高炉铸铜冷却壁详细介绍

1、高炉铸铜冷却壁(日) 等摘要 日本钢管公司在试验运行10多年的基础上开发了铸铜冷却壁，适合于高产、高燃料比或高喷煤比的高炉使用。关键词 冷却壁 高炉 炉腹 铸铜1 前言耐材和冷却系统的进步使高炉能够实现长寿。近来日本有一座内容积大于4000m3 的大型高炉寿命已经超过了20年。此外，许多高炉高利用系数、高喷煤比操作，或者为了回收大量高炉煤气采用高燃料比操作，造成边缘煤气流过分发展，炉墙特别是炉腹承受着很高的热负荷。在这些情况下，日本钢管公司与后藤合金公司在80年代初开发了目标寿命超过20年的新型铸铜冷却壁（短冷却壁），并在京滨1号高炉及其它高炉安装。本文叙述了高炉操作与普通铸铁冷却壁损坏之间的

2、关系，炉腹长寿冷却壁的设计概念，以及新的铸铜冷却壁的开发和评价。2 背景2.1 日本钢管公司高炉设备及操作日本钢管公司高炉的冷却系统在炉身是以铜冷却板，炉腹是以铸铁冷却壁为基础设计的。福山4号高炉（第2代）在1990年停炉前炉腹冷却壁在超过12年的运行中从未发生过明显的损坏。然而在90年后期，京滨1号高炉（第2代）和福山4号高炉（第3代）投产仅7年已经有一些冷却壁中的冷却水管断裂了。这些现象是由于操作条件改变，采取了高利用系数、高燃料比或高喷煤比操作等造成的。表1列出了京滨1号高炉和福山4号高炉设备的概况，图1表示了这些高炉的操作实绩。表 1 京滨1BF 和福山4BF 设备概况K-1BF（第二

3、代）F-4BF（第三代）开炉日期1989年11月1990年6月内容积,m349074288炉缸直径，m风口数目4040喷煤设备能力t/h5272图1 K-1BF、F-4BF 操作的变迁在京滨2号高炉1990年停炉以后，1m3 的高利用系数下操作，并且由于全厂能源平衡要求在高燃料比条件下操作，福山4号高炉从1994年起一直在喷煤比超过150kg/t 的条件下操作。图2表示京滨1号高炉冷却系统的结构。与公司其它高炉一样采用铸铁制造的炉腹冷却壁，共安装了180 块冷却壁(60 块×3 段)。图2 K-1BF 冷却系统结构2.2 京滨1号高炉铸铁冷却壁的破损调查图3（略）表示京滨1号高炉拆下

4、的铸铁冷却壁照片。在整个冷却壁本体上观察到许多裂缝和大量磨损，最大变形达70mm。2.3 冷却壁的损坏机理用煤气流和传热二维模拟模型研究了操作条件对炉腹热负荷的影响。表2列出了计算条件，并在（图4）略中表示了距风口中心线1m 高度上煤气温度和煤气流速的水平分布的计算结果。表 2 模拟研究计算条件条件-1(基准)条件-2条件-3利用系数,t/d·m3燃料比,kg/t500550500煤比,kg/t100100200在高利用系数和高燃料比操作时，由于炉腹煤气量增加使炉墙边缘煤气流发展（条件-2与条件-1比较）。在高喷煤比操作时也使炉墙边缘煤气流增加和靠近炉墙煤气温度升高（条件-3与条件-

5、1比较）。在条件-3中炉墙边缘煤气流的增加则是由于风口回旋区煤粉积聚成壳和死料堆小块焦的阻碍作用，减少了朝向死料堆的煤气流动。图5（略）表示在这些条件下炉内状况的示意图。最近炉腹冷却壁提前损坏可能是由于高产、高燃料比或高喷煤比等操作引起强烈的炉墙边缘气流，使热负荷升高的缘故。因此，从稳定操作和延长炉寿的两个观点出发更需要开发长寿冷却壁。3 炉腹冷却壁3.1 炉腹冷却壁的基本特性特别在炉腹，冷却壁的强冷却能力是最必要的特性。它将保持冷却壁本体足够低的温度，以防止冷却壁本体的变形，同时通过形成稳定的渣皮将磨损控制得很小，就能够延长冷却壁的寿命。图6表示高炉炉腹新的长寿冷却壁设计的基本概念。最优先考

6、虑的是高的冷却能力，为此冷却壁本体采用普遍用于冷却板和风口的高导热性的铸铜来制造。3.2 以数学分析为基础优化铸铜冷却壁的设计表3为铸铜与铸铁物理和机械特性的比较。铸铜的导热性比铸铁高很多。用有限元数学分析方法研究了机械特性对冷却壁本体温度和热应力的影响。表 3 材料的物理和机械性能铸 铁铸 铜导热率，W/m·K29-41192-233熔点，11801080密度，kg/m372008900屈服强度，MPa19629图7（略）表示了计算条件。在研究铸铜和铸铁冷却壁时，为了阐明材料特性的影响、采用相同的冷却壁结构和边界条件。并假定没有渣皮。图8（略）和图9（略）表示冷却壁本体中计算的温度

