(武钢)高炉冷却技术与高炉长寿

高炉冷却技术与高炉长寿武钢研究院宋木森•高炉冷却与高炉寿命密切相关，高炉冷却设备的设计，冷却方法，冷却设备的结构，冷却水质，水温，水量，冷却水的管理及高炉操作维护等很大程度决定着高炉的寿命。现就武钢的高炉冷却技术的进步谈谈对这些问题的看法。•1、高炉冷却技术的改进及效果•1.1高炉炉腹以上冷却设备设计改进过程及应用效果•1）80年代以前，炉腹以上用灰铸铁冷却壁，炉身上部用支梁式冷却水箱，炉腰有冷却板托圈。炉腰和炉身砌有800-1400mm厚的砖衬，这种结构应用效果很差，炉身上部砖衬易脱落，炉身中上部经常发生炉壳发红、开裂、漏煤气，3-5年必须中修。图1炉身下部厚壁结构图2号高炉第二代炉身结构•2）80-90年冷却设备的改进：冷却壁改为带勾头的灰铸铁冷却壁，取消支梁式水箱，炉身下部冷却壁采用双层水管冷却，提高了冷却壁的高度，达12-13段，还采用过球墨铸铁冷却壁，托圈以上采用新研制的浸磷酸粘土砖、微孔铝炭砖、炭砖，甚至采用碳化硅砖和氮化硅结合碳化硅砖。图393年武钢4号高炉中修内衬砌筑图•应用效果：炉身上部的砖衬寿命明显延长，基本消除了砖衬过早损坏、炉壳开裂、发红等现象。但炉身中下部至炉腹的寿命仍然很短，即使全部用碳化硅砖，3-5年必须中修。损坏较快的原因是冷却强度太小，冷却壁很容易烧坏，炉身中下部至炉腹区间是炉渣形成的区间，炉渣侵蚀严重。K、Na、Zn等有害物高富集区，强侵蚀的区间，从而认识到该区域仅依靠耐火材料的改进不可能获得长寿。•3）90年以后，武钢5号高炉建设冷却设备的改进：炉腹至炉喉全部采用镶砖冷却壁，取消了炉腰脱圈，炉腰以上中部带凸台的冷却壁结构，最上部一段冷却壁（16段）采用光面冷却壁，内部不砌砖衬的新型结构。水管直径加大，由原44.56mm改为706mm，冷却水由工业水直排方式改为软水密闭循环冷却技术，砖衬改为340mm碳化硅结合碳化硅砖的薄壁炉衬。图44号高炉第三代炉体结构图•应用效果：这次改进，高炉炉腹以上的寿命大大延长，使武钢高炉寿命中间不中修首次达到15年9个月的先进水平。•从生产中观察，炉腰以上的高炉砖衬仍然在2-3年内全部侵蚀光，以后的13年全靠冷却壁维持正常生产。分析高炉寿命延长的原因有：•a、冷却水管直径加大，由44.56mm→706mm，水量达4000-5500m3/h，后期最大5800m3/h，水速1.5-2.5m/s，保证了足够的冷却强度；•b、软水密闭循环冷却技术的正确运用，消除了水中杂物和水垢的产生，始终保持良好的冷却效果；•c、球墨铸铁冷却壁制造质量良好；•d、高炉操作维护制度、冷却水运行管理制度合理，管理严格。图5冷却壁破损情况•4）2001年以后冷却壁的改进•从2001年1号高炉第3代大修改造，炉身冷却壁作了较大改进：•a、炉腹到炉喉仍然全部采用镶砖冷却壁；•b、冷却壁镶砖改为冷却壁燕尾槽相配合的冷镶砖，镶砖后冷却壁表面形成厚150mm的满铺砖衬，冷却壁内不另砌砖，炉身成为砖衬厚度仅为150mm的薄壁炉衬。这是根据5号高炉炉身砖衬侵蚀光以后，靠球墨铸铁冷却壁维持13年正常生产的经验，得出的新型炉身结构；•c、炉身下部、炉腹、炉腰采用铜冷却壁：根据5号高炉和4号高炉大修调查结果，球墨铸铁冷却壁的破损速度和破损情况，在操作维护好的情况下，只能满足10-15年的高炉寿命要求，进一步延长高炉寿命达到15-20年，球墨铸铁冷却壁已不能满足要求，因此在炉身下部、炉腰、炉腹处采用2-4段铜冷却壁，武钢1号、6号、7号、4号、5号、8号都采用了这种结构，设计寿命为15-20年。图6武钢5号高炉第二代内型剖面图•1.2冷却水水质的改进•1991年以前武钢高炉30多年都是采用长江的水作为冷却水，水中杂物多，易形成水垢，严重影响冷却效果，调查发现水垢厚达5-6mm，水管腐蚀严重。还在4号高炉采用过汽化冷却，寿命很短。