高爐冷卻設備歸總與分析

【摘 要】高爐煉鐵生產是冶金（鋼鐵）工業最主要的環節，高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。高爐用的冷卻介質有：水、風、汽水混合物等。最普遍用的是水。冷卻設備有冷卻壁，冷卻水箱等。冷卻壁是高爐內襯的重要水冷件，安裝在高爐的爐身、爐腰、爐腹、爐缸等部位，不但承受高溫，還承受爐料的磨損、熔渣的侵蝕和煤氣流的沖刷，必須具備良好的熱強度、耐熱沖擊、抗急冷急熱性等綜合性能。冷卻水箱也叫冷卻板，是埋設在高爐襯磚之內的冷卻器。

【關鍵詞】冷卻介質 冷卻壁 冷卻水箱

高爐煉鐵生產是冶金（鋼鐵）工業最主要的環節。高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。高爐冷卻的目的在于增大爐襯內的溫度梯度，致使1150℃等溫面遠離高爐爐殼，從而保護某些金屬結構和混凝土構件，使之不失去強度。使爐襯凝成渣皮，保護甚至代替爐襯工作，從而獲得合理爐型，延長爐襯工作能力和高爐使用壽命。

1 冷卻水質

高爐用的冷卻介質有：水、風、汽水混合物等。最普遍用的是水，它導熱率大，熱容量大，便于運送，成本便宜。風比水導熱性差，在熱流強度大時冷卻器易過熱，故多用在冷卻強度不太大的地方。使用風冷的成本比水貴，但安全可靠，故高爐爐底多用空氣冷卻。用汽水混合物冷卻的優點是，汽化潛熱較大，可以大量節省水，又可回收抵押蒸汽，在高爐上正在大量使用。水冷設備有噴水冷卻，冷卻壁和冷卻水箱等專用冷卻設備，也有風口、渣口、熱風閥等專用設備的冷卻。

1.1 一般概念

（1）高爐冷卻對水質的要求為：不含有機械雜質、懸浮物不超過200毫克/升，暫時硬度不超過10°（德國度）。（2）水的硬度：天然水中含有鈣、鎂、鹽類等水垢生成物的含量。一般重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽等，構成了水中的硬度。一、暫時硬度：就是指水中含有重碳酸鹽的含量。二、永久硬度：就是指除去重碳酸鹽的其它鹽類。三、總硬度： 就是指暫時硬度與永久硬度之和。湖水硬度小一些，地下水硬度高一些，一般用暫時硬度衡量水的硬度。（3）水的硬度單位：德國度（°H）簡稱度。即在10000份水中含有1份氧化鈣或氧化鎂為一度。也就是1升水中含有10毫克的氧化鈣或氧化鎂為一度。（4）水的硬度分類：硬度 0～4° 4～8° 8～16° 16～30° >30°；性質 很軟水 軟水 中等硬水 硬水 很硬水；對水系統要求新水暫時硬度≯15°H，循環水≯8°H。（5）軟化水：就是人為地以某種程度從水中除去了鈣鎂鹽類，如用Na離子交換器置備軟水。

1.2 優缺點

高爐技術進步的特點，表現為高爐煉鐵已發展成為較成熟的技術。從近幾年高爐技術進步的發展方向看，突出的特點是大型化、高效化和自動化。因此采用較為先進的高爐冷卻技術具有較大的吸引力，成為爭相探討和研究課題。

