高炉铜冷却壁破损分析与处理

供稿|魏凯，李鑫，邹德胜 / WEI Kai, LI Xin, ZOU De-Sheng

高炉铜冷却壁破损分析与处理

Analysis and Processing of Copper Cooling Stave Damage of Blast Furnace

供稿|魏凯，李鑫，邹德胜 / WEI Kai, LI Xin, ZOU De-Sheng

内容导读

本钢新1号高炉有效容积4747 m3，炉腹至炉身下部采用铜冷却壁冷却，炉腰部位铜冷却壁在生产中渣皮稳定性差，脱落频繁，在生产不到6年后出现大面积破损，被迫多次休风，威胁到高炉安全生产。通过分析发现，炉腰铜冷却壁受到高温炉料、煤气流冲击造成磨损；操作制度造成软熔带根部过低；铜冷却壁应力影响渣皮等原因是冷却壁破损的主要原因。经过研究，提出了改用雾化冷却、插入微型铜冷却棒、炉皮强制打水等解决方案。改造后，保证了安全生产，取得了良好的效果，但如果从根本上解决破损问题，应空料线停炉更换冷却壁。

本钢新1号高炉是本钢最大的现代化高炉，有效容积4747 m3，2008年10月9日投产，实现了本钢炼铁厂高炉向大型化、现代化的改造。新1号高炉采用了先进的薄壁内衬理念，炉腹至炉身下部采用铜冷却壁冷却，依靠铜冷却壁热导率高的特点，通过在其热表面形成稳定渣皮来获得长寿。然而，生产实践却发现渣皮稳定性差、经常脱落，在生产不到6年后，铜冷却壁就出现破损，尤其是在炉腰部位破损尤为严重。因此，对铜冷却壁破损调查分析，分析铜冷却壁破损原因，提出应对措施，保障高炉长寿。

新1号高炉铜冷却壁基本情况

新1号高炉采用板壁结合的冷却方式，炉腹下部采用密集式八通道强化型铜冷却板渡，炉腹上部到炉身下部5层较高热负荷区域采用钻孔铜冷却壁，铜冷却壁结构参数见表1，铜冷却壁厚度120 mm，热面加工多个燕尾槽，燕尾槽间距107 mm，燕尾槽深度40 mm、燕尾槽宽度66 mm，以固结氮化硅结合碳化硅耐火材料，每块有4通道当量直径φ35 mm水道，通道间距210～230 mm。

新1号高炉炉体采用分区(并联)软水闭路循环冷却系统，炉体冷却水分为二层，Ⅰ系为炉底、炉缸冷却壁及冷却板供水，Ⅱ系为炉腹以上冷却器供水，一层与二层之间设有调节阀，在生产过程Ⅱ系冷却水流量基本在4800 m3/h左右。

新1号高炉铜冷却壁水管损坏及临时处理过程

新1号高炉从2014年5月26日开始发现8段冷却壁水管损坏，至今已发现19根水管损坏，分别分布在6块冷却壁上，水管漏和坏的位置均分布在8段135°方向和45°方向的6块冷却壁上，损坏情况是坏一根水管后以这根水管为基础扇形分布。平均每15天损坏一根冷却壁水管，为处理冷却壁水管损坏向炉内漏水共进行了12次休风。以发现8段冷却壁第一根86#水管损坏为例，5月24日丙班发现Ⅱ系补水每班2.4 t，期间对外部水管多次检查，没有发现漏点，水渣车间对软水也详细检查没有漏点，燃料比没有发现明显变化。5月26日热风炉故障休风后发现15#风口来水，检查风口小套、二套及火管没有漏点。5月27日乙班打压查漏确认86#水管坏，11:40改工业水。6月6日季度休风断层发现8段86#水管坏，从6月12日开始有3～4次断水现象发生，透开后发现水管中有一些生料(见图1)，期间高炉7次爆震， 6月16日休风将86#水管灌浆堵死。其余损坏水管处理为改通氮气＋水雾化冷却(水量0.5～1.5 t/h)。

表1 新1号高炉铜冷却壁(板)结构参数

图1 损坏冷却壁水管中发现的生料

新1号高炉8段冷却壁损坏原因分析

铜冷却壁磨损原因分析

本钢新1号高炉铜冷却壁在使用5年8个月后出现大面积破损，主要原因是磨损，最大磨损量67 mm，局部出现冷却水通道暴露、甚至铜冷却壁部分烧损。通过对2014年年修时安装柱状冷却器时钻取的冷却壁铜块样的位置和厚度分析，破损主要发生在炉腰下部，具有明显区域性，铜冷却壁破损与下列因素有关。(图2为2014年11月11日年修安装柱状冷却器时所钻取的铜块样的剩余厚度，其中1为正常冷却壁厚度)。

图2 不同部位剩余冷却壁厚度

(1) 新1号高炉由于施工原因，造成称量罐中心线与高炉本体中心线偏离5 cm左右，因此高炉在布料时产生偏析现象，导致高炉90°和270°方向偏料现象严重，最大时90°方向比270°方向料面低到1 m以上，严重影响了高炉煤气流的分布，45°到135°方向气流要明显强于对面方向，过强的气流导致这个区域的冷却壁磨损严重。

