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高效长寿高炉的冷却结构及冷却强度刍议 汤清华1，史志苗2
（1.鞍钢股份有限公司；2.江阴兴澄特种钢铁有限公司）
摘 要：重点就高炉设计、改造、生产操作及维护中，经常遇到一些有关高炉冷却工艺和结构上的问题，如冷却壁冷却比表面积、冷却结构、冷却水质、热负荷、水速等进行了讨论。认为：应改善冷却壁结构，提高冷却比表面积达1.2以上；炉缸宜采用卧式弧形光面冷却壁；新设计高炉时应适当缩小炉腹角，已投产高炉则应适当调整风口小套的长度，以达到缩小操作炉型炉腹角的目的；采用闭路循环冷却工艺的高炉，冷却壁内的水流速度应达到2.5±0.2m/s。
关键词：高炉；冷却设备；冷却比表面积；冷却水；冷却强度
2.2 炉缸
（１）喷淋式冷却。炉壳喷水冷却是一种传统的冷却方法，因简单实用，对水质要求不高，投资少运行成本低，仍在大、中型高炉上使用。1985年我国宝钢1号、2号高炉炉缸部位采用了这种喷淋式冷却结构，且获得炉缸长寿的好业绩，使用了两代炉龄。当前，国外仍有不少高炉采用这种冷却结构，国内全冷却壁的高炉也都安装了炉役后期和应急的喷淋冷却设施。由上部环管喷水到炉壳上，水顺着炉壳往下流动进而带走炉内传出的热量，做到传热与冷却的平衡。炉内热量通过砖衬－炉壳－水进行热量传递，有传导传热、水吸热传热、水的吸热蒸发散热、空气对流散热，多种传散热方式组合，是一种非常好的冷却方式。 其优点是：①炉内高温传至炉壳没有受限制的热阻层；②冷却均匀，冷却比表面积大，可达到真正的1:1，传热能力强；③炉壳除了热电偶需引线开孔外，没有冷却壁进、出水管的开孔，炉壳强度好，也不用设置得过厚。而缺点则是，炉壳表面有一定的水蒸气产生，水耗稍大，对环境有一定的污染。 （２）外挂扁水箱。这种结构也叫夹套式槽板，是在上述喷淋式冷却结构的基础上，把外部喷水方式改成扁水箱，在炉缸炉壳表面密集挂满通水的扁水箱，水在扁水箱内流动冷却传热，炉壳除了热电偶导管外几乎没有开孔。其冷却能力优于喷淋式冷却，冷却比表面积大（1.0），炉壳一面几乎浸泡在水中受冷却，无水蒸气，环境友好。在欧美有许多高炉采用，我国高炉则极少采用。某5000m³高炉采用夹套式槽板冷却，水速达到2.0m/s，效果良好。 （３）冷却壁。下面就4进4出竖排水管光面灰铁铸造冷却壁、卧式弧形光面灰铸铁冷却壁和铜冷却壁进行讨论。 ①4进4出竖排水管光面灰铁铸造冷却壁。这是我国高炉炉缸主要使用的冷却壁，传统的蛇形管铸铁光面冷却壁已经很少了。因炉缸热负荷比较稳定，加之炉缸有较厚的内衬，已取得较好的长寿业绩。但是，目前这种冷却结构实现15年以上的寿命的实例不多，时有炉缸烧穿，对炭砖的质量、抗铁水侵蚀、内衬硇筑厚度和方式提出了更高的要求。另外，这种下进水上出水的方式，虽然缓解了冷却水气泡阻塞，但是有如下不足：一是，管间距大（210~240mm），冷却比表面积小（0.6~0.9），如果扣除水管冷热两面受热影向，其冷却比表面积只有0.30~0.45，这就使得冷却水不能迅速将炉内炭砖传出的热量带走，传热能力不足，加快了砖衬的侵蚀速度。二是，每两段冷却壁区域炉壳开孔密集，炉壳强度差，炉壳厚度越选越厚，造成施工难度和建设成本加大，焊缝处易漏煤气，是生产中的安全隐患。 ②卧式弧形光面灰铸铁冷却壁。这是一种10进10出横排水管弧形光面铸铁冷却壁（如图1所示），高ｘ长＝1.5mｘ4.0mｍ，一座5000m³级高炉炉缸一段冷却壁数量只有25块左右，比起竖排壁来说只有一半。1500mm高度上横排10根水管，其冷却壁冷却比表面积比可达1.45以上，是高炉冷却壁冷却比表面积很大的一种，对高炉炉壳开孔强度也是好的。特别是在炉缸铁口区域段布置两段这种形式冷却壁，对炉缸长寿是有利的。水的进出口，还可采取双向进出，其冷却水温均匀，冷却效果稳定。宝钢3号高炉炉缸采用这种冷却壁布置，第一代炉役炉缸就获得了19年的长寿命。 
③铜冷却壁。近年来，很多高炉在铁口区域和炉缸2~3段采用了铜冷却壁，有的高炉含风口段也采用了铜冷却壁，从使用结果看，不尽一致，笔者有以下两点与同仁讨论：一是，铸铁冷却壁的导热系数为35W/(m·K)左右，而铜冷却壁为350W/(m·K)左右，相差近10倍，历史上炉缸用铸铁冷却壁的高炉获得长寿的案例也很多。另外，炉缸是砌有砖衬的，而超微孔炭砖最好的导热系数也在20W/(m·K上下，低于铸铁冷却壁，更低于铜冷却壁，这一传热梯度结构有没有必要？二是，炉缸采用压轧铜板机加工的冷却壁，每块冷却壁的铜－铜焊接口为12~16个，在炉内长期受各种应力，一旦焊口出现渗漏，这可是在有铁水存在的湿区，对炭砖的氧化损害等应十分小心。如果采用铜基铸钢管或纯铜管，或铜基铸Monel管（镍64%~69%，铜26%~32%和少量锰、铁），炉内冷却水通道无焊缝，应该更优良。
2.3 炉腹、炉腰及炉身下部
炉腹、炉腰及炉身下部是整个高炉热负荷最高的部位。此段区域寿命是高炉长寿的限制性环节，已尝试了众多的冷却方式来提高此处的寿命。 （1）铜冷却板。国内外很多高炉采用密排布置铸铜冷却板，并砌有碳化硅砖或石墨砖，取得了好业绩，从使用结果看寿命优于铜冷壁。我国宝钢1号、2号高炉的第一、二代炉役，太钢的5号、6号高炉，鞍钢1号高炉等，均取得了长寿命的好业绩。铜冷却板的特点，是可利用定修期间更换任一块损坏的冷却板，保持足够冷却强度。如鞍钢1号高炉停炉大修（2003年3月8日一2016年12月），14年服役仅损坏冷却板29.2%，大修时一并更换。 （2）铜冷却壁。由乳制或锻压铜板机械加工成口的铜冷却壁，从2000年开始在我国高炉炉腹、炉腰及炉身下部广泛采用。20余年实际应用效果是良莠不齐，国内目前仅有5座大于2600m³高炉寿命在16~25年水平，现仍在服役中，是很好的范例。但大多数高炉效果不佳，平均寿命6~8年，只有预期的一半。铜冷却壁损坏主要表现是：磨损壁体漏水，剪断进出口水管，拉断水管焊口。究其原因，主要是：①炉腹角或操作炉腹角太大，炉腹不易挂渣皮，不能有效地保护冷却壁。②铜冷却壁做得太长，铜材质延伸率大，炉内受热延伸后造成铜冷却壁中间向炉内突起，或进、出水端两头内翘，进而磨损和拉断进出口水管。③铜冷却壁与炉壳安装技术不佳，没有给铜壁受热延伸变长的伸展余地，上述5座长寿铜冷却壁，其与炉壳的固定螺栓是活动的，铜壁可在炉壳上有一定的活动量，避免铜壁在炉内变形。④冷却水流速偏低，上述5座高炉冷却水流速是2.50~3.51m/s，而多数高炉冷却水流速不足2.0m/s，高导热的冷却器更应配合高水速来迅速带走热量，才能减少过热现象。 