高炉的新冷却方式

繁华过后

在俄罗斯NizhnijTagil钢铁公司(NTMK)6号高炉上，炉腰和炉身下部采用了4m长的蒸汽冷却铜质冷却壁（通常采用自然水循环冷却——没有压力泵或二次冷却），而且增加了检测设备来检测和分析冷却系统运作和铜冷却壁的工作参数。本文对检测结果进行了分析并说明了应用铜冷却壁和蒸汽冷却相结合的基本原理。

NTMK公司位于俄罗斯中南部，隶属于俄最大的钢铁生产商——耶弗拉兹集团。

NTMK公司有四座高炉，铁水年生产能力达到500万t。公司还拥有一个焦化车间，两个烧结车间，四座转炉和一个平炉炼钢车间。年粗钢生产能力为570万t，产品主要是车轮钢，轨梁钢和板坯。

2004年，该公司对6号高炉进行了重新砌炉工作，6号高炉炉缸直径为9.8m，工作容积为1900m3（有效容积为2200m3），日产铁水能力为5100t。其5号高炉也进行了重新砌炉。3号高炉计划在2009年进行换炉衬工作。

和大多数俄罗斯和乌克兰的高炉一样，6号高炉也配备了蒸汽冷却系统来保护炉壳（只使用自然冷却水循环，无加压泵或二次冷却），此次在6号高炉应用铜冷却壁来保护炉壳还属首次。在炉腰和炉身下部安装了两排共计四十块4m长的铜冷却壁并采用蒸汽冷却。

蒸汽冷却系统构造

冷却系统由四个独立的部分组成，每排十块冷却壁为一组。

每根环形水管给一组独立的冷却水管供水，共四根水管。这也就意味着每十块冷却壁共用一根冷却水进水管。

蒸汽分离器位于炉顶上料平台上（四套冷却系统共需要四个蒸汽分离器），被加热的冷却水在此存储并将产生的蒸汽分离。由于产生蒸汽和周期性的倾析沉降导致水损发生，因此需要补充水量及控制水位。

然后把从四个蒸汽分离器引出的出水管引到与之相对应的四根冷却进水环管上。由于不同部位的热负荷不同，当冷却水经过冷却壁后上升的水被不断加热，根据这一原理，自然循环汽化冷却系统应运而生。

由于在冷却方式上采用了蒸汽冷却与铜冷却壁相结合的新型组合，因此在高炉上增设了测量系统来检测和分析冷却系统的运行和铜冷却壁的工作参数。

在31号和36号冷却壁上采取的检测措施包括:

——冷却水进水及其分支管线上的温度、

——所有冷却壁进出水温度

——冷却水进水和其分支管线上的水流状态

——铜冷却壁自身温度

所有数据被连续不断地记录并应用于计算中。

水流/蒸汽流动状态

首先被检测的数据之一是水或蒸汽的流动速度，即在自然循环冷却状态下，在铜冷却壁与蒸汽冷却组合下，水或蒸汽的流动速度。

监测仪表安装在第一层的进水管上（Fl5-8，Fl9-12），在直径为55mm的铜冷却管内水流速度被控制在0.4～0.5m/s。

检测了不同时间下，31号和36号冷却壁内的水流速度。该高炉的整个蒸汽冷却系统的平均水流量在600～720m3/h。

表1所示为随着热负荷的增加，水的流动速度和温度也相应增加。在强制冷却循环系统中，水的流速是不变的，水温差只反应热负荷的变化。



表1 热负荷对水流速度和温度的影响

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          时间     冷却壁  温差 水流速度，m/s热负荷，kW

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   15.06.05，14:15   31   10.4℃ 0.49         50.7

