鞍鋼高爐爐缸冷卻水速和水溫研究

謝明輝，姜喆，車玉滿，朱建偉，郭天永

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著裝備水平的進(jìn)步和維護(hù)水平的提升，限制鞍鋼股份有限公司（以下簡稱“鞍鋼”）高爐長壽的關(guān)鍵因素已從上部冷卻壁破損轉(zhuǎn)變?yōu)闋t缸耐材過快侵蝕［1］。對鞍鋼10座高爐破損調(diào)查跟蹤發(fā)現(xiàn)，爐缸耐材快速侵蝕主要是熱平衡被打破后反復(fù)累積的結(jié)果，因此解決此問題的核心關(guān)鍵是建立起合理穩(wěn)定的從爐缸內(nèi)部向外部的傳熱體系。而冷卻水作為爐缸內(nèi)部熱量向外傳輸?shù)闹饕橘|(zhì)，直接決定著爐缸傳熱體系的合理與否。因此，本文主要從爐缸傳熱角度對爐缸冷卻水參數(shù)進(jìn)行了討論。

1 理論基礎(chǔ)

高爐爐缸97%以上的熱量都是通過冷卻水傳出的，僅不到3%的熱量通過爐殼散熱傳出。爐缸冷卻系統(tǒng)傳熱示意圖見圖1。因此，可認(rèn)為爐內(nèi)熱量通過耐材、冷卻壁后最終被冷卻水全部帶走。在爐內(nèi)熱平衡狀態(tài)下，爐內(nèi)傳出的熱流可用公式（1）計算［2］：

圖1 爐缸冷卻系統(tǒng)傳熱示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Heat Transferring from Hearth Cooling System

式中，T鐵為鐵水溫度，℃；T水為冷卻水溫度，℃；h水為冷卻水與冷卻壁綜合換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；a為冷卻壁比表面積；L冷為冷卻壁厚度，m；K冷為冷卻壁或爐殼導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；L搗為碳搗料厚度，m；K搗為碳搗料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；L炭為炭磚厚度，m；K炭為炭磚導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；h鐵為鐵水與炭磚換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

對鞍鋼高爐冷卻水對爐缸冷卻效果的影響進(jìn)行研究，參數(shù)選擇為 T鐵=1 500 ℃；h鐵=45 W/（m2·℃）；a=1；L冷=0.08 m；K冷＝340 W/（m·℃）；L搗=0.08 m；K搗=12 W/（m·℃）；L炭=1.4 m 和 0.2 m，K炭=20 W/（m·℃）。

2 冷卻水對高爐爐缸冷卻效果影響

2.1 冷卻水速對熱流強(qiáng)度和炭磚熱面溫度的影響

冷卻水速變化主要影響h水，可按公式（2）計算。

式中，v為水管內(nèi)冷卻水流速，m/s；λ為水的熱導(dǎo)率，W/（m2·℃）；CP為水的比熱容，J/（kg·℃）；ρ 為水的密度，kg/m3；di為水流通道直徑，m；υ為水的運(yùn)動粘度，m2/s?？梢钥闯觯僭酱?，水的對流換熱系數(shù)越大，總熱阻越小。分別計算開爐時炭磚厚度1.4 m和大修時高爐殘存炭磚厚度0.2 m時高爐爐缸由內(nèi)向外傳輸?shù)臒崃鲝?qiáng)度和炭磚熱面溫度，分析冷卻水速對熱流強(qiáng)度和炭磚熱面溫度的影響，結(jié)果分別如圖2、3所示。

由圖2、3可以看出，在剛開爐后和爐役后期，爐缸通過冷卻水傳出的熱量都隨著冷卻水速的增加而提高，相應(yīng)的炭磚溫度也越低，但冷卻水速超過2.5 m/s后，繼續(xù)提高冷卻水速對冷卻效果的提高影響很小。因此，鞍鋼適宜的冷卻水速應(yīng)選擇2.5 m/s。

圖2 冷卻水速對熱流強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of Cooling Water Velocity on Heat Flux Intensity

圖3 冷卻水速對炭磚熱面溫度的影響Fig.3 Effect of Cooling Water Velocity on Hot Surface Temperature of Carbon Bricks

