高炉铸钢冷却壁的应用实践

2020-08-18赵奇强范川泽刘圣国孙华平

天津冶金 2020年4期

赵奇强，范川泽，刘圣国，孙华平

（1.中冶华天工程技术有限公司，江苏210019；2.福建三钢集团罗源闽光钢铁有限责任公司，福建350600）

0 引言

目前高炉使用的冷却壁主要分为铸铁冷却壁、铸钢冷却壁和铜冷却壁，铸铁冷却壁应用最早，但由于其综合物理性能较差，在炉腹至炉身下部工况比较恶劣的部位损坏较为严重，随后发展出的铸铜和轧制铜冷却壁，由于其超高的导热能力，可使液态渣铁在其表面迅速凝结成渣皮保护层，而完全胜任在该部位的工作。但由于铜高昂的价格，使铜冷却壁一直未能在中小型高炉中广泛应用，因此开发一种介于铸铁和铜冷却壁之间的产品变得尤为重要。

铸钢冷却壁壁体材质为ZG230-450，价格远低于铜，具有良好的力学性能，其韧性、抗拉强度、熔点及抗热震性能均优于铸铁冷却壁，而且铸钢冷却壁壁体材质与冷却水管材质相近，没有防渗碳层和间隙层，使得铸钢冷却壁的综合导热能力较铸铁冷却壁有很大提升。因此，国外早在1982 年就开始研究开发铸钢冷却壁以在关键部位取代铸铁冷却壁，国内在“八五”和“九五”期间开始对铸钢冷却壁进行了实验性应用[1]，取得良好的效果，现已广泛应用于炉腹到炉身中下部区域。截止2018 年，中冶华天已在国内外30 余座高炉设计了铸钢冷却壁，大多数高炉应用效果良好，一代炉龄甚至一块冷却壁都未损坏。

1 铸钢冷却壁的优势

铸钢冷却壁主要的优点主要有两个方面，一是铸钢冷却壁壁体材质的性能，二是冷却水管与壁体熔合后的综合导热性能。

1.1 铸钢冷却壁壁体材质的性能优势

铸钢冷却壁壁体为低碳钢，相对于铸铁和铜的冷却壁在物理性能上有其特别的优势，三者物理性能对比详见表1。

由表1 可见，在抗拉强度、伸长率和熔点方面,铸钢冷却壁性能优于铸铁，铸铁优于铜；在导热系数和抗热疲劳方面，铜冷却壁性能大大优于铸钢，铸钢优于铸铁；在硬度方面铸铁冷却壁与铸钢接近，但大大优于铜。

表1 不同冷却壁壁体物理性能表

抗拉强度决定了材料在热应力作用下变形量的大小，冷却壁壁体抗拉强度越大，其变形量越小，对冷却水管的影响也就越小。伸长率和抗疲劳决定了材料在高温及温变过程中保持材料整体性能，尤其是不开裂的能力。硬度决定了材料的耐磨能力。导热系数决定了材料的传热能力，导热系数越高，冷却壁的结渣能力越强，在高炉熔融带，渣皮是冷却壁自我保护的最有效手段。熔点决定了材料的工作部位，高炉炉腹、炉腰和炉身下部热负荷较大，在该部位工作的冷却壁必须要具有较高的熔点或高导热系数。

综合而言，铸钢冷却壁壁体材质除在导热系数及抗热疲劳方面低于铜冷却壁，其综合物理性能优于铸铁冷却壁，而且铸钢壁体内外成分基本无偏析，无相变生长，特别是低碳钢具有特别地屈服现象，延伸率随着温度的升高而增加，它可使局部的热应力重新分布，使应力集中处得到松驰，大大减缓了各种应力的破坏作用[2]。

1.2 冷却水管与壁体熔合后的综合导热性能优势

铸钢冷却壁与铸铁冷却壁在结构上最大的区别是铸钢冷却壁壁体与水管之间为适度熔合，没有铸铁冷却壁壁体和水管之间的防渗炭层和气隙层。图1 铸钢冷却壁剖面，图2 铸铁冷却壁剖面。

