王春龍 祁四清 全強(qiáng) 趙艷霞

 （中冶京誠工程技術(shù)有限公司）

摘  要  針對爐體高熱負(fù)荷區(qū)域，基于銅冷卻壁的優(yōu)良性能，開發(fā)了一種爐體新型冷卻結(jié)構(gòu)，即在爐體高熱負(fù)荷區(qū)采用鑄鐵冷卻壁熱面鑲嵌銅冷卻條。這種爐體新型冷卻結(jié)構(gòu)在1080m3等多座高爐上應(yīng)用效果表明，新型冷卻結(jié)構(gòu)具備冷卻強(qiáng)度大、有利于渣皮穩(wěn)定的特點，能夠有效解決爐體高熱負(fù)荷區(qū)域冷卻設(shè)備損壞的問題，投資相對于銅冷卻壁大幅降低，是一種經(jīng)濟(jì)而實用的新技術(shù)。

關(guān)鍵詞  高爐  冷卻壁  冷卻結(jié)構(gòu)  爐腹  渣皮

如何能夠使得高爐高效、長壽是煉鐵工作者長期關(guān)注的課題。實踐表明，爐底爐缸和爐體高熱負(fù)荷區(qū)域是影響高爐長壽的關(guān)鍵因素，分別表現(xiàn)為爐底爐缸耐材的侵蝕和高熱負(fù)荷區(qū)域冷卻設(shè)備的損壞。后者雖然不像前者一樣，會直接導(dǎo)致高爐停爐大修，但也會對高爐產(chǎn)生很大影響:一是冷卻設(shè)備損壞后，導(dǎo)致冷卻設(shè)備漏水，一旦進(jìn)入爐底爐缸區(qū)域，會對碳質(zhì)材料發(fā)生碳素溶損反應(yīng)，加劇耐材的侵蝕，進(jìn)而影響到高爐的長壽；二是冷卻設(shè)備損壞，造成圓周爐墻厚度不一致，煤氣流分布受到影響，高爐操作準(zhǔn)度加大，爐況不穩(wěn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變差，進(jìn)而影響到高爐的穩(wěn)定順行。此外，更換損壞的冷卻設(shè)備不僅增加生產(chǎn)成本，而且降料面打水也會影響爐內(nèi)耐材壽命。

針對爐體高熱負(fù)荷區(qū)域，基于銅冷卻壁的優(yōu)良性能，開發(fā)了一種爐體新型冷卻結(jié)構(gòu)，即在爐體高熱負(fù)荷區(qū)采用鑄鐵冷卻壁熱面鑲嵌銅冷卻條。

1  新型冷卻結(jié)構(gòu)的開發(fā)

(1)高熱負(fù)荷區(qū)域工況。爐腹、爐腰及爐身下部高熱負(fù)荷區(qū)域工作條件極為惡劣，既有高溫煤氣和渣鐵的沖刷，又經(jīng)受著高溫和多變的熱流沖擊；在原燃料條件較差的情況下，還要遭受堿金屬和鋅的侵蝕破壞，該區(qū)域的耐材很容易被侵蝕，根據(jù)操作經(jīng)驗，此部位磚襯工作時間0.5～1年。因此，一代爐役中，此部位絕大部分時間依靠冷卻設(shè)備維持工作，如何通過合適的冷卻強(qiáng)度和合理的冷卻結(jié)構(gòu)使渣皮快速形成、穩(wěn)定存在是延長該區(qū)域壽命的關(guān)鍵。

(2)爐腹區(qū)設(shè)計理念。風(fēng)口回旋區(qū)的存在使?fàn)t腹區(qū)工作條件更為惡劣，爐腹區(qū)與風(fēng)口帶能否合理銜接過渡對爐腹冷卻設(shè)備壽命的影響巨大。根據(jù)多年設(shè)計經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)薄壁高爐風(fēng)口帶應(yīng)與爐腹區(qū)的合理過渡銜接技術(shù)，即爐腹區(qū)冷卻設(shè)備熱面頂點與風(fēng)口中套上沿連線與冷卻設(shè)備熱面要保證合適的角度a(稱其為a法則，如圖1所示)，從而保證爐腹冷卻設(shè)備能夠穩(wěn)定掛渣，并形成支撐，同時遠(yuǎn)離風(fēng)口回旋區(qū)，使得爐腹角具有一定自然調(diào)整范圍，保證冷卻設(shè)備的壽命。

