宣钢8号高炉冷却系统运行实践

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摘要:对宣钢8号高炉冷却系统整体运行状况进行了分析，制定了合理的冷却制度和炉型参数控制标准：高炉炉体软水流量控制在2800～3000m³/h，进水温度为44～55℃，炉体热负荷控制在33440～41800kJ/h。

关键词:高炉　炉型　冷却壁　热负荷

1 概况

　宣钢8号高炉于2003年9月28日一1 1月20日进行了第三次改造性大修。这次大修是在原有主体框架和炉壳未动的基础上进行的，炉体冷却壁全部更换，采用砖壁合一的薄炉衬技术，取消了渣口，炉容由原来1 260m³扩至1350m³。宣钢8号高炉第二代炉龄和第三代炉龄的炉型比较见表1。

表1　宣钢8号高炉第二代炉龄和第三代炉龄的炉型对比

2 冷却系统及设备

2.1 冷却系统

　宣钢8号高炉大修后，仍然采用软水密闭循环系统和开路工业水系统进行冷却。大修时，水系统主要完善软水密闭循环冷却系统的脱气和排气功能，以提高软水系统的自动化程度，实现自动补水、排气和稳压的综合功能。

　 (1)软水密闭循环主要冷却部位为高炉炉底和冷却壁(直冷管和蛇形管)，其中8～12段冷却壁直冷管后增加了蛇形管。循环水泵站5D泵组原有3台电泵继续使用，新增电泵1台，水量1240t/h，扬程62m，改造后实际运行3台，l台备用，设计总流量3720m/h，空冷器增加4组，共35组。软水系统设计为双回路供电，当电网停电时，循环水泵站2台柴油机泵组可在停电1S后启动，10S泵组达到额定流量和水压。通过气动阀的操作，2台柴油机泵组也可分别向炉体提供软水和向高炉风口提供工业水冷却，以保证高炉冷却系统的安全运行。

　 (2)风口各套结构及工业水系统。高炉风口及风口中套均采用贯流式结构，可选择高水压1.2～1.6MPa，水流速8m/s，材质采用含铜量>99.7％的紫铜材料。风口大套由Φ45mm×6mm无缝钢管围制，材质由普通铸造生铁铸造而成。风口由高压工业水冷却，压力为1.2～1.6MPa；风口中套及大套由低压工业水冷却，压力为0.6～0.8MPa。高炉工业水系统有两路管道同时供水，当其中一路发生故障时，经过阀门切换，另一路仍能正常供水。当发生停电事故时，700m³水塔能自动对风渣口提供水压0.4MPa和20min左右的水量。

2.2 冷却壁结构

　宣钢8号高炉本体采用全冷却壁结构，冷却壁由炉底延伸至炉喉钢砖下沿，并且在不同的部位采用不同材质和不同结构形式的冷却壁。冷却壁的固定方式采用固定点、滑动点和浮动点相结合的方式，并在炉壳与进出水冷管间采用波纹补偿器和保护套管进行密封，适应冷却壁及炉壳的膨胀，避免了水冷管剪断现象的发生。冷却壁相关情况见表2。

表2　宣钢8号高炉冷却壁情况

项目	段	每段块数	每块高度,㎜	每块重量,㎏	材质	冷却壁形式	冷却管径,㎜
炉底	1	35	2320	3157	耐热铸铁	光面冷却壁	Φ76×6.0
	2	34	1460	1660	耐热铸铁	光面冷却壁	Φ76×6.0
炉缸	3	30	1460	1894	耐热铸铁	光面冷却壁	Φ76×6.0
	4	20	2540	2038	球墨铸铁	光面冷却壁	Φ76×6.0
炉腹	5	34	2320	3568	热轧铜制	带肋冷却壁	Φ76×6.0
炉腰	6	34	1922	3400	热轧铜制	带肋冷却壁	Φ76×6.0
炉身	7	34	1612	2920	热轧铜制	带肋冷却壁	Φ76×6.0
	8	34	1612	2432	球墨铸铁	带肋冷却壁	Φ76×6.0
	9	34	1612	2750	球墨铸铁	带肋冷却壁	Φ76×6.0
	10	34	1490	2210	球墨铸铁	带肋冷却壁	Φ76×6.0
	11	34	1490	2590	球墨铸铁	带肋冷却壁	Φ76×6.0
	12	34	1490	2200	球墨铸铁	带肋冷却壁	Φ76×6.0
	13	34	1490	2438	球墨铸铁	带肋冷却壁	Φ76×6.0
	14	26	1500	2145	球墨铸铁	光面冷却壁	Φ76×6.0
	15	26	1500	2145	球墨铸铁	光面冷却壁	Φ76×6.0

　 (1)炉身上部采用了一层倒扣式冷却壁，使操作炉型与设计炉型始终保持一致；同时，炉身上部取消无冷区，增加了15段铸铁冷却壁，冷却壁经喷涂后直接与炉料接触，可减少其对上部布料的影响。

