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大力推廣無熱障 、 高導熱鑄鋼冷卻壁

2020-11-20 19:09

大力推廣無熱障 、 高導熱鑄鋼冷卻壁
降低高爐建設成本 、大幅延長高爐壽命


山東天銘重工科技股份有限公司 周傳祿 姜洪軍


  摘要:高爐爐腹、爐腰、爐身下部鑄鐵冷卻壁的使用壽命難以滿足高爐一代爐役的要求,銅冷卻壁的發明使得高爐壽命達到 15 年以上成為可能,但是其高昂的價格成為其推廣應用的瓶頸,無間隙、高導熱鑄鋼冷卻壁的研制成功,使得冷卻壁的低投資和高壽命不可兼得的想法變為現實。
  關鍵詞:熱障 冶金結合
  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


  高效長壽高爐是煉鐵企業追求的共同目標。 國外發達國家的高爐壽命一般已達到 15 年左右,國內大多數高爐的壽命在 10 年以下。在采用先進的爐底、爐缸結構,以及高導熱率和優質的耐火材料后, 就爐底、 爐缸壽命而言, 我國高爐已基本解決了 15 年以上壽命的問題。高爐冷卻壁較短的使用壽命,成為制約我國高爐長壽的現實關鍵因素。
  作為高效冷卻設備的銅冷卻壁的成功應用,使我國高爐壽命趕超發達國家成為可能,但銅冷卻壁高昂的投入,制約了它的推廣應用(特別是在中小高爐上) ;煉鐵高爐所普遍采用的鐵素體球墨鑄鐵冷卻壁,使用壽命一般還難以滿足 15 年左右的要求;作為抗熱震能力強、使用壽命長,投資相對低廉的無熱障、高導熱鑄鋼冷卻壁,以其卓越的性價比,必然會成為國內外高爐競相選擇的優秀冷卻設備。
  何謂無熱障、高導熱鑄鋼冷卻壁?
  無熱障、 高導熱鑄鋼冷卻壁是冷卻水管與鑄鋼母體真正實現冶金結合的鑄鋼冷卻壁。 它的高導熱性能的體現是通過冷卻水管與鑄鋼母體實現真正意義的冶金結合來達到的。
一 、冷卻壁長壽理念的更新
  爐腹、爐腰、爐身下部冷卻壁的壽命,是決定高爐爐體壽命的關鍵。高爐的下部處于高溫和渣鐵熔融區,這些部位的冷卻壁不但要經受高速煤氣流和液態渣鐵的沖刷和侵蝕,還有高溫焦炭的磨蝕,工況十分惡劣。前期解決問題的方法,是希望通過延長耐火材料的壽命,以延緩冷卻壁的破損時間,但事實說明,無論是碳化硅磚還是剛玉磚以及碳化硅結合氮化硅磚,磚襯壽命都很短,對冷卻壁的保護效果都不理想。于是,人們的技術理念逐
漸轉化到在爐身下部建立一個無過熱冷卻體系上來。也就是提高冷卻壁的冷卻能力,使其具備良好的掛渣能力,利用渣皮來保護冷卻壁,在正常工作狀態下,冷卻壁的實際工作溫度不超過其材質所允許的溫度;在渣皮脫落時,可在較短的時間內迅速生成渣皮。近幾年來的實踐使大家充分認識到,渣皮是冷卻壁最好的保護材料,能夠建立這種無過熱體系的冷卻壁是追求高爐長壽高效的有效途徑。
二 、不同材質冷卻壁的特點
1、  純銅冷卻壁
  足以實現建立無過熱冷卻體系的功能要求。優點是具有優異的冷卻能力及抗熱震性能、使用壽命長、長遠效益好;但另一方面,它存在強度低、易變形,累計服役4 年,嚴重的彎曲變形可達到 50mm/m,個別還存在更為嚴重的扭曲變形,并且一次性投入高,這對希望少投入、快產出,盡快收回投資、產生效益的投資者來講,是一個難以決斷的選擇。
2、  鐵素體基球墨鑄鐵冷卻壁
  球鐵冷卻壁與灰口鑄鐵冷卻壁(HT) 、耐熱鑄鐵冷卻壁(RTCr)相比,因其具有高的強度、高的韌性、綜合性能優良而在煉鐵高爐上獲得廣泛應用。但球鐵冷卻壁也存在明顯的缺陷,決定了它難以在爐腹、爐腰、爐身下部建立起無過熱冷卻體系:
