高炉冷却设备归总与分析

邬　鹏

（内蒙古包头钢铁（集团）有限责任公司包钢炼铁厂设备部，内蒙古包头　014000）

高炉冷却设备归总与分析

邬鹏

（内蒙古包头钢铁（集团）有限责任公司包钢炼铁厂设备部，内蒙古包头014000）

高炉炼铁生产是冶金（钢铁）工业最主要的环节，高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。高炉用的冷却介质有：水、风、汽水混合物等。最普遍用的是水。冷却设备有冷却壁，冷却水箱等。冷却壁是高炉内衬的重要水冷件，安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位，不但承受高温，还承受炉料的磨损、熔渣的侵蚀和煤气流的冲刷，必须具备良好的热强度、耐热冲击、抗急冷急热性等综合性能。冷却水箱也叫冷却板，是埋设在高炉衬砖之内的冷却器。

冷却介质冷却壁冷却水箱

高炉炼铁生产是冶金（钢铁）工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。

1　冷却水质

高炉用的冷却介质有：水、风、汽水混合物等。最普遍用的是水，它导热率大，热容量大，便于运送，成本便宜。风比水导热性差，在热流强度大时冷却器易过热，故多用在冷却强度不太大的地方。使用风冷的成本比水贵，但安全可靠，故高炉炉底多用空气冷却。用汽水混合物冷却的优点是，汽化潜热较大，可以大量节省水，又可回收抵押蒸汽，在高炉上正在大量使用。水冷设备有喷水冷却，冷却壁和冷却水箱等专用冷却设备，也有风口、渣口、热风阀等专用设备的冷却。

1.1一般概念

（1）高炉冷却对水质的要求为：不含有机械杂质、悬浮物不超过200毫克/升，暂时硬度不超过10°（德国度）。（2）水的硬度：天然水中含有钙、镁、盐类等水垢生成物的含量。一般重碳酸盐、氯化物和硫酸盐等，构成了水中的硬度。一、暂时硬度：就是指水中含有重碳酸盐的含量。二、永久硬度：就是指除去重碳酸盐的其它盐类。三、总硬度：就是指暂时硬度与永久硬度之和。湖水硬度小一些，地下水硬度高一些，一般用暂时硬度衡量水的硬度。（3）水的硬度单位：德国度（°H）简称度。即在10000份水中含有1份氧化钙或氧化镁为一度。也就是1升水中含有10毫克的氧化钙或氧化镁为一度。（4）水的硬度分类：硬度 0～4° 4～8° 8～16° 16～30° ＞30°；性质 很软水 软水 中等硬水 硬水 很硬水；对水系统要求新水暂时硬度≯15°H，循环水≯8°H。（5）软化水：就是人为地以某种程度从水中除去了钙镁盐类，如用Na离子交换器置备软水。

1.2优缺点

高炉技术进步的特点，表现为高炉炼铁已发展成为较成熟的技术。从近几年高炉技术进步的发展方向看，突出的特点是大型化、高效化和自动化。因此采用较为先进的高炉冷却技术具有较大的吸引力，成为争相探讨和研究课题。

（1）采用软水密闭循环冷却系统最佳。因为：一、软水密闭循环系统的冷却可靠性好。冷却的可靠性，是衡量冷却系统优劣最重要的标准。不结垢，可以长寿。二、水量消耗少。软水密闭循环冷流系统中，没有水蒸发损失，流失也极小。水泵的轴封处的流失是系统的主要流失点，流失量是系统总容积的1‰补水量，故水量消耗是极少的。三、动力消耗低。闭路系统与开路系统不同，其水泵的工作压力取决于膨胀罐内N2压力，而水泵扬程是由系统的管路阻力损失决定的，冷却水的静压头能够得到完全的利用。四、管路腐蚀小。因为它是闭路，空气进不去。因此，软水密闭循环冷却系统是一种比较经济的冷却方法。（2）汽化冷却分为两种循环方式：自然循环和强制循环。一、汽化冷却的优点：冷却介质为软水，可防止结垢。自然循环需要动力，在停电情况下仍能继续运行。二、汽化冷却的缺点：冷却设备在承受大而多变的热负荷冲击下容易产生循环脉动，甚至可能出现膜状沸腾，致使冷却设备过热而烧坏。汽化冷却时，冷却壁本体的温度比水冷时高，缩短了冷却壁的寿命。水冷却的冷却壁本体的最高温度已接近珠光体相变的温度。铸铁在760℃时，珠光体发生相变，使铸铁机械性能急剧变坏，因此使冷却壁寿命缩短。（3）工业水冷却的优点是传热系数大，热容量大，便于输送，成本便宜。工业水冷却的致命弱点是水质差，容易结垢而降低冷却强度，导致烧坏冷却设备，水的循环量大，能耗大。（4）喷水冷却，结构轻便简单易行。我国大中型高炉多作为备用冷却手段，小高炉用的较多。目前国外一些极薄炉墙或大中型高炉下部，有采用炉壳内砌碳砖，以喷水作为唯一冷却手段，效果也不错。

