高炉铸钢冷却壁热态实验研究

高炉铸钢冷却壁热态实验研究

现有的许多高级别玉米呈铸造铁的冷却壁无法满足高级别玉米的长期需求，这使得钢修理工的重点变成了钢修理工。中国钢冷壁的开发和使用在世界上是独一无二的。武汉钢铁公司设计研究所、北京钢铁研究总面积等部门在“文化大革命”和“文化大革命”期间对钢墙进行了大量的开发和研究。目前，济南钢铁公司、南京钢铁公司、山东钢铁公司、山东钢铁公司等机构开始使用铸铁磁体冷却壁。马鞍山钢铁股份有限公司自2001年开始研制与开发铸钢冷却壁,制作的铸钢冷却壁已在部分高炉上使用.由于铸钢冷却壁的材质钢具有延伸率高、抗拉强度高、熔点高、抗热冲击性及整体导热性能好等特点,所以在现场使用中与铸铁冷却壁相比具有一定的优势.然而,在环境恶劣的炉身下部、炉腰及炉腹部位,仍然出现部分铸钢冷却壁烧坏的状况,这严重影响了高炉的使用寿命.铸钢冷却壁的使用时间不长,对其进行解剖研究还为时过早,国内外对铸钢冷却壁热态实验也未曾报道.为了进一步分析铸钢冷却壁的破损原因,从而找出防止冷却壁损坏的措施,对铸钢冷却壁的热态实验研究就显得格外重要.依据上海宝山钢铁股份有限公司3号高炉球墨铸铁冷却壁破损机理的热态试验研究的经验,本热态实验把马鞍山钢铁股份有限公司开发的应用在中型高炉上的铸钢冷却壁作为研究对象,按1∶1的规模进行实验.模拟马鞍山钢铁股份有限公司高炉的实际工况,建立循环冷却水系统、煤气流动系统以及冷却壁数据采集系统.通过测定不同条件下的温度分布,可以了解铸钢冷却壁的工作性能,为以后高炉冷却壁的冷却制度、冷却壁结构优化提供可靠的依据.1实验设备1.1试验用铸钢冷却壁的安装实验炉系统如图1所示.实验炉炉膛尺寸为1856mm×928mm×2814mm,烟囱采用上排烟方式,其直径为400mm.炉体砌砖采用优质粘土砖、高铝砖,炉子侧柱采用工字钢.试验用铸钢冷却壁模拟高炉的实际情况,直立置于试验炉外侧面中央处,在放置冷却壁的承重墙内埋放了钢架,以保证试验炉的安全,冷却壁与耐火砖接触面之间用粘土泥密封.冷却水箱容积为12m3,采用水泵供水.为了保持水箱内循环水温度的基本稳定,在水箱内设有进水和排水装置,冷却水进水管路上安装了冷却水压力表,在进水分配器和冷却壁之间装有冷却水流量表,温度计,同样在冷却壁冷却水出水口也安装了温度计.在试验炉的侧面下方和承重墙正下方各安装了一台转杯式燃油器,为了保证炉膛内温度均匀,在炉内下方用耐火砖设置了三座拱桥,以消除喷嘴火焰长度不稳定可能造成炉温的波动.1.2冷却壁结构及测温点布置试验用铸钢冷却壁的尺寸为771mm×220mm×1385mm,冷却壁母体材质为25#钢,燕尾槽内是碳化硅捣打料.冷却水管内径为40mm,水管间距为200mm,碳化硅捣打料厚度为60mm,冷却壁结构及测温点布置如图2所示.图中1,2,8,9为冷却壁热表面点;4,5,11,12为离热面10mm的点;6,7,13,14为离热面15mm的点;3,10点离热面160mm;17,21点离热面140mm;20点离热面180mm;18,19点离热面60mm;15,16点是冷表面点.其中,8,9,11,12,13,14及18点布置在碳化硅捣打料上,其他则布置在铸钢本体上.1.3c为c而上384%试验炉燃料采用市售合格品10#柴油,其可燃成分平均范围如下:C为85%～88%;H为10%～13%;N+O不大于1%;S不大于1%.冷却供水采用离心水泵,型号为80D-30×6,吸入口径为80mm,流量为50m3·h-1,扬程为30m.2试验内容及结果分析2.1炉气温度对冷却壁的影响众所周知,高炉作为巨大的反应器,烧结矿、焦炭及熔剂等散料床充填其中缓缓下降,煤气通过下降的料柱逆流而上,逆流过程中,高炉煤气与炉料进行传热、传质和化学反应.在高炉稳定状态下,高炉煤气是与炉料和初渣发生传热、传质和化学反应后再与冷却壁炉墙接触的.而在高炉出现管道气流时,高炉煤气将直接冲击炉墙,此时的煤气温度较高,对冷却壁的破坏巨大.本试验所谓炉气对冷却壁的影响就相当于高炉边缘气流或管道气流对冷却壁温度的影响.炉气温度对铸钢冷却壁的影响见图3,冷却水速为2m·s-1.