本鋼五號高爐銅冷卻壁破損分析及改進

供稿| 高福生

本鋼五號高爐銅冷卻壁破損分析及改進

供稿| 高福生

內容導讀

本鋼五號高爐由于設計上存在的缺陷，爐腹、爐腰部分長期在高強度冶煉下侵蝕嚴重，嚴重影響了高爐的長期穩定順行和進一步優化。五號高爐工藝設備技術人員在針對銅冷卻壁不同部位破損情況，具體問題具體分析并逐步在實踐中改造，成功解決銅冷卻壁破損問題，減緩了冷卻壁的破損速度, 有效地制止了冷卻壁大量漏水對爐況順行造成的危害，為五號高爐末期穩定安全生產及爐況的穩定順行達高產創造了有利條件，同時在銅冷卻壁的應用取材、制造工藝及廣泛應用上積累了豐富的經驗。

煉鐵廠五號高爐于2001年11月投產，高爐B1段冷卻壁為五進五出式鑄鐵冷卻壁，B2段和S1段的銅冷卻壁是由芬蘭奧德昆普生產的連鑄扁圓孔型銅冷卻壁。在高爐投產3年后發現高爐B1段鑄鐵冷卻壁有漏水現象，并且漏水情況逐步惡化。根據實際生產情況煉鐵廠針對五爐冷卻壁共進行7次大規模檢修。

五號高爐冷卻壁破損改造

B1段冷卻壁材質的改進

由于高爐B1段鑄鐵冷卻壁在高爐風口區域，此部位溫度較高，檢修之前已有54根鑄鐵冷卻壁水管燒損，鑄鐵冷卻壁壁體本身也破損嚴重，在2008年初于中冶賽迪設計院多次交流后，將B1段鑄鐵冷卻壁改為鑄銅冷卻壁，制造廠家是浙江紹興曙光冶金設備制造廠，于2008年10月份安裝完畢，使用至今運行狀況良好；同時又將184根B2段和S1段冷卻壁連接水管由金屬硬連接管改為金屬軟連接管，原有波紋管無法起到補償作用，也進行了全部更換，同時爐殼與冷卻壁水管之間的間距從 8 mm擴大到15 mm，并處理S1段銅冷卻壁44根水管。

S1段冷卻壁連接水管的改造

到2005年10月27日前，高爐B2段、S1段銅冷卻壁運行良好。從2005年10月27日，S1段冷卻壁45#水管開始出現漏水。2007年3月11日，請煙臺魯寶冷卻壁制造廠對從2005年10月27日至2007年3月11日破損的S1段25根冷卻壁水管進行焊接處理。通過對S1段破損冷卻壁分析，原因有兩點：

第一，銅冷卻壁連接水管采用金屬硬管連接，在冷卻壁變形的情況下，它對冷卻壁水管產生了約束力，使水管不能自由位移，同時在熱疲勞的作用下，導致水管與壁體焊縫邊緣處產生疲勞破損開裂。

第二，發現B2段及S1段銅冷卻壁水管、爐殼之間及外部冷卻壁波紋管被高爐投產前的二次爐體灌漿所灌死，也致使銅冷卻壁水管與爐殼之間沒有橫向和縱向位移，造成S1段銅冷卻壁水管被剪切破損漏水。當高爐休風后對銅冷卻壁破損檢查時，還發現在發生斷裂和裂紋的冷卻壁水管上有不同程度出現爐殼直接壓扁銅冷卻壁水管的痕跡。這說明有的銅冷卻壁水管與高爐爐殼存在著直接接觸，也說明在部分銅冷卻壁安裝時銅冷卻壁水管與高爐爐殼之間的間隙存在安裝誤差，從而導致銅冷卻壁水管限制位移被高爐爐殼剪斷和裂紋破損。銅冷卻壁在爐內熱變形是不可避免的，銅冷卻壁越長，其受熱變形的位移越大[1]。 11塊冷卻壁上共44根水管有31根水管損壞而且非常集中，對冷卻壁的冷卻強度有很大影響，并對11塊冷卻壁壁體與爐殼的間隙進行逐一測量并拍照留下數據，見圖2。

圖1 破損的冷卻壁水管

圖2 S1段銅冷卻壁水管斷裂、冷卻壁壁體緊固螺栓以及銅冷卻壁壁體位移照片

從以上銅冷卻壁水管出現根部斷裂和裂紋的情況分析看，正是由于銅冷卻壁水管被波紋管內壓力灌漿的耐火材料和爐殼與冷卻壁水管限制自由位移所致，銅冷卻壁經爐內高溫導致受熱膨脹，在冷卻壁水管根部的結晶界面處產生極大的交變應力，加上銅冷卻壁壁體過長在爐內彎曲形成的拉力過大的共同作用，使得銅冷卻壁水管根部焊縫內在的微小缺陷誘發泄漏；銅冷卻壁壁體熱膨脹形成交變應力，導致結晶面出現應力疲勞，產生裂紋后，擴張為裂口，隨著時間的推移發展到銅冷卻壁水管斷裂[1]。

