橢圓水管鑄鐵冷卻壁的研制與熱態實驗

沈 猛

(河北天宇高科冶金鑄造有限公司 河北肅寧062350)

橢圓水管鑄鐵冷卻壁的研制與熱態實驗

沈 猛①

(河北天宇高科冶金鑄造有限公司 河北肅寧062350)

為了提高鑄鐵冷卻壁的冷卻能力，研制了一種橢圓水管鑄鐵冷卻壁。冷卻水管采用無縫鋼管彎制成型后進行機械壓制，從而成為所需的橢圓截面。通過對橢圓水管鑄鐵冷卻壁進行的熱態實驗證明，在冷卻水量不變的條件下，可以使冷卻壁近熱面的溫度降低25℃，同時可以在設計上減薄冷卻壁的厚度，從而減輕冷卻壁的重量。采用橢圓水管鑄鐵冷卻壁不但有利于高爐的順利運行，而且可以減少冷卻壁的設備投資。

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1 引言

冷卻壁是煉鐵高爐的主要冷卻設備，其使用效果和使用壽命直接影響著高爐運行的經濟效益[1]。目前冷卻壁常用的材質有鑄鐵、鑄鋼、純銅，而鑄鐵材質的冷卻壁使用最為廣泛，占全部冷卻壁重量的80%以上。主要是因為鑄鐵冷卻壁具有適中的導熱能力，成本較為低廉，在大型高爐的爐底、爐缸、爐身以及中小型高爐上均有很好的服役能力，所以在煉鐵高爐上普遍采用。就中國來說，現階段每年大約要消耗鑄鐵冷卻壁超過80000t(按年粗鋼產量8億t，高爐平均利用系數2.5，每立方米爐容大約需鑄鐵冷卻壁0.7t，冷卻壁平均使用壽命8年來計算)。研制一種具有更高冷卻能力的鑄鐵冷卻壁，延長冷卻壁的使用壽命，保證高爐的順利運行，同時降低冷卻設備的投資，將會顯著提高冶金企業的經濟效益和社會效益。

2 鑄鐵冷卻壁的現狀以及存在的問題

1)多年來，鑄鐵冷卻壁的結構均為鑄鐵本體內鑄入按照設計要求彎制成形的冷卻水管。冷卻水管采用符合GB/T 8163或GB 3087規定的無縫鋼管，材質為10鋼或20鋼[2]，鋼管截面為圓形。之所以采用圓形水管，主要是因為以下幾個因素：

(1)圓形水管制作便利，成本低廉；

(2)圓形截面的進出水管安裝方便，爐殼上與之配套的圓形開孔容易實現；

(3)冷卻壁安裝后，冷卻水管進出口與爐殼的密封較為方便。

2)鑄鐵冷卻壁的損壞是因為冷卻壁熱面受到爐料的機械磨損以及煤氣流的沖刷，同時由于渣皮的不穩定，導致冷卻壁熱面溫度波動較大，一旦熱面溫度超過760℃(一般認為，球墨鑄鐵材質的臨界溫度是760℃)，球墨鑄鐵材質的強度大大下降，并且由于鑄鐵的生長現象，材料內部出現細小的裂紋，造成冷卻壁熱面開裂、脫落、掉塊，這更加劇了冷卻壁熱面的損耗。這些問題的出現都是與冷卻壁熱面溫度過高有直接關系的。因此，最大限度的降低冷卻壁的熱面溫度，就成為了提高鑄鐵冷卻壁使用壽命的研究方向。

3 橢圓水管鑄鐵冷卻壁的結構分析

3.1 橢圓水管鑄鐵冷卻壁能提高冷卻壁的冷卻能力

鑄鐵冷卻壁的散熱過程可以近似描述如下：高爐的熱量傳給冷卻壁的熱面，然后沿爐體徑向向冷面傳導，水管在冷卻壁寬度方向上投影范圍內的熱量直接傳到冷卻水管，相鄰冷卻水管之間部位的熱量向著水管橫向傳導，被冷卻水管吸收的熱量由冷卻水帶出，沒有被冷卻水管吸收的熱量傳導到了冷卻壁冷面，再經過爐殼散發到大氣。根據數學模型計算得出的冷卻壁等溫線圖[3]也說明了這一點(見圖1)。

