有色冶金爐窯中的水冷技術

李 棟

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

隨著有色冶金企業規模的擴大，有色冶金爐尺寸也越來越大，停爐檢修一次就要數月的時間，不僅要消耗大量的耐火材料、人力、財力，而且對產量、企業的生產以及經營管理也會造成極大影響。因此保證有色冶金爐安全運行、提高爐壽，對各企業都有著重要意義。

如何提高爐襯壽命的理念已有新變化。早些年主導思想是采用耐高溫、耐腐蝕的高級耐火材料抵抗惡劣的工況，延長壽命。然而，隨著工藝裝備的大型化，冶煉過程的強化，即便采用性能優越的耐火材料，也難以抵擋高溫侵蝕與機械沖擊，爐襯壽命成為制約新工藝與新裝備發展的關鍵環節。近年來，冶金爐窯的水冷技術得到迅猛發展。水冷技術是利用水的高效換熱，使爐襯內表面冷卻到渣熔點以下，其表面上掛上一層渣殼，使耐火材料不再繼續損壞，大幅度提高了爐壽命。所以有種說法，“水是最好的耐火材料”。對爐襯冷卻最常用也是最有效的辦法，就是采用水套冷卻。

1 常用水套類型

1.1 分類

(1)按制作水套的材質，常用冷卻水套類型可分為鑄鐵質、鋼質、銅質冷卻水套。

(2)按水套制作方法，常用冷卻水套類型可分為鑄造式、焊接式、鉆孔式冷卻水套。

1.2 有色冶金爐常用水套

(1)銅水套。主要用于閃速爐、頂吹爐、電爐、三菱爐、基夫賽特爐、側吹爐、煙化爐等。

(2)鋼水套。用于陽極爐爐口、鼓風爐、煙化爐、轉爐煙罩等部位。

(3)爐殼外噴淋冷卻或爐殼外封閉水路冷卻。用于一些頂吹爐。

1.3 水套材料的熱導率

由表1可以看出，銅的導熱性好，冷卻效果好，所以得到了越來越廣泛的應用。本文重點介紹銅水套的設計。

表1 不同溫度下金屬材料的熱導率[W/m·K]

2 銅水套

2.1 銅水套的特點

(1)導熱性好，冷卻強度大。此特性使銅水套熱面保持較低的溫度，當熱流強度不超過100 kW/m2時，水套熱面溫度不超過80 ℃。

(2)耐侵蝕性好，抗熱沖擊能力強。由于銅水套具有良好的導熱性，磚體熱面溫度降到渣熔點以下，在其表面形成渣殼；一旦渣層脫落，銅水套可以承受300 kW/m2熱流強度的短時間沖擊，此時水套熱面溫度只有200 ℃左右，強烈的冷卻作用會使磚的熱面很快重新掛上渣殼，繼續保護爐磚。銅水套已成為有色冶金裝備中不可替代的冷卻構件。

2.2 銅板鉆孔水套

采用軋制銅板，以機械鉆孔的方式加工水路而制成的水套稱之為銅板鉆孔水套。圖1為一塊銅板鉆孔水套。

軋制銅板技術指標：

化學成分 Cu+Ag≥99.95%

密度 8.95 g/cm3

抗拉強度σb>200 MPa

導熱率 >360 W/m·K

制造技術要求：

水道中心線偏差 ±1.0 mm

水套厚度偏差 ±0.5 mm

長度、寬度尺寸偏差 ±1.5 mm

水道內不得殘留任何異物；

水壓試驗，按具體要求，一般>0.6 MPa。

鉆孔水套制造的難點，是工藝孔的密封。密封處是鉆孔水套最容易發生滲漏的地方。圖1所示的工藝孔密封結構是一種常用的結構，由三道密封構成，即過盈配合、金屬纏繞墊圈以及絲堵與銅板的焊接。紫銅的焊接技術性很強，在水套長期使用過程中，在熱應力和機械應力的作用下，焊縫容易開裂，工藝孔密封會被破壞，發生水的滲漏。鉆孔水套的水路一般是圓孔，也可以加工成扁圓孔。采用扁圓孔水道可增加冷卻面積，提高冷卻效果，但加工量大，只能用于單通道水路。

圖1 銅板鉆孔水套

銅板鉆孔水套的水路由垂直交匯的鉆孔構成，水流阻力大；同時由于只能鉆直孔，所以形狀復雜、須彎曲水路的水套就難實現。

2.3 純銅鑄造水套

采用純銅鑄造水套，水套的形狀、水路的布置不受限制，沒有“工藝孔”的密封問題，制造費用也相對比較便宜，所以得到了越來越廣泛的應用。鑄造銅水套水道是埋入的鋼管或純銅管。埋入的管道可以是普通不銹鋼管、白銅管或銅鎳合金管，這些合金管耐溫高，鑄造時不易被熔穿，但是其導熱率很低，只有20～30 W/m·K，這樣等于在冷卻水和銅塊之間設了一個隔熱層，從而使水套導熱率大大降低。20世紀80年代開始，國內一些廠家開始研究開發埋銅管純銅鑄造水套，鑄造后埋入銅管外壁與母材熔融在一起，但又不能熔透，銅管與母材成為了一個整體，保證了銅水套的高導熱率。埋銅管純銅鑄造水套制造難度很大，但又不能加入能改善銅水流動性的其他金屬，如Pb、Zn、Sn，因為這些金屬的加入，哪怕是少量的，都會導致導熱率大大下降，所以必須用純銅鑄造。

