新型爐體冷卻結構的設計應用

趙艷霞，祁四清，王春龍

（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

1 前 言

作為高爐高熱負荷區(qū)域的爐腹、爐腰及爐身下部，是決定高爐長壽的關鍵部位之一。該部位工況較為復雜，其采用的冷卻結構和冷卻設備的材質(zhì)至關重要。從設計角度出發(fā)，此部位最好的耐材是穩(wěn)定的渣皮，因此解決爐腹、爐腰及爐身下部壽命的關鍵是冷卻結構［1］。中冶京誠根據(jù)多年的冷卻壁破損調(diào)研，結合各種冷卻結構的優(yōu)點，并且在多年板壁結合爐體結構設計和研究的基礎上，開發(fā)出一種新型爐體冷卻結構。

2 爐體冷卻結構類型

爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域冷卻結構主要有以下3種類型。

2.1 密集式銅冷卻板結構

密集式銅冷卻板結構特點是各層冷卻板之間的間距小，約300 mm，將純銅制造的冷卻板插入高爐砌體內(nèi)，以降低內(nèi)襯的溫度，密集式銅冷卻板結構如圖1所示［2］。

圖1 密集式布置的銅冷卻板結構

該冷卻結構屬于點式冷卻，對耐火材料的冷卻欠均勻。隨著耐材的侵蝕，冷卻板前端裸露在爐內(nèi)，容易造成熔損性燒壞，維護量大，不易形成平滑的操作爐型。

2.2 板壁結合冷卻結構

板壁結合就是冷卻板與冷卻壁相結合的冷卻結構，冷卻板呈“品”字形布置在冷卻壁的四周和中心，以便形成穩(wěn)定渣皮，使冷卻設備長期穩(wěn)定工作，并可靠地保護爐殼。板壁結合冷卻結構布置如圖2所示。

圖2 板壁結合冷卻結構

板壁結合冷卻結構的優(yōu)點在于為爐腰和爐身下部區(qū)域保護磚襯和形成渣皮創(chuàng)造了良好的條件，從而達到保護冷卻壁的目的。在高爐操作嚴格控制邊緣氣流的條件下，可以達到長壽的目的。日本川崎鋼鐵公司千葉廠6#高爐第1 代、第2 代均為板壁結合結構，創(chuàng)造了爐役20 a 以上的高爐長壽記錄。中冶京誠在350～2 560 m3高爐設計中，均有板壁結合結構成功應用的案例。但板壁結合冷卻結構仍存在由于冷卻板伸入爐內(nèi)較長，冷卻板易損壞，且爐殼開孔多，施工難度較大，配管復雜等缺點。

2.3 冷卻壁結構

1）凸臺冷卻壁結構。爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域采用厚爐墻結構。有些高爐在爐身下部采用了帶凸臺的球墨鑄鐵冷卻壁，結構形式見圖3。有的凸臺設置在冷卻壁上端，也有設置在冷卻壁中部的實例。凸臺用來支撐上部的磚襯，以延長冷卻壁壽命，使本體能承受更大熱流強度的沖擊。但是，由于凸臺本身暴露在爐內(nèi)而過早損壞，從而沒有達到預期的效果。

圖3 帶凸臺的冷卻壁結構

2）銅冷卻壁結構。20 世紀90 年代以來，銅冷卻壁的使用效果得到認可。為了大幅度延長高爐爐身壽命，銅冷卻壁得到了廣泛應用。銅冷卻壁導熱性好，冷卻強度大，冷卻壁體溫度均勻，表面工作溫度低，能快速形成穩(wěn)定的渣皮，是迄今為止最能體現(xiàn)自我造襯、自我保護的無過熱冷卻設備。國外很多采用銅冷卻板的高爐紛紛采用了銅冷卻壁結構，國內(nèi)新建和大修高爐在此區(qū)域也多選擇了銅冷卻壁結構。其結構如圖4 所示。我國使用銅冷卻壁的個別高爐，由于高爐操作、產(chǎn)品制造及冷卻壁銜接結構等不同原因，在生產(chǎn)過程中也出現(xiàn)了一些問題，給高爐操作帶來了較大的影響［3］。

圖4 銅冷卻壁冷卻結構

3）鑲磚全鑄鐵冷卻壁結構。目前，鑄鐵冷卻壁制造質(zhì)量和維護技術有了較大提升，全鑄鐵冷卻壁高爐易控制爐況及日常操作，國內(nèi)有些大中型高爐開始采用鑲磚全鑄鐵冷卻壁結構。爐腹、爐腰及爐身下部處于軟熔帶區(qū)，爐料磨損沖刷、渣鐵化學侵蝕、熱震等破壞作用同時存在，是高爐工況最惡劣的區(qū)域之一。此部位鑲磚全鑄鐵冷卻結構的使用效果還有待實踐的檢驗。