2007年8月9日，將184根S1段、B2段銅冷卻壁外部連接水管、736根波紋管的金屬硬連接改為金屬軟連接水管，同時又對55根破損的S1段銅冷卻壁水管進行檢修。

2008年4月11日，利用五爐年修時處理8根S1段銅冷卻壁水管。2009年10月19日，利用五爐年修計算機升級改造，處理7根S1段冷卻壁銅冷卻壁水管，13根S2段鑄鐵冷卻壁水管；2010年10月8日，利用五爐年修時處理S1段46根銅冷卻壁水管；2010年12月28日，年修后兩個半月內，再次發現37根冷卻壁水管漏水，其中有19根通氮氣冷卻，18根通生產水冷卻，休風后共處理S1段銅冷卻壁水管42個下口和6個上口，此次檢修對冷卻壁水管根部加焊銅錐體護套加固。檢修過程中發現42根冷卻壁水管中，

通過分析2010年10月8日和2010年12月28日兩次檢修時拍下的照片S1段第15號銅冷卻壁壁體與鋼甲實測距離為100 mm，原設計為40 mm，向爐內徑向位移約60 mm；S1段第15號銅冷卻壁與相臨冷卻壁實測距離最大為30 mm，最小為0 mm，冷卻壁間距原設計為15 mm，橫向和縱向位移約15 mm。根據數據顯示S1段多塊銅冷卻壁壁體發生了明顯變形，我們初步判斷S1段冷卻壁下部部分M36緊固螺栓失效。冷卻壁水管承受巨大拉力和剪切力，是造成這次冷卻壁水管短時間內大量破損的根本原因[2]。2010年12月28日修復后又先后出現18根冷卻壁水管破損。2011年1月6日、10日，在設備部的組織下，煉鐵廠及相關單位分別與中冶賽迪和PW公司對此問題進行技術交流。中冶賽迪和PW公司相關專家對10月8日和12月28日的檢修照片進行認真觀看和分析，認為五爐冷卻壁破損極為嚴重，國內外高爐沒有如此嚴重的現象發生，更無處理此類問題的經驗可以借鑒，也同意本鋼對S1段冷卻壁M36螺栓失效的判斷，并與本鋼相關單位共同制定銅冷卻壁整體改造更換方案[2]。

圖3 冷卻壁水管管箍改造前后對比圖

在高爐2011年4月19日投產后，高爐的軟化水補充水量平均在每班1 t左右。此冷卻壁運行到7月份左右就發現冷卻壁的外部軟連接管有變形現象，并逐漸擴大了軟連接管的變形量。在2011年7月21日丙班發現冷卻壁的81#管S1段-1與S1段-2的銅冷卻壁銅水管與鋼管箍斷裂漏水。因軟化水的跑水量過大，于2011年7月22日白班將此根冷卻壁改為通工業水冷卻。隨后78#冷卻壁水管S1段-1與S1段-2的銅冷卻壁銅水管與鋼管箍斷裂漏水并且斷裂處已經嚴重的脫離，馬上又組織檢修人員繼續改通工業水冷卻。截止到2011年11月1日五號高爐預休風前，銅冷卻壁水管與鋼管箍的連接處共有16處斷裂漏水現象。在此冷卻壁外部連接水管變形及銅冷卻壁水管于鋼管箍損壞期間，我廠多次與中冶賽迪設計院及設備制造廠溝通、協調解決方案，并于2011年9月設備制造廠提出解決方案和備件的提供，對此部位增加管箍進行加固并委托本鋼維檢中心煉鐵分公司進行施工，共增加管箍護套1472個。

B2段、S1段結構形式的改造

盧森堡PW 公司設計的銅冷卻壁通常采用兩段合為一段的做法，其設計的優點和目的是為了減少在爐殼開孔數量，降低密封件及聯絡管安裝時施工的工期和焊接量，并能提高高爐的氣密性能。但這種做法的結果是增大了銅冷卻壁水管的位移空間，當銅冷卻壁水管出現被限制時，將大大增加了高爐冷卻壁水管被剪斷和剪裂的可能性[1]。

