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大力推广无热障 、 高导热铸钢冷却壁

2020-11-20 19:09

大力推广无热障 、 高导热铸钢冷却壁
降低高炉建设成本 、大幅延长高炉寿命


山东天铭重工科技股份有限公司 周传禄 姜洪军


  摘要:高炉炉腹、炉腰、炉身下部铸铁冷却壁的使用寿命难以满足高炉一代炉役的要求,铜冷却壁的发明使得高炉寿命达到 15 年以上成为可能,但是其高昂的价格成为其推广应用的瓶颈,无间隙、高导热铸钢冷却壁的研制成功,使得冷却壁的低投资和高寿命不可兼得的想法变为现实。
  关键词:热障 冶金结合
  Abstract: the iron cooling stave life are hard to meet the requirements of Generation ofblast furnace life-span, invention of copper cooling stave made of blast furnace life be 15 years,but popularization is difficult with high price. The steel cooling stave with no clearance, highthermal conductivity be invented, which made it become reality that cooling stave with lowinvestment and high life.
  Keywords: thermal barrier metallurgical combination


  高效长寿高炉是炼铁企业追求的共同目标。 国外发达国家的高炉寿命一般已达到 15 年左右,国内大多数高炉的寿命在 10 年以下。在采用先进的炉底、炉缸结构,以及高导热率和优质的耐火材料后, 就炉底、 炉缸寿命而言, 我国高炉已基本解决了 15 年以上寿命的问题。高炉冷却壁较短的使用寿命,成为制约我国高炉长寿的现实关键因素。
  作为高效冷却设备的铜冷却壁的成功应用,使我国高炉寿命赶超发达国家成为可能,但铜冷却壁高昂的投入,制约了它的推广应用(特别是在中小高炉上) ;炼铁高炉所普遍采用的铁素体球墨铸铁冷却壁,使用寿命一般还难以满足 15 年左右的要求;作为抗热震能力强、使用寿命长,投资相对低廉的无热障、高导热铸钢冷却壁,以其卓越的性价比,必然会成为国内外高炉竞相选择的优秀冷却设备。
  何谓无热障、高导热铸钢冷却壁?
  无热障、 高导热铸钢冷却壁是冷却水管与铸钢母体真正实现冶金结合的铸钢冷却壁。 它的高导热性能的体现是通过冷却水管与铸钢母体实现真正意义的冶金结合来达到的。
一 、冷却壁长寿理念的更新
  炉腹、炉腰、炉身下部冷却壁的寿命,是决定高炉炉体寿命的关键。高炉的下部处于高温和渣铁熔融区,这些部位的冷却壁不但要经受高速煤气流和液态渣铁的冲刷和侵蚀,还有高温焦炭的磨蚀,工况十分恶劣。前期解决问题的方法,是希望通过延长耐火材料的寿命,以延缓冷却壁的破损时间,但事实说明,无论是碳化硅砖还是刚玉砖以及碳化硅结合氮化硅砖,砖衬寿命都很短,对冷却壁的保护效果都不理想。于是,人们的技术理念逐
渐转化到在炉身下部建立一个无过热冷却体系上来。也就是提高冷却壁的冷却能力,使其具备良好的挂渣能力,利用渣皮来保护冷却壁,在正常工作状态下,冷却壁的实际工作温度不超过其材质所允许的温度;在渣皮脱落时,可在较短的时间内迅速生成渣皮。近几年来的实践使大家充分认识到,渣皮是冷却壁最好的保护材料,能够建立这种无过热体系的冷却壁是追求高炉长寿高效的有效途径。
二 、不同材质冷却壁的特点
1、  纯铜冷却壁
  足以实现建立无过热冷却体系的功能要求。优点是具有优异的冷却能力及抗热震性能、使用寿命长、长远效益好;但另一方面,它存在强度低、易变形,累计服役4 年,严重的弯曲变形可达到 50mm/m,个别还存在更为严重的扭曲变形,并且一次性投入高,这对希望少投入、快产出,尽快收回投资、产生效益的投资者来讲,是一个难以决断的选择。
