高炉冷却技术与高炉长寿.ppt

高炉冷却技术与高炉长寿,武钢研究院宋木森,高炉冷却与高炉寿命密切相关，高炉冷却设备的设计，冷却方法，冷却设备的结构，冷却水质，水温，水量，冷却水的管理及高炉操作维护等很大程度决定着高炉的寿命。现就武钢的高炉冷却技术的进步谈谈对这些问题的看法。,1、高炉冷却技术的改进及效果1.1高炉炉腹以上冷却设备设计改进过程及应用效果1）80年代以前，炉腹以上用灰铸铁冷却壁，炉身上部用支梁式冷却水箱，炉腰有冷却板托圈。炉腰和炉身砌有800-1400mm厚的砖衬，这种结构应用效果很差，炉身上部砖衬易脱落，炉身中上部经常发生炉壳发红、开裂、漏煤气，3-5年必须中修。,图1炉身下部厚壁结构,图2号高炉第二代炉身结构,2）80-90年冷却设备的改进：冷却壁改为带勾头的灰铸铁冷却壁，取消支梁式水箱，炉身下部冷却壁采用双层水管冷却，提高了冷却壁的高度，达12-13段，还采用过球墨铸铁冷却壁，托圈以上采用新研制的浸磷酸粘土砖、微孔铝炭砖、炭砖，甚至采用碳化硅砖和氮化硅结合碳化硅砖。,图393年武钢4号高炉中修内衬砌筑图,应用效果：炉身上部的砖衬寿命明显延长，基本消除了砖衬过早损坏、炉壳开裂、发红等现象。但炉身中下部至炉腹的寿命仍然很短，即使全部用碳化硅砖，3-5年必须中修。损坏较快的原因是冷却强度太小，冷却壁很容易烧坏，炉身中下部至炉腹区间是炉渣形成的区间，炉渣侵蚀严重。K、Na、Zn等有害物高富集区，强侵蚀的区间，从而认识到该区域仅依靠耐火材料的改进不可能获得长寿。,3）90年以后，武钢5号高炉建设冷却设备的改进：炉腹至炉喉全部采用镶砖冷却壁，取消了炉腰脱圈，炉腰以上中部带凸台的冷却壁结构，最上部一段冷却壁（16段）采用光面冷却壁，内部不砌砖衬的新型结构。水管直径加大，由原44.56mm改为706mm，冷却水由工业水直排方式改为软水密闭循环冷却技术，砖衬改为340mm碳化硅结合碳化硅砖的薄壁炉衬。,图44号高炉第三代炉体结构图,应用效果：这次改进，高炉炉腹以上的寿命大大延长，使武钢高炉寿命中间不中修首次达到15年9个月的先进水平。从生产中观察，炉腰以上的高炉砖衬仍然在2-3年内全部侵蚀光，以后的13年全靠冷却壁维持正常生产。分析高炉寿命延长的原因有：,a、冷却水管直径加大，由44.56mm706mm，水量达4000-5500m3/h，后期最大5800m3/h，水速1.5-2.5m/s，保证了足够的冷却强度；b、软水密闭循环冷却技术的正确运用，消除了水中杂物和水垢的产生，始终保持良好的冷却效果；c、球墨铸铁冷却壁制造质量良好；d、高炉操作维护制度、冷却水运行管理制度合理，管理严格。,图5冷却壁破损情况,4）2001年以后冷却壁的改进从2001年1号高炉第3代大修改造，炉身冷却壁作了较大改进：a、炉腹到炉喉仍然全部采用镶砖冷却壁；b、冷却壁镶砖改为冷却壁燕尾槽相配合的冷镶砖，镶砖后冷却壁表面形成厚150mm的满铺砖衬，冷却壁内不另砌砖，炉身成为砖衬厚度仅为150mm的薄壁炉衬。这是根据5号高炉炉身砖衬侵蚀光以后，靠球墨铸铁冷却壁维持13年正常生产的经验，得出的新型炉身结构；,c、炉身下部、炉腹、炉腰采用铜冷却壁：根据5号高炉和4号高炉大修调查结果，球墨铸铁冷却壁的破损速度和破损情况，在操作维护好的情况下，只能满足10-15年的高炉寿命要求，进一步延长高炉寿命达到15-20年，球墨铸铁冷却壁已不能满足要求，因此在炉身下部、炉腰、炉腹处采用2-4段铜冷却壁，武钢1号、6号、7号、4号、5号、8号都采用了这种结构，设计寿命为15-20年。,图6武钢5号高炉第二代内型剖面图,1.2冷却水水质的改进1991年以前武钢高炉30多年都是采用长江的水作为冷却水，水中杂物多，易形成水垢，严重影响冷却效果，调查发现水垢厚达5-6mm，水管腐蚀严重。还在4号高炉采用过汽化冷却，寿命很短。1991年5号高炉建设，开始引进了卢森堡的软水密闭循环冷却技术，自己通过较长时间的摸索形成了软水闭路循环运行管理制度，较好地掌握了软水密闭循环运行管理技术，在确保高炉长寿中发挥了重要作用。