新型爐體冷卻結構在高爐上的應用

索延帥，全 強，王得剛，王建同

（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

0 引言

山西建龍鋼鐵集團6 號高爐，有效爐容1380 m3，冷卻水系統采用全工業水開路循環系統，爐缸采用RTCr 低鉻耐熱鑄鐵冷卻壁，爐腹及以上采用QT400-20 球墨鑄鐵冷卻壁，厚壁爐襯結構。該高爐生產運行期間，爐底、爐缸耐材使用狀況良好，但是爐腹、爐腰區域冷卻壁大面積燒壞漏水，導致爐況不順，焦比升高，高爐得不到有效強化。因此，該廠以優化高爐高熱負荷區冷卻結構為改造原則，于2016 年8 月份開始停爐大修，更換了爐腹及以上冷卻設備及本體內部所有耐材。在爐腹爐腰區域使用了中冶京誠專利產品—新型爐體冷卻結構，生產至今，冷卻設備監測溫度正常，無漏水燒損現象。

1 高爐大修概況

1.1 原高爐配置

原高爐爐缸至風口第1～4 段冷卻壁采用光面RTCr 低鉻耐熱鑄鐵冷卻壁。爐腹及以上第5～15 段采用QT400-20 球墨鑄鐵冷卻壁，熱面設置燕尾槽鑲磚，鑲磚不凸出冷卻壁壁體。其中爐腹第5、6 段冷卻壁采用雙層蛇形水管冷卻，水管規格Φ60×6；爐腰及爐身中下部第7～13 段采用熱面帶凸臺冷卻壁，壁體采用單層蛇形管冷卻，凸臺設置兩層冷卻水管，水管規格均為 Φ60×6；爐身上部第 14、15 段冷卻壁采用倒扣冷卻壁，冷卻水管規格Φ60×6。

高爐爐底爐缸采用國產大塊炭磚結合陶瓷杯結構。風口以上采用冷卻壁熱面砌磚的厚壁爐襯結構，爐腹、爐腰及爐身下部采用氮化硅結合碳化硅磚，爐身中部使用燒成微孔鋁炭磚，爐身上部砌筑浸漬磷酸鹽粘土磚，砌磚厚度345 mm。爐腹角為79.992°，爐身角為 83.211°。

1.2 大修改造內容

本次大修，以本體爐殼利舊為前提，以優化爐腹角，改善爐腹爐腰冷卻結構為原則，盡量做到投資最小化，技術最優化。

爐底爐缸第1～4 段冷卻壁利舊，原有爐底水冷外部水管道全部更換。爐身上部第14、15 段倒扣冷卻壁利舊。

爐腹、爐腰以及爐身中上部（第5～13 段）冷卻壁及外部配管全部更換，取消原冷卻壁凸臺，采用四進四出鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，材質為QT400-20。在爐腹、爐腰區冷卻壁的燕尾槽內鑲嵌銅冷卻條以加強該部位的冷卻。爐腹及爐腰第5～7 段冷卻壁每段設置 2 層，共 6 層，見圖1。

對爐底、爐缸耐材進行更換，其中，爐底第1～3層滿鋪國產大塊半石墨炭磚利舊，其上滿鋪兩層國產大塊微孔炭磚（最上層斜砌），爐底共砌5 層大塊炭磚，厚度～2000 mm。再上砌2 層剛玉莫來石陶瓷墊，厚度～800 mm。其中，上層陶瓷墊中心砌筑粘土磚，以加深死鐵層厚度。爐缸區域仍采用國產大塊微孔炭磚+陶瓷杯結構。陶瓷杯材質為剛玉莫來石。