2、  铁素体基球墨铸铁冷却壁
  球铁冷却壁与灰口铸铁冷却壁(HT) 、耐热铸铁冷却壁(RTCr)相比,因其具有高的强度、高的韧性、综合性能优良而在炼铁高炉上获得广泛应用。但球铁冷却壁也存在明显的缺陷,决定了它难以在炉腹、炉腰、炉身下部建立起无过热冷却体系:
第一、  铁素体球墨铸铁的导热系数较低, 这在较低的环境温度下较为明显。 如 100℃时,铁素体球墨铸铁λ=38.69W/m·K,400℃时λ=38.14W/m·K
,低碳铸钢〔ω(C)=0.23%〕在 100℃时λ=50.5W/m·K,400℃时λ=42.7W/m·K,而 TU 2 轧制铜板在常温下对应的热导率则高达 370 W/m·K,200℃时λ=340W/m·K。以上数据反应出铁素体球墨铸铁的导热性能, 在较低的环境工作温度下, 与低碳铸钢相比还有一定的差距, 与轧制无氧铜板相比,则相差更远。
第二、 冷却水管与铸铁母体之间的热障问题。对铸铁冷却壁来说,当管内没有水垢时,铸铁冷却壁内气隙热阻约占整个热阻的 86%,这个热障对铸铁冷却壁的影响是很大的,它主要来自于两个方面:一是为了防止在浇铸过程中,高温液态生铁对钢管表层渗碳,而在钢管外表面涂刷 0.075-0.15mm 厚的防渗碳涂料。这种涂料的体质材料成分大多数是绝热材料,导热系数约为 1~2 W/m·K,如鋯英粉(ZrO 2 ) 、石英粉(SiO 2 )、氧化铬、碳化硅等,这些绝热材料在冷却壁浇铸完成后会保留在水管的外表面上,形成水管的热障涂层。二是冷却水管与铸铁冷却壁本体之间存在 0.1-0.3mm 的气隙, 这个气隙层是传统的铸造工艺无法避免的,它不单是因为低碳钢与铸铁两种材质的膨胀系数不同,更因为钢管在遇到液态金属时,会因为迅速受热而产生线膨胀,在冷却到常温后会产生同量的线收缩,因钢管自身的膨胀与收缩所造成的与铸铁母体之间的间隙,是钢管自身膨胀量的两倍;铸铁母体从液态到冷却到常温固态会产生两个收缩,一是液态收缩,球墨铸铁在约束状态下的液态收缩率为 0.8%,二是从液态到常温固态产生的固态收缩。以上因为钢管与铸铁母体客观存在的膨胀与收缩, 造成了冷却水管与铸铁冷却壁本体之间存在 0.1-0.3mm 甚至更大的气隙, 这个气隙不采取特殊的工艺措施是不可能消除的。 因为涂层热障和气隙热障的存在,大大降低了铸铁冷却壁的导热能力,也会造成冷却壁产生局部过热,局部过热使冷却壁产生巨大的热应力,在热交变应力的频繁作用下使冷却壁表面产生裂纹,裂纹不断延伸,最将导致冷却壁产生平行于水管的明显纵向裂缝,裂缝扩展造成冷却壁壁体碎裂脱落、使冷却水管裸露,或将钢管拉裂造成钢管漏水,最终导致冷却壁过早失效。
第三、 铁素体球墨铸铁的安全工作温度为 450℃。在 450℃以下时,球墨铸铁中的珠光体稳定存在,超过此温度时,珠光体粒状化;温度继续升高,则因石墨化引起体积膨胀这也是球铁冷却壁在服役后期会有长大现象,因石墨化膨胀、石墨氧化而产生应力进而产生裂纹的重要原因。因为上述第二条原因,球墨铸铁冷却壁的冷却能力较差,使冷却壁在渣皮脱落后、重建渣皮前,将在较长的时间内承受很高的温度,在冷却壁冷却不良的情况下,这个过程有的要长达四五个小时的时间(而铜冷却壁仅需 15 分钟) 。在失去渣皮保护的这段时间里,冷却壁热面温度通常在 400℃以上,短时温度甚至高达 1100℃以上。有的冷却壁,即使在砖衬浸蚀殆尽的情况下,但正常工作时(即大部分时间)冷却壁的表面温度一般为 600--700℃,短时间内同一测温点的温度会高达 1200℃,如下表:第 7 层热电偶温度测定值(1— 6 号测点),℃
偶号 正常的温度平均值 短时的温度值
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
5 680 740 1120 1198
6 197 182 243 205 247 230 286 205 240 196 247 293
注:表中为 2001 年 2 月 10 日—2 月 15 日的数值;1—4 号热电偶没有数据 。

