選對冷卻設(shè)備，助高爐長壽降成本！
胡源申 張文明 岳海峰
目前國內(nèi)高爐冷卻循環(huán)水的使用按水質(zhì)劣優(yōu)順序和循環(huán)方式排列有4種，即開路冷卻水、預(yù)處理循環(huán)水、軟水密閉和純水密閉循環(huán)。高爐冷卻壁材質(zhì)選用有灰鑄鐵（HT）、球墨鑄鐵（QT）、耐熱鑄鐵、鑄鋼（ZG）和純銅5種。其中，前4種均屬鐵基材質(zhì)。
鐵基材質(zhì)冷卻壁的化學(xué)組成特點是鑄體內(nèi)均含碳、硅、錳、磷、硫、釩、鈦等元素。其金相組成特點是鐵素體為主加珠光體分布。其力學(xué)性能特點是均具有較好的抗拉強(qiáng)度和延伸率。其導(dǎo)熱性能特點是均具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)。其經(jīng)濟(jì)性能特點是制作成本不是太高，因而，國內(nèi)外高爐的冷卻壁目前使用得較多。
高爐冷卻壁的使用壽命是制約高爐長壽的最重要因素之一。因此，搞清不同材質(zhì)冷卻壁服役中使用不同循環(huán)水質(zhì)的破損機(jī)理，以及壁內(nèi)水管中結(jié)垢的成垢機(jī)制，對高爐長壽的系統(tǒng)實踐，從設(shè)計到制造、建設(shè)、筑爐、烘爐、開爐、生產(chǎn)、維護(hù)等各個環(huán)節(jié)都具有基礎(chǔ)性的指導(dǎo)和決定作用。
研究者針對國內(nèi)某鋼企2010年停爐大修的耐熱鑄鐵材質(zhì)高爐冷卻壁進(jìn)行了解剖研究，并將結(jié)果與灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼和銅材質(zhì)冷卻壁一代服役后的破損行為進(jìn)行了比較，從而揭示了全部鐵基材質(zhì)冷卻壁的微觀破損機(jī)理和壁內(nèi)水管的成垢機(jī)制。
力學(xué)性能特點比較
解剖后的不同材質(zhì)冷卻壁體經(jīng)一代高爐服役后力學(xué)性能的測試結(jié)果表明，耐熱鑄鐵冷卻壁體冷面與熱面的平均抗拉強(qiáng)度下降僅小于灰鑄鐵，而且延伸率下降最大。這表明，經(jīng)一代高爐服役后，不論是HT、QT、ZG還是耐熱鑄鐵這些鐵基材質(zhì)，冷卻壁的實際力學(xué)性能均發(fā)生很大蛻變。但相比而言，ZG冷卻壁力學(xué)性能蛻變程度較HT、QT和耐熱鑄鐵要小得多，表明其抗熱沖擊的性能在鐵基材質(zhì)中是最好。銅材質(zhì)冷卻壁一代服役后，其綜合力學(xué)性能，無論是平均抗拉強(qiáng)度還是延伸率均在5種材質(zhì)中最好。經(jīng)解剖的耐熱鑄鐵冷卻壁，其肋面有12mm寬沿長度方向上的貫通裂縫，深120mm，固定螺栓處周邊也有應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂縫，與HT、QT、ZG裂縫情況完全類同，均為熱交變產(chǎn)生的熱疲勞和熱應(yīng)力導(dǎo)致。而銅冷卻壁則完全沒有熱面微裂紋和裂縫，說明鐵基材質(zhì)的冷卻壁盡管冷態(tài)下的材料極限抗拉強(qiáng)度較銅材質(zhì)大，但因銅材質(zhì)的導(dǎo)熱性能和延展性能最好，故鐵基材質(zhì)的冷卻壁在一代服役中的抗熱沖擊性能比銅材質(zhì)要差很多。
微觀破損機(jī)理分析
在對某鋼企使用的耐熱鑄鐵和國內(nèi)其他大鋼企高爐分別使用的HT、QT和ZG材質(zhì)制作的冷卻壁全部進(jìn)行了解剖研究后，研究者對鐵基材質(zhì)冷卻壁壁體破損的微觀機(jī)理已經(jīng)有了比較完整的認(rèn)識。
對鐵基材質(zhì)的冷卻壁，由于冷卻壁鑄體中含有C、Si、Mn等元素，在風(fēng)口帶爐腹段有氧化性氣氛存在的條件下，它們會與CO2和H2O或某些氧化物發(fā)生氧化蝕損反應(yīng)，致使壁體熱面逐層產(chǎn)生孔洞和裂紋，疏松質(zhì)地，從而劣化壁體力學(xué)性能。
由此可見，壁體材質(zhì)劣化的主要原因是侵入壁體高溫煤氣中的CO2和H2O（g），它們與壁體中的石墨C、Si、Mn等元素的反應(yīng)在大于709℃的高溫下反應(yīng)迅速，壁體的熱應(yīng)力裂縫和裂紋以及石墨C等元素氧化后留下的孔洞和空間會加劇高溫煤氣的侵入，發(fā)生壁體的氧化劣化。故從冷卻壁長壽的角度，不希望熱面工作溫度過高。
使用含有Cr、Ni等合金元素的鑄鐵材質(zhì)制作的耐熱鑄鐵冷卻壁，雖然Cr、Ni元素的加入有利于形成熱面致密氧化膜從而提高壁體的抗氧化劣化能力，但上述破損機(jī)理仍不會改變。
壁內(nèi)水管的成垢機(jī)制
鐵基材質(zhì)冷卻壁目前均為鑄造制作，壁內(nèi)水管大多使用20號無縫鋼管。國內(nèi)對高爐冷卻壁內(nèi)水管結(jié)垢的成垢機(jī)理先前并沒有深入研究，普遍誤認(rèn)為管內(nèi)的垢物是鈣鎂鹽類沉淀，因而為了避免管內(nèi)成垢，在冷卻水質(zhì)的改善上下了很多功夫。從開路循環(huán)水到預(yù)處理水，后來發(fā)展到軟水密閉循環(huán)，再后來又使用純水密閉循環(huán)。這樣的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)投資和管理的工作量都是很大的。
