高爐鑄銅冷卻壁詳細(xì)介紹

1、高爐鑄銅冷卻壁(日) 等摘要 日本鋼管公司在試驗(yàn)運(yùn)行10多年的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了鑄銅冷卻壁，適合于高產(chǎn)、高燃料比或高噴煤比的高爐使用。關(guān)鍵詞 冷卻壁 高爐 爐腹 鑄銅1 前言耐材和冷卻系統(tǒng)的進(jìn)步使高爐能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)壽。近來(lái)日本有一座內(nèi)容積大于4000m3 的大型高爐壽命已經(jīng)超過(guò)了20年。此外，許多高爐高利用系數(shù)、高噴煤比操作，或者為了回收大量高爐煤氣采用高燃料比操作，造成邊緣煤氣流過(guò)分發(fā)展，爐墻特別是爐腹承受著很高的熱負(fù)荷。在這些情況下，日本鋼管公司與后藤合金公司在80年代初開(kāi)發(fā)了目標(biāo)壽命超過(guò)20年的新型鑄銅冷卻壁（短冷卻壁），并在京濱1號(hào)高爐及其它高爐安裝。本文敘述了高爐操作與普通鑄鐵冷卻壁損壞之間的

2、關(guān)系，爐腹長(zhǎng)壽冷卻壁的設(shè)計(jì)概念，以及新的鑄銅冷卻壁的開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)。2 背景2.1 日本鋼管公司高爐設(shè)備及操作日本鋼管公司高爐的冷卻系統(tǒng)在爐身是以銅冷卻板，爐腹是以鑄鐵冷卻壁為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。福山4號(hào)高爐（第2代）在1990年停爐前爐腹冷卻壁在超過(guò)12年的運(yùn)行中從未發(fā)生過(guò)明顯的損壞。然而在90年后期，京濱1號(hào)高爐（第2代）和福山4號(hào)高爐（第3代）投產(chǎn)僅7年已經(jīng)有一些冷卻壁中的冷卻水管斷裂了。這些現(xiàn)象是由于操作條件改變，采取了高利用系數(shù)、高燃料比或高噴煤比操作等造成的。表1列出了京濱1號(hào)高爐和福山4號(hào)高爐設(shè)備的概況，圖1表示了這些高爐的操作實(shí)績(jī)。表 1 京濱1BF 和福山4BF 設(shè)備概況K-1BF（第二

3、代）F-4BF（第三代）開(kāi)爐日期1989年11月1990年6月內(nèi)容積,m349074288爐缸直徑，m風(fēng)口數(shù)目4040噴煤設(shè)備能力t/h5272圖1 K-1BF、F-4BF 操作的變遷在京濱2號(hào)高爐1990年停爐以后，1m3 的高利用系數(shù)下操作，并且由于全廠能源平衡要求在高燃料比條件下操作，福山4號(hào)高爐從1994年起一直在噴煤比超過(guò)150kg/t 的條件下操作。圖2表示京濱1號(hào)高爐冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。與公司其它高爐一樣采用鑄鐵制造的爐腹冷卻壁，共安裝了180 塊冷卻壁(60 塊×3 段)。圖2 K-1BF 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2 京濱1號(hào)高爐鑄鐵冷卻壁的破損調(diào)查圖3（略）表示京濱1號(hào)高爐拆下

4、的鑄鐵冷卻壁照片。在整個(gè)冷卻壁本體上觀察到許多裂縫和大量磨損，最大變形達(dá)70mm。2.3 冷卻壁的損壞機(jī)理用煤氣流和傳熱二維模擬模型研究了操作條件對(duì)爐腹熱負(fù)荷的影響。表2列出了計(jì)算條件，并在（圖4）略中表示了距風(fēng)口中心線1m 高度上煤氣溫度和煤氣流速的水平分布的計(jì)算結(jié)果。表 2 模擬研究計(jì)算條件條件-1(基準(zhǔn))條件-2條件-3利用系數(shù),t/d·m3燃料比,kg/t500550500煤比,kg/t100100200在高利用系數(shù)和高燃料比操作時(shí)，由于爐腹煤氣量增加使?fàn)t墻邊緣煤氣流發(fā)展（條件-2與條件-1比較）。在高噴煤比操作時(shí)也使?fàn)t墻邊緣煤氣流增加和靠近爐墻煤氣溫度升高（條件-3與條件-