(2) 铜冷却壁挂渣容易，要求渣皮具有良好稳定性，避免铜冷却壁直接受到高温煤气流、渣铁接触冲击，但实际生产中受高炉顺行、原燃料波动等情况的影响，渣皮均匀性变差，容易脱落。同时，炉腹形状为上大、下小，下部截面收缩，承受炉料冲击作用力逐渐增大，煤气冲刷作用逐渐减弱，炉腹下部使用5层铜冷却板，铜冷却板之间砌筑耐火材料有利渣皮稳定；炉身下部虽然也是高热负荷区域，但其形状为上小、下大，炉料冲击作用力逐渐减小，煤气冲刷作用逐渐增大；炉腰形状为直段，向上的煤气流和向下的炉料的碰撞点都集中在炉腰部位，因此炉腰部位的冷却壁磨损最大。

图3 135°方向7段—9段电偶温度趋势图

操作制度的影响

新1号高炉从2009年年修失常开始，为了确保高炉顺行，采用中心加焦料制，保证较强的中心气流，其操作软熔带应为“∧”型，软熔带根部过低，炉腰铜冷却壁长期处于干区，易导致该区域冷却壁不耐冲刷磨损，同时在炉况波动、渣皮频繁脱落和炉温的大幅波动的情况下，铜冷却壁在热震下极易产生金属疲劳和裂纹[1]。图3为2014年1月1日至2014年5月30日8段冷却壁水管损坏前45°～135°方向壁体电偶温度趋势图，通过此图看出，生产中铜冷却壁的壁体温度始终处于不稳定状态，而且温度较低，说明渣皮也处于不稳定状态。

铜冷却壁应力对渣皮的影响

铜冷却壁热面温度与冷却水之间温差可能引起冷却壁发生挠度变形，在同等热负荷下，铜冷却壁越高挠度越大[2]。以煤气温度1200～1400 ℃、冷却水温度35 ℃作为基础条件，采用ANSYS软件对铜冷却壁非稳态传热分析，计算出不同冷却壁高度，在不同热负荷条件下所产生的挠度(见表2)。例如，当热流强度达到180 kW/m2时，铜冷却壁高度分别为2000 mm、2400 mm、2850 mm和3150 mm时，其挠度对应值分别为14 mm、20 mm、28 mm和34 mm，新1号高炉8段铜冷却壁高度为2730 mm，挠度就接近1%，大的挠度变形会导致渣皮脱落、甚至铜冷却壁出现应力裂纹。

新1号高炉8段冷却壁损坏处理办法

冷却壁损坏的水管通氮气加水雾化

对损坏冷却壁的水管改通氮气冷却，为增加氮气的冷却强度，在氮气管上设置3 个喷雾喷嘴，向氮气管内喷水雾化。雾化后的水，随氮气进入冷却壁后，由于粒径较小，易蒸发，从而吸收蒸发潜热，增加冷却能力，见图4。目前部分高炉铜冷却壁损坏，就采用了这种处理方式， 冷却效果较好。此方案适合单块冷却壁损坏1根或多根水管，该冷却壁并未失效，仍能工作。现在新1号高炉损坏的冷却壁水管基本上采用这种方法。

表2 铜冷却壁高度与热负荷、挠度对应关系

图4 铜冷却壁水管雾化冷却示意图

插入微型铜冷却棒

微型铜冷却棒是在由于冷却壁破损漏水造成冷却壁冷却强度不足，影响渣皮形成的情况下对冷却壁冷却强度的一种弥补。使用微型铜冷却棒的前提是该区域能够形成渣皮。采用插入微型铜冷却棒的方式修复，不需要采取控料线等措施，高炉休风即能施工，对高炉整体损害小。目前新1号高炉利用年修对损坏的4块冷却壁加装了35根微型铜冷却棒，效果良好。

炉身钢甲打水

采用水箱安装在炉皮钢甲上或用水管加喷头向炉皮打水。目前新1号高炉采取此项措施对炉身钢甲进行打水，确保炉身钢甲强度。现在新1炉炉身钢甲温度及冷却壁电偶温度都控制在正常范围。

控料线更换冷却壁

更换8段铜冷却壁一般控料线都需要控到风口中心线以下。到目前为止，国内的4000 m3以上大高炉还没有控料线更换8段铜冷却壁的先例，国内只有宝钢3#高炉(当时炉容4350 m3)降料线更换炉身上部冷却壁两次，但为了新1号高炉的长期稳定顺行，有望近期控料线更换冷却壁。

结论

(1) 合理的煤气流分布是减少冷却壁磨损的必要条件。

(2) 提高操作水平，减少炉温波动，增加渣皮的稳定性，为减少冷却壁损坏提供了保障。

(3) 为了减少偏料程度，新1号高炉准备从风口布局上再做调整，对45°～135°区域内的风口调大，225°～315°区域内的风口调小，必要时可加长风口(690cm→720cm)，从根本上使煤气流趋于均匀状态，减少冷却壁的磨损。

(4) 目前采取的这些举措只是减缓冷却壁水管的损坏，如果从根本上解决，必须控料线更换冷却壁。

[1] 朱仁良, 居勤章. 铜冷却壁高炉操作现象及思考. 炼铁. 2012, 31(4): 10

[2] 王宝海. 鞍钢3号高炉铜冷却壁破损调查. 炼铁. 2014, 33(3): 35

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.06.16

魏凯，工程师，本钢集团公司炼铁厂新1号高炉车间工艺专责。

本溪钢铁集团有限公司炼铁厂，辽宁 本溪 117000

李鑫，高级工程师，本钢集团公司炼铁厂新1号高炉车间车间主任。

邹德胜，工程师，本钢集团公司炼铁厂新1号高炉车间生产主任。