卢正东-武钢6号高炉冷却壁破损调查

1、Process Technology Institute武钢高炉冷却壁破损调查卢正东2016年5月20日 厦门Process Technology Institute个人简介 卢正东年 龄32岁学 历硕士研究生毕业院校南京工业大学专 业材料科学与工程研究方向高炉长寿技术职 称工程师工作单位武钢研究院-铁前技术研究所-炼铁技术领域工作经历2010年8月至2011年3月,武钢炼铁厂(基层锻炼)2011年4月至今,武钢研究院(从事高炉长寿技术研究)工作导师: 陈令坤、于仲洁、宋木森联系方式Tel E-mail:Process Technology Institute4武钢高

2、炉概况1235武钢高炉存在的长寿问题高炉冷却壁破损调查及原因分析冷却壁改进优化与服役效果6汇报内容结论与展望Process Technology Institute1 武钢高炉概况表1 武钢高炉概况(青山本部,共7座)炉号有效容积服役时间装备情况12200m32001年(第3代)软水密闭循环（2号高炉采用工业水开路循环）砖壁合一薄炉衬;4、5、6、7、8号高炉炉腹、炉腰、炉身下部采用铜冷却壁;（其中8号高炉在炉缸风口带应用了铸铜冷却壁），其它位置采用球磨铸铁冷却壁；炉缸采用超微孔(或微孔) 炭砖;炉底上层采用超微孔(或微孔)炭砖；炉底下层采用石墨(或半石墨)炭砖；陶瓷杯采用微孔刚玉砖；2150

3、0m32010年(第5代)42600m32007年(第2代)53200m32007年(第2代)63200m32004年(新 建)73200m32006年(新 建)84117m32009年(新 建)Process Technology Institute2 武钢高炉长寿中存在的问题建厂初期至上世纪70年代末,炉缸炉底侵蚀烧穿问题严重，高炉整体服役寿命短。上世纪7080年代，全炭砖水冷薄炉底技术应用后，炉缸炉底短寿问题得到有效解决，但炉身寿命短问题依然存在，一代炉役需34次中修)3 上世纪90年代本世纪初, 软水密闭技术、球磨铸铁冷却壁、优质耐火材料的应用，高炉整体寿命大幅延长。(长寿典范: 武钢

4、5号高炉3200m3一代炉龄15年8个月(无中修),单位炉容产铁11096.6t/m3)4 2007年至今，随着冶炼强度逐渐提高以及高风温、高富氧、大喷煤技术的应用，应用第一代铜冷却壁高炉的炉腹炉缸衔接部位冷却壁破损现象十分严重。Process Technology Institute2 武钢高炉长寿中存在的问题20122014 武钢1号高炉(第3代)2200m3, 于2001年5月投产, 炉腹炉缸冷却壁自2003年起开始逐年破损，并于2007年起破损加重，于2011年2月停炉检修并更换破损冷却壁。 武钢7号高炉3200m3 ，于2006年6月投产，2009年后炉腹冷却壁破损逐渐加重，炉壳发红

5、现象时有发生，于2012年3月对停炉检修并更换破损冷却壁。 武钢6号高炉3200m3 ，于2004年7月投产，2005年起出现炉腹冷却壁水管破损现象，2012年起破损加重。于 2014年11月停炉检修并更换破损冷却壁。Process Technology Institute2 武钢高炉长寿中存在的问题表2 高炉炉腹炉缸段冷却壁水管破损数量统计武钢1号高炉年份2001200220032004200520062007200820092010合计炉缸第4段1/11021/3/9炉腹第5段1/5621827244621150炉腹第6段/218818313616120武钢6号高炉年份2005200620

6、072008200920102011201220132014合计炉缸第5段235761457647炉腹第6段00010014121129Process Technology Institute3.1 武钢1号高炉冷却壁破损情况调查 图图1 图图2图1为炉腹炉缸冷却壁侵蚀破损照片，可以看到5段球磨铸铁冷却壁侵蚀破损严重，部分破损部位进行了穿管处理,以维持生产。从图2是穿管冷却壁停炉后照片。 图图3 图图4图3为炉缸风口照片,风口上翘严重；图4为炉身9段铸铁冷却壁破损,水管破损漏水严重3 高炉冷却壁破损调查Process Technology Institute3.1 武钢1号高炉冷却壁破损调查