2.2 冷卻水溫對炭磚熱面溫度的影響

根據(jù)公式（1）可以看出，冷卻水溫越低，高爐內(nèi)部傳出的熱量也越多，相應(yīng)的炭磚熱面溫度也應(yīng)越低。分別計算當(dāng)冷卻水溫由15℃提高至75℃時炭磚的熱面溫度，分析冷卻水溫對炭磚熱面溫度的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 冷卻水溫對炭磚熱面溫度的影響Fig.4 Effect of Cooling Water Temperature on Hot Surface Temperature of Carbon Bricks

由圖4可以看出，當(dāng)冷卻水溫從15℃升高到75℃時，炭磚厚度為1.4 m時熱面溫度由1 185℃增加到1 197℃，增加了12℃；而炭磚厚度為0.2 m時熱面溫度由763℃增加到795℃，增加了32℃?？梢姡c剛剛開爐炭磚保持原有厚度時相比，在一代爐役末期，炭磚殘厚越來越薄時，冷卻效果稍好一些。但總體來說，爐缸冷卻水溫對炭磚熱面溫度降低作用非常有限。這意味著在高爐冷卻體系中，過度降低冷卻水溫意義不大，反而會增加運(yùn)行成本。

2.3 冷卻水速和冷卻水溫對搗料溫度的影響

炭磚搗料在爐缸傳熱鏈上起到承上啟下的作用，是實(shí)現(xiàn)高爐長壽的重要保障，如果搗料固結(jié)不好，在高爐內(nèi)煤氣和水蒸氣的氣蝕作用下，組織會變得疏松而影響其傳熱性能［3］，從而形成氣縫。氣縫的導(dǎo)熱系數(shù)只有 0.05 W/（m·K）［4］，約是目前鞍鋼高爐炭磚導(dǎo)熱系數(shù)的1/400，此時搗料就不能起到熱量傳遞橋梁作用將熱量傳遞給冷卻壁。在這種情況下，炭磚即使質(zhì)量很好，也會因炭磚熱面溫度過高而造成炭磚表面難以結(jié)成渣皮，從而造成炭磚快速侵蝕。鄒忠平等對國產(chǎn)炭搗料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了實(shí)驗室測試，發(fā)現(xiàn)炭搗料的強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)受烘烤溫度影響明顯，經(jīng)歷過110℃的烘干后，搗料可很快具備足夠的強(qiáng)度，從而保證在高爐生產(chǎn)的很長一段時間內(nèi)炭磚、搗料、冷卻壁形成一個有效的傳熱整體。因此，控制高爐開爐初期搗料溫度在110℃以上是保證高爐搗料有效固結(jié)的重要措施。通過直接提高水溫和降低水速的方式可以有效的提高搗料的預(yù)熱溫度。冷卻水速和冷卻水溫對搗料溫度的影響如圖5、6所示。

圖5 冷卻水速對搗料溫度的影響Fig.5 Effect of Cooling Water Velocity on Temperature of Tamping Materials

圖6 冷卻水溫對搗料溫度的影響Fig.6 Effect of Cooling Water Temperature on Temperature of Tamping Materials

由圖5、6可以看出，相比于水速的調(diào)節(jié)，水溫的調(diào)節(jié)更加直接有效且穩(wěn)定。單純控制水溫到70℃以上，就可以保證搗料溫度整體都在110℃以上，搗料可以有效固結(jié)。如果單純控制水速，則需要將水都控制在非常低的水平才能達(dá)到使搗料預(yù)熱固結(jié)的溫度，但此時搗料溫度隨水速波動較大，無法保證搗料穩(wěn)定受熱。因此，建議開爐初期應(yīng)控制冷卻水溫在70℃以上，適當(dāng)降低冷卻水速即可。

3 結(jié)論

（1）在鞍鋼高爐爐缸傳熱系統(tǒng)中，增大冷卻水速可以提高爐缸內(nèi)傳出的熱量和降低炭磚熱面溫度，但當(dāng)冷卻水速大于2.5 m/s時，繼續(xù)增大水速對提高冷卻效果影響很小。建議鞍鋼冷卻水速選擇2.5 m/s。

（2）爐缸冷卻水溫對炭磚熱面溫度降低作用非常有限。這意味著在高爐冷卻體系中，過度降低冷卻水溫度意義不大，反而會增加運(yùn)行成本。

（3）開爐初期控制冷卻水溫70℃以上，適當(dāng)降低水速可有效保障搗料有效固結(jié)。