鑄造銅水套技術指標：

銅含量 >99.5%

密度 8.85 g/cm3

抗拉強度σb170 MPa

導熱率 >320 W/m·K

銅管與母材熔合率 >95%

鑄造銅水套的導熱率比銅板軋制水套稍低，但完全能滿足冶金爐窯對冷卻強度的要求。圖2是普通的鑄造銅水套。

圖2 普通鑄造銅水套

制作技術要求主要包括：

(1)用不低于T3的純銅鑄造，紫銅管材質不低于T2且為整根銅管，成品水套母材含銅≥99.5%，鑄件母材與銅管之間的熔合率>95%，銅管不得熔穿，鑄后要進行超聲檢查；

(2)水套制成后，要用1 MPa的壓力進行水壓試驗，必要時還可以做氣密性試驗；

(3)水路要進行直徑不小于通徑75%的鋼球進行通球試驗。鑄造銅水套可以根據不同部位設計成不同形狀的水套，圖3、圖4為兩個特殊設計的水套。

圖3 扇形鑄造銅水套

圖4 T形鑄造銅水套

2.4 銅水套設計

(1)結構設計。首先根據水套的安裝部位，確定水套的形狀和尺寸。

(2)確定材質和厚度。選擇鑄造水套或銅板鉆孔水套。水套的厚度決定于水套受力狀況和安全壁厚，水套壁厚一般要大于20 mm。

(3)水路設計及冷卻水量的確定。確定水路的直徑、走向、水路總長。水套應滿足所在部位對冷卻強度的要求，并考慮可能出現的短時熱流沖擊。

有色冶金爐用銅水套，一般熱流強度不超過40～60 kW/m2，局部區域或短時的熱流沖擊為80～100 kW/m2(具體取值與實際的使用情況如掛渣厚度等有關)。按40 kW/m2計算，冷卻水需帶走的熱量～142 000 kJ/h·m2。根據公式Q=m×CP×Δt，取進出水溫差Δt=10 ℃，則可算出需要的冷卻水量為3 400 kg/h·m2。冷卻水通過水路中的傳熱面獲取熱量，傳熱量的計算公式為：

Q=K×F×Δtm

(1)

式中Q—流體的傳熱量，kW；

K—流體與管壁紊流換熱系數，kW/m2·K；

F—水路換熱面積，m2；

Δtm—水與水套體之間的平均溫度差，℃。

K受多因素影響：

(2)

式中C—系數；

λ—流體的熱導率，W/m·K；

CP—流體的定壓質量熱容，J/kg·K；

ρ—流體的密度，kg/m3；

μ—流體的動力粘度，kg/m·s；

V—管內平均水速，m/s；

d—通道水力學直徑，m；

對于水在管內流動時，可用簡化公式計算：

(3)

由上述公式可以看出：

(1)提高水速可以增加傳熱。一般水速在1～1.5 m/s，更高的水速對提高傳熱系數的作用不大，相反大大增加了水的消耗和阻力損失，造成水資源和能源的浪費，生產成本增加。(2)水溫和溫差對傳熱系數也有影響。進水溫度一般取決于自然條件，而溫差取決于冷卻強度和流量，一般計算溫差取～10 ℃，局部或短時大的熱流沖擊時溫差可達20 ℃。計算溫差太小，則水量加大，增加了水的循環量，增加了動力消耗。(3)水路直徑與長度。水路直徑和長度決定于換熱面積的大小，換熱面積小了直接影響傳熱量。適當增大水路通徑，或者將圓形孔變為長圓孔，適當增加水路長度，可以達到增大換熱面的目的。

(4)應用實例

①E形水套。該水套用于閃速爐反應塔下沉淀池側墻，如圖5所示。特點：平水套與立水套組合體，平水套、立水套部分均有冷卻水路，對爐墻磚有很好的冷卻效果。

圖5 E形水套

②齒形水套。用于閃速爐反應塔下部，如圖6所示。雙水路冷卻，對墻磚冷卻效果好，熱面易形成渣殼，抗沖刷性能好。

圖6 齒形水套

3 其他型式的水套

銅不但具有良好的導熱性能，而且具有很好的加工性能，可根據需要和條件設計出各種各樣的銅水套。

(1)華夫水套。所謂華夫水套，就是熱面布置有若干縱橫交錯“華夫”塊的銅水套，華夫塊既可澆鑄成型，也可機械加工成型。為了保證銅水套對襯磚的冷卻效果，在“華夫”水套內側與砌磚之間搗打一層高導熱率的搗打料。常用的高導熱搗打料(石墨質)的參考理化指標如下：體積密度1.7 t/m3(烘干后1.5 t/m3)，氣孔率7%(烘干后29%)，30 ℃熱導率16 W/m·K(烘干后23 W/m·K)。采用華夫水套，當水套前的磚體一旦被熔渣侵蝕完、水套直接接觸熔體時，由于華夫塊的存在，可在水套表面結一層穩定的渣層，實現無爐襯作業。