  上表峰值温度可解释为此部位失去砖衬,而且形成的渣皮已经脱落。出现这种情况的周期长短不一,短时一天可出现 1—2 次 。

  在上述工况环境下,冷却壁的工作温度经常超过(有的是大部分时间超过)球墨铸铁稳定的工作温度 450℃,因此该部选择以球墨铸铁为材质的冷却壁,其使用寿命是很难满足一代炉役要求的。
第四、 球墨铸铁的抗热震能力较差。将铁素体球墨铸铁在 650℃和 20℃之间反复加热、冷却时,在平板试样两孔之间产生热疲劳裂纹的次数为 200-500 次,处于炉腹、炉腰、炉身下部的冷却壁,始终处于渣皮生成—脱落—再生成—再脱落的循环过程中,要求冷却壁的材质必须有良好的抗热震能力,显然该部位选择以球墨铸铁为材质的冷却壁,其寿命是很难满足要求的。
第五、 球铁冷却壁芯部组织延伸率低。球铁冷却壁的表层与芯部的延伸率差别非常大,这是因为厚大球墨铸铁件在浇铸过程中的球化衰退造成的,到目前为止还未见已成功解决厚大球墨铸铁件的球化衰退的报道。在设计球铁冷却壁时,延伸率指标单铸试块为≥18%,附铸试块为≥12%,而球铁冷却壁芯部取样的延伸率仅要求≥6%,作为制造厂家来说,其芯部组织的延伸率能够稳定的达到 6%以上也是很不容易的。

  另外,经常处于与高温渣铁接触部位的铸铁冷却壁,在高含碳、硫、磷渣铁的浸蚀下,冷却壁表面会产生严重的渗碳、渗硫、磷现象,导致脆性增加。对武钢4 号高炉7、8、9段破损的球铁冷却壁解剖进行的金相检验和化学分析表明,这种渗碳、氧化所引起的金相组织变化、脆性增加是严重的、也是必然的,这是冷却壁产生裂纹的源头。冷却壁热面的这种表层渗碳深度不很大,曾研究过最深的约 15mm,只要铸体内部材质优良,这种裂纹不致快速扩大, 就不会对整块冷却壁的使用寿命产生重要影响。 但因为球铁冷却壁不可避免的球化衰退问题,冷却壁内层的延伸率多数在 4%—8%,酒钢 6 号高炉对运行3年6个月的4段17号冷却壁的芯部测试,其芯部组织延伸率仅2%—3%,金相组织中大量珠光体和莱氏体组织导致冷却壁韧性降低。当冷却壁壁体温度超过 450℃时,在石墨化膨胀,石墨球析出、氧化,交变热应力及应力的尖劈多重作用下,裂纹就会延伸、扩展,最终穿透冷却壁,将冷却壁分割成很多碎块而脱落,使冷却壁水管裸露、磨穿而报废。
1.3 铸钢冷却壁
以低碳铸钢或低合金铸钢为材质,生产高炉冷却壁是工艺制造技术的创新。总结常见铸铁冷却壁的失效形式,一般是冷却壁裂纹、基体脱落造成水管裸露、冷却水管漏水等,其原因如上文所述,主要是因为球墨铸铁的工作温度低、抗热震能力差、芯部组织韧性差造成的。但低碳铸钢就不同了,ZG200-400 为例,虽然它的导热能力与球墨铸铁差不多,但他具有球铁所不具备的许多优点:第一是它的工作温度高,在冷却水管对铸钢本体的冷却和补强作用下,冷却壁本体的高温蠕变强度不是主要问题,即使工作温度高于 736℃的相变工作温度,从理论上来讲,其热面表层工作温度只要低于 1227℃的渗碳体的熔点温度,他就是安全可靠的。而这个温度对铸铁冷却壁来讲,在导热不良、渣皮脱落的情况下,是其热面表层可能遇到的峰值温度;第二是他的抗热震能力强、冲击韧性好、化学成分均匀。对低碳钢而言,在不受力状态下其物理性能指标没有热震次数这一概念,在冷却壁的使用环境下,不会出现铸钢本体开裂的情况,也不会有表层组织和芯部组织性能差异的问题;第三是尺寸稳定,因为它的含碳量很低,不存在石墨析出和长大的问题。鉴于低碳铸钢的上述优点,他在使用过程中,不会出现冷却壁裂纹、冷却壁基体组织成块脱落、水管裸露的情况。
以低碳铸钢或低合金铸钢为材质制造高炉冷却壁,有其独特的优点:
它与纯铜冷却壁相比: 1)它同样具有优异的抗热冲击能力, 使用过程中不会开裂,基体组织不会脱落;

