大型高爐銅冷卻壁長壽技術研究及應用

付國慶

（河鋼股份有限公司承德分公司、河北省釩鈦工程技術研究中心，河北 承德 067000）

確保高爐的使用年限是鋼鐵企業最為看中的問題，因為高爐長壽與否直接影響著鋼鐵企業的發展趨勢。鋼鐵企業在工業生產、運行過程中是環環相扣的。如果高爐結構遭到破壞，需要進行修補，會直接影響鋼鐵企業各部門的工作進度，造成不必要的經濟損失。延長高爐的使用年限是一項重點工作，為做到長壽的要求，要關注方方面面的影響，例如，高爐原材料的選擇、工作的溫度、速度、工作質量以及定期對高爐爐體進行監測和修護的策略等。

1 概述

隨著社會經濟的不斷發展，銅冷卻壁逐漸被高爐產業所認可和使用，其在使用過程中具有較強的導熱性和冷卻效果，在運行過程中所產生的渣皮可以作為內襯。對高爐爐身進行耐高溫、耐磨損材料選擇設計時，所采用的是薄內襯爐身。薄壁高爐的產生有效延長了爐身壽命，減少了資金成本的使用?，F階段，我國有200 多座高爐使用的是銅冷卻壁，在實際應用中也具有較強的平穩性。但是，2010 年開始，銅冷卻壁在應用的過程中會出現損壞和脫落的問題，嚴重影響了高爐產業的經濟效益。經過對銅冷卻壁損壞進行系統、專業的研究分析后發現，導致銅冷卻壁出現損壞的根本原因是銅。銅在一定的情況下會出現“氫病”，氫會與銅發生化學反應，進而影響銅冷卻壁的外部結構。因此，一些人認為具有氧元素過多的銅冷卻壁會形成“氫病”，進而導致銅冷卻壁出現損壞現象。根據湘鋼高爐銅冷卻壁出現損壞的原因進行研究分析后發現，高爐銅冷卻壁出現損壞的根本原因是水管的破壞，因此，一些人認為銅冷卻壁發生損壞的原因是渣皮的損壞。從而得知，銅冷卻壁損壞的原因是多元化的，沒有固定的觀點和規范。針對我國高爐銅冷卻壁發生損壞的原因進行研究分析后發現，銅冷卻壁在發生損壞時都具有一定的特性：無論材料和加工方式如何改變，銅冷卻壁都會在應用過程中發生損壞，產生損壞的位置都位于高爐腰部、腹部以及兩者之間。所以，現階段銅冷卻壁損壞原因和相關知識理論都無法解決此類問題的發生。

2 高爐冷卻系統

就目前而言，高爐的使用年限不應低于20 年，高爐運行產鐵的數額要在15000t/m3以上，為達到以上要求，高爐冷卻系統要符合以下幾點要求。

2.1 爐殼均勻冷卻

高爐爐殼進行冷卻時要確保爐殼冷卻具有均勻性，防止高爐爐殼因冷卻不均勻而導致爐殼結構發生破壞，對高爐爐殼進行均勻冷卻可以明顯提高爐殼的穩固性。

2.2 強化冷卻爐襯

為延長高爐的使用年限，可以強化冷卻爐襯，使其在冷卻過程中形成保護膜。

2.3 控制合理操作爐型

加強對合理操作爐形的把控，以使爐形成為“標準爐形”，摒棄傳統高爐爐襯在長時間應用下而造成的爐形異常，確保煤氣氣流與爐料質量的相稱性，以此確保高爐的工作狀態和工作效率。所有軟水密閉循環冷卻系統都要具有膨脹罐和脫氣罐。冷卻液中具有一定的蒸汽，蒸汽的排除是利用脫氣罐進行的，蒸汽排出有利于保證冷卻系統的正常運行，防止堵塞。膨脹罐是利用水溫升高的壓力，以此起到防止氧氣進入冷卻循環系統。

3 銅冷卻壁破損原因分析

3.1 邊緣煤氣流控制不合理

經實際操作經驗可知，因為邊緣煤氣氣流把控方式和效果不符合相關的規范要求，導致部分氣流或邊緣氣流的波動性較強，導致渣皮破損，渣皮的破損導致銅冷卻壁直接被熱煤氣所影響，進而導致銅冷卻壁遭到損壞。常見的銅冷卻壁破損形式主要分為兩種，分別是“上部干區”的爐料磨損以及“下部濕區”的熱熔損。具體如圖1 所示。除此之外，一些實踐經驗表明，因為邊緣氣流在較長時間的壓制管理下，造成邊緣的溫度較低，不利于產生渣皮，從而導致銅冷卻壁直接被熱煤氣影響。銅冷卻壁在應用過程中的硬度較低、而且不具備耐磨性，容易在使用的過程中造成損壞，常見損壞位置是高爐的中間偏下部分。為防止銅冷卻壁遭到破損，在使用過程中要關注煤氣氣流的變化，當煤氣氣流的變動較大時，就要注意高爐壁體的溫度，如果溫度的變化幅度較大，就會發生渣皮掉落。

