鞍鋼高爐冷卻系統(tǒng)工藝現狀與改進建議

車玉滿，謝明輝，郭天永，姜喆，李仲

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

高爐長壽是當代煉鐵技術進步的重要標志和組成部分，高爐冷卻系統(tǒng)的合理設計是保證高爐長壽的必要條件[1]。目前，鞍鋼高爐已經完成大型化、現代化改造，高爐主體裝備達到世界先進水平，在高熱負荷區(qū)域裝備銅冷卻壁或銅冷卻板，甚至在爐缸重要區(qū)域也裝備銅冷卻壁及內襯引進國外優(yōu)質炭磚。盡管如此，現階段鞍鋼高爐仍存在的最大問題是一代爐役壽命短，平均10.5 年，銅冷卻壁體平均壽命8 年。 基本在開爐4～5 年后，爐缸就會出現安全隱患，嚴重制約高爐高效生產，與一代爐役設計目標15 年相差過大[2-3]。破損調查發(fā)現，銅冷卻壁損壞形式主要是熱面被爐料和高溫煤氣流磨損、甚至熔蝕，分析認為原因是：①冷卻壁熱面渣皮保護層不穩(wěn)定、頻繁脫落；②爐缸內襯侵蝕主要形式是疏松、 脆化以及剝離，除材質質量不好和設計不合理之外，主要與內襯熱面缺少渣鐵混合物保護層有關。 高爐長壽是一項系統(tǒng)工程，并非僅采用優(yōu)質冷卻設備、優(yōu)質耐材就能有效提高高爐一代爐役壽命。 合理的冷卻系統(tǒng)工藝布置是保證高爐在長期生產過程中冷卻壁和爐缸內襯始終存在無過熱冷卻體系、冷卻壁和內襯熱面生成穩(wěn)定保護層的關鍵。

1 鞍鋼高爐冷卻系統(tǒng)工藝現狀

冷卻系統(tǒng)工藝包括冷卻系統(tǒng)工藝形式、冷卻設備材質與冷卻水管（通道）規(guī)格、冷卻水溫度與流量等。 鞍鋼現有11 座大型高爐，高爐冷卻系統(tǒng)工藝比其他企業(yè)復雜，主要體現在以下幾方面。

1.1 冷卻系統(tǒng)工藝形式

目前，以武鋼為代表的先進企業(yè)高爐冷卻系統(tǒng)工藝均采用聯合閉路循環(huán)系統(tǒng)和單一的串聯形式。鞍鋼11 座高爐中有7 座采用聯合密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)工藝，4 座采用獨立閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)工藝，且冷卻方式既有串聯形式也有并聯形式，見表1。

表1 鞍鋼高爐冷卻系統(tǒng)工藝概況Table 1 Process Overview of BF Cooling System in Ansteel

鞍鋼有4 座高爐采用獨立軟水閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)，7 座高爐采用聯合除鹽水（軟水）密閉循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。 鞍鋼無論是獨立還是聯合軟水閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)，冷卻方式均有并聯和串聯兩種形式。并聯冷卻形式分為系統(tǒng)Ⅰ、系統(tǒng)Ⅱ和系統(tǒng)Ⅲ，系統(tǒng)Ⅰ冷卻范圍包括爐底水冷管，回水給爐身上部鑄鐵冷卻壁蛇形管供水，一部分加壓后給風口中套和倒流閥熱風閥供水； 系統(tǒng)Ⅱ冷卻水經過2 個環(huán)管分別給爐缸和爐體供水，2 個環(huán)管之間設置中間調節(jié)閥，可以二次分配爐體和爐缸水量；系統(tǒng)Ⅲ冷卻范圍主要是熱風爐。 串聯冷卻形式與并聯形式相比相對簡單，主要體現在系統(tǒng)Ⅱ冷卻水經過1 個環(huán)管給爐體供水，水管由1 段冷卻壁直接串聯到爐頂。

1.2 冷卻設備材質與冷卻水管（通道）規(guī)格

鞍鋼高爐冷卻器材質與結構形式多種多樣，見表2。高熱負荷區(qū)域有銅冷卻板、銅冷卻壁，也有全鑄鐵冷卻壁。除鞍山本部7 高爐外，其余高爐爐缸鐵口區(qū)基本采用軋制銅冷卻壁，個別高爐使用整段銅冷卻壁。 第一代采用并聯冷卻形式爐缸冷卻壁水管規(guī)格為Φ50 mm×6 mm 和Φ60 mm×6 mm兩種，經過大修后水管規(guī)格改為Φ73 mm×6 mm。