2)抗变形能力强,它的强度大大高于纯铜,截面尺寸一般要比铜冷却壁大一倍,其抗变形能力是铜冷却壁无法比拟的;

3)性价比更高,因铸钢冷却壁的价格便宜,单位价格约为铜冷却壁的六分之一,一次性投入少;

4)有更高的使用安全性,钢的熔点比铜的熔点高 400℃。实践证明,当冷却水系统因故障停水一定时间时, 铜冷却壁就可能耐受不住高温而报废,而同样情况下钢冷却壁就不会出现问题;

5)虽然导热能力不及铜冷却壁,但铸钢冷却壁在制作优良的情况下,冷却能力完全能够满足高炉建立无过热体系的要求。业内有认识认为,铜冷却壁因导热能力太好,存在冷却能力过剩的问题,但铸钢冷却壁不存在;

6)冷却壁热面因长期接触高含碳量的渣铁,或者长期处于高碳势、高浓度 C 还原气氛中,其表层渗碳肯定是不可避免的。这种渗碳作用会在冷却壁热面浅表层(深度<15mm)组织中生成大量坚硬、耐磨的 Fe 3 C渗碳体,使冷却壁表层组织硬度提高,这对铸钢冷却壁有效抵御高速含尘煤气流和高
温热焦炭的冲刷磨蚀是十分有利的。
它与球墨铸铁冷却壁性比:

1)虽然铸钢与球墨铸铁的导热能力差不多,但铸钢冷却壁的冷却能力好。铸钢冷却壁采取特殊措施后,可以实现水管与冷却壁本体冶金结合,而球铁冷却壁实现这种结合就困难的多。也就是说,传统的球铁冷却壁存在很大的气隙热阻,铸钢冷却壁可以消除这个热阻

2)铸钢冷却壁韧性好、抗热震能力强,使用中不会因为交变热应力的作用而开裂失效;

3)使用温度高,球墨铸铁的安全使用温度为 450℃, 而铸钢可以耐受更高的温度, 如 880℃-910℃只相当于铸钢的退火温度,这个温度不但对冷却壁本体无害,而且可以消除铸造产生的粗大魏氏体组织,使铸钢本体晶粒细化,机械性能提高,因此既使铸钢冷却壁水管与本体存在气隙热阻,在铸
钢冷却壁冷却不良的情况下,它也完全可以抵挡渣皮脱落后峰值温度的冲击,而对铸钢冷却壁不会构成太大的损坏;实际使用已经证明,在铸钢冷却壁水管不漏水的情况下,无论热电偶测得壁体温度高或低于铸铁冷却壁,其使用寿命要比球铁冷却壁高的;

4)尺寸稳定,因铸钢本体含碳量很低,不会产生石墨析出和膨胀,也不会因石墨化膨胀产生裂纹;

5)强度高,在同样内(热)应力的作用下,铸钢冷却壁比球铁冷却壁有更长的使用寿命;

6)不用担心浇铸过程中钢水对钢管表面的渗碳问题;