圖1 圓形水管鑄鐵冷卻壁的等溫線圖

在冷卻壁的其他工藝參數不變的情況下，冷卻壁的冷卻能力可以用換熱面積比A(冷卻水管在冷卻壁熱面的投影面積之和ΣS水管與冷卻壁熱面面積S熱面的比值)來衡量。即：

A=ΣS水管/S熱面×100%

因此，在水流通道數量(n)不變的情況下，若要增大冷卻壁的冷卻能力，就要加大冷卻水管的直徑，這也是目前在冷卻壁設計中常用的方法。但是，加大冷卻水管直徑，水管的水流通道面積將會以n2的關系增大，無疑，這將會大大增加冷卻水量和維持冷卻系統運行的動力消耗。

眾所周知，圓形是在面積相同的情況下，周長最小的幾何圖形。也就是說，采用圓形水管作為冷卻水管，在水流通道橫截面積不變的情況下，散熱面積是最小的。因此，可以嘗試其他截面形狀的水管作為冷卻水管。從制作工藝性最優、殘余應力最小等方面，橢圓截面的水管無疑是最佳選擇。

3.2 不同橢圓度水管對冷卻能力的影響

很顯然，在采用橢圓形截面的冷卻水管后，在不增加水流通道面積的情況下，可以增加換熱面積比A的值。同時，根據不同的水管橢圓度，可以在一定范圍內對A值進行調整。以φ60mm×5mm的水管為例，水流通道的截面積為1963mm2，圓形水管截面形狀如圖2a)所示[4]。

圖2 不同橢圓度冷卻水管的截面形狀

保證截面積不變的條件下，不同橢圓度的水管的截面形狀見圖2b)～圖2h)[4]，各項尺寸參數見表1(假定水管間距為180mm)。

由表1可以看出，當橢圓度由1變為0.3時，換熱面積比由0.278增加到0.507，增加了82.4%，也就是說，冷卻壁的冷卻能力得到了明顯提高?？梢?，水管的橢圓度直接影響著冷卻壁的冷卻能力。

表1 不同橢圓度水管截面的各項尺寸參數

根據數學模型計算，橢圓形水管鑄鐵冷卻壁的等溫線如圖3所示[3]。

圖3 橢圓形水管鑄鐵冷卻壁的等溫線圖

3.3 鑄鐵冷卻壁采用橢圓形水管后，可以減薄冷卻壁的厚度

水管截面形狀改為橢圓形以后，短軸尺寸減小，若要保證水管外壁到冷卻壁熱面的距離不變，水管的中心線就要向冷卻壁熱面推移，因此，橢圓水管冷卻壁的厚度可以減薄。由表1可以看出，假設當水管由φ60mm×5mm的圓形水管改為橢圓度為0.4的橢圓形水管時，水管內短軸由50mm變為31.6mm，因此，冷卻壁厚度可以減薄近20mm。據經驗測算，若改用橢圓度為0.4的橢圓水管后，鑄鐵冷卻壁的設備重量可減少10%左右。

4 橢圓水管鑄鐵冷卻壁的水管設計與通球檢驗

4.1 橢圓水管鑄鐵冷卻壁的水管設計

為了保證橢圓水管冷卻壁的安裝方便，冷卻壁鑄體以外的水管應為圓形水管。因此，冷卻水管采用普通圓形水管彎制后，鑄入壁體內部分采用機械壓制而形成所需的截面形狀。

目前冷卻壁的鑄入水管主要有U形水管和蛇形水管兩類，見圖4、圖5。對于U形水管，水管彎制時，兩端的90°彎曲部位已經出現一定程度的橫向橢圓變形，在進行橢圓形壓制時，僅僅壓制直線段的水管即可，較為方便。而對于蛇形水管，由于水管的180°彎曲部位已經存在一個縱向的橢圓變形，再壓制成橫向的橢圓時難度較大，甚至不能壓制成型。因此橢圓水管冷卻壁在設計時不宜采用蛇形水管。如果高爐工藝上確實需要采用蛇形水管進行冷卻，可以采用U形水管外接的方式來連接水管[5]。