1.3冷却原理

冷却水通过被冷却的部件空腔，并从其表面将热量带走，从而使冷却水的自身温度提高。

（1）自然循环汽化冷却工作原理：利用下降管中的水和上升管中的汽水混合物的比重不同所形成的压头，克服整个循环过程中的阻力，从而产生连续循环，汽化吸热而达到冷却目的。（2）软水密闭循环冷却工作原理：它是一个完全封闭的系统，用软水（采用低压锅炉软水即可）作为冷却介质，其工作温度50～60℃（实践经验40～45℃）由循环泵带动循环，以冷却设备中带出来的热量经过热交换器散发于大气。系统中设有膨胀罐，目的在于吸收水在密闭系统中由于温度升高而引起的膨胀。系统工作压力由膨胀罐内的N2压力控制，使得冷却介质具有较大的热度而控制水在冷却设备中的汽化。（3）工业水开路循环冷却工作原理：由动力泵站将凉水池中的水输送到冷却设备后，自然流回凉水池或冷却塔，把从冷却设备中带出的热量散发于大气。系统压力由水泵供水能力大小控制。（4）外部喷淋的工作原理：用于高炉外部喷淋式降温。

1.4方式

目前国内高炉采用的冷却方式有四种：（1）工业水开路循环冷却系统；（2）汽化冷却系统；（3）软水密闭循环冷却系统；（4）外部喷淋。

1.5目的

高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件。高炉常用的冷却介质有：水、风、汽水混合物。根据高炉各部位工作条件，炉缸、炉底的冷却目的主要是使铁水凝固的1150℃等温面远离高炉壳，防止炉底、炉缸被渣铁水烧漏。而炉身冷却的目的是为了保持合理的操作炉型和保护炉壳。

2　冷却壁

高炉冷却壁是高炉内衬的重要水冷件，安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位，不但承受高温，还承受炉料的磨损、熔渣的侵蚀和煤气流的冲刷，必须具备良好的热强度、耐热冲击、抗急冷急热性等综合性能。冷却壁能有效地防止炉壳受热和烧红，高炉内衬砖被烧蚀后主要靠渣皮保护冷却壁本身，并维持高炉的安全生产。因此，冷却壁的材质及性能好坏决定其工作寿命乃至高炉炉身的寿命。

根据国内高炉状况，大多数球墨铸铁不能很好满足高炉长寿的需要， 如铜冷却壁性能虽好， 但造价太高，目前还不能被企业大量应用。由于钢具有延伸率高，抗拉强度高，熔点高，抗热冲击性及整体导热性能好等特点。因此钢冷却壁的应用， 对我国高炉长寿还是有现实意义。

2.1钢冷却壁在包钢高炉的应用和研究结果已经表明了钢冷却壁的技术特点

（1）具有优于球墨铸铁冷却壁的材料性能，同样使用工况下的使用寿命比球墨铸铁冷却壁长。（2）传热效率略高于球墨铸铁冷却壁。（3）由于采用机械加工方式，钢液的铸造流动性好于球墨铸铁，钢冷却壁的厚度可以比球墨铸铁减小一些， 这样有利于减少设备投资和扩大高炉冶炼空间。

2.2钢冷却壁存在下述缺陷

（1）传热效率的提高（这种提高的程度有限）主要是依靠冷却水流动状态的改变实现的，从现代超高冶炼强度长寿高炉的需要来看，钢冷却壁的传热效率仍显不足。（2）钢冷却壁的寿命延长主要是改善了冷却壁本体金属的材料性能所致（韧性及其相关的方面）冷却壁与砖衬之间的热传递效率没有得到根本的改观，对于降低砖衬耐火砖的侵蚀速率、延长耐火砖的使用寿命、提高高炉中部（有炉衬工作时间）没有产生明显的有益效果。（3）在达到一定温度时，钢的导热系数基本上与球墨铸铁相同，冷却壁热面上的渣皮生成条件没有改观。（4）轧制钢坯上镗成的冷却水通道存在的直角，虽然提高了冷却水的传热系数，改善了冷却壁边角部的冷却，但也同时增加了冷却水的局部阻力损失。（5）铸入铸钢内部的冷却水管虽然避免了渗碳问题，但水管表面出现局部熔化粘结的可能性仍然存在， 在水管与冷却壁本体金属之间存在的温差应力将有害于水管的正常寿命。（6）铸钢的组织致密度较低，基体导热性能比球墨铸铁无明显提高。虽然钢冷却壁存在上述的缺陷， 但仍然不失为一种优于球墨铸铁做基体材料的高炉镶砖冷却壁。

