高炉铜冷却壁自保护能力的实现

D01:10.13374j.isml00103x2006.11.011 第28卷第11期 北京科技大学学报 Vol.28 No.11 2006年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2006 高炉铜冷却壁自保护能力的实现 钱亮程素森 北京科技大学治金与生态工程学院。北京100083 摘要讨论了实现高炉铜冷却壁冷却系统自保护能力的两个方面：挂渣能力和挂渣环境.在编 制通用三维冷却壁传热计算软件的基础上，通过对实际铜冷却壁进行计算并结合高炉实际操作经 验分析得出：铜冷却壁更适合应用在高炉的高热负荷区：铜冷却壁具备很好的挂渣能力，但在高炉 生产过程中实现冷却系统的自保护”能力以达到长寿高效，还必须提供好的挂渣环境.分析了挂 渣环境的诸因素，给出了煤气温度变化时炉墙温度场的变化规律. 关键词高炉；铜冷却壁；自保护：挂渣 分类号TF573.1 高炉长寿理念的发展是一个历史过程：开始 面温度就为冷却壁的热面温度，裸露时冷却壁热 是依靠耐火材料的“它保护”形式，然后是依靠冷 面温度越低则越有“能力”在自身热面形成渣皮， 却壁及其水冷能力，目前发展出了具有自保护功 本文把这种影响因素称为挂渣能力，因而自保护 能冷却器的长寿理念，即当耐火材料被侵蚀完后， 能力和冷却能力直接相关.有“能力”挂渣的时 冷却器能依靠自身的强冷能力在自身热面形成一 候不一定能挂渣.比如，铜冷却壁裸露时热面温 层保护壳从而使自己免受高温渣铁和煤气的侵 度一般在200℃的水平，具有很强的挂渣能力，可 蚀、冲刷，也保持自身温度不会太高，这种作用类 是如果只有煤气而没有熔融渣铁那是无论如何 似于炼钢过程的溅渣护炉，由于铜的导热能力很 都不会在冷却壁热面形成渣铁壳所以还有一个 强，是传统铸铁的10倍左右，容易形成“无过热” 环境的因素，我们把这种因素称为挂渣环境.挂 冷却体系，实现自保护功能所以目前流行的能实 渣环境和高炉操作紧密相关，主要包括：(1)上升 现长寿理念的冷却器是铜冷却壁，尤其在高炉的 煤气和下行炉料的冲刷：(2)熔融渣铁的量；(3)煤 高热负荷区域如高炉长寿的两个限制性区域（炉 气温度；(4)熔融渣铁的粘结性能：(5)内型等.同 腹、炉腰及炉身下部：炉缸炉底)，理论上和实践上 时具备了挂渣能力和挂渣环境。才能真正实现炉 也都证明了铜冷却壁的优越性和实用性一1. 墙的自保护，实现长寿.实际生产中的高炉，挂渣 1自保护能力的影响因素 能力的变化很小，主要的波动集中在挂渣环境. 铜的导热系数 在高炉的实际生产中，铜冷却壁热面的渣皮 镶砖的导热系数 处在不断生成和脱落的动态变化中，影响因素如 人口水湿 水速 上升的煤气 图1所示.上升的煤气和下降的炉料传递了高炉 高炉 冷却通道几何形状 能 下降的炉料 操作的各个方面的各种信息：冷却能力包括大括 冷却通道直径 号左边的八项内容可.最终决定渣皮存在和变化 冷却通道间距 黄皮 热面 的是在冷却能力、上升煤气以及下降炉料共同作 热面几何形状 用下形成的热面温度.根据熔融渣铁的凝固温度 图1渣皮存在状态示意图 为1150℃的假设，如果热面温度低于1150℃，则 Fig.I Sketch of slag skin condition 有“能力”挂渣：如果热面温度高于1150℃则没 有“能力”挂渣.如图1所示，当冷却壁裸露时，热 2计算模型 收稿日期：2005-09-05修回日期：3006-03-10 三维稳态传热计算模型如下. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na.60472095) 作者简介：钱亮(1979-，男，顾士研究生，程素森(1964一)， (1)采用图2所示的三维物理模型.从外到 男.散博+生师China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne

高炉铜冷却壁自保护能力的实现 钱 亮 程素森 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 讨论了实现高炉铜冷却壁冷却系统自保护能力的两个方面:挂渣能力和挂渣环境.在编 制通用三维冷却壁传热计算软件的基础上, 通过对实际铜冷却壁进行计算并结合高炉实际操作经 验分析得出:铜冷却壁更适合应用在高炉的高热负荷区;铜冷却壁具备很好的挂渣能力, 但在高炉 生产过程中实现冷却系统的“自保护” 能力以达到长寿高效, 还必须提供好的挂渣环境.分析了挂 渣环境的诸因素, 给出了煤气温度变化时炉墙温度场的变化规律. 关键词 高炉;铜冷却壁;自保护;挂渣 分类号 TF573.1 收稿日期:2005 09 05 修回日期:2006 03 10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No .60472095) 作者简介:钱 亮(1979—), 男, 硕士研究生;程素森(1964—), 男, 教授, 博士生导师 高炉长寿理念的发展是一个历史过程 :开始 是依靠耐火材料的“ 它保护” 形式, 然后是依靠冷 却壁及其水冷能力 , 目前发展出了具有自保护功 能冷却器的长寿理念 ,即当耐火材料被侵蚀完后, 冷却器能依靠自身的强冷能力在自身热面形成一 层保护壳, 从而使自己免受高温渣铁和煤气的侵 蚀、冲刷 ,也保持自身温度不会太高, 这种作用类 似于炼钢过程的溅渣护炉 .由于铜的导热能力很 强,是传统铸铁的 10 倍左右, 容易形成“无过热” 冷却体系 ,实现自保护功能,所以目前流行的能实 现长寿理念的冷却器是铜冷却壁, 尤其在高炉的 高热负荷区域, 如高炉长寿的两个限制性区域(炉 腹、炉腰及炉身下部 ;炉缸炉底),理论上和实践上 也都证明了铜冷却壁的优越性和实用性[ 1-5] . 1 自保护能力的影响因素 在高炉的实际生产中, 铜冷却壁热面的渣皮 处在不断生成和脱落的动态变化中, 影响因素如 图 1 所示 .上升的煤气和下降的炉料传递了高炉 操作的各个方面的各种信息;冷却能力包括大括 号左边的八项内容[ 6] .