7)冷却壁热面表层会因在使用过程中的渗碳而提高硬度,增加耐磨性,这对提高冷却壁边角部位的抗磨损能力是很有利的;

8)因为冷却能力好,所以渣皮再生能力强,对冷却壁会形成更有效地保护。
三 、铸钢冷却壁的现状及存在的技术问题
一)铸钢冷却壁的现状
因为铸钢冷却壁优良的综合性能和高的性价比,世界各国都致力于钢冷却壁的研究。我国从上世纪九十年代中期,国家在九五重点攻关项目中,把铸钢冷却壁的研究制造作为高炉长寿攻关的子课题,国内很多大学、研究机构、企业单位等做了大量的工作,取得了一些成就,但在铸钢冷却壁制造工艺上,其核心难点还是难以突破:就是在保证铸入钢母体中的冷却水管不熔穿的情况下,实现水管与母体冶金结合。只有实现水管与母体冶金结合、消除冷却壁气隙热阻,才是大幅度提高铸钢冷却壁冷却能力、充分发挥铸钢冷却壁优异综合性能的唯一途径,也是多年以来,铸钢冷却壁制造工艺上难以突破的技术瓶颈。因为这个难以解决的技术问题,现在市面上的铸钢冷却壁普遍存在着冷却能力差、冷却水管易开裂漏水,使用寿命短的问题。具体原因做如下分析:
1、  现铸钢冷却壁冷却能力差的根本原因:就是因为铸入冷却壁的钢管外表面,与冷却壁母体之间存在着很大的气隙热阻。铸钢冷却壁的气隙热阻与铸铁冷却壁相比,前者要比后者大得多,也就是钢管与铸钢母体之间的间隙要比球铁冷却壁存在的间隙大得多。这是因为

1)钢水的液态收缩率是 1.2%,而球墨铸铁则为 0.8%,仅液态收缩造成的间隙就比球铁高 50%;

2)钢水的浇注温度要比铁水高 200 ℃, 常用铸钢的固相线温度约1450℃,生铁的固相线温度是 1153℃,两者相差 297℃。低碳铸钢〔ω(C)=0.25%〕在20℃—600℃的线收缩系数 14.41×10-6 K -1 , 铁素体球墨铸铁在 20℃—600℃的线收缩系数13.5×10-6 K -1 , 在这么大的温差下仅固态线收缩造成的间隙就比球铁高约 121%;可见,因为钢的液态收缩和固态线收缩累计形成的间隙,就是球体的 2.71 倍。如果球铁冷却壁水管与壁体的间隙是 0.3mm 的话,那么铸钢冷却壁水管与壁体间隙至少是 0.81mm,也就是这个气隙热阻,至少是球铁冷却壁的 2.71 倍。测试表明,2mm 的气隙就会使母体与水管之间的温差达到 240℃,引起 29W/㎡的热流

