高炉冷却壁的破损机理及减少破损的措施

高炉冷却壁的破损机理及减少破损的措施

袁雷

中天钢铁集团有限公司 江苏常州  213011

摘要:高炉设计炉容为1580m3,于2011年2月开炉。自2017年以来，发现炉基上涨速度加快，由2017年10月的31mm升高至2019年3月的86mm，高炉六至八段冷却壁破损严重，致使高炉被迫大修。通过对高炉冷却壁的破损调查研究，得到如下结论：

（1）球墨铸铁冷却壁破损的形式有开裂、烧损、熔化，并发现有水管的裸露和破损，其中8层冷却壁的受损数量最多。冷却壁上出现最多的是纵向裂纹，对冷却壁的机械强度和力学性能有不利影响。

（2）对球墨铸铁冷却壁表面样进行元素及化合物分析，11-13层和15-17层的锌含量和碱金属含量较高。锌和碱金属对冷却壁有化学侵蚀的危害，其生成的低熔点化合物对高炉顺行不利。应当严格控制燃料和铁矿石的锌含量和碱金属含量，从源头上减少对冷却壁的化学侵蚀。

（3）由铸铁冷却壁试样的拉伸实验结果可知，冷却壁试样的抗拉强度（与没有经历生产的球墨铸铁相比）明显变小，且距离热面越近的试样，抗拉强度越小。炉内的高温削弱了冷却壁的力学性能。

关键词：高炉；铸铁冷却壁；破损调查；破损机理分析

1我国铜冷却壁的应用

我国钢铁厂在2000年之前多采用铸铁冷却壁。2002年，攀钢首次在高炉中安装了两段铜冷却壁[18]。由于并无铜冷却壁的生产经验，攀钢只能自己摸索出合理的操作炉型和操作方法以维持炉况稳定。经过十几年的研究、发展、改进，目前我国自主制造的部分铜冷却壁在各种技术数据上已达到甚至超过了国外产品的水准，但有些铜冷却壁仍然不能独立自主生产，依赖国外进口。铜冷却壁在实际生产中的广泛应用为我国高炉冷却壁寿命的大幅延长做出了巨大贡献。

1.1铜冷却壁的优点及优势

（1）导热性能好。铸铁的导热系数仅有40×1.163W/(m∙℃)。而铜的导热系数高达400W/(m∙℃)。由此可见，铜的导热性能为铸铁的10倍左右。所以，铜冷却壁热面与水管表面的温差很低，在实际生产中可控制在20℃以内。即使炉况波动，短时间内温差也不会超过100℃。由于铜冷却壁表面稳定的低温，铜冷却壁经受的热应力比铸铁冷却壁小很多，不易产生裂纹。

（2）优良的抗热震性。与铸铁冷却壁相比，渣皮可以更稳定存在。即使渣皮脱落，重新形成渣皮的速度也远快于铸铁冷却壁。具统计，渣皮在铜冷却壁上重新形成仅需0.5h，而在铸铁冷却壁上需要2-3h。显然，渣皮越快形成，冷却壁经受的热应力更小，热循环周期更短。铜冷却壁所受的热应力的冲击更少，有着良好的抗热疲劳性能。即使铸铁冷却壁技术发展了多年，铸铁的抵抗热应力能力和延展率有了很大的改善，但铜自身有着优异的延展性，抗热震能力远比铸铁出色。

（3）耐高热流冲击性能优异。铜冷却壁的导热性能好，冷却壁壁体能承受的最高

温度与允许最高温度之比小于0.65，而铸铁冷却壁能承受的最高温度与允许最高温度之比小高达0.8—0.9。因此铜冷却壁的抗热震能力非常出色。又铜冷却壁内不需要使用钢制水管，基体内的热量直接由冷却水带走，不像铸铁冷却壁存在着水管、气隙、防渗碳涂层的种种阻隔。铜冷却壁的散热效率比铸铁更高，这使铜冷却壁内热量积蓄的更少，不易烧损。

1.2铜冷却壁的缺点

（1）铜板钻孔冷却壁在安装水管时采用焊接技术，焊接时水管与铜基体接触的地方应力容易集中，削弱冷却壁的力学性能，导致冷却壁抵御热应力的能力降低，易出现裂纹和夹杂。焊接时还会引入一定量的氢元素，容易造成氢脆。