,1.3炉缸炉底冷却设备设计改进1）炉缸冷却壁1991年以前30多年都采用灰铸铁平板冷却壁，工业水冷却，水管直径44.56mm的无缝钢管。在这段时间高炉寿命主要是炉身破损太快，3-5年一中修，炉缸问题不突出，只是在高炉后期砖衬侵蚀严重时，高炉大修前出现热流强度过高，冷却强度不足（12000千卡/m2时），一般情况下炉缸冷却没有出现冷却能力不足。,2）炉底冷却：早期60年代炉底不冷却，69年以后3号高炉采用过风冷，70年以后4号高炉开始采用水冷却，炉底水冷管采用10210mm的无缝钢管，5根并联成一组，60根水管并联成12组。水量440m3/时，水压0.43MPa，以后新建的高炉都采用水冷。3）水冷管设置在高炉密封板上面，埋在炭素捣料层中。国内多数高炉将水冷管设置在密封板下部，以防止漏水。其实这种担心是多余的，武钢1991年开始使用炉底水冷管都是设在密封板上面，从未出现过问题，大修拆炉时水管仍完好无损。,4）炉缸冷却壁的改进随着高炉冶炼强度的提高，炉身寿命延长，高炉寿命的关键问题移到了炉缸，如何延长炉缸的寿命成为重点问题，采取改进强化炉缸冷却是首先想到的措施。武钢91年新建5号高炉开始采用软水密闭循环冷却技术，水管由44.56mm改为706mm的无缝钢管，冷却壁材质采用球墨铸铁冷却壁。水量4000-5800m3/时，使用效果很好，保证了高炉炉缸正常工作16年，其中未发现炉缸热负荷过高，炉缸炭砖温度过高的现象。5号高炉大修时调查结果，炉缸炭砖残存厚度最薄处仅280mm，说明该高炉已到了应该大修的年龄。2000年以后设计的高炉考虑到高炉冶炼强度提高，炉缸侵蚀加剧，高炉设计寿命进一步提高到20年，还应进一步加强冷却，炉缸2-3段冷却壁采用了铸铜冷却壁。,2、球墨铸铁冷却壁制造技术简介武钢研究院和武钢机制公司合作开发出QT400-20球墨铸铁冷却壁在武钢5号、4号高炉上成功应用，高炉寿命达到10-15年9个月的先进水平，目前已销售到国内多家钢铁厂并销售到欧洲多国、巴西等国家。有以下几项技术：,表1球墨铸铁化学成分要求,2)球化处理工艺先进采用一种长效复合球化剂，含重稀土、镁、钡、硅、钙、铁等元素的球化剂，具有白口倾向小，脱硫、脱氧能力强和抗球化衰退能力强等优点。3）冷却壁水管防渗碳技术先进冷却壁铸造过程中高温铁水与水管接触会产生渗碳，其后果是使水管脆性增加，当冷却壁变形、弯曲时，水管断裂漏水。因此制造冷却壁时要求对水管进行防渗碳处理。武钢研制的防渗碳方法具有很好的防渗碳效果，可以达到几乎不渗碳的效果。,4）水管弯制技术：武钢机制公司有专用弯管机，可以保证弯曲部位椭圆度不大于14%，壁厚减薄率不大于15%。5）特殊的热处理技术：增加冷却壁中心的延伸率和消除铸造产生的内应力。6）冷却壁材质性能要求力学性能按国家标准取大样（20070150mm）拉力强度380MPa，延伸率20%，金相组织：铁素体含量90%，石墨球化级别1-3级7）质量检验：对外形尺寸、表面质量，检漏试验、通球试验等按标准规定进行,图7镶砖球墨铸铁冷却壁,图8镶砖铜冷却壁,3、铸铁冷却壁的破损原因分析3.1制造质量4号高炉用球墨铸铁冷却壁比5号高炉球墨铸铁冷却壁的力学性能有明显降低，是两座高炉寿命的原因之一。,表25号高炉球墨铸铁冷却壁力学性能,表34号高炉4-16段冷却壁力学性能,外层金相组织：拉力强度373MPa中层金相组织：拉力强度333MPa延伸率19.23%铁素体含量90%延伸率7.0%铁素体含量75%图9冷却壁金相组织,图10石墨形态图11金相组织,3.2冷却壁受温度影响温度过高，温度急剧波动产生疲劳应力，高温气流和炉料磨损是冷却壁破损的直接原因。4000C以上拉力强度迅速下降，延伸率升高，可见温度不能超过4000C.,表4球墨铸铁高温下的力学性能,3.3炉料磨损高温气流、炉料磨损是重要破损原因，5号高炉磨损速度，见下表。表4冷却壁的残存厚度（取样断口）/mm,4、铸铜冷却壁的应用铸铜冷却壁内铸入无缝钢管，也可铸入铜管，武钢用的铸铜冷却壁是铸入706mm10号无缝钢管。