高爐煉鐵技術(shù)不斷進步，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、長壽逐步成為高爐生產(chǎn)的發(fā)展方向，高爐大型化、高效化迅速提高。高爐長壽技術(shù)是提高煉鐵企業(yè)效益的關(guān)鍵。從高爐結(jié)構(gòu)上看，爐缸爐底及爐腹到爐身下部是高爐長壽的兩個重點區(qū)域，選擇合適的耐火材料及冷卻設(shè)備對延長高爐壽命至關(guān)重要。
隨著高爐的利用系數(shù)和冶煉強度提高，高爐爐腹、爐腰和爐身下部的熱負(fù)荷上升，爐缸側(cè)壁溫度升高等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。同時，國內(nèi)高爐原燃料質(zhì)量穩(wěn)定性較差，常引起爐況波動，進而造成軟熔帶位置頻繁上下移動，加速爐腹到爐身下部區(qū)域耐材的侵蝕和冷卻壁的損壞。隨著寶鋼湛江等企業(yè)大型高爐采用全鑄鐵冷卻壁，煉鐵企業(yè)對于采用何種冷卻壁出現(xiàn)了較多分歧，因此，有必要對不同冷卻壁在使用過程中的問題進行探討。
高爐冷卻壁的損壞形式及原因
2000年以來銅冷卻壁以其良好的導(dǎo)熱能力和形成渣皮能力在我國高爐上得到廣泛的使用，目前全國約200座以上的高爐采用銅冷卻壁，尤其是在爐腹、爐腰和爐身下部等熱負(fù)荷較高的區(qū)域。高爐冷卻壁主要包括鑄鐵和純銅，另外還出現(xiàn)過鑄鋼冷卻壁。鑄鐵冷卻壁抗熱震性能差、導(dǎo)熱系數(shù)低。另外，其冷卻水管是鑄入鑄鐵本體內(nèi)的，由于材質(zhì)和膨脹系數(shù)的不同，形成氣隙層，而影響了傳熱。這些缺陷限制了鑄鐵冷卻壁的進一步發(fā)展。因此，從上世紀(jì)70年代歐洲開發(fā)和使用了銅冷卻壁，得到較好的效果。表1為幾種不同金屬導(dǎo)熱系數(shù)，可以看出純銅的導(dǎo)熱系數(shù)遠優(yōu)于其他材料。
1銅冷卻壁
高爐銅冷卻壁熱面大面積損壞具有以下特征：（1）嚴(yán)重?fù)p壞部位集中在爐腰部位，具有明顯的區(qū)域性；（2）損壞期間，高爐出現(xiàn)冷卻強度不足、冷卻壁本體溫度升高的現(xiàn)象。
（1）化學(xué)侵蝕
氧元素在銅中的固溶量很小，但易與銅反應(yīng)生成Cu2O，生成的Cu2O分布在晶界或枝晶網(wǎng)絡(luò)中。一方面銅冷卻壁的純度有限，一般含有少量的氧，另一方面，高溫條件下，爐渣、煤氣中的氧元素可向銅基體擴散，造成冷卻壁熱面壁體氧含量升高。李峰光等采用納克ON-3000氧氮分析儀測定冷卻壁熱面損壞嚴(yán)重的“溝槽處”和完整部位的氧含量，結(jié)果分別為19ppm和15ppm，該氧含量可造成銅冷卻壁產(chǎn)生晶界裂紋。
冷卻壁熱面處于還原氣氛，高爐煤氣中的CO和H2可以與冷卻壁中的Cu2O發(fā)生還原反應(yīng)，如方程（1）和方程（2）所示。
反應(yīng)產(chǎn)生高壓的CO2和H2O氣體，高壓氣體作用下銅冷卻壁基體產(chǎn)生微小裂紋，反應(yīng)（2）的靈敏度明顯較高，因此這種現(xiàn)象往往稱為“氫病”。“氫病”被認(rèn)為是銅冷卻壁破損的主要原因之一。“氫病”的發(fā)生主要受三個因素影響：氧含量、溫度和渣皮脫落。氧含量越高，溫度越高，越容易發(fā)生“氫病”，而渣皮脫落則是“氫病”產(chǎn)生的直接原因。