图1 铸钢冷却壁剖面

图2 铸铁冷却壁剖面

从剖面图可以看出，铸钢冷却壁壁体与水管结合为一体，铸件剖面较光滑，铸铁冷却壁壁体与水管间有明显的分界，铸件剖面较粗糙。这是因为冷却壁多采用20#钢水管，其含碳量与铸铁不同，为了防止壁体向水管渗碳，在水管表面需喷涂0.1～0.2 mm 的防渗炭涂料，浇注时因水管与壁体温度和线膨胀率不同，以及喷涂料的收缩，在壁体和防渗炭涂料之间还会产生0.1～0.2 mm 的气隙层。就是因为气隙层和防渗碳层的存在，产生了巨大的热阻，使铸铁冷却壁的综合导热能力远远落后于铸钢冷却壁，不同冷却壁导热性能对比见表2。

由表2 可知，制约球墨铸铁冷却壁导热的关键环节在于间隙层导致的热阻，该部分热阻占整个铸铁冷却壁热阻的75%；制约铜冷却壁导热的关键环节在水流和水管间的对流换热热阻，该部分热阻占铜冷却壁总热阻的80%；制约铸钢冷却壁导热的关键环节在壁体导热热阻，该部分热阻占铜冷却壁总热阻的60%[3]。

表2 不同冷却壁导热性能性能对比表

2 铸钢冷却壁的主要问题

铸钢冷却壁限制性环节主要在于其铸造工艺，主要有两个难点：

（1）铸钢浇注温度高，铁水流动性差。铸件铁水的流动性与其含碳量相关，含碳量越高流动性越好，铸钢冷却壁含碳量较低，其浇注铁水流动性不如铸铁冷却壁，在浇注密排水管冷却壁时需添加轻稀土和提高浇注温度来提高其流动性。

（2）铸钢壁体与水管熔合率和熔合度较难把握。铸钢冷却壁的浇注温度约为1 560 ℃，高于铸铁约240 ℃，浇注时对温度控制以及水管冷却剂要求较高。浇注温度低时，壁体和水管不能熔合或融合率低；温度高时，壁体和水管熔合过度，使水管失去轧制钢管优良的物理性能，导致水管变脆失去变形能力，冷却壁壁体变形时连带水管变形开裂。作者曾亲临现场调研漏水铸钢冷却壁，根据现场打压和观察，认为漏水原因多为壁体与冷却水管过度熔合导致水管本身失去强度所致。

3 铸钢冷却壁的使用效果

目前，铸钢冷却壁在国内各钢厂上百座高炉得到应用，大多应用效果良好，但也有少数高炉铸钢冷却壁出现了漏水，其主要原因是目前国内铸造厂铸造水平参差不齐，有些铸造厂并未真正掌握铸钢冷却壁铸造工艺技术，作者曾在验收冷却壁时发现有铸造厂浇注时将水管弯头部分熔穿的现象，也有部分原因为高炉炉况和操作导致。但瑕不掩瑜，国内已有一些铸造厂熟练掌握了铸钢冷却壁的铸造工艺，铸钢冷却壁作为一个升级换代的产品，从无到有，从有到普及，得到了发展。

中冶华天自2004 年在杭州钢铁2#高炉设计使用铸钢冷却壁，到现在已在马钢、三钢、中天、杭钢、长江钢厂、龙腾特钢和天钢联合等30 余座高炉使用铸钢冷却壁，除三钢6#高炉炉身中部铸钢冷却壁自投产后2 年开始出现大面积损坏外，其它高炉均使用情况良好，尤其是中天、杭钢、龙腾特钢和天钢联合等自投产至今几乎未损坏一块铸钢冷却壁，壁体温度长期稳定。图3 为某钢厂对炉腹、炉腰和炉身下部铸钢冷却壁1 年的壁体温度记录，炉腹冷却壁壁体温度介于60～80 ℃之间，炉腰冷却壁壁体温度基本在75～90 ℃之间，炉身下部冷却壁壁体温度基本介于90～110 ℃之间，以上温度反应出铸钢冷却壁出色的导热能力。

图3 铸钢冷却壁使用温度

图4为某钢厂大修停炉后铸铁冷却壁和铸钢冷却壁使用对比图，炉身中部的铸铁冷却壁壁体基本消失，仅残存冷却水管，炉身下部的铸钢冷却壁完好无损，反应出铸钢冷却壁的机械性能在面对复杂的炉况条件时具有的强大优势。图5 为杭钢2#高炉第一炉役结束后铸钢冷却壁使用情况，该高炉第一代炉役9 年，风口以上共使用4 层铸钢冷却壁，无一损坏，说明铸钢冷却壁完全可以满足高炉长寿化需要。