第一、  鐵素體球墨鑄鐵的導熱系數較低, 這在較低的環境溫度下較為明顯。 如 100℃時,鐵素體球墨鑄鐵λ=38.69W/m·K,400℃時λ=38.14W/m·K
,低碳鑄鋼〔ω(C)=0.23%〕在 100℃時λ=50.5W/m·K,400℃時λ=42.7W/m·K,而 TU 2 軋制銅板在常溫下對應的熱導率則高達 370 W/m·K,200℃時λ=340W/m·K。以上數據反應出鐵素體球墨鑄鐵的導熱性能, 在較低的環境工作溫度下, 與低碳鑄鋼相比還有一定的差距, 與軋制無氧銅板相比,則相差更遠。
第二、 冷卻水管與鑄鐵母體之間的熱障問題。對鑄鐵冷卻壁來說,當管內沒有水垢時,鑄鐵冷卻壁內氣隙熱阻約占整個熱阻的 86%,這個熱障對鑄鐵冷卻壁的影響是很大的,它主要來自于兩個方面:一是為了防止在澆鑄過程中,高溫液態生鐵對鋼管表層滲碳,而在鋼管外表面涂刷 0.075-0.15mm 厚的防滲碳涂料。這種涂料的體質材料成分大多數是絕熱材料,導熱系數約為 1~2 W/m·K,如鋯英粉(ZrO 2 ) 、石英粉(SiO 2 )、氧化鉻、碳化硅等,這些絕熱材料在冷卻壁澆鑄完成后會保留在水管的外表面上,形成水管的熱障涂層。二是冷卻水管與鑄鐵冷卻壁本體之間存在 0.1-0.3mm 的氣隙, 這個氣隙層是傳統的鑄造工藝無法避免的,它不單是因為低碳鋼與鑄鐵兩種材質的膨脹系數不同,更因為鋼管在遇到液態金屬時,會因為迅速受熱而產生線膨脹,在冷卻到常溫后會產生同量的線收縮,因鋼管自身的膨脹與收縮所造成的與鑄鐵母體之間的間隙,是鋼管自身膨脹量的兩倍;鑄鐵母體從液態到冷卻到常溫固態會產生兩個收縮,一是液態收縮,球墨鑄鐵在約束狀態下的液態收縮率為 0.8%,二是從液態到常溫固態產生的固態收縮。以上因為鋼管與鑄鐵母體客觀存在的膨脹與收縮, 造成了冷卻水管與鑄鐵冷卻壁本體之間存在 0.1-0.3mm 甚至更大的氣隙, 這個氣隙不采取特殊的工藝措施是不可能消除的。 因為涂層熱障和氣隙熱障的存在,大大降低了鑄鐵冷卻壁的導熱能力,也會造成冷卻壁產生局部過熱,局部過熱使冷卻壁產生巨大的熱應力,在熱交變應力的頻繁作用下使冷卻壁表面產生裂紋,裂紋不斷延伸,最將導致冷卻壁產生平行于水管的明顯縱向裂縫,裂縫擴展造成冷卻壁壁體碎裂脫落、使冷卻水管裸露,或將鋼管拉裂造成鋼管漏水,最終導致冷卻壁過早失效。
第三、 鐵素體球墨鑄鐵的安全工作溫度為 450℃。在 450℃以下時,球墨鑄鐵中的珠光體穩定存在,超過此溫度時,珠光體粒狀化;溫度繼續升高,則因石墨化引起體積膨脹這也是球鐵冷卻壁在服役后期會有長大現象,因石墨化膨脹、石墨氧化而產生應力進而產生裂紋的重要原因。因為上述第二條原因,球墨鑄鐵冷卻壁的冷卻能力較差,使冷卻壁在渣皮脫落后、重建渣皮前,將在較長的時間內承受很高的溫度,在冷卻壁冷卻不良的情況下,這個過程有的要長達四五個小時的時間(而銅冷卻壁僅需 15 分鐘) 。在失去渣皮保護的這段時間里,冷卻壁熱面溫度通常在 400℃以上,短時溫度甚至高達 1100℃以上。有的冷卻壁,即使在磚襯浸蝕殆盡的情況下,但正常工作時(即大部分時間)冷卻壁的表面溫度一般為 600--700℃,短時間內同一測溫點的溫度會高達 1200℃,如下表:第 7 層熱電偶溫度測定值(1— 6 號測點),℃
偶號 正常的溫度平均值 短時的溫度值
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:表中為 2001 年 2 月 10 日—2 月 15 日的數值;1—4 號熱電偶沒有數據 。