5、1比較）。在條件-3中爐墻邊緣煤氣流的增加則是由于風(fēng)口回旋區(qū)煤粉積聚成殼和死料堆小塊焦的阻礙作用，減少了朝向死料堆的煤氣流動(dòng)。圖5（略）表示在這些條件下?tīng)t內(nèi)狀況的示意圖。最近爐腹冷卻壁提前損壞可能是由于高產(chǎn)、高燃料比或高噴煤比等操作引起強(qiáng)烈的爐墻邊緣氣流，使熱負(fù)荷升高的緣故。因此，從穩(wěn)定操作和延長(zhǎng)爐壽的兩個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)更需要開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽冷卻壁。3 爐腹冷卻壁3.1 爐腹冷卻壁的基本特性特別在爐腹，冷卻壁的強(qiáng)冷卻能力是最必要的特性。它將保持冷卻壁本體足夠低的溫度，以防止冷卻壁本體的變形，同時(shí)通過(guò)形成穩(wěn)定的渣皮將磨損控制得很小，就能夠延長(zhǎng)冷卻壁的壽命。圖6表示高爐爐腹新的長(zhǎng)壽冷卻壁設(shè)計(jì)的基本概念。最優(yōu)先考

6、慮的是高的冷卻能力，為此冷卻壁本體采用普遍用于冷卻板和風(fēng)口的高導(dǎo)熱性的鑄銅來(lái)制造。3.2 以數(shù)學(xué)分析為基礎(chǔ)優(yōu)化鑄銅冷卻壁的設(shè)計(jì)表3為鑄銅與鑄鐵物理和機(jī)械特性的比較。鑄銅的導(dǎo)熱性比鑄鐵高很多。用有限元數(shù)學(xué)分析方法研究了機(jī)械特性對(duì)冷卻壁本體溫度和熱應(yīng)力的影響。表 3 材料的物理和機(jī)械性能鑄 鐵鑄 銅導(dǎo)熱率，W/m·K29-41192-233熔點(diǎn)，11801080密度，kg/m372008900屈服強(qiáng)度，MPa19629圖7（略）表示了計(jì)算條件。在研究鑄銅和鑄鐵冷卻壁時(shí)，為了闡明材料特性的影響、采用相同的冷卻壁結(jié)構(gòu)和邊界條件。并假定沒(méi)有渣皮。圖8（略）和圖9（略）表示冷卻壁本體中計(jì)算的溫度

7、分布和熱應(yīng)力分布。圖10為計(jì)算結(jié)果的比較。鑄銅冷卻壁的溫度較鑄鐵冷卻壁低。鑄銅冷卻壁的最高溫度約為鑄鐵冷卻壁的三分之一。在鑄銅冷卻壁中，由于溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力要比鑄鐵冷卻壁低很多。鑄銅冷卻壁的最高應(yīng)力僅為鑄鐵冷卻壁的1/6。 在這些計(jì)算分析結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)高爐爐腹鑄銅冷卻壁。圖 10 計(jì)算結(jié)果的比較4 福山2號(hào)高爐鑄銅冷卻壁的鑒定試驗(yàn)4.1 試驗(yàn)方法用數(shù)學(xué)分析方法來(lái)研究渣皮的形成及脫落，或者熱負(fù)荷的變化對(duì)冷卻壁壽命的影響是困難的。因此在福山2號(hào)高爐（第3代，內(nèi)容積2828m3 ）已經(jīng)進(jìn)行了一次鑄銅冷卻壁試驗(yàn)的鑒定考驗(yàn)。表 4 日本鋼管公司高爐上安裝的鑄銅冷卻壁高 爐爐 容m3位 置 （數(shù) 量）裝

8、設(shè)時(shí)間爐身上部爐身下部爐腹F-5(第一代)4664219821983F-2(第三代)2828319831994F-5(第二代)466431996F-4(第三代)4288121997K-1(第二代)490781997F-2(第四代)28283641998F-3(第三代)322391998K-1(第二代)49071001998F-4(第三代)4288561999*F: 福山，K: 京濱4.2 考驗(yàn)結(jié)果圖11（略）表示福山2號(hào)高爐第3代的數(shù)據(jù)和停爐后拆下的一塊試驗(yàn)冷卻壁的照片。表5為拆下冷卻壁的物理特性。觀察使用11年后拆下的試驗(yàn)冷卻壁仍然保持原始的形狀沒(méi)有裂紋，物理特性測(cè)量的結(jié)果顯示導(dǎo)熱性和屈服強(qiáng)

9、度幾乎與原來(lái)冷卻壁一樣。最大磨損量為2mm，。表 5 拆下冷卻壁的物理特性 安裝時(shí)期：1983年11月1日1994年8月23日（10年10個(gè)月） 數(shù)量：3 拆下后測(cè)量的機(jī)械性能- 導(dǎo)熱率：超過(guò)209W/m·- 屈服強(qiáng)度(0.2%)：39Mpa（在室溫下）30MPa（在200） 磨耗- 磨耗：2mm- 磨損速度（計(jì)算）：/a5 日本鋼管公司鑄銅冷卻壁的使用實(shí)踐5.1 在京濱1號(hào)高爐上使用在1997年，京濱1號(hào)高爐爐腹第2段大部分冷卻壁由于普通冷卻壁的破損而進(jìn)行了更換。此時(shí)，為了比較普通鑄鐵冷卻壁、鑄銅冷卻壁，以及具有326349W/m·K 高導(dǎo)熱性的軋制銅冷卻壁采用了并排交替