最终决定渣皮存在和变化 的是在冷却能力、上升煤气以及下降炉料共同作 用下形成的热面温度 .根据熔融渣铁的凝固温度 为1 150 ℃的假设,如果热面温度低于 1150 ℃,则 有“能力”挂渣;如果热面温度高于 1 150 ℃,则没 有“能力”挂渣.如图 1 所示 ,当冷却壁裸露时 ,热 面温度就为冷却壁的热面温度, 裸露时冷却壁热 面温度越低,则越有“能力”在自身热面形成渣皮, 本文把这种影响因素称为挂渣能力, 因而自保护 能力和冷却能力直接相关.有“能力”挂渣的时 候,不一定能挂渣 .比如 ,铜冷却壁裸露时热面温 度一般在 200 ℃的水平, 具有很强的挂渣能力 ,可 是如果只有煤气而没有熔融渣铁, 那是无论如何 都不会在冷却壁热面形成渣铁壳, 所以还有一个 环境的因素, 我们把这种因素称为挂渣环境 .挂 渣环境和高炉操作紧密相关, 主要包括 :(1)上升 煤气和下行炉料的冲刷;(2)熔融渣铁的量;(3)煤 气温度 ;(4)熔融渣铁的粘结性能;(5)内型等.同 时具备了挂渣能力和挂渣环境, 才能真正实现炉 墙的自保护, 实现长寿 .实际生产中的高炉, 挂渣 能力的变化很小,主要的波动集中在挂渣环境. 图 1 渣皮存在状态示意图 Fig.1 Sketch of slag skin condition 2 计算模型 三维稳态传热计算模型如下. (1)采用图 2 所示的三维物理模型 .从外到 第 28 卷 第 11 期 2006 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28 No.11 Nov.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.11.011

Vol.28 No.11 钱亮等：高炉铜冷却壁自保护能力的实现 。1053。 里依次为炉壳、填料、铜冷却壁、镶砖，模型中也包 式中，k(T)为导热系数是温度T的函数；x,, 括了砖衬和渣皮 z为坐标轴. (3)边界条件.本模型有两类边界条件：一 冷却水管 类为对流边界条件，发生在炉墙与空气交界面、水 与水管壁和内表面与煤气交界面；另一类为绝热 边界条件，发生在模型中除去对流边界的所有表 面. 笑 却壁本体 (4)离散处理.考虑到模型由多种材料组 薪 合，并且各材料的导热系数k相差较大，故采用 内节点法来划分网格.在两种材质交界处节点的 导热系数采用调和平均法. (5)在此基础上.在Windows2000系统下， 图2三维物理模型 利用VC++开发了通用的计算软件.此处计算 Fig.2 Three-directional physical model 模型所用的参数是国内某高炉炉腰部分铜冷却壁 的实际参数（考虑对称性，为实际铜冷却壁的1/ (2)数学模型.结合物理模型，在直角坐标 2),尺寸参数如表1，计算所用的材质参数和其余 系下建立三维炉墙传热控制微分方程： 参数为表2所示. k(T) a (T) aT a +k(T) =0 (1) 表1模型尺寸 Table 1 Model size 》 填料 填料到水管 水管 水管到肋 肋 X方向 0.06 0.26 0025 0.048 003 0037 边界到水管 水管 水管之间 水管 水管到边界 Y方向 006 0048 0.202 0.048 0101 最上面肋 镶砖 肋 肋 镶砖 最下面肋 Z方向 0.071 0058 0.06 006 0058 0.071 注：中间的肋及镶砖的尺寸相同，共有16个镶砖 表2模型材质参数和其余参数 Table 2 Model parameters and calculating parameters 铜导热系数/(W·m-1·K一1) 320+0.0001T 空气温度/℃ 35 铸铁导热系数/(W"m-1·K1) 40+00001T 空气与护壳对流换热系数/(W·m一2K-1) 9.3 炉壳导热系数/(W·m1K1) 40+00001T 煤气和炉墙对流换热系数/(W·m一2K-1) 232 填料导热系数/(W·m-1K-1) 5+00001T 冷却水温度/℃ 0 镶砖导热系数/(W·m1K) 17+00001T 冷却水流速/(m'。一) 15 渣皮导热系数/(W·m-1-K1) 1.2+0.0001T 热电偶距热面的距离/mm 62 渣皮网格的划分对控制程序的精度很重要. 这是因为渣皮的导热系数很小，如果有渣皮存在， 3计算结果分析 热量基本上都集中在渣皮中.本文的计算结果在 3.1挂渣能力 没有渣皮时相对误差为1×107以下，有渣皮时 图3是铜和铸铁冷却壁在相同条件下的热流 相对误差保持在0.004%以下，保证了计算结果 强度变化.从图中可以看出，由于铜自身导热系 的精度 数很大，因此在裸露时的热流强度约是铸铁的 (C1994-2019 China Academie Joual Electronic Pu点倍：而具随着煤气温度的增加，这种差别有ki.net

里依次为炉壳、填料 、铜冷却壁 、镶砖,模型中也包 括了砖衬和渣皮 . 图 2 三维物理模型 Fig.2 Three-directional physical model (2)数学模型.结合物理模型 , 在直角坐标 系下建立三维炉墙传热控制微分方程: x k(T) T x + y k(T) T y + z k(T) T z =0 (1) 式中 , k(T)为导热系数, 是温度 T 的函数 ;x , y , z 为坐标轴 . (3)边界条件.本模型有两类边界条件:一 类为对流边界条件, 发生在炉墙与空气交界面、水 与水管壁和内表面与煤气交界面;另一类为绝热 边界条件, 发生在模型中除去对流边界的所有表 面. (4)离散处理.考虑到模型由多种材料组 合,并且各材料的导热系数 k 相差较大, 故采用 内节点法来划分网格 .在两种材质交界处节点的 导热系数采用调和平均法 . (5)在此基础上, 在 Window s 2000 系统下, 利用 VC ++开发了通用的计算软件.此处计算 模型所用的参数是国内某高炉炉腰部分铜冷却壁 的实际参数(考虑对称性, 为实际铜冷却壁的 1/ 2),尺寸参数如表 1 ,计算所用的材质参数和其余 参数为表 2 所示. 