趙艷霞，祁四清，王春龍

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京100176）

1 前 言

作為高爐高熱負(fù)荷區(qū)域的爐腹、爐腰及爐身下部，是決定高爐長(zhǎng)壽的關(guān)鍵部位之一。該部位工況較為復(fù)雜，其采用的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻設(shè)備的材質(zhì)至關(guān)重要。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，此部位最好的耐材是穩(wěn)定的渣皮，因此解決爐腹、爐腰及爐身下部壽命的關(guān)鍵是冷卻結(jié)構(gòu)［1］。中冶京誠(chéng)根據(jù)多年的冷卻壁破損調(diào)研，結(jié)合各種冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并且在多年板壁結(jié)合爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)。

2 爐體冷卻結(jié)構(gòu)類型

爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域冷卻結(jié)構(gòu)主要有以下3種類型。

2.1 密集式銅冷卻板結(jié)構(gòu)

密集式銅冷卻板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是各層冷卻板之間的間距小，約300 mm，將純銅制造的冷卻板插入高爐砌體內(nèi)，以降低內(nèi)襯的溫度，密集式銅冷卻板結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。

圖1 密集式布置的銅冷卻板結(jié)構(gòu)

該冷卻結(jié)構(gòu)屬于點(diǎn)式冷卻，對(duì)耐火材料的冷卻欠均勻。隨著耐材的侵蝕，冷卻板前端裸露在爐內(nèi)，容易造成熔損性燒壞，維護(hù)量大，不易形成平滑的操作爐型。

2.2 板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)

板壁結(jié)合就是冷卻板與冷卻壁相結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻板呈“品”字形布置在冷卻壁的四周和中心，以便形成穩(wěn)定渣皮，使冷卻設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，并可靠地保護(hù)爐殼。板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)

板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于為爐腰和爐身下部區(qū)域保護(hù)磚襯和形成渣皮創(chuàng)造了良好的條件，從而達(dá)到保護(hù)冷卻壁的目的。在高爐操作嚴(yán)格控制邊緣氣流的條件下，可以達(dá)到長(zhǎng)壽的目的。日本川崎鋼鐵公司千葉廠6#高爐第1 代、第2 代均為板壁結(jié)合結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了爐役20 a 以上的高爐長(zhǎng)壽記錄。中冶京誠(chéng)在350～2 560 m3高爐設(shè)計(jì)中，均有板壁結(jié)合結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用的案例。但板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)仍存在由于冷卻板伸入爐內(nèi)較長(zhǎng)，冷卻板易損壞，且爐殼開孔多，施工難度較大，配管復(fù)雜等缺點(diǎn)。

2.3 冷卻壁結(jié)構(gòu)

1）凸臺(tái)冷卻壁結(jié)構(gòu)。爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域采用厚爐墻結(jié)構(gòu)。有些高爐在爐身下部采用了帶凸臺(tái)的球墨鑄鐵冷卻壁，結(jié)構(gòu)形式見圖3。有的凸臺(tái)設(shè)置在冷卻壁上端，也有設(shè)置在冷卻壁中部的實(shí)例。凸臺(tái)用來(lái)支撐上部的磚襯，以延長(zhǎng)冷卻壁壽命，使本體能承受更大熱流強(qiáng)度的沖擊。但是，由于凸臺(tái)本身暴露在爐內(nèi)而過(guò)早損壞，從而沒有達(dá)到預(yù)期的效果。

圖3 帶凸臺(tái)的冷卻壁結(jié)構(gòu)

2）銅冷卻壁結(jié)構(gòu)。20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，銅冷卻壁的使用效果得到認(rèn)可。為了大幅度延長(zhǎng)高爐爐身壽命，銅冷卻壁得到了廣泛應(yīng)用。銅冷卻壁導(dǎo)熱性好，冷卻強(qiáng)度大，冷卻壁體溫度均勻，表面工作溫度低，能快速形成穩(wěn)定的渣皮，是迄今為止最能體現(xiàn)自我造襯、自我保護(hù)的無(wú)過(guò)熱冷卻設(shè)備。國(guó)外很多采用銅冷卻板的高爐紛紛采用了銅冷卻壁結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)新建和大修高爐在此區(qū)域也多選擇了銅冷卻壁結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。我國(guó)使用銅冷卻壁的個(gè)別高爐，由于高爐操作、產(chǎn)品制造及冷卻壁銜接結(jié)構(gòu)等不同原因，在生產(chǎn)過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問題，給高爐操作帶來(lái)了較大的影響［3］。

圖4 銅冷卻壁冷卻結(jié)構(gòu)

3）鑲磚全鑄鐵冷卻壁結(jié)構(gòu)。目前，鑄鐵冷卻壁制造質(zhì)量和維護(hù)技術(shù)有了較大提升，全鑄鐵冷卻壁高爐易控制爐況及日常操作，國(guó)內(nèi)有些大中型高爐開始采用鑲磚全鑄鐵冷卻壁結(jié)構(gòu)。爐腹、爐腰及爐身下部處于軟熔帶區(qū)，爐料磨損沖刷、渣鐵化學(xué)侵蝕、熱震等破壞作用同時(shí)存在，是高爐工況最惡劣的區(qū)域之一。此部位鑲磚全鑄鐵冷卻結(jié)構(gòu)的使用效果還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。