10、（布置圖12（略）。由于修復(fù)條件的限制，各種冷卻壁的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同。5.2 京濱1號(hào)高爐對(duì)各種冷卻壁的評(píng)價(jià)(1) 冷卻壁本體溫度圖13表示從安裝表面10mm深處測(cè)量各種冷卻壁溫度逐日的變化。鑄銅和軋制銅冷卻壁的溫度很低并且很穩(wěn)定。從裝設(shè)以后一個(gè)月溫度逐步上升可是只有60左右。鑄銅和軋制銅冷卻壁的本體溫度之間沒(méi)有差別。在開(kāi)始階段鑄鐵冷卻壁的溫度比較穩(wěn)定，但是在裝設(shè)一個(gè)月以后開(kāi)始升高，并經(jīng)常波動(dòng)。圖13 冷卻壁溫度逐日的變化圖(2) 熱負(fù)荷圖14表示由測(cè)量的各種冷卻壁冷卻水溫度和流量計(jì)算的熱負(fù)荷進(jìn)行比較，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)各種冷卻壁熱負(fù)荷有任何差別。圖14 各種冷卻壁熱負(fù)荷的比較(3) 設(shè)想冷卻壁表面

11、存在渣皮的狀態(tài)各種型式冷卻壁的實(shí)際熱負(fù)荷之間不存在差別，盡管數(shù)學(xué)分析推測(cè)鑄銅冷卻壁將比鑄鐵冷卻壁高1 1/2倍。這是由于在數(shù)學(xué)分析時(shí)假定沒(méi)有渣皮的緣故，可是在冷卻壁表面有渣皮時(shí)鑄銅冷卻壁的熱負(fù)荷得以降低。圖15表示從冷卻壁表面的兩個(gè)不同深度位置測(cè)得的溫度用一維傳熱計(jì)算估計(jì)的渣皮厚度。在鑄鐵冷卻壁上估計(jì)渣皮的厚度約3mm，而銅冷卻壁約10mm，鑄銅與軋制銅冷卻壁的渣皮厚度沒(méi)有差別。圖 15 冷卻壁表面渣皮的估計(jì)厚度圖16 為鑄銅冷卻壁和鑄鐵冷卻壁本體溫度短時(shí)期的變化鑄銅冷卻壁的本體溫度很低并且很穩(wěn)定而另一方面鑄鐵冷卻壁的本體溫度急劇地變化在渣皮脫落時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度迅速上升渣皮生成時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度緩慢下降。圖

12、 16 冷卻壁本體溫度的短期變化如上所述，由于冷卻能力很高，在兩種銅冷卻壁表面上牢牢地粘附著厚厚的渣皮，使冷卻壁本體的溫度一直維持得很低。這是能穩(wěn)定在低的溫度和低熱負(fù)荷的原因。盡管鑄銅的導(dǎo)熱性比軋制銅低，可是，在有渣皮時(shí)實(shí)際的冷卻能力是一樣的。5.3 銅冷卻壁對(duì)高爐操作的影響在1999年3月福山4號(hào)高爐的爐腹第2段整圈56塊鑄鐵冷卻壁更換為鑄銅冷卻壁。圖17為新的銅冷卻壁安裝前后的操作情況。在鑄銅冷卻壁裝設(shè)后一直在高噴煤比和生鐵低含硅量的情況下穩(wěn)定地操作。這是由于排除了冷卻壁破損引起的生產(chǎn)故障，且銅冷卻壁的使用保證了高爐下部爐料的均勻下降，減少了爐墻內(nèi)熱量的累積。圖17 福山4 號(hào)高爐鑄銅冷卻壁安裝前后的操作實(shí)績(jī)此外鑄銅冷卻壁的磨蝕速度明顯低于鑄鐵冷卻壁，且由于其本體溫度變化少，變形也比鑄鐵冷卻壁小。鑄銅冷卻壁能長(zhǎng)期保持原有性能，無(wú)需更換，并且有利于高爐穩(wěn)定操作。6 結(jié)語(yǔ)本文用數(shù)字分析闡明了爐腹冷卻壁的損壞是由于高利用系數(shù)、高燃料比或高噴煤比等合理操作引起熱負(fù)荷升高所造成的。為了在上述高強(qiáng)度冶煉條件下實(shí)現(xiàn)高爐連續(xù)穩(wěn)定的操作，日本鋼管公司自80年代初經(jīng)過(guò)10年以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)鑒定，開(kāi)發(fā)了鑄銅冷卻壁，它