大型高爐銅冷卻壁長(zhǎng)壽技術(shù)研究及應(yīng)用

付國慶

（河鋼股份有限公司承德分公司、河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000）

確保高爐的使用年限是鋼鐵企業(yè)最為看中的問題，因?yàn)楦郀t長(zhǎng)壽與否直接影響著鋼鐵企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。鋼鐵企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)行過程中是環(huán)環(huán)相扣的。如果高爐結(jié)構(gòu)遭到破壞，需要進(jìn)行修補(bǔ)，會(huì)直接影響鋼鐵企業(yè)各部門的工作進(jìn)度，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。延長(zhǎng)高爐的使用年限是一項(xiàng)重點(diǎn)工作，為做到長(zhǎng)壽的要求，要關(guān)注方方面面的影響，例如，高爐原材料的選擇、工作的溫度、速度、工作質(zhì)量以及定期對(duì)高爐爐體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和修護(hù)的策略等。

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，銅冷卻壁逐漸被高爐產(chǎn)業(yè)所認(rèn)可和使用，其在使用過程中具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性和冷卻效果，在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的渣皮可以作為內(nèi)襯。對(duì)高爐爐身進(jìn)行耐高溫、耐磨損材料選擇設(shè)計(jì)時(shí)，所采用的是薄內(nèi)襯爐身。薄壁高爐的產(chǎn)生有效延長(zhǎng)了爐身壽命，減少了資金成本的使用。現(xiàn)階段，我國有200 多座高爐使用的是銅冷卻壁，在實(shí)際應(yīng)用中也具有較強(qiáng)的平穩(wěn)性。但是，2010 年開始，銅冷卻壁在應(yīng)用的過程中會(huì)出現(xiàn)損壞和脫落的問題，嚴(yán)重影響了高爐產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過對(duì)銅冷卻壁損壞進(jìn)行系統(tǒng)、專業(yè)的研究分析后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致銅冷卻壁出現(xiàn)損壞的根本原因是銅。銅在一定的情況下會(huì)出現(xiàn)“氫病”，氫會(huì)與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響銅冷卻壁的外部結(jié)構(gòu)。因此，一些人認(rèn)為具有氧元素過多的銅冷卻壁會(huì)形成“氫病”，進(jìn)而導(dǎo)致銅冷卻壁出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。根據(jù)湘鋼高爐銅冷卻壁出現(xiàn)損壞的原因進(jìn)行研究分析后發(fā)現(xiàn)，高爐銅冷卻壁出現(xiàn)損壞的根本原因是水管的破壞，因此，一些人認(rèn)為銅冷卻壁發(fā)生損壞的原因是渣皮的損壞。從而得知，銅冷卻壁損壞的原因是多元化的，沒有固定的觀點(diǎn)和規(guī)范。針對(duì)我國高爐銅冷卻壁發(fā)生損壞的原因進(jìn)行研究分析后發(fā)現(xiàn)，銅冷卻壁在發(fā)生損壞時(shí)都具有一定的特性：無論材料和加工方式如何改變，銅冷卻壁都會(huì)在應(yīng)用過程中發(fā)生損壞，產(chǎn)生損壞的位置都位于高爐腰部、腹部以及兩者之間。所以，現(xiàn)階段銅冷卻壁損壞原因和相關(guān)知識(shí)理論都無法解決此類問題的發(fā)生。

2 高爐冷卻系統(tǒng)

就目前而言，高爐的使用年限不應(yīng)低于20 年，高爐運(yùn)行產(chǎn)鐵的數(shù)額要在15000t/m3以上，為達(dá)到以上要求，高爐冷卻系統(tǒng)要符合以下幾點(diǎn)要求。

2.1 爐殼均勻冷卻

高爐爐殼進(jìn)行冷卻時(shí)要確保爐殼冷卻具有均勻性，防止高爐爐殼因冷卻不均勻而導(dǎo)致爐殼結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，對(duì)高爐爐殼進(jìn)行均勻冷卻可以明顯提高爐殼的穩(wěn)固性。

2.2 強(qiáng)化冷卻爐襯

為延長(zhǎng)高爐的使用年限，可以強(qiáng)化冷卻爐襯，使其在冷卻過程中形成保護(hù)膜。

2.3 控制合理操作爐型

加強(qiáng)對(duì)合理操作爐形的把控，以使?fàn)t形成為“標(biāo)準(zhǔn)爐形”，摒棄傳統(tǒng)高爐爐襯在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用下而造成的爐形異常，確保煤氣氣流與爐料質(zhì)量的相稱性，以此確保高爐的工作狀態(tài)和工作效率。所有軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)都要具有膨脹罐和脫氣罐。冷卻液中具有一定的蒸汽，蒸汽的排除是利用脫氣罐進(jìn)行的，蒸汽排出有利于保證冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，防止堵塞。膨脹罐是利用水溫升高的壓力，以此起到防止氧氣進(jìn)入冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