（2）铜冷却壁需要更稳定的炉况，对操作的要求也更高。铜冷却壁只有在软熔带温度稳定、中心气流分布合理时才能发挥出其优势。若炉况频繁波动，气流不稳定，铜冷却壁容易过度磨损，导致成本上升。

（3）铜的耐磨性较差，当最外侧的耐火材料受到侵蚀后，冷却壁就会受到炉料和煤气流的连续冲刷，铜冷却壁会变得光滑，渣皮难以稳定存在。这导致冷却壁温度变化剧烈。温度变化引起的热应力使铜冷却壁容易开裂。

1.3 铜的“氢病”现象

在铜合金中，氧很少溶于铜。当CuO受到一定压力时，氧会在Cu和CuO的共熔化合物中沉淀，分布在铜的晶界上。如果CuO放置在含氢的大气中，氢会在高温下渗入铜的晶界，与CuO反应，生成高压水蒸气，造成铜的体积膨胀，产生裂纹。这种现象被称为氢病，。

1.4 破损机理

虽然铜冷却壁在冷却性能上十分优秀，但由于自身材质特性和高炉内苛刻的环境，铜冷却壁也有容易损坏的问题，主要表现在以下几点。

（1）机械磨损

在冷却壁的破损类型中，机械破损是最普遍的一种破损。在高炉生产中，炉料不断下降，与冷却壁发生磨损、碰撞。最终，部分炉料中的杂质元素、渣铁嵌入铜冷却壁中，大大削弱了铜的机械强度，使铜冷却壁更易受到侵蚀。

（2）化学侵蚀

大量研究表明铜冷却壁热面在服役期间出现破损的主要原因是“氢病”。铜冷却壁时一般会选择含氧量较低的铜作为基体，但仍属于含氧铜。虽然理论上氧难以在铜中固溶，但当铜冷凝时，氧会以共晶体形式在铜的晶界上析出。若铜处于含有氢气的还原性气氛中，氢在高温条件下渗入铜晶界内，与Cu2O发生反应（H2+Cu2O=H2O）。该反应会生成水蒸气，造成铜基体破裂。这就是“氢病”。同理，CO也能还原铜中的Cu2O，产生高压CO2气体，这同样会使铜冷却壁破裂损毁。

1.5 高炉耐材的侵蚀机理

1.5.1 高炉上部耐材的侵蚀

高炉耐火材料的寿命直接关系到一代高炉的炉龄。由于高炉各个部位的情况不同所以，炉衬所需要面对的物化情况也相异，所以选用的耐火材料种类也不尽相同。其中，高炉炉身上部的炉衬主要会因为长期上料炉料下降引起的物理机械磨损，上升运动的煤气流裹挟着碱金属不断冲刷着侧壁炉衬同时锌和沉积碳也会使炉衬产生应力加速侵蚀。炉身中下部及炉腰部位相比于炉身上部煤气流温度更高且所受热震严重同时还会受到初成渣的化学和机械侵蚀。而在炉缸风口带主要的侵蚀原因则是煤气流的冲刷以及渣铁和碱金属的侵蚀。

炉缸部分为铁口以上部分和铁口以下部分，铁口以上部分侵蚀严重时会形成环缝侵蚀带，主要是因为碱金属的侵蚀、热应力的破坏以及一氧化碳和水的氧化作用。铁口以下的侵蚀分为四种，分别是蘑菇型、象脚型、宽脸型和锅底型。

A——蘑菇型        B——象脚型        C——宽脸型        D——锅底型

图1 炉缸底部侵蚀图

蘑菇型侵蚀的主要原因是铁水的溶蚀、流动冲刷、渗透侵蚀，以及炉缸碳砖周围的碱金属侵蚀，但是随着炉缸设计改进和优化以及耐火材料研究和使用的进步，这种侵蚀现在基本上得到了解决。主要还是后面的三种侵蚀，如图1中B所示其中象脚型的特点是在炉缸侧壁和炉底交接的角部侵蚀严重，炉底中心部位反而有部分隆起；宽脸型侵蚀的特点是炉缸的侧壁和底部均有侵蚀，但侧壁的侵蚀更为严重；锅底型侵蚀的特点是侧壁和底部均有侵蚀，但是底部的侵蚀更为严重，这种侵蚀有利于减轻渣铁环流对侧壁的冲刷。

