高爐冷卻壁破損原因分析

魏 波，童 靜，陳先利

（安陽鋼鐵集團有限公司煉鐵廠，河南安陽市 455004）

高爐冷卻壁破損原因分析

魏 波，童 靜，陳先利

（安陽鋼鐵集團有限公司煉鐵廠，河南安陽市 455004）

根據安鋼8號高爐破損調查的結果，對冷卻壁破損的原因進行了分析，認為冷卻壁破損不但與鑄造質量有關，而且與高爐設計缺陷、爐況難行以及操作制度也有關系，并提出了相應技術措施。

大型高爐；冷卻壁；破損

安鋼8號高爐（2000m3級）于2005年10月15日投產，2008年12月20日停爐中修，連續生產3年2個月。其間沒有進行中修，也沒有停爐進行爐內噴補。該高爐第一代爐役設計壽命為15年，采用了高爐長壽綜合技術。冷卻設備的壽命是決定高爐壽命的最關鍵的因素，根據安鋼的原燃料條件和多年冷卻壁高爐生產實踐，采用了：適宜強化冶煉的矮胖操作爐型；磚壁合一、薄壁內襯結構；銅冷卻壁＋鑄鐵冷卻壁；聯合軟水密閉循環系統；陶瓷杯＋水冷炭磚爐底、爐缸結構；采用進口高導熱、微氣孔率優質炭磚等。其中采用的最新磚壁合一技術，高熱負荷區域采用銅冷卻壁，取消凸臺，爐底至爐喉共設置14段冷卻壁。按照爐內縱向各區域不同的工作條件和熱負荷大小，采用不同結構形式和不同材質的冷卻壁見表1。

表1 全冷卻壁（鑄鐵＋銅）方案主要特征

8號高爐冷卻系統的工作狀況盡管與國內投產的其他同類型高爐一致，但與其相比在高爐長壽方面存在許多不足。8號高爐在2006年5月出現第一根冷卻壁水管漏水，至2008年高爐中修已有32根水管漏水，主要集中在4、5段和8、9段。漏水時間主要集中在2007年8～9月，2007年12月到2008年的3月和2008年的8～9月，其中2007年8～9月主要是高爐所用焦炭品種改變，高爐順行較差，2007年12月到2008年3月由于焦煤緊張，焦炭質量非常差，高爐難行、不穩定，爐況不穩加快了冷卻壁的破損，反過來冷卻壁的漏水促使爐況的惡化二者相輔相成，相互促長，互為因果。截至2008年12月20日停爐中修堵死14根（穿管處理失敗），穿管11根，做沉積處理5根，其中堵死和穿管的主要集中于4、8和9段球墨鑄鐵冷卻壁，5段銅冷卻壁主要采用沉積法處理。

1 冷卻壁破損情況

2008年12月20日停爐中修，停爐后從降料面情況觀察，爐缸4段風口區冷卻壁，水管裸露有10多根，部分內壁層變形，風口組合磚只有下半部分，上半部分已經不存在。特別是3#鐵口上方有兩塊冷卻壁上各出現 3 根以上的裸露水管，如：84#、85#、86#、87#（第十四塊，14～15#風口之間）和120#、121#、122#（第二十塊，20～21#風口之間），如圖1所示。6、7兩段銅冷卻壁保持完好，部分5段銅冷卻壁下部燕尾槽磨損嚴重，5段71#、142#下部工藝孔漏水，如圖2所示。

爐身8、9兩段球墨鑄鐵鑲磚冷卻壁破損最嚴重，勾頭全部損壞，鑲磚基本不存在，幾乎全部露出水管，多數未燒穿，但以前灌漿堵死的水管已全部燒損。特別是8段第7塊冷卻壁已有3根水管燒毀（2#鐵口上方），8、9段42#水管全部燒穿。9段明顯被侵蝕，局部可見到鑲磚，部分水管露出，但相比8段冷卻壁保存完好些（如圖3所示）。10～14段冷卻壁完好無損。

圖1 4段冷卻壁破損狀況

圖2 5段銅冷卻壁燕尾槽侵蝕狀況

2 冷卻壁破損原因分析

2.1 冷卻壁制造問題

安鋼8號高爐冷卻壁僅使用3年就出現了嚴重損壞，為分析冷卻壁破損原因，對舊冷卻壁進行了取樣分析。檢測內容主要有抗拉強度、伸長率，化學成分，金相組織、石墨形態和石墨球化級別。