五號高爐的B1段為鑄鐵冷卻壁，B2段和S1段的銅冷卻壁是由芬蘭奧德昆普生產的連鑄扁圓孔型銅冷卻壁，其中爐腹中上部和爐腰合為一段，高度為3693 mm；爐身下部設置一段高度為4000 mm，該冷卻壁體厚為120 mm。由于上述兩段冷卻壁因存在壁體過長等缺陷，造成冷卻壁水管頻繁損壞，經中冶賽迪設計院及公司各部門共同論證將此兩段超長冷卻壁改為四段鑄銅冷卻壁，制造廠家也是由中冶賽迪設計院繼續推薦浙江紹興曙光冶金設備制造廠生產的鑄銅冷卻壁。2011年3月26日控料線停爐對冷卻壁整體改造更換，其中在原有施工計劃中只對B2段、S1段銅冷卻壁進行更換，由原有的兩段92塊改為每段分為兩帶，每帶46塊共計184塊銅冷卻壁更換；在檢修過程中發現B1段有4塊銅冷卻壁破損嚴重，進行更換，S2段有6塊鑄鐵冷卻壁破損嚴重需要更換，S3段有2塊鑄鐵冷卻壁需要更換，總計拆除104塊冷卻壁，安裝196塊冷卻壁，并于2011年4月9日投入到生產中。

圖4 S1段破損的長冷卻壁

銅冷卻壁鑄造工藝的改進

2011年11月1日高爐控料線后進入爐內后發現，在2011年4月19日更換的四段鑄銅冷卻壁有嚴重的損壞，大部分冷卻壁壁體的冷卻水管已漏出，并有微小漏水現象發生，并維持到2011年11月1日五號高爐檢修為止，冷卻壁本體銅管與鋼管焊口損壞僅為16處。

圖5 B2～S2段破損銅冷卻壁

B2-1冷卻壁完好，有個別冷卻壁出現了向爐內移動現象；B2 -2冷卻壁有7塊冷卻壁上下兩端均漏出水管，有18塊冷卻壁下端露出水管；S1-1冷卻壁有6塊冷卻壁上下兩端均漏出水管，有21塊冷卻壁上端露出水管；S1-2冷卻壁有1塊冷卻壁下端露出水管，有10塊冷卻壁下端壁體不完整。

銅冷卻壁破損原因分析：（1）冷卻壁壁體厚度從130 mm改為120 mm；（2）冷卻壁水管從φ64 mm×8 mm改為φ76 mm×8 mm；

（3）廠家冷卻壁澆注溫度過低1090℃（銅的熔點1083℃）；

（4）廠家制作模具時將銅管兩側彎管全部固定，當溫度1090℃時，銅管延長25mm，不能正常延伸，銅管在鑄件內部變形；

（5）原有冷卻壁燕尾槽為鑄造生產；

改進措施：

（1）冷卻壁圖紙重新確認，爐身角從82.1627°改為83°，最大限度的增加凸臺高度，兩相鄰凸臺連在一起；

（2）冷卻壁壁體厚度從120 mm恢復到130 mm，冷面保證22.5 mm以上；

（3）冷卻壁水管φ76 mm×8 mm改為φ76 mm×9 mm，最大限度提高澆鑄溫度（1130℃以上）；

（4）廠家模具及銅管預熱，銅管單面固定，升溫時變形延伸方向可控，銅管彎管處焊加固定楔；

（5）冷卻壁壁體冷面加四道立筋，保證正常生產工作熱脹冷縮時的壁體強度，立筋高度不能影響壓漿工作；

（6）冷卻壁燕尾槽鑄造生產改為切削加工，深度從35 mm改為30 mm，冷卻壁彎處深度改為20 mm；

（7）原有外部連接水管，先螺紋連接后焊接，最后打卡子固定；

（8）冷卻壁S1-1與S1-2之間，B2-1與B2-2之間新制軟連接改造加長；

（9）新制冷卻壁保留原有測溫點的同時，在B2-2上部、S1-1的上、下部增加24個測溫點，加強冷卻壁壁體溫度的監測。

結束語

通過上面的這些措施和手段,減緩了冷卻壁的破損速度, 有效地制止了冷卻壁大量漏水對爐況順行造成的危害，保證五號高爐末期正常生產，為爐況的穩定順行達高產創造了有利條件，同時也為銅冷卻壁廣泛應用總結出了很好的經驗。

改善冷卻壁材質。銅冷卻壁比鑄鐵冷卻壁具有更大的優越性，特別在爐腹，冷卻壁的強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，同時通過形成穩定的渣皮將磨損控制得很小，延長冷卻壁的壽命。

銅冷卻壁結構形式設計方面要合理，制造工藝應滿足實際生產要求。其冷卻強度應能適應高冶煉強度的需要，尤其是在高爐爐體熱負荷大的部位，壁體形式設計不合理會出現冷卻壁的大面積損壞。

（略）

[1] 馬繼文. 本鋼五號高爐銅冷卻壁破損原因分析及處理技術的研究. 金屬世界，2009（6）：27-30

[2] 周傳典. 高爐煉鐵生產技術手冊. 北京：冶金工業出版社，2005：262-275

Damaged Analysis and Improvement of No.5 Blast Furnace’s Copper Cooling Stave of BX STEEL

GAO Fu-sheng

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本鋼板材股份有限公司煉鐵廠，遼寧 本溪 117000

高福生(1971.5—)，男，中級技師，現工作于本鋼煉鐵廠五爐車間管工班長