高炉冷却的基础知识 (1)

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第一章高炉冷却的基础知识

第一节高炉冷却理论常识

一. 高炉冷却的目的

高炉冷却的目的在于增大炉衬内的温度梯度，致使1150℃等温面远离高炉炉壳，从而保护某些金属结构和混凝土构件，使之不失去强度。使炉衬凝成渣皮，保护甚至代替炉衬工作，从而获得合理炉型，延长炉衬工作能力和高炉使用寿命。

高炉冷却是形成保护性渣皮、铁壳、石墨层的重要条件。高炉常用的冷却介质有:水、风、汽水混合物。根据高炉各部位工作条件，炉缸、炉底的冷却目的主要是使铁水凝固的1150℃等温面远离高炉壳，防止炉底、炉缸被渣铁水烧漏。而炉身冷却的目的是为了保持合理的操作炉型和保护炉壳。

二. 高炉冷却的方式

目前国内高炉采用的冷却方式有三种：

1. 工业水开路循环冷却系统

2. 汽化冷却系统

3. 软水密闭循环冷却系统

三.冷却原理

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冷却水通过被冷却的部件空腔，并从其表面将热量带走，从而使冷却水的自身温度提高。

t1 ┏━━━┓ t2

水——→┃冷却件┃——→水

┗━━━┛

1.自然循环汽化冷却工作原理：利用下降管中的水和上升管中的汽水混合物的比重不同所形成的压头，克服整个循环过程中的阻力，从而产生连续循环，汽化吸热而达到冷却目的。

2.软水密闭循环冷却工作原理：它是一个完全封闭的系统，用软水（采用低压锅炉软水即可）作为冷却介质，其工作温度50～60℃（实践经验40～45℃）由循环泵带动循环，以冷却设备中带出来的热量经过热交换器散发于大气。系统中设有膨胀罐，目的在于吸收水在密闭系统中由于温度升高而引起的膨胀。系统工作压力由膨胀罐内的N2压力控制，使得冷却介质具有较大的热度而控制水在冷却设备中的汽化。

3.工业水开路循环冷却工作原理：由动力泵站将凉水池中的水输送到冷却设备后，自然流回凉水池或冷却塔，把从冷却设备中带出的热量散发于大气。系统压力由水泵供水能力大小控制。

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3 四.冷却方式的优缺点

高炉技术进步的特点，表现为高炉炼铁已发展成为

较成熟的技术。从近几年高炉技术进步的发展方向看，突出的特点是大型化、高效化和自动化。因此采用较为先进的高炉冷却技术具有较大的吸引力，成为争相探讨和研究课题。

1.采用软水密闭循环冷却系统最佳。因为：

（l）?软水密闭循环系统的冷却可靠性好。冷却的可靠性，是衡量冷却系统优劣最重要的标准。不结垢，可以长寿。

（2）水量消耗少。软水密闭循环冷流系统中，没有水蒸发损失，流失也极小。水泵的轴封处的流失是系统的主要流失点，流失量是系统总容积的1‰补水量，故水量消耗是极少的。

（3）?动力消耗低。闭路系统与开路系统不同，其水泵的工作压力取决于膨胀罐内N2压力，而水泵扬程是由系统的管路阻力损失决定的，冷却水的静压头能够得到完全的利用。

（4）?管路腐蚀小。因为它是闭路，空气进不去。因此，软水密闭循环冷却系统是一种比较经济的冷却方法。

2. 汽化冷却分为两种循环方式：自然循环和强制循

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环。

（l）汽化冷却的优点：

①冷却介质为软水，可防止结垢。

②自然循环需要动力，在停电情况下仍能继续运行。

（2）汽化冷却的缺点：

①冷却设备在承受大而多变的热负荷冲击下容易产生循环脉动，甚至可能出现膜状沸腾，致使冷却设备过热而烧坏。

②汽化冷却时，冷却壁本体的温度比水冷时高，缩短了冷却壁的寿命。水冷却的冷却壁本体的最高温度已接近珠光体相变的温度。铸铁在760 ℃时，珠光体发生相变，使铸铁机械性能急剧变坏，因此使冷却壁寿命缩短。