圖1 高爐銅冷卻壁損壞形式

3.2 冷卻制度管控不精細

冷卻制度管控不精細也會導致高爐的冷卻壁結構遭到破壞，其根本原因是冷卻水的量值不符合相關的要求或是進行特殊路況時沒有進行及時有效的冷卻處理。譬如，某高爐的容量為2000m3，在運行過程中所使用的冷卻水發生了數額改變，變為了500m3/h，如果在冷卻水數額發生改變后沒有進行實時的監控，就會造成冷卻壁的結構遭到損壞。所以，冷卻制度管控要做到精細，為確保達到精細的標準要做到以下要求，“冷卻水的水量粗略看，冷卻水的水速精細看，確保冷卻壁溫度的適宜性”。

3.3 爐體長期不進行修補維護

不對高爐爐體進行定期的檢測和修護工作會嚴重破壞鋼冷卻壁結構。對銅冷卻壁進行爐體噴涂工作具有以下好處：①對燕尾槽中容易掉落的材料進行補充，確保掛渣的科學性和有效性。②對高爐爐形進行修補，保證高爐爐形符合最初的設計要求，確保煤氣氣流分布的合理性，以便進行操作。然而，大多數高爐在實際應用過程中并沒有得到定期的爐體結構檢測和修補，導致高爐爐體結構遭到破壞，無法把控高爐的煤氣氣流，而且容易導致冷卻壁遭到破壞。

3.4 缺乏“渣皮再生與脫落”模型監控

多數高爐在應用過程中并不具備相應的監測系統，現階段，安裝監測系統的高爐少之又少。在實際應用過程中，因為無法對高爐運行產生的渣皮進行科學的監管，導致無法對高爐運作的溫度進行把控，導致發現冷卻壁問題時為時已晚，從而影響了銅冷卻壁的結構。

4 現代高爐長壽發展趨勢

4.1 采用全爐體冷卻技術裝備

（1）爐底、爐缸區域的長壽技術。想要增強高爐側壁和鐵口周圍的冷卻性能，就要在高爐鐵口的周圍使用銅冷卻壁，銅冷卻壁包括武鋼6 號高爐以及鞍鋼新1 號高爐等。而且，對高爐爐襯進行材料選擇的過程時，通過以下方法可以有效提高爐缸的使用年限。①運用強化冷卻理論，可以讓爐缸獲得保護層，從而延長高爐的使用年限。其根本工作原理是強化冷卻原理的使用可以呈現熱平衡的效果，較強的導熱性使溫度變得均勻，從而實現高爐長壽。②通過碳質—陶瓷材料復合爐底爐缸結構可以有效延長使用年限。使用原理是其具有較厚的內壁，在實際應用過程中可以發揮耐高溫、耐腐蝕、穩定性好等特點，防止爐缸內多種物體混合，從而增強使用效果。

（2）爐腹、爐腰至爐身下部區域長壽技術。高爐在實際應用過程中具有一定局限性，其中高爐的腹部以及高爐的腰部都是高爐在應用過程中較為惡劣的環節，需要利用渣皮來延長高爐的使用年限。所以，是否可以產生符合要求的渣皮就成了高爐長壽的重要影響因素。隨著社會經濟的發展，近年來我國高爐最常使用的兩種冷卻設備分別是銅冷卻壁和銅冷卻板。①銅冷卻壁。在高爐中使用銅冷卻壁進行冷卻可以提高形成渣皮的質量和效率。銅冷卻壁在應用過程中具有較高的導熱性、冷卻系統好，冷卻水的量值在充足且平穩的情況下，可以讓冷卻壁溫度均勻，如果溫度低于40℃，有利于形成質量好的渣皮。隨著我國社會的發展，我國近年來所創建的高爐都是使用的以上方式。②銅冷卻板。由于具有“高導熱、抗熱震”的運行論理的銅冷卻板與石墨耐材爐襯結構的配合使用可以形成較為完善的冷卻系統。

（3）提高鑲磚和冷卻壁的密合性，增強兩者之間的平滑性，減少摩擦力。

（4）在高爐中使用水冷鋼磚，可以有效緩解高爐喉部磨損的問題。

4.2 普遍采用無料鐘爐頂設備

近年來，我國所采用的高爐所使用的多是無料鐘爐頂設備，此設備的使用可以有效提高氣流分布的均勻性。

4.3 采用軟水密閉循環冷卻系統

軟水密閉循環冷卻系統在高爐應用過程中可以有效提高操作的安全性能，還可以減少水量和能量的使用，使過程變得簡潔化、減少資金成本的投入和使用。

4.4 完善的監控設施

根據實際情況及以往的應用經驗，制定出完善的監控設施，以便對應用過程進行把控，進而保證高爐的應用年限符合相關的規范要求。

4.5 切實可行的爐體維護技術

為延長高爐爐體的使用年限，可以利用爐體灌漿、爐襯噴補以及應用其他涂料的方法進行應用。

5 結語

經實際數據可知，現階段高爐爐身下部所采用的冷卻設備中，應用效果最顯著的是壓延銅板焊接冷卻壁，其在應用過程中可以保持持久的冷卻作用。所以，在對高爐進行冷卻應用時，無論高爐的工作性質和質地大小有何區別，高爐冷卻所應用的壓延銅板焊接冷卻壁是具有科學性和有效性的，而且在應用過程中還具有一定的堅固性，有利于保障工序質量。