  上表峰值溫度可解釋為此部位失去磚襯,而且形成的渣皮已經脫落。出現這種情況的周期長短不一,短時一天可出現 1—2 次 。

  在上述工況環境下,冷卻壁的工作溫度經常超過(有的是大部分時間超過)球墨鑄鐵穩定的工作溫度 450℃,因此該部選擇以球墨鑄鐵為材質的冷卻壁,其使用壽命是很難滿足一代爐役要求的。
第四、 球墨鑄鐵的抗熱震能力較差。將鐵素體球墨鑄鐵在 650℃和 20℃之間反復加熱、冷卻時,在平板試樣兩孔之間產生熱疲勞裂紋的次數為 200-500 次,處于爐腹、爐腰、爐身下部的冷卻壁,始終處于渣皮生成—脫落—再生成—再脫落的循環過程中,要求冷卻壁的材質必須有良好的抗熱震能力,顯然該部位選擇以球墨鑄鐵為材質的冷卻壁,其壽命是很難滿足要求的。
第五、 球鐵冷卻壁芯部組織延伸率低。球鐵冷卻壁的表層與芯部的延伸率差別非常大,這是因為厚大球墨鑄鐵件在澆鑄過程中的球化衰退造成的,到目前為止還未見已成功解決厚大球墨鑄鐵件的球化衰退的報道。在設計球鐵冷卻壁時,延伸率指標單鑄試塊為≥18%,附鑄試塊為≥12%,而球鐵冷卻壁芯部取樣的延伸率僅要求≥6%,作為制造廠家來說,其芯部組織的延伸率能夠穩定的達到 6%以上也是很不容易的。

  另外,經常處于與高溫渣鐵接觸部位的鑄鐵冷卻壁,在高含碳、硫、磷渣鐵的浸蝕下,冷卻壁表面會產生嚴重的滲碳、滲硫、磷現象,導致脆性增加。對武鋼4 號高爐7、8、9段破損的球鐵冷卻壁解剖進行的金相檢驗和化學分析表明,這種滲碳、氧化所引起的金相組織變化、脆性增加是嚴重的、也是必然的,這是冷卻壁產生裂紋的源頭。冷卻壁熱面的這種表層滲碳深度不很大,曾研究過最深的約 15mm,只要鑄體內部材質優良,這種裂紋不致快速擴大, 就不會對整塊冷卻壁的使用壽命產生重要影響。 但因為球鐵冷卻壁不可避免的球化衰退問題,冷卻壁內層的延伸率多數在 4%—8%,酒鋼 6 號高爐對運行3年6個月的4段17號冷卻壁的芯部測試,其芯部組織延伸率僅2%—3%,金相組織中大量珠光體和萊氏體組織導致冷卻壁韌性降低。當冷卻壁壁體溫度超過 450℃時,在石墨化膨脹,石墨球析出、氧化,交變熱應力及應力的尖劈多重作用下,裂紋就會延伸、擴展,最終穿透冷卻壁,將冷卻壁分割成很多碎塊而脫落,使冷卻壁水管裸露、磨穿而報廢。
1.3 鑄鋼冷卻壁
以低碳鑄鋼或低合金鑄鋼為材質,生產高爐冷卻壁是工藝制造技術的創新。總結常見鑄鐵冷卻壁的失效形式,一般是冷卻壁裂紋、基體脫落造成水管裸露、冷卻水管漏水等,其原因如上文所述,主要是因為球墨鑄鐵的工作溫度低、抗熱震能力差、芯部組織韌性差造成的。但低碳鑄鋼就不同了,ZG200-400 為例,雖然它的導熱能力與球墨鑄鐵差不多,但他具有球鐵所不具備的許多優點:第一是它的工作溫度高,在冷卻水管對鑄鋼本體的冷卻和補強作用下,冷卻壁本體的高溫蠕變強度不是主要問題,即使工作溫度高于 736℃的相變工作溫度,從理論上來講,其熱面表層工作溫度只要低于 1227℃的滲碳體的熔點溫度,他就是安全可靠的。而這個溫度對鑄鐵冷卻壁來講,在導熱不良、渣皮脫落的情況下,是其熱面表層可能遇到的峰值溫度;第二是他的抗熱震能力強、沖擊韌性好、化學成分均勻。對低碳鋼而言,在不受力狀態下其物理性能指標沒有熱震次數這一概念,在冷卻壁的使用環境下,不會出現鑄鋼本體開裂的情況,也不會有表層組織和芯部組織性能差異的問題;第三是尺寸穩定,因為它的含碳量很低,不存在石墨析出和長大的問題。鑒于低碳鑄鋼的上述優點,他在使用過程中,不會出現冷卻壁裂紋、冷卻壁基體組織成塊脫落、水管裸露的情況。
以低碳鑄鋼或低合金鑄鋼為材質制造高爐冷卻壁,有其獨特的優點:
它與純銅冷卻壁相比: 1)它同樣具有優異的抗熱沖擊能力, 使用過程中不會開裂,基體組織不會脫落;