由于銅冷卻壁導(dǎo)熱能力強，導(dǎo)熱系數(shù)達到380W/(m?K)，正常爐況條件下，高爐渣粘附在冷卻壁熱面后，熱量迅速被冷卻水帶走，在冷卻壁熱面形成一定厚度的渣皮。渣皮阻礙高爐煤氣中H2和CO向冷卻壁壁體的擴散，從而避免了“氫病”現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)發(fā)生邊緣煤氣流過剩等異常爐況時，渣皮不能穩(wěn)定存在于冷卻壁表面，造成冷卻壁熱面暴露于煤氣中，冷卻壁表面不僅要承受高溫高速煤氣的沖刷侵蝕和渣鐵的化學(xué)侵蝕，“氫病”發(fā)生的情況也大幅提高，造成冷卻壁壽命降低。
（2）磨損
與化學(xué)侵蝕相似，在爐況異常、渣皮頻繁脫落的情況下，冷卻壁受到大塊高溫物料的機械沖擊和高溫煤氣流的沖刷。銅冷卻壁表明出現(xiàn)不同程度的破損，甚至出現(xiàn)冷卻水管道暴露的現(xiàn)象。王寶海[9]采用金相顯微鏡觀察破損嚴(yán)重的銅冷卻壁不同位置的試樣，發(fā)現(xiàn)金相組織均為ɑ固溶體，且冷卻壁熱面未出現(xiàn)晶粒長大現(xiàn)象，表明銅冷卻壁破損的主要原因是機械磨損，而不是熔損。
銅冷卻壁磨損一方面是由于銅的硬度較低，相對鑄鐵更容易被塊狀爐料磨損，另一方面，操作上長期保持中心氣流過強，邊緣過重，軟熔帶根部過低，塊狀帶大塊物料，很容易磨損銅冷卻壁。
（3）撓曲變形
銅冷卻壁一般用于爐身下部、爐腰和爐腹等熱負(fù)荷高的區(qū)域，渣皮頻繁脫落時，冷卻壁熱面暴露在高溫煤氣中，受到煤氣、渣鐵等的熱輻射作用。同時，由于冷卻水的冷卻作用，造成冷卻壁冷熱面間出現(xiàn)一定的溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力作用。熱應(yīng)力作用是銅冷卻壁出現(xiàn)撓曲變形的主要原因，且熱負(fù)荷越大，撓曲變形越嚴(yán)重。一定熱負(fù)荷下，冷卻壁高度越高，撓度越大。
2 鑄鐵冷卻壁
鑄鐵冷卻壁常用于爐身上部、爐喉及爐缸部位的冷卻，除延伸率高、抗拉強度高等優(yōu)點外，鑄鐵冷卻壁還具有以下不利因素：（1）抗熱震性能差，導(dǎo)熱系數(shù)低，在高熱負(fù)荷區(qū)域工作時，冷卻壁冷熱面溫差較大，造成壁體內(nèi)部熱應(yīng)力較大，容易造成壁體撓曲變形，甚至出現(xiàn)裂紋。（2）由于制造工藝限制，鑄鐵冷卻壁壁體與冷卻水管之間存在氣隙，大幅增加熱阻，造成冷卻壁傳熱性能較差，冷卻能力不足。
爐腹、爐腰及爐身下部等高熱負(fù)荷區(qū)域采用鑄鐵冷卻壁時，由于鑄鐵冷卻壁壁體導(dǎo)熱系數(shù)較低，且壁體與冷卻水管間存在氣隙和陶瓷涂層，因此鑄鐵冷卻壁的冷卻能力遠低于銅冷卻壁，不利于快速形成穩(wěn)定的渣皮。精料水平較低的情況下，一方面，冷卻壁容易受到塊狀帶下降的大塊物料的撞擊、磨損，另一方面，冷卻壁熱面在渣鐵侵蝕、煤氣沖刷及高溫?zé)彷椛涞鹊木C合作用下，熱面溫度迅速升高，并容易超過壁體本身能承受的溫度上限，從而造成壁體熔損。寶鋼3號高爐采用全鑄鐵冷卻壁，一代爐役壽命長達19年，表明在寶鋼原燃料條件下，采用全鑄鐵冷卻壁，配以適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)和耐火材料可以實現(xiàn)高爐長壽。但是在目前我國絕大多數(shù)高爐精料水平普遍偏低的環(huán)境下，采用全鑄鐵冷卻壁能否維持高爐長壽，尤其是爐腹、爐腰和爐身下部的長壽，尚有待進一步的實踐檢驗。
3 銅鋼復(fù)合冷卻壁
銅鋼復(fù)合冷卻壁以純銅作為冷卻壁熱面?zhèn)鳠釋硬牧希l(fā)揮銅冷卻壁的傳熱優(yōu)勢，同時以高強度鋼板為冷面被覆層材料，提高冷卻壁的機械強度。采用爆炸焊接工藝將銅板和鋼板焊接成銅鋼復(fù)合冷卻壁，兼顧了抗變形能力和傳熱性能。由于爆炸焊接瞬時能量較大，使鋼與銅之間實現(xiàn)高強度的冶金結(jié)合，界面無氣隙和中間產(chǎn)物層。同時冷卻壁被覆層采用鋼質(zhì)材料，使冷卻水進出水管與冷卻壁壁體焊接時，避免了異種材料焊接時預(yù)熱難度大、易出現(xiàn)焊接缺陷的問題，提高了焊接質(zhì)量。采用鋼板代替代部分純銅，制造成本大幅度降低。