7、分布和热应力分布。图10为计算结果的比较。铸铜冷却壁的温度较铸铁冷却壁低。铸铜冷却壁的最高温度约为铸铁冷却壁的三分之一。在铸铜冷却壁中，由于温差产生的热应力要比铸铁冷却壁低很多。铸铜冷却壁的最高应力仅为铸铁冷却壁的1/6。 在这些计算分析结果的基础上设计高炉炉腹铸铜冷却壁。图 10 计算结果的比较4 福山2号高炉铸铜冷却壁的鉴定试验4.1 试验方法用数学分析方法来研究渣皮的形成及脱落，或者热负荷的变化对冷却壁寿命的影响是困难的。因此在福山2号高炉（第3代，内容积2828m3 ）已经进行了一次铸铜冷却壁试验的鉴定考验。表 4 日本钢管公司高炉上安装的铸铜冷却壁高 炉炉 容m3位 置 （数 量）装

8、设时间炉身上部炉身下部炉腹F-5(第一代)4664219821983F-2(第三代)2828319831994F-5(第二代)466431996F-4(第三代)4288121997K-1(第二代)490781997F-2(第四代)28283641998F-3(第三代)322391998K-1(第二代)49071001998F-4(第三代)4288561999*F: 福山，K: 京滨4.2 考验结果图11（略）表示福山2号高炉第3代的数据和停炉后拆下的一块试验冷却壁的照片。表5为拆下冷却壁的物理特性。观察使用11年后拆下的试验冷却壁仍然保持原始的形状没有裂纹，物理特性测量的结果显示导热性和屈服强

9、度几乎与原来冷却壁一样。最大磨损量为2mm，。表 5 拆下冷却壁的物理特性 安装时期：1983年11月1日1994年8月23日（10年10个月） 数量：3 拆下后测量的机械性能- 导热率：超过209W/m·- 屈服强度(0.2%)：39Mpa（在室温下）30MPa（在200） 磨耗- 磨耗：2mm- 磨损速度（计算）：/a5 日本钢管公司铸铜冷却壁的使用实践5.1 在京滨1号高炉上使用在1997年，京滨1号高炉炉腹第2段大部分冷却壁由于普通冷却壁的破损而进行了更换。此时，为了比较普通铸铁冷却壁、铸铜冷却壁，以及具有326349W/m·K 高导热性的轧制铜冷却壁采用了并排交替

10、（布置图12（略）。由于修复条件的限制，各种冷却壁的冷却系统结构基本相同。5.2 京滨1号高炉对各种冷却壁的评价(1) 冷却壁本体温度图13表示从安装表面10mm深处测量各种冷却壁温度逐日的变化。铸铜和轧制铜冷却壁的温度很低并且很稳定。从装设以后一个月温度逐步上升可是只有60左右。铸铜和轧制铜冷却壁的本体温度之间没有差别。在开始阶段铸铁冷却壁的温度比较稳定，但是在装设一个月以后开始升高，并经常波动。图13 冷却壁温度逐日的变化图(2) 热负荷图14表示由测量的各种冷却壁冷却水温度和流量计算的热负荷进行比较，没有发现各种冷却壁热负荷有任何差别。图14 各种冷却壁热负荷的比较(3) 设想冷却壁表面

11、存在渣皮的状态各种型式冷却壁的实际热负荷之间不存在差别，尽管数学分析推测铸铜冷却壁将比铸铁冷却壁高1 1/2倍。这是由于在数学分析时假定没有渣皮的缘故，可是在冷却壁表面有渣皮时铸铜冷却壁的热负荷得以降低。图15表示从冷却壁表面的两个不同深度位置测得的温度用一维传热计算估计的渣皮厚度。在铸铁冷却壁上估计渣皮的厚度约3mm，而铜冷却壁约10mm，铸铜与轧制铜冷却壁的渣皮厚度没有差别。图 15 冷却壁表面渣皮的估计厚度图16 为铸铜冷却壁和铸铁冷却壁本体温度短时期的变化铸铜冷却壁的本体温度很低并且很稳定而另一方面铸铁冷却壁的本体温度急剧地变化在渣皮脱落时发现温度迅速上升渣皮生成时发现温度缓慢下降。图

12、 16 冷却壁本体温度的短期变化如上所述，由于冷却能力很高，在两种铜冷却壁表面上牢牢地粘附着厚厚的渣皮，使冷却壁本体的温度一直维持得很低。这是能稳定在低的温度和低热负荷的原因。尽管铸铜的导热性比轧制铜低，可是，在有渣皮时实际的冷却能力是一样的。5.3 铜冷却壁对高炉操作的影响在1999年3月福山4号高炉的炉腹第2段整圈56块铸铁冷却壁更换为铸铜冷却壁。图17为新的铜冷却壁安装前后的操作情况。在铸铜冷却壁装设后一直在高喷煤比和生铁低含硅量的情况下稳定地操作。这是由于排除了冷却壁破损引起的生产故障，且铜冷却壁的使用保证了高炉下部炉料的均匀下降，减少了炉墙内热量的累积。图17 福山4 号高炉铸铜冷却壁安装前后的操作实绩此外铸铜冷却壁的磨蚀速度明显低于铸铁冷却壁，且由于其本体温度变化少，变形也比铸铁冷却壁小。铸铜冷却壁能长期保持原有性能，无需更换，并且有利于高炉稳定操作。6 结语本文用数字分析阐明了炉腹冷却壁的损坏是由于高利用系数、高燃料比或高喷煤比等合理操作引起热负荷升高所造成的。为了在上述高强度冶炼条件下实现高炉连续稳定的操作，日本钢管公司自80年代初经过10年以上现场试验鉴定，开发了铸铜冷却壁，它