高爐鑄鋼冷卻壁熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

高爐鑄鋼冷卻壁熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

現(xiàn)有的許多高級(jí)別玉米呈鑄造鐵的冷卻壁無法滿足高級(jí)別玉米的長期需求，這使得鋼修理工的重點(diǎn)變成了鋼修理工。中國鋼冷壁的開發(fā)和使用在世界上是獨(dú)一無二的。武漢鋼鐵公司設(shè)計(jì)研究所、北京鋼鐵研究總面積等部門在“文化大革命”和“文化大革命”期間對(duì)鋼墻進(jìn)行了大量的開發(fā)和研究。目前，濟(jì)南鋼鐵公司、南京鋼鐵公司、山東鋼鐵公司、山東鋼鐵公司等機(jī)構(gòu)開始使用鑄鐵磁體冷卻壁。馬鞍山鋼鐵股份有限公司自2001年開始研制與開發(fā)鑄鋼冷卻壁,制作的鑄鋼冷卻壁已在部分高爐上使用.由于鑄鋼冷卻壁的材質(zhì)鋼具有延伸率高、抗拉強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、抗熱沖擊性及整體導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn),所以在現(xiàn)場(chǎng)使用中與鑄鐵冷卻壁相比具有一定的優(yōu)勢(shì).然而,在環(huán)境惡劣的爐身下部、爐腰及爐腹部位,仍然出現(xiàn)部分鑄鋼冷卻壁燒壞的狀況,這嚴(yán)重影響了高爐的使用壽命.鑄鋼冷卻壁的使用時(shí)間不長,對(duì)其進(jìn)行解剖研究還為時(shí)過早,國內(nèi)外對(duì)鑄鋼冷卻壁熱態(tài)實(shí)驗(yàn)也未曾報(bào)道.為了進(jìn)一步分析鑄鋼冷卻壁的破損原因,從而找出防止冷卻壁損壞的措施,對(duì)鑄鋼冷卻壁的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究就顯得格外重要.依據(jù)上海寶山鋼鐵股份有限公司3號(hào)高爐球墨鑄鐵冷卻壁破損機(jī)理的熱態(tài)試驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn),本熱態(tài)實(shí)驗(yàn)把馬鞍山鋼鐵股份有限公司開發(fā)的應(yīng)用在中型高爐上的鑄鋼冷卻壁作為研究對(duì)象,按1∶1的規(guī)模進(jìn)行實(shí)驗(yàn).模擬馬鞍山鋼鐵股份有限公司高爐的實(shí)際工況,建立循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、煤氣流動(dòng)系統(tǒng)以及冷卻壁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).通過測(cè)定不同條件下的溫度分布,可以了解鑄鋼冷卻壁的工作性能,為以后高爐冷卻壁的冷卻制度、冷卻壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠的依據(jù).1實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.1試驗(yàn)用鑄鋼冷卻壁的安裝實(shí)驗(yàn)爐系統(tǒng)如圖1所示.實(shí)驗(yàn)爐爐膛尺寸為1856mm×928mm×2814mm,煙囪采用上排煙方式,其直徑為400mm.爐體砌磚采用優(yōu)質(zhì)粘土磚、高鋁磚,爐子側(cè)柱采用工字鋼.試驗(yàn)用鑄鋼冷卻壁模擬高爐的實(shí)際情況,直立置于試驗(yàn)爐外側(cè)面中央處,在放置冷卻壁的承重墻內(nèi)埋放了鋼架,以保證試驗(yàn)爐的安全,冷卻壁與耐火磚接觸面之間用粘土泥密封.冷卻水箱容積為12m3,采用水泵供水.為了保持水箱內(nèi)循環(huán)水溫度的基本穩(wěn)定,在水箱內(nèi)設(shè)有進(jìn)水和排水裝置,冷卻水進(jìn)水管路上安裝了冷卻水壓力表,在進(jìn)水分配器和冷卻壁之間裝有冷卻水流量表,溫度計(jì),同樣在冷卻壁冷卻水出水口也安裝了溫度計(jì).