CN106319118A - 一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法，用于有效保护高炉铜冷却壁。该方法包括：高炉铜冷却壁热面温度计算系统，可以得到高炉铜冷却壁的热面温度；高炉铜冷却壁热面渣皮厚度判断系统，可以判断是否需要迅速建立一定厚度的渣皮来保护铜冷却壁；高炉铜冷却壁制冷系统，强制冷却需要保护的高炉铜冷却壁，使铜冷却壁热面迅速建立起有效的渣皮；通风和净化装置及控制系统，负责完成整个系统的通风散热以及冷却介质的液化循环过程。相比于现有技术，本发明缓解了以往高炉铜冷却壁破损较快和不易更换的矛盾，进而提高高炉一代炉役。而且，本发明可以减少高炉铜冷却壁渣皮的异常脱落带来的高炉炉缸温度波动，保障了高炉长期稳定顺行。

Description

一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法

技术领域

本发明涉及高炉长寿技术，尤其是一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法，属于冶金领域。

背景技术

高炉工序能耗约占钢铁工业总能耗的60％，是钢铁工业的能耗大户，其节能增效潜力巨大。高炉从前期的投资建设到后期的冶炼生产，再到期间的中修、大修，高炉维修投资巨大。因此国内外各钢铁企业都通过提高高炉的利用系数、强化冶炼等手段来挖掘高炉的潜力以使高炉的效益最大化，但这样就不可避免增大了高炉高热负荷区域的负担，甚至会使高炉的使用寿命大大降低，如何充分发挥高炉的生产能力又不减少高炉的寿命是摆在炼铁行业面前的一道难题。就高炉长寿而言，主要的限制性环节在高炉高热负荷区域，其中包括炉腹、炉腰及炉身下部区域。原有的铸铁冷却壁很难达到上述这些高效、长寿的目标。多次工业性试验表明：铜冷却壁在高炉上的使用效果十分理想。因此，在炉身下部炉腰和炉腹高热负荷区域现代高炉普遍采用铜冷却壁冷却技术。近10年来世界上许多高炉使用了铜冷却壁，可以说冷却壁的寿命直接决定着高炉的使用寿命。根据铜材质要求其热面温度小于230℃，铜冷却壁热面需要有一层渣皮保护层，渣皮厚度适当而且要稳定，能够减少铜冷却壁区域热损失和保持合理操作炉型。由于现代大型高炉采用“高利用系数、低焦比、大喷煤、长寿命”操作方针，当喷煤量接近180kg/t后，炉腹、炉腰、炉身下部成为极端高热负荷区，处于软熔带生成范围内，受到高温高速煤气流冲刷，热流强度大，温度变化大，铜冷却壁热面渣皮容易脱落，而高炉铜冷却壁热面附近又是一个高温、高压、高腐蚀性、高热振的恶劣的区域，如果没有良好的渣皮保护，铜冷却壁的使用寿命将大打折扣，进而不能满足现代大高炉连续安全生产的要求。

专利《高炉冷却壁智能监测方法》(公开号CN 101319256A，公开日2008年12月10日)文本中，应用对象是高炉铸铁冷却壁，使用非线性回归方式提炼出传热核心模型，结合核心模型与人工神经网络得出冷却壁热面最高温度值的检测模型并形成监测软件，主要解决的问题是监测铸铁冷却壁的工作状态，保证铸铁冷却壁的安全性，并没有涉及高炉铜冷却壁和高炉内型的监测。

专利《一种测量高炉炉衬的方法》(公开号CN 101275829A，公开日2008年10月1日)文本中，用热电偶检测的数据推算出高炉炉缸侵蚀厚度的方法，实施区域为高炉下部炉缸区域，并未涉及对高炉高热负荷区炉内渣皮厚度和高炉内型的监测。

发明内容

本发明正是为了解决背景技术中提到的不足，综合考虑高炉铜冷却壁特点和高炉操作的现实情况，设计一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法，缓解了以往高炉铜冷却壁破损较快和不易更换的矛盾。使用该方法可以快速在炉缸内衬减薄区域建立保护壳，从而起到减缓高炉炉身侵蚀和提高高炉寿命的作用。

本发明设计一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法，包含以下步骤：

1、高炉铜冷却壁热面温度计算系统，根据高炉铜冷却壁结构形式、热电偶安装位置和数量、高炉铜冷却壁冷却形式，使用高炉铜冷却壁传热计算模型来计算高炉铜冷却壁热面温度；

2、高炉铜冷却壁热面渣皮厚度判断系统，根据高炉铜冷却壁传热计算模型计算出的高炉热面温度和渣皮导热系数等综合计算高炉铜冷却壁热面的渣皮剩余厚度，然后由高炉容积和结构选择合理的渣皮允许最薄厚度，确定高炉铜冷却壁热面渣皮厚度是否已经薄到低于允许的最薄厚度或者已经完成脱落，来决定是否需要迅速建立一定厚度的渣皮来保护铜冷却壁；