3 銅冷卻壁破損原因分析

3.1 邊緣煤氣流控制不合理

經(jīng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可知，因?yàn)檫吘壝簹鈿饬靼芽胤绞胶托Ч环舷嚓P(guān)的規(guī)范要求，導(dǎo)致部分氣流或邊緣氣流的波動(dòng)性較強(qiáng)，導(dǎo)致渣皮破損，渣皮的破損導(dǎo)致銅冷卻壁直接被熱煤氣所影響，進(jìn)而導(dǎo)致銅冷卻壁遭到損壞。常見的銅冷卻壁破損形式主要分為兩種，分別是“上部干區(qū)”的爐料磨損以及“下部濕區(qū)”的熱熔損。具體如圖1 所示。除此之外，一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，因?yàn)檫吘墯饬髟谳^長(zhǎng)時(shí)間的壓制管理下，造成邊緣的溫度較低，不利于產(chǎn)生渣皮，從而導(dǎo)致銅冷卻壁直接被熱煤氣影響。銅冷卻壁在應(yīng)用過程中的硬度較低、而且不具備耐磨性，容易在使用的過程中造成損壞，常見損壞位置是高爐的中間偏下部分。為防止銅冷卻壁遭到破損，在使用過程中要關(guān)注煤氣氣流的變化，當(dāng)煤氣氣流的變動(dòng)較大時(shí)，就要注意高爐壁體的溫度，如果溫度的變化幅度較大，就會(huì)發(fā)生渣皮掉落。

圖1 高爐銅冷卻壁損壞形式

3.2 冷卻制度管控不精細(xì)

冷卻制度管控不精細(xì)也會(huì)導(dǎo)致高爐的冷卻壁結(jié)構(gòu)遭到破壞，其根本原因是冷卻水的量值不符合相關(guān)的要求或是進(jìn)行特殊路況時(shí)沒有進(jìn)行及時(shí)有效的冷卻處理。譬如，某高爐的容量為2000m3，在運(yùn)行過程中所使用的冷卻水發(fā)生了數(shù)額改變，變?yōu)榱?00m3/h，如果在冷卻水?dāng)?shù)額發(fā)生改變后沒有進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，就會(huì)造成冷卻壁的結(jié)構(gòu)遭到損壞。所以，冷卻制度管控要做到精細(xì)，為確保達(dá)到精細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)要做到以下要求，“冷卻水的水量粗略看，冷卻水的水速精細(xì)看，確保冷卻壁溫度的適宜性”。

3.3 爐體長(zhǎng)期不進(jìn)行修補(bǔ)維護(hù)

不對(duì)高爐爐體進(jìn)行定期的檢測(cè)和修護(hù)工作會(huì)嚴(yán)重破壞鋼冷卻壁結(jié)構(gòu)。對(duì)銅冷卻壁進(jìn)行爐體噴涂工作具有以下好處：①對(duì)燕尾槽中容易掉落的材料進(jìn)行補(bǔ)充，確保掛渣的科學(xué)性和有效性。②對(duì)高爐爐形進(jìn)行修補(bǔ)，保證高爐爐形符合最初的設(shè)計(jì)要求，確保煤氣氣流分布的合理性，以便進(jìn)行操作。然而，大多數(shù)高爐在實(shí)際應(yīng)用過程中并沒有得到定期的爐體結(jié)構(gòu)檢測(cè)和修補(bǔ)，導(dǎo)致高爐爐體結(jié)構(gòu)遭到破壞，無法把控高爐的煤氣氣流，而且容易導(dǎo)致冷卻壁遭到破壞。

3.4 缺乏“渣皮再生與脫落”模型監(jiān)控

多數(shù)高爐在應(yīng)用過程中并不具備相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)階段，安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高爐少之又少。在實(shí)際應(yīng)用過程中，因?yàn)闊o法對(duì)高爐運(yùn)行產(chǎn)生的渣皮進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)管，導(dǎo)致無法對(duì)高爐運(yùn)作的溫度進(jìn)行把控，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)冷卻壁問題時(shí)為時(shí)已晚，從而影響了銅冷卻壁的結(jié)構(gòu)。

4 現(xiàn)代高爐長(zhǎng)壽發(fā)展趨勢(shì)