7、图图 5 图图6图5为炉腰和炉身下部铜冷却壁照片，燕尾槽清晰可见，未发生严重侵蚀破损；图6为漏水铜冷却壁剖面照片，内部水道规整。 图图7 图图8图7、图8为破损铜冷却壁通水检测照片，仅在塞头处有小股漏水，漏水量很小3 高炉冷却壁破损调查Process Technology Institute3.2 武钢6号高炉冷却壁破损调查 图图9 图图10图9、图10为炉腹炉缸冷却壁侵蚀破损照片，可以看到6段铜冷却壁底部侵蚀破损严重，5段铸铁冷却壁热面顶部已被侵蚀，冷却水管直接裸露在外。 图图11 图图12图11、图12为炉身中部和上部冷却壁侵蚀破损照片，可以看到9段、10段铸铁冷却壁表面龟裂严重，部分冷却

8、壁水管裸露在外，侵蚀严重部位的水管已经断裂漏水。3 高炉冷却壁破损调查Process Technology Institute3.2 武钢6号高炉冷却壁破损调查 图图13 图图14图13、图14为炉腹破损严重的铜冷却壁取样照片，冷却壁热面肋条已被刷平，进水管处被烧损，水管处做了灌浆处理。 图图15 图图16图15、图16为炉缸铸铁冷却壁取样照片，冷却壁热面顶部已被侵蚀，水管直接裸露在外。3 高炉冷却壁破损调查Process Technology Institute3.3 破损调查小结1. 近年来武钢高炉冷却壁破损严重部位主要位于炉腹炉缸衔接部位。2. 炉缸段球墨铸铁冷却壁热面上部已被侵蚀，冷却

9、水管直接裸露出来，预计生产中主要依靠其表面覆盖的渣皮维持工作，一旦炉况发生波动，造成渣皮脱落，便极易造成冷却壁水管的烧蚀破损。3. 部分6段铜冷却壁底部和热面侵蚀严重，且底部破损严重的铜冷却壁都出现了底部进水管被烧损的现象。初步判断是6段铜冷却壁底部破损后，高温煤气流窜入冷却壁冷面进水管处，将其烧坏。排除施工安装及人为操作不当，冷却壁底部破损原因应从材质性能和结构设计两方面考虑。3 高炉冷却壁破损调查Process Technology Institute冷却壁检测分析项目炉缸球墨铸铁冷却壁金相分析 球磨铸铁冷却壁的高温相变是导致本体龟裂和破损的重要原因。炉腹铜冷却壁力学性能 开展了铜冷却壁高

10、温力学性能研究，评估高温服役效果。炉腹铜冷却壁化学指标分析 铜冷却壁重点分析铜含量与氧含量铜冷却壁氧含量如果超标会导致“氢病”，“氢病”可以导致冷却壁出现微裂纹，进而造成冷却壁壁体的侵蚀破损。炉腹铜冷却壁金相和扫描电镜分析 分析铜冷却壁表面裂纹的形成原因。3 冷却壁破损原因分析Process Technology Institute3.4 球墨铸铁冷却壁金相分析编号石墨形态及石墨化级别组织及铁素体含量百分数1-热面蠕虫状、球状（2级）,见图17珠光体+铁素体（约40%）+石墨2-过渡蠕虫状、球状（2级）,见图18珠光体+铁素体（约40%）+石墨3-冷面团絮状、球状（2级）,见图19铁素体（约9

11、0%）+珠光体+石墨图17图18图193 冷却壁破损原因分析Process Technology Institute3.5 铜冷却壁力学性能分析编号11121341435153616263抗拉强度 MPa203204204206206202207202203200延伸率 %57565454545352555758 由检测结果看，破损铜冷却壁完好部位和侵蚀部位，冷面与热面力学性能基本一致。其中，抗拉强度平均值为203MPa，延伸率平均值为54%。由于6号高炉铜冷却壁采用的是轧铜材质，所以其对应的力学国家标准为铜及铜合金板材（GB/T-2040-2002），标准中要求抗拉强度205MPa，伸长率3

12、0%，考虑到服役后的冷却壁力学性能略有降低，故6号高炉铜冷却壁力学性能基本符合国家标准，能够满足正常炉况下的服役要求。3 冷却壁破损原因分析Process Technology Institute3.5 铜冷却壁力学性能分析 除常温力学性能外，项目组还对铜冷却壁试样作了高温力学性能测试，测试结果显示铜冷却壁随着环境温度升高，屈服强度逐渐下降，环境温度为400，试样屈服强度为107MPa。2503003504008090100110120130140150屈服 强度(MPa)温度 ()图图20 铜冷却壁高温力学性能铜冷却壁高温力学性能3 冷却壁破损原因分析Process Technology I