表 1 模型尺寸 Table 1 Model size m X 方向 壳 填料 填料到水管 水管 水管到肋 肋 0.06 0.26 0.025 0.048 0.03 0.037 Y 方向 边界到水管 水管 水管之间 水管 水管到边界 0.06 0.048 0.202 0.048 0.101 Z 方向 最上面肋 镶砖 肋 … 肋 镶砖 最下面肋 0.071 0.058 0.06 … 0.06 0.058 0.071 注:中间的肋及镶砖的尺寸相同, 共有 16 个镶砖 表 2 模型材质参数和其余参数 Table 2 Model parameters and cal culating parameters 铜导热系数/(W·m -1·K -1) 320+0.000 1 T 空气温度/ ℃ 35 铸铁导热系数/(W·m -1·K -1) 40+0.000 1 T 空气与炉壳对流换热系数/(W·m -2·K -1) 9.3 炉壳导热系数/(W·m -1·K -1) 40+0.000 1 T 煤气和炉墙对流换热系数/(W·m -2·K -1) 232 填料导热系数/(W·m -1·K -1) 5+0.000 1 T 冷却水温度/ ℃ 40 镶砖导热系数/(W·m -1·K -1) 17+0.000 1 T 冷却水流速/(m·s -1) 1.5 渣皮导热系数/(W·m -1·K -1) 1.2+0.000 1 T 热电偶距热面的距离/ mm 62 渣皮网格的划分对控制程序的精度很重要. 这是因为渣皮的导热系数很小 ,如果有渣皮存在, 热量基本上都集中在渣皮中.本文的计算结果在 没有渣皮时相对误差为 1 ×10 -7以下, 有渣皮时 相对误差保持在 0.004 %以下, 保证了计算结果 的精度. 3 计算结果分析 3.1 挂渣能力 图 3 是铜和铸铁冷却壁在相同条件下的热流 强度变化.从图中可以看出, 由于铜自身导热系 数很大 , 因此在裸露时的热流强度约是铸铁的 1.5 倍.而且随着煤气温度的增加, 这种差别有 Vol.28 No.11 钱 亮等:高炉铜冷却壁自保护能力的实现 · 1053 ·

。1054· 北京科技大学学报 2006年第11期 增大的趋势.说明区域的热负荷越大，铜冷却壁 250 越能发挥自身的优势.因此。铜冷却壁的最大承 载热流被设计得很高，比如我国汕头华兴治金备 206 件厂有限公司生产的铜冷却壁通过热态实验得到 150 所能承受的极限最大热流gmm=553kWm一2. 100 320 50 目270 00 0 100150 200250 液皮罩度mm 220 图4铜冷却壁热损失随渣皮厚度的变化 170 铸铁 Fig.4 Change of thermal loss with slag skin thickness for cop 120100120013001400150016001700 per stave 煤气温度/℃ 76 60 74 热面温度 图3铜和铸铁冷却壁热流强度随煤气温度的变化 72 50 Fig.3 Change of thermal loss with gas temperature for copper and cast iron staves 70 热损失 40 但是当有渣皮生成的时候，铜冷却壁的热损 68 失将迅速减小.如图4所示，在开始有渣皮形成 6 30 1200 130014001500 160 时，热损失随渣皮厚度增加迅速减小，50mm后这 煤气温度℃ 种趋势基本平稳.不仅如此，生成的渣皮还能很 好地保护铜冷却壁.图5是渣皮为40mm的变化 图5铜冷却壁热面温度和热损失随煤气的变化 Fig.5 Changes of thermal loss and hot surface temperature 图，煤气温度增加400℃时，热损失仅变化了 with gas temperature for copper stave 10kWm-2,铜的热面温度变化了不到10℃.所 以在有渣皮存在的情况下，铜冷却壁的热损失能 图6是没有经过水管的竖剖面，其中煤气温 得到有效控制，而且此时随着炉温的变化热面温 度为高度的函数(T=1200+100h),由上至下 度波动大大降低这样减少了铜冷却壁自身温度 从1200℃变化到1400℃从中可以看出渣皮对 的波动，很好地保护了铜冷却壁.因此，对铜冷却 炉墙温度场的影响.图6(a)是铜冷却壁裸露时炉 壁而言，在其前端挂渣是必需的，渣铁壳的存在提 墙温度场分布，由于镶砖的存在，引起温度场波 高了铜冷却壁的使用性能， 动，这种波动在热流进入肋段后慢慢达到最大，到 、镶砖 铜冷却壁 的壳 坑料 填料 镶砖 ●■ 50 55 100 110 130 65 10 (a) (b) 图6不存在(a)和存在渣皮(b)的炉墙温度场比较 Fig.6 Temperature fields of BF wall without (a and with slag skin (b) (C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne

增大的趋势.说明区域的热负荷越大 , 铜冷却壁 越能发挥自身的优势 .因此, 铜冷却壁的最大承 载热流被设计得很高 , 比如我国汕头华兴冶金备 件厂有限公司生产的铜冷却壁通过热态实验得到 所能承受的极限最大热流 qmax =553 kW·m -2 . 图 3 铜和铸铁冷却壁热流强度随煤气温度的变化 Fig.3 Change of thermal loss with gas temperature for copper and cast iron staves 图 6 不存在(a)和存在渣皮(b)的炉墙温度场比较 Fig.6 Temperature fields of BF wall without (a)and with slag skin (b) 但是当有渣皮生成的时候 , 铜冷却壁的热损 失将迅速减小.如图 4 所示, 在开始有渣皮形成 时,热损失随渣皮厚度增加迅速减小 , 50 mm 后这 种趋势基本平稳 .不仅如此, 生成的渣皮还能很 好地保护铜冷却壁.