铜冷却壁结构设计探讨

,2018年8月,全强,主要内容,1概述,进水管,出水管,螺栓孔,燕尾槽,壁体,定位销孔,水通道,1978年德国MANGHH与蒂森公司合作开发高炉铜冷却壁冷却技术，历经10几年的试验得到非常满意的成果。1992年该项技术公布于世。1999年2001年间，国内武钢、本钢在大修高炉工程中相继从PW公司引进两段铜冷却壁用于炉身下部。,1）铜冷却壁的发展,1概述,使用铜冷却壁的高炉实测结果已经充分证实日常平均工作温度仅为75-80，热面温度最高不会超过127，与铸铁冷却壁比，其温度趋势记录非常平稳。在壁体前能保持稳定的渣皮。一旦渣皮脱落，铜冷却壁的瞬间温度反应很快，达到再平衡的速度约为铸铁冷却壁的6倍。由于壁体前渣皮稳定，所以，铜冷却壁的热损失不到铸铁冷却壁的一半；壁前也没有必要采用昂贵的耐火材料。据国外资料介绍轧制铜坯制作的铜冷却壁在德国10年的使用经验，10年间最大磨损速率为0.3mm/年。,1概述,2）铜冷却壁在国外的使用经验,铸铁冷却壁与铜冷却壁温度趋势记录比较图,1概述,1概述,3)铜冷却壁在国内的损坏情况,在我国，一部分高炉应用铜冷却壁出现了一些问题，给高炉生产带来了严重影响。这些问题的产生原因归纳起来大体有三类：,国内某高炉铜冷却壁损坏图,“冷却强度严重不足”引起的局部区段大面积损坏国内铜冷却壁高炉局部区段热面大面积损坏的故障。下图所示为其中2座高炉铜冷却壁损坏的照片。这里所说的“冷却强度严重不足”，是因为检漏停水或人为减少冷却水。,国内某高炉铜冷却壁损坏图,1概述,制造缺陷引起的损坏,铜冷却壁水管焊缝出漏水。,国内某高炉铜却壁水管焊缝漏水,1概述,1概述,由于炉体结构设计不合理引起的风口区冷却壁的损坏,1概述,国内某高炉铜冷却壁损坏情况,1概述,铜冷却壁损坏情况小结：1.冷却不足(停水、减水)，渣皮脱落，炉料磨损损坏；（表现有磨损、熔化、变形等）2.制造质量不过关，水管焊接部位损坏；3.设计结构不合理。4.铜冷却壁主要有三种结构，即：轧制铜板加工、连铸坯加工、铸铜，几种机构都有损坏情况。,铜冷却壁的损坏原因是复杂的，与设计结构、制造质量、高炉操作等因素相关。铜冷却壁长寿的核心是保证渣皮稳定，不产生过厚渣皮！,主要内容,2铜冷却壁结构设计探讨,背景：铜冷却壁设计分工铜冷却壁的设计一般是，设计院只做基本设计，由制造厂做详细设计，而且核心参数的确定也是由制造厂与设计院沟通确定，实际是制造厂确定。因此，制造厂为了降低成本，对铜冷却壁结构进行了大幅优化。,2铜冷却壁结构设计探讨,三种主要铜冷却壁结构：轧制铜板加工、连铸坯加工、铸铜,目前国内主要采用轧制铜板加工结构,铜冷却壁设计厚度、燕尾槽深度下表是国外高炉用铜冷却壁的主要尺寸,来自：“高炉炼铁生产技术手册”-周传典主编，P268,燕尾槽深：55水道直径：55mm面积：2374mm2,2铜冷却壁结构设计探讨,国内铜冷却壁典型设计,面积：2828.3mm2,有槽厚度115，无槽厚度75燕尾槽40孔径38x86,见上图高度2000-2500，,2铜冷却壁结构设计探讨,国外某高炉铜冷却壁,国内高炉铜冷却壁,2铜冷却壁结构设计探讨,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：1.铜冷却壁燕尾槽的作用？首先，看看冷却壁设置燕尾槽的目的：无论是铸铁冷却壁还是铜冷却壁都设置了燕尾槽，为什么？这是因为燕尾槽可以很好固定镶嵌（捣固）在其内的耐火材料，而耐火材料可以与渣皮更好结合甚至烧结在一起，起到固定渣皮作用，这就相当于渣皮的“根”。,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：2.