2.3铸钢冷却壁的生产制作的核心难点

就是如何解决铸钢冷却壁在浇注过程中冷却水管不被熔穿，不变形，并且使基体与冷却水管之间熔合良好，无间隙，无热阻层，我们采取的主要措施和技术原理如下：

（1）利用熔合内冷却铁热平衡原理，依据公式G冷=fv0ρ冷（M0-Mr）/M0计算出内冷铁的重量，合理设置螺旋内冷铁的型式、尺寸，以改变铸钢冷却壁的温度场，降低浇注时冷却水管表面的钢水温度。（2）应用传热学原理，吹入超低温气体，改变冷却水管周围的温度场分布，提高冷却水管强度，避免产生变形。（3）冷却水管表面不需涂刷任何防护涂料，如果使用反而会极大地影响铸钢冷却壁的整体导热性能。（4）严格控制浇注温度和浇注时间。浇注温度和浇注时间选择不当，就会直接造成冷却壁水管被熔穿和变形。我们在制作中，经过理论计算并经实际验证浇注温度控制在1510--1550℃，浇注时间46s。（5）合理开设浇冒系统，要避免钢水通过内浇口直接冲刷冷却壁内铸水管。（通过采用这些工艺措施，我们克服了球铁冷却壁冷却水管和基体材料间存在气隙热阻层、壁体导热性差的难题，解决了铸钢冷却壁内铸冷却水管易熔穿变形等技术难题。）

2.4铸钢冷却壁的主要技术性能指标如下

（1）通球率为钢管内径的0.76倍，达到球铁冷却壁的部颁的通球率标准。（2）在1.0MPa水压下进行压力试验，无任何泄压和渗漏现象。（3）机械性能检验：σb≥410MPa，δ≥30%，芯部δ≥20%。（4）解剖检查：内铸冷却水管、基体、螺旋内冷铁之间熔合良好，无间隙，无热阻层，保证了整体导热性能优良，导热系数λ=51.9W/m.℃。

3　冷却水箱

冷却水箱也叫冷却板，是埋设在高炉衬砖之内的冷却器，材质上以铸铁居多，铸钢的、钢板焊的也有，以前则多用青铜铸成内部水路以铸入水管的较多，也有空腔的、隔板的等。在外形上有扁平卧式的，也有支梁式的（实际是楔形冷却水箱）。

冷却水箱一般也是用HT15-33铸成，卧室的厚度为75～110mm，内铸钢管的管径为44.5mm，壁厚为6mm的冷拔无缝钢管。安装时距炉内砖衬工作表面的距离为：炉身上部230mm、炉身下部345mm。冷却水箱上下有填充层以允许砖衬膨胀。这种冷却器冷却强度大，故可以维持较厚的砖衬，它插入砖衬中，故和砖的接触面较大，冷却效果好，同时也能支承砌体。其方式多用密闭式。冷却水箱固定在炉壳上，虽然采用了交错布置的排列方法，但插入密度仍不宜过大，以免影响炉壳的强度。为了防止从冷却水箱周围漏煤气而采用了密封装置，简单的办法就是把冷却水箱插入固定在炉壳上的支架外壳之中，其间隙填充用石棉加水玻璃。有的高炉在炉墙从薄变厚处，或在炉腹和炉腰之间，或在炉腰和炉身之间，紧密的布置一层不可更换的冷却片。相互的间隙只有20～40mm，以保护炉缸支柱上的炉腰支圈。支梁式冷却水箱可以起到更好的支撑砖衬的作用，而且冷却水箱本身就有与炉壳固定的法兰圈，所以密封性好。缺点是冷却强度不大，故多用于炉身上部。

4　结语

综上所述，冷却壁与冷却水箱相比，冷却壁的优点是，冷却均匀炉墙光滑。下料阻力小，炉壳完整，故强度与密封性好。而冷却水箱的优点是，冷却强度大而且深入，可以支撑耐火砖衬，可更换，且外层水管损坏时水管尚可工作，重量较轻。

［1］冶金设备介绍——高炉冷却.中国冶金行业网，2012.12.24.

［2］炼铁之窗——包钢炼铁厂，内部刊物，2013.4.

邬鹏（1985—），男，内蒙古乌海人，本科，毕业于内蒙古工业大学，助理工程师，研究方向：设备管理，运营，维护，检修，调试，工程概预算，审核。