图 5 是渣皮为 40mm 的变化 图, 煤气温度增加 400 ℃时 , 热损失仅变化了 10 kW·m -2 ,铜的热面温度变化了不到 10 ℃.所 以在有渣皮存在的情况下 ,铜冷却壁的热损失能 得到有效控制, 而且此时随着炉温的变化热面温 度波动大大降低, 这样减少了铜冷却壁自身温度 的波动 ,很好地保护了铜冷却壁.因此,对铜冷却 壁而言,在其前端挂渣是必需的,渣铁壳的存在提 高了铜冷却壁的使用性能 . 图 4 铜冷却壁热损失随渣皮厚度的变化 Fig.4 Change of thermal loss with slag skin thi ckness for cop￾per stave 图 5 铜冷却壁热面温度和热损失随煤气的变化 Fig.5 Changes of thermal loss and hot surface temperature with gas temperature for copper stave 图 6 是没有经过水管的竖剖面, 其中煤气温 度为高度的函数(Tg =1 200 +100h), 由上至下 从 1 200 ℃变化到 1 400 ℃, 从中可以看出渣皮对 炉墙温度场的影响.图 6(a)是铜冷却壁裸露时炉 墙温度场分布, 由于镶砖的存在 , 引起温度场波 动,这种波动在热流进入肋段后慢慢达到最大,到 · 1054 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 11 期

Vol.28 No.11 钱亮等：高炉铜冷却壁自保护能力的实现 。1055。 肋段末端时，波动的趋势已经变得很弱（如175℃ 冷却壁的1/5，这就提高了铜冷却壁在高热负荷 等温线)，出肋段后波动先变大又慢慢变小（如 区域使用的性能 140℃和150℃等温线)，只是趋势和肋段相反，波 可见，铜冷却壁的优势在于高热负荷区域渣 动在铜冷却壁内一直存在：煤气温度高的地方，相 皮对于铜冷却壁的长寿和高炉生产效益至关重 对应的炉墙内部温度也较高.图6凸)为有40mm 要，而铜冷却壁自身具有很强的挂渣能力，满足了 渣皮覆盖时炉墙温度场分布，比较图6(a),渣皮 挂渣的需要.因此，要真正实现长寿和高效的结 的存在使得进入铜冷却壁的热量大大降低，从而 合，主要还是要有一个好的挂渣环境.高炉的操 大大降低了铜冷却壁内的温度梯度：渣皮内的温 作实践同样证明了挂渣环境的重要性 度场基本保持均匀，热流水平流动：渣皮的存在降 3.2操作实践 低了铜冷却壁的本体温度，并没有改变铜冷却壁 图8是国内某高炉实际生产中热电偶的变化 内温度分布规律 趋势.图8(a)的最低温度平均在60℃以下，处在 由于铜自身的高导热性，所以具备了很强的 一年中较冷的时段：热电偶温度大于130℃的时 挂渣能力.图7是铜和铸铁冷却壁挂渣能力的比 间占整个操作时间的056%，以此作为判断渣皮 较.当煤气温度从1150℃变化到1700℃时，铜 脱落后重新生成周期的波动次数为62次. 热面温度由178.5℃升高到244.9℃而铸铁热 图8(b)的最低温度稳定在62℃是一年中最热 面温度从501.8℃升高到721.1℃显然铜冷却 的季节，热电偶温度大于130℃的时段比例为 壁的挂渣能力要远远优于铸铁冷却壁.在实际生 023%,波动次数为18次.这种差别是因为此高 800 炉的冷却水来源于未经处理的湖水.虽然图8(a) 700 铸铁热面温度 600 的冷却水温度较低，但不论是处在高温时段的比 500 铸铁热电偶处温度 例还是波动次数都要远远大于图8(b):而且在温 400 度较低的地方，图8(b)显然要比图8(a)平稳，尽 300F 铜热面温度 200 ◆铜热电偶处温度 管图8(b)中的冷却水温度高于图8(a).这些频 100 100120013001400150016001700 繁的波动来自于挂渣环境的剧烈波动，比如在冷 煤气湿度℃ 却水参数特定条件下，高炉软融带根部的升降及 边缘气流波动将引发渣皮频繁脱落及再生，必然 图7铜和铸铁冷却壁冷却能力比较 Fig.7 Contrast of cooling ability of copper stave with cast iron 降低铜冷却壁的疲劳寿命，影响高炉长寿：而处在 st血e 裸露状态时间越长，如图3所示，必然加大高炉操 作期的热损失，降低高炉操作的整体效益.所以， 产中，即使热面边界如煤气温度发生变化，铜冷却 在实际生产中，挂渣环境对渣皮的存在状态、铜冷 壁热面温度变化发生在温度低的区域，挂渣能力 却壁的使用寿命和操作期的热损失有更重要的影 依然很强.如果挂渣环境合适，在铜冷却壁热面 响.保持稳定的挂渣环境必然能得到稳定的渣 能更快、更容易形成渣铁壳.而且在裸露时，铜冷 皮，从而提高高炉寿命和生产效益，这体现了挂渣 却壁从热电偶位置到热面的温度变化仅仅是铸铁 环境的重要性. 220 220r (a (b) 180 180 140 20 2004-01-012004-02-012004-03-01 2004-03-31 2004-07-012004-07-212004-08-16200408-31 日期 日期 图8实际热电偶温度的变化 Fig.8 Change in temperature of actual thermocouples (C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.ne