(3)技術(shù)關(guān)鍵點。爐腹區(qū)設(shè)計盡量將α角控制在合理范圍內(nèi)，使?fàn)t腹區(qū)的冷卻設(shè)備熱面盡量遠(yuǎn)離爐內(nèi)高溫區(qū)，并適當(dāng)加大該區(qū)域的冷卻強(qiáng)度。大型高爐通常在此區(qū)域采用銅冷卻壁以増加冷卻強(qiáng)度，通過對部分大型高爐銅冷卻壁破損調(diào)査，認(rèn)為銅冷卻壁熱面是平面結(jié)構(gòu)，雖然冷卻強(qiáng)度大，掛渣迅速，但是，該種結(jié)構(gòu)不利于渣皮的穩(wěn)定，容易造成渣皮頻繁脫落，是冷卻壁機(jī)械磨損的主要原因。

基于銅冷卻壁的優(yōu)良性能，開發(fā)了一種爐體新得型冷卻結(jié)構(gòu)，即在爐體高熱負(fù)荷區(qū)采用新型組合式冷卻設(shè)備——鑄鐵冷卻壁熱面鑲嵌銅冷卻條，它繼承了板壁結(jié)合和薄壁爐襯的優(yōu)點，并且充分發(fā)揮了銅的冷卻效果好的優(yōu)點，在銅冷卻條周圍迅速形成的牢固渣皮相當(dāng)于“錨固釘”，起到了“軟板”作用，渣皮更穩(wěn)定，克服了銅冷卻壁過度冷卻及平面結(jié)構(gòu)帶來的渣皮頻繁脫落、影響高爐操作的問題。

由于銅冷卻條間距可根據(jù)設(shè)計選擇，因此它不會過度冷卻，適應(yīng)性更加廣泛，且投資遠(yuǎn)低于銅冷卻卻壁(約為銅冷卻壁的20％)。此外，銅冷卻條采用鑄造工藝，克服了銅冷卻壁水管與本體焊接易開裂的缺點。

2  新型冷卻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

新型冷卻結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)450m3、660m3、1080m3、1380m3等多座高爐上成功應(yīng)用。下面重點闡述在國內(nèi)兩座1080m3高爐上的應(yīng)用情況。

某廠兩座1080m3高爐投產(chǎn)兩年后，爐底、爐缸溫度正常，但是爐腹區(qū)冷卻壁損壞嚴(yán)重，高爐操作指標(biāo)嚴(yán)重惡化，生產(chǎn)效率降低，燃料比大幅升高，高爐得不到強(qiáng)化、對煉鋼等工序產(chǎn)生影響。

(1)冷卻方式。兩座1080m3高爐于2012年11月投產(chǎn)、爐型及配置完全相同，冷卻水為軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)+工業(yè)水開路循環(huán)系統(tǒng)，其中，軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)用于冷卻爐體冷卻壁、爐底、風(fēng)口大套，冷卻壁采用一串到頂?shù)睦鋮s方式，爐底與風(fēng)口大套串聯(lián);工業(yè)水開路循環(huán)系統(tǒng)用于冷卻風(fēng)口中套、小套、爐頂打水、爐喉鋼磚及十字測溫等。

(2)冷卻壁破損狀況。1號高爐爐腹第6段冷卻壁圓周共38塊，雙層冷卻水管結(jié)構(gòu)，熱面直管為Φ70x8，冷面蛇形管為Φ51x6，壁體材質(zhì)為鑄鋼ZG230-450。該段冷卻壁損壞嚴(yán)重，熱面水管有一半露出壁體，且壁體熱面下部已被燒掉[見圖2(a)]。位于熱面的直管共152根，漏水107根，破損率為70.4％，位于冷面的蛇形管共38根，漏水4根，破損率為10.5％。爐腹第7段冷卻壁圓周共40塊，單層冷卻水管結(jié)構(gòu)，內(nèi)鑄直管為如Φ70x8，材質(zhì)為鑄鋼ZC230-450，共漏水12根，破損率為7、5％。第7段冷卻壁壁體也有磨損，但水管沒有露出[見圖2(b)]。

