大型高炉铜冷却壁长寿技术研究及应用

付国庆

（河钢股份有限公司承德分公司、河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067000）

确保高炉的使用年限是钢铁企业最为看中的问题，因为高炉长寿与否直接影响着钢铁企业的发展趋势。钢铁企业在工业生产、运行过程中是环环相扣的。如果高炉结构遭到破坏，需要进行修补，会直接影响钢铁企业各部门的工作进度，造成不必要的经济损失。延长高炉的使用年限是一项重点工作，为做到长寿的要求，要关注方方面面的影响，例如，高炉原材料的选择、工作的温度、速度、工作质量以及定期对高炉炉体进行监测和修护的策略等。

1 概述

随着社会经济的不断发展，铜冷却壁逐渐被高炉产业所认可和使用，其在使用过程中具有较强的导热性和冷却效果，在运行过程中所产生的渣皮可以作为内衬。对高炉炉身进行耐高温、耐磨损材料选择设计时，所采用的是薄内衬炉身。薄壁高炉的产生有效延长了炉身寿命，减少了资金成本的使用。现阶段，我国有200 多座高炉使用的是铜冷却壁，在实际应用中也具有较强的平稳性。但是，2010 年开始，铜冷却壁在应用的过程中会出现损坏和脱落的问题，严重影响了高炉产业的经济效益。经过对铜冷却壁损坏进行系统、专业的研究分析后发现，导致铜冷却壁出现损坏的根本原因是铜。铜在一定的情况下会出现“氢病”，氢会与铜发生化学反应，进而影响铜冷却壁的外部结构。因此，一些人认为具有氧元素过多的铜冷却壁会形成“氢病”，进而导致铜冷却壁出现损坏现象。根据湘钢高炉铜冷却壁出现损坏的原因进行研究分析后发现，高炉铜冷却壁出现损坏的根本原因是水管的破坏，因此，一些人认为铜冷却壁发生损坏的原因是渣皮的损坏。从而得知，铜冷却壁损坏的原因是多元化的，没有固定的观点和规范。针对我国高炉铜冷却壁发生损坏的原因进行研究分析后发现，铜冷却壁在发生损坏时都具有一定的特性：无论材料和加工方式如何改变，铜冷却壁都会在应用过程中发生损坏，产生损坏的位置都位于高炉腰部、腹部以及两者之间。所以，现阶段铜冷却壁损坏原因和相关知识理论都无法解决此类问题的发生。

2 高炉冷却系统

就目前而言，高炉的使用年限不应低于20 年，高炉运行产铁的数额要在15000t/m3以上，为达到以上要求，高炉冷却系统要符合以下几点要求。

2.1 炉壳均匀冷却

高炉炉壳进行冷却时要确保炉壳冷却具有均匀性，防止高炉炉壳因冷却不均匀而导致炉壳结构发生破坏，对高炉炉壳进行均匀冷却可以明显提高炉壳的稳固性。

2.2 强化冷却炉衬

为延长高炉的使用年限，可以强化冷却炉衬，使其在冷却过程中形成保护膜。

2.3 控制合理操作炉型

加强对合理操作炉形的把控，以使炉形成为“标准炉形”，摒弃传统高炉炉衬在长时间应用下而造成的炉形异常，确保煤气气流与炉料质量的相称性，以此确保高炉的工作状态和工作效率。所有软水密闭循环冷却系统都要具有膨胀罐和脱气罐。冷却液中具有一定的蒸汽，蒸汽的排除是利用脱气罐进行的，蒸汽排出有利于保证冷却系统的正常运行，防止堵塞。膨胀罐是利用水温升高的压力，以此起到防止氧气进入冷却循环系统。

3 铜冷却壁破损原因分析

3.1 边缘煤气流控制不合理

经实际操作经验可知，因为边缘煤气气流把控方式和效果不符合相关的规范要求，导致部分气流或边缘气流的波动性较强，导致渣皮破损，渣皮的破损导致铜冷却壁直接被热煤气所影响，进而导致铜冷却壁遭到损坏。常见的铜冷却壁破损形式主要分为两种，分别是“上部干区”的炉料磨损以及“下部湿区”的热熔损。具体如图1 所示。除此之外，一些实践经验表明，因为边缘气流在较长时间的压制管理下，造成边缘的温度较低，不利于产生渣皮，从而导致铜冷却壁直接被热煤气影响。铜冷却壁在应用过程中的硬度较低、而且不具备耐磨性，容易在使用的过程中造成损坏，常见损坏位置是高炉的中间偏下部分。为防止铜冷却壁遭到破损，在使用过程中要关注煤气气流的变化，当煤气气流的变动较大时，就要注意高炉壁体的温度，如果温度的变化幅度较大，就会发生渣皮掉落。