肋段末端时 ,波动的趋势已经变得很弱(如 175 ℃ 等温线), 出肋段后波动先变大又慢慢变小(如 140 ℃和 150 ℃等温线), 只是趋势和肋段相反 ,波 动在铜冷却壁内一直存在 ;煤气温度高的地方 ,相 对应的炉墙内部温度也较高.图 6(b)为有 40mm 渣皮覆盖时炉墙温度场分布 , 比较图 6(a), 渣皮 的存在使得进入铜冷却壁的热量大大降低 ,从而 大大降低了铜冷却壁内的温度梯度;渣皮内的温 度场基本保持均匀, 热流水平流动 ;渣皮的存在降 低了铜冷却壁的本体温度 ,并没有改变铜冷却壁 内温度分布规律 . 由于铜自身的高导热性, 所以具备了很强的 挂渣能力 .图 7 是铜和铸铁冷却壁挂渣能力的比 较.当煤气温度从 1 150 ℃变化到 1 700 ℃时, 铜 热面温度由 178.5 ℃升高到 244.9 ℃, 而铸铁热 面温度从 501.8 ℃升高到 721.1 ℃, 显然铜冷却 壁的挂渣能力要远远优于铸铁冷却壁.在实际生 图 7 铜和铸铁冷却壁冷却能力比较 Fig.7 Contrast of cooling ability of copper stave with cast iron stave 图 8 实际热电偶温度的变化 Fig.8 Change in temperature of actual thermocouples 产中 ,即使热面边界如煤气温度发生变化,铜冷却 壁热面温度变化发生在温度低的区域 , 挂渣能力 依然很强.如果挂渣环境合适, 在铜冷却壁热面 能更快 、更容易形成渣铁壳 .而且在裸露时, 铜冷 却壁从热电偶位置到热面的温度变化仅仅是铸铁 冷却壁的 1/5 , 这就提高了铜冷却壁在高热负荷 区域使用的性能. 可见 ,铜冷却壁的优势在于高热负荷区域,渣 皮对于铜冷却壁的长寿和高炉生产效益至关重 要,而铜冷却壁自身具有很强的挂渣能力,满足了 挂渣的需要.因此 , 要真正实现长寿和高效的结 合, 主要还是要有一个好的挂渣环境.高炉的操 作实践同样证明了挂渣环境的重要性. 3.2 操作实践 图 8 是国内某高炉实际生产中热电偶的变化 趋势 .图 8(a)的最低温度平均在 60 ℃以下, 处在 一年中较冷的时段;热电偶温度大于 130 ℃的时 间占整个操作时间的 0.56 %, 以此作为判断渣皮 脱落后 重新 生成周 期的 波动 次数 为 62 次. 图 8(b)的最低温度稳定在 62 ℃, 是一年中最热 的季节 , 热电偶温度大于 130 ℃的时段比例为 0.23 %,波动次数为 18 次 .这种差别是因为此高 炉的冷却水来源于未经处理的湖水 .虽然图 8(a) 的冷却水温度较低 , 但不论是处在高温时段的比 例还是波动次数都要远远大于图 8(b);而且在温 度较低的地方 ,图 8(b)显然要比图 8(a)平稳, 尽 管图 8(b)中的冷却水温度高于图 8(a).这些频 繁的波动来自于挂渣环境的剧烈波动 , 比如在冷 却水参数特定条件下 , 高炉软融带根部的升降及 边缘气流波动将引发渣皮频繁脱落及再生 ,必然 降低铜冷却壁的疲劳寿命 ,影响高炉长寿;而处在 裸露状态时间越长, 如图 3 所示,必然加大高炉操 作期的热损失 ,降低高炉操作的整体效益.所以, 在实际生产中 ,挂渣环境对渣皮的存在状态 、铜冷 却壁的使用寿命和操作期的热损失有更重要的影 响.保持稳定的挂渣环境必然能得到稳定的渣 皮,从而提高高炉寿命和生产效益 ,这体现了挂渣 环境的重要性 . Vol.28 No.11 钱 亮等:高炉铜冷却壁自保护能力的实现 · 1055 ·

。1056 北京科技大学学报 2006年第11期 3.3挂渣环境 面温度到底为多少，和不同高炉以及操作参数有 图9为煤气温度为1150℃时各种温度随渣 很大关系，在不同时期也会有波动 皮厚度的变化曲线.在没有渣皮时热电偶温度为 (2)熔融渣铁.有足够的熔融渣铁对于生成 130.4℃，这就是本文取130℃为判断渣皮脱落后 渣铁壳是必要条件，而渣铁壳对于铜冷却壁又是 重新生成周期的原因，这个标准根据不同冷却壁 至关重要的，其一可以减少热损失，其二使铜冷却 参数、热电偶安装位置以及操作条件不同会有变 壁免受固体炉料的冲刷磨损.在炉温低于 化.在实际应用的高炉中，由于冷却壁参数和热 1150C的高炉部位，不可能有足够的熔融渣铁存 电偶安装都己固定，所以只需考虑如冷却水温度、 在，这就决定了铜冷却壁必须使用在高热负荷区 冷却水流速、煤气温度等变化因素的影响.即使 域，而且必须在湿区.在炉温较低的时候，可以在 在有90mm渣皮覆盖时，热面温度仍只有 布料时适当提高边缘炉料的焦炭比率，从而提高 984.6℃依然低于通常认为的渣铁凝固温度 透气性，发展边缘气流，提高铜冷却壁处的煤气温 1150℃，这再次证明了铜冷却壁具有很强的挂渣 度，提供足量的熔融渣铁. 能力 (3)煤气温度.由对熔融渣铁的讨论得出， 1000 为了满足生成渣皮的条件，和铜冷却壁接触的煤 800 热面温度 (50.883.4) 气温度下限为渣铁凝固温度1150℃此时才具有 P600 提供熔融渣铁的环境.若同时考虑铜的力学性 幽 400 铜热面温度 能，铜冷却壁热面最高温度不超过250℃则可计 200 ≤热电得湿度 (50.61.3) 算出煤气温度的上限为1743℃此结论是稳态计 102030405060708090 算结果.如果在冷却壁温度升高的时间内能及时 法皮厚度/mm 生成渣铁壳，那么在没有达到煤气温度所对应的 图9各种温度随渣皮厚度的变化 稳态热面温度时开始有渣铁壳生成，铜冷却壁热 Fig.9 Changes of the important temperatures with slag skin 面温度就己开始降低.渣铁壳对铜冷却壁有很好 thickness 的保护作用，本文的讨论结果显示，在长时间没有 另一方面，当铜冷却壁裸露时，如图8所示， 渣铁壳保护的环境中，铜冷却壁安全工作所能承 热电偶温度很多时候远远大于130.4℃如实际 受的上限煤气温度仅为1743℃. 测到的最高温度己达203℃，这种现象的出现说 (4)渣铁的粘结性能.这个因素和动态边界 明，虽然铜冷却壁具有很强的挂渣能力，但在实际 的冲刷因素共同影响了渣皮厚度动态平衡时的热 生产中，其表面的渣皮波动和裸露时的温度由挂 面温度.粘结性能和热面温度有关，在有足够熔 渣环境决定. 融渣铁的环境中，热面温度越低，越容易形成渣 (1)上升煤气和下降炉料的冲刷.在相对静 皮.另外，这个因素和炉料的质量息息相关.粒 止的环境中，如果熔融渣铁到了凝固温度 度较小的炉料和强度较低而容易变成粒度较小的 1150℃，自然会堆积凝固在炉墙上（比如在高炉 炉料，更容易黏附在高温渣皮上，但却降低炉料的 炉底，即使会有一定程度的流动冲刷，还存在两项 透气行，影响高炉顺行，并且使得煤气温度降低 区的减速作用)，可是在有动态边界冲刷的环 破坏渣铁的粘结性.