2)抗變形能力強,它的強度大大高于純銅,截面尺寸一般要比銅冷卻壁大一倍,其抗變形能力是銅冷卻壁無法比擬的;

3)性價比更高,因鑄鋼冷卻壁的價格便宜,單位價格約為銅冷卻壁的六分之一,一次性投入少;

4)有更高的使用安全性,鋼的熔點比銅的熔點高 400℃。實踐證明,當冷卻水系統因故障停水一定時間時, 銅冷卻壁就可能耐受不住高溫而報廢,而同樣情況下鋼冷卻壁就不會出現問題;

5)雖然導熱能力不及銅冷卻壁,但鑄鋼冷卻壁在制作優良的情況下,冷卻能力完全能夠滿足高爐建立無過熱體系的要求。業內有認識認為,銅冷卻壁因導熱能力太好,存在冷卻能力過剩的問題,但鑄鋼冷卻壁不存在;

6)冷卻壁熱面因長期接觸高含碳量的渣鐵,或者長期處于高碳勢、高濃度 C 還原氣氛中,其表層滲碳肯定是不可避免的。這種滲碳作用會在冷卻壁熱面淺表層(深度<15mm)組織中生成大量堅硬、耐磨的 Fe 3 C滲碳體,使冷卻壁表層組織硬度提高,這對鑄鋼冷卻壁有效抵御高速含塵煤氣流和高
溫熱焦炭的沖刷磨蝕是十分有利的。
它與球墨鑄鐵冷卻壁性比:

1)雖然鑄鋼與球墨鑄鐵的導熱能力差不多,但鑄鋼冷卻壁的冷卻能力好。鑄鋼冷卻壁采取特殊措施后,可以實現水管與冷卻壁本體冶金結合,而球鐵冷卻壁實現這種結合就困難的多。也就是說,傳統的球鐵冷卻壁存在很大的氣隙熱阻,鑄鋼冷卻壁可以消除這個熱阻

2)鑄鋼冷卻壁韌性好、抗熱震能力強,使用中不會因為交變熱應力的作用而開裂失效;

3)使用溫度高,球墨鑄鐵的安全使用溫度為 450℃, 而鑄鋼可以耐受更高的溫度, 如 880℃-910℃只相當于鑄鋼的退火溫度,這個溫度不但對冷卻壁本體無害,而且可以消除鑄造產生的粗大魏氏體組織,使鑄鋼本體晶粒細化,機械性能提高,因此既使鑄鋼冷卻壁水管與本體存在氣隙熱阻,在鑄
鋼冷卻壁冷卻不良的情況下,它也完全可以抵擋渣皮脫落后峰值溫度的沖擊,而對鑄鋼冷卻壁不會構成太大的損壞;實際使用已經證明,在鑄鋼冷卻壁水管不漏水的情況下,無論熱電偶測得壁體溫度高或低于鑄鐵冷卻壁,其使用壽命要比球鐵冷卻壁高的;

4)尺寸穩定,因鑄鋼本體含碳量很低,不會產生石墨析出和膨脹,也不會因石墨化膨脹產生裂紋;

5)強度高,在同樣內(熱)應力的作用下,鑄鋼冷卻壁比球鐵冷卻壁有更長的使用壽命;

6)不用擔心澆鑄過程中鋼水對鋼管表面的滲碳問題;

7)冷卻壁熱面表層會因在使用過程中的滲碳而提高硬度,增加耐磨性,這對提高冷卻壁邊角部位的抗磨損能力是很有利的;