更重要的是，銅冷卻壁相對鑄鐵冷卻壁更容易發(fā)生撓曲變形，變形后冷卻壁與耐火材料間的氣隙是影響傳熱的重要因素。采用高強度鋼抵抗冷卻壁的熱震變形，對銅冷卻壁維持良好的工作狀態(tài)十分重要。因此，可以預(yù)見，銅鋼復(fù)合冷卻壁可能成為新一代冷卻壁而得到廣泛推廣。
渣皮對冷卻壁壽命的影響
對于爐腹、爐腰及爐身下部等高熱負(fù)荷區(qū)域，無論是鑄鐵冷卻壁還是銅冷卻壁，渣皮的保護作用對冷卻系統(tǒng)的長壽至關(guān)重要。冷卻壁熱面存在穩(wěn)定渣皮時，塊狀帶物料、熔融渣鐵及高溫煤氣等不能直接接觸冷卻壁壁體，從而減少磨損、渣鐵侵蝕、“氫病”及有害元素等問題的發(fā)生，大幅提高冷卻壁壽命。渣皮的形成過程受多方面因素影響，如圖1所示。
圖1 渣皮形成的影響因素
從圖1可以看出，渣皮的穩(wěn)定生成主要受三方面因素影響：（1）冷卻壁自身冷卻能力。冷卻壁冷卻能力越強，熔融渣鐵越容易在冷卻壁熱面凝結(jié)成渣皮并穩(wěn)定存在；（2）渣鐵流動性。渣鐵的流動性主要與化學(xué)成分及環(huán)境溫度有關(guān)。邊緣氣流過度發(fā)展，渣鐵的流動性越強，在高溫煤氣沖刷作用及物料沖擊作用下，越不容易在冷卻壁表面形成渣皮。反之，邊緣過重，軟熔帶下移，渣鐵在高熱負(fù)荷區(qū)以固體形式存在，則不存在粘附冷卻壁形成渣皮的條件；（3）高爐操作。高爐操作對渣皮的影響是多方面且至關(guān)重要的，首先穩(wěn)定的原燃料條件是渣皮穩(wěn)定的基礎(chǔ)。燒結(jié)礦堿度和粒度、焦炭灰分和粒度等的波動易造成爐況波動，煤氣流失常，造成渣皮頻繁脫落。此外，布料制度采用過度壓重邊緣，或中心和邊緣開放，中間過重等布料模式時，往往造成爐墻結(jié)厚或邊緣氣流過剩，渣皮不能穩(wěn)定存在。
結(jié)語
渣皮頻繁脫落是造成爐身下部到爐腹段冷卻壁損壞的主要原因。高爐強化冶煉要保證爐況順行，應(yīng)適當(dāng)發(fā)展邊緣氣流，使高負(fù)荷區(qū)域能夠形成熔融的、具有一定粘度的渣鐵，接觸銅冷卻壁后形成穩(wěn)定的渣皮。
過度發(fā)展邊緣氣流和邊緣過重均不利于渣皮穩(wěn)定，邊緣過度發(fā)展，渣皮熔化，液態(tài)渣鐵粘度降低，已經(jīng)形成的渣皮容易脫落。邊緣過重，容易造成爐墻結(jié)厚，渣皮同樣容易頻繁脫落。
（1）冷卻壁制造方面：優(yōu)化銅冷卻壁材質(zhì)，在保證高導(dǎo)熱率的前提下，嚴(yán)格控制氫、氧元素含量；改進冷卻結(jié)構(gòu)，盡量減少冷卻壁冷卻死區(qū)的比例。
（2）原燃料質(zhì)量方面：穩(wěn)定燒結(jié)礦和焦炭質(zhì)量，避免出現(xiàn)燒結(jié)礦堿度、焦炭灰分等的大波動，頂裝焦換搗固焦，干熄焦換濕熄焦時應(yīng)逐步過渡，避免大比例調(diào)整。
（3）高爐操作方面：采用合理的操作爐型，選擇合適的爐腰直徑、爐腹角和爐身角；探索合理的布料制度，適當(dāng)發(fā)展邊緣氣流，避免邊緣過重和過分發(fā)展，形成穩(wěn)定的渣皮保護冷卻壁。
（4）中修或大修過程中，根據(jù)自身原燃料條件及操作水平，選擇合適的冷卻壁材質(zhì)。爐腹、爐腰和爐身下部宜采用銅冷卻壁，提高冷卻能力，為防止撓曲變形，可采用銅鋼復(fù)合冷卻壁，爐缸、爐喉及爐身上部等熱負(fù)荷較低的區(qū)域宜采用鑄鐵冷卻壁，降低投資成本。
來源：煉鐵夢想家
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