炉料中含碱、锌等碱性物质 境中，凝固的渣铁在粘结成为渣皮的过程中，必然 可以增加渣铁的粘结性，但这些物质很容易聚集、 要受到动态边界的影响，而且就炉腹、炉腰及炉身 固结引起炉墙结厚，而且它的膨胀、脱落很容易出 下部而言，不可能存在两项区来抑制动态边界的 现成块现象，从而引起铜冷却壁温度的剧烈波动. 冲刷作用，这就要求有更低的冷却壁热面温度和 这两种现象都对高炉操作有害，稳定的高炉操作 更好的熔融渣铁粘结性能.上升煤气和下降炉料 必须要以高质量的炉料为前提. 的影响使得渣皮厚度平衡时的热面温度不再是渣 (5)内型.平滑的内型对高炉顺行很重要 铁的凝固温度1150℃而要小于此温度 而内型和冷却壁热面几何形状有很大的关系，只 在图8凸)中，渣皮厚度稳定时热电偶温度稳 要是非突兀的铜冷却壁热面几何形状，在动态形 定在62℃；从图9中看，此时约有50mm的渣皮， 成渣铁壳后内型都能基本保持平滑.带凸台的冷 对应的热面温度为883.4℃而并不是1150℃ 却壁被证明是不好的设计就有这方面的因 这就是利态环境造成的系于渣克厚度平衡时热ePu素品House,.Allrights reserved..http://www..cnki.ncet 刻21

3.3 挂渣环境 图9 为煤气温度为 1 150 ℃时各种温度随渣 皮厚度的变化曲线.在没有渣皮时热电偶温度为 130.4 ℃,这就是本文取 130 ℃为判断渣皮脱落后 重新生成周期的原因 , 这个标准根据不同冷却壁 参数、热电偶安装位置以及操作条件不同会有变 化.在实际应用的高炉中, 由于冷却壁参数和热 电偶安装都已固定, 所以只需考虑如冷却水温度、 冷却水流速、煤气温度等变化因素的影响.即使 在有 90 mm 渣皮 覆 盖时 , 热 面温 度 仍只 有 984.6 ℃, 依然低于通常认为的渣铁凝固温度 1 150 ℃,这再次证明了铜冷却壁具有很强的挂渣 能力 . 图 9 各种温度随渣皮厚度的变化 Fig.9 Changes of the important temperatures with slag skin thickness 另一方面,当铜冷却壁裸露时, 如图 8 所示, 热电偶温度很多时候远远大于 130.4 ℃, 如实际 测到的最高温度已达 203 ℃,这种现象的出现说 明,虽然铜冷却壁具有很强的挂渣能力 ,但在实际 生产中 ,其表面的渣皮波动和裸露时的温度由挂 渣环境决定. (1)上升煤气和下降炉料的冲刷 .在相对静 止的 环 境 中, 如 果 熔 融 渣 铁 到 了凝 固 温 度 1 150 ℃,自然会堆积凝固在炉墙上(比如在高炉 炉底 ,即使会有一定程度的流动冲刷,还存在两项 区的减速作用[ 7] ), 可是在有动态边界冲刷的环 境中 ,凝固的渣铁在粘结成为渣皮的过程中, 必然 要受到动态边界的影响, 而且就炉腹、炉腰及炉身 下部而言, 不可能存在两项区来抑制动态边界的 冲刷作用, 这就要求有更低的冷却壁热面温度和 更好的熔融渣铁粘结性能 .上升煤气和下降炉料 的影响使得渣皮厚度平衡时的热面温度不再是渣 铁的凝固温度1 150 ℃, 而要小于此温度. 在图 8(b)中, 渣皮厚度稳定时热电偶温度稳 定在 62 ℃;从图 9 中看 ,此时约有 50 mm 的渣皮, 对应的热面温度为 883.4 ℃, 而并不是 1 150 ℃. 这就是动态环境造成的 ,至于渣皮厚度平衡时热 面温度到底为多少 , 和不同高炉以及操作参数有 很大关系 ,在不同时期也会有波动 . (2)熔融渣铁 .有足够的熔融渣铁对于生成 渣铁壳是必要条件 , 而渣铁壳对于铜冷却壁又是 至关重要的,其一可以减少热损失 ,其二使铜冷却 壁免 受 固体 炉料 的冲 刷磨 损.在炉 温 低于 1 150 ℃的高炉部位 ,不可能有足够的熔融渣铁存 在,这就决定了铜冷却壁必须使用在高热负荷区 域,而且必须在湿区.在炉温较低的时候 ,可以在 布料时适当提高边缘炉料的焦炭比率 , 从而提高 透气性,发展边缘气流,提高铜冷却壁处的煤气温 度,提供足量的熔融渣铁 . (3)煤气温度.由对熔融渣铁的讨论得出, 为了满足生成渣皮的条件 ,和铜冷却壁接触的煤 气温度下限为渣铁凝固温度 1150 ℃,此时才具有 提供熔融渣铁的环境.若同时考虑铜的力学性 能,铜冷却壁热面最高温度不超过 250 ℃, 则可计 算出煤气温度的上限为 1743 ℃,此结论是稳态计 算结果.如果在冷却壁温度升高的时间内能及时 生成渣铁壳 ,那么在没有达到煤气温度所对应的 稳态热面温度时开始有渣铁壳生成, 铜冷却壁热 面温度就已开始降低 .渣铁壳对铜冷却壁有很好 的保护作用,本文的讨论结果显示 ,在长时间没有 渣铁壳保护的环境中 , 铜冷却壁安全工作所能承 受的上限煤气温度仅为 1 743 ℃. (4)渣铁的粘结性能.这个因素和动态边界 的冲刷因素共同影响了渣皮厚度动态平衡时的热 面温度.粘结性能和热面温度有关 , 在有足够熔 融渣铁的环境中, 热面温度越低 , 越容易形成渣 皮.另外 ,这个因素和炉料的质量息息相关 .粒 度较小的炉料和强度较低而容易变成粒度较小的 炉料 ,更容易黏附在高温渣皮上,但却降低炉料的 透气行, 影响高炉顺行, 并且使得煤气温度降低, 破坏渣铁的粘结性 .炉料中含碱、锌等碱性物质 可以增加渣铁的粘结性, 但这些物质很容易聚集、 固结引起炉墙结厚, 而且它的膨胀 、脱落很容易出 现成块现象,从而引起铜冷却壁温度的剧烈波动. 这两种现象都对高炉操作有害, 稳定的高炉操作 必须要以高质量的炉料为前提 . (5)内型.平滑的内型对高炉顺行很重要, 而内型和冷却壁热面几何形状有很大的关系, 只 要是非突兀的铜冷却壁热面几何形状 , 在动态形 成渣铁壳后内型都能基本保持平滑 .带凸台的冷 却壁 被证 明是 不好的 设计 就有这 方面 的因 素[ 1-2] . · 1056 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 11 期