3.工业水冷却的优点是传热系数大，热容量大，便于输送，成本便宜。

工业水冷却的致命弱点是水质差，容易结垢而降低冷却强度，导致烧坏冷却设备，水的循环量大，能耗大。

4.喷水冷却，结构轻便简单易行。我国大中型高炉多作为备用冷却手段，小高炉用的较多。目前国外一些极薄炉墙或大中型高炉下部，有采用炉壳内砌碳砖，

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以喷水作为唯一冷却手段，效果也不错。

五.冷却水质

（一）一般概念：

1.?高炉冷却对水质的要求为：?不含有机械杂质、悬浮物不超过200毫克／升，暂时硬度不超过10°（德国度）。

2.水的硬度：天然水中含有钙、镁、盐类等水垢生成物的含量。一般重碳酸盐、氯化物和硫酸盐等，构成了水中的硬度。

①暂时硬度：就是指水中含有重碳酸盐的含量。

②永久硬度：就是指除去重碳酸盐的其它盐类。

③总硬度：就是指暂时硬度与永久硬度之和。

湖水硬度小一些，地下水硬度高一些，一般用暂时硬度衡量水的硬度。

3.水的硬度单位：德国度（°H）简称度。即在10000份水中含有1份氧化钙或氧化镁为一度。也就是1升水中含有10毫克的氧化钙或氧化镁为一度。

4. 水的硬度分类：

硬度 0～4° 4～8° 8～16° 16～30°＞30°

性质很软水软水中等硬水硬水很硬水

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6 对水系统要求新水暂时硬度≯15°H，循环水≯8°H。

5.软化水：就是人为地以某种程度从水中除去了钙镁盐类，如用Na离子交换器置备软水。

软水的作用：①不存在O2腐蚀，②不结垢。

（二）冷却水管结垢的原因及危害

1.冷却水管结垢的原因，主要是由于碳酸盐的沉积。在冷却设备的通道壁上容易结垢，尤其在冷却水硬度高、强化冶炼的高炉上尤为突出。

2.其危害是导致传热效率降低，造成冷却设备过热直至烧环。因此对于冷却器的水管结了水垢，如果要保持水量不变，则要求水压成倍的增长才行。

3.水垢对传热的影响（99年5月钢铁—程树森）

基准条件：v=1.5m/s，水管与冷却壁间的间隙0.15mm,水垢厚度为0，冷却壁高度为1400mm。（钢铁1994.29(1):52）

（1）水垢厚度为1mm时，其冷却壁热面最高温度增加152℃；

水垢厚度为3mm时，其冷却壁热面最高温度增加237℃；

水垢厚度为5mm时，其冷却壁热面最高温度增加446℃。

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7 （2）水速1.0m/s时，其冷却壁热面最高温度增加

＋6℃；

水速 2.0m/s时，其冷却壁热面最高温度增加-8℃；

水速 2.5m/s时，其冷却壁热面最高温度增加-13℃。

（3）如有3mm水垢，压力为1MPa时，管壁温度会由280℃升至580 ℃。

（4）水垢导热系数（循环冷却水的稳定与处理—李仲先著）

碳酸盐水垢坚硬 0.5～5.0 kcal/mh.℃

松软 0.2～1.0 kcal/mh.℃

水垢导热系数取0.58W/(m.K)

污垢热阻水垢导热系数允许垢厚允许垢附着量

m2K/W W/(m.K) (mm) mg/dm2)

0.000172 0.58 0.10 13

1.163 0.20 26 0.00043 0.58 0.25 33

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1.163 0.50 66

0.00086 0.58 0.50 65

1.163 1.0 130

（三）水质的控制：

1．软水水质控制指标：

总硬度 0.01 mg-N/L

总碱度 13.0 mg/L

浊度＜ 10.0 mg/L

氯根Cl- 100 mg/L

总磷 1～3 mg/L

总铁 1～3 mg/L

PH 值＞ 9.0

SiO2 1000 ppm 改为600ppm

电导率0.6 mΩ－１／cm

（电导值1 mΩ－１）

2. 水质参考标准（赵润恩著—炼铁工艺设计原理92.3）：

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软水纯水

溶解固体 mg/L 5～10 2～3

硬度 mmol/L ＜0.035 0

碱度 mmol/L 4～20 0.04～0.1 氯根Cl- mg/L ＜600 0.02～0.08

SiO2 mg/L ＜70 0.02～0.1

电导率 S／m ＜0.05 10-3 ～15-3

电阻率m.Ω＜20 700～1000

（mmol—毫毫升）

（软水72～143ppm→1.427～2.853 N-mg/L）

3.炉缸工业循环水冷却系统的水质稳定

工业循环水系统的水质管理十分重要，要根据水质和水处理药剂的性能制定一个合理的水质控制指标，严格管理。这些处理包括：PH值的调整，适当的排污以控制好循环水的浓缩倍数，限制水中杂质的含量和悬浮物等。在水中加入缓蚀剂、螯合剂、阻垢分散剂及杀菌剂等水稳药剂达到防腐、阻垢、杀菌的效能，可以大大减缓腐蚀、污垢和微生物造成的危害。可以达到：