8)因為冷卻能力好,所以渣皮再生能力強,對冷卻壁會形成更有效地保護。
三 、鑄鋼冷卻壁的現狀及存在的技術問題
一)鑄鋼冷卻壁的現狀
因為鑄鋼冷卻壁優良的綜合性能和高的性價比,世界各國都致力于鋼冷卻壁的研究。我國從上世紀九十年代中期,國家在九五重點攻關項目中,把鑄鋼冷卻壁的研究制造作為高爐長壽攻關的子課題,國內很多大學、研究機構、企業單位等做了大量的工作,取得了一些成就,但在鑄鋼冷卻壁制造工藝上,其核心難點還是難以突破:就是在保證鑄入鋼母體中的冷卻水管不熔穿的情況下,實現水管與母體冶金結合。只有實現水管與母體冶金結合、消除冷卻壁氣隙熱阻,才是大幅度提高鑄鋼冷卻壁冷卻能力、充分發揮鑄鋼冷卻壁優異綜合性能的唯一途徑,也是多年以來,鑄鋼冷卻壁制造工藝上難以突破的技術瓶頸。因為這個難以解決的技術問題,現在市面上的鑄鋼冷卻壁普遍存在著冷卻能力差、冷卻水管易開裂漏水,使用壽命短的問題。具體原因做如下分析:
1、  現鑄鋼冷卻壁冷卻能力差的根本原因:就是因為鑄入冷卻壁的鋼管外表面,與冷卻壁母體之間存在著很大的氣隙熱阻。鑄鋼冷卻壁的氣隙熱阻與鑄鐵冷卻壁相比,前者要比后者大得多,也就是鋼管與鑄鋼母體之間的間隙要比球鐵冷卻壁存在的間隙大得多。這是因為

1)鋼水的液態收縮率是 1.2%,而球墨鑄鐵則為 0.8%,僅液態收縮造成的間隙就比球鐵高 50%;

2)鋼水的澆注溫度要比鐵水高 200 ℃, 常用鑄鋼的固相線溫度約1450℃,生鐵的固相線溫度是 1153℃,兩者相差 297℃。低碳鑄鋼〔ω(C)=0.25%〕在20℃—600℃的線收縮系數 14.41×10-6 K -1 , 鐵素體球墨鑄鐵在 20℃—600℃的線收縮系數13.5×10-6 K -1 , 在這么大的溫差下僅固態線收縮造成的間隙就比球鐵高約 121%;可見,因為鋼的液態收縮和固態線收縮累計形成的間隙,就是球體的 2.71 倍。如果球鐵冷卻壁水管與壁體的間隙是 0.3mm 的話,那么鑄鋼冷卻壁水管與壁體間隙至少是 0.81mm,也就是這個氣隙熱阻,至少是球鐵冷卻壁的 2.71 倍。測試表明,2mm 的氣隙就會使母體與水管之間的溫差達到 240℃,引起 29W/㎡的熱流