（1）采用軟水密閉循環冷卻系統最佳。因為：一、軟水密閉循環系統的冷卻可靠性好。冷卻的可靠性，是衡量冷卻系統優劣最重要的標準。不結垢，可以長壽。二、水量消耗少。軟水密閉循環冷流系統中，沒有水蒸發損失，流失也極小。水泵的軸封處的流失是系統的主要流失點，流失量是系統總容積的1‰補水量，故水量消耗是極少的。三、動力消耗低。閉路系統與開路系統不同，其水泵的工作壓力取決于膨脹罐內N2壓力，而水泵揚程是由系統的管路阻力損失決定的，冷卻水的靜壓頭能夠得到完全的利用。四、管路腐蝕小。因為它是閉路，空氣進不去。因此，軟水密閉循環冷卻系統是一種比較經濟的冷卻方法。（2）汽化冷卻分為兩種循環方式：自然循環和強制循環。一、汽化冷卻的優點：冷卻介質為軟水，可防止結垢。自然循環需要動力，在停電情況下仍能繼續運行。二、汽化冷卻的缺點：冷卻設備在承受大而多變的熱負荷沖擊下容易產生循環脈動，甚至可能出現膜狀沸騰，致使冷卻設備過熱而燒壞。汽化冷卻時，冷卻壁本體的溫度比水冷時高，縮短了冷卻壁的壽命。水冷卻的冷卻壁本體的最高溫度已接近珠光體相變的溫度。鑄鐵在760 ℃時，珠光體發生相變，使鑄鐵機械性能急劇變壞，因此使冷卻壁壽命縮短。（3）工業水冷卻的優點是傳熱系數大，熱容量大，便于輸送，成本便宜。工業水冷卻的致命弱點是水質差，容易結垢而降低冷卻強度，導致燒壞冷卻設備，水的循環量大，能耗大。（4）噴水冷卻，結構輕便簡單易行。我國大中型高爐多作為備用冷卻手段，小高爐用的較多。目前國外一些極薄爐墻或大中型高爐下部，有采用爐殼內砌碳磚，以噴水作為唯一冷卻手段，效果也不錯。

1.3 冷卻原理

冷卻水通過被冷卻的部件空腔，并從其表面將熱量帶走，從而使冷卻水的自身溫度提高。

（1）自然循環汽化冷卻工作原理：利用下降管中的水和上升管中的汽水混合物的比重不同所形成的壓頭，克服整個循環過程中的阻力，從而產生連續循環，汽化吸熱而達到冷卻目的。（2）軟水密閉循環冷卻工作原理：它是一個完全封閉的系統，用軟水（采用低壓鍋爐軟水即可）作為冷卻介質，其工作溫度50～60℃（實踐經驗40～45℃）由循環泵帶動循環，以冷卻設備中帶出來的熱量經過熱交換器散發于大氣。系統中設有膨脹罐，目的在于吸收水在密閉系統中由于溫度升高而引起的膨脹。系統工作壓力由膨脹罐內的N2壓力控制，使得冷卻介質具有較大的熱度而控制水在冷卻設備中的汽化。（3）工業水開路循環冷卻工作原理：由動力泵站將涼水池中的水輸送到冷卻設備后，自然流回涼水池或冷卻塔，把從冷卻設備中帶出的熱量散發于大氣。系統壓力由水泵供水能力大小控制。（4）外部噴淋的工作原理：用于高爐外部噴淋式降溫。

1.4 方式

目前國內高爐采用的冷卻方式有四種：（1）工業水開路循環冷卻系統；（2）汽化冷卻系統；（3）軟水密閉循環冷卻系統；（4）外部噴淋。

1.5 目的

高爐冷卻的目的在于增大爐襯內的溫度梯度，致使1150℃等溫面遠離高爐爐殼，從而保護某些金屬結構和混凝土構件，使之不失去強度。使爐襯凝成渣皮，保護甚至代替爐襯工作，從而獲得合理爐型，延長爐襯工作能力和高爐使用壽命。高爐冷卻是形成保護性渣皮、鐵殼、石墨層的重要條件。高爐常用的冷卻介質有：水、風、汽水混合物。根據高爐各部位工作條件，爐缸、爐底的冷卻目的主要是使鐵水凝固的1150℃等溫面遠離高爐殼，防止爐底、爐缸被渣鐵水燒漏。而爐身冷卻的目的是為了保持合理的操作爐型和保護爐殼。

