新型爐體冷卻結構在高爐上的應用

索延帥，全 強，王得剛，王建同

（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

0 引言

山西建龍鋼鐵集團6 號高爐，有效爐容1380 m3，冷卻水系統(tǒng)采用全工業(yè)水開路循環(huán)系統(tǒng)，爐缸采用RTCr 低鉻耐熱鑄鐵冷卻壁，爐腹及以上采用QT400-20 球墨鑄鐵冷卻壁，厚壁爐襯結構。該高爐生產運行期間，爐底、爐缸耐材使用狀況良好，但是爐腹、爐腰區(qū)域冷卻壁大面積燒壞漏水，導致爐況不順，焦比升高，高爐得不到有效強化。因此，該廠以優(yōu)化高爐高熱負荷區(qū)冷卻結構為改造原則，于2016 年8 月份開始停爐大修，更換了爐腹及以上冷卻設備及本體內部所有耐材。在爐腹爐腰區(qū)域使用了中冶京誠專利產品—新型爐體冷卻結構，生產至今，冷卻設備監(jiān)測溫度正常，無漏水燒損現象。

1 高爐大修概況

1.1 原高爐配置

原高爐爐缸至風口第1～4 段冷卻壁采用光面RTCr 低鉻耐熱鑄鐵冷卻壁。爐腹及以上第5～15 段采用QT400-20 球墨鑄鐵冷卻壁，熱面設置燕尾槽鑲磚，鑲磚不凸出冷卻壁壁體。其中爐腹第5、6 段冷卻壁采用雙層蛇形水管冷卻，水管規(guī)格Φ60×6；爐腰及爐身中下部第7～13 段采用熱面帶凸臺冷卻壁，壁體采用單層蛇形管冷卻，凸臺設置兩層冷卻水管，水管規(guī)格均為 Φ60×6；爐身上部第 14、15 段冷卻壁采用倒扣冷卻壁，冷卻水管規(guī)格Φ60×6。

高爐爐底爐缸采用國產大塊炭磚結合陶瓷杯結構。風口以上采用冷卻壁熱面砌磚的厚壁爐襯結構，爐腹、爐腰及爐身下部采用氮化硅結合碳化硅磚，爐身中部使用燒成微孔鋁炭磚，爐身上部砌筑浸漬磷酸鹽粘土磚，砌磚厚度345 mm。爐腹角為79.992°，爐身角為 83.211°。

1.2 大修改造內容

本次大修，以本體爐殼利舊為前提，以優(yōu)化爐腹角，改善爐腹爐腰冷卻結構為原則，盡量做到投資最小化，技術最優(yōu)化。

爐底爐缸第1～4 段冷卻壁利舊，原有爐底水冷外部水管道全部更換。爐身上部第14、15 段倒扣冷卻壁利舊。

爐腹、爐腰以及爐身中上部（第5～13 段）冷卻壁及外部配管全部更換，取消原冷卻壁凸臺，采用四進四出鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，材質為QT400-20。在爐腹、爐腰區(qū)冷卻壁的燕尾槽內鑲嵌銅冷卻條以加強該部位的冷卻。爐腹及爐腰第5～7 段冷卻壁每段設置 2 層，共 6 層，見圖1。

對爐底、爐缸耐材進行更換，其中，爐底第1～3層滿鋪國產大塊半石墨炭磚利舊，其上滿鋪兩層國產大塊微孔炭磚（最上層斜砌），爐底共砌5 層大塊炭磚，厚度～2000 mm。再上砌2 層剛玉莫來石陶瓷墊，厚度～800 mm。其中，上層陶瓷墊中心砌筑粘土磚，以加深死鐵層厚度。爐缸區(qū)域仍采用國產大塊微孔炭磚+陶瓷杯結構。陶瓷杯材質為剛玉莫來石。

爐身中下部以及爐腹、爐腰（第5～12 段冷卻壁）燕尾槽冷鑲焙燒微孔鋁炭磚，第13 段冷卻壁燕尾槽冷鑲磷酸鹽浸漬粘土磚。

改造后爐腹角為78.043°，爐身角為82.575°。

圖1 爐腹爐腰銅冷卻條布置

冷卻水系統(tǒng)仍采用全工業(yè)水開路循環(huán)系統(tǒng)，第5～13 段冷卻壁采用一串到頂的冷卻方式，改造前后冷卻水量對比見表1。

2 冷卻設備損壞原因

該高爐原為厚壁高爐，設計爐型尺寸為：爐腹角 79.992°，爐身角 83.211°，爐缸直徑 8.8 m，爐腰直徑10. 0m，爐喉直徑6.5 m，高徑比2.530。共有22個風口，2 個鐵口。