2、冷卻水管開裂漏水,是目前鑄鋼冷卻壁失效的主要原因。經解剖檢驗,目前鑄鋼冷卻壁水管與母體之間普遍存在 0.5-1mm 的間隙,有的甚至更大。按現有鑄鋼冷卻壁鑄鋼母體熱面峰值溫度 740℃,正常工作溫度 200℃考慮,鑄鋼冷卻壁長度 1800mm,計算出鑄鋼母體在這一溫度區間變化時,熱面部位的膨脹量高達 21.09mm;而鑄入冷卻壁內部的水管因為始終有冷卻水在流動,當冷卻壁熱面經受大的溫度變化時,在氣隙熱障的隔熱作用和冷卻水的冷卻作用下,冷卻水管的溫度變化不會太大,也就是處于冷卻壁體內的冷卻水管的線性尺寸不會有大的變化。當冷卻壁壁體產生大約 21mm 左右的線收縮或線膨脹時,鑄鋼母體必然會籍這個強大的內應力“挾持”著冷卻水管做 19—20mm 的膨脹或收縮。這個膨脹或收縮量,作用在沒有接縫的、有良好韌性的鋼管的長度方向上問題不大,但因為鋼管與冷卻壁母體之間存在間隙, 冷卻壁母體形變應力的著力點必然處在 U 形水管的兩個 R部位和 U 形管的立管上,使 U 形管的兩個 R 部位不斷承受交變應力的反復作用,最終必然導致水管在兩個彎頭部位開裂漏水。如果鑄入壁體內部水管的兩個彎頭是焊接的,水管漏水的時間會大大提前。實踐中有鑄鋼冷卻壁使用兩年就漏水報廢的記錄;更尤甚者,鑄鋼冷卻壁在使用數月后,因為漏水而被迫報廢拆除。
這就是為什么鑄鋼冷卻壁在目前沒有大規模推廣的原因。
要想避免冷卻壁水管漏水、提高冷卻壁的導熱能力,使水管與鑄鋼母體之間形成可靠的冶金結合,是重要的、也是唯一的路子。
二)鑄鋼冷卻壁制造中的技術難題
在鑄鋼冷卻壁的鑄造過程中,既保證鋼管不被熔穿,又能實現鋼管與鑄鋼母體實現冶金結合,是此前國內外一直沒有突破的技術難題。
一般鑄鋼的〔ω(C)=0.15-0.30%〕的固相線為 1450℃,液相線溫度 1525℃,為防止澆鑄過程中掛包和形成冷隔,鋼水的澆注溫度一般都在 1530℃以上。如果對鋼管保護不當,鋼水的巨大體系熱量很容易將鋼管熔穿。為了保護管子不被熔穿,一般采用在鋼管上焊冷鐵和對鋼管強制冷卻兩種辦法,期望在保證鋼管完好的同時,又能實現鋼管與母體冶金結合。多年的生產實踐證明,這種良好的設想是不可能實現的,現就兩種方案均不能實現冶金結合的原因分析如下
1、在鋼管上焊內冷鐵的辦法
利用熔合內冷卻鐵熱平衡原理,依據公式 G冷 =f v 0 ρ 冷 ( M 0 - M r)/  M 0 ,計算出內冷鐵的重量,在鋼管外壁焊接內冷鐵或螺旋內冷鐵,目的是

1)通過內冷鐵吸收鋼水總體系的熱量,熔化冷鐵保護水管;