2. 铸铁冷却壁破损调查

中天钢铁8号高炉设计炉容为1580m3，于2011年2月开炉。炉底采用五层碳砖+两层刚玉陶瓷垫，炉缸环砌超微孔炭砖，内壁砌筑刚玉陶瓷杯，高炉本体自一层冷却壁至炉喉采用软水密闭冷却，材质为球墨铸铁。自2017年9月以来，炉缸冷却壁二层上部正南下方标高7195mm热电偶温度(距离铁口夹角105°插入炭砖深度250mm)上升速度逐步加快，由2017年9月的280℃上升至2018年9月的600℃，炉壳温度由原来的37℃上升至55C左右。而且，自2017年以来，发现炉基上涨速度加快，由2017年10月的31mm升高至2019年3月的86mm，高炉六至八段冷却壁破损严重，致使8号高炉被迫大修。

8号高炉一代炉龄八年，单位容积产铁量为8080t。为分析冷却壁破损原因，中天钢铁组织技术人员先对冷却壁进行编号，再用相机记录冷却壁的破损情况，用卷尺测量冷却壁磨损程度。测量过程中首先对冷却壁的整体情况进行拍照，重点拍摄冷却壁破损严重的部位，如冷却水管管根部位的断裂、冷却水管的裸露破损冷却壁表面的开裂等。测量冷却壁磨损程度时，将冷却壁分为上、中、下三个部分，在三个部分分别进行测量并记录。数据记录完毕后，将钻孔取得的冷却壁取样分析。

3. 球墨铸铁冷却壁破损机理分析

3.1 冷却壁侵蚀机理分析

炉料在进入高炉时会带入碱金属，炉内的高温环境，会使碱金属氧化物熔化，与炉料结合生成低熔点化合物，在冷却壁上形成炉瘤，不利于铁矿石的还原。同时，温度合适时，碱金属会渗入冷却壁的裂缝中，这时铸铁中的碳会与碱金属发生如下反应：

6Na2O+2C→2Na+2Na2CO3

K2O+C→2K+CO2

由于碱金属与铸铁中的碳反应，铸铁体积产生膨胀，出现裂纹和孔洞，这就是碱金属对球墨铸铁冷却壁的化学侵蚀。冷却壁的工作时间越长，冷却壁受侵蚀的部位就越多，最后就会导致7层24号、8段1号冷却壁上那样的的严重侵蚀。此外，与碱金属侵蚀的机理类似，锌在合适的温度下也会侵蚀冷却壁。

3.2 冷却壁磨损机理分析

冷却壁磨损的主要因素有炉料的物理撞击和煤气流的冲刷。在生产中，若气流强度不稳定，渣皮便容易脱落，冷却壁温度剧烈变化，冷却壁容易开裂，机械强度变弱。又失去了渣皮的覆盖保护，炉料和煤气直接冲刷冷却壁的表面，导致冷却壁基体、镶砖、筋条被磨损、侵蚀，冷却壁的寿命降低。实际生产中，应保持合理操作保证煤气流稳定，炉料稳定顺行，确保渣皮可稳定在冷却壁热面上存在，就能对冷却壁起到较好的保护效果，延长冷却壁的寿命。

3.3 冷却壁开裂机理分析

碳的氧化反应是造成冷却壁开裂的重要原因。球墨铸铁内的碳发生氧化反应，造成铸铁体积膨胀，内部出现孔隙和裂痕。这些孔洞会渗入更多氧气，使碳的氧化反应更易发生，造成裂纹变长、孔隙变大，形成恶性循环。最终导致冷却壁大面积开裂。另外，在高炉生产的环境下，铸铁基体会发生渗碳反应，CO会通过裂纹渗入铸铁冷却壁基体中，发生以下的化学反应（2CO→CO2+C）。渗碳反应也会加剧铸铁基体开裂的问题。

球墨铸铁冷却壁冷面和热面的温度差带来的热应力不仅会导致冷却壁变形，也会导致冷却壁出现裂纹。冷却壁在工作中会持续经历高温-低温的循环，这种剧烈的温度变化会给冷却壁产生巨大的热冲击，球墨铸铁较低的延展性和易氧化的性质决定在高温下球墨铸铁冷却壁容易开裂、受到氧化。由加热-淬火实验可知，球墨铸铁冷却壁经受的温度越高，冷却壁经受的热量变化越剧烈，冷却壁越容易开裂，产生纵向连续的裂纹，削弱球墨铸铁冷却壁力学性能。