近年来，铜一钢复合冷却壁得以开发，若大范围使用得成功，就有可能替代单一铜质冷却壁。 （3）铁素体球墨铸铁镶砖冷却壁。这是当前高炉风口往上主流使用的冷却壁，即使高炉炉腹至炉身下部采3~4段铜冷却壁，也还要安装6~7段铁素体球墨铸铁冷却壁。其最大的优点是，比灰铸铁冷却壁承受的最大温度由400℃提升到760℃，对基体龟裂起到缓冲作用，是高炉铸铁冷却壁的技术进步，取得了高炉长寿的好业绩。目前，仍有一些不足之处应当加以提升： 一是，冷却壁制造过程中，尚不能完全达到国家和行业标准，如球化率、延伸率达不到要求，尤其是芯部延伸率，化学成分如[S]、[P]等不能达标，造成冷脆与热脆，水管防渗碳层优化等。 二是，冷却壁设计上的水管间距大，水管直径小，造成冷却壁的冷却比表面积过小。业内各高炉冷却壁的冷却比表面积在0.6~0.98，如果再扣除传热的冷、热面之差，实际比表面积只有0.3~0.5，热量传导不出来，与上述喷淋式冷却相比，相差甚远。 有的采用双排冷却水管结构，以提高冷却能力，但从实际应用结果看，没达到预期。进一部提高冷却比表面积的办法，是缩小冷却水管的管间距。宝钢湛江等高炉采用6进6出镶砖球墨铸铁冷却壁（如图2所示），水管间距170mm，冷却壁冷却比表面积可达1.2以上，而且炉壳开孔布置也不再集中了，缓解了炉壳开孔强度不足与水管联接的矛盾。 
（４）冷却壁和冷却板相结合。这种冷却结构是国内外使用最多的，并不断在优化改进中，与铜冷却板冷却结构一样，属于厚炉衬结构。对于板壁结合的冷却结构，日本在设计、制造和使用上较成熟，长寿命的高炉也最多。随着高导热的铜冷却壁和薄炉衬技术发展，板壁结合的冷却结构少了，只有炉腹到炉身中下部采用铜冷却板，而上部采用镶砖球墨铸铁冷却壁形式的板壁结合的冷却结构。新日铁第四代铸铁镶砖冷却壁我国尚未采用。
3 冷却水 （１）质量要求。实践证明，高炉冷却用水必须注意其质量，既要注意水的硬度，还要注意水的稳定性温度范围（水的暂时硬度的分解温度），高炉冷却水质量大体可分为三类（见表１）。 
我国北方地区绝大多数自然水均属三等，稳定性温度低，而且水资源紧张。过去用工业水开路循环冷却，长期出现“百天修炉百天坏，修得没有坏得快”的顺口溜，就是水结垢造成，改成软水和工业纯水后冷却壁寿命得以数倍提升。现今长江流域的水质，总硬度也不断地攀升，小于160mg/L难以控制，因此也都采用软水或除盐纯水。软水是把水中的Ca2+、Mg2+阳离子排除了，阴离子仍留在软水中，应当注意系统内的防腐。工业除盐纯水或海水淡化除盐水是把阴、阳离子都除掉了，这种水质系统内应注意除氧，防氧化。使用这两种水质的管网系统，都应在投产之前进行清洗、钝化预膜处理。
（2）循环冷却工艺。主要有以下几种： ①工业水开路循环冷却。这种冷却工艺只有在一类水质区域或高水速冷却器中使用（如风口高压水，3000m³高炉风口水速要求9.99~15.83m/s），或低温净循环冷却设施上使用。 ②汽化冷却系统。这种冷却工艺最省水，是较好的冷却方式，但因高炉热负荷波动大，冷却器容易过热，影响高炉寿命而改用软水密闭循环冷却系统。 ③软水（工业纯水）闭路循环冷却。这种冷却工艺有可靠性强、冷却效率高、水耗低、电耗低、水处理费用低等优点，被高炉广泛采用。 ④软水闭路循环冷却。这种冷却工艺是省水的，换热器如果采用水一水换热，其二次水也是循环使用，只是二次水耗大（1.2倍）和电耗要高一些。2001年鞍钢新1号高炉，首次将水一空喷淋蒸发冷却器从石化行业引人钢铁行业，使用效果良好，被广泛采用。随着焊接技术的提升，将管束水-空喷淋蒸发冷却器，改为板式空一水喷淋蒸发冷却器，效果会更好。 （3）冷却总水量。高炉的不同部位的热负荷是不同的，各区段最大热负荷是各区段热流强度最大值与它们面积乘积的总和，是确定冷却器冷却能力的主要参数。高热负荷区域的热流峰值，有的要达到200~400MJ/（m2·h），风口区的热负荷还要高出4~5倍。冷却器要经受这么高的热负荷，仍需进一步合理匹配，也可根据热负荷等来确定冷却总水量和水的冷却方式。 冷却总水量确定后，要精确设计好水的分配。建议以带2～3层环管布置的一串到顶的方式，分段冷却方式总水量更多，且没有一串到顶冷却力量集中的优势。 （4）水压。高炉冶炼进一步强化，炉内热流强度波动频繁，热震现象也严重。为了加强冷却，对水压要求也越高，风口冷却水压要求1.0~1.5MPa，其他部位的水压应比炉内压力至少高出0.05MPa，这是为了避免水管破损以后高炉煤气窜入水管而造成重大事故。随着高炉顶压的提高，就要考虑水压与之匹配。很多高炉实践表明，炉体冷却水压要比炉内压力高出0.1MPa为宜。 （5）水温差。过去主要靠手工测定高炉工业水开路循环冷却的水温差和热流强度，数据少，只有高铝质的综合炉底炉缸结构（1~5段）的冷却水温差规定为小于3.0℃。而现在，高炉采用高导热的全炭炉缸炉底，炉体中上部为薄壁炉衬，采用软水（纯水）闭路循环冷却，大水量、高水速，高炉的传热体系明显改进，整个炉体一串到顶，冷却水温差多在5℃左右，炉缸1~5段水温差一般小于1℃，多以热流强度和水温差来进行综合监管。
（6）水速。高效长寿高炉提出的一代炉役寿命15年和15000t/m³的目标是很高的。按98%的作业率，高炉年均利用系数为2.8t/（m³·d)，要满足这个超高冶强要求，高炉冷却强度必须提升才行。
文献［5]建议高炉风口水速要求9.14～19.12m/s（2500～4000m³高炉），大于2000m³高炉开路水冷却70mm管径的水速应在3.5m/s。 随着冶炼强度进一步提高，把冷却水管的水速控制在1.5~2.0m/s，笔者认为这个偏低。前述几座长寿铜冷却壁高炉的水速都在2.5~3.51m/s。某高炉为全铸铁冷却壁结构，冷却壁冷却比表面积1.2的情况下，水速在2.7m/s,效果甚好。 ４ 结语 （１）改善冷却壁结构，提高冷却比表面积达1.2以上，可取消双排水管结构，炉缸建议采用卧式弧形光面冷却壁。
（２）提高冷却壁铸造质量，优化冷却壁水管排布方式，减少冷却死角，提高炉壳开孔强度，改善水管联接方式。
（３）新设计高炉时，可适当缩小炉腹角；己投产的高炉，应适当调整风口小套的长度，以达到缩小操作炉型炉腹角目的。
（４）优化铜冷却壁的安装技巧，提高铜冷却壁与耐材镶嵌强度。建议采用闭路循环冷却工艺的高炉，冷却壁内的水流速度达到2.5±0.2m/s。
参考文献
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