2)當內冷鐵吸收了足夠的熱量并熔化后,鋼水剩余的熱量又不多不少、正好將冷卻壁水管外壁熔化一層,從而實現冷卻壁與鋼管的冶金結合。這種方案在理論上有可行性,但實踐上必須既能做到鋼管的內表面溫度在固相線溫度 1450℃以下,又能保證鋼管外表層溫度在 1485℃以上。此時,可把鋼管也看成是內冷鐵,有實驗得出,只有當內冷鐵溫度上升至 1485℃以上,他才與鑄件發生熔合。 顯然這個目的是無法達到的:一是在鋼管 12mm 壁厚方向上(設若選用冷卻水管為φ64×12mm),無論對鋼管采用什么樣的冷卻措施,鋼管內外表面溫度梯度是不可能超過 35℃的,只能比這個溫度差要小得多。這是由碳鋼是熱的良導體的性質決定的。二是鋼水總體系的溫度難以準確控制,也就是鋼管難以準確的被鋼水加熱到 1485℃以上并超過不多。低于 1485℃鋼管不會與鑄件熔合,但稍高于 1525℃就可能將鋼管全部熔化掉。顯然,準確計算澆注過程中的熱平衡,使鋼管準確的被鋼水加熱到 1485℃以上并超過不多是十分重要的。但整個澆注體系極為復雜,可變因素、不可控因素太多,從上式可以看到,熱平衡的計算只考慮了澆鑄過程中注入金屬液的熱量,以及冷鐵吸收的熱量,型砂吸收的熱量沒有考慮。但型砂吸收熱量的多少往往是關乎可熔性冷鐵熔與不熔的關鍵。型砂吸收多少熱量無法計算,造型時用的砂箱不可能一致,型砂的種類、粒度也不一樣,這決定了型腔的體系溫度場變化范圍很大, 對這個溫度場進行精確的計算與控制是不太可能的。如果是大批量的產品,有固定的形狀、尺寸,使用固定的沙箱、型砂等,可以通過理論計算,再經過多次實踐修正,可以找出最佳澆鑄工藝參數并予以準確控制。但冷卻壁不是大批量產品,一座高爐上使用同一張圖紙的冷卻壁一般也就幾十塊,無論從成本還是從時間上考慮,都不可能像大批量產品一樣,待摸索出最佳澆注工藝參數后,再開始冷卻壁的生產。如上文分析,即使內冷鐵計算的很準確,鋼水也能準確的把鋼管加熱到 1485℃以上并超過不多,但鋼管壁厚一般只有 8-12mm 左右,鑒于碳鋼的良好導熱能力,鋼管內外表面難以保持數十度的溫度差。理論和實踐證明,利用焊接冷鐵的方法澆注的鑄鋼冷卻壁,大面積的實現水管與冷卻壁本體之間的冶金結合是不太可能的。實際生產中,為了做到鋼管不被熔穿,保證鑄鋼冷卻壁的成品率,一般冷卻壁制造廠只好選擇多加冷鐵的辦法,來保證水管完整。但大量的未熔冷鐵存在于鑄鋼冷卻壁的基體與水管之間,將冷卻壁的肌體割裂開來,產生大量的魏氏體組織,為冷卻壁將來產生裂紋留下了隱患。采用這種工藝制造的冷卻壁,曾有使用半年就漏水的實例。
2、  在鋼管內部通入大量強冷卻介質的方法
利用這種工藝方法制造的冷卻壁,冷卻壁的基體強度要好一些,但是因為冷卻介質的超強冷卻作用,鋼管不可能被鋼水加熱到 1485℃以上,不僅談不上鋼管與鑄件實現熔合,更會使冷卻壁本體與鋼管之間形成更大的間隙,形成更大的氣隙熱障。從剖開的冷卻壁端面看,水管能夠非常輕易地用手從冷卻壁中取出。這是因為澆注過程中水管在強冷卻介質的強制冷卻下溫度更低, 而鋼水的溫度很高, 接觸低溫鋼管的鋼水瞬間凝固、殼,其他部位的鋼水凝固時間要晚的多,這些鋼水在凝固時的約束狀態下,會按照1.2%比例收縮,再加上冷卻壁從高溫到常溫的固態收縮,于是在鋼管與鑄鋼母體之間產生了不小于 0.5mm 甚至更大的間隙,根本談不上冶金結合。這個氣隙層成為比鑄鐵冷卻壁大得多的熱阻層,使得鑄鋼冷卻壁的導熱能力大大降低,成為鑄鋼冷卻壁難以大規模推廣的重大障礙。濟鋼一煉鐵 5#350m³高爐在 2001 年 2 月份的實測溫度顯示,鑄鋼冷卻壁的壁體溫度大大高于相同部位的球鐵冷卻壁, 說明用這種工藝方法生產的鑄鋼冷卻壁形成的氣隙熱阻,要比球鐵冷卻壁大得多。這使人們深刻地認識到,水管與冷卻壁之間能否形成冶金結合,是影響鑄鋼冷卻壁使用壽命的關鍵因素。目前世界各國都致力于解決鑄鋼冷卻壁本體與鋼管之間的冶金結合問題。
四 、 高導熱 鑄 鋼 冷 卻壁 的特點
高導熱、無熱障鑄鋼冷卻壁的成功開發,實現了鑄鋼冷卻壁質的飛躍。它做到了不在水管周圍添加任何螺旋冷鐵,保證冷卻水管完整的前提下,水管與鑄鋼母體之間形成了可靠的冶金結合。因為做到了冶金結合,所以消除了水管與母體之間的氣隙,大幅度提高了鑄鋼冷卻壁導熱能力,大幅延長了鑄鋼冷卻壁使用壽命。
1、  高導熱鑄鋼冷卻壁熱面溫度的計算
1.1 熱流密度峰值時,鑄鋼冷卻壁的熱面溫度
1.1.1 冷卻壁熱面鑲磚厚度 200mm 時
( ) [ ] tj q t
d
L a
s
b
+ • + + =
+ π α λ λ λ
1 2
取冷卻壁熱面峰值熱流密度:q=58.2 KW.m-2 ;
冷卻介質溫度: t j= 25℃;
冷卻壁水管內徑: d= 40mm;
鑲磚厚度:b=200mm;
冷卻壁厚度之半: a =100mm;
水管中心線間距:L=200mm;
水的傳熱系數:α=2.326 W.(㎡.  ℃ ) -1
鑄鋼熱導率(200℃時) :λ=48.6 W.(m.  ℃ ) -1  ;
耐火磚熱導率: λ s =15 W.(m.  ℃ ) -1
根據以上數據,可以計算出在冷卻壁熱面鑲磚厚度達 200mm,熱流密度達峰值時,冷卻壁受熱面的平均溫度為 583℃。
1.1.2 冷卻壁熱面鑲磚磨損至 0mm 后(耐火磚襯消失)
在爐體內部的惡劣環境下,鑲嵌在冷卻壁上的耐火材料是難以持久的。在滿覆蓋耐火磚磨蝕至露出冷卻壁燕尾時(一般只需 6 個月) ,取鑲磚厚度 b=0,其它參數與 1.1.1 相同,計算出當鑲嵌在冷卻壁熱面的磚襯消失后,當熱流密度達峰值時,冷卻壁受熱面的平均溫度為 215℃。
1.2 正常工作狀態下,冷卻壁的熱面溫度
當鑲嵌在冷卻壁熱面的磚襯消失后,冷卻壁在熱流密度 34.9 KW.m-2  的正常工作狀態時,計算出鑄鋼冷卻壁的熱面溫度是 163℃。在選用球墨鑄鐵冷卻壁時,冷卻壁熱面的磚襯消失后(不包括燕尾槽內的耐火磚) ,當熱流密度達峰值時,計算出球鐵冷卻壁受熱面的平均溫度為 265℃,僅比同等條件下的鑄鋼冷卻壁溫度高了 50℃。從計算數據上來看,冷卻壁材質無論選用鑄鋼也好、鑄鐵也好,熱面平均溫度相差不大。但是事實上,利用上式計算出的鑄鐵冷卻壁溫度與實際情況有很大出入,主要原因是該計算式沒有考慮水管與壁體之間的氣隙和涂料層的熱阻問題。利用上式計算的鑄鋼冷卻壁的熱面溫度也僅適用于水管與鑄體實現冶金結合的情況。高導熱、無熱障鑄鋼冷卻壁的成功開發,因為突破了水管與鑄體之間實現冶金結合的世界性難題,實現了管壁合一,所以才能夠徹底解決了鑄鋼冷卻壁冷卻不良,以及水管容易在交變應力作用下開裂漏水的重大問題,使鑄鋼冷卻壁產生了質的飛躍,使鑄鋼冷卻壁的使用壽命得以大大延長。


