板也会烧坏 造成向炉内大量漏水 对高炉操作 带来巨大的影响 引起炉凉破坏高炉的稳定生产 当然冷却板可更换 但设备维护工作量大 增加生 产成本 一 3 铜冷 却壁 的特点 1 铜 导 热 性 好 其 导 热 系数 几乎 为铸 铁 的 1 0 倍 见表 1 冷却壁工作时内外温差小 表面 工 作温度 很低 并且 非常稳 定 在 水量足 够 的条件 下 一般在 4 0 以下 这与它使用的冷却水温度 高低有关 最大值为 9 O 如 图 3所示 在高炉 开炉形成渣皮时 最大的峰值在 1 3 0 左右 其最 大温差不足 1 0 0 不会产生很大的热应力 且是 在 9 0 q c以 下 的低 温 状 态 工作 因 此 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 表 1 不 同温 度金属 的导 热 系数W m K T a l l e 1 T h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f me t a l a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e 2 铜冷却壁导热性好 冷却强度太 生成的 炉渣立即在冷却壁表 面形成渣皮 起到保护 自身 的作用 为了能让渣皮牢牢地镶嵌在冷却壁 上 特地将冷却壁的工作 面设计成凹凸槽状 如图 4 所示 这样可生成一层非常牢固的渣皮 这层渣 皮就象耐火材料一样 保护着冷却壁 煤气流冲刷 不着 炉 抖磨 不着 渣铁 侵蚀 不着 即使生 产过 程 中发生渣皮脱落 也 能在短时间内重新形成新的 渣皮 图 5 图 6为不同冷却壁形成渣皮的时间 从图 5和 图 6中 可 见 铜 冷 却 壁 重 新 形 成 渣 皮 只 需 3 0m i n 而 铸 铁 冷 却 壁 却 需 要 5 h 以 上 有 维普资讯 6 0 宝钢技术 2 0 0 1 年第 1 期 9 0 帅 7 O 6 0 6 0 题 删 4 0 30 20 l 0 0 图 3 S I D MA R B高炉炉身下部第 6段铜冷却壁温度记录 Fi g 3 T e mp e r t ur e r e c o r d o f 6 c r s t a v e O 13 t h e l o we r p a r t o f S 1 DMAR B s t a c k 1 最 太值 2 平 均值 3 均方差 图 4 铜 冷却 壁的 I作面形状 Fi g 4 W o r ki n g f a c e s h ap e o f c o o l i n g p a n e l 了这 层稳定 的渣 皮 高炉 在使 用 铜冷 却 壁 的部 位 可以不砌 耐火材 料 只需在 铜 冷 却壁 上 喷涂 一 层 厚 5 0 1 0 0 l l l l l 的喷涂料 在 开炉时形 成渣皮 前 防 止炉 料 的磨 损及 热冲击 大修 拆炉 时测量 渣皮厚 度为 1 0 0 m m左右 牢牢地附着在冷却壁上 风镐 都打不 动 可见 生 产 过程 中炉 料 液 态 渣 铁及 煤 维普资讯 周治 中 新型 高炉 冷却设 备 铜 冷却 壁 气流 对冷 却壁不 会产 生磨损 侵蚀 和熔损 铜冷却壁导热性好 能承受很高的热负荷 其 承受 的最大 热 流强 度 为 l 3 2 0 7 8 W m 在 没 有渣 皮 的情 况下 见表 2 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 2 W m K 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 5 0 m m 时实际 的热流强度仅为 2 6 8 6 7 W 上限值 远远小 于铜 冷却壁 能承受 的最 大热流 强度 表 2 渣 皮厚度及 冷却 水通道 形状对 热流 强度和 工作面温 度 的影 响 Ta b l e 2 I n l l H e nc e o f t h i c k n e s s o f a s k i n a n d s h a p e o f J a ck e d w t e t u b e 0 n h e a t fl o w i n t e n s it