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10 碳钢腐蚀率＜5～10mg/(dm)2.d

微生物在水中产生的粘泥＜6ml/m3水，?水中的细

菌数＜50万个/ml水；

阻垢率为80～90％，80℃的水温下不发生显著结垢。

4.循环工业水稳药剂阻垢的原理：

（1）?循环水中溶解氧的含量高，是由于在循环中水温升高从而降低了氧在水中的溶解度，达到了过饱和。溶解氧的去极化作用使金属铁易被腐蚀。

（2）循环水中含有空气中的各类污染物质，如SO2、H2S、NO2、NH3等有害气体及固体微粒，吸收了大量的酸性物质使水质发生极大变化。

（3）?循环水中二氧化碳的脱除现象，由于水在30℃以上，循环水中的CO2含量大部分被脱除，?因此水中钙镁的重碳酸盐几乎全部变为碳酸盐，更容易结成水垢。

（4）?循环水中的溶解固体的浓缩现象。补充水中有许多能溶解于水的固体物质，如钙、镁、钾、钠、铁和锰等的碳酸盐、重碳酸盐、硫酸盐、氯化物和硫化物等，使浓缩倍数增加，导致水的腐蚀性和结垢作用增强，影响水的性质。

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11 （5）?循环水中微生物会产生粘性物质，粘附泥沙

在水箱管壁形成降低换热效率的粘泥。微生物还引起腐蚀造成水质变差。

首钢二高炉2001年12月大修前的工业水系统使用大水池的水循环供水，其水质条件较差，腐蚀、结垢相当严重。大水池水质如下：

PH值 8.3

总硬度 320.3 ppm （以CaCO3计）

钙硬度 275.2 ppm

总碱度 275.2 ppm

溶解固体 573.4 ppm

SS（悬浮物）10 ppm

氯化物 86.9 ppm

经过水质处理后水质明显变好，2001年6月水质化学分析如下：

PH值 8.22

总碱度 5.19 mmol/L

硬度

Ca２＋（以Ca ２＋计） 64.07 mg/L

Mg２＋（以Mg２＋计） 34.90 mg/L 氯离子CL－ 75.90

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5.敞开式工业净循环水的水质标准：

当冷却构件热负荷≤209，350kj/m2.h(50000kcal/m2.h)。

冷却结构工况要求污垢热阻值＜0.955×104m2.?h.℃/kj.a 腐蚀率＜0.125/a时，悬浮物＜20mg/L。

由于高炉采用工业循环水处理，可节约大量工业水耗用量，同时也可改善水质条件。因此，必须按照药剂品种及配方，日常需投加水稳药剂。

六.冷却制度

（一）合理的冷却制度：

1. 高炉各部位的用水量与其热负荷相适应；

2. 每个冷却器内的水速、水量和水质相适应；

3. 维持足够的水压和合理的进出水温差。

（二）进出水温差：

1. 进出水温差中，进水温度与大气温度和回水冷却状况有关，一般情况下应小于35℃。而出水温度与水质有关，一般情况下，工业循环水的稳定温度不超过50～60℃，即反复加热时水中碳酸盐沉淀的温度。

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2.?水的沸点，即水在标准大气压下，加热温升到100℃沸腾的温度。

3. 传热的方式有三种：传导、对流、幅射。

4. 传热速率大小与水速的关系：因为局部地区热流强度极大，水的流速不够，不能带出相应的热量，?结果产生管壁上的局部沸腾（分泡状沸腾和膜状沸腾两种），造成汽泡和积垢而导致烧坏。高炉炉缸二、三段冷却壁通高压水的目的是为了造成高流速，增大传热速率。

（三）概念：

1.临界水速：即不产生局部沸腾的最低流速。

2.热流强度：就是指单位时间内某一部位或某一冷却装置所承受的热量（千卡／米2 ?时）

3.热负荷；就是局部或全部冷却装置单位时间所承受的热量。

4.热流密度：就是指冷却介质从每平方米冷却面积所带出的热量。

第二节高炉冷却结构与特点

一.现代高炉结构的冷却作用

1. ?防止高温区工作的部件断裂或材质过早地被磨13

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损（炉身冷却壁、风口装置、炉壳）。

2. 可促使在冷却器前端壁上形成渣皮，从而防止冷却器被磨损，确保炉型的稳定和炉况顺行。

3. ?促使热流在炉衬内得到分布，消除热应力并使炉衬远离炉内高温区。

二. 高炉长寿的意义及措施

一代高炉寿命的长短，直接反映高炉技术装备水平和经济效益。假如一代高炉寿命由五年延长到十年，则等于用同等设备的费用生产双倍的产值，其经济效益是显而易见的。国外有的高炉寿命达10年以上，且无中修，每立方米高炉一代炉役中产铁近万吨。

