高爐鑄鋼冷卻壁的應用實踐

趙奇強，范川澤，劉圣國，孫華平

（1.中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019；2.福建三鋼集團羅源閩光鋼鐵有限責任公司，福建350600）

0 引言

目前高爐使用的冷卻壁主要分為鑄鐵冷卻壁、鑄鋼冷卻壁和銅冷卻壁，鑄鐵冷卻壁應用最早，但由于其綜合物理性能較差，在爐腹至爐身下部工況比較惡劣的部位損壞較為嚴重，隨后發展出的鑄銅和軋制銅冷卻壁，由于其超高的導熱能力，可使液態渣鐵在其表面迅速凝結成渣皮保護層，而完全勝任在該部位的工作。但由于銅高昂的價格，使銅冷卻壁一直未能在中小型高爐中廣泛應用，因此開發一種介于鑄鐵和銅冷卻壁之間的產品變得尤為重要。

鑄鋼冷卻壁壁體材質為ZG230-450，價格遠低于銅，具有良好的力學性能，其韌性、抗拉強度、熔點及抗熱震性能均優于鑄鐵冷卻壁，而且鑄鋼冷卻壁壁體材質與冷卻水管材質相近，沒有防滲碳層和間隙層，使得鑄鋼冷卻壁的綜合導熱能力較鑄鐵冷卻壁有很大提升。因此，國外早在1982 年就開始研究開發鑄鋼冷卻壁以在關鍵部位取代鑄鐵冷卻壁，國內在“八五”和“九五”期間開始對鑄鋼冷卻壁進行了實驗性應用[1]，取得良好的效果，現已廣泛應用于爐腹到爐身中下部區域。截止2018 年，中冶華天已在國內外30 余座高爐設計了鑄鋼冷卻壁，大多數高爐應用效果良好，一代爐齡甚至一塊冷卻壁都未損壞。

1 鑄鋼冷卻壁的優勢

鑄鋼冷卻壁主要的優點主要有兩個方面，一是鑄鋼冷卻壁壁體材質的性能，二是冷卻水管與壁體熔合后的綜合導熱性能。

1.1 鑄鋼冷卻壁壁體材質的性能優勢

鑄鋼冷卻壁壁體為低碳鋼，相對于鑄鐵和銅的冷卻壁在物理性能上有其特別的優勢，三者物理性能對比詳見表1。

由表1 可見，在抗拉強度、伸長率和熔點方面,鑄鋼冷卻壁性能優于鑄鐵，鑄鐵優于銅；在導熱系數和抗熱疲勞方面，銅冷卻壁性能大大優于鑄鋼，鑄鋼優于鑄鐵；在硬度方面鑄鐵冷卻壁與鑄鋼接近，但大大優于銅。

表1 不同冷卻壁壁體物理性能表

抗拉強度決定了材料在熱應力作用下變形量的大小，冷卻壁壁體抗拉強度越大，其變形量越小，對冷卻水管的影響也就越小。伸長率和抗疲勞決定了材料在高溫及溫變過程中保持材料整體性能，尤其是不開裂的能力。硬度決定了材料的耐磨能力。導熱系數決定了材料的傳熱能力，導熱系數越高，冷卻壁的結渣能力越強，在高爐熔融帶，渣皮是冷卻壁自我保護的最有效手段。熔點決定了材料的工作部位，高爐爐腹、爐腰和爐身下部熱負荷較大，在該部位工作的冷卻壁必須要具有較高的熔點或高導熱系數。

綜合而言，鑄鋼冷卻壁壁體材質除在導熱系數及抗熱疲勞方面低于銅冷卻壁，其綜合物理性能優于鑄鐵冷卻壁，而且鑄鋼壁體內外成分基本無偏析，無相變生長，特別是低碳鋼具有特別地屈服現象，延伸率隨著溫度的升高而增加，它可使局部的熱應力重新分布，使應力集中處得到松馳，大大減緩了各種應力的破壞作用[2]。

1.2 冷卻水管與壁體熔合后的綜合導熱性能優勢

鑄鋼冷卻壁與鑄鐵冷卻壁在結構上最大的區別是鑄鋼冷卻壁壁體與水管之間為適度熔合，沒有鑄鐵冷卻壁壁體和水管之間的防滲炭層和氣隙層。圖1 鑄鋼冷卻壁剖面，圖2 鑄鐵冷卻壁剖面。

圖1 鑄鋼冷卻壁剖面

圖2 鑄鐵冷卻壁剖面

從剖面圖可以看出，鑄鋼冷卻壁壁體與水管結合為一體，鑄件剖面較光滑，鑄鐵冷卻壁壁體與水管間有明顯的分界，鑄件剖面較粗糙。這是因為冷卻壁多采用20#鋼水管，其含碳量與鑄鐵不同，為了防止壁體向水管滲碳，在水管表面需噴涂0.1～0.2 mm 的防滲炭涂料，澆注時因水管與壁體溫度和線膨脹率不同，以及噴涂料的收縮，在壁體和防滲炭涂料之間還會產生0.1～0.2 mm 的氣隙層。就是因為氣隙層和防滲碳層的存在，產生了巨大的熱阻，使鑄鐵冷卻壁的綜合導熱能力遠遠落后于鑄鋼冷卻壁，不同冷卻壁導熱性能對比見表2。