對損壞冷卻壁冷面取二個試樣進行檢驗，抗拉強度分別為438MPa和435MPa，伸長率分別為6.5%和5.7%。

金相檢驗報告顯示：石墨呈團絮狀和少量蠕蟲狀，且分布不均勻，球化率4級，石墨大小5級，如圖4所示；靠近外表組織為極少量鐵素體和珠光體，珠光體含量約為珠95，如圖5所示；靠近斷口處組織為鐵素體和珠光體，珠光體含量約為珠20；擴展裂紋沿球墨周圍鐵素體開裂。冷卻壁工作面的金相組織檢測結果表明，冷卻壁表面有嚴重滲碳并伴有氧化，脆性增加，是產生裂紋的源頭。冷卻壁的化學成分見表2。

按照技術協議要求，冷卻壁材質為QT400-20，該冷卻壁附鑄試塊（厚度60～

200mm），抗拉強度為370 MPa，伸長率14%，主要金相組織為鐵素體（≥95%），球化級別為1～3級，球墨形態為4級以上。根據對損壞冷卻壁的化驗分析表明，其抗拉強度和伸長率均

未達到要求，不滿足高爐設計使用要求，產品不合格。如圖6、7所示。

在球墨鑄鐵冷卻壁制造中，必須十分重視抗拉強度和伸長率這兩項性能。研究表明，性能優良的球墨鑄鐵冷卻壁即使部分被燒壞，殘留下的部分冷卻壁也不會開裂。因此，必須吸取教訓，引起高度重視，冷卻壁的制造必須做到精益求精。

圖3 冷卻壁損壞狀況

圖4 8段冷卻壁外表層金相組織（石墨形態）

圖5 8段冷卻壁外表層金相組織

圖6 冷卻壁內部存在異物

圖7 冷卻壁本體出現異常裂縫

2.2 設計問題

從損壞的實際情況看，4段冷卻壁有一小部分為燒損，大部分為磨損，5段冷卻壁損壞主要集中在和4段冷卻壁交接的風口正上方，主要是磨損。原因在于：

（1）薄壁爐襯的設計中，爐缸耐火磚砌筑到4段，最上部為斜面大塊蓋面磚，砌筑厚度比傳統設計薄，雖然材質很好，但在經受渣鐵侵蝕、磨損后保存時間有限，對4段冷卻壁保護時間有限，最終造成爐料直接磨損4段冷卻壁。

表2 冷卻壁的化學成分

（2）4段風口帶球墨鑄鐵冷卻壁的熱面稍突出5段銅冷卻壁熱面，銅冷卻壁的冷卻效果遠遠高于球墨鑄鐵冷卻壁，易于形成渣皮，對冷卻壁有很好的保護作用，但在4、5段的交接處，因受爐料磨損較嚴重，渣皮基本不存在，突出的4段冷卻壁更易受到上部滴落高溫鐵滴的燒損。

新形勢下浙江省耕地占補平衡政策展望（梁邦利等） .....................................................................................2-34

（3）正因為4段冷卻壁設計中更靠近爐內，靠近風口小套前端，風口循環區對4段缺少磚襯保護的上部磨損更為嚴重，造成大量冷卻水管的裸露，這種磨損一直到5段冷卻壁的下部。主要表現為每一個風口的上方，銅冷卻壁都有一個磨損的圓弧型缺口，缺口最深處在風口的正上方。

（4）高爐本體采用聯合軟水密閉循環系統，從軟水泵站出來的軟水總水量設計為3650m3/h，實際水量達到4100m3/h，在入高爐前一分為二，其中550m3/h冷卻爐底，3100m3/h冷卻冷卻壁直管。其中4段冷卻壁設計流量18.5m3/h，實際流量20m3/h；5段冷卻壁設計流量18.5m3/h，實際流量20m3/h；8、9段雙層水冷冷卻壁設計流量18.5m3/h，實際流量20m3/h，外側蛇形管流量13 m3/h，完全可以滿足高爐正常生產的需要。并且這種形式的冷卻系統可節能降耗，但有一個問題就是對熱負荷依然很高的8、9段不能單獨調水，即使能夠確定該部位溫度較高，也只能通過來水溫度做整體調整，效果有限。

2.3 高爐操作

球墨鑄鐵冷卻壁的力學性能、伸長率和面收縮等，受溫度影響很大。研究表明：球墨鑄鐵溫度在400℃以下，性能保持不變，溫度再升高，抗拉強度迅速下降，伸長率也在400℃開始產生變化，這樣它的工作溫度不應超過400℃，當溫度過高時，就必會縮短使用壽命。