3、高炉铜冷却壁制冷系统，当铜冷却壁热面的渣皮厚度低于允许的最薄厚度迅速将冷却介质由除盐水或者软水切换到包括液态氟利昂在内的速冷介质，随着液态氟利昂等制冷剂的快速气化，强制冷却需要保护的高炉铜冷却壁，使高炉铜冷却壁热面迅速建立起有效的渣皮保护；

4、通风和净化装置及控制系统，负责完成整个系统的通风散热以及冷却介质的液化循环过程，可以使在铜冷却壁冷却管路中气化的制冷剂迅速液化。压缩机将铜冷却壁内的气态制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂，然后送到冷凝器散热后成为常温高压的液态制冷剂经过滤后重新循环到铜冷却壁中使用；

5、重复步骤1、步骤2，如果铜冷却壁热面渣皮厚度满足保护铜冷却壁的最低要求，同时停止执行步骤3、步骤4，随即将冷却介质切回到原有冷却剂，高炉铜冷却壁恢复正常冷却和运行。

本发明有以下特点和有益效果：

1)缓解了以往高炉铜冷却壁破损较快和不易更换的矛盾。使用该方法可以快速在炉缸内衬减薄区域建立保护壳，从而起到减缓高炉炉身侵蚀和提高高炉寿命的作用。

2)减少高炉铜冷却壁渣皮的异常脱落，以及渣皮脱落带来的高炉炉缸温度波动，保障了高炉长期稳定顺行。

具体实施方式

下面结合具体实施例来说明本发明：

以国内某3200m³高炉为例，使用本方法对高炉铜冷却壁实施保护，包含以下步骤：

1、高炉铜冷却壁热面温度计算系统，根据高炉铜冷却壁结构形式、热电偶安装位置和数量、高炉铜冷却壁冷却形式等，使用高炉铜冷却壁传热计算模型来计算高炉铜冷却壁热面温度。

高炉铜冷却壁物理结构如下，长度1800～3200mm，厚度125mm，热面加工多个燕尾槽，用于稳定碳砖，燕尾槽间距104mm，燕尾槽深度35mm、燕尾槽宽度50mm，加工燕尾槽，每块有4通道Ф50mm通水管,水流速稳定在2.0m/s，冷却水入口温度、出口温度设有电偶在线检测。一块铜冷却壁有2支电偶检测温度变化，壁体检测电偶深入壁体一半(x1＝47.5mm)。筋肋检测电偶深度相对较深(x2＝90.5)。在得到冷却水进出口温度、检测点热电偶温度、铜冷却壁物理结构参数前提下，就可以根据2维传热模型计算铜冷却壁热面温度。

可以把整块冷却壁传热划分为二部分，一部分为筋肋，认为材质单一；另一部分是铜与耐火材料组合。整块冷却壁的热流强度q可以利用冷却水参数计算：

$q=\frac{\mathrm{cm}(t_o-t_i)}{F}$

式中：q为整块冷却壁的热流强度，kW/m²；c为冷却水比热容，kJ/(kg·℃)；m为单位时间内冷却水流量，kg/s；t_o为冷却水出水温度，℃；t_i为冷却水进水温度，℃；F为铜冷却壁表面积，㎡。

筋肋热流强度q₁计算如:

$q_1=\frac{\mathrm{\λ}(t_{x2}-t_2)}{{\mathrm{\Δx}}_2}$

式中：q₁为筋肋热流强度，kW/m²；λ为铜冷却壁导热系数，W/(m·℃)；t_x2为铜冷却壁热面温度，℃；t₂为插入筋肋热电偶的温度值,℃；Δx₂为热面与热电偶的距离，m。

铜与耐火材料组合部分热流强度q₂计算如式:

$q_2=\frac{t_{x1}-t_i}{\frac{2b}{\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{{\mathrm{al}}_1}{\mathrm{\π\λd}}+\frac{l_1}{\mathrm{\πd\α}}}$

式中：q₂为铜与耐火材料组合部分热流强度，kW/m²；t_x1为镶嵌耐火材料热面温度，℃；b为镶嵌耐火材料厚度，m；λ₁为镶嵌耐火材料导热系数，W/(m·℃)；a为铜冷却壁壁体厚度一半，m；l₁为冷却壁内水管间距，m；d为冷却水管直径，m；α冷却水传热系数，W/(㎡·℃)；

在实际工程中我们认为整块冷却壁的热流强度为二部分热流强度的平均值，所以整块铜冷却壁热流强度q也可以表述为:

$q=\frac{q_1+q_2}{2}$

由于t_x1和t_x2反映的是纵向距离非常近的两点的温度值，又同时处于铜冷却壁的热面，因此，此处取t_x1＝t_x2，故联立以上各式，最终推算出t_x1和t_x2，如下式：

