有色冶金炉窑中的水冷技术

李 栋

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 引言

随着有色冶金企业规模的扩大，有色冶金炉尺寸也越来越大，停炉检修一次就要数月的时间，不仅要消耗大量的耐火材料、人力、财力，而且对产量、企业的生产以及经营管理也会造成极大影响。因此保证有色冶金炉安全运行、提高炉寿，对各企业都有着重要意义。

如何提高炉衬寿命的理念已有新变化。早些年主导思想是采用耐高温、耐腐蚀的高级耐火材料抵抗恶劣的工况，延长寿命。然而，随着工艺装备的大型化，冶炼过程的强化，即便采用性能优越的耐火材料，也难以抵挡高温侵蚀与机械冲击，炉衬寿命成为制约新工艺与新装备发展的关键环节。近年来，冶金炉窑的水冷技术得到迅猛发展。水冷技术是利用水的高效换热，使炉衬内表面冷却到渣熔点以下，其表面上挂上一层渣壳，使耐火材料不再继续损坏，大幅度提高了炉寿命。所以有种说法，“水是最好的耐火材料”。对炉衬冷却最常用也是最有效的办法，就是采用水套冷却。

1 常用水套类型

1.1 分类

(1)按制作水套的材质，常用冷却水套类型可分为铸铁质、钢质、铜质冷却水套。

(2)按水套制作方法，常用冷却水套类型可分为铸造式、焊接式、钻孔式冷却水套。

1.2 有色冶金炉常用水套

(1)铜水套。主要用于闪速炉、顶吹炉、电炉、三菱炉、基夫赛特炉、侧吹炉、烟化炉等。

(2)钢水套。用于阳极炉炉口、鼓风炉、烟化炉、转炉烟罩等部位。

(3)炉壳外喷淋冷却或炉壳外封闭水路冷却。用于一些顶吹炉。

1.3 水套材料的热导率

由表1可以看出，铜的导热性好，冷却效果好，所以得到了越来越广泛的应用。本文重点介绍铜水套的设计。

表1 不同温度下金属材料的热导率[W/m·K]

2 铜水套

2.1 铜水套的特点

(1)导热性好，冷却强度大。此特性使铜水套热面保持较低的温度，当热流强度不超过100 kW/m2时，水套热面温度不超过80 ℃。

(2)耐侵蚀性好，抗热冲击能力强。由于铜水套具有良好的导热性，砖体热面温度降到渣熔点以下，在其表面形成渣壳；一旦渣层脱落，铜水套可以承受300 kW/m2热流强度的短时间冲击，此时水套热面温度只有200 ℃左右，强烈的冷却作用会使砖的热面很快重新挂上渣壳，继续保护炉砖。铜水套已成为有色冶金装备中不可替代的冷却构件。

2.2 铜板钻孔水套

采用轧制铜板，以机械钻孔的方式加工水路而制成的水套称之为铜板钻孔水套。图1为一块铜板钻孔水套。

轧制铜板技术指标：

化学成分 Cu+Ag≥99.95%

密度 8.95 g/cm3

抗拉强度σb>200 MPa

导热率 >360 W/m·K

制造技术要求：

水道中心线偏差 ±1.0 mm

水套厚度偏差 ±0.5 mm

长度、宽度尺寸偏差 ±1.5 mm

水道内不得残留任何异物；

水压试验，按具体要求，一般>0.6 MPa。

钻孔水套制造的难点，是工艺孔的密封。密封处是钻孔水套最容易发生渗漏的地方。图1所示的工艺孔密封结构是一种常用的结构，由三道密封构成，即过盈配合、金属缠绕垫圈以及丝堵与铜板的焊接。紫铜的焊接技术性很强，在水套长期使用过程中，在热应力和机械应力的作用下，焊缝容易开裂，工艺孔密封会被破坏，发生水的渗漏。钻孔水套的水路一般是圆孔，也可以加工成扁圆孔。采用扁圆孔水道可增加冷却面积，提高冷却效果，但加工量大，只能用于单通道水路。

图1 铜板钻孔水套

铜板钻孔水套的水路由垂直交汇的钻孔构成，水流阻力大；同时由于只能钻直孔，所以形状复杂、须弯曲水路的水套就难实现。

2.3 纯铜铸造水套

采用纯铜铸造水套，水套的形状、水路的布置不受限制，没有“工艺孔”的密封问题，制造费用也相对比较便宜，所以得到了越来越广泛的应用。铸造铜水套水道是埋入的钢管或纯铜管。埋入的管道可以是普通不锈钢管、白铜管或铜镍合金管，这些合金管耐温高，铸造时不易被熔穿，但是其导热率很低，只有20～30 W/m·K，这样等于在冷却水和铜块之间设了一个隔热层，从而使水套导热率大大降低。20世纪80年代开始，国内一些厂家开始研究开发埋铜管纯铜铸造水套，铸造后埋入铜管外壁与母材熔融在一起，但又不能熔透，铜管与母材成为了一个整体，保证了铜水套的高导热率。埋铜管纯铜铸造水套制造难度很大，但又不能加入能改善铜水流动性的其他金属，如Pb、Zn、Sn，因为这些金属的加入，哪怕是少量的，都会导致导热率大大下降，所以必须用纯铜铸造。

