趙奇強(qiáng)，范川澤，劉圣國(guó)，孫華平

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019；2.福建三鋼集團(tuán)羅源閩光鋼鐵有限責(zé)任公司，福建350600）

0 引言

目前高爐使用的冷卻壁主要分為鑄鐵冷卻壁、鑄鋼冷卻壁和銅冷卻壁，鑄鐵冷卻壁應(yīng)用最早，但由于其綜合物理性能較差，在爐腹至爐身下部工況比較惡劣的部位損壞較為嚴(yán)重，隨后發(fā)展出的鑄銅和軋制銅冷卻壁，由于其超高的導(dǎo)熱能力，可使液態(tài)渣鐵在其表面迅速凝結(jié)成渣皮保護(hù)層，而完全勝任在該部位的工作。但由于銅高昂的價(jià)格，使銅冷卻壁一直未能在中小型高爐中廣泛應(yīng)用，因此開(kāi)發(fā)一種介于鑄鐵和銅冷卻壁之間的產(chǎn)品變得尤為重要。

鑄鋼冷卻壁壁體材質(zhì)為ZG230-450，價(jià)格遠(yuǎn)低于銅，具有良好的力學(xué)性能，其韌性、抗拉強(qiáng)度、熔點(diǎn)及抗熱震性能均優(yōu)于鑄鐵冷卻壁，而且鑄鋼冷卻壁壁體材質(zhì)與冷卻水管材質(zhì)相近，沒(méi)有防滲碳層和間隙層，使得鑄鋼冷卻壁的綜合導(dǎo)熱能力較鑄鐵冷卻壁有很大提升。因此，國(guó)外早在1982 年就開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)鑄鋼冷卻壁以在關(guān)鍵部位取代鑄鐵冷卻壁，國(guó)內(nèi)在“八五”和“九五”期間開(kāi)始對(duì)鑄鋼冷卻壁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用[1]，取得良好的效果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于爐腹到爐身中下部區(qū)域。截止2018 年，中冶華天已在國(guó)內(nèi)外30 余座高爐設(shè)計(jì)了鑄鋼冷卻壁，大多數(shù)高爐應(yīng)用效果良好，一代爐齡甚至一塊冷卻壁都未損壞。

1 鑄鋼冷卻壁的優(yōu)勢(shì)

鑄鋼冷卻壁主要的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)方面，一是鑄鋼冷卻壁壁體材質(zhì)的性能，二是冷卻水管與壁體熔合后的綜合導(dǎo)熱性能。

1.1 鑄鋼冷卻壁壁體材質(zhì)的性能優(yōu)勢(shì)

鑄鋼冷卻壁壁體為低碳鋼，相對(duì)于鑄鐵和銅的冷卻壁在物理性能上有其特別的優(yōu)勢(shì)，三者物理性能對(duì)比詳見(jiàn)表1。

由表1 可見(jiàn)，在抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和熔點(diǎn)方面,鑄鋼冷卻壁性能優(yōu)于鑄鐵，鑄鐵優(yōu)于銅；在導(dǎo)熱系數(shù)和抗熱疲勞方面，銅冷卻壁性能大大優(yōu)于鑄鋼，鑄鋼優(yōu)于鑄鐵；在硬度方面鑄鐵冷卻壁與鑄鋼接近，但大大優(yōu)于銅。

表1 不同冷卻壁壁體物理性能表

抗拉強(qiáng)度決定了材料在熱應(yīng)力作用下變形量的大小，冷卻壁壁體抗拉強(qiáng)度越大，其變形量越小，對(duì)冷卻水管的影響也就越小。伸長(zhǎng)率和抗疲勞決定了材料在高溫及溫變過(guò)程中保持材料整體性能，尤其是不開(kāi)裂的能力。硬度決定了材料的耐磨能力。導(dǎo)熱系數(shù)決定了材料的傳熱能力，導(dǎo)熱系數(shù)越高，冷卻壁的結(jié)渣能力越強(qiáng)，在高爐熔融帶，渣皮是冷卻壁自我保護(hù)的最有效手段。熔點(diǎn)決定了材料的工作部位，高爐爐腹、爐腰和爐身下部熱負(fù)荷較大，在該部位工作的冷卻壁必須要具有較高的熔點(diǎn)或高導(dǎo)熱系數(shù)。