•1991年5号高炉建设，开始引进了卢森堡的软水密闭循环冷却技术，自己通过较长时间的摸索形成了软水闭路循环运行管理制度，较好地掌握了软水密闭循环运行管理技术，在确保高炉长寿中发挥了重要作用。•1.3炉缸炉底冷却设备设计改进•1）炉缸冷却壁1991年以前30多年都采用灰铸铁平板冷却壁，工业水冷却，水管直径44.56mm的无缝钢管。在这段时间高炉寿命主要是炉身破损太快，3-5年一中修，炉缸问题不突出，只是在高炉后期砖衬侵蚀严重时，高炉大修前出现热流强度过高，冷却强度不足（12000千卡/m2时），一般情况下炉缸冷却没有出现冷却能力不足。•2）炉底冷却：早期60年代炉底不冷却，69年以后3号高炉采用过风冷，70年以后4号高炉开始采用水冷却，炉底水冷管采用10210mm的无缝钢管，5根并联成一组，60根水管并联成12组。水量440m3/时，水压0.43MPa，以后新建的高炉都采用水冷。•3）水冷管设置在高炉密封板上面，埋在炭素捣料层中。国内多数高炉将水冷管设置在密封板下部，以防止漏水。其实这种担心是多余的，武钢1991年开始使用炉底水冷管都是设在密封板上面，从未出现过问题，大修拆炉时水管仍完好无损。•4）炉缸冷却壁的改进•随着高炉冶炼强度的提高，炉身寿命延长，高炉寿命的关键问题移到了炉缸，如何延长炉缸的寿命成为重点问题，采取改进强化炉缸冷却是首先想到的措施。•武钢91年新建5号高炉开始采用软水密闭循环冷却技术，水管由44.56mm改为706mm的无缝钢管，冷却壁材质采用球墨铸铁冷却壁。水量4000-5800m3/时，使用效果很好，保证了高炉炉缸正常工作16年，其中未发现炉缸热负荷过高，炉缸炭砖温度过高的现象。5号高炉大修时调查结果，炉缸炭砖残存厚度最薄处仅280mm，说明该高炉已到了应该大修的年龄。•2000年以后设计的高炉考虑到高炉冶炼强度提高，炉缸侵蚀加剧，高炉设计寿命进一步提高到20年，还应进一步加强冷却，炉缸2-3段冷却壁采用了铸铜冷却壁。•2、球墨铸铁冷却壁制造技术简介•武钢研究院和武钢机制公司合作开发出QT400-20球墨铸铁冷却壁在武钢5号、4号高炉上成功应用，高炉寿命达到10-15年9个月的先进水平，目前已销售到国内多家钢铁厂并销售到欧洲多国、巴西等国家。有以下几项技术：表1球墨铸铁化学成分要求CSiMnPSMg残Re残3.0-3.71.6-2.20.20.070.020.5-0.070.02-0.035•2)球化处理工艺先进•采用一种长效复合球化剂，含重稀土、镁、钡、硅、钙、铁等元素的球化剂，具有白口倾向小，脱硫、脱氧能力强和抗球化衰退能力强等优点。•3）冷却壁水管防渗碳技术先进•冷却壁铸造过程中高温铁水与水管接触会产生渗碳，其后果是使水管脆性增加，当冷却壁变形、弯曲时，水管断裂漏水。因此制造冷却壁时要求对水管进行防渗碳处理。武钢研制的防渗碳方法具有很好的防渗碳效果，可以达到几乎不渗碳的效果。•4）水管弯制技术：武钢机制公司有专用弯管机，可以保证弯曲部位椭圆度不大于14%，壁厚减薄率不大于15%。•5）特殊的热处理技术：增加冷却壁中心的延伸率和消除铸造产生的内应力。•6）冷却壁材质性能要求•力学性能按国家标准取大样（20070150mm）拉力强度380MPa，延伸率20%，金相组织：铁素体含量90%，石墨球化级别1-3级•7）质量检验：对外形尺寸、表面质量，检漏试验、通球试验等按标准规定进行图7镶砖球墨铸铁冷却壁图8镶砖铜冷却壁•3、铸铁冷却壁的破损原因分析•3.1制造质量•4号高炉用球墨铸铁冷却壁比5号高炉球墨铸铁冷却壁的力学性能有明显降低，是两座高炉寿命的原因之一。