表2 鞍鋼高爐冷卻器材質與結構形式Table 2 Material and Structural Style of BF Cooler in Ansteel

統(tǒng)計鞍鋼高爐銅冷卻壁壽命情況，見表3?？梢钥闯觯褂勉~冷卻壁的高爐，爐體壽命并沒有得到明顯延長，銅冷卻壁平均壽命在8 年左右，銅冷卻壁一代壽命遠沒有達到20 年、甚至30 年的目標。

表3 鞍鋼高爐銅冷卻壁壽命情況Table 3 Service Life of Copper Cooling Staves of BF in Ansteel

1.3 冷卻水質量與流量

（1）冷卻水質量

鞍山本部7、11 高爐和朝陽鋼鐵1 高爐采用軟水，其他8 座高爐均采用除鹽水。

（2）冷卻水流量

采用并聯冷卻形式的第一代高爐爐缸水量少，鞍山本部新1 高爐爐缸冷卻水流量為960 m3/h，鞍山本部2、3 高爐爐缸冷卻水流量1 250 m3/h，鲅魚圈1、2 高爐和朝陽鋼鐵1 高爐爐缸冷卻水流量2 400 m3/h。 經過改造后，除朝陽鋼鐵高爐外，其他高爐爐缸冷卻水流量均增加到5 000 m3/h 以上。采用串聯方式的鞍山本部7 高爐冷卻水流量3 900 m3/h，10 高爐冷卻水流量4 500 m3/h，鞍山本部4、5 高爐冷卻水流量6 000 m3/h。

1.4 換熱器

鞍鋼高爐換熱器主要有兩種形式，一是蒸發(fā)式換熱器，鞍鋼高爐前期均采用蒸發(fā)式換熱器，冷卻水進水溫度偏高，尤其是夏季，進水溫度基本在35 ℃以上，鞍山本部1 高爐基本在40～45 ℃；二是板式換熱器，鞍鋼高爐后期改造后，爐缸以上冷卻水系統(tǒng)均采用板式換熱器，進水溫度全年平均基本在35 ℃以下，冬季基本在25 ℃以下。

2 高爐冷卻系統(tǒng)工藝關鍵技術

高爐冷卻系統(tǒng)的水量、水質、水溫是影響高爐長壽重要因素。 若水量、水質、水溫設計與選擇不合理，則高爐不可能實現長壽。

2.1 較高的冷卻水質量

冷卻水質量必須保證冷卻器內冷卻水不結垢和不腐蝕冷卻器。 目前高爐冷卻水主要是軟水和除鹽水[1]，無論是軟水還是除鹽水，基本上都能夠保證冷卻水無結垢和不腐蝕冷卻器，企業(yè)可根據自身條件選擇，水資源豐富地區(qū)選擇軟水，水資源缺乏、水質硬地區(qū)例如鞍山、遼西和本溪地區(qū)選擇除鹽水，并定期檢查水質，確保水質達到標準[3-4]。

2.2 適宜的冷卻水進水溫度

冷卻水進水溫度只需保證冷卻器內任何部位水溫小于結垢溫度即可。 雖然冷卻水屬于不可壓縮流體，但其物理性能也會隨著溫度、壓力變化而發(fā)生改變[4]，具體指標見表4。 在水的各種物理參數中，溫度對密度、比熱焓、比熱容、導熱系數、黏度（運動黏度）指標都會產生影響。例如，當水溫由40 ℃降低到10 ℃時，密度增加7.5 kg/m3、比熱焓下降125.5 kJ/kg、比熱容增加0.017 kJ/（kg·℃）、導熱系數下降0.061 W/（m·℃）、 運動粘度增加0.647×10-6m2/s。

表4 冷卻水物理指標Table 4 Physical Indexes of Cooling Water

以鲅魚圈2 高爐第2 段銅冷卻壁為例，冷卻水溫度由40 ℃降低到10 ℃后，根據數學模型計算，可以多帶走2 319 kJ/h 熱量，冷卻壁熱面溫度下降26 ℃,流體流動狀態(tài)沒有改變,工藝阻力損失有所增加。因此，冷卻水溫度控制必須與換熱器類型相匹配[4]，只要能夠保證爐體內冷卻水溫度小于結垢溫度即可，采用降低冷卻水溫度作用效果不大，反而增加動力成本。