綜合而言，鑄鋼冷卻壁壁體材質(zhì)除在導(dǎo)熱系數(shù)及抗熱疲勞方面低于銅冷卻壁，其綜合物理性能優(yōu)于鑄鐵冷卻壁，而且鑄鋼壁體內(nèi)外成分基本無(wú)偏析，無(wú)相變生長(zhǎng)，特別是低碳鋼具有特別地屈服現(xiàn)象，延伸率隨著溫度的升高而增加，它可使局部的熱應(yīng)力重新分布，使應(yīng)力集中處得到松馳，大大減緩了各種應(yīng)力的破壞作用[2]。

1.2 冷卻水管與壁體熔合后的綜合導(dǎo)熱性能優(yōu)勢(shì)

鑄鋼冷卻壁與鑄鐵冷卻壁在結(jié)構(gòu)上最大的區(qū)別是鑄鋼冷卻壁壁體與水管之間為適度熔合，沒(méi)有鑄鐵冷卻壁壁體和水管之間的防滲炭層和氣隙層。圖1 鑄鋼冷卻壁剖面，圖2 鑄鐵冷卻壁剖面。

圖1 鑄鋼冷卻壁剖面

圖2 鑄鐵冷卻壁剖面

從剖面圖可以看出，鑄鋼冷卻壁壁體與水管結(jié)合為一體，鑄件剖面較光滑，鑄鐵冷卻壁壁體與水管間有明顯的分界，鑄件剖面較粗糙。這是因?yàn)槔鋮s壁多采用20#鋼水管，其含碳量與鑄鐵不同，為了防止壁體向水管滲碳，在水管表面需噴涂0.1～0.2 mm 的防滲炭涂料，澆注時(shí)因水管與壁體溫度和線膨脹率不同，以及噴涂料的收縮，在壁體和防滲炭涂料之間還會(huì)產(chǎn)生0.1～0.2 mm 的氣隙層。就是因?yàn)闅庀秾雍头罎B碳層的存在，產(chǎn)生了巨大的熱阻，使鑄鐵冷卻壁的綜合導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鑄鋼冷卻壁，不同冷卻壁導(dǎo)熱性能對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2 可知，制約球墨鑄鐵冷卻壁導(dǎo)熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于間隙層導(dǎo)致的熱阻，該部分熱阻占整個(gè)鑄鐵冷卻壁熱阻的75%；制約銅冷卻壁導(dǎo)熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在水流和水管間的對(duì)流換熱熱阻，該部分熱阻占銅冷卻壁總熱阻的80%；制約鑄鋼冷卻壁導(dǎo)熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在壁體導(dǎo)熱熱阻，該部分熱阻占銅冷卻壁總熱阻的60%[3]。

表2 不同冷卻壁導(dǎo)熱性能性能對(duì)比表

2 鑄鋼冷卻壁的主要問(wèn)題

鑄鋼冷卻壁限制性環(huán)節(jié)主要在于其鑄造工藝，主要有兩個(gè)難點(diǎn)：

（1）鑄鋼澆注溫度高，鐵水流動(dòng)性差。鑄件鐵水的流動(dòng)性與其含碳量相關(guān)，含碳量越高流動(dòng)性越好，鑄鋼冷卻壁含碳量較低，其澆注鐵水流動(dòng)性不如鑄鐵冷卻壁，在澆注密排水管冷卻壁時(shí)需添加輕稀土和提高澆注溫度來(lái)提高其流動(dòng)性。

（2）鑄鋼壁體與水管熔合率和熔合度較難把握。鑄鋼冷卻壁的澆注溫度約為1 560 ℃，高于鑄鐵約240 ℃，澆注時(shí)對(duì)溫度控制以及水管冷卻劑要求較高。澆注溫度低時(shí)，壁體和水管不能熔合或融合率低；溫度高時(shí)，壁體和水管熔合過(guò)度，使水管失去軋制鋼管優(yōu)良的物理性能，導(dǎo)致水管變脆失去變形能力，冷卻壁壁體變形時(shí)連帶水管變形開(kāi)裂。作者曾親臨現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研漏水鑄鋼冷卻壁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打壓和觀察，認(rèn)為漏水原因多為壁體與冷卻水管過(guò)度熔合導(dǎo)致水管本身失去強(qiáng)度所致。

