高爐煉鐵技術不斷進步，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。高爐長壽技術是提高煉鐵企業(yè)效益的關鍵。從高爐結構上看，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備對延長高爐壽命至關重要。
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為幾種不同金屬導熱系數(shù)，可以看出純銅的導熱系數(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）嚴重損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）化學侵蝕
氧元素在銅中的固溶量很小，但易與銅反應生成Cu2O，生成的Cu2O分布在晶界或枝晶網(wǎng)絡中。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重的“溝槽處”和完整部位的氧含量，結果分別為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，如方程（1）和方程（2）所示。
反應產(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（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。
由于銅冷卻壁導熱能力強，導熱系數(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)生熱應力作用。熱應力作用是銅冷卻壁出現(xiàn)撓曲變形的主要原因，且熱負荷越大，撓曲變形越嚴重。一定熱負荷下，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，導熱系數(shù)低，在高熱負荷區(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荷區(qū)域采用鑄鐵冷卻壁時，由于鑄鐵冷卻壁壁體導熱系數(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、煤氣沖刷及高溫熱輻射等的綜合作用下，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?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 銅鋼復合冷卻壁
銅鋼復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，可以預見，銅鋼復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成分及環(huán)境溫度有關。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重要的，首先穩(wěn)定的原燃料條件是渣皮穩(wěn)定的基礎。燒結礦堿度和粒度、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，往往造成爐墻結厚或邊緣氣流過剩，渣皮不能穩(wěn)定存在。
結語
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，應適當發(fā)展邊緣氣流，使高負荷區(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)，在保證高導熱率的前提下，嚴格控制氫、氧元素含量；改進冷卻結構，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)定燒結礦和焦炭質(zhì)量，避免出現(xiàn)燒結礦堿度、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，可采用銅鋼復合冷卻壁，爐缸、爐喉及爐身上部等熱負荷較低的區(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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