2 冷卻壁

高爐冷卻壁是高爐內襯的重要水冷件，安裝在高爐的爐身、爐腰、爐腹、爐缸等部位，不但承受高溫，還承受爐料的磨損、熔渣的侵蝕和煤氣流的沖刷，必須具備良好的熱強度、耐熱沖擊、抗急冷急熱性等綜合性能。冷卻壁能有效地防止爐殼受熱和燒紅，高爐內襯磚被燒蝕后主要靠渣皮保護冷卻壁本身，并維持高爐的安全生產。因此，冷卻壁的材質及性能好壞決定其工作壽命乃至高爐爐身的壽命。

根據國內高爐狀況，大多數球墨鑄鐵不能很好滿足高爐長壽的需要， 如銅冷卻壁性能雖好， 但造價太高，目前還不能被企業大量應用。由于鋼具有延伸率高，抗拉強度高，熔點高，抗熱沖擊性及整體導熱性能好等特點。因此鋼冷卻壁的應用， 對我國高爐長壽還是有現實意義。

2.1 鋼冷卻壁在包鋼高爐的應用和研究結果已經表明了鋼冷卻壁的技術特點

（1）具有優于球墨鑄鐵冷卻壁的材料性能，同樣使用工況下的使用壽命比球墨鑄鐵冷卻壁長。（2）傳熱效率略高于球墨鑄鐵冷卻壁。（3）由于采用機械加工方式，鋼液的鑄造流動性好于球墨鑄鐵，鋼冷卻壁的厚度可以比球墨鑄鐵減小一些， 這樣有利于減少設備投資和擴大高爐冶煉空間。

2.2 鋼冷卻壁存在下述缺陷

（1）傳熱效率的提高（這種提高的程度有限）主要是依靠冷卻水流動狀態的改變實現的，從現代超高冶煉強度長壽高爐的需要來看，鋼冷卻壁的傳熱效率仍顯不足。（2）鋼冷卻壁的壽命延長主要是改善了冷卻壁本體金屬的材料性能所致（韌性及其相關的方面）冷卻壁與磚襯之間的熱傳遞效率沒有得到根本的改觀，對于降低磚襯耐火磚的侵蝕速率、延長耐火磚的使用壽命、提高高爐中部（有爐襯工作時間）沒有產生明顯的有益效果。（3）在達到一定溫度時，鋼的導熱系數基本上與球墨鑄鐵相同，冷卻壁熱面上的渣皮生成條件沒有改觀。（4）軋制鋼坯上鏜成的冷卻水通道存在的直角，雖然提高了冷卻水的傳熱系數，改善了冷卻壁邊角部的冷卻，但也同時增加了冷卻水的局部阻力損失。（5）鑄入鑄鋼內部的冷卻水管雖然避免了滲碳問題，但水管表面出現局部熔化粘結的可能性仍然存在， 在水管與冷卻壁本體金屬之間存在的溫差應力將有害于水管的正常壽命。（6）鑄鋼的組織致密度較低，基體導熱性能比球墨鑄鐵無明顯提高。雖然鋼冷卻壁存在上述的缺陷， 但仍然不失為一種優于球墨鑄鐵做基體材料的高爐鑲磚冷卻壁。