4.1 采用全爐體冷卻技術(shù)裝備

（1）爐底、爐缸區(qū)域的長(zhǎng)壽技術(shù)。想要增強(qiáng)高爐側(cè)壁和鐵口周圍的冷卻性能，就要在高爐鐵口的周圍使用銅冷卻壁，銅冷卻壁包括武鋼6 號(hào)高爐以及鞍鋼新1 號(hào)高爐等。而且，對(duì)高爐爐襯進(jìn)行材料選擇的過程時(shí)，通過以下方法可以有效提高爐缸的使用年限。①運(yùn)用強(qiáng)化冷卻理論，可以讓爐缸獲得保護(hù)層，從而延長(zhǎng)高爐的使用年限。其根本工作原理是強(qiáng)化冷卻原理的使用可以呈現(xiàn)熱平衡的效果，較強(qiáng)的導(dǎo)熱性使溫度變得均勻，從而實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽。②通過碳質(zhì)—陶瓷材料復(fù)合爐底爐缸結(jié)構(gòu)可以有效延長(zhǎng)使用年限。使用原理是其具有較厚的內(nèi)壁，在實(shí)際應(yīng)用過程中可以發(fā)揮耐高溫、耐腐蝕、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，防止?fàn)t缸內(nèi)多種物體混合，從而增強(qiáng)使用效果。

（2）爐腹、爐腰至爐身下部區(qū)域長(zhǎng)壽技術(shù)。高爐在實(shí)際應(yīng)用過程中具有一定局限性，其中高爐的腹部以及高爐的腰部都是高爐在應(yīng)用過程中較為惡劣的環(huán)節(jié)，需要利用渣皮來延長(zhǎng)高爐的使用年限。所以，是否可以產(chǎn)生符合要求的渣皮就成了高爐長(zhǎng)壽的重要影響因素。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年來我國高爐最常使用的兩種冷卻設(shè)備分別是銅冷卻壁和銅冷卻板。①銅冷卻壁。在高爐中使用銅冷卻壁進(jìn)行冷卻可以提高形成渣皮的質(zhì)量和效率。銅冷卻壁在應(yīng)用過程中具有較高的導(dǎo)熱性、冷卻系統(tǒng)好，冷卻水的量值在充足且平穩(wěn)的情況下，可以讓冷卻壁溫度均勻，如果溫度低于40℃，有利于形成質(zhì)量好的渣皮。隨著我國社會(huì)的發(fā)展，我國近年來所創(chuàng)建的高爐都是使用的以上方式。②銅冷卻板。由于具有“高導(dǎo)熱、抗熱震”的運(yùn)行論理的銅冷卻板與石墨耐材爐襯結(jié)構(gòu)的配合使用可以形成較為完善的冷卻系統(tǒng)。

（3）提高鑲磚和冷卻壁的密合性，增強(qiáng)兩者之間的平滑性，減少摩擦力。

（4）在高爐中使用水冷鋼磚，可以有效緩解高爐喉部磨損的問題。

4.2 普遍采用無料鐘爐頂設(shè)備

近年來，我國所采用的高爐所使用的多是無料鐘爐頂設(shè)備，此設(shè)備的使用可以有效提高氣流分布的均勻性。

4.3 采用軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)

軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)在高爐應(yīng)用過程中可以有效提高操作的安全性能，還可以減少水量和能量的使用，使過程變得簡(jiǎn)潔化、減少資金成本的投入和使用。

4.4 完善的監(jiān)控設(shè)施

根據(jù)實(shí)際情況及以往的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，制定出完善的監(jiān)控設(shè)施，以便對(duì)應(yīng)用過程進(jìn)行把控，進(jìn)而保證高爐的應(yīng)用年限符合相關(guān)的規(guī)范要求。

4.5 切實(shí)可行的爐體維護(hù)技術(shù)

為延長(zhǎng)高爐爐體的使用年限，可以利用爐體灌漿、爐襯噴補(bǔ)以及應(yīng)用其他涂料的方法進(jìn)行應(yīng)用。

5 結(jié)語

經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)階段高爐爐身下部所采用的冷卻設(shè)備中，應(yīng)用效果最顯著的是壓延銅板焊接冷卻壁，其在應(yīng)用過程中可以保持持久的冷卻作用。所以，在對(duì)高爐進(jìn)行冷卻應(yīng)用時(shí)，無論高爐的工作性質(zhì)和質(zhì)地大小有何區(qū)別，高爐冷卻所應(yīng)用的壓延銅板焊接冷卻壁是具有科學(xué)性和有效性的，而且在應(yīng)用過程中還具有一定的堅(jiān)固性，有利于保障工序質(zhì)量。