2.3 合適的冷卻水需求量

為保持冷卻水在水管內速度分布相對均勻，雷諾數最小取110 000，根據雷諾數即可計算出冷卻水最低需求量[5]。

冷卻水最低需求量應同時兼顧熱流強度和系統(tǒng)水溫差，以熱流強度40 kW/m2、水溫差5 ℃作為串聯冷卻形式計算依據。 一般2580 m3高爐冷卻水最低需求量為2 500 m3/h，3200 m3高爐冷卻水最低需求量為3 300 m3/h，在設計時需要保留20%的富余量。

在選擇冷卻水需求量時，還應該計算工藝阻損，對于某一確定高爐，無論采用何種規(guī)格水管，由于水管高度相同，管道內流體的工藝阻損主要與冷卻水流速（流量）相關，流速越快，則阻損越大，運行成本越高[3-5]。 因此，冷卻水需求量只要滿足冷卻強度即可，不是越大越好。

2.4 采用聯合密閉循環(huán)水冷卻系統(tǒng)

獨立軟水閉路循環(huán)系統(tǒng)比較復雜，各子系統(tǒng)相對獨立，有多套膨脹罐、脫氣罐、換熱器及二次水系統(tǒng)，設備數量多，水量、電量、投資及占地面積大。聯合軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)有串聯和并聯兩種供水形式，總循環(huán)水量和二次水量都小于獨立軟水閉路循環(huán)系統(tǒng)，且運行成本低，例如對于一座2580 m3高爐，聯合軟水系統(tǒng)一年的運行成本比獨立軟水系統(tǒng)節(jié)省12%以上[6-8]。 可見，聯合密閉循環(huán)水冷卻系統(tǒng)既有利于節(jié)省水量，也可以降低運行成本。

一些企業(yè)把風口小套冷卻也納入聯合密閉循環(huán)系統(tǒng)中[9]。理論上，采用該種方式由于水質好，可以延長風口小套使用壽命，同時不需要額外補充水量，以1 座2580 m3高爐為例，節(jié)省冷卻水量為1 100 m3/h。但在運行中，如果有壞風口，又不能及時更換，則必須倒換高壓工業(yè)水，否則會造成大量軟水被浪費。 因此，風口必須設計兩套水系統(tǒng)，工藝布置復雜。此外，采用該種方式也可能導致閉路系統(tǒng)出水溫度升高，影響換熱器降溫效果，尤其是不適合采用蒸發(fā)式換熱器的冷卻系統(tǒng)[7-8]。 因此，建議在以后的設計中，風口小套冷卻方式采用開路高壓工業(yè)水。

2.5 統(tǒng)籌考慮選擇并聯與串聯冷卻方式

目前大型高爐爐體冷卻形式主要有二種:一是串聯，即一串到頂的的供水方式，總水量按最高熱負荷區(qū)域最大值要求設計，水管直徑大、 總水量少，可以減少動力消耗和減少供水壓力損失，缺點是不能按區(qū)域調整水量且高熱負荷區(qū)域進水溫度高[7-8]；二是并聯（分段）冷卻，將高爐沿高度方向分為爐底、爐缸區(qū)、爐腹至爐身下部高熱負荷區(qū)、爐身中上部多個區(qū)域，各區(qū)域的水量獨立可調，但總水量偏大、管路復雜[7-8]。

2.6 統(tǒng)籌考慮選擇蒸發(fā)式換熱器與板式換熱器

目前最常用的換熱器是蒸發(fā)式換熱器和板式換熱器，蒸發(fā)式換熱器采用冷熱風換熱和凈環(huán)水噴淋對冷卻水回水進行冷卻降溫，板式換熱器采用二次水對冷卻水回水進行冷卻降溫。 二者綜合對比[6-8]見表5。

表5 蒸發(fā)式換熱器與板式換熱器綜合對比Table 5 Comprehensive Comparison between Evaporative Heat Exchanger and Plate-type Heat Exchanger

蒸發(fā)式換熱器設備數量多，一次投資大，降水溫效果不好，但是運行費用低、占地面積小[9]，比較適合冷卻系統(tǒng)水溫差＜5 ℃的高爐，建議與并聯冷卻方式相匹配。