圖4 U形水管冷卻壁

圖5 蛇形水管冷卻壁

4.2 橢圓水管的成型及檢驗

1)圓形水管彎制成形后，可以采用兩種方法進行橢圓成型。一是采用液壓機，結合橢圓形壓制模具，分段對水管進行壓制，壓制過程一次成型。目前已經成功的用此方法制作出了橢圓水管冷卻壁樣品。二是采用滾壓的方式成型，制作滾壓模具，在滾壓機上對水管進行往復滾壓成型。橢圓水管成型時，橢圓部分會出現不同程度的彎曲情況，需要對橢圓段進行整形修整。水管檢驗合格后，按照普通鑄鐵冷卻壁的生產工藝進行生產。

2)尤其需要指出的是，為了避免水管在壓制過程中受損出現微裂紋，水管材質建議采用伸長率更好的10#鋼，保證水管的壓制質量。

3)橢圓水管冷卻壁批量生產前，要對水管的壓制質量進行以下幾方面的檢驗：

(1)對壓制成型的橢圓水管進行抽樣解剖檢驗，橫向切開水管，檢查各部位尺寸是否符合設計要求。如不符合，需要對模具及壓制工藝進行調整；

(2)對壓制成型的橢圓水管采用滲透探傷(PT)的方法檢查是否存在裂紋缺陷，重點檢查水管壓制后變形較大的部位，沒有裂紋方可投入批量生產。并且在水管壓制生產過程中，要定期對水管抽樣進行滲透探傷檢驗，確保壓制后的水管符合質量要求；

(3)對壓制后的水管抽樣進行水壓試驗，壓力2.0MPa，保壓15min，不允許出現壓降及水管的滲漏、冒汗現象。

4.3 橢圓水管鑄鐵冷卻壁的通球檢驗

現行的鑄鐵冷卻壁標準是2007年頒布施行的黑色冶金行業標準《高爐用鑄鐵冷卻壁》(YB/T4073-2007)，該標準雖然沒有明確指出冷卻水管必須為圓形截面，但是規定了“水管彎曲成型后，需進行通球試驗”，“球徑為水管內徑的76%±0.2mm”，因此，該標準不適用于橢圓形水管的冷卻壁。對于圓形水管，彎曲后彎曲部位會形成一定的橢圓度，圓形水管的通球檢驗，主要是檢查水管的彎曲部位是否存在橢圓度過大的情況。而對于橢圓形水管冷卻壁來說，水流通道的形狀是否滿足設計要求仍是最重要的指標之一，同樣需要對水管是否暢通、有無堵塞及雜物進行檢查。由于壓制成型的橢圓部位均位于冷卻水管的直線段，因此橢圓形水管的通球試驗主要是檢查水管的直線段是否符合設計要求。按照YB/T4073-2007的通球率指標制定原則，橢圓水管的通球率按如下方法確定：

S橢圓管=76%/(1-14%)×100%≈88%

式中 S橢圓管—橢圓水管的通球率； 76%—冶標規定的圓形水管通球率； 14%—冶標規定的圓形水管彎曲部位的橢圓度。

因此，橢圓水管的通球試驗，球徑可以采用水管短軸內徑的88%±0.2mm。同時，應該抽取一定的比例，對橢圓水管內壁進行內窺鏡檢查，檢查有無雜物、氧化皮、裂紋等缺陷，以更好的確保橢圓水管的質量。

