现代高炉冷却方式有外部冷却和内部冷却两种。 内部冷却结构
又分为冷却壁、 冷却板、 板壁结合冷却结构及炉底冷却。
(1) 外部喷水冷却 装置结构简单, 检修方便, 造价低廉。 适
用于小型高炉, 对于大型高炉, 只有在炉龄晚期冷却设备烧坏的情
况下使用, 作为一种辅助性的冷却手段, 防止炉壳变形和烧穿。
(2) 冷却壁 设置于炉壳与炉衬之间, 有光面冷却壁和镶砖冷
却壁两种, 如图4-8所示。
光面冷却壁用于风口以下炉缸和炉底部位。 风口区冷却壁的块
数为风口数目的两倍; 渣口周围上下段各两块, 由四块冷却壁组
成。 镶砖冷却壁厚度为250~350mm, 主要用于炉腹、 炉腰和炉身
下部冷却, 炉腹部位用不带凸台的镶砖冷却壁。 镶砖冷却壁紧靠
炉衬。
冷却壁的优点是: 冷却壁安装在炉壳内部, 炉壳不开口, 所以
密封性好; 由于均布于炉衬之外, 所以冷却均匀, 侵蚀后炉衬内壁
光滑。 它的缺点是消费金属多、 笨重、 冷却壁损坏后不能更换。
(3) 冷却板 又称扁水箱, 材质有铸铜、 铸钢、 铸铁和钢板焊
接件等。
由于铜冷却板具有导热性好、 铸造工艺较简单的特点, 所以从
18世纪末期就开始用于高炉冷却。 在多年的使用中, 进行了不断
的改进, 发展为现在的六室双通道结构, 如图4-9所示。 它是采用
隔板将冷却板腔体分隔成六个室, 即把冷却板断面分成六个流体区
域, 并采用两个进出水通道对冷却板进行冷却。
此冷却板的特点是:
① 适用于高炉高热负荷区的冷却, 采用密集式的布置形式;
② 冷却板前端冷却强度大, 不易产生局部沸腾现象;
③ 当冷却板前端损坏后可继续维持生产;
④ 双通道的冷却水量可根据高炉生产状况分别进行调整;
⑤ 铜冷却板的铸造质量大大提高, 为了避免铸造件内外部缺
陷, 采用了真空处理等手段, 并选用了射线探伤标准 (ASTM-E272);
213高炉炼铁技术问答
75
400～800 80
图 4-9 冷却板
⑥ 能维护较厚的炉衬, 便于更换, 重量轻, 节省金属, 但是
冷却不均匀, 侵蚀后高炉内衬表面凸凹不平, 不利于炉料下降。
(4) 板壁结合冷却结构 在高炉炉身部使用, 它既实现了冷却
壁对整个炉壳的覆盖冷却作用, 又实现了冷却板对炉衬的深度方向
的冷却, 并对冷却壁上下层接缝冷却的薄弱部位起到了保护作用,
因而有良好的适应性。
日本川崎制铁所的千叶6号高炉 (4500m3) 和水岛4号高炉
(4826m3), 在炉身部位采用冷却板和冷却壁交错布置的冷却结构
(见图4-10)。
(5) 新型冷却壁———铜冷却壁 铸铁冷却壁主要存在着两个问
题, 一是冷却壁的材质问题, 二是水冷管的铸入问题。 为了解决这
两个问题, 人们开始研究轧制铜冷却壁。 此种铜冷却壁是在轧制好
的壁体上加工冷却水通道和在热面上设置耐火砖。
铜冷却壁的特点如下。
① 铜冷却壁具有热导率高、 热损失低的特点。 目前, 国内外
铜冷却壁大多以轧制纯铜 (Cu≥99.5%, 铜的导热性能高于国际
退火铜标准的90%以上) 为材质, 经钻孔加工而成。 这样制作出
来的铜冷却壁的冷却通道与壁体是一个有机的整体, 消除了铸铁冷
却壁因水管与壁体之间存在气隙而形成隔热屏障的弊端, 再加上铜
本身具有的高导热性, 这样就使得铜冷却壁在实际使用过程中能保
持非常低的工作温度。
② 利于渣皮的形成与重建。 较低的冷却壁热面温度是冷却壁
表面渣皮形成和脱落后快速重建的必要条件。 由于铜冷却壁具有良
好的导热性, 因而能形成一个相对较冷的表面, 从而为渣皮的形成
和重建创造条件。 由于渣皮的导热性极低, 渣皮形成后, 就形成了
由炉内向铜冷却壁传热的一道隔热屏障, 从而减少了炉内热损失。
研究表明, 在渣皮脱落后, 铜冷却壁能在15min内完成渣皮的重
建, 而双排水管球墨铸铁冷却壁则至少需要4h。
③ 铜冷却壁的投资成本低。 使用铜冷却壁, 并不意味着高炉
投资成本增加, 这主要是基于以下几点考虑。
a. 单位重量的铜冷却壁比铸铁冷却壁要贵, 但单位重量的铜
冷却壁冷却的炉墙面积要比铸铁冷却壁大1倍, 这样计算, 铜冷却
壁的价格就相对便宜了些。