從原設計爐型尺寸分析，爐腹、爐腰區(qū)冷卻壁燒壞嚴重的主要原因有：

（1）爐腹角太大，冷卻設備的熱面很難掛渣，不能形成有效保護層。

（2）爐腹冷卻壁采用雙層冷卻水管，壁體厚度較大，見圖2，使得壁體下部進入了風口回旋區(qū)的危險區(qū)域，爐腹冷卻壁在高溫氣流的作用下被燒壞，水管燒穿，為了避免向爐內漏水惡化爐況，生產上會短接爐腹冷卻壁的水路，進而造成爐腹冷卻強度進一步下降。當爐腹冷卻壁熱面溫度高于其耐熱溫度時，機械性能嚴重下降，導致其嚴重損壞。

（3）爐腹冷卻壁的水路短接使得爐腰冷卻壁下部區(qū)域失去冷卻保護，很難形成保護渣皮，因而爐腰冷卻壁的下部也出現較嚴重損壞，見圖3。

圖2 改造前爐腹處冷卻壁及砌磚

表1 高爐本體改造前后冷卻水量對比

圖3 冷卻壁磨損情況

3 新型冷卻結構的研發(fā)及應用

隨著現代高爐高風溫、高富氧大噴煤的趨勢，爐腹、爐腰及爐身下部高熱負荷區(qū)已經成為僅次于爐缸侵蝕的部位，成為限制高爐長壽的最重要因素。近年來，中國多家鋼鐵企業(yè)出現了爐腹、爐腰及爐身下部冷卻壁大面積燒損的現象，給高爐生產帶來了巨大損失，也給高爐本體合理內型和冷卻結構的設計提出了新的議題。

3.1 爐腹區(qū)設計α 法則

爐腹區(qū)是高爐生產環(huán)境最為惡劣的區(qū)域：風口回旋區(qū)高溫多變的熱流沖擊、渣鐵和煤氣的侵蝕沖刷、鋅和堿金屬的破壞侵蝕。操作經驗表明，爐腹區(qū)耐材的壽命只有0.5～1 年[1]。因此，爐腹爐、腰高熱負荷區(qū)的壽命還是要依靠冷卻設備及其形成的保護渣皮來保證，渣皮才是最經濟有效的耐火材料。如何使得高熱負荷區(qū)快速形成、并且能夠長期穩(wěn)定存在的保護渣皮，是爐腹區(qū)冷卻設備設計的基本原則和根本目的。

針對爐腹區(qū)域設計的種種問題，中冶京誠根據多年的設計和現場考察經驗，總結出：風口中套上沿與爐腹區(qū)冷卻壁熱面頂點連線與冷卻壁熱面要保證合適的角度α，將這個設計原則稱之為“爐腹區(qū)α 法則”，見圖4。α 角度區(qū)域其實就是爐腹的穩(wěn)定掛渣區(qū)，合適的α 角可以保證爐腹區(qū)域穩(wěn)定掛渣，同時使渣皮盡可能遠離風口回旋區(qū)，使得渣皮能夠長期穩(wěn)定存在，從而延長冷卻設備的壽命。

3.2 新型冷卻結構的研發(fā)

國內外有很多大中型高爐在爐腹、爐腰及爐身下部高熱負荷區(qū)域使用銅冷卻壁，試圖利用銅導熱系數高的優(yōu)點，以增加該區(qū)域的冷卻強度來延長冷卻設備壽命，但是結果并不是十分理想。因為銅冷卻壁雖然冷卻效果好，保護渣能夠在其熱面快速生成，但是，從銅冷卻壁的整體結構來看，其熱面是一個光滑的平面，渣皮在上面沒有穩(wěn)定的著力點，無法長期穩(wěn)定存在，從而導致很多高爐的銅冷卻壁壽命不長[2]。