措施：1.提高炉衬材质，严格管理筑炉质量。

2.改进冷却设备和冷却制度。

3.实现控制热流、控制操作炉型的优化操作制度。

4.推行护炉、补炉技术。采用热喷涂、灌浆、炉墙造衬等方法或炉料中加入补炉原料进行补炉、护炉。

三.高炉本体

1. 高炉本体包括炉基、炉壳、炉衬、冷却设备和高炉框架支柱。

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2. 炉壳（高炉炉皮）的作用是承受负荷、强固炉体、密封炉墙。

3. 高炉内型分为六部分：有炉底、炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉。

4. 高炉炉基的结构形式有两种：

①封闭式炉缸。

②敞开式炉缸。

5. 高炉炉底冷却有两种方式：

①风冷炉底：其中心温度控制在≯280℃。

②水冷炉底：水冷炉底的优点是能提高冷却效率和降低管理费用。

6. 合理的炉身冷却高度为炉身有效高度的1/2～1/3。

7．高炉各部水压的确定原则为：?一般高于热风压力0.1MPa，炉身也要比该处静压力高0.05MPa。?对于冷却水管结垢的冷却器，如要保持水量不变，则要求水压有成倍的增加才行。足够的水压，是防止冷却装置内渗入煤气时，把冷却水排出冷却装置之外，引起冷却器的大量烧坏。尤其在高压强化操作的高炉风口等重要部位，水压必须高于风压。

四.冷却壁

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16 （一）材质特性：

1.普通灰铸铁CH15－32，其熔点为1250～1225℃，正常工作条件下，允许最高温度为400℃。500℃时强度降低。灰铸铁是脆性金属材料，缺乏弹性、塑性与韧性。抗拉强度不高，但抗压强度较大，耐腐蚀、造价低。

2.球墨铸铁QT 400-18，其熔化温度为1250～1225℃。球墨铸铁比灰铸铁抗拉强度大，延伸率和韧性好，但布氏硬度略低。

3.铜冷却壁的材质一般采用无氧铜板轧制后钻孔和铸铜两种。

（1）轧制后无氧铜板的成分

主要成分：Cu+Ag≥99.95％

杂质总和：≤0.05％，

其中：P ≤0.003％;

O2≤0.003％;

（2）物理性能

热导率：λ≥384w/(m.k)

电导率：ｇ≥100％IACS

线膨胀率：α≤17×10-6 ／℃

（3）机械性能

抗拉强度：σb＞200 N/mm2

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17 延伸率：δs＞30％

硬度： HB ＞40

（二）冷却壁的形式及特点

已采用过的冷却壁有：光面冷却壁、镶砖冷却壁、

镶砖凸台冷却壁、铜冷却壁和板式水箱及冷却柱等。

1.光面冷却壁导热性好，冷却均匀。配以导热性好的碳素炉衬，用于炉缸部位。由于导热性好，冷却效率高，能敏锐地反映铁水溶渣对炉缸墙衬的冲刷、渗入和化学侵蚀等破坏作用的程度，使炉缸达到安全。

2.镶砖冷却壁冷却均匀，炉墙光滑，下料阻力小，耐冲刷，炉壳完整，故强度与密封性较好。一般用于炉腹以上。其中，炉身用镶砖凸台冷却壁，便于挂住渣皮和支撑炉衬，削弱煤气运动对冷却壁的冲刷。

3.板式水箱冷却强度大而深入，可支撑耐火砖衬，可更换。且外层水管损坏时，里层水管仍可工作，重量较轻。

4.铜冷却壁导热性能好。

5.冷却柱主要用于炉体冷却壁损坏后严重侵蚀，炉壳钢板易发红、开裂的部位。其材质有钢管焊接的与铜锻压成形的两种，结构有空腔与环流的。在炉壳坏水箱的部位钻孔，将冷却柱插入并固定在炉壳钢板上

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连接通水冷却，热面附以喷涂料造衬。其间距在400～500mm左右冷却效果最好。