相变也是造成冷却壁龟裂的重要原因。当冷却壁达到一定的温度后，铸铁会发生铁素体→奥氏体的转变，铸铁还会发生一定程度的体积膨胀。当温度降低时，奥氏体又变为铁素体，体积缩小。铸铁就容易出现裂纹。冷却壁在生产中会经历反复的冷热变化，这使相变反复进行，裂纹也逐渐扩大，产生新的裂纹。最后造成冷却壁的彻底损坏。

冷却壁温度过高会造成冷却壁的开裂和烧损。由加热-淬火实验可知，当冷却壁温度超过1070℃时，加热一定时间后，没有淬火的冷试样也会开裂。因此应合理控制高炉内温度，若冷却壁热面温度过高会导致冷却壁发生开裂。

3.4 水管裸露、断裂和漏水机理分析

水管的裸露、破损主要是由于冷却壁的侵蚀磨损和冷却壁发生变形而造成的。由于冷却壁受到物理冲击和化学侵蚀，铸铁冷却壁的基体厚度逐渐变薄。当侵蚀和磨损到水管所在部位时，冷却水管就会裸露出来，暴露在炉内环境中，十分容易受到破坏，造成漏水甚至断裂。球墨铸铁冷却壁在热应力的作用下容易发生形变，这种变形是水管破损的重要原因。冷却壁生产时容易发生水管渗碳的问题，这会导致水管材料中碳含量超标，水管变脆，延展性变差，一旦铸铁冷却壁发生形变，造成漏水，影响散热效果。冷却壁进出水管的保护套管设计存在不合理，当冷却壁温度升高时，因热胀冷缩发生膨胀，进出水管发生位移，而保护套管不能随之运动，就会出现冷却壁进出水管断裂的问题。

3.5 防止球墨铸铁冷却壁破损应采取的措施

（1）在冷却壁内埋入热电偶，加强对冷却壁温度的监测。当球墨铸铁冷却壁热面温度高于1070℃时，应控制炉内温度，加速冷却水循环，使冷却壁热面温度下降到合理的数值，防止冷却壁熔化、烧损。

（2）在高炉生产中，控制炉料下行的速度和煤气流的强度，减少对冷却壁的冲刷，使冷却壁的表面可以存在一层稳定的渣皮，对冷却壁起到保护作用。

（3）在铸铁冷却壁生产时，在水管外侧使用防渗碳涂层，避免铁水与水管直接接触，减少渗碳反应发生，严格控制水管中碳含量，提高水管力学性能，使其不易被拉断漏水。

4结   论

高炉设计炉容为1580m3，于2011年2月开炉。自2017年以来，发现炉基上涨速度加快，由2017年10月的31mm升高至2019年3月的86mm，高炉六至八段冷却壁破损严重，致使高炉被迫大修。通过对高炉冷却壁的破损调查研究，得到如下结论：

（1）球墨铸铁冷却壁破损的形式有开裂、烧损、熔化，并发现有水管的裸露和破损，其中8层冷却壁的受损数量最多。冷却壁上出现最多的是纵向裂纹，对冷却壁的机械强度和力学性能有不利影响。

（2）对球墨铸铁冷却壁表面样进行元素及化合物分析，11-13层和15-17层的锌含量和碱金属含量较高。锌和碱金属对冷却壁有化学侵蚀的危害，其生成的低熔点化合物对高炉顺行不利。应当严格控制燃料和铁矿石的锌含量和碱金属含量，从源头上减少对冷却壁的化学侵蚀。

（3）由铸铁冷却壁试样的拉伸实验结果可知，冷却壁试样的抗拉强度（与没有经历生产的球墨铸铁相比）明显变小，且距离热面越近的试样，抗拉强度越小。炉内的高温削弱了冷却壁的力学性能。

参考文献

[1] 张良红, 江卫东, 李兴科. 高炉铸钢冷却壁铸造工艺优化设计[J]. 安徽冶金科技职业学院学报, 2007(S1):3.

[2] 程素森, 杨天钧, 杨为国,等. 高炉铜冷却壁传热分析[J]. 钢铁, 2001, 36(2):4.

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