鞍鋼高爐爐缸冷卻水速和水溫研究

謝明輝，姜喆，車玉滿，朱建偉，郭天永

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著裝備水平的進步和維護水平的提升，限制鞍鋼股份有限公司（以下簡稱“鞍鋼”）高爐長壽的關鍵因素已從上部冷卻壁破損轉變?yōu)闋t缸耐材過快侵蝕［1］。對鞍鋼10座高爐破損調查跟蹤發(fā)現(xiàn)，爐缸耐材快速侵蝕主要是熱平衡被打破后反復累積的結果，因此解決此問題的核心關鍵是建立起合理穩(wěn)定的從爐缸內部向外部的傳熱體系。而冷卻水作為爐缸內部熱量向外傳輸?shù)闹饕橘|，直接決定著爐缸傳熱體系的合理與否。因此，本文主要從爐缸傳熱角度對爐缸冷卻水參數(shù)進行了討論。

1 理論基礎

高爐爐缸97%以上的熱量都是通過冷卻水傳出的，僅不到3%的熱量通過爐殼散熱傳出。爐缸冷卻系統(tǒng)傳熱示意圖見圖1。因此，可認為爐內熱量通過耐材、冷卻壁后最終被冷卻水全部帶走。在爐內熱平衡狀態(tài)下，爐內傳出的熱流可用公式（1）計算［2］：

圖1 爐缸冷卻系統(tǒng)傳熱示意圖Fig.1 Schematic Diagram for Heat Transferring from Hearth Cooling System

式中，T鐵為鐵水溫度，℃；T水為冷卻水溫度，℃；h水為冷卻水與冷卻壁綜合換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；a為冷卻壁比表面積；L冷為冷卻壁厚度，m；K冷為冷卻壁或爐殼導熱系數(shù)，W/（m·℃）；L搗為碳搗料厚度，m；K搗為碳搗料導熱系數(shù)，W/（m·℃）；L炭為炭磚厚度，m；K炭為炭磚導熱系數(shù)，W/（m·℃）；h鐵為鐵水與炭磚換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

對鞍鋼高爐冷卻水對爐缸冷卻效果的影響進行研究，參數(shù)選擇為 T鐵=1 500 ℃；h鐵=45 W/（m2·℃）；a=1；L冷=0.08 m；K冷＝340 W/（m·℃）；L搗=0.08 m；K搗=12 W/（m·℃）；L炭=1.4 m 和 0.2 m，K炭=20 W/（m·℃）。

2 冷卻水對高爐爐缸冷卻效果影響

2.1 冷卻水速對熱流強度和炭磚熱面溫度的影響

冷卻水速變化主要影響h水，可按公式（2）計算。

式中，v為水管內冷卻水流速，m/s；λ為水的熱導率，W/（m2·℃）；CP為水的比熱容，J/（kg·℃）；ρ 為水的密度，kg/m3；di為水流通道直徑，m；υ為水的運動粘度，m2/s。可以看出，水速越大，水的對流換熱系數(shù)越大，總熱阻越小。分別計算開爐時炭磚厚度1.4 m和大修時高爐殘存炭磚厚度0.2 m時高爐爐缸由內向外傳輸?shù)臒崃鲝姸群吞看u熱面溫度，分析冷卻水速對熱流強度和炭磚熱面溫度的影響，結果分別如圖2、3所示。

由圖2、3可以看出，在剛開爐后和爐役后期，爐缸通過冷卻水傳出的熱量都隨著冷卻水速的增加而提高，相應的炭磚溫度也越低，但冷卻水速超過2.5 m/s后，繼續(xù)提高冷卻水速對冷卻效果的提高影響很小。因此，鞍鋼適宜的冷卻水速應選擇2.5 m/s。

圖2 冷卻水速對熱流強度的影響Fig.2 Effect of Cooling Water Velocity on Heat Flux Intensity

圖3 冷卻水速對炭磚熱面溫度的影響Fig.3 Effect of Cooling Water Velocity on Hot Surface Temperature of Carbon Bricks