y a d wo r k i n g s u r f a c e t e mp er a t u r e 图 5 S I D M A R B高炉第 8排 铜 冷却壁上 渣皮 的形成过 程 F i g 5 P e o f s k i nf o ml i n g o t lt he 8 mw c o pp e r s t a v o f S I DMAR B BF P W公 司的资料升绍 根 据铜冷却壁 高炉热 负荷 的测定 一般 实际 上 都低 于 2 3 0 0 0 W 使 冷却水带走的热量大大减少 也就是说高炉的热 损失减少 对降低焦比有利 同时它又可以减少 冷却水 的用量 据介绍 所需冷却水 量可 以减少 3 0 一4 0 这样 既 减 少 了生 产 运行 费用 又 可 减少冷却水系统 的投资费用 并且它对水质也没 有特殊的要求 清循环水即可 使用纯水密闭循环 系 统也行 3 铜冷却壁冷却均匀 在炉 内形成光滑的炉 60 0 60 0 p 4 0 0 30 0 墨2 l川 舒 1 o 0 1 9 0 0 21 0 0 0 0 1 0 0 3 0 0 时问 图 6 S I D MA R A高炉第 8 排 双排 水管 球 墨铸铁 冷却 壁上渣 皮的形 成过 程 Fi g 6 P c e s s o f s l a g s k i n f o r mi n g of s p h e r ul i t J c i r o n o f d o u b l e a t e r p i pe o n 8 T O W of S I DMAR A BF 型 大大减轻 了 煤气流的冲刷和炉料磨损的力度 它的磨损和侵蚀一般只发生在高炉开炉渣皮形成 以前或渣皮脱落的一瞬间 形成渣皮后 炉料 煤 气流和熔融的渣铁都不会直接接触铜冷却壁 所 以铜冷却壁在一代炉龄 9年 后最大的磨损量仅 为 3 Il l l l I 4 不同的制造方法影响铜冷却壁的冷却效 果 a 用连铸法制造 冷却水通道在连铸时直接 铸造成型 与冷却壁之间不存在隔层 连铸铜冷却 壁中也不存在气泡 所以铜的导热性没有受到损 害 从制造工艺角度来看也是铜冷却壁比铜冷却 板 要优 越 b 用轧制铜板坯制造 冷却水通道是在轧制 铜板坯 中钻孔成型的 所以说它的材质强度更高 更致密 导热性更好 但它的加工费用较高 c 用铸造法制造 冷却水管是铸造在冷却壁 中的 这种方法可以省铜 降低制造成本 由于工 艺的关系 其导热性比前两种方法要差 不过仍能 满 足生 产要求 日本 京浜 1 号 高 炉 在 1 9 9 7年进 行 更换 冷 却 壁 时 为 了对 比铸铁 冷 却 壁 铸 铜 冷却 壁 轧 制铜 冷却壁的使用效果 在炉腹二段 并排安装 了这 3 种冷却壁 投产后两个月冷却壁工作面温度表现 为 铸 铁冷却壁 上升到 5 0 0 C左右 并且 波动很 大 而铸铜冷却壁和轧制铜冷却壁工作面温度几 乎完全 一样 稳定 在 6 0 左 右 效 果相 同 4 铜冷却 壁 的应用优 势 1 不易破损可以确保高炉稳定生产 没有 帅 舳 如 如 加 帅 魁嘣挚割 维普资讯 6 2 宝钢技术 2 0 0 1 年第 1 期 这部 分冷却 设备 破 损 的忧 虑 可 提 高 高炉 的 作业 率 由于不 会发生 因冷却 设 备 烧 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 些对高炉稳定生产都有很大的好处 它将 会产生 很大的经济效益 2 大大降低设备维护费用 宝钢每年因更 换冷却板都付出了很大代价 如使用铜冷却壁 由于它不破损 不用更换 也不需要 备品备件 可 以节省很 多开支 3 铜冷却壁使高炉 在生产过程 中能形成光 滑 平 坦的炉 型 有利 于高 炉稳 定顺 行 强 化 冶炼 可 以提高高炉技术经济指标 4 不会增加总的投资 如全面考虑还能降低 投资 炉缸使用铜冷却壁除外 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 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 1 0 对于相同容积 的高炉炉壳可缩 小 这也能减少投资 冷却水用量减少使循环水系 