$\begin{array}{c}{t}_{x1}=t_{x2}=\\ \frac{2\frac{\mathrm{cm}(t_o-t_i)}{F}\·\frac{{\mathrm{\Δx}}_2}{\mathrm{\λ}}(\frac{2b}{\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{{\mathrm{al}}_1}{\mathrm{\π\λd}}+\frac{l_1}{\mathrm{\πd\α}})+t_2(\frac{2b}{\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{{\mathrm{al}}_1}{\mathrm{\π\λd}}+\frac{l_1}{\mathrm{\πd\α}})+t_i\frac{{\mathrm{\Δx}}_2}{\mathrm{\λ}}}{(\frac{2b}{\mathrm{\λ}+{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{{\mathrm{al}}_1}{\mathrm{\π\λd}}+\frac{l_1}{\mathrm{\πd\α}})+\frac{{\mathrm{\Δx}}_2}{\mathrm{\λ}}}\end{array}$

2、高炉铜冷却壁热面渣皮厚度判断系统，根据高炉铜冷却壁传热计算模型计算出的高炉热面温度和渣皮导热系数等综合计算高炉铜冷却壁热面的渣皮剩余厚度，然后由高炉容积和结构选择合理的渣皮允许最薄厚度，确定高炉铜冷却壁热面渣皮厚度是否已经薄到低于允许的最薄厚度或者已经完成脱落，是否需要迅速建立一定厚度的渣皮来保护铜冷却壁；在求得铜冷却壁热面温度和热流强度的情况下，以1150℃为渣皮凝固边界温度条件，根据包括铜、渣皮等物质的物性值就可以根据传热模型反推出渣皮剩余厚度Δx₁：

$q=\frac{{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\Δx}}_1}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2(t-t_x)}{{\mathrm{\Δx}}_1}$

${\mathrm{\Δx}}_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_2(t-t_x)}{q}$

式中，λ₂为渣皮导热系数，W/(m·℃)；△t为渣皮冷热面温度差，℃；t为渣皮凝固边界温度，℃；t_x为铜冷却壁热面温度即渣皮冷面温度，℃；Δx₁铜冷却壁热面渣皮剩余厚度，m。

假定合理的渣皮允许最薄厚度为e，如果Δx₁<e，则需要迅速建立一定厚度的渣皮来保护铜冷却壁；本例中，e为20mm。

3、高炉铜冷却壁制冷系统，根据铜冷却壁热面的渣皮厚度判断情况迅速将冷却介质由除盐水或者软水切换到包括液态氟利昂在内的速冷介质，随着液态氟利昂等制冷剂的快速气化，强制冷却需要保护的高炉铜冷却壁，使高炉铜冷却壁热面迅速建立起有效的渣皮保护；

4、通风和净化装置及控制系统负责完成整个系统的通风散热以及冷却介质的液化循环过程，可以使在铜冷却壁冷却管路中气化的制冷剂迅速液化。压缩机将铜冷却壁内的气态制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂，然后送到冷凝器散热后成为常温高压的液态制冷剂经过滤后重新循环到铜冷却壁中使用。

5、重复步骤1、步骤2，如果铜冷却壁热面渣皮厚度满足保护铜冷却壁的最低要求，同时停止执行步骤3、步骤4，随即将冷却介质切回到原有冷却剂，高炉铜冷却壁恢复正常冷却和运行。

Claims (2)

1.一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法，其特征在于包含以下步骤：

1)高炉铜冷却壁热面温度计算系统，根据高炉铜冷却壁结构形式、热电偶安装位置和数量、高炉铜冷却壁冷却形式，使用高炉铜冷却壁传热计算模型来计算高炉铜冷却壁热面温度；

2)高炉铜冷却壁热面渣皮厚度判断系统，根据高炉铜冷却壁传热计算模型计算出的高炉热面温度和渣皮导热系数综合计算高炉铜冷却壁热面的渣皮剩余厚度，然后由渣皮允许最薄厚度确定高炉铜冷却壁热面渣皮厚度是否已经薄到低于允许的最薄厚度或者已经完成脱落，来决定是否需要迅速建立一定厚度的渣皮来保护铜冷却壁；

3)高炉铜冷却壁制冷系统，当铜冷却壁热面的渣皮厚度低于允许的最薄厚度迅速将冷却介质由除盐水或者软水切换到包括液态氟利昂在内的速冷介质，随着液态氟利昂等制冷剂的快速气化，强制冷却需要保护的高炉铜冷却壁，使高炉铜冷却壁热面迅速建立起有效的渣皮保护；

4)通风和净化装置及控制系统，负责完成整个系统的通风散热以及冷却介质的液化循环过程，可以使在铜冷却壁冷却管路中气化的制冷剂迅速液化；压缩机将铜冷却壁内的气态制冷剂压缩为高温高压的气态制冷剂，然后送到冷凝器散热后成为常温高压的液态制冷剂经过滤后重新循环到铜冷却壁中使用；

5)重复步骤1、步骤2，如果铜冷却壁热面渣皮厚度满足保护铜冷却壁的最低要求，同时停止执行步骤3、步骤4，随即将冷却介质切回到原有冷却剂，高炉铜冷却壁恢复正常冷却和运行。

2.根据权利要求1所述的一种延长高炉铜冷却壁使用寿命的方法，其特征在于渣皮允许最薄厚度10-50mm。