13、nstitute3.6 铜冷却壁化学成分分析 氧在铜合金中很少固溶于铜，含氧铜冷凝时，氧呈共晶体（Cu+Cu2O）析出，分布在铜的晶界上。如果将含氧铜置于含H2还原气氛中时，氢在高温下渗入铜晶界内，与Cu2O作用，产生高压水蒸气使铜破裂，这种现象称为“氢病”。编号111213616263氧含量ppm10111591210 检验结果表明，武钢6号高炉铜冷却壁氧含量已满足国家关于无氧铜的标准。此外，根据洛阳铜加工集团的研究结果，当氧含量低于16ppm时，铜材在高温还原气氛下不会产生裂纹。3 冷却壁破损原因分析Process Technology Institute3.7 铜冷却壁金相与扫描电镜分析

14、 图图21 图图22 图21、图22为炉腹铜冷却壁侵蚀破损部位金相照片，可以看到破损部位边缘存在微裂纹。 图图23 图图24 图23、图24为炉腹铜冷却壁侵蚀破损部位扫描照片，可以看到部分裂纹和孔洞中有其它物质沉积。3 冷却壁破损原因分析Process Technology Institute4 冷却壁改进优化与服役效果4.1冷却壁破损分析小结 综上所述，6号高炉铜冷却壁材质性能良好，铜冷却壁本体材质不是冷却壁异常破损的主要原因。结合炉内观测和研究分析，其破损原因应该在于高炉炉腹炉缸衔接部位冷却壁结构不合理。当炉缸5段冷却壁外部耐火砖衬侵蚀殆尽后，高温煤气流会沿着衔接部位的破损处窜入炉腹冷却壁

15、冷面，先将铜冷却壁进水管烧坏，然后烧坏整个冷却壁，高炉被迫停产检修。图25Process Technology Institute4.2冷却壁结构改进与优化图图26为原有高炉炉腹炉为原有高炉炉腹炉缸衔接部位冷却壁结构缸衔接部位冷却壁结构示意图。示意图。图图27为改进后高炉炉腹为改进后高炉炉腹炉缸衔接部位冷却壁结炉缸衔接部位冷却壁结构示意图。构示意图。图图27中：中：1炉腹冷却炉腹冷却壁壁体、壁壁体、2炉腹冷却炉腹冷却壁燕尾槽、壁燕尾槽、3炉腹冷炉腹冷却壁却壁SiC镶砖、镶砖、4炉炉腹冷却壁凸台、腹冷却壁凸台、5炉炉缸冷却壁壁体、缸冷却壁壁体、6炉炉缸冷却壁燕尾槽、缸冷却壁燕尾槽、7炉缸冷却壁炉

16、缸冷却壁SiC镶砖、镶砖、8冷却水管。冷却水管。图图26图图274 冷却壁改进优化与服役效果Process Technology Institute4 冷却壁改进优化与服役效果4.3 冷却壁数值模拟 本研究以6号高炉5段风口球墨铸铁冷却壁和6段炉腹铜冷却壁为原型，等比例建立计算模型，由于5段共有32块球墨铸铁冷却壁，6段共有48块铜冷却壁，即5段每两块球墨铸铁冷却壁对应6段3块铜冷却壁，故在建模时，将上述5块冷却壁作为一个整体予以考虑，最大程度模拟高炉实际应用情况。图图28 冷却壁模型示意图冷却壁模型示意图图图29 网格划分示意图网格划分示意图Process Technology Instit

17、ute4.4 冷却壁结构改进前后温度场对比图图30 原衔接部位温度场原衔接部位温度场 图图31 改后衔接部位温度场改后衔接部位温度场 如图30、31所示，新型铜冷却壁在底部增设凸台结构后，5段、6段冷却壁衔接部位温度下降，温度场分布更加合理，其中衔接部位炉内热面拐点处为温度最高点，改进前该点温度为891，改进后该点温度降为723，下降168，温度下降后，可以改善上述部位的工况，缓解冷却壁的破损现象。4 冷却壁改进优化与服役效果Process Technology Institute4.5 冷却壁改进优化后服役效果炉号应用时间应用效果4号(2600m3)2007年5月（大修）5、6、7段冷却壁水管零破损8段仅坏一块冷却壁5号(3200m3)2007年11月（大修）59段冷却壁水管零破损6号(3200m3)2014年12月（中修）59段冷却壁水管零破损7号(3200m3)2012年4月（中修）5段仅坏1根69段冷却壁水管累计破损11根8号(4117m3)2009年8月（新建）115段冷却壁水管零破损4 冷却壁改进优化与服役效果Process Technology Institute5 结论与展望结 论1 近年来武钢高炉冷却壁破损现象主要集中在高炉炉腹和炉缸衔接部位,即炉腹铜冷却壁底部