Vol.28 No.11 钱亮等：高炉铜冷却壁自保护能力的实现 。1057。 炉墙内部的宏观结构对渣皮的生成和存在有 境保持一个稳定的操作 很重要的影响.从力学角度分析，渣皮有自身的 动态的环境使得渣铁壳平衡时的热面温度不 粘结力，此力是生成渣皮的原动力，除此之外，渣 再是1150℃而要低于此温度，这个温度在实际 皮还受到重力、上升煤气的剪切力和下降炉料或 操作中主要由挂渣环境决定， 下降渣铁的剪切力，其中两种剪切力都对渣皮有 破坏的作用，而重力却因不同的炉墙结构会产生 参考文献 不同的影响.在炉腹部分，重力成为渣皮生成的 [I]Cheng S S Xue Q G,Yang T J et al.Temperature field of 动力且加固渣皮存在，而且炉腹的炉墙结构使得 lining and cooling apparatus.J Univ Sci Techno Beijing 2000.7(1):30 煤气的剪切力较小；在炉腰和炉身下部，重力成为 [2 Cheng SS Yang T Xue Q G,et al.Optimum design and 不利于渣皮生成的因素，同时在相同煤气流速的 layout of the cooling apparatus for bng com panionship blast 情况下，煤气的剪切力较大，尤其在炉身下部.所 furnace.J Univ Sci Technol Beijing,2003.10(4):24 以，炉腹部分更容易生成渣皮，而且生成的渣皮容 [3 Janz Lucke D Carmichael l,et al.Installation of copper 易存在.操作实践也证明了这一点：炉腹的砖衬 staves in blast fumace hearths and their infhence on refractory design.Aise Steel Technol 2003(5):42 存在时间更长，炉腹的渣皮脱落频率较低. [4 Bonte L De Langhe H.Depamelaere M.et al.Installing cop 4 结论 per staves and blast furmace operating practice at Sidmar.Iron Steel Eng 1999(6):43 铜冷却壁具有很强的挂渣能力，但其也必须 [5 Miller K.Baylis M.Cast copper staves-an economic altema- tive.Iron Steel Maker,2000(9):67 有渣铁壳的保护，渣铁壳的存在提高了铜冷却壁 [6 Thill R.Poensgen A.Camichadl l et al.The application of 的使用性能，所以铜冷却壁更适合应用在高热负 FEM techniques in the development of copper staves for the 荷区的湿区.就本文所讨论的铜冷却壁，在没有 high heat load and hearth areas of the blast furnace /2000 渣铁壳保护的情况下，安全工作时所能承受的最 Imonmaking Conference Proceedings 2000:155 高煤气温度仅为1743℃，所以为了真正实现自保 【刀钱亮程素森.陶瓷垫对高炉炉底抗侵蚀能力的研究.钢 护能力，必须要提供一个合适的、稳定的挂渣环 铁.200540(11)：16 Realizing the self-protect ability of a blast furnace cooling system with copper stave OIAN Liang,CHENG Susen Metallurgical and Ecological Engineering School University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Two aspects realizing the self-protect ability of a blast furnace cooling system with copper stave,adherent dross capability and adherent dross condition,were mainly discussed.Based on the copper stave in practice,a three-dimension heat transfer mathematical model of copper stave w as established.Inte- gration of the calculat ion w ith practice experience shows that the copper stave is more suitable for high load- ed heat zone.The copper stave can provide with better adherent dross capability;but at the same time,on- ly if having better adherent dross condition,the copper stave self-protect ability can be realized to get longevity and high productivity.The various elements of adherent dross condition were also analyzed. KEY WORDS BF;copper stave;self-protect;adherent dross (C)1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