b. 铜冷却壁前不必使用昂贵的或很厚的耐火材料。 使用铸铁
冷却壁时, 对其前端砌筑的耐火材料要求较高, 在炉腹、 炉腰和炉
身下部多使用碳化硅砖或氮化硅结合碳化硅砖, 这些砖的价格较
高, 相应地增加了冷却设备的投资。 高炉使用铜冷却壁, 主要是利
用其高导热性形成较低的表面温度, 从而形成稳定的渣皮来维持高
炉生产, 而不是主要靠砌筑在其前端的耐火材料来维持高炉生产,
因此, 铜冷却壁前端的耐火材料的耐久性和质量就并不十分重要。
西班牙两座使用铜冷却壁的高炉的生产实践表明, 铜冷却壁前端砌
215高炉炼铁技术问答
筑的耐火材料在高炉开炉6个月后就已侵蚀殆尽。 当然铜冷却壁前
还是有必要砌一定的耐火材料的, 因为在高炉开炉初期, 铜冷却壁
需要耐火材料的保护。
c. 使用铜冷却壁可将高炉寿命延长至15~20年, 因此可缩短
高炉休风时间, 从而达到增产的效果。
(6) 炉身冷却模块技术 为提高高炉炉身寿命, 原苏联开发了
一种新型炉身结构并广泛应用于高炉生产。 新型炉身取消了砖衬和
冷却壁, 将冷却水管直接焊接在炉壳上, 并浇耐热混凝土, 是由炉
壳、 厚壁钢管、 耐热混凝土构成的大型冷却模块组成。 冷却模块将
炉身部位的炉壳沿径向分成数块, 块数取决于炉前的起重能力, 唐
钢1260m3 高炉是10块, 图4-11为其结构示意图。 将厚壁 (14~
16mm) 把手型无缝钢管作为冷却元件直接焊在炉壳钢甲上, 在炉
壳及钢管间浇耐热混凝土, 混凝土层高出水管110~130mm, 构成
大型预制冷却模块。 通过炉顶托圈吊装与炉腰钢甲对接, 经两面焊
接后即形成新炉身。
395 1600 250 1600 250 1600 250 1600 250 1600250 995
A A A
A
图 4-11 炉身冷却模块结构示意图
主要技术优点如下。
216第 四 章 高炉炼铁设备
① 新型冷却模块结构在工作系统上突破现行模式, 以性能优
良的钢管代替铸铁, 以渣皮代替耐火砖衬, 组成炉身在高温条件下
以可靠的冷却系统形成 “自身保护自身” 的 “不蚀型内衬”, 克服
现行模式存在的缺点, 延长高炉寿命。
② 明显降低炉身造价。 新型冷却模块结构以钢管代替铸铁冷
却壁使冷却设备重量大大降低, 而以耐热混凝土代替耐火砖, 不论
价格或 数 量 都 大 为 减 少, 使 高 炉 炉 身 造 价 成 倍 降 低, 表 4-2 为
2000m3 高炉冷却模块与传统冷却壁材料消耗对比。
表 4-2 2000m3 高炉冷却模块与传统冷却壁材料消耗对比
项 目 单位 传统结构 大型冷却模块
炉壳钢板 t 196 196
冷却设备金属重量 t 820 115
耐火砖量 m3 1190 —
耐热混凝土量 m3 — 405
鞍钢一高炉大修实践表明, 新型冷却模块结构与原结构 (冷却
壁+耐火砖) 相比, 炉身大修费用降低41%。
③ 缩短大修时间。 大型模块的制造可在停炉前预先进行, 停
炉后只进行吊装、 焊接、 浇注对接缝等, 相当于在高炉上整体组装
炉身, 大大缩短大修工期。
④ 高炉大修初始即形成操作炉型, 有利于高炉顺行, 同时由
于炉衬减薄, 也扩大了炉容, 在供排水方面无特殊要求, 利用原有
系统即可正常进行。
(7) 水冷炉底 目前大型高压高炉, 多采用炉底封板, 水冷管
可设置在封板以上, 这样在炉壳上开孔将降低炉壳强度和密封性,
但冷却效果好; 水冷管也可设置在封板以下, 这样对炉壳没有损
伤, 但冷却效果差。
图4-12为高炉水冷炉底结构示意图, 这是常见的一种水冷炉
底结构形式。
水冷管中心线以下埋置在炉基耐火混凝土基墩上表面中, 中心
线以上为碳素捣固层, 水冷管为?40mm×10mm, 炉底中心部位管
间距200~300mm, 边缘较疏, 为350~500mm, 水冷管两端伸出
217高炉炼铁技术问答
图 4-12 2516m3 高炉水冷炉底结构示意图
炉壳外50~100mm。 炉壳开孔后加垫板加固, 开孔处应避开炉壳
折点150mm 以上。
水冷炉底结构应保证切断给水后, 可排出管内积水, 工作时排
水口要高于水冷管水平面, 保证管内充满水。