在試驗(yàn)爐的側(cè)面下方和承重墻正下方各安裝了一臺(tái)轉(zhuǎn)杯式燃油器,為了保證爐膛內(nèi)溫度均勻,在爐內(nèi)下方用耐火磚設(shè)置了三座拱橋,以消除噴嘴火焰長度不穩(wěn)定可能造成爐溫的波動(dòng).1.2冷卻壁結(jié)構(gòu)及測(cè)溫點(diǎn)布置試驗(yàn)用鑄鋼冷卻壁的尺寸為771mm×220mm×1385mm,冷卻壁母體材質(zhì)為25#鋼,燕尾槽內(nèi)是碳化硅搗打料.冷卻水管內(nèi)徑為40mm,水管間距為200mm,碳化硅搗打料厚度為60mm,冷卻壁結(jié)構(gòu)及測(cè)溫點(diǎn)布置如圖2所示.圖中1,2,8,9為冷卻壁熱表面點(diǎn);4,5,11,12為離熱面10mm的點(diǎn);6,7,13,14為離熱面15mm的點(diǎn);3,10點(diǎn)離熱面160mm;17,21點(diǎn)離熱面140mm;20點(diǎn)離熱面180mm;18,19點(diǎn)離熱面60mm;15,16點(diǎn)是冷表面點(diǎn).其中,8,9,11,12,13,14及18點(diǎn)布置在碳化硅搗打料上,其他則布置在鑄鋼本體上.1.3c為c而上384%試驗(yàn)爐燃料采用市售合格品10#柴油,其可燃成分平均范圍如下:C為85%～88%;H為10%～13%;N+O不大于1%;S不大于1%.冷卻供水采用離心水泵,型號(hào)為80D-30×6,吸入口徑為80mm,流量為50m3·h-1,揚(yáng)程為30m.2試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析2.1爐氣溫度對(duì)冷卻壁的影響眾所周知,高爐作為巨大的反應(yīng)器,燒結(jié)礦、焦炭及熔劑等散料床充填其中緩緩下降,煤氣通過下降的料柱逆流而上,逆流過程中,高爐煤氣與爐料進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng).在高爐穩(wěn)定狀態(tài)下,高爐煤氣是與爐料和初渣發(fā)生傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)后再與冷卻壁爐墻接觸的.而在高爐出現(xiàn)管道氣流時(shí),高爐煤氣將直接沖擊爐墻,此時(shí)的煤氣溫度較高,對(duì)冷卻壁的破壞巨大.本試驗(yàn)所謂爐氣對(duì)冷卻壁的影響就相當(dāng)于高爐邊緣氣流或管道氣流對(duì)冷卻壁溫度的影響.爐氣溫度對(duì)鑄鋼冷卻壁的影響見圖3,冷卻水速為2m·s-1.從圖可看出,在其他條件不變的情況下,爐氣溫度越高,冷卻壁各試驗(yàn)點(diǎn)溫度也越高,并且冷卻壁內(nèi)測(cè)點(diǎn)離爐氣距離越近,溫度上升的斜率越大.在冷卻壁熱表面的邊角上,是冷卻壁溫度最高處,并且搗打料上的溫度比冷卻壁壁體要高,這主要是冷卻效果差所致.如在爐氣溫度為1248℃時(shí),搗打料上的溫度比本體溫度高近100℃,而在非邊角處,搗打料上的溫度雖然也高,但只高10℃左右.這說明冷卻壁邊和角的冷卻效果與其他地方相比還是有較大差距的.當(dāng)爐氣溫度從1080℃上升到1248℃時(shí),冷卻壁熱表面角上搗打料上的溫度上升了177℃,而冷卻壁壁體上升了近200℃,冷卻壁冷表面溫度上升了27℃.這說明,當(dāng)高爐在運(yùn)行中出現(xiàn)管道氣流時(shí),冷卻壁熱面溫度會(huì)迅速升高,這可能會(huì)燒壞冷卻壁.可見,高爐中的管道氣流是造成冷卻壁損壞的重要因素之一.2.2冷卻水速對(duì)傳熱系數(shù)的影響考察了爐氣溫度為800℃,其他條件不變時(shí),冷卻水速對(duì)冷卻壁溫度的影響,見圖4.冷卻水速從0.6m·s-1提高到1.0m·s-1時(shí);測(cè)溫點(diǎn)溫度下降斜率較大,從1.0m·s-1提高到1.5m·s-1時(shí),測(cè)溫點(diǎn)溫度有所下降,但幅度不大;當(dāng)水速超過2.0m·s-1后,測(cè)溫點(diǎn)溫度幾乎沒有什么變化.說明只靠提高水速來增大對(duì)冷卻壁的冷卻,尤其是使冷卻壁熱面最高溫度降低是行不通的.文獻(xiàn)對(duì)鑄鋼冷卻壁進(jìn)行了三維傳熱分析,計(jì)算了冷卻壁與冷卻水之間總傳熱系數(shù).