图1 高炉铜冷却壁损坏形式

3.2 冷却制度管控不精细

冷却制度管控不精细也会导致高炉的冷却壁结构遭到破坏，其根本原因是冷却水的量值不符合相关的要求或是进行特殊路况时没有进行及时有效的冷却处理。譬如，某高炉的容量为2000m3，在运行过程中所使用的冷却水发生了数额改变，变为了500m3/h，如果在冷却水数额发生改变后没有进行实时的监控，就会造成冷却壁的结构遭到损坏。所以，冷却制度管控要做到精细，为确保达到精细的标准要做到以下要求，“冷却水的水量粗略看，冷却水的水速精细看，确保冷却壁温度的适宜性”。

3.3 炉体长期不进行修补维护

不对高炉炉体进行定期的检测和修护工作会严重破坏钢冷却壁结构。对铜冷却壁进行炉体喷涂工作具有以下好处：①对燕尾槽中容易掉落的材料进行补充，确保挂渣的科学性和有效性。②对高炉炉形进行修补，保证高炉炉形符合最初的设计要求，确保煤气气流分布的合理性，以便进行操作。然而，大多数高炉在实际应用过程中并没有得到定期的炉体结构检测和修补，导致高炉炉体结构遭到破坏，无法把控高炉的煤气气流，而且容易导致冷却壁遭到破坏。

3.4 缺乏“渣皮再生与脱落”模型监控

多数高炉在应用过程中并不具备相应的监测系统，现阶段，安装监测系统的高炉少之又少。在实际应用过程中，因为无法对高炉运行产生的渣皮进行科学的监管，导致无法对高炉运作的温度进行把控，导致发现冷却壁问题时为时已晚，从而影响了铜冷却壁的结构。

4 现代高炉长寿发展趋势

4.1 采用全炉体冷却技术装备

（1）炉底、炉缸区域的长寿技术。想要增强高炉侧壁和铁口周围的冷却性能，就要在高炉铁口的周围使用铜冷却壁，铜冷却壁包括武钢6 号高炉以及鞍钢新1 号高炉等。而且，对高炉炉衬进行材料选择的过程时，通过以下方法可以有效提高炉缸的使用年限。①运用强化冷却理论，可以让炉缸获得保护层，从而延长高炉的使用年限。其根本工作原理是强化冷却原理的使用可以呈现热平衡的效果，较强的导热性使温度变得均匀，从而实现高炉长寿。②通过碳质—陶瓷材料复合炉底炉缸结构可以有效延长使用年限。使用原理是其具有较厚的内壁，在实际应用过程中可以发挥耐高温、耐腐蚀、稳定性好等特点，防止炉缸内多种物体混合，从而增强使用效果。

（2）炉腹、炉腰至炉身下部区域长寿技术。高炉在实际应用过程中具有一定局限性，其中高炉的腹部以及高炉的腰部都是高炉在应用过程中较为恶劣的环节，需要利用渣皮来延长高炉的使用年限。所以，是否可以产生符合要求的渣皮就成了高炉长寿的重要影响因素。随着社会经济的发展，近年来我国高炉最常使用的两种冷却设备分别是铜冷却壁和铜冷却板。①铜冷却壁。在高炉中使用铜冷却壁进行冷却可以提高形成渣皮的质量和效率。铜冷却壁在应用过程中具有较高的导热性、冷却系统好，冷却水的量值在充足且平稳的情况下，可以让冷却壁温度均匀，如果温度低于40℃，有利于形成质量好的渣皮。随着我国社会的发展，我国近年来所创建的高炉都是使用的以上方式。②铜冷却板。由于具有“高导热、抗热震”的运行论理的铜冷却板与石墨耐材炉衬结构的配合使用可以形成较为完善的冷却系统。

（3）提高镶砖和冷却壁的密合性，增强两者之间的平滑性，减少摩擦力。

（4）在高炉中使用水冷钢砖，可以有效缓解高炉喉部磨损的问题。

4.2 普遍采用无料钟炉顶设备

近年来，我国所采用的高炉所使用的多是无料钟炉顶设备，此设备的使用可以有效提高气流分布的均匀性。

4.3 采用软水密闭循环冷却系统

软水密闭循环冷却系统在高炉应用过程中可以有效提高操作的安全性能，还可以减少水量和能量的使用，使过程变得简洁化、减少资金成本的投入和使用。

4.4 完善的监控设施

根据实际情况及以往的应用经验，制定出完善的监控设施，以便对应用过程进行把控，进而保证高炉的应用年限符合相关的规范要求。

4.5 切实可行的炉体维护技术

为延长高炉炉体的使用年限，可以利用炉体灌浆、炉衬喷补以及应用其他涂料的方法进行应用。

5 结语

经实际数据可知，现阶段高炉炉身下部所采用的冷却设备中，应用效果最显著的是压延铜板焊接冷却壁，其在应用过程中可以保持持久的冷却作用。所以，在对高炉进行冷却应用时，无论高炉的工作性质和质地大小有何区别，高炉冷却所应用的压延铜板焊接冷却壁是具有科学性和有效性的，而且在应用过程中还具有一定的坚固性，有利于保障工序质量。