由表2 可知，制約球墨鑄鐵冷卻壁導熱的關鍵環節在于間隙層導致的熱阻，該部分熱阻占整個鑄鐵冷卻壁熱阻的75%；制約銅冷卻壁導熱的關鍵環節在水流和水管間的對流換熱熱阻，該部分熱阻占銅冷卻壁總熱阻的80%；制約鑄鋼冷卻壁導熱的關鍵環節在壁體導熱熱阻，該部分熱阻占銅冷卻壁總熱阻的60%[3]。

表2 不同冷卻壁導熱性能性能對比表

2 鑄鋼冷卻壁的主要問題

鑄鋼冷卻壁限制性環節主要在于其鑄造工藝，主要有兩個難點：

（1）鑄鋼澆注溫度高，鐵水流動性差。鑄件鐵水的流動性與其含碳量相關，含碳量越高流動性越好，鑄鋼冷卻壁含碳量較低，其澆注鐵水流動性不如鑄鐵冷卻壁，在澆注密排水管冷卻壁時需添加輕稀土和提高澆注溫度來提高其流動性。

（2）鑄鋼壁體與水管熔合率和熔合度較難把握。鑄鋼冷卻壁的澆注溫度約為1 560 ℃，高于鑄鐵約240 ℃，澆注時對溫度控制以及水管冷卻劑要求較高。澆注溫度低時，壁體和水管不能熔合或融合率低；溫度高時，壁體和水管熔合過度，使水管失去軋制鋼管優良的物理性能，導致水管變脆失去變形能力，冷卻壁壁體變形時連帶水管變形開裂。作者曾親臨現場調研漏水鑄鋼冷卻壁，根據現場打壓和觀察，認為漏水原因多為壁體與冷卻水管過度熔合導致水管本身失去強度所致。

3 鑄鋼冷卻壁的使用效果

目前，鑄鋼冷卻壁在國內各鋼廠上百座高爐得到應用，大多應用效果良好，但也有少數高爐鑄鋼冷卻壁出現了漏水，其主要原因是目前國內鑄造廠鑄造水平參差不齊，有些鑄造廠并未真正掌握鑄鋼冷卻壁鑄造工藝技術，作者曾在驗收冷卻壁時發現有鑄造廠澆注時將水管彎頭部分熔穿的現象，也有部分原因為高爐爐況和操作導致。但瑕不掩瑜，國內已有一些鑄造廠熟練掌握了鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝，鑄鋼冷卻壁作為一個升級換代的產品，從無到有，從有到普及，得到了發展。

中冶華天自2004 年在杭州鋼鐵2#高爐設計使用鑄鋼冷卻壁，到現在已在馬鋼、三鋼、中天、杭鋼、長江鋼廠、龍騰特鋼和天鋼聯合等30 余座高爐使用鑄鋼冷卻壁，除三鋼6#高爐爐身中部鑄鋼冷卻壁自投產后2 年開始出現大面積損壞外，其它高爐均使用情況良好，尤其是中天、杭鋼、龍騰特鋼和天鋼聯合等自投產至今幾乎未損壞一塊鑄鋼冷卻壁，壁體溫度長期穩定。圖3 為某鋼廠對爐腹、爐腰和爐身下部鑄鋼冷卻壁1 年的壁體溫度記錄，爐腹冷卻壁壁體溫度介于60～80 ℃之間，爐腰冷卻壁壁體溫度基本在75～90 ℃之間，爐身下部冷卻壁壁體溫度基本介于90～110 ℃之間，以上溫度反應出鑄鋼冷卻壁出色的導熱能力。

圖3 鑄鋼冷卻壁使用溫度

圖4為某鋼廠大修停爐后鑄鐵冷卻壁和鑄鋼冷卻壁使用對比圖，爐身中部的鑄鐵冷卻壁壁體基本消失，僅殘存冷卻水管，爐身下部的鑄鋼冷卻壁完好無損，反應出鑄鋼冷卻壁的機械性能在面對復雜的爐況條件時具有的強大優勢。圖5 為杭鋼2#高爐第一爐役結束后鑄鋼冷卻壁使用情況，該高爐第一代爐役9 年，風口以上共使用4 層鑄鋼冷卻壁，無一損壞，說明鑄鋼冷卻壁完全可以滿足高爐長壽化需要。

圖4 某鋼廠鑄鐵鑄鋼冷卻壁使用對比

圖5 杭鋼2#爐鑄鋼冷卻壁

4 結語

隨著鑄鋼冷卻壁在眾多高爐的成功應用實踐，鋼基的冷卻壁有了更廣闊的發展空間，作者以為鑄鋼冷卻壁今后可在以下方面繼續發展。

（1）鋼銅復合冷卻壁。該型冷卻壁以鑄鋼或軋制鋼板為骨架，部分輔以銅板、銅管等，其目的是將鋼的強度和耐高溫性能同銅的高導熱性能相結合。

（2）異形水管鑄鋼冷卻壁。該型鑄鋼冷卻壁的水冷管采用異形，如橢圓型水管，根據同樣的截面積圓的周長最小，異形水管可在不增加水量的情況下增加冷卻壁的比表面積，提高冷卻壁的換熱能力。

（3）軋制鋼板冷卻壁。該型冷卻壁以軋制鋼板為基礎，通過在鋼板鉆孔形成冷卻通道，通道外形可通過鉆孔調整，這種冷卻壁壁體具有更高的物理性能，比表面積調整的空間最大。