从图可看出,在其他条件不变的情况下,炉气温度越高,冷却壁各试验点温度也越高,并且冷却壁内测点离炉气距离越近,温度上升的斜率越大.在冷却壁热表面的边角上,是冷却壁温度最高处,并且捣打料上的温度比冷却壁壁体要高,这主要是冷却效果差所致.如在炉气温度为1248℃时,捣打料上的温度比本体温度高近100℃,而在非边角处,捣打料上的温度虽然也高,但只高10℃左右.这说明冷却壁边和角的冷却效果与其他地方相比还是有较大差距的.当炉气温度从1080℃上升到1248℃时,冷却壁热表面角上捣打料上的温度上升了177℃,而冷却壁壁体上升了近200℃,冷却壁冷表面温度上升了27℃.这说明,当高炉在运行中出现管道气流时,冷却壁热面温度会迅速升高,这可能会烧坏冷却壁.可见,高炉中的管道气流是造成冷却壁损坏的重要因素之一.2.2冷却水速对传热系数的影响考察了炉气温度为800℃,其他条件不变时,冷却水速对冷却壁温度的影响,见图4.冷却水速从0.6m·s-1提高到1.0m·s-1时;测温点温度下降斜率较大,从1.0m·s-1提高到1.5m·s-1时,测温点温度有所下降,但幅度不大;当水速超过2.0m·s-1后,测温点温度几乎没有什么变化.说明只靠提高水速来增大对冷却壁的冷却,尤其是使冷却壁热面最高温度降低是行不通的.文献对铸钢冷却壁进行了三维传热分析,计算了冷却壁与冷却水之间总传热系数.文献认为,冷却壁与冷却水之间的热阻由五部分组成,即水管内表面与水的对流换热热阻、水垢热阻、水管管壁导热热阻、水管表面涂层热阻和气隙层热阻.冷却水速对热交换的影响关系见图5.从图可看出,随着冷却水速的提高,传热系数在逐步提高,但在水速提高到2.0m·s-1后,传热系数提高的幅度已经不大;在水速大于3.0m·s-1时,传热系数几乎没有变化.这与上述实验结果吻合.当水速过大时,会使冷却水系统阻力成倍增加,这不仅对现有冷却设备系统是个考验,更是对能源的浪费.然而,冷却水速是阻止管壁表面沸腾最重要的因素之一,因为冷却水速过小容易导致管壁温度升高,从而在管壁容易产生表面沸腾,在这个地方极易产生水垢.总之,提高水速虽然对冷却壁温度影响不大,但却能有效阻止管壁薄膜态沸腾,选择水速应考虑以上两种因素和高炉冷却系统供水的能力.马鞍山钢铁股份有限公司高炉现有的冷却水速为2.0m·s-1,是能满足冷却壁冷却能力需求的.2.3进水水温温度的影响当炉气温度为800℃,水速为2m·s-1时,冷却进水水温对冷却壁温度的影响如图6所示.从图可看出,冷却壁温度与进水水温是一条直线关系,但是当进水水温从60℃降到30℃时,冷却壁温度只降低不到20℃.这说明通过降低进水水温来降低冷却壁的温度是不可取的,也是非常不经济的.3高炉热面温度基于实验条件相似,采用文献的数据,通过与本实验数据进行比较.球墨铸铁、铸钢及铜冷却壁的热面最高温度与炉气温度的关系如图7所示.从图看出,同样炉气温度对三种冷却壁热表面温度的影响差距较大.当炉气温度为1100℃时,球墨铸铁、铸钢及铜冷却壁热面最高温度分别是920℃,749℃及99℃.对球墨铸铁,由于其相变温度为760℃,在该种情况下不可避免会因冷却壁过热而被烧损.众所周知,冷却壁热面温度越低,就越容易在热表面粘结熔融的炉渣,而炉渣就形成了一层保护层,起到保护冷却壁的作用.铜冷却壁的热面温度还不到100℃,极易在壁面形成一层保护渣层,这就是铜冷却壁在高炉现场使用中寿命较长的原因.铸钢冷却壁的性能介于球墨冷却壁和铜冷却壁之间,由于钢具有延伸率高、抗拉强度高、熔点高、抗热冲击性及整体导热性能好等特点,所以在我国开发应用钢冷却壁,实现高炉长寿具有更大的实用意义.4高炉水速对冷却壁温度的影响(1)提高冷却水速和降低进水水温来增加冷却壁的冷却能力是有限的,当水速超过2.0m·s-1后,不但冷却效果增加有限,相反会增加冷却系统的阻力,增加能耗.当然,冷却水速也不宜太小,为了避免管内的薄膜沸腾,水速应维持在合适的水平.马鞍山钢铁股份有限公司中型高炉现有的水速2.0m·s-1是合理的.(2)从试验数据来看,冷却壁的边角温度相对其他位置要高得多,这说明该处冷却壁容易破损,以后冷却壁的开发还需从这个角度去改进.(3)炉气温度对冷却壁温度分布的影响较大.冷却壁热面随炉气温度的波动而激烈波动,说明高炉只要出现