然而，研究者通過近十多年對服役后冷卻壁的解剖研究發(fā)現(xiàn)，不管使用何種水質(zhì)，不管高爐容積大小，冷卻壁經(jīng)一代服役后，水管內(nèi)的結(jié)垢都是不可避免的。而且垢物的主要組成并非鈣鎂鹽類而主要是鐵氧化物。成垢的機(jī)理主要是鋼質(zhì)水管與冷卻水之間發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。這就從根本上揭示了鐵基材質(zhì)冷卻壁內(nèi)水管成垢的微觀機(jī)理，為高爐冷卻壁內(nèi)水管的緩結(jié)垢改進(jìn)技術(shù)開辟了新的道路，并提供了理論依據(jù)。
換言之，高爐大修設(shè)計時選用軟水甚至純水這樣一代投資量和管理量都很大的冷卻水系統(tǒng)是否合理，應(yīng)當(dāng)重新審視。
研究表明，結(jié)垢是導(dǎo)致高爐中晚期冷卻壁快速破損的主要原因。以QT材質(zhì)冷卻壁為例，其水垢的導(dǎo)熱系數(shù)在1.6W/(m·k)～1.8W/(m·k)，而QT的導(dǎo)熱系數(shù)則在29.1W/(m·k)～34.9 W/(m·k)，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅為QT的1/24～1/30。根據(jù)實驗，壁內(nèi)水管形成1mm厚的垢，換熱量會下降85%左右，傳熱效果急劇惡化，會對冷卻壁造成50℃～100℃的溫升。因此，高爐中晚期因水垢已逐漸增厚，極易造成冷卻壁局部過熱而導(dǎo)致燒損。
冷卻壁破損的主要成因
近十多年來，研究者通過對國內(nèi)一些大鋼企高爐一代服役后4種鐵基材質(zhì)和銅材質(zhì)冷卻壁的解剖研究和5次高爐扒爐調(diào)查等系統(tǒng)科研工作，對冷卻壁生產(chǎn)期中的各種破損成因進(jìn)行了歸納總結(jié)。
這9種情況，有3種（1、2、3）與壁體熱態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，是可控制的。有2種（6、7）與壁內(nèi)水管結(jié)垢和滲碳有關(guān)，雖較難控制但仍屬于可控制的。還有4種（4、5、8、9）與壁體的惡劣工況有關(guān)，是不可控制的。
冷卻壁服役中的破損，受設(shè)計、制作、安裝和生產(chǎn)維護(hù)4四個環(huán)節(jié)決定和影響。上述9種成因只針對生產(chǎn)服役期。如果在設(shè)計、制作和安裝這前3個環(huán)節(jié)上已留下不合理情況或缺陷，生產(chǎn)服役期中冷卻壁的破損速度就會更快，破損數(shù)量會更大。
綜合性能評價
系統(tǒng)的灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、銅和耐熱鑄鐵5種材質(zhì)冷卻壁的解剖研究結(jié)果表明，評價不同材質(zhì)冷卻壁的綜合性能，應(yīng)從冷卻壁主要作為高爐爐內(nèi)熱量向外傳遞并承受高爐內(nèi)高溫、渣鐵、煤氣、爐料沖刷等特殊物理和化學(xué)工況條件出發(fā)，綜合考察其導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能、易加工性能、抗結(jié)垢性能和經(jīng)濟(jì)性能這5個方面的因素。
從各材質(zhì)冷卻壁綜合性能比較看，耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁的導(dǎo)熱性能和經(jīng)濟(jì)性能與鑄鋼相近，但力學(xué)性能較鑄鋼要差。此次解剖研究中發(fā)現(xiàn)的壁體開裂和一代服役后的抗拉強(qiáng)度、延伸率測試結(jié)果都證實了這點。銅材質(zhì)雖力學(xué)性能指標(biāo)相對較低，但其導(dǎo)熱系數(shù)大因而傳熱效果好的優(yōu)點完全可使冷卻壁工作狀態(tài)下的熱面溫度較低，有利于形成渣皮，不易發(fā)生壁體燒損，其綜合性能是5種材質(zhì)中最好的。唯一的缺憾是單位制作成本高，若大面積使用，會使一代高爐大修的一次性投資增加許多。即使考慮銅冷卻壁一代服役后可重熔再加工制作使用，其絕對加工費用也要2.5萬元/噸左右，故各煉鐵廠應(yīng)根據(jù)自身實際選用冷卻壁的制作材質(zhì)。此外，對2500立方米甚至是4000立方米以下的新建高爐，不建議選用一代投資和管理工作量都很大的軟水或純水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，而是建議選用一代投資和運營成本都比較低的預(yù)處理水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。