3 新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

根據(jù)多年的冷卻壁破損調(diào)研，結(jié)合各種冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并且在多年板壁結(jié)合設(shè)計(jì)和研究的基礎(chǔ)上，中冶京誠(chéng)創(chuàng)新開發(fā)了一種新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)。

3.1 新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)介紹

新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)也稱之為組合式冷卻壁結(jié)構(gòu)，即鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁鑲嵌銅冷卻條的組合式新型冷卻結(jié)構(gòu)。銅冷卻條可以采用鑄造、鉆孔等方法制造而成，嵌入冷卻壁熱面燕尾槽內(nèi)，起到強(qiáng)化冷卻作用。銅冷卻條凸出冷卻壁本體約50 mm，起到支撐和固定渣皮的作用，使渣皮更加穩(wěn)定。組合式冷卻壁結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 組合式冷卻壁結(jié)構(gòu)

3.2 新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）冷卻強(qiáng)度適宜，利于渣皮穩(wěn)定。新型冷卻結(jié)構(gòu)充分利用了銅導(dǎo)熱性能好、冷卻效果顯著的特點(diǎn)，使得鑲嵌銅冷卻條的鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁綜合導(dǎo)熱系數(shù)有所提高，提高了冷卻強(qiáng)度，有利于渣皮的快速形成，從而有效保護(hù)冷卻設(shè)備。同時(shí)，由于銅冷卻條間隔設(shè)計(jì)，間距可根據(jù)使用部位以及冷卻強(qiáng)度的需要靈活布置，銅冷卻條的布置形式見圖6?？梢詫?shí)現(xiàn)單獨(dú)控水，避免因?yàn)檫^(guò)度冷卻形成過(guò)厚的渣皮而導(dǎo)致其頻繁脫落，利于高爐穩(wěn)定操作。

圖6 銅冷卻條靈活的布置形式

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，利于延長(zhǎng)使用壽命。該新型冷卻結(jié)構(gòu)利用了板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)的思路，在銅冷卻條本體鑲嵌入鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁后，凸出冷卻壁壁體約50 mm。既可以為渣皮穩(wěn)定存在提供有效固定和支撐，又可以避免板壁結(jié)合結(jié)構(gòu)伸入爐內(nèi)過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致容易燒壞，從而有效保護(hù)了冷卻設(shè)備，延長(zhǎng)了冷卻設(shè)備的使用壽命。從制造工藝方面來(lái)看，銅冷卻條采用鑄造工藝，冷卻水管整根銅管彎制而成，沒有焊接點(diǎn)，避免銅冷卻壁水管與本體易脫焊的問題出現(xiàn)，減少維修量，延長(zhǎng)使用壽命。

3）成本低，回收率高。該新型冷卻結(jié)構(gòu)的主體仍然為價(jià)格較低的鑄鐵或鑄鋼，鑲嵌少量的銅冷卻條，與銅冷卻壁相比，投資大大降低。以1 300 m3高爐爐腹、爐腰及爐身下部?jī)啥螢槔?，采用新型冷卻結(jié)構(gòu)（以鑄鐵冷卻壁為主體）的投資成本約為銅冷卻壁的1/4，與鑄鋼冷卻壁相當(dāng)。高爐容積越大，節(jié)省的投資額度越多。從結(jié)構(gòu)上可以看出，銅冷卻條與鑄鐵（鑄鋼）冷卻壁相互獨(dú)立，可自由拆卸。同時(shí)銅冷卻條為純鑄造銅，如果不考慮生產(chǎn)中的磨損，可實(shí)現(xiàn)100%回收。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

某鋼廠1 380 m3高爐升級(jí)改造，原高爐爐腹處冷卻壁距離風(fēng)口回旋區(qū)較近，燒損嚴(yán)重甚至燒穿漏水。應(yīng)用中冶京誠(chéng)爐腹區(qū)冷卻結(jié)構(gòu)銜接技術(shù)，調(diào)整了冷卻壁的安裝角度，同時(shí)采用了新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)。該改造工程在爐腹冷卻壁熱面設(shè)置3 層銅冷卻條，在爐腰冷卻壁的熱面設(shè)置2 層銅冷卻條，共設(shè)5 層銅冷卻條。銅冷卻條采用中壓凈環(huán)水單獨(dú)冷卻，5層銅條串聯(lián)的形式。高爐改造投產(chǎn)以來(lái)，爐腹、爐腰處冷卻壁溫度均維持在70 ℃左右，溫度波動(dòng)小，渣皮操作穩(wěn)定，生產(chǎn)狀況良好，高爐生產(chǎn)指標(biāo)得到進(jìn)一步提高。

某鋼廠3 200 m3高爐，大修改造前爐腹、爐腰及爐身下部采用5段銅冷卻壁，大修改造采用了新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)，在爐腹、爐腰冷卻壁的設(shè)置6 層銅冷卻條，目前使用效果良好。改造前后冷卻形式對(duì)比見圖7。

圖7 大修改造前后冷卻形式對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)吸收了以往冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了存在的缺點(diǎn)，起到了強(qiáng)化冷卻、穩(wěn)定渣皮、利于高爐穩(wěn)定操作的作用，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、長(zhǎng)壽的爐體冷卻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)多座新建和大修高爐應(yīng)用，取得了良好的效果，得到煉鐵工作者的關(guān)注和認(rèn)可。