表25号高炉球墨铸铁冷却壁力学性能段名σb(N/mm2)δ(%)MaxMin平均MaxMin平均第1段50039543926.117.121.8第2段485410463.5251721.3第3段480405438.8261721.5第4段480405438.825.11720.8第5段515400438.827.51720.9第6段515395450.824.818.121.3第7段486398432.224.21720.6第8段460395422.824.817.221.3第9段465390425.526.217.221.7第10段470390430.224.817.121第11段49040043424.71720.2第12段48039042527.41821.5第13段49539543126.117.420.9第14段465400422.224.21720.5第15段470395439.324.417.120.4第16段490405445.7261720.5第17段49041043726.71720.5总体43621表34号高炉4-16段冷却壁力学性能段名抗拉强度σb(N/mm2)延伸率δ(%)σb标准σbMaxσbMin平均σbδ标准δMaxδMin平均δ第4段≧370470370404≧12261219.2第5段≧370505370398≧12281219.7第6段≧370440370394≧12261219.6第7段≧370445370410.5≧12271221.3第8段≧370430375398.5≧12261221.5第9段≧370425370388≧12261220.7第10段≧370480370398≧12281220.2第11段≧370465385411.8≧12251221.2第12段≧370435370405.8≧12271219.6第13段≧370470370403.7≧12261218.9第14段≧370450370400.9≧12261218.7第15段≧370485370403.8≧12251219.3第16段≧370455370401≧12271219.6平均401.120外层金相组织：拉力强度373MPa中层金相组织：拉力强度333MPa延伸率19.23%铁素体含量90%延伸率7.0%铁素体含量75%图9冷却壁金相组织图10石墨形态图11金相组织•3.2冷却壁受温度影响•温度过高，温度急剧波动产生疲劳应力，高温气流和炉料磨损是冷却壁破损的直接原因。•4000C以上拉力强度迅速下降，延伸率升高，可见温度不能超过4000C.表4球墨铸铁高温下的力学性能性能σb/MPaσ0.2/MPaσ5/%/%温度0C3153802401519350400255142340040030514194503852551018500325270113255026019514316001801321537650153115143570096632045750573924553.3炉料磨损高温气流、炉料磨损是重要破损原因，5号高炉磨损速度，见下表。表4冷却壁的残存厚度（取样断口）/mm冷却壁段号切口左边中心切口右边原始厚度最大侵蚀厚度152402402402400112252252252401591601651652408081501551402401007180180170240704、铸铜冷却壁的应用铸铜冷却壁内铸入无缝钢管，也可铸入铜管，武钢用的铸铜冷却壁是铸入706mm10号无缝钢管。武钢铸铜冷却壁的理化性能指标要求见下表：CuPSMnPbFe导热率W/mK99.50.020.00050.0050.0050.01270•铸铜冷却壁的导热率略低于轧制铜冷却壁，轧制铜导热系数360W/mK，铸铜300W/mK，轧制铜冷却壁水管出口都为焊接，容易发生漏水事故，铸铜冷却壁则没有这样的缺陷。•武钢将铸铜冷却壁用于炉缸2-3段冷却壁，对炉缸蘑菇侵蚀区进行强化冷却，以延长炉缸寿命。该部位热流强度远低于炉腹和炉身下部，用铸铜冷却壁冷却能力已足够，因此不用轧制铜冷却壁，制造价格相对较低，预计炉身中部用铸铜冷却壁也很合适。•5、其他材质冷却壁•1）武钢在炉缸和炉身上部使用过低铬铸铁冷却壁，在灰铸铁基础上加入0.5-1.0%的Cr，型号为RT-Cr，加Cr后其他性能和GDT-94型灰铸铁相同，加Cr冷却壁性能没有改进，使用效果无改进，