2、冷却水管开裂漏水,是目前铸钢冷却壁失效的主要原因。经解剖检验,目前铸钢冷却壁水管与母体之间普遍存在 0.5-1mm 的间隙,有的甚至更大。按现有铸钢冷却壁铸钢母体热面峰值温度 740℃,正常工作温度 200℃考虑,铸钢冷却壁长度 1800mm,计算出铸钢母体在这一温度区间变化时,热面部位的膨胀量高达 21.09mm;而铸入冷却壁内部的水管因为始终有冷却水在流动,当冷却壁热面经受大的温度变化时,在气隙热障的隔热作用和冷却水的冷却作用下,冷却水管的温度变化不会太大,也就是处于冷却壁体内的冷却水管的线性尺寸不会有大的变化。当冷却壁壁体产生大约 21mm 左右的线收缩或线膨胀时,铸钢母体必然会籍这个强大的内应力“挟持”着冷却水管做 19—20mm 的膨胀或收缩。这个膨胀或收缩量,作用在没有接缝的、有良好韧性的钢管的长度方向上问题不大,但因为钢管与冷却壁母体之间存在间隙, 冷却壁母体形变应力的着力点必然处在 U 形水管的两个 R部位和 U 形管的立管上,使 U 形管的两个 R 部位不断承受交变应力的反复作用,最终必然导致水管在两个弯头部位开裂漏水。如果铸入壁体内部水管的两个弯头是焊接的,水管漏水的时间会大大提前。实践中有铸钢冷却壁使用两年就漏水报废的记录;更尤甚者,铸钢冷却壁在使用数月后,因为漏水而被迫报废拆除。
这就是为什么铸钢冷却壁在目前没有大规模推广的原因。
要想避免冷却壁水管漏水、提高冷却壁的导热能力,使水管与铸钢母体之间形成可靠的冶金结合,是重要的、也是唯一的路子。
二)铸钢冷却壁制造中的技术难题
在铸钢冷却壁的铸造过程中,既保证钢管不被熔穿,又能实现钢管与铸钢母体实现冶金结合,是此前国内外一直没有突破的技术难题。
一般铸钢的〔ω(C)=0.15-0.30%〕的固相线为 1450℃,液相线温度 1525℃,为防止浇铸过程中挂包和形成冷隔,钢水的浇注温度一般都在 1530℃以上。如果对钢管保护不当,钢水的巨大体系热量很容易将钢管熔穿。为了保护管子不被熔穿,一般采用在钢管上焊冷铁和对钢管强制冷却两种办法,期望在保证钢管完好的同时,又能实现钢管与母体冶金结合。多年的生产实践证明,这种良好的设想是不可能实现的,现就两种方案均不能实现冶金结合的原因分析如下
1、在钢管上焊内冷铁的办法
利用熔合内冷却铁热平衡原理,依据公式 G冷 =f v 0 ρ 冷 ( M 0 - M r)/  M 0 ,计算出内冷铁的重量,在钢管外壁焊接内冷铁或螺旋内冷铁,目的是

1)通过内冷铁吸收钢水总体系的热量,熔化冷铁保护水管;