2.3 鑄鋼冷卻壁的生產制作的核心難點

就是如何解決鑄鋼冷卻壁在澆注過程中冷卻水管不被熔穿，不變形，并且使基體與冷卻水管之間熔合良好，無間隙，無熱阻層，我們采取的主要措施和技術原理如下：

（1）利用熔合內冷卻鐵熱平衡原理，依據公式G冷=fv0ρ冷（M0-Mr）/M0計算出內冷鐵的重量，合理設置螺旋內冷鐵的型式、尺寸，以改變鑄鋼冷卻壁的溫度場，降低澆注時冷卻水管表面的鋼水溫度。（2）應用傳熱學原理，吹入超低溫氣體，改變冷卻水管周圍的溫度場分布，提高冷卻水管強度，避免產生變形。（3）冷卻水管表面不需涂刷任何防護涂料，如果使用反而會極大地影響鑄鋼冷卻壁的整體導熱性能。（4）嚴格控制澆注溫度和澆注時間。澆注溫度和澆注時間選擇不當，就會直接造成冷卻壁水管被熔穿和變形。我們在制作中，經過理論計算并經實際驗證澆注溫度控制在1510--1550℃，澆注時間46s。（5）合理開設澆冒系統，要避免鋼水通過內澆口直接沖刷冷卻壁內鑄水管。（通過采用這些工藝措施，我們克服了球鐵冷卻壁冷卻水管和基體材料間存在氣隙熱阻層、壁體導熱性差的難題，解決了鑄鋼冷卻壁內鑄冷卻水管易熔穿變形等技術難題。）

2.4 鑄鋼冷卻壁的主要技術性能指標如下

（1）通球率為鋼管內徑的0.76倍，達到球鐵冷卻壁的部頒的通球率標準。（2）在1.0MPa水壓下進行壓力試驗，無任何泄壓和滲漏現象。（3）機械性能檢驗：σb≥410MPa，δ≥30%，芯部δ≥20%。（4）解剖檢查：內鑄冷卻水管、基體、螺旋內冷鐵之間熔合良好，無間隙，無熱阻層，保證了整體導熱性能優良，導熱系數λ=51.9W/m.℃。

3 冷卻水箱

冷卻水箱也叫冷卻板，是埋設在高爐襯磚之內的冷卻器，材質上以鑄鐵居多，鑄鋼的、鋼板焊的也有，以前則多用青銅鑄成內部水路以鑄入水管的較多，也有空腔的、隔板的等。在外形上有扁平臥式的，也有支梁式的（實際是楔形冷卻水箱）。

冷卻水箱一般也是用HT15-33鑄成，臥室的厚度為75～110mm，內鑄鋼管的管徑為44.5mm，壁厚為6mm的冷拔無縫鋼管。安裝時距爐內磚襯工作表面的距離為：爐身上部230mm、爐身下部345mm。冷卻水箱上下有填充層以允許磚襯膨脹。這種冷卻器冷卻強度大，故可以維持較厚的磚襯，它插入磚襯中，故和磚的接觸面較大，冷卻效果好，同時也能支承砌體。其方式多用密閉式。冷卻水箱固定在爐殼上，雖然采用了交錯布置的排列方法，但插入密度仍不宜過大，以免影響爐殼的強度。為了防止從冷卻水箱周圍漏煤氣而采用了密封裝置，簡單的辦法就是把冷卻水箱插入固定在爐殼上的支架外殼之中，其間隙填充用石棉加水玻璃。有的高爐在爐墻從薄變厚處，或在爐腹和爐腰之間，或在爐腰和爐身之間，緊密的布置一層不可更換的冷卻片。相互的間隙只有20～40mm，以保護爐缸支柱上的爐腰支圈。支梁式冷卻水箱可以起到更好的支撐磚襯的作用，而且冷卻水箱本身就有與爐殼固定的法蘭圈，所以密封性好。缺點是冷卻強度不大，故多用于爐身上部。

4 結語

綜上所述，冷卻壁與冷卻水箱相比，冷卻壁的優點是，冷卻均勻爐墻光滑。下料阻力小，爐殼完整，故強度與密封性好。而冷卻水箱的優點是，冷卻強度大而且深入，可以支撐耐火磚襯，可更換，且外層水管損壞時水管尚可工作，重量較輕。

參考文獻：

[1] 冶金設備介紹——高爐冷卻.中國冶金行業網，2012.12.24.

[2] 煉鐵之窗——包鋼煉鐵廠，內部刊物，2013.4.

作者簡介：鄔鵬（1985—），男，內蒙古烏海人，本科，畢業于內蒙古工業大學，助理工程師，研究方向：設備管理，運營，維護，檢修，調試，工程概預算，審核。