圖7 華夫水套

(2)銅鋼復合水套。相對于鋼材，無論是銅板鉆孔水套，還是純銅鑄造水套，其機械強度均較低，在熱應力和機械應力作用下存在變形的危險。鑒于此，研制出了銅鋼復合水套，包括銅- 鋼水套或鋼- 銅- 鋼水套。銅- 鋼水套以銅為導熱層，發揮其良好的導熱能力；以鋼為冷面，具有良好的綜合力學性能，可避免水套工作過程中的變形。鋼- 銅- 鋼水套增加一層不銹鋼為熱面層，具有更好的耐侵蝕、抗沖刷性能，并能更好地抵御機械清理時的沖擊。這種水套制作的關鍵是雙金屬層的復合。圖8為該水套的實物照片。

圖8 銅鋼復合水套實物圖

(3)帶保護層的銅水套。有一些部位的銅水套，其熱面受到高溫熔體或氣流的沖刷、侵蝕，為此可在銅水套表面噴涂一層耐熱耐磨合金，對水套加以保護。也可以在銅水套表面復合或鑲嵌一層耐熱鋼板，如圖9所示。

圖9 鑲嵌耐熱鋼板的銅水套

4 水套的安全使用

合理運用水冷技術，使冶金爐的壽命大大延長，而水冷件的安全使用是保證安全生產的重要前提。一旦水冷件漏水，不僅會造成磚體損壞，甚至會發生爆炸，造成爐體損壞、停產和人員傷亡事故。水套的安全使用，包含以下主要內容：

(1)保證冷卻水的質量。銅水套必須使用軟水來冷卻，以減少水路壁結垢。水垢是一層隔熱層，對于鑄管水套，有一層δ=1～2 mm的水垢，則綜合傳熱系數將減小28%～43%。有色爐水套對冷卻水水質的要求一般如下：軟化水；濁度≤5.0FTU；硬度≤0.03 mmol/L；pH值7.0～9.0(25 ℃)。

(2)保證水量供應。水量、水壓要滿足設計要求，并有一定的富裕量。對爐體關鍵部位，需提供提供足夠大的循環倍率，確保冷卻元件帶走足夠多的熱量，以保障設備安全。大型爐子的水套要設置高位水塔或水箱供水，一旦供水系統電力中斷，高位水箱可保證水套在一定時間內不會斷水。

(3)水套的制造質量要確保。嚴格按相關標準和技術要求進行制造、檢查、試壓、驗收和安裝。

(4)水溫的檢測與水量的調節。出水溫度直接反映了水套的工作狀況，進出水溫差應控制在所要求的范圍內，可通過水量來調節。一般應采用儀表自動檢測和報警系統，有條件時可根據要求的溫差采用冷卻水量自動調節系統。采用水溫自動檢測和水量自動調節不僅可保證水套的安全運行，而且可降低水耗和動力消耗。有了自動檢測系統，還必須定時進行人工巡查，發現問題及時處理。

5 水套的其他優點

上述水套的應用除能大幅度提高爐壽之外，尚有如下其他優點：

(1)裝有銅水套的爐墻厚度小。銅的抗拉強度σb>200 MPa，許用應力σa(0.2)≥50 MPa，而有色冶金爐用銅水套受力一般不會超過2 MPa。所以水套可以做得比較薄，一般70～100 mm。水套前的襯磚不宜太厚，否則磚的熱面溫度難以降到渣熔點以下，形成不了渣殼，一般磚厚300～400 mm。總的爐墻厚度不超過500 mm。

(2)銅水套冷卻的熱損失。多少年來，都認為爐子冷卻強度越大，熱損失也越大。從20世紀70年代開始，這一觀念開始轉變，采用銅水套冷卻，高的冷卻強度在爐襯內表面形成了一層渣殼，渣殼不僅保護了爐襯不會繼續侵蝕，而渣殼熱阻極高，導熱系數只有1.4～1.6 W/m·K，傳熱很差，使磚體保持在較低的溫度下工作，而且使爐墻的散熱損失處于較低的水平。

(3)使用銅水套經濟分析。銅水套造價較高，一次投資大。但是銅水套厚度比較薄，使用銅水套后爐襯300 mm左右即可，沒有銅水套的爐墻厚度一般要600 mm以上。在同樣爐膛尺寸的條件下，薄爐墻使整爐尺寸變小，相應投資也會減小。銅水套大大延長爐壽，一般少修一次爐節省的耐火材料費和人工費，就可將水套投資折回。如果考慮帶來的作業率提高產量的增加等，經濟效益是很明顯的。另外，損壞回收的水套仍然是銅，所消耗的只是銅水套的加工費而已。可見采用銅水套一次投資雖大，而長久經濟效益是顯著的。