3 新型爐體冷卻結構及應用

根據(jù)多年的冷卻壁破損調(diào)研，結合各種冷卻結構的優(yōu)點，并且在多年板壁結合設計和研究的基礎上，中冶京誠創(chuàng)新開發(fā)了一種新型爐體冷卻結構。

3.1 新型爐體冷卻結構介紹

新型爐體冷卻結構也稱之為組合式冷卻壁結構，即鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁鑲嵌銅冷卻條的組合式新型冷卻結構。銅冷卻條可以采用鑄造、鉆孔等方法制造而成，嵌入冷卻壁熱面燕尾槽內(nèi)，起到強化冷卻作用。銅冷卻條凸出冷卻壁本體約50 mm，起到支撐和固定渣皮的作用，使渣皮更加穩(wěn)定。組合式冷卻壁結構見圖5。

圖5 組合式冷卻壁結構

3.2 新型爐體冷卻結構特點

1）冷卻強度適宜，利于渣皮穩(wěn)定。新型冷卻結構充分利用了銅導熱性能好、冷卻效果顯著的特點，使得鑲嵌銅冷卻條的鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁綜合導熱系數(shù)有所提高，提高了冷卻強度，有利于渣皮的快速形成，從而有效保護冷卻設備。同時，由于銅冷卻條間隔設計，間距可根據(jù)使用部位以及冷卻強度的需要靈活布置，銅冷卻條的布置形式見圖6?？梢詫崿F(xiàn)單獨控水，避免因為過度冷卻形成過厚的渣皮而導致其頻繁脫落，利于高爐穩(wěn)定操作。

圖6 銅冷卻條靈活的布置形式

2）結構設計合理，利于延長使用壽命。該新型冷卻結構利用了板壁結合冷卻結構的思路，在銅冷卻條本體鑲嵌入鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁后，凸出冷卻壁壁體約50 mm。既可以為渣皮穩(wěn)定存在提供有效固定和支撐，又可以避免板壁結合結構伸入爐內(nèi)過長導致容易燒壞，從而有效保護了冷卻設備，延長了冷卻設備的使用壽命。從制造工藝方面來看，銅冷卻條采用鑄造工藝，冷卻水管整根銅管彎制而成，沒有焊接點，避免銅冷卻壁水管與本體易脫焊的問題出現(xiàn)，減少維修量，延長使用壽命。

3）成本低，回收率高。該新型冷卻結構的主體仍然為價格較低的鑄鐵或鑄鋼，鑲嵌少量的銅冷卻條，與銅冷卻壁相比，投資大大降低。以1 300 m3高爐爐腹、爐腰及爐身下部兩段為例，采用新型冷卻結構（以鑄鐵冷卻壁為主體）的投資成本約為銅冷卻壁的1/4，與鑄鋼冷卻壁相當。高爐容積越大，節(jié)省的投資額度越多。從結構上可以看出，銅冷卻條與鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁相互獨立，可自由拆卸。同時銅冷卻條為純鑄造銅，如果不考慮生產(chǎn)中的磨損，可實現(xiàn)100%回收。

3.3 應用實例

某鋼廠1 380 m3高爐升級改造，原高爐爐腹處冷卻壁距離風口回旋區(qū)較近，燒損嚴重甚至燒穿漏水。應用中冶京誠爐腹區(qū)冷卻結構銜接技術，調(diào)整了冷卻壁的安裝角度，同時采用了新型爐體冷卻結構。該改造工程在爐腹冷卻壁熱面設置3 層銅冷卻條，在爐腰冷卻壁的熱面設置2 層銅冷卻條，共設5 層銅冷卻條。銅冷卻條采用中壓凈環(huán)水單獨冷卻，5層銅條串聯(lián)的形式。高爐改造投產(chǎn)以來，爐腹、爐腰處冷卻壁溫度均維持在70 ℃左右，溫度波動小，渣皮操作穩(wěn)定，生產(chǎn)狀況良好，高爐生產(chǎn)指標得到進一步提高。

某鋼廠3 200 m3高爐，大修改造前爐腹、爐腰及爐身下部采用5段銅冷卻壁，大修改造采用了新型爐體冷卻結構，在爐腹、爐腰冷卻壁的設置6 層銅冷卻條，目前使用效果良好。改造前后冷卻形式對比見圖7。

圖7 大修改造前后冷卻形式對比

4 結 語

新型爐體冷卻結構吸收了以往冷卻結構的優(yōu)點，同時克服了存在的缺點，起到了強化冷卻、穩(wěn)定渣皮、利于高爐穩(wěn)定操作的作用，是一種經(jīng)濟、高效、長壽的爐體冷卻結構。該結構在國內(nèi)多座新建和大修高爐應用，取得了良好的效果，得到煉鐵工作者的關注和認可。