高爐操作爐型的頻繁變化會使冷卻壁內表面的溫度產生波動。由于溫度的波動，使冷卻壁變形，內應力發現變化，天長日久，反復發生，產生熱疲勞，致使冷卻壁破損。安鋼8號高爐三年的生產期中，長時間爐況不穩定，邊緣氣流過分發展，渣皮頻繁脫落，使冷卻壁外表面溫度達到了100～120℃，有時高達120～150℃，致使冷卻壁開始大量破損。一般情況下，冷卻壁溫度一般控制在60～90℃。因此，高爐操作必須抑制邊緣氣流，減少不穩定的氣流對爐墻沖刷，發展中心氣流，保證邊緣、中心兩股氣流的合理分布。

另外，除開裂破碎外，高溫燒蝕和磨損是另一嚴重侵蝕狀況。由于爐況的波動使冷卻壁受熱表面上的渣皮反復形成與脫落，無法及時生成保護層，致使冷卻壁受到高溫燒蝕和磨損，鑲磚和鑄體逐漸減薄，減薄的程度很大，很多冷卻壁鑲磚已全部侵蝕光，能見到水管露出。

3 改進建議

3.1 嚴把質量關

嚴把冷卻壁制造質量，從冷卻壁的水管質量、水管彎曲、除銹和防滲碳處理以及冷卻壁鑄造等全過程都要嚴格按照標準操作。要加強冷卻壁出廠驗收，保證冷卻壁的質量，確保各項技術指標符合設計要求。

3.2 改進設計缺陷

（1）針對風口帶4段冷卻壁出現的問題，建議對4段冷卻壁進行改進，在中修時更換該區域耐材，減少對該區域的磨損，延長使用壽命。

（2）建議8段冷卻壁更換材質，由球墨鑄鐵改為銅冷卻壁。

（3）銅冷卻壁現采用噴涂，噴涂料在高爐生產后會很快消失，建議以后銅冷卻壁也進行鑲磚。

3.3 高爐操作

（1）加強高爐操作，保證高爐所需原燃料質量，使高爐穩定順行，避免因爐況不順造成對冷卻壁的損壞。

（2）嚴格控制冷卻壁溫度，保證其溫度不超過100℃；嚴格控制冷卻水供水溫度，盡量保持熱負荷的穩定；增加水質監控系統，定期進行除垢，防止水管內結垢后降低冷卻效果。

4 結語

（1）高爐長壽技術是一種綜合技術，它與設計、制造、材質、原燃料條件及高爐操作密切相關，應該嚴格按照技術要求重視每一個環節，否則高爐很難獲得長壽。

（2）安鋼8號高爐的冷卻壁破損與冷卻壁制造質量有很大的關系，高爐應該使用合格的冷卻壁，杜絕不合格產品安裝到高爐上。

（3）在重視設計、產品質量及施工的同時，應該穩定高爐所需原燃料質量，重視高爐操作制度，穩定操作爐型，減少渣皮的脫落，避免冷卻壁頻繁急冷急熱。

（4）在冷卻壁出現問題時，采取相應辦法確保冷卻壁的冷卻能力，避免冷卻壁破損范圍的擴大。

[1] 張守榮.延長高爐壽命是系統工程.高爐長壽技術是綜合技術.煉鐵，2002（1）:1-4.

[2] 程樹森，楊天鈞，薛慶國，等.長壽高爐設計指標及設計方案評價系統初探.鋼鐵，2000（5）:10-13.

[3] 陳令坤，宋木森.武鋼4號高爐冷卻壁破損的原因.煉鐵，2008（10）:13-17.

Analysis on Leakage Reason of Cooling Staves Used in Blast Furnace

WEI Bo，TONG Jing，CHEN XianLi（Ironmaking Works Anyang Iron&Steel Group，Anyang 455004，Henan China）

Based on the investigation of 8#blast furnace damage in Angang，the reasons of cooling stave damage have been analyzed，resulting in that blast furnace damage was not only related to the quality of casting metals,but also had something to do with design limitation of blast furnace and the difficulties of blast furnace condition and operation system of blast furnace hence interrelated technological measures put forward.

TG 245；

B

1006-9658（2011）01-4

2010－08－28

2010－125

魏波（1975-），男，專門從事高爐設備點檢

Abstract：Heavy blast furnace；Cooling stave；Damage