2)当内冷铁吸收了足够的热量并熔化后,钢水剩余的热量又不多不少、正好将冷却壁水管外壁熔化一层,从而实现冷却壁与钢管的冶金结合。这种方案在理论上有可行性,但实践上必须既能做到钢管的内表面温度在固相线温度 1450℃以下,又能保证钢管外表层温度在 1485℃以上。此时,可把钢管也看成是内冷铁,有实验得出,只有当内冷铁温度上升至 1485℃以上,他才与铸件发生熔合。 显然这个目的是无法达到的:一是在钢管 12mm 壁厚方向上(设若选用冷却水管为φ64×12mm),无论对钢管采用什么样的冷却措施,钢管内外表面温度梯度是不可能超过 35℃的,只能比这个温度差要小得多。这是由碳钢是热的良导体的性质决定的。二是钢水总体系的温度难以准确控制,也就是钢管难以准确的被钢水加热到 1485℃以上并超过不多。低于 1485℃钢管不会与铸件熔合,但稍高于 1525℃就可能将钢管全部熔化掉。显然,准确计算浇注过程中的热平衡,使钢管准确的被钢水加热到 1485℃以上并超过不多是十分重要的。但整个浇注体系极为复杂,可变因素、不可控因素太多,从上式可以看到,热平衡的计算只考虑了浇铸过程中注入金属液的热量,以及冷铁吸收的热量,型砂吸收的热量没有考虑。但型砂吸收热量的多少往往是关乎可熔性冷铁熔与不熔的关键。型砂吸收多少热量无法计算,造型时用的砂箱不可能一致,型砂的种类、粒度也不一样,这决定了型腔的体系温度场变化范围很大, 对这个温度场进行精确的计算与控制是不太可能的。如果是大批量的产品,有固定的形状、尺寸,使用固定的沙箱、型砂等,可以通过理论计算,再经过多次实践修正,可以找出最佳浇铸工艺参数并予以准确控制。但冷却壁不是大批量产品,一座高炉上使用同一张图纸的冷却壁一般也就几十块,无论从成本还是从时间上考虑,都不可能像大批量产品一样,待摸索出最佳浇注工艺参数后,再开始冷却壁的生产。如上文分析,即使内冷铁计算的很准确,钢水也能准确的把钢管加热到 1485℃以上并超过不多,但钢管壁厚一般只有 8-12mm 左右,鉴于碳钢的良好导热能力,钢管内外表面难以保持数十度的温度差。理论和实践证明,利用焊接冷铁的方法浇注的铸钢冷却壁,大面积的实现水管与冷却壁本体之间的冶金结合是不太可能的。实际生产中,为了做到钢管不被熔穿,保证铸钢冷却壁的成品率,一般冷却壁制造厂只好选择多加冷铁的办法,来保证水管完整。但大量的未熔冷铁存在于铸钢冷却壁的基体与水管之间,将冷却壁的肌体割裂开来,产生大量的魏氏体组织,为冷却壁将来产生裂纹留下了隐患。采用这种工艺制造的冷却壁,曾有使用半年就漏水的实例。
2、  在钢管内部通入大量强冷却介质的方法
利用这种工艺方法制造的冷却壁,冷却壁的基体强度要好一些,但是因为冷却介质的超强冷却作用,钢管不可能被钢水加热到 1485℃以上,不仅谈不上钢管与铸件实现熔合,更会使冷却壁本体与钢管之间形成更大的间隙,形成更大的气隙热障。从剖开的冷却壁端面看,水管能够非常轻易地用手从冷却壁中取出。这是因为浇注过程中水管在强冷却介质的强制冷却下温度更低, 而钢水的温度很高, 接触低温钢管的钢水瞬间凝固、壳,其他部位的钢水凝固时间要晚的多,这些钢水在凝固时的约束状态下,会按照1.2%比例收缩,再加上冷却壁从高温到常温的固态收缩,于是在钢管与铸钢母体之间产生了不小于 0.5mm 甚至更大的间隙,根本谈不上冶金结合。这个气隙层成为比铸铁冷却壁大得多的热阻层,使得铸钢冷却壁的导热能力大大降低,成为铸钢冷却壁难以大规模推广的重大障碍。济钢一炼铁 5#350m³高炉在 2001 年 2 月份的实测温度显示,铸钢冷却壁的壁体温度大大高于相同部位的球铁冷却壁, 说明用这种工艺方法生产的铸钢冷却壁形成的气隙热阻,要比球铁冷却壁大得多。这使人们深刻地认识到,水管与冷却壁之间能否形成冶金结合,是影响铸钢冷却壁使用寿命的关键因素。目前世界各国都致力于解决铸钢冷却壁本体与钢管之间的冶金结合问题。
四 、 高导热 铸 钢 冷 却壁 的特点
高导热、无热障铸钢冷却壁的成功开发,实现了铸钢冷却壁质的飞跃。它做到了不在水管周围添加任何螺旋冷铁,保证冷却水管完整的前提下,水管与铸钢母体之间形成了可靠的冶金结合。因为做到了冶金结合,所以消除了水管与母体之间的气隙,大幅度提高了铸钢冷却壁导热能力,大幅延长了铸钢冷却壁使用寿命。
1、  高导热铸钢冷却壁热面温度的计算
1.1 热流密度峰值时,铸钢冷却壁的热面温度
1.1.1 冷却壁热面镶砖厚度 200mm 时
( ) [ ] tj q t
d
L a
s
b
+ • + + =
+ π α λ λ λ
1 2
取冷却壁热面峰值热流密度:q=58.2 KW.m-2 ;
冷却介质温度: t j= 25℃;
冷却壁水管内径: d= 40mm;
镶砖厚度:b=200mm;
冷却壁厚度之半: a =100mm;
水管中心线间距:L=200mm;
水的传热系数:α=2.326 W.(㎡.  ℃ ) -1
铸钢热导率(200℃时) :λ=48.6 W.(m.  ℃ ) -1  ;
耐火砖热导率: λ s =15 W.(m.  ℃ ) -1
根据以上数据,可以计算出在冷却壁热面镶砖厚度达 200mm,热流密度达峰值时,冷却壁受热面的平均温度为 583℃。
1.1.2 冷却壁热面镶砖磨损至 0mm 后(耐火砖衬消失)
在炉体内部的恶劣环境下,镶嵌在冷却壁上的耐火材料是难以持久的。在满覆盖耐火砖磨蚀至露出冷却壁燕尾时(一般只需 6 个月) ,取镶砖厚度 b=0,其它参数与 1.1.1 相同,计算出当镶嵌在冷却壁热面的砖衬消失后,当热流密度达峰值时,冷却壁受热面的平均温度为 215℃。
1.2 正常工作状态下,冷却壁的热面温度
当镶嵌在冷却壁热面的砖衬消失后,冷却壁在热流密度 34.9 KW.m-2  的正常工作状态时,计算出铸钢冷却壁的热面温度是 163℃。在选用球墨铸铁冷却壁时,冷却壁热面的砖衬消失后(不包括燕尾槽内的耐火砖) ,当热流密度达峰值时,计算出球铁冷却壁受热面的平均温度为 265℃,仅比同等条件下的铸钢冷却壁温度高了 50℃。从计算数据上来看,冷却壁材质无论选用铸钢也好、铸铁也好,热面平均温度相差不大。但是事实上,利用上式计算出的铸铁冷却壁温度与实际情况有很大出入,主要原因是该计算式没有考虑水管与壁体之间的气隙和涂料层的热阻问题。利用上式计算的铸钢冷却壁的热面温度也仅适用于水管与铸体实现冶金结合的情况。高导热、无热障铸钢冷却壁的成功开发,因为突破了水管与铸体之间实现冶金结合的世界性难题,实现了管壁合一,所以才能够彻底解决了铸钢冷却壁冷却不良,以及水管容易在交变应力作用下开裂漏水的重大问题,使铸钢冷却壁产生了质的飞跃,使铸钢冷却壁的使用寿命得以大大延长。