武钢铸铜冷却壁的理化性能指标要求见下表：,铸铜冷却壁的导热率略低于轧制铜冷却壁，轧制铜导热系数360W/mK，铸铜300W/mK，轧制铜冷却壁水管出口都为焊接，容易发生漏水事故，铸铜冷却壁则没有这样的缺陷。武钢将铸铜冷却壁用于炉缸2-3段冷却壁，对炉缸蘑菇侵蚀区进行强化冷却，以延长炉缸寿命。该部位热流强度远低于炉腹和炉身下部，用铸铜冷却壁冷却能力已足够，因此不用轧制铜冷却壁，制造价格相对较低，预计炉身中部用铸铜冷却壁也很合适。,5、其他材质冷却壁1）武钢在炉缸和炉身上部使用过低铬铸铁冷却壁，在灰铸铁基础上加入0.5-1.0%的Cr，型号为RT-Cr，加Cr后其他性能和GDT-94型灰铸铁相同，加Cr冷却壁性能没有改进，使用效果无改进，武钢已不用。,2）铸钢冷却壁：炉身曾少量用过铸钢冷却壁，认为钢的延伸率更好，导热系数也比铸铁高。根据高炉破损调查结果，高炉冷却壁存在严重渗碳的情况，使用过程中和铸铁冷却壁一样都会因渗碳变脆而开裂。钢的导热系数比铸铁冷却壁高，似乎优于铸铁冷却壁，但试验表明钢的导热系数随温度升高迅速下降，至3000C铸钢和球墨铸铁的导热系数已很相近，钢冷却壁已无优势。而且铸钢冷却壁铸造时因钢水温度高，铸造难度增加，水管容易烧坏，因此我们认为没有必要用铸钢冷却壁。,6、延长冷却壁寿命的高炉操作维护高炉冷却设备设计、制造、施工良好的情况下，更重要的是操作维护，操作维护是一项长期的工作，高炉投产后每时每刻都必须保持操作维护工作到位。主要有以下几方面：1）精料是长寿的基础：a、保持原燃料质量优良稳定；b、控制有害元素入炉量，主要是K、Na、Zn；c、炉料结构变化时，防止边缘气流过分发展，烧坏冷却壁。,2）制定合理冷却制度a、保持水系统稳定运行：保持冷却水系统稳定顺行与高炉炉况稳定，维护合理炉型密切相关。冷却强度过大会引起炉墙结厚，冷却强度过小会引起冷却壁温度升高，烧坏冷却壁。过冷过热都会破坏高炉顺行，影响高炉生产，必须十分注意。b、水温差、热负荷控制：高炉冷却壁的冷却一般稳定水量不变，调节进水温度。例如武钢进水温度控制按T20C，进水温度37.5-39.50C，T1.50C，进水温度38.5-39.50C，夏天按下限，冬天按上限靠近。炉缸炉底水温差控制范围：炉底10C，炉缸1-3段20WmK，80%，铁水溶蚀指数26%左右，可以满足高炉20年寿命的要求。,炭砖质量的好坏与炭砖原料极为重要，应当以电煅无烟煤和石墨化无烟煤为原料生产炭砖。目前炭砖生产采用加入大量电极石墨为原料生产微孔炭砖和半石墨炭砖，以达到提高导热系数的作法是错误的，将影响炭砖的使用效果。美国NMA炭砖原料中加入大量石墨，NMD全部以电极石墨为原料生产的炭砖，导热系数达到40-60W/mK，两种砖都不是微孔炭砖，抗铁水溶蚀性差，有多座高炉应用这两种砖砌筑炉缸，已有几座高炉在2-3年就烧穿了，实践证明电极石墨为原料生产的炭砖使用效果差，不应作为炭砖原料。,疏松多孔结构深黑色：孔洞图12NMA炭砖的电极石墨颗粒料显微结构,深黑色：孔洞、裂纹图13电煅无烟煤显微结构,深黑色：孔洞图14石墨化无烟煤显微结构,深黑色：孔洞、裂纹图15电极石墨显微结构,8、几个相关问题的观点8.1关于永久性炉衬问题武钢4号高炉破损调查证明，高炉炉缸炉底炭砖炉衬内凝结一层厚度不大的渣壁，保持不溶化，保护炭砖炉衬不被侵蚀，可以实现永久性炭砖炉衬，炉缸炉底寿命实现20年、30年都有可能。,反光正交偏光图16石墨片（片状）黄长石（灰色）图17金属铁（亮白色）石墨片黄长石（灰色）,反光反光图20炭质和渣相（灰色）图21炭砖边缘的炉渣及铁渣相黄长石（灰色）铁（亮黄色）,a)氧化锌（白色）分布在沉积炭（黑色）中b)氧化锌（白色）呈脉状分布在沉积炭（黄色）中反光反光图22G-38样含Zn42.4%,a)氧化锌脉状（兰色）、沉积炭（黑黄色），反光b)氧化锌（黄色）、沉积炭（黑色），单偏光图23G-60样含Zn66.1%,8.2关于陶瓷杯用耐火材料问题1）炉缸炭砖炉衬部位，不用陶瓷杯更好；2）陶瓷杯用砖、风口区用砖应注重抗炉渣侵蚀性、抗碱性和微气孔