第三章 高炉冷却设备

第三章高炉冷却设备第1页，共44页，2023年，2月20日，星期三3.2冷却方式和介质

目前，高炉冷却介质常用水、空气、气水混合物。即水冷、风冷和气化冷却三种。水冷：水的热容量大，导热能力好，且价廉，易得。故首先被广泛用于高炉冷却，尤其工业水冷却。但工业水容易结垢，降低冷却强度，导致冷却设备烧坏；同时水量和能耗均大。风冷：由于空气热容量较小，所以风冷一般用于冷却强度要求不大的部位如炉底。气化冷却：气化冷却能克服上述水质上的缺点，但不能对热流过大的区域如风口进行有效的冷却且不易检漏。所以尽管用水量仅为常规水冷的1％左右、没有水垢且可不靠外界能源工作，现在气冷应用仍不广泛。

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根据不同处理方法所得到的冷却用水分为普通工业净化水、软水和纯水。普通工业净化水是天然水经过沉淀及过滤处理后，去掉了水中大部分悬浮物杂质，而溶解杂质并未发生变化的净化水。软水是将钠离子经过离子交换剂与水中的钙、镁阳离子进行置换，而水中其他的阴离子没有改变的净化水。纯水即脱盐水，纯水中阴、阳离子的残余含量极微，基本上无杂质的净化水。

目前趋势是发展软水或纯水密闭循环冷却。冷却介质是软水或纯水。软水硬度或纯水（含钙，镁离子）很低，有害杂质很少（表1－2水质指标），设备的结垢速率和腐蚀速率都远低于工业水，从根本上解决了结垢问题。有利于延长冷却设备寿命，并提高冷却效果。该系统由于完全密闭，没有蒸发损失。补充水仅用于泵密封处泄漏和因检修而排外的水，所以补充水量很少。

第3页，共44页，2023年，2月20日，星期三表1－2水质指标水质项目单位普通工业净化水软水纯水悬浮物

溶解固体硬度

碱度

mg/L

mg/Lmmol/Lmmol/L

＜200

＜3.57

5～10＜0.035

4～20

2～300.04～0.1第4页，共44页，2023年，2月20日，星期三

炉壳外部冷却外部冷却--喷水冷却此法利用环形喷水管或其它形式通过炉壳冷却内衬。高炉在炉役末期冷却器被烧坏或严重脱落时、为维持生产，采用喷水冷却。宝钢l号高炉炉底侧壁和炉缸为碳砖喷水冷却结构（图1-12）；国外也有大高炉炉身、炉腹和炉缸采用碳质内衬配合喷水冷却；还有使用焊有沟槽外套结构冷却炉壳的。为提高喷水冷却效果，必须经常对炉壳进行清洗。3.2冷却设备第5页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-12宝钢1号高炉炉底侧壁和炉缸喷水冷却示意图第6页，共44页，2023年，2月20日，星期三壳内冷却插入式冷却器①支梁式水箱被安装在炉壳与内衬间或内衬中，以增强砖衬的冷却效果。为铸有无缝钢管的楔形冷却器(图1-13)。因此它有支承上部砖衬的作用，并可维持较厚的砖衬；与冷却壁相比重量较轻，便于拆换。它多安装在中型高炉炉身中部用以托砖，常为2～3层，呈棋盘式布置。上下两层间距600～800mm，同一层相距1300～1700mm。优点：冷却深度较深；缺点：点冷却；炉役后期，内衬工作面易呈凹凸不平，不利炉料下降；开孔多对炉壳强度和密封也带来不利影响。第7页，共44页，2023年，2月20日，星期三②扁水箱多为铸铁，内部铸有无缝钢管(图1-14)。一般用于炉身和炉腰。亦呈棋盘式布置，有密排式和一般式，后者层距500～900mm，同一层相距不超过150～500mm。③冷却板其内采用隔板将冷却水形成一定的流路，有双进四路、双进六路结构型式，图1-15示出双进六路结构型式冷却板。此种冷却板结构的特点：a.适用于高炉高热负荷区的冷却，采用密集式的布置形式，如宝钢1号和2号冷却板层距为312mm；b.冷却板前端冷却强度大，不易产生局部沸腾现象；c.当冷却板前端损坏后可继续维持生产；d.双通道的冷却水量可根据高炉生产状况分别进行调整。第8页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-13支梁式水箱第9页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-14扁水箱（铸钢）第10页，共44页，2023年，2月20日，星期三