(3)冷卻壁破損原因。該高爐原設(shè)計為薄壁爐襯結(jié)構(gòu)，爐缸直徑為7600mm，爐腰直徑為8800m，爐腹角為79.726°，爐身角為83.645°，高徑比為2.625，20個風(fēng)口，2個鐵口。從設(shè)計角度看，該高爐內(nèi)型設(shè)計欠佳:①爐腹角過大，冷卻壁熱面不易掛渣，壁體不能得到有效保護(hù);②冷卻壁鑲磚熱面緊貼高爐內(nèi)型，造成爐腹區(qū)冷卻壁壁體熱面過于靠近爐內(nèi)，風(fēng)口回旋區(qū)產(chǎn)生的高溫氣流將第6段冷卻壁下部燒壞，導(dǎo)致水管燒穿。為了避免向爐內(nèi)漏水，生產(chǎn)上采取控水措施，造成第6段冷卻壁冷卻強(qiáng)度下降，壁體熱面溫度高于鑄鋼冷卻壁的耐熱溫度，壁體耐磨性能下降，磨損嚴(yán)重;第6段冷卻壁嚴(yán)重磨損導(dǎo)致第7段冷卻壁下部的冷卻強(qiáng)度不足，因而下部磨損相對較輕。

(4)中修改造。本次中修爐腹區(qū)域采用鑄鐵冷卻壁鑲嵌銅冷卻條的新型結(jié)構(gòu)，將第6段冷卻壁改為單層水管，熱面鑲嵌兩層銅冷卻條，第7段冷卻壁熱面靠近爐売，熱面鑲嵌一層銅冷卻條，燕尾槽內(nèi)搗打碳化硅搗打料，熱面砌筑耐火材料。改造后，冷卻壁熱面與爐殼平行，風(fēng)口組合磚上方耐材加厚，壁體熱面遠(yuǎn)離爐內(nèi)高溫區(qū)，再加上銅冷卻條冷卻強(qiáng)度較大，且凸出冷卻壁壁體熱面50～100mm，能夠顯著增加渣皮穩(wěn)定性，有效保護(hù)爐腹冷卻設(shè)備。

本次中修使用3層銅冷卻條，第1、2層間距為600mm，第2、3層間距為950mm，銅冷卻條管為Φ60x10，水速約為2m/s，單根水管的冷卻水量為9t/h采取上下三層串聯(lián)的形式(如圖3所示)，水頭數(shù)共40根，銅冷卻條水管與外部配管采用單接口管箍進(jìn)行連接。

鑄鐵冷卻壁安裝后，將銅冷卻條插入冷卻壁熱面預(yù)留的四槽內(nèi)(見圖4)，銅冷卻條與冷卻壁壁體之間的縫隙用碳化硅搗打料填充。銅冷卻條水管外部焊接鋼套，以便于現(xiàn)場焊接水管密封罩。

(5)應(yīng)用效果。2015年1月對兩座高爐進(jìn)行快速中修，爐腹區(qū)采用新型冷卻結(jié)構(gòu)，有效解決了爐腹區(qū)冷卻壁損壞嚴(yán)重的問題。3月投產(chǎn)以來，高爐穩(wěn)定順行，兩座高爐生產(chǎn)狀況基本相同，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，5月平均燃料比為503kg/t，日均產(chǎn)量為3800t/d，最高可以達(dá)到3850d，燃料比在515kg/t以下(見表1)。

目前，高爐本體溫度正常，第6、7段冷卻壁溫度均維持在65℃左右，爐底溫度為294℃，爐基溫度為92℃。通過本次中修改造，高爐的各項指標(biāo)均得到了大幅改善，解決了該廠之前煉鐵產(chǎn)能不匹配的問題。

3  結(jié)語

(1)采取合適的冷卻強(qiáng)度和合理的冷卻結(jié)構(gòu)使得渣皮快速形成、穩(wěn)定存在，是延長高爐爐體高熱負(fù)荷區(qū)域壽命的關(guān)鍵。

(2)爐腹區(qū)冷卻壁熱面頂點與風(fēng)口中套上沿連線與冷卻壁熱面要保證合適的角度a，從而保證冷卻設(shè)備的使用壽命。

(3)新型冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高爐高熱負(fù)荷區(qū)域具備銅冷卻壁冷卻強(qiáng)度大的優(yōu)點，還有利于渣皮的穩(wěn)定，能夠有效保護(hù)爐腹、爐腰和爐身下部等高溫區(qū)冷卻設(shè)備，且不會過度冷卻，適應(yīng)性更加廣泛，投資相對于銅冷卻壁大幅降低，是一種經(jīng)濟(jì)而實用的新技術(shù)。

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