板式換熱器設備數量少，一次投資小，降水溫效果好，但是運行費用高、占地面積大[9]，比較適合冷卻系統(tǒng)水溫差5～12 ℃的高爐，建議與串聯冷卻方式相匹配。

2.7 合理選擇高爐冷卻壁材質與冷卻水管（通道）規(guī)格

目前主要冷卻設備有鑄鐵（球墨和低鉻）冷卻壁、銅冷卻板、銅冷卻壁[10-11]等形式。

2.7.1 鑄鐵冷卻壁

鑄鐵冷卻壁主要有低鉻鑄鐵和球墨鑄鐵兩種。低鉻鑄鐵主要應用于爐缸，普遍為光面。 球墨鑄鐵延伸率、抗拉強度、抗熱疲勞和耐磨性能良好[12]，主要應用在爐缸以上部位，在爐身中上部的應用更為廣泛。 目前，球墨鑄鐵冷卻壁前端已不再砌磚僅噴涂一層高溫涂料。

2.7.2 銅冷卻板

使用銅冷卻板的優(yōu)點是冷卻板能夠支撐耐火材料，冷卻板之間可以砌筑高導熱炭磚，局部冷卻板損壞后容易更換；不足是冷卻面積小，而且均勻性差，炭磚熱面凹凸不平，操作爐型不光滑，投資高[11]。 因此，全銅冷卻板未能在國內廣泛推廣，國內外高爐冷卻設備正在向全冷卻壁或板壁結合的冷卻結構方向發(fā)展。

2.7.3 銅冷卻壁

銅冷卻壁有軋制銅板鉆孔冷卻壁、連鑄坯鉆孔銅冷卻壁、鑄銅冷卻壁。 軋制銅板鉆孔與連鑄坯鉆孔銅冷卻壁體與冷卻通道一體無氣隙，冷卻通道斷面前者為圓形、后者為橢圓形，橢圓形通道可以更加有效擴大冷卻比表面積[13-15]。 銅冷卻壁導熱能力強于鑄鐵10 倍以上，冷卻效果好，但耐磨性能差，冷卻壁表面容易形成渣皮，即使渣皮由于各種原因脫落，也能在15 min 以內結成新的渣皮，這種類型的銅冷卻壁主要應用爐身下部、爐腹、爐腰等高熱負荷區(qū)，也應用在爐缸鐵口和其它重要區(qū)域。 埋管式鑄銅冷卻壁優(yōu)點是能夠避免焊接“接管”引起的應力集中，并且可以鑄成異形，鑄銅冷卻壁主要應用于爐缸，尤其是鐵口區(qū)域[16]。

2.7.4 其他種類冷卻器

由于鑄鐵冷卻壁存在導熱能力低、 抗熱震性能差等不足，軋制銅板鉆孔冷卻壁、連鑄坯鉆孔銅冷卻壁存在耐磨性能差等問題。目前，一些機構研發(fā)鑄鋼冷卻壁、非金屬冷卻壁和銅鋼復合冷卻壁，處于試驗階段，效果如何有待觀察[17-20]。

3 高爐冷卻系統(tǒng)改進建議

3.1 閉路循環(huán)形式改進建議

新建高爐和高爐移地大修建議采用聯合密閉循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，有利于節(jié)省水量和降低運行成本[21]。 建議取消膨脹罐，在閉路循環(huán)系統(tǒng)中，一般在脫氣罐后還需要聯接膨脹罐。 根據實際運行發(fā)現，只要系統(tǒng)水溫差在可控范圍內，可以取消膨脹罐，但需要脫氣罐定期排氣。

3.2 高爐冷卻器形式與材質改進建議

建議在高爐爐身下部、爐腹、爐腰等高熱負荷區(qū)使用軋制銅板鉆孔冷卻壁或連鑄坯鉆孔銅冷卻壁，充分發(fā)揮銅冷卻壁導熱性能高、冷卻均勻性和穩(wěn)定性好、抗熱沖擊能力強、冷卻壁表面極易均勻地結成堅實而穩(wěn)定的渣皮等特點，有效提高冷卻器使用壽命。