图1-15

双进6路冷却板第11页，共44页，2023年，2月20日，星期三冷却壁①光面冷却壁用于炉底和炉缸，其厚度为80～120mm。(图1-16)②镶砖冷却壁用于炉腹及以上，其厚度包括镶砖在内，一般为250～350mm(冷却壁厚度120～160mm)，肋高为75～115mm，现趋于减薄。a）有凸台的异型或“Γ”型冷却壁（图1-17b,c），用于炉腹以上，普通型冷却壁(图1-17

a)用于炉腹；b）冷却壁宽度为700～1500mm，高度视炉壳折点和炉衬情况而定，一般不应大于3000mm；

c）冷却壁内部所铸的无缝管一般为ф34*5～ф44.5*6，管子的曲率半径最小为管径的两倍。管距一般在200～250mm范围。它是内部铸有无缝钢管的铸铁板。第12页，共44页，2023年，2月20日，星期三③冷却壁特点：•与插入式冷却器相比，不损坏炉壳强度，有良好的密封性；冷却均匀，炉衬内壁光滑；同时异型或“Γ”型冷却壁有支托上部砖衬作用(图1-17b,c)。适宜用于顶压达0.2～0.25MPa的高炉。•它损坏时不能更换，故需辅以喷水冷却；此外也不宜厚炉墙。④冷却壁发展（图1－18新日铁四代冷却壁）•材质：一般铸铁→高韧性球墨铸铁→铸钢→铜质。•冷却水管：水管直径增大，采用高水速；将进出水头由单进单出改为多进多出；将冷却壁四角部分管子弯成直角；将单层水管改为双层水管；增加拐角水管。•铸造前冷却水管喷涂保护层。•用软水第13页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-16光面冷却壁第14页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-17冷却壁第15页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1－18新日铁第四代冷却壁

第16页，共44页，2023年，2月20日，星期三3）铜冷却壁（图1-19）项目铸铁冷却壁铜冷却壁冷却效果由于水管位置距角部和边缘有要求，冷却效果差，易损坏钻孔时距壁角和边缘部位的距离可缩短，使二部位的冷却效果好冷却水管铸入壁内，有隔热层存在在壁内钻孔，无隔热层存在壁间距离相邻两壁之间有30～40mm宽的缝隙，此部位冷却条件很差相邻两壁之间距离可缩小到10mm热导率62.8W/(m·k)360W/(m·k)第17页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1－19铜冷却壁第18页，共44页，2023年，2月20日，星期三4)板壁结合冷却结构（）为了缓解炉身下部耐火材料的损坏和炉壳的保护，在国内外一些高炉的炉身部位采用了冷却板和冷却壁交错布置的板壁结合冷却结构。千叶6号高炉(4500m3)，梅山（1250m3)

。

图1－20板壁结合冷却结构第19页，共44页，2023年，2月20日，星期三冷却管

用于炉底冷却。组合形式有两种。一种是介质由中心往外径向辐射式的流动；另一种是介质由一侧通过平行管道流向另一侧。在管子的末端都设有闸阀，以便控制流经每根管子的冷却介质。同时从散热角度看，中间管子宜密排，边缘可疏排。冷却介质为水或风。

图1-21为宝钢1号高炉水冷炉底结构

图1-22为高炉炉底水冷管配置图

第20页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-21宝钢1号高炉水冷炉底结构1.上屋横梁；2.压浆孔；3.碳质不定形耐火材料4.粘土质不定形耐火材料；5－下层横梁；6－混凝土第21页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-22高炉炉底水冷管配置图第22页，共44页，2023年，2月20日，星期三铁口、渣口、风口区域等冷却铁口过去不冷却，现在铁口上方及两侧埋设水冷板水冷。渣口一般为4个套组成，即渣口大套、二套、三套和渣口小套

，其装置形式如图1-23所示。渣口小套用紫铜或青铜焊成或铸成；渣口直径为50—60mm。渣口三套为青铜铸成的冷却套。渣口二套和大套为生铁铸成，其内部均铸有蛇形冷却水管。风口风口一般也由大、中、小3个套组成。中小套常用紫铜铸成空腔式。风口大套一般都用铸铁，其内铸有蛇形管。大、中、小套装配形式示于图1-24。风口小套易损坏，造成频繁休风，对大高炉威胁更大，后面将重点介绍其改进。第23页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-23渣口装置示意图1.渣口小套2.渣口三套3.渣口二套4.渣口大套5-冷却水管6.炉皮7、8.大套法兰9、10.固定楔11挡杆第24页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-24风口装置示意图1－风口中套冷水管；2－风口大套密封罩；3－炉壳；4－抽气孔；5－风口大套；6－灌泥浆孔；7－风口小套冷水管；8－风口小套；9－风口小套压紧装置；10－灌泥浆孔；11－风口法兰；12－风口中套压紧装置；13－风口中套

第25页，共44页，2023年，2月20日，星期三3.3冷却器的热工原理1.热平衡1）热平衡公式冷却器带走的热量要和高炉相应部分的热流强度相适应。

q·S=A.·V△T·4.18·10³·3600q—热流强度kJ/m²•hS—冷却面积m²A—水管通道面积m²V—水在管道中流速m/sec4.18·10³—水的比热kJ/m³•℃,3600—时·秒单位换算系数，对已定高炉S=constant,△T—进出水温差℃。∵冷却水量Q(A·V)是热流强度和水温差决定的，

∴即Q=A·V=f(q，△T)。或△T=f(q，Q)各种高炉各部位热流强度不同，第26页，共44页，2023年，2月20日，星期三2）炉墙导热公式：式中：S砖—内衬厚度，m；

