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炼铁高炉炉体冷却技术发展及铜冷却壁应用状况

2011/5/11 13:52:12 来源:中国钢铁科技网信息中心 编辑:王兰彩
炼铁高炉伴随着人类文明的进步已有几百年的历史,在这几百年间,最原始高炉已被陈放在了博物馆里,而炼铁技术也得到了根本上的改良。近日专家王维兴特别针对炼铁高炉炉体冷却技术发展及铜冷却壁应用状况做了详细的讲解。内容如下:
  一、炼铁高炉炉体冷却技术的发展历程
  火法炼铁伴随人类文明进步已有几百年历史,早期的炼铁高炉采用耐火材料砌筑,炉体没有冷却系统,因此其寿命很短。自1884年开始,高炉的炉腹、炉腰和炉身下部设有冷却系统,随着高炉产量提升和炉容扩大,炼铁高炉炉体冷却技术得到快速发展,高炉冷却设备也不断进行更新换代,近几十年的发展尤其迅速,高炉的炉腹、炉腰和炉身下部等高热流区域使用的冷却壁材质经历了普通灰铸铁——低铬铸铁——球墨铸铁——铜的发展历程。
  20世纪50年代初,世界上大型高炉容积仅1,000m3左右,风温不超过1,000℃,利用系数仅1.0t/(m3·d)左右,因此对高炉冷却设备要求不高,一般采用诸如冷却水管的普通铸铁冷却板、铸铁外框中插入铜冷却板及炉壳喷淋冷却等方式冷却高炉。20世纪60年代,随着大型高炉的增加,高炉炉容扩大到2,000m3以上,炉顶压力不断提高,这些密封性差、冷却能力低和寿命短的冷却设备被陆续淘汰。20世纪60年代中到80年代末,铸铁冷却壁和铜冷却板的制作安装技术改进取得了很大的进步,在一代炉役产铁6,000~8,000t/m3的前提下,高炉一代炉役寿命可达10~12年。尽管如此,随着高炉的进一步强化冶炼,在炉身下部、炉腰和炉腹等高热负荷区域,使用铸铁冷却壁和铜冷却板很难实现到高炉高效、长寿的新目标。
  上世纪70年代末,德国MAN·GHH公司研制开发出适合于高炉冷却的新型冷却设备——铜冷却壁,并在Hamborn No.4高炉进行试验,试验结果表明铜冷却壁是一种在高炉冶炼条件下不会出现过热的高效冷却设备,具有热阻小、工作温度低、渣皮稳定、热承载能力大、热量损失小等特点,能够实现高炉15~20年的炉身寿命。从此,铜冷却壁作为炼铁高炉的长寿高效技术,在国内外炼铁界得到普遍认可,并在上世纪九十年代开始工业化应用,目前已经成为1000 m3以上大型高炉炉腹、炉腰和炉身下部等高热负荷区域冷却设备的首选设备,逐步取代铸铁冷却壁和铜冷却板。
  二、铜冷却壁与铸铁冷却壁的技术对比及其经济技术优势
  在炉腹、炉腰和炉身下部,冷却设备和内衬的工作环境最为恶劣;不仅要承受高热负荷,耐热震、耐渣铁侵蚀和耐碱金属侵蚀,还要抵御炉料冲击、气流冲刷和渗碳的破坏。对于强化冶炼的高炉,要想达到15~20年的寿命,在冷却设备的热面必须形成相对稳定的渣皮。要想使冷却设备的热面易于挂渣,具有形成相对稳定渣皮的条件,就要降低冷却设备热面的温度,采取的主要措施应是降低冷却设备的热阻,而铜冷却壁的导热系数高达340~385W/(m·K)是铸铁冷却壁的12~15倍。铜冷却壁的高导热性能使壁体热面与炉内形成很大的温差梯度(高达1,550℃),促使高炉软熔带液态渣牢牢的粘在冷却壁的热面,从而形成稳定的渣皮,可以对冷却壁起到很好的保护作用。稳定的渣皮作为冷却壁的保护层,一方面可极大的减缓炉料对壁体的磨损和气流对壁体的冲刷,另一方面渣皮的导热系数很低,约1.2W/(m·K),因此稳定的渣皮具有很高的热阻,使得安装铜冷却壁后,热量损失较铸铁冷却壁小。