炉墙内部的宏观结构对渣皮的生成和存在有 很重要的影响.从力学角度分析, 渣皮有自身的 粘结力, 此力是生成渣皮的原动力, 除此之外 ,渣 皮还受到重力、上升煤气的剪切力和下降炉料或 下降渣铁的剪切力 , 其中两种剪切力都对渣皮有 破坏的作用 ,而重力却因不同的炉墙结构会产生 不同的影响.在炉腹部分, 重力成为渣皮生成的 动力且加固渣皮存在 , 而且炉腹的炉墙结构使得 煤气的剪切力较小;在炉腰和炉身下部 ,重力成为 不利于渣皮生成的因素 ,同时在相同煤气流速的 情况下 ,煤气的剪切力较大 ,尤其在炉身下部.所 以,炉腹部分更容易生成渣皮 ,而且生成的渣皮容 易存在.操作实践也证明了这一点 :炉腹的砖衬 存在时间更长, 炉腹的渣皮脱落频率较低. 4 结论 铜冷却壁具有很强的挂渣能力 ,但其也必须 有渣铁壳的保护, 渣铁壳的存在提高了铜冷却壁 的使用性能 ,所以铜冷却壁更适合应用在高热负 荷区的湿区.就本文所讨论的铜冷却壁 ,在没有 渣铁壳保护的情况下 , 安全工作时所能承受的最 高煤气温度仅为 1 743 ℃,所以为了真正实现自保 护能力 , 必须要提供一个合适的 、稳定的挂渣环 境,保持一个稳定的操作 . 动态的环境使得渣铁壳平衡时的热面温度不 再是 1 150 ℃,而要低于此温度, 这个温度在实际 操作中主要由挂渣环境决定. 参 考 文 献 [ 1] Cheng S S , Xue Q G , Yang T J, et al.Temperature field of lining and cooling apparatus.J Univ Sci Technol Beijing , 2000 , 7(1):30 [ 2] Cheng S S , Yang T J, Xue Q G , et al.Optimum design and layout of the cooling apparatus for long com panionship blast furnace .J Univ Sci Technol Beijing , 2003 , 10(4):24 [ 3] Janz J, Lucke D, Carmichael I , et al.Installation of copper st aves in blast furnace hearths and their influence on refractory design.Aise Steel Technol, 2003(5):42 [ 4] Bonte L, De Langhe H , Depamelaere M , et al.Inst alling cop￾per staves and blast furnace operating practi ce at Sidmar.Iron Steel Eng , 1999(6):43 [ 5] Miller K , Baylis M .Cast copper staves—an economi c alt erna￾tive .Iron Steel Maker , 2000(9):67 [ 6] Thill R, Poensgen A , Carmichael I , et al.The application of FEM techniques in the development of copper staves f or the high heat load and hearth areas of the blast furnace ∥ 2000 Ironmaking Conf erence Proceedings, 2000:155 [ 7] 钱亮, 程素森.陶瓷垫对高炉炉底抗侵蚀能力的研究.钢 铁, 2005 , 40(11):16 Realizing the self-protect ability of a blast furnace cooling system with copper stave QIAN Liang , CHENG S usen Metallurgical and Ecological Engineering School, University of S cience and Technology Beijing , Beijing 100083 , China ABSTRACT Tw o aspects realizing the self-pro tect ability of a blast furnace cooling sy stem w ith copper stave , adherent dross capability and adherent dross condition , were mainly discussed .Based on the copper stave in practice , a three-dimension heat transfer mathematical model of copper stave w as established .Inte￾g ration of the calculation w ith practice experience show s that the copper stave is mo re suitable for high load￾ed heat zone.The copper stave can provide with better adherent dross capability ;but at the same time , on￾ly if having better adherent dross condition , the copper stave self-pro tect ability can be realized to get longevity and high productivity .The v arious elements of adherent dross condition were also analyzed . KEY WORDS BF ;copper stave ;self-protect ;adherent dross Vol.28 No.11 钱 亮等:高炉铜冷却壁自保护能力的实现 · 1057 ·