　 (2)炉腰以上取消了冷却壁的凸台，8～12段冷却壁采用双层(直冷管和蛇形管)水冷配以热面燕尾槽满镶砖的薄内衬结构。

　 (3)炉腹、炉腰、炉身下部的5段、6段、7段采用了铜质带肋冷却壁及内壁喷涂技术。

2.3 炉缸炉底结构及冷却形式

　根据国内外高炉设计和生产实践，炉缸炉底采用“炭砖陶瓷杯”结构，陶瓷杯是砌筑在炭砖内侧陶瓷质内衬。采用具有低导热性能的陶瓷杯，目的在于降低炭砖热面温度，将800～1000℃等温线应力区尽可能长时间地控制在陶瓷杯内，减少炭砖内外温差和应力变化，缓解炭砖环裂变化。同时，陶瓷杯与铁水化学反应微弱、耐冲刷，并且可以阻止碱金属对炭砖的侵入，对炭砖起到很好的保护作用。

　炉缸环周砌筑的是UCAR公司生产的热压小块炭砖，热压炭砖理化性能见表3。炉底采用国产大型微孔炭砖和半石墨炭砖，其炭砖上面是莫来石质陶瓷垫。炉底采用综合水冷，冷却水管由34根增加到38根，管径加粗；并将密封钢板移至水冷管下，使死铁层相应增加至1.54m。

表3　 UCAR公司NMA、NMD热压炭砖理化性能

项目	体积密度g/cm^-3	耐压强度MPa	灰分%	透气度mDa	气孔率%	重烧线变化(1000℃),%	导热系数(20℃),W/(m·K)
NMA	1.61	33	12	11	18	±0.1	17
NMD	1.82	30	9	5	16	±0.1	60

3 冷却系统运行的主要经验

3.1 高炉冶炼强度要与冷却强度相匹配

　在高炉强化过程中，首先强调顺行，同时又追求能量的有效利用，所以在生产实践中就逐步形成了如下操作原则：发展中心煤气流，有利于炉况顺行；限制边缘气流，有利于避免炉墙热损失过高、降低燃料比；边缘和靠近中心区保持有两条适当的煤气流，便于炉料干燥和预还原。因此，在高炉不同的冶炼条件下，不同的冶炼强度需要不同的冷却强度与之相匹配，以维持合理的操作炉型，保证高炉内壁表面光洁、下料顺畅、渣皮稳定。宣钢8号高炉2004—2006年高炉强化冶炼过程中的操作指标与当时冷却强度的对比情况见表4。

表4　宣钢8号高炉的操作指标与冷却强度

3.2 重视铜冷却壁渣皮的稳定

　宣钢8号高炉在炉腹、炉腰、炉身下部的5段、6段、7段区域采用了铜质带肋冷却壁及内壁喷涂技术。该区域是初渣形成的软熔带区，炉温变化剧烈、热负荷大、是炉内环境最恶劣的区域。铜冷却壁在生产实践中的广泛应用是因其卓越的导热能力，在其热面不仅能够形成稳定的渣皮，而且在渣皮脱落时，也能迅速重新生成渣皮。在渣皮损坏、再形成的过程中，冷却设备的温度越低，形成渣皮的速度越快，冷却设备要承受的热疲劳周期越短，这使得铜冷却壁的热疲劳得到抑制。铜冷却壁的高导热性能，使得壁体实际最高温度与最低温度之比不到0.65，而铸铁冷却壁此值却高达0.8～0.9，铜冷却壁能够承受很高热冲击的能力，最高可达350kw/m²。

　铜的高导热性能使壁体热面与炉内形成很大的温差梯度，促使高炉软熔带液态渣牢牢地粘在冷却壁的热面，形成稳定渣皮，起到保护自己作用。渣皮的导热系数很低，仅有2.0W/(m·K)，稳定的渣皮具有很高的热阻，降低了传到铜冷却壁的热流强度，大大减少了热量损失。

　在生产实践和高炉操作过程中，十分注重对炉腹、炉腰、炉身下部的5段、6段、7段铜冷却壁渣皮稳定情况进行分析判断，进而对炉内煤气流分布、软熔带区域的大体形状及其根部的相对位置和炉内参数控制作出评估，以指导高炉操作和炉内参数的调剂。宣钢8号高炉2004—2006年铜冷却壁平均温度见表5。