统的投资也能减少 另外国内已有厂家成功试制 出轧制铜板坯的冷却壁 已于今年年初安装 到首 钢高炉上 1块 进行工业性试验 到 目前为止使 用情况良好 如能使用 国产铜冷却壁 投资费用 还可降低 5 0 5 铜冷却壁可重复使用 现在 已有使用到 第 2代炉役的实绩 根据磨损量来推算甚至有可 能用于第 3代 第 4代的炉役 这对降低以后大修 投资又带来好处 6 使用铜玲却壁的高炉炉皮温度很低 与人 体温度相差无几 实际情况 也就是说炉皮将不 会发红 变形 这部分炉皮今后再也不需要更换 这也会降低今后高炉大修 的投资 7 可以大大减少工程施工的工作量 由于 铜冷却壁不用砌砖 大大减少了筑炉的工作量 不 仅减 少 了施 工 费 用 还 可 以大大 缩 短 工期 特 别 对于高炉大修来说 铜冷却壁可以预先安装 不用 砌砖 有利于炉体整体吊装 对大修短期化将起重 大作 用 5 铜冷却壁在高炉的实际应用 5 1 应 用概 况 根据技术交 流介绍从开发铜冷却壁至今 2 0 余年 已经在多达 3 0余座高炉上使用 这说明此 项 新技 术在生产 中已经得 到 了充 分 的考验 在高 炉上试用成功使 人们对铜冷却壁有 了新 的认识 在 高炉上 的使用也 从 开始 时 的一 段 逐步 扩 大到 3 段 5段 甚 至 更 多 从 炉 身 下 部 扩 大 到 炉 腹 炉 腰 到 1 9 9 9年 9月止已知 国外大约有 3 4座高炉 使用了铜冷却壁 见表 2 它现在被广泛使用说 明了此项 新技术 已经 被大 家所承认 根据最 新资料介绍 不莱梅 钢铁厂 2 高炉 3 5 5 0 m 在大 修 时使 用 了 8段 铜冷 却 壁 除 了 炉 腹 炉 腰 炉 身 各 两段 外 炉 缸 还用 了两 段 其 中部分铜冷却壁为上一代使 用过 的旧铜冷却壁 磨损仅为 1 m m 经清洗后重新使用 这些情况说 明了铜冷却壁已进人普遍推广阶段 使 用范围也 在扩大 更令人们振奋 的是它可以用到第 2代炉 役上 是一种长寿的冷却设备 5 2 具体 应用 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 使用铜冷却壁正 好可以充分发挥它 的特长 本来这些部位需要使 用优 良的高级耐火材料 现在使用铜冷却壁后已 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 的渣皮来作为炉村 即使在炉 况波 动时渣 皮脱 落 也 能很 快 再 生 这 是一 种 最 积 极 最合理 的 工艺 方 案 特别 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 炉身中部及 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 只能使用铸铁冷却壁 炉缸部位是高炉的一个重要的薄弱环 节 这 里 的侵蚀 主要是渣 铁 流动对 耐材进行 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 提高耐材质量和强化炉缸冷却 使 1 1 5 0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 炉缸处的热负荷并不很高 相对炉腰 炉腹及 炉身下部来说 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 其 耐材 不 能省 维普资讯 周治中 新型高炉冷却没备 铜冷却壁 6 3 鲁 罗尔 特 厂 6号 高炉 蒂 森 公 司 施韦 尔 根 厂 2号 高炉 德国普劳萨格萨尔茨吉特厂 B高炉 瑞典钢铁公司通普拉特刘里 2号高炉 比利时西德玛钢铁厂 B高炉 西班牙 C S I 钢铁公司 B高炉 比利时柯 克内尔台姆泣 B高炉 蒂森公司施韦尔根厂 号高炉 豫国柯克 内尔一 E K O钢厂 5 高炉 l J J 印地安那暗博厂 4号高炉 西班牙 C S I 钢铁公 司 A高炉 德 国布雷门钢厂 2号高炉 伊斯帕特印度都维 厂 I 号高炉 法 国敦劐尔克索拉 克 3号高炉 巴西图 巴朗西簿鲁季亚厂 2 号 高炉 德 国独林根罗杰抄厂 5号高炉 德 国克虏伯荷西钢