山东天铭冶金设备有限公司铸钢冷却壁在解剖以后的图片
从图片中可以看出:水管与冷却壁本体实现了完全的冶金结合


2、  高导热铸钢冷却壁的寿命预计
如果铜冷却壁实现使用寿命 15 年的话,因为高导热铸钢冷却壁具有更好的强度、更好的抗变形能力及抗磨损能力,同时又具有良好的导热能力和渣皮再生能力,同时又具有良好的抗热震能力,那么有理由相信高导热铸钢冷却壁的使用寿命也应当在 15 年以上。无热障、 高导热铸钢冷却壁, 以其良好的导热能力, 以及良好的物理性能和机械性能,以低廉的价格、高的性价比,必将在国内外大、中、小高炉上获得也越来越多的应用。
参考 文 献
1、 刘琦:采用铜冷却壁,延长高炉使用寿命.铜冷却壁技术研讨文集.2003.5
2、 佘京鹏 佘克事:铜冷却壁保质量、降成本的途径. 铜冷却壁技术研讨文集.2003.5
3、 铸造手册铸铁分册.中国机械工程学会铸造分会
4、 铸造手册铸钢分册.中国机械工程学会铸造分会
5、 刘全武.高炉冷却壁热态试验: 〔硕士学位论文〕.北京:北京科技大学.1997
6、 铸造手册铸铁分册.第 5 章 球墨铸铁.中国机械工程学会铸造分会
7、 《炼铁》2004 年第 3 期 济钢 5 号高炉炉体浸蚀状况分析 作者 济钢 李大伟8、铸造手册铸铁分册.第 5 章 球墨铸铁.P335.中国机械工程学会铸造分会
9.《炼铁》2008 年第 5 期.武钢 4 号高炉冷却壁破损的原因.武汉钢铁集团. 陈令坤 宋木森
10.《炼铁》2009 年第 3 期.酒钢 6 号高炉炉体破损调查.酒泉钢铁集团有限责任公司. 马新林
11 、 L.Bout,H.Delenghe,M.Depamelare,et al.Installing Cupper Staves and Operational Practice at
Sidmar.Iron and Steel Engineer,1999
12、铸造手册铸钢分册 P430.中国机械工程学会铸造分会
13、高炉炼铁生产技术手册 周传典 主编 冶金工业出版社 2008

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