表5　宣钢8号高炉铜冷却壁的平均温度,℃

年份	5段	6段	7段
2004年	45	42	43
2005年	46	41	41
2006年	47	49	49

4 冷却系统存在的问题

　宣钢8号高炉第三代炉型中的冷却系统虽然进行了优化改进，但是在生产实践中仍然存在着许多问题。

4.1 铜质冷却壁未独立设置冷却区域

　宣钢8号高炉炉腹、炉腰、炉身下部的5段、6段、7段采用铜质带肋冷却壁，虽然提高了该区域的成渣性能和抗高热冲击的能力，但是在软水密闭循环冷却系统中，5段、6段、7段的铜质冷却壁并没有组成一个独立的子系统冷却区域，而是按照第二代炉型的设计理念将各段铜质冷却壁分别与其他材质的铸铁冷却壁混编入高炉软水密闭循环冷却系统的四个炉体子区域，由此而造成同一冷却区域中铜质冷却壁和铸铁冷却壁的导热、成渣、抗热等多方面的性能差异。由于两种冷却壁材质差异的存在，当5段、6段、7段铜质冷却壁的渣皮大幅度脱落时，短时间内提高了由7段冷却壁进入8段、9段冷却壁的热流强度，由此对8段、9段铸铁冷却壁形成较高的热冲击力。这种短时较高热冲击力的破坏性十分明显，主要表现在两个方面：一是大量脱落的渣皮直接进入炉缸参与直接还原反应，消耗炉内大量热量，改变炉渣性能，引起上部气流或边缘管道的形成；二是表现在对设备的损坏上，造成铸铁冷却壁的损坏和其对应进出水管的崩裂等。

　基于对铜质冷却壁作用效果的分析和国内外使用铜质冷却壁的实践，结合宣钢8号高炉炉腹、炉腰、炉身各段冷却壁的分布、材质性能及软水系统的分区管理情况，有必要将5段、6段、7段的铜质冷却壁独立设置冷却区域。

4.2 炉缸结厚和炉底堆积

　 (1)炉缸结厚。由于宣钢8号高炉第三代炉型中炉缸炉底采用“炭砖陶瓷杯”结构，而UCAR公司热压小块炭砖生产工艺使炭砖以闭气孔为主，陶瓷杯被侵蚀完之后，能够阻止铁水向炭砖内部渗透，使铁水对炭砖的侵蚀主要在炭砖表面进行，有效地降低了铁水对炭砖的物理、化学侵蚀，有利于高炉长寿。但是，从冷却方面来考虑问题时，由于陶瓷杯被侵蚀完了之后炭砖导热系数的提高，改善了冷却效果，降低了砌体的温度，在相同的冷却强度下易造成炉缸结厚。从开炉后的生产实际和炉缸各部温度来看，也印证了这种推测。

　 (2)炉底堆积。宣钢8号高炉炉底的堆积，是伴随着人炉原料钛负荷的升高和陶瓷杯被侵蚀完了之后，冷却强度被“自然”地提高而逐步形成的。宣钢8号高炉从2004—2006年统计的炉底各层炭砖的中心温度和入炉原料钛的收支情况表6。

表6　宣钢8号高炉炉底各层炭砖中心温度和入炉原料钛的收支情况

年份	炉底各层炭砖的中心温度,℃				入炉原料钛的收支情况
年份	04-13	03-13	02-13	01-13	钛单耗,kg/t	[Ti],%	(TiO₂),%
2004年	1006	860	345	100	9.92	0.096	2.420
2005年	779	744	386	105	12.05	0.112	2.367
2006年	539	455	419	113	14.21	0.144	2.213

　随着炉底炉缸的不断被侵蚀，即使在相同软水流量和进水温度条件下，炉底炉缸却被“自然”地强化冷却了，由此而带来的炉缸结厚和炉底堆积问题将会越来越明显。

4.3 风口各套采用工业水冷却

　由于风口各套均采用开路工业水冷却，必然会带来以下问题：一是由于工业水水质的影响造成风口各套容易结垢，尤其是风口小套结垢极易被烧坏；二是由于是开路水循环使用，用水量不好监测，当风口各套漏水时，查漏工作较繁琐，不如监测软水密闭循环系统的水位直观；三是水质处理后对环境的污染较严重等。

5 结语

　 (1)在宣钢8号高炉强化冶炼过程中，逐步摸索出适合自身炉型的冷却制度和炉型参数的控制标准。目前，宣钢8号高炉炉体软水流量控制在2800～3000m³/h，进水温度控制在44～55℃；炉体热负荷控制在33440～4l800kJ/h；5段、6段、7段、8段、9段冷却壁的平均温度分别控制在45～50、45～50、45～50、70～80、80～90℃等。

　 (2)由于铜质冷却壁和铸铁冷却壁存在材质、性能上的差异，宣钢8号高炉可以将炉腹、炉腰、炉身下部的5段、6段、7段铜质冷却壁设置为独立冷却区域，与铸铁冷却壁冷却区域分离设置，这样有利于稳定炉况和减少冷却设备的损坏。

　 (3)由于宣钢第一次在8号高炉大修中炉缸炉底采用“炭砖陶瓷杯”结构和UCAR公司生产的热压小块炭砖等，对综合炉底炉缸的研究和生产实践经验相对较少。如何解决高炉生产过程中炉底炉缸不断被侵蚀后，炉底炉缸却被“自然”强化冷却造成的炉缸结厚和炉底堆积问题是炼铁工作者必须关注的一个问题。

　 (4)风口各套采用工业水冷却存在许多问题，在条件允许的前提下，采用软水密闭循环系统冷却的方式是十分必要的。

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