5 橢圓水管鑄鐵冷卻壁的熱態實驗

為了進一步對橢圓水管冷卻壁進行驗證，由河北天宇高科冶金鑄造有限公司與北京科技大學聯合進行了一次1∶1的冷卻壁熱態實驗，對比橢圓水管冷卻壁和圓形水管冷卻壁的實際冷卻效果。

5.1 實驗系統

本次實驗在河北天宇高科冶金鑄造有限公司的冷卻壁熱態實驗系統上進行。該系統建設有冷卻壁熱態實驗爐，冷卻壁樣品安裝在實驗爐的正面，冷卻壁熱面直接暴露在爐內。實驗爐由兩臺柴油燃燒器提供熱源，可以提供1250℃以上的爐溫，爐溫由安裝在實驗爐側面的兩支鉑銠—鉑熱電偶來測量并實時記錄。系統還可以自動采集記錄冷卻壁樣品上每個熱電偶的溫度數據，同時對冷卻壁每個水流通道的水量、水壓、水溫等數據進行自動記錄。

5.2 實驗樣品的制作

設計了一塊四進四出球墨鑄鐵冷卻壁，外形尺寸為1680mm×800mm×215mm，熱面設置有11個燕尾槽，槽深80mm，槽內鑲嵌碳化硅磚。左側兩根水管為一組，采用圓形水管(φ60mm×6mm)，水流通道截面積為1810mm2。右側兩根水管為一組，采用橢圓形水管，由φ70mm×6mm的無縫鋼管彎制后壓制成型，該水管內周長為182.2mm。根據計算，內周長為182.2mm、內截面積為1810mm2的橢圓尺寸為：長半軸為40.6mm、短半軸為14.2mm，該橢圓的橢圓度為0.35。按照上述橢圓尺寸制作模具進行水管的壓制。為了更好的對比不同管型的冷卻效果，冷卻壁制作時，每組水管的外壁與冷卻壁熱面的距離相同，均為125mm。

冷卻壁樣品實物見圖6。

圖6 實驗用冷卻壁樣品

在兩組水管的中心線以及冷卻壁的邊緣上布置熱電偶，分別位于不同位置和不同深度，共布置了42個熱電偶，參見圖7。

圖7 實驗用冷卻壁熱電偶布置示意圖

5.3 實驗條件

本次實驗設計了兩種實驗條件：

1)水速1.5m/s的條件下，爐溫800℃、950℃、1100℃狀態下的熱態實驗；

2)爐溫950℃的條件下，水速0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s狀態下的熱態實驗。

5.4 實驗結果

根據實驗數據，爐溫與兩種水管的冷卻壁近冷面(距冷面20mm)溫度的關系見表2，爐溫與兩種水管的冷卻壁中心部位(距冷面135mm)溫度的關系見表3，爐溫與兩種水管的冷卻壁近熱面(距熱面10mm)溫度的關系見表4。

冷卻水流速1m/s、不同爐溫的條件下，每根水管的進出水溫度如表5所示。

表2 不同爐溫時兩種水管冷卻壁的近冷面溫度

表3 不同爐溫時兩種水管冷卻壁的中心部位溫度

表4 不同爐溫時兩種水管冷卻壁的近熱面溫度

表5 水流速1m/s、不同爐溫時，每根水管的進出水溫度

注：表中括號內數值為進出水的溫差。

由上述實驗數據分析可知，橢圓水管冷卻壁能顯著降低冷卻壁內部的溫度，爐溫1000℃時，近熱面溫度降低25℃，近冷面溫度降低12℃，而中心部位溫度降低最為明顯，達40℃。從表5的進出水溫差數據也可看出，進水溫度一定時，橢圓水管冷卻壁的出水溫度明顯高于圓形水管冷卻壁的出水溫度，可見橢圓水管冷卻壁能夠帶走更多的熱量，其綜合導熱效果更好。