文獻(xiàn)認(rèn)為,冷卻壁與冷卻水之間的熱阻由五部分組成,即水管內(nèi)表面與水的對(duì)流換熱熱阻、水垢熱阻、水管管壁導(dǎo)熱熱阻、水管表面涂層熱阻和氣隙層熱阻.冷卻水速對(duì)熱交換的影響關(guān)系見圖5.從圖可看出,隨著冷卻水速的提高,傳熱系數(shù)在逐步提高,但在水速提高到2.0m·s-1后,傳熱系數(shù)提高的幅度已經(jīng)不大;在水速大于3.0m·s-1時(shí),傳熱系數(shù)幾乎沒有變化.這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.當(dāng)水速過大時(shí),會(huì)使冷卻水系統(tǒng)阻力成倍增加,這不僅對(duì)現(xiàn)有冷卻設(shè)備系統(tǒng)是個(gè)考驗(yàn),更是對(duì)能源的浪費(fèi).然而,冷卻水速是阻止管壁表面沸騰最重要的因素之一,因?yàn)槔鋮s水速過小容易導(dǎo)致管壁溫度升高,從而在管壁容易產(chǎn)生表面沸騰,在這個(gè)地方極易產(chǎn)生水垢.總之,提高水速雖然對(duì)冷卻壁溫度影響不大,但卻能有效阻止管壁薄膜態(tài)沸騰,選擇水速應(yīng)考慮以上兩種因素和高爐冷卻系統(tǒng)供水的能力.馬鞍山鋼鐵股份有限公司高爐現(xiàn)有的冷卻水速為2.0m·s-1,是能滿足冷卻壁冷卻能力需求的.2.3進(jìn)水水溫溫度的影響當(dāng)爐氣溫度為800℃,水速為2m·s-1時(shí),冷卻進(jìn)水水溫對(duì)冷卻壁溫度的影響如圖6所示.從圖可看出,冷卻壁溫度與進(jìn)水水溫是一條直線關(guān)系,但是當(dāng)進(jìn)水水溫從60℃降到30℃時(shí),冷卻壁溫度只降低不到20℃.這說明通過降低進(jìn)水水溫來降低冷卻壁的溫度是不可取的,也是非常不經(jīng)濟(jì)的.3高爐熱面溫度基于實(shí)驗(yàn)條件相似,采用文獻(xiàn)的數(shù)據(jù),通過與本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.球墨鑄鐵、鑄鋼及銅冷卻壁的熱面最高溫度與爐氣溫度的關(guān)系如圖7所示.從圖看出,同樣爐氣溫度對(duì)三種冷卻壁熱表面溫度的影響差距較大.當(dāng)爐氣溫度為1100℃時(shí),球墨鑄鐵、鑄鋼及銅冷卻壁熱面最高溫度分別是920℃,749℃及99℃.對(duì)球墨鑄鐵,由于其相變溫度為760℃,在該種情況下不可避免會(huì)因冷卻壁過熱而被燒損.眾所周知,冷卻壁熱面溫度越低,就越容易在熱表面粘結(jié)熔融的爐渣,而爐渣就形成了一層保護(hù)層,起到保護(hù)冷卻壁的作用.銅冷卻壁的熱面溫度還不到100℃,極易在壁面形成一層保護(hù)渣層,這就是銅冷卻壁在高爐現(xiàn)場(chǎng)使用中壽命較長的原因.鑄鋼冷卻壁的性能介于球墨冷卻壁和銅冷卻壁之間,由于鋼具有延伸率高、抗拉強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、抗熱沖擊性及整體導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn),所以在我國開發(fā)應(yīng)用鋼冷卻壁,實(shí)現(xiàn)高爐長壽具有更大的實(shí)用意義.4高爐水速對(duì)冷卻壁溫度的影響(1)提高冷卻水速和降低進(jìn)水水溫來增加冷卻壁的冷卻能力是有限的,當(dāng)水速超過2.0m·s-1后,不但冷卻效果增加有限,相反會(huì)增加冷卻系統(tǒng)的阻力,增加能耗.當(dāng)然,冷卻水速也不宜太小,為了避免管內(nèi)的薄膜沸騰,水速應(yīng)維持在合適的水平.馬鞍山鋼鐵股份有限公司中型高爐現(xiàn)有的水速2.0m·s-1是合理的.(2)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,冷卻壁的邊角溫度相對(duì)其他位置要高得多,這說明該處冷卻壁容易破損,以后冷卻壁的開發(fā)還需從這個(gè)角度去改進(jìn).(3)爐氣溫度對(duì)冷卻壁溫度分布的影響較大.冷卻壁熱面隨爐氣溫度的波動(dòng)而激烈波動(dòng),說明高爐只要出現(xiàn)