3 鑄鋼冷卻壁的使用效果

目前，鑄鋼冷卻壁在國(guó)內(nèi)各鋼廠上百座高爐得到應(yīng)用，大多應(yīng)用效果良好，但也有少數(shù)高爐鑄鋼冷卻壁出現(xiàn)了漏水，其主要原因是目前國(guó)內(nèi)鑄造廠鑄造水平參差不齊，有些鑄造廠并未真正掌握鑄鋼冷卻壁鑄造工藝技術(shù)，作者曾在驗(yàn)收冷卻壁時(shí)發(fā)現(xiàn)有鑄造廠澆注時(shí)將水管彎頭部分熔穿的現(xiàn)象，也有部分原因?yàn)楦郀t爐況和操作導(dǎo)致。但瑕不掩瑜，國(guó)內(nèi)已有一些鑄造廠熟練掌握了鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝，鑄鋼冷卻壁作為一個(gè)升級(jí)換代的產(chǎn)品，從無(wú)到有，從有到普及，得到了發(fā)展。

中冶華天自2004 年在杭州鋼鐵2#高爐設(shè)計(jì)使用鑄鋼冷卻壁，到現(xiàn)在已在馬鋼、三鋼、中天、杭鋼、長(zhǎng)江鋼廠、龍騰特鋼和天鋼聯(lián)合等30 余座高爐使用鑄鋼冷卻壁，除三鋼6#高爐爐身中部鑄鋼冷卻壁自投產(chǎn)后2 年開(kāi)始出現(xiàn)大面積損壞外，其它高爐均使用情況良好，尤其是中天、杭鋼、龍騰特鋼和天鋼聯(lián)合等自投產(chǎn)至今幾乎未損壞一塊鑄鋼冷卻壁，壁體溫度長(zhǎng)期穩(wěn)定。圖3 為某鋼廠對(duì)爐腹、爐腰和爐身下部鑄鋼冷卻壁1 年的壁體溫度記錄，爐腹冷卻壁壁體溫度介于60～80 ℃之間，爐腰冷卻壁壁體溫度基本在75～90 ℃之間，爐身下部冷卻壁壁體溫度基本介于90～110 ℃之間，以上溫度反應(yīng)出鑄鋼冷卻壁出色的導(dǎo)熱能力。

圖3 鑄鋼冷卻壁使用溫度

圖4為某鋼廠大修停爐后鑄鐵冷卻壁和鑄鋼冷卻壁使用對(duì)比圖，爐身中部的鑄鐵冷卻壁壁體基本消失，僅殘存冷卻水管，爐身下部的鑄鋼冷卻壁完好無(wú)損，反應(yīng)出鑄鋼冷卻壁的機(jī)械性能在面對(duì)復(fù)雜的爐況條件時(shí)具有的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。圖5 為杭鋼2#高爐第一爐役結(jié)束后鑄鋼冷卻壁使用情況，該高爐第一代爐役9 年，風(fēng)口以上共使用4 層鑄鋼冷卻壁，無(wú)一損壞，說(shuō)明鑄鋼冷卻壁完全可以滿足高爐長(zhǎng)壽化需要。

圖4 某鋼廠鑄鐵鑄鋼冷卻壁使用對(duì)比

圖5 杭鋼2#爐鑄鋼冷卻壁

4 結(jié)語(yǔ)

隨著鑄鋼冷卻壁在眾多高爐的成功應(yīng)用實(shí)踐，鋼基的冷卻壁有了更廣闊的發(fā)展空間，作者以為鑄鋼冷卻壁今后可在以下方面繼續(xù)發(fā)展。

（1）鋼銅復(fù)合冷卻壁。該型冷卻壁以鑄鋼或軋制鋼板為骨架，部分輔以銅板、銅管等，其目的是將鋼的強(qiáng)度和耐高溫性能同銅的高導(dǎo)熱性能相結(jié)合。

（2）異形水管鑄鋼冷卻壁。該型鑄鋼冷卻壁的水冷管采用異形，如橢圓型水管，根據(jù)同樣的截面積圓的周長(zhǎng)最小，異形水管可在不增加水量的情況下增加冷卻壁的比表面積，提高冷卻壁的換熱能力。

（3）軋制鋼板冷卻壁。該型冷卻壁以軋制鋼板為基礎(chǔ)，通過(guò)在鋼板鉆孔形成冷卻通道，通道外形可通過(guò)鉆孔調(diào)整，這種冷卻壁壁體具有更高的物理性能，比表面積調(diào)整的空間最大。