山東天銘冶金設備有限公司鑄鋼冷卻壁在解剖以后的圖片
從圖片中可以看出:水管與冷卻壁本體實現了完全的冶金結合


2、  高導熱鑄鋼冷卻壁的壽命預計
如果銅冷卻壁實現使用壽命 15 年的話,因為高導熱鑄鋼冷卻壁具有更好的強度、更好的抗變形能力及抗磨損能力,同時又具有良好的導熱能力和渣皮再生能力,同時又具有良好的抗熱震能力,那么有理由相信高導熱鑄鋼冷卻壁的使用壽命也應當在 15 年以上。無熱障、 高導熱鑄鋼冷卻壁, 以其良好的導熱能力, 以及良好的物理性能和機械性能,以低廉的價格、高的性價比,必將在國內外大、中、小高爐上獲得也越來越多的應用。
參考 文 獻
1、 劉琦:采用銅冷卻壁,延長高爐使用壽命.銅冷卻壁技術研討文集.2003.5
2、 佘京鵬 佘克事:銅冷卻壁保質量、降成本的途徑. 銅冷卻壁技術研討文集.2003.5
3、 鑄造手冊鑄鐵分冊.中國機械工程學會鑄造分會
4、 鑄造手冊鑄鋼分冊.中國機械工程學會鑄造分會
5、 劉全武.高爐冷卻壁熱態試驗: 〔碩士學位論文〕.北京:北京科技大學.1997
6、 鑄造手冊鑄鐵分冊.第 5 章 球墨鑄鐵.中國機械工程學會鑄造分會
7、 《煉鐵》2004 年第 3 期 濟鋼 5 號高爐爐體浸蝕狀況分析 作者 濟鋼 李大偉8、鑄造手冊鑄鐵分冊.第 5 章 球墨鑄鐵.P335.中國機械工程學會鑄造分會
9.《煉鐵》2008 年第 5 期.武鋼 4 號高爐冷卻壁破損的原因.武漢鋼鐵集團. 陳令坤 宋木森
10.《煉鐵》2009 年第 3 期.酒鋼 6 號高爐爐體破損調查.酒泉鋼鐵集團有限責任公司. 馬新林
11 、 L.Bout,H.Delenghe,M.Depamelare,et al.Installing Cupper Staves and Operational Practice at
Sidmar.Iron and Steel Engineer,1999
12、鑄造手冊鑄鋼分冊 P430.中國機械工程學會鑄造分會
13、高爐煉鐵生產技術手冊 周傳典 主編 冶金工業出版社 2008

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