（三）冷却壁的冷却结构特点

1.单排管冷却壁，联管有单进单出、双联、双进双出。

2.双排管冷却壁，联管有单进单出、前排双联、后排双联和前排单联后排双联、凸台单联。

3.在软水密闭循环冷却系统中，常从下至上串联便于排气。也有横向连接的，但不便于排气。

4.在工业水开路循环系统中，常以供水的供水环管、多足水包和排水斗、排水环管与冷却壁形成冷却循环。

5.在软水密闭循环冷却系统中，常以供水环管、上下冷却壁之间支管连接、回水环管形成冷却循环系统。也有以类似多足水包的上、下联箱和上下冷却壁之间支管连接形成的循环冷却系统。前者布置较为容易，后者更便于根据炉体各方位热流强度的具体分布，进行水量控制达到合理的冷却制度。

（四）铜冷却壁的使用情况

1.严格控制冷却壁的温度和炉身温度。据国外资料，球墨铸铁冷却壁温度一般控制在100～150℃左右，

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铜冷却壁温度控制在50～80℃。?而武钢1#炉球墨铸铁冷却壁则控制在90～130℃，铜冷却壁温度控制在45～60℃，能形成稳定的渣皮保护层，并不容易脱落。即使渣皮脱落，?铜冷却壁可在5～20分钟内形成新的渣皮，而铸铁冷却壁则需约4小时才能重建渣皮。其冷却壁水管Φ65×6mm，水速＞1.6m/s。进水温度对冷却壁的温度影响较大，?进水温度每降低1℃，冷却壁的温度可降到20～30℃。

2. 2000年1月～2002年3月在首钢二高炉炉腰安装了一块铜冷却壁进行生产实践

(1) 安装位置在炉腰第七段16#，冷却水管编号为前排73#、74#、75#、?76#、77#。软水供水压力0.86MPa 回水压力0.35MPa，供水温度50.5℃，回水平均温度52.7℃。

(2) 含铜量≥99.7％，Ｐ≤0.10％，抗拉强度≥180MPa，延伸率≥35％，导热系数λ≥230W/m.k (3) 铜冷却壁前端砌筑牌号ZGN-42的高密度粘土砖507mm厚。

(4) 在铜冷却壁中下部安装两点测温点，标高16.47m和标高16.531m。

(5) 铜冷却壁尺寸：

①. 铜冷却壁壁体采用轧制铜板，其含铜量≮

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99.9％，密度≮9.8g/cm3。

②. 高1.97m，宽0.992m，厚145mm。

③. 燕尾槽65×55mm

④. 管中心间距0.21m，管中心距边0.76m

⑤. 冷却壁的水通道Φ40mm，每块5根。

⑥. 冷却壁电偶第一点距冷却壁下沿554.5mm，插入铜壁115mm，在铜筋中心。?第二点距冷却壁下沿616mm，插入铜壁65mm，与燕尾槽的碳化硅捣料相距25mm，与第一点相距50mm。

3.铜冷却壁传热性能较好：

(1) 热流密度：??在热端煤气温度1600℃时为288kw／m2（247635Kcal/m2）;铜冷却壁热端温度≯240℃；

(2) 铜冷却壁热端有10mm渣皮时，铜冷却壁热端最高温度＜100℃左右；当炉内煤气温度从1000℃变化到1600℃时，铜冷却壁热面温度基本维持在100℃左右。

(3) 铜冷却壁热端无渣皮时，铜冷却壁热端最高温度不超过250℃左右；当炉内煤气温度不超过1300℃时，铜冷却壁热面温度小于200℃。

4. 2002年首钢2＃炉在炉腹、炉腰和炉身下部安装3段铜冷却壁共120块。轧制后无氧铜板冷却壁的性能：

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(1).主要成分：Cu+Ag≥99.95％

杂质总和：≤0.05％，

其中：P ≤0.003％;

O2≤0.003％;

(2).物理性能：

①热导率：λ≥384w/(m.k)

②电导率：ｇ≥100％IACS

③线膨胀率：α≤17×10－６／℃

(3).机械性能：

①抗拉强度：σb＞200 N/mm2

②延伸率：δs＞30％

③硬度： HB ＞40

(4).钻孔平直度：±0.5mm/m ，单向钻孔。

(5).水压试验 1.3MPa 30min，无泄压、渗漏。

(6).铜冷却壁镶嵌碳化硅捣料，理化性能指标

①体积密度（200℃×3h）2.22g/cm3

②显气孔率（200℃×3h） 10％

③烧后线变化率（200℃×3h） -0.3％

④常温耐压强度（200℃×3h） 26.4Mpa

五.风口与渣口

（一）材质：

1.风口小套、风口中套采用铸铜，风口大套采用铸21

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