   15.06.05，14:15   36   10.6℃ 0.45         47.5

   15.06.05，16:25   31    8.8℃ 0.43         37.7

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水温差随着高炉高度变化而变化

通过检测所有三层冷却壁间内部连接水管的水温，我们可以更清楚地了解到：水温随着高炉高度的变化而变化。

第二层和第三层位于高炉内的高温区域，但铜冷却壁的水温仍明显低于该部位的铸铁冷却壁。这就会使人们认为，传导到铜冷却壁的热量低于其传导到铸铁冷却壁的热量。

高炉不同部位的热量传输情况能很好的解释上述情况。我们应当考虑到，随着高炉各部位的高度不同，不同的冷却面积，不同的冷却强度对热量传导计算的影响。

与铸铁冷却壁比较，铜冷却壁冷却面上形成了更稳固的渣皮，这被认为是降低热流的主要原因。热量传导的最高值通常位于炉腰中部的第一层铸铁冷却壁，因此可以考虑将该部位的铸铁冷却壁全部换成铜冷却壁。

铜冷却壁的热工状态

对铜冷却壁的热工状况进行了检测。在第二层和第三层铜冷却壁上安装了测温装置，以便测量距离高温面不同位置上的壁体温度。水温为进水和出水水温的平均值。

铜冷却壁高温面的温度大致在136℃，且通常不会超过140℃。进一步的计算也证明了这一结果。事实上，TK1测量点位于炉墙内100mm处，这会导致3.5℃的温降。所以在计算过程中应该把这个温降考虑进去。水温116.8℃时所计算出来的炉墙温度平均为123.6℃。水温和炉墙间的温差平均为6.8℃（最高为9.7℃），这是个非常良好的温差范围。在蒸汽冷却系统中，这点非常重要。因为温差低于10～15℃，可以避免水的薄膜沸腾。因为沸腾产生的蒸汽层会阻碍水流和炉墙间的热量传递，甚至可能导致冷却壁烧坏，所以为避免该情况发生，使用加压泵强制循环不失为一个有效的办法。

在热量计算的基础上，调查了蒸汽冷却系统上使用循环泵的情况，对三种情况进行了考虑：

——在自然循环冷却系统下使用铸铁冷却壁（水流速度：0.5m/s）。

——在自然循环冷却状态下，第二层和第三层冷却壁使用铜质冷却壁（水流速度：0.5m/s）。

——在强制循环冷却状态下，第二层和第三层冷却壁使用铜质冷却壁（水流速度：2.0m/s）。

渣皮对蒸汽冷却系统的影响

与铸铁冷却壁250℃的表面温度相比，铜冷却壁的表面温度更低，仅为140℃。因此，使用铜冷却壁时形成的渣皮更稳固。铜冷却壁的热流密度也比铸铁冷却壁高出2.5倍，因此产生的蒸汽量会升高30％。当使用自然循环蒸汽冷却系统时，这会使冷却水循环变差。

在高炉内上升的煤气流和下降的炉料共同冲击摩擦下，稳定的渣皮可以保护冷却系统，延长冷却设备的使用寿命。

计算证明，将冷却水的流动速度从0.5m/s提高到2.0m/s，对热流密度的影响甚微（小于3％）。并且，在实践中，对冷却壁的工作温度没有影响。这是因为尽管热量交换系数增加了三倍，但在水流较大的情况下，水流速度的加快仅仅带来了水温差的降低。

结论

铜冷却壁可以与铸铁冷却壁在断面上连接组合。这种组合可以应用蒸汽循环冷却系统。在自然状态下，冷却水的流动速度为0.4～0.5m/s。

NTMK公司6号高炉使用的铜冷却壁为蒸汽冷却方式。铜冷却壁工作状况良好，在过去三年的使用过程中，未发现损坏或者漏水。

由于铜冷却壁表面形成了稳定的渣皮，减少了热量流出，因此冷却系统带走的热量降低，蒸汽量减少。即使在极端情况下，冷却水的温度也从未到达过沸点，并且蒸汽冷却系统与经过化学药剂处理过的冷却水系统工作方式相似。

在热负荷较高区域或者在渣皮脱落的状态下，为了避免冷却水发生薄膜沸腾现象，可以考虑安装压力泵进行加压。