  由于铜冷却壁具有良好的导热能力,因此在铜冷却壁热面不仅能形成稳定的渣皮,使冷却壁热疲劳得到抑制;而且在渣皮脱落时,也能够快速的重新生成渣皮。大量实践表明,铜冷却壁重新形成渣皮只需20~30分钟,而铸铁冷却壁却需要4~5小时。可见铜冷却壁不仅能形成稳定的渣皮,即使在渣皮脱落时,能够快速的重新生成渣皮。另外铜具有较高的延伸率,从而使铜冷却壁具有很高的耐热震性能。
  铜冷却壁是靠渣皮在炉内工作的,而渣皮的导热系数很小,只有2W/(m?K),它能隔热,降低传到铜冷却壁的热流强度,使热负荷大大降低。生产中渣皮厚度为50 mm时,实际的热流强度仅为26.9 kW/m2,远远小于铜冷却壁能承受的最大热流强度。同时铜冷却壁工作时,热量直接由铜冷却壁传递给冷却水,不像铸铁冷却壁工作时,热量由冷却壁传递给水管,再由水管传递给冷却水,这使得铜冷却壁具有更好的抗热冲击性能。
  由于铜冷却壁具有高导热性能、良好的抗热震性能和抗热流冲击性能,因而在高炉上应用铜冷却壁一方面可以省下了价格昂贵的高级耐火材料,可大大减少这部分投资,同时炉内不需砌砖,炉墙变薄,对于同等大小的炉壳,使用铜冷却壁的有效炉容可以比使用铸铁冷却壁扩大10%~15%;另一方面,由于铜冷却壁使用寿命长,不会出现铸铁冷却壁易发生破损的情况,因此铜冷却壁在生产过程中不用更换,也不需要备品备件,可大大降低设备维护费用。此外,由于铜冷却壁能快速重建渣皮,因此热损失较低,同时可降低30%~40%的冷却水量,使用铜冷却壁还可以减少生产运行费用和冷却水系统的投资费用。
  三、铜冷却壁在全球市场应用状况
  (1)国外高炉的应用情况
  铜冷却壁的研制是于20世纪70年代末从欧洲开始起步,最早的工业化实验由德国的MAN.GHH公司在蒂森Hambom No.4号高炉上进行,经过将近十年的试用,发现其应用效果十分理想。于是从90年代开始欧洲的高炉逐步普及了这项技术,到目前为止国外已有120多座高炉安装了铜冷却壁,使用重量23100多吨,应用比例超过90%,而且这些高炉中第一批使用者的运行时间达十几年,运用情况良好,其一代炉役寿命至少达到15年,有的甚至达到20年。
  (2)国内高炉的应用情况
  为了紧跟高炉冷却技术的发展,突破国外对铜冷却壁技术垄断,原国家经贸委于2000年下达了国家技术创新重点项目“铜冷却壁的制造与应用”,汕头华兴冶金备件厂有限公司作为铜冷却壁的制造部分承担单位,通过自主创新,研制生产了我国第一代铜冷却壁,并于2000年在首钢2号高炉上成功进行工业化试验。随后,汕头华兴冶金备件厂有限公司建成了我国第一条铜冷却壁生产线,并于2002年在首钢2号高炉停炉大修时提供120块应用于首钢2号高炉,开启了国产铜冷却壁的大批量应用。此后,我国新建或改建的高炉开始大规模使用铜冷却壁,截止2010年6月,我国共有超过70个钢铁企业的200多座大中型高炉安装了27300多块铜冷却壁,合计使用了铜冷却壁47800多吨。
  四、全球铜冷却壁主要供应商简介

  目前高炉铜冷却壁的全球主要制造商有:德国KME公司和芬兰OUTKUNPO公司、汕头华兴冶金备件厂有限公司、山东鲁宝有色合金厂、洛阳铜宝冶金设备有限公司。其中,汕头华兴冶金备件厂有限公司凭借复合孔型深孔钻和大块铜件焊接的技术优势,占据铜冷却壁市场份额的半壁江山,山东鲁宝有色合金厂的设计和制造技术均为自主开发;洛阳铜宝冶金设备有限公司是由洛阳铜加工集团和卢森堡保尔沃特公司(PW)合作设立的合资公司,其在技术上依附于PW公司;德国KME公司在技术上与MAN·GHH是合作单位,2003年以后合作期满,改为独立经营;芬兰OUTKUNPO公司开始是与PW公司合作,但合作期满后由于PW改与洛阳铜宝冶金设备有限公司合作,因而其逐渐退出了铜冷却壁市场。

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