圖4 爐腹區(qū)α 法則示意

在α 法則的指導下，綜合上述鑄鐵及銅冷卻壁的優(yōu)缺點，應用TRIZ 創(chuàng)新方法的組合原理，中冶京誠開發(fā)出了一種新型鑄鐵+銅的組合式冷卻結構。以鑄鐵冷卻壁作為母體，在其高度方向上鑲嵌銅材質的冷卻板（見圖5）。這種結構繼承了傳統(tǒng)板壁結合爐體結構的優(yōu)勢，并且銅冷卻板的導熱系數遠遠高于鑄鐵或者鋼，起初在銅冷卻板區(qū)域生成的保護渣皮起到了“錨固釘”的作用，使得高熱負荷區(qū)的整體渣皮更加牢固穩(wěn)定[3]。銅冷卻板可以認為是這種組合式冷卻結構的冷卻強點，由于銅冷卻板的間距可調，所以可以根據設計要求調整冷卻強度，適應操作變化、原料變化性很強。

該新型冷卻結構的投資遠遠低于銅冷卻壁，以本工程為例，采用中冶京誠新型冷卻結構方案，投資僅為銅冷卻壁方案的30%。

圖5 中冶京誠新型冷卻結構

3.3 新型冷卻結構在本工程中的應用

本次大修將原有厚壁爐襯改為薄壁爐襯結構，爐腰直徑加大，爐腹角減小至78.043°，在爐腹爐腰區(qū)域（原第5、6 段冷卻壁）采用中冶京誠新型冷卻結構。爐腹區(qū)采用兩段單層水管球墨鑄鐵冷卻壁，壁體熱面各鑲嵌兩層銅冷卻板，爐腰區(qū)鑄鐵冷卻壁取消熱面凸臺，壁體熱面鑲嵌兩層銅冷卻板，銅冷卻板熱面與冷卻壁鑲磚間隙填充碳化硅搗打料。改造后，爐腹區(qū)冷卻壁體熱面一定程度上遠離了風口回旋區(qū)，再加上凸出冷卻壁壁體熱面50～100 mm 的導熱性能優(yōu)異的銅冷卻板，使其爐腹區(qū)域形成的渣皮穩(wěn)定牢固，對冷卻設備形成有效保護。

3.3.1 新型冷卻結構的冷卻系統(tǒng)

本高爐改造后在爐腹爐腰區(qū)域共使用了6 層銅冷卻板，冷卻水管規(guī)格為φ60×10，水速～2.35 m/s，單根水管的水流量為10.6 t/h，串聯(lián)形式，共計36 個水頭，如圖6 所示。外部配管采用單接口管箍與銅冷卻條水管進行連接，一端與銅管螺紋連接，另一端與鋼管焊接。銅條間連接水管設置三通球閥或者活接頭，方便查水和漏水處理。

4 改造后效果

該高爐于2017 年5 月份完成大修并投產，生產至今，高爐穩(wěn)定、順行，日均產量可達4602 t，燃料比515 kg/t，詳見表2。目前，爐殼及冷卻設備的監(jiān)測溫度均在正常范圍，爐腹處第5、6 段冷卻壁壁體溫度均維持在65 ℃左右。爐腰、爐腰冷卻設備使用狀況良好，無漏水現象。通過本次大修改造，高爐的各項指標均得到了大幅改善。

圖6 銅冷卻條串聯(lián)形式

表2 改造后該高爐生產技術指標

5 結語

（1）考慮到爐腹、爐腰區(qū)惡劣復雜的工作環(huán)境，渣皮才是保護冷卻設備最經濟有效的耐材，此區(qū)域冷卻設備的設計應以形成穩(wěn)定可靠的渣皮為目的。

（2）中冶京誠新型冷卻結構具備了銅冷卻壁冷卻效果好的優(yōu)點，還因其特殊的“錨固釘”式結構，能夠保證渣皮的穩(wěn)定牢固，從而延長了高爐高熱負荷區(qū)冷卻設備的壽命。

（3）銅冷卻板的間距可根據設計自由選擇，因此不會出現過度冷卻，適應操作變化、原料變化性更強。

（4）近些年，該技術已在國內外十余座高爐上應用，從使用效果來看，該新型冷卻結構能夠解決高熱負荷區(qū)冷卻設備壽命短的問題，應用前景十分廣闊。