铜冷却壁燕尾槽多深合适？实践证明铜冷却壁的冷却强度是过度的，前提条件；燕尾槽内耐材是相对牢固和稳定的，因此，我们可以把肋和燕尾槽内被固定的耐材看作是一体；其平均导热系数随着燕尾槽加深而变小，也就是说，加深燕尾槽，在同样冷却水的情况下，冷却强度变小；但是，渣皮的“根基”变得更牢固；实际上，对于铜冷却壁，我们要解决的问题是：找到其合适的冷强度，即保证一定渣皮厚度，又不产生过厚渣皮；因此，适当加深燕尾槽深度应是一种选择。,燕尾槽深度,“根基”牢固,平均导热系数,从国外经验看，建议铜冷却壁燕尾槽深度应大于55mm。镶砖面积大于50%。,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：3.铜冷却壁壁体厚度铜冷却壁壁体厚度（无槽）应考虑加工需要以及工作状态下抗变形的强度需求。对于国内采用复合钻孔形式，减小壁体厚度的结构，在保证整体强度的情况下，应该是一种很好的结构。,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：4.肋高可否不同高度，以增加渣皮支撑？铜冷却壁镶砖会很快磨损掉，但燕尾槽的镶砖会存在较长时间，因此，工作状态长时间内，燕尾内的砖与肋的热面是一平的，渣皮完全靠与镶砖的粘附力“挂”在铜冷却壁表面，当渣皮过厚，重力以及炉料下降的摩擦力大于粘附力时，渣皮就会脱落。是否可以将肋高做成不同高度，利用不同肋高起到支撑渣皮作用？需要研究，高多少合适？20-50？,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：5.冷却水管焊接结构铜冷却壁通常水管焊接结构如图。水管与壁体只采用一道焊缝连接。及外侧保护套。宜受损。,此处，建议采用加厚凸台，并采用锥管螺纹与焊接双连接结构，保证连接强度。,主要内容,3铜冷却壁镶砖结构设计,1.全覆盖式镶砖,2.半镶砖，长、短结构,3.喷涂，无镶砖,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：1.方案一，采用全覆盖结构，与铸铁冷却壁镶砖形式相同。但是，由于铜冷却壁燕尾槽很小，镶砖块很小，折角处存在应力，在工作状态很快会磨平或断裂。很快形成平滑面，不利于挂渣。,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：2.方案2，半镶砖，长、短结构这种结构，虽然铜冷却壁燕尾槽未变，但镶砖块是独立而小，不存在应力断裂，与铜冷却壁本体很好成为一体，利于挂渣和起到支撑渣皮作用。是一种很好结构。,2铜冷却壁结构设计探讨,问题讨论：3.方案3，采用喷涂，无镶砖这种结构方式投资最低，与方案1镶砖侵蚀掉后一样，形成平滑表面，对挂渣不利。,综上所述，建议铜冷却壁镶砖采用方案2结构。无论是投资还使用效果都比较好。,主要内容,4铜冷却布置和冷却系统设计,1.铜冷却壁布置冷却壁通常采用错缝布置，铜冷却壁也延续了这种布置方式。但与铸铁冷却壁弧形不同的是，铜冷却壁是平板式，因此，上下层冷却壁之间出现三角缝，下降入炉料对下层冷却壁中间产生严重磨损。为了消除或减小这种磨损，铜冷却壁布置应采用1/4错缝，二不应采用半错缝。,4铜冷却布置和冷却系统设计,2.铜冷却壁冷却系统设计炉体冷却壁通常采用软水一串到顶，但这样对铜冷却壁冷却强度过大，因此，对于铜冷却的冷却可采用两种做法：,1）铜冷却壁单独供水冷却，这样的有点是，可以调节铜冷却壁的冷却强度，缺点是水量大大增加，基本增加一倍。,2）采用增加环管方式，仍然是采用一串到顶方式，但在铜冷却壁进出处增加环管，并加旁通，可以调节铜冷壁水量，,主要内容,5结束语,1.国内新