2.2 冷卻水溫對炭磚熱面溫度的影響

根據(jù)公式（1）可以看出，冷卻水溫越低，高爐內部傳出的熱量也越多，相應的炭磚熱面溫度也應越低。分別計算當冷卻水溫由15℃提高至75℃時炭磚的熱面溫度，分析冷卻水溫對炭磚熱面溫度的影響，結果如圖4所示。

圖4 冷卻水溫對炭磚熱面溫度的影響Fig.4 Effect of Cooling Water Temperature on Hot Surface Temperature of Carbon Bricks

由圖4可以看出，當冷卻水溫從15℃升高到75℃時，炭磚厚度為1.4 m時熱面溫度由1 185℃增加到1 197℃，增加了12℃；而炭磚厚度為0.2 m時熱面溫度由763℃增加到795℃，增加了32℃。可見，與剛剛開爐炭磚保持原有厚度時相比，在一代爐役末期，炭磚殘厚越來越薄時，冷卻效果稍好一些。但總體來說，爐缸冷卻水溫對炭磚熱面溫度降低作用非常有限。這意味著在高爐冷卻體系中，過度降低冷卻水溫意義不大，反而會增加運行成本。

2.3 冷卻水速和冷卻水溫對搗料溫度的影響

炭磚搗料在爐缸傳熱鏈上起到承上啟下的作用，是實現(xiàn)高爐長壽的重要保障，如果搗料固結不好，在高爐內煤氣和水蒸氣的氣蝕作用下，組織會變得疏松而影響其傳熱性能［3］，從而形成氣縫。氣縫的導熱系數(shù)只有 0.05 W/（m·K）［4］，約是目前鞍鋼高爐炭磚導熱系數(shù)的1/400，此時搗料就不能起到熱量傳遞橋梁作用將熱量傳遞給冷卻壁。在這種情況下，炭磚即使質量很好，也會因炭磚熱面溫度過高而造成炭磚表面難以結成渣皮，從而造成炭磚快速侵蝕。鄒忠平等對國產(chǎn)炭搗料的導熱性能進行了實驗室測試，發(fā)現(xiàn)炭搗料的強度和導熱系數(shù)受烘烤溫度影響明顯，經(jīng)歷過110℃的烘干后，搗料可很快具備足夠的強度，從而保證在高爐生產(chǎn)的很長一段時間內炭磚、搗料、冷卻壁形成一個有效的傳熱整體。因此，控制高爐開爐初期搗料溫度在110℃以上是保證高爐搗料有效固結的重要措施。通過直接提高水溫和降低水速的方式可以有效的提高搗料的預熱溫度。冷卻水速和冷卻水溫對搗料溫度的影響如圖5、6所示。

圖5 冷卻水速對搗料溫度的影響Fig.5 Effect of Cooling Water Velocity on Temperature of Tamping Materials

圖6 冷卻水溫對搗料溫度的影響Fig.6 Effect of Cooling Water Temperature on Temperature of Tamping Materials

由圖5、6可以看出，相比于水速的調節(jié)，水溫的調節(jié)更加直接有效且穩(wěn)定。單純控制水溫到70℃以上，就可以保證搗料溫度整體都在110℃以上，搗料可以有效固結。如果單純控制水速，則需要將水都控制在非常低的水平才能達到使搗料預熱固結的溫度，但此時搗料溫度隨水速波動較大，無法保證搗料穩(wěn)定受熱。因此，建議開爐初期應控制冷卻水溫在70℃以上，適當降低冷卻水速即可。

3 結論

（1）在鞍鋼高爐爐缸傳熱系統(tǒng)中，增大冷卻水速可以提高爐缸內傳出的熱量和降低炭磚熱面溫度，但當冷卻水速大于2.5 m/s時，繼續(xù)增大水速對提高冷卻效果影響很小。建議鞍鋼冷卻水速選擇2.5 m/s。

（2）爐缸冷卻水溫對炭磚熱面溫度降低作用非常有限。這意味著在高爐冷卻體系中，過度降低冷卻水溫度意義不大，反而會增加運行成本。

（3）開爐初期控制冷卻水溫70℃以上，適當降低水速可有效保障搗料有效固結。