爐身中下部以及爐腹、爐腰（第5～12 段冷卻壁）燕尾槽冷鑲焙燒微孔鋁炭磚，第13 段冷卻壁燕尾槽冷鑲磷酸鹽浸漬粘土磚。

改造后爐腹角為78.043°，爐身角為82.575°。

圖1 爐腹爐腰銅冷卻條布置

冷卻水系統仍采用全工業水開路循環系統，第5～13 段冷卻壁采用一串到頂的冷卻方式，改造前后冷卻水量對比見表1。

2 冷卻設備損壞原因

該高爐原為厚壁高爐，設計爐型尺寸為：爐腹角 79.992°，爐身角 83.211°，爐缸直徑 8.8 m，爐腰直徑10. 0m，爐喉直徑6.5 m，高徑比2.530。共有22個風口，2 個鐵口。

從原設計爐型尺寸分析，爐腹、爐腰區冷卻壁燒壞嚴重的主要原因有：

（1）爐腹角太大，冷卻設備的熱面很難掛渣，不能形成有效保護層。

（2）爐腹冷卻壁采用雙層冷卻水管，壁體厚度較大，見圖2，使得壁體下部進入了風口回旋區的危險區域，爐腹冷卻壁在高溫氣流的作用下被燒壞，水管燒穿，為了避免向爐內漏水惡化爐況，生產上會短接爐腹冷卻壁的水路，進而造成爐腹冷卻強度進一步下降。當爐腹冷卻壁熱面溫度高于其耐熱溫度時，機械性能嚴重下降，導致其嚴重損壞。

（3）爐腹冷卻壁的水路短接使得爐腰冷卻壁下部區域失去冷卻保護，很難形成保護渣皮，因而爐腰冷卻壁的下部也出現較嚴重損壞，見圖3。

圖2 改造前爐腹處冷卻壁及砌磚

表1 高爐本體改造前后冷卻水量對比

圖3 冷卻壁磨損情況

3 新型冷卻結構的研發及應用

隨著現代高爐高風溫、高富氧大噴煤的趨勢，爐腹、爐腰及爐身下部高熱負荷區已經成為僅次于爐缸侵蝕的部位，成為限制高爐長壽的最重要因素。近年來，中國多家鋼鐵企業出現了爐腹、爐腰及爐身下部冷卻壁大面積燒損的現象，給高爐生產帶來了巨大損失，也給高爐本體合理內型和冷卻結構的設計提出了新的議題。

3.1 爐腹區設計α 法則

爐腹區是高爐生產環境最為惡劣的區域：風口回旋區高溫多變的熱流沖擊、渣鐵和煤氣的侵蝕沖刷、鋅和堿金屬的破壞侵蝕。操作經驗表明，爐腹區耐材的壽命只有0.5～1 年[1]。因此，爐腹爐、腰高熱負荷區的壽命還是要依靠冷卻設備及其形成的保護渣皮來保證，渣皮才是最經濟有效的耐火材料。如何使得高熱負荷區快速形成、并且能夠長期穩定存在的保護渣皮，是爐腹區冷卻設備設計的基本原則和根本目的。

針對爐腹區域設計的種種問題，中冶京誠根據多年的設計和現場考察經驗，總結出：風口中套上沿與爐腹區冷卻壁熱面頂點連線與冷卻壁熱面要保證合適的角度α，將這個設計原則稱之為“爐腹區α 法則”，見圖4。α 角度區域其實就是爐腹的穩定掛渣區，合適的α 角可以保證爐腹區域穩定掛渣，同時使渣皮盡可能遠離風口回旋區，使得渣皮能夠長期穩定存在，從而延長冷卻設備的壽命。

3.2 新型冷卻結構的研發

國內外有很多大中型高爐在爐腹、爐腰及爐身下部高熱負荷區域使用銅冷卻壁，試圖利用銅導熱系數高的優點，以增加該區域的冷卻強度來延長冷卻設備壽命，但是結果并不是十分理想。因為銅冷卻壁雖然冷卻效果好，保護渣能夠在其熱面快速生成，但是，從銅冷卻壁的整體結構來看，其熱面是一個光滑的平面，渣皮在上面沒有穩定的著力點，無法長期穩定存在，從而導致很多高爐的銅冷卻壁壽命不長[2]。