λ砖—内衬砖传热系数，kJ/(m•h•℃)，＝1左右，；α水—水和管壁间的对流给热系数，约为8372～12560kJ/(m2•h•℃)；△t=t1-t2t1—炉墙内衬温度

t2—冷却水温第27页，共44页，2023年，2月20日，星期三分析：①∵α水很大，∴对炉墙散热而言，起主导作用的不是水与管壁之间的热交换，而是内衬热阻。如0.5m内衬，后面留有水管冷却，内衬热阻为S砖/λ砖=0.5/4.18=0.12(m2•℃)/kJ，水和管壁间热阻为1/8372=0.00012(m2•℃)/kJ，两者相差1000倍，∴忽略1/α水。当△t=constant，这时，影响热流强度q的因素主要是内衬，而不是冷却介质。②但S砖→0时，这时不能忽略1/α水，∵S砖/λ砖值已很小。当△t=constant，q↗。A·V·△T=f(q)这时↗水量是合理的。一般而言，主要是↗△T。第28页，共44页，2023年，2月20日，星期三3）提高△T受到的限制：①进水温度夏季高，冬季低②出水温度因水中含钙、镁、锌类，当温度高过一定时（50℃~60℃），钙、镁等沉淀形成水垢，明显地恶化冷却器导热性能，所以出水温度只能小于这一温度。③热流的波动幅度△T许=φ（t出-t进）t出—水的稳定温度，即出水温度℃t进—水的进水温度,℃对一定水质，△T许取决于t进，∴夏天用水多是合理的。安全系数φ是一个考虑到热流和侵蚀条件不同的后备系数。

第29页，共44页，2023年，2月20日，星期三表1-3φ，表1-4△T许部位炉腹、身风口带渣口以下渣口小套后备系数0.4~0.60.15~0.30.08~0.150.3~0.4部位50m³100m³255m³620m³>1000m³炉身上部10~1410~1410~16炉身下部10~1410~1410~148~12炉腰10~1410~148~123~127~12炉腹10~1610~143~127~10风口带4~64~64~63~53~5炉缸<4<4<4<4<4风渣口大套3~53~53~53~55~6风渣口二套3~53~53~53~57~8表1-3安全系数φ表1-4高炉各部分水温差允许范围△T许℃第30页，共44页，2023年，2月20日，星期三冷却水流速与沉淀保证冷却水流速的意义①避免由于局部过热、沸腾，产生气泡，影响传热，图1-25；②避免由于温度过高，产生钙、镁等沉淀，产生水垢。

λ垢=4.2~8.4kj/(m•h•℃)，相当于在冷却器表面砌一薄层粘土砖。水垢厚度与温度降、热流强度间的关系见图1-26。③防止悬浮物沉积。水中机械悬浮物颗粒大小与不沉淀的最低流速关系见表1-5。影响水与管壁热交换的因素①管壁表面的几何因素②水的物性参数③热的推动力△t④水流速度

第31页，共44页，2023年，2月20日，星期三综上所述，冷却器合理水量可用热平衡方法求得，再①按管子直径、水头数换算成水速，结合使用部位的热流强度，看该冷却器是否不在局部沸腾区；②结合水质，保证水中机械悬浮物不沉淀。

见图1-27

第32页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-25水流速度、欠热度对局部沸腾和烧毁点的影响欠热度：表示水温，越高，表示水温越低。△T：冷却壁壁面和水的温差。AB段：单相流体的强制对流换热，无气相。B点：局部沸腾开始，为核胞沸腾，虽然水的主体是欠热的。BC段：能忍受极大的热流而只造成壁面微小的升温。为双相流传热。C点：进入膜态沸腾，称为烧毁点。1.流速提高，B点向右，向上推移，2.水的欠热度是有用的。第33页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1－26水垢厚度与温度降、热流强度间的关系

第34页，共44页，2023年，2月20日，星期三表1-5颗粒大小与不沉淀的最低流速关系颗粒大小，mm0.10.30.51.03.04.05.0水速，m/s0.020.060.10.20.30.50.8目前滤水器网孔：4～6mm，故V＞0.5—0.8m/s,一般不发生沉淀。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期三图1-27冷却器热流和产生局部沸腾水速的关系（水管直径=0.032m)第36页，共44页，2023年，2月20日，星期三水压要求

冷却水压力的大小，决定于冷却器的阻损和炉内压力。高炉风口平台滤水器出口最低水压保持比风压高50％，一般要求风渣口内的水压应高于热风压力100kpa，冷却设备内的水压要比该处静压高50kpa。以免煤气倒灌，烧坏设备等。第37页，共44页，2023年，2月20日，星期三3.4风口小套冷却及气化冷却风口小套冷却风口冷却的重要性①热交换强烈②破损后大量漏水，造成炉凉甚至炉缸冻结。破损原因：•焦炭、铁渣的机械冲刷、磨损•强烈的热流熔化2)风口构造与改进①空腔式V<0.7m/s②双室式图1-28