目前，有關銅冷卻壁使用存在一些爭議，已有企業(yè)在高爐設計時改為全鑄鐵冷卻壁。 根據鞍鋼高爐破損調查發(fā)現，銅冷卻壁破損的主要形式和原因是爐料和煤氣流磨損減薄以及熱應力頻繁沖擊所造成的撓度變形，造成壁體裂紋。 因此，建議對銅冷卻壁進行以下改進：

（1）在銅冷卻壁熱面焊接或鉚接一層鋼板，阻隔爐料對銅冷卻壁表面的磨損，在鋼板表面均勻焊接一定數量掛鉤，用于固結噴涂料和渣皮，提高渣皮穩(wěn)定性；

（2）改進冷卻水通道形式，采用橢圓形截面，大高爐水通道當量直徑擴大到Φ60 mm，提高冷卻壁比表面積和冷卻效果；

（3）銅冷卻壁長度不宜大于2.4 m，減輕撓度變形程度；

（4）爐缸設計時取消銅冷卻壁，鐵口區(qū)改用異形鑄鐵冷卻壁。

鑄鐵冷卻壁膨脹系數1.5×10-5/℃、 銅冷卻壁膨脹系數17.6×10-5/℃、陶瓷杯熱膨脹系數0.6×10-5/℃、優(yōu)質炭磚熱膨脹系數0.2×10-5/℃[10]。大高爐長期休風后、復風時，爐缸溫度變化幅度可達1 000 ℃，由于膨脹系數以及彈性模量差異大，銅冷卻壁容易變形，與鑄鐵冷卻壁不能平滑過渡，在膨脹和收縮作用下，爐缸爐襯中會產生30～200 mm 縫隙，造成結構性破損，因此在爐缸設計中必須考慮這一因素。 同時，由于爐缸熱負荷相對較低，若爐缸結構不采用石墨擋墻及其他導熱系數大于鑄鐵冷卻壁的炭磚，則不需要采用銅冷卻壁，建議采用全鑄鐵冷卻壁。 另外，建議加大水管內徑，最大可以擴到Φ80 mm，既能提高冷卻比表面積，加強冷卻能力，提高炭磚熱面渣鐵凝固層的穩(wěn)定性；又能在相同冷卻水量下降低冷卻水流速，降低工藝阻損，提高冷卻系統(tǒng)工作效率。

3.3 高爐冷卻水質量、 冷卻水溫度和冷卻水流量改進建議

（1）高爐冷卻水質量和冷卻水溫度必須能夠保證冷卻水無結垢和不腐蝕冷卻器，建議水資源豐富地區(qū)選擇軟水，鞍山及遼西地區(qū)水質硬、選擇除鹽水。

（2）冷卻水進水溫度只要保證爐體任何部位冷卻器內水溫低于碳酸鹽結晶溫度即可，采用降低冷卻水進水溫度對提高高爐長壽作用效果不大，且會增加換熱器負擔及動力成本。

（3）高爐爐體的冷卻水量必須與冷卻壁冷卻形式、換熱器類型相互匹配。 并聯形式適宜采用蒸發(fā)式換熱器，爐缸冷卻水量按熱流強度25 W/m2、系統(tǒng)水溫差1.5 ℃核算；爐缸以上部位冷卻水量按熱流強度40 W/m2、 系統(tǒng)水溫差4.0 ℃核算。串聯形式適宜選擇板式換熱器，爐體總冷卻水量按熱流強度40 W/m2、 系統(tǒng)水溫差5.0 ℃核算。同時，需滿足以下三方面要求：①計算冷卻壁水管內冷卻水流體狀態(tài)，保證雷諾數≥110 000；②計算系統(tǒng)工藝阻損，保證冷卻水出口位置壓力大于爐體對應位置壓力0.1 MPa； ③實際冷卻水量保有20%富余量。

4 結論

高爐長壽是一項系統(tǒng)工程，在高爐長壽體系中冷卻系統(tǒng)工藝及冷卻設備起到重要作用，冷卻系統(tǒng)工藝布置設計和冷卻設備選擇必須與冷卻制度、高爐冶煉強度和磚襯結構相互配合。 因此，高爐始終有無過熱冷卻體系是長壽高爐的關鍵，也就是說合理冷卻體系保證冷卻器熱面最高溫度不超過其材料強度允許的范圍，在冷卻器前端形成永久性爐襯，保證冷卻器不被燒壞，延長高爐爐役壽命。