6 橢圓水管鑄鐵冷卻壁的阻損實驗

在進行熱態實驗的同時，利用實驗系統上的水量、水壓測量裝置，進行了橢圓水管冷卻壁與圓形水管冷卻壁流量阻損的對比實驗。在水速分別為0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s的情況下，分別測量每根水管的進出水水壓，計算出每根水管的流量阻損，見表6。

表6 各種冷卻水速情況下，每根水管的流量阻損

根據表6中數據分析可知，隨著冷卻水速的增加，圓管和橢圓管的阻損均有明顯的增加。但是對于同一水速的情況下，圓管和橢圓管的阻損沒有明顯差異。主要原因是因為樣品冷卻壁的水管長度較短，兩種水管的阻損差別較小。理論計算可知，橢圓度越小，阻損越大。綜合考慮冷卻效果、水管壓制難度、流量阻損等方面的因素[6]，建議冷卻水管的橢圓度設計在0.3～0.5之間。

7 結論

1)在不改變高爐供水系統的情況下，橢圓水管鑄鐵冷卻壁可以明顯提高冷卻能力。在爐溫1100℃時，與圓形水管冷卻壁相比，冷卻壁近熱面溫度可以降低25℃，近冷面溫度降低12℃，而冷卻壁中心部位溫度降低最為明顯，達40℃。

2)橢圓水管鑄鐵冷卻壁可以實現批量生產，滿足設計要求；

3)采用橢圓截面水管可以減少冷卻壁總重量10%左右；

4)與圓形水管冷卻壁相比，在橢圓度為0.35的情況下，單根水管的流量阻損相差不明顯；

5)綜合考慮冷卻效果、水管壓制難度、流量阻損等方面的因素，建議水管的橢圓度設計在0.3～0.5之間，可以取得較好的綜合效益。

6)橢圓水管冷卻壁的通球檢驗不能采用現行鑄鐵冷卻壁標準所規定的通球率指標要求，需要進行完善補充。

[1]張福明,黨玉華.我國大型高爐長壽技術發展現狀[J].鋼鐵,2004,Vol.39(10):75-78.

[2]YB/T 4073-2007,高爐用鑄鐵冷卻壁[S].北京: 冶金工業出版社,2007.

[3]洪軍,左海濱,張建良,等.橢圓形水管冷卻壁優化研究[J].中國冶金,2014,Vol.24(12):84-87.

[4]沈猛,鐵金艷,左海濱,等.橢圓形水管冷卻壁[P].中國專利:ZL201420315172.3.2015-01-14.

[5]段峰,周俐,王建軍,等.高爐冷卻壁冷卻水管管形研究[J].鋼鐵,2008,Vol.43(2):18-21.

[6]石琳,王志剛,趙廣勝.掛渣鑄鐵冷卻壁水管形狀優化研究[J].內蒙古大學學報(自然科學版),2013,Vol.44(2):183-187.

Develop and Hot Test of Cast Iron Cooling Stave Using Elliptic Pipes

Shen Meng

(Hebei Tianyu High-Tech Metallurgical Casting Co., Ltd, Suning 062350)

In order to improve the cooling capacity of the cast iron cooling stave, a cast iron cooling stave using elliptic pipes was developed. The cooling water pipes were made into the seamless steel pipe with the elliptical cross section required by bending and mechanical pressing. Through the hot test of the cast iron cooling stave with the elliptic pipe, it is proved that the hot side temperature near the cooling stave was decreased 25℃ under the condition of the cooling water flow unchanged. In the meanwhile, the thickness and total weight of the cooling stave can be reduced in the design. The cast iron cooling stave with the ellipse pipe is not only beneficial to the smooth operation of the blast furnace, but also can reduce the equipment investment of the cooling stave.

Blast furnace Cast iron cooling stave Elliptic pipes Develop Hot test

沈猛，男，1970年出生，畢業于河北工業大學，學士，高級工程師，主要從事高爐冷卻設備的生產、研發工作

TF321.4

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.009

2015-05-23)