圖4 爐腹區α 法則示意

在α 法則的指導下，綜合上述鑄鐵及銅冷卻壁的優缺點，應用TRIZ 創新方法的組合原理，中冶京誠開發出了一種新型鑄鐵+銅的組合式冷卻結構。以鑄鐵冷卻壁作為母體，在其高度方向上鑲嵌銅材質的冷卻板（見圖5）。這種結構繼承了傳統板壁結合爐體結構的優勢，并且銅冷卻板的導熱系數遠遠高于鑄鐵或者鋼，起初在銅冷卻板區域生成的保護渣皮起到了“錨固釘”的作用，使得高熱負荷區的整體渣皮更加牢固穩定[3]。銅冷卻板可以認為是這種組合式冷卻結構的冷卻強點，由于銅冷卻板的間距可調，所以可以根據設計要求調整冷卻強度，適應操作變化、原料變化性很強。

該新型冷卻結構的投資遠遠低于銅冷卻壁，以本工程為例，采用中冶京誠新型冷卻結構方案，投資僅為銅冷卻壁方案的30%。

圖5 中冶京誠新型冷卻結構

3.3 新型冷卻結構在本工程中的應用

本次大修將原有厚壁爐襯改為薄壁爐襯結構，爐腰直徑加大，爐腹角減小至78.043°，在爐腹爐腰區域（原第5、6 段冷卻壁）采用中冶京誠新型冷卻結構。爐腹區采用兩段單層水管球墨鑄鐵冷卻壁，壁體熱面各鑲嵌兩層銅冷卻板，爐腰區鑄鐵冷卻壁取消熱面凸臺，壁體熱面鑲嵌兩層銅冷卻板，銅冷卻板熱面與冷卻壁鑲磚間隙填充碳化硅搗打料。改造后，爐腹區冷卻壁體熱面一定程度上遠離了風口回旋區，再加上凸出冷卻壁壁體熱面50～100 mm 的導熱性能優異的銅冷卻板，使其爐腹區域形成的渣皮穩定牢固，對冷卻設備形成有效保護。

3.3.1 新型冷卻結構的冷卻系統

本高爐改造后在爐腹爐腰區域共使用了6 層銅冷卻板，冷卻水管規格為φ60×10，水速～2.35 m/s，單根水管的水流量為10.6 t/h，串聯形式，共計36 個水頭，如圖6 所示。外部配管采用單接口管箍與銅冷卻條水管進行連接，一端與銅管螺紋連接，另一端與鋼管焊接。銅條間連接水管設置三通球閥或者活接頭，方便查水和漏水處理。

4 改造后效果

該高爐于2017 年5 月份完成大修并投產，生產至今，高爐穩定、順行，日均產量可達4602 t，燃料比515 kg/t，詳見表2。目前，爐殼及冷卻設備的監測溫度均在正常范圍，爐腹處第5、6 段冷卻壁壁體溫度均維持在65 ℃左右。爐腰、爐腰冷卻設備使用狀況良好，無漏水現象。通過本次大修改造，高爐的各項指標均得到了大幅改善。

圖6 銅冷卻條串聯形式

表2 改造后該高爐生產技術指標

5 結語

（1）考慮到爐腹、爐腰區惡劣復雜的工作環境，渣皮才是保護冷卻設備最經濟有效的耐材，此區域冷卻設備的設計應以形成穩定可靠的渣皮為目的。

（2）中冶京誠新型冷卻結構具備了銅冷卻壁冷卻效果好的優點，還因其特殊的“錨固釘”式結構，能夠保證渣皮的穩定牢固，從而延長了高爐高熱負荷區冷卻設備的壽命。

（3）銅冷卻板的間距可根據設計自由選擇，因此不會出現過度冷卻，適應操作變化、原料變化性更強。

（4）近些年，該技術已在國內外十余座高爐上應用，從使用效果來看，該新型冷卻結構能夠解決高熱負荷區冷卻設備壽命短的問題，應用前景十分廣闊。