铸造铜水套技术指标：

铜含量 >99.5%

密度 8.85 g/cm3

抗拉强度σb170 MPa

导热率 >320 W/m·K

铜管与母材熔合率 >95%

铸造铜水套的导热率比铜板轧制水套稍低，但完全能满足冶金炉窑对冷却强度的要求。图2是普通的铸造铜水套。

图2 普通铸造铜水套

制作技术要求主要包括：

(1)用不低于T3的纯铜铸造，紫铜管材质不低于T2且为整根铜管，成品水套母材含铜≥99.5%，铸件母材与铜管之间的熔合率>95%，铜管不得熔穿，铸后要进行超声检查；

(2)水套制成后，要用1 MPa的压力进行水压试验，必要时还可以做气密性试验；

(3)水路要进行直径不小于通径75%的钢球进行通球试验。铸造铜水套可以根据不同部位设计成不同形状的水套，图3、图4为两个特殊设计的水套。

图3 扇形铸造铜水套

图4 T形铸造铜水套

2.4 铜水套设计

(1)结构设计。首先根据水套的安装部位，确定水套的形状和尺寸。

(2)确定材质和厚度。选择铸造水套或铜板钻孔水套。水套的厚度决定于水套受力状况和安全壁厚，水套壁厚一般要大于20 mm。

(3)水路设计及冷却水量的确定。确定水路的直径、走向、水路总长。水套应满足所在部位对冷却强度的要求，并考虑可能出现的短时热流冲击。

有色冶金炉用铜水套，一般热流强度不超过40～60 kW/m2，局部区域或短时的热流冲击为80～100 kW/m2(具体取值与实际的使用情况如挂渣厚度等有关)。按40 kW/m2计算，冷却水需带走的热量～142 000 kJ/h·m2。根据公式Q=m×CP×Δt，取进出水温差Δt=10 ℃，则可算出需要的冷却水量为3 400 kg/h·m2。冷却水通过水路中的传热面获取热量，传热量的计算公式为：

Q=K×F×Δtm

(1)

式中Q—流体的传热量，kW；

K—流体与管壁紊流换热系数，kW/m2·K；

F—水路换热面积，m2；

Δtm—水与水套体之间的平均温度差，℃。

K受多因素影响：

(2)

式中C—系数；

λ—流体的热导率，W/m·K；

CP—流体的定压质量热容，J/kg·K；

ρ—流体的密度，kg/m3；

μ—流体的动力粘度，kg/m·s；

V—管内平均水速，m/s；

d—通道水力学直径，m；

对于水在管内流动时，可用简化公式计算：

(3)

由上述公式可以看出：

(1)提高水速可以增加传热。一般水速在1～1.5 m/s，更高的水速对提高传热系数的作用不大，相反大大增加了水的消耗和阻力损失，造成水资源和能源的浪费，生产成本增加。(2)水温和温差对传热系数也有影响。进水温度一般取决于自然条件，而温差取决于冷却强度和流量，一般计算温差取～10 ℃，局部或短时大的热流冲击时温差可达20 ℃。计算温差太小，则水量加大，增加了水的循环量，增加了动力消耗。(3)水路直径与长度。水路直径和长度决定于换热面积的大小，换热面积小了直接影响传热量。适当增大水路通径，或者将圆形孔变为长圆孔，适当增加水路长度，可以达到增大换热面的目的。

(4)应用实例

①E形水套。该水套用于闪速炉反应塔下沉淀池侧墙，如图5所示。特点：平水套与立水套组合体，平水套、立水套部分均有冷却水路，对炉墙砖有很好的冷却效果。

图5 E形水套

②齿形水套。用于闪速炉反应塔下部，如图6所示。双水路冷却，对墙砖冷却效果好，热面易形成渣壳，抗冲刷性能好。

图6 齿形水套

3 其他型式的水套

铜不但具有良好的导热性能，而且具有很好的加工性能，可根据需要和条件设计出各种各样的铜水套。

(1)华夫水套。所谓华夫水套，就是热面布置有若干纵横交错“华夫”块的铜水套，华夫块既可浇铸成型，也可机械加工成型。为了保证铜水套对衬砖的冷却效果，在“华夫”水套内侧与砌砖之间捣打一层高导热率的捣打料。常用的高导热捣打料(石墨质)的参考理化指标如下：体积密度1.7 t/m3(烘干后1.5 t/m3)，气孔率7%(烘干后29%)，30 ℃热导率16 W/m·K(烘干后23 W/m·K)。采用华夫水套，当水套前的砖体一旦被熔渣侵蚀完、水套直接接触熔体时，由于华夫块的存在，可在水套表面结一层稳定的渣层，实现无炉衬作业。

图7 华夫水套

(2)铜钢复合水套。相对于钢材，无论是铜板钻孔水套，还是纯铜铸造水套，其机械强度均较低，在热应力和机械应力作用下存在变形的危险。鉴于此，研制出了铜钢复合水套，包括铜- 钢水套或钢- 铜- 钢水套。铜- 钢水套以铜为导热层，发挥其良好的导热能力；以钢为冷面，具有良好的综合力学性能，可避免水套工作过程中的变形。钢- 铜- 钢水套增加一层不锈钢为热面层，具有更好的耐侵蚀、抗冲刷性能，并能更好地抵御机械清理时的冲击。这种水套制作的关键是双金属层的复合。图8为该水套的实物照片。

图8 铜钢复合水套实物图

(3)带保护层的铜水套。有一些部位的铜水套，其热面受到高温熔体或气流的冲刷、侵蚀，为此可在铜水套表面喷涂一层耐热耐磨合金，对水套加以保护。也可以在铜水套表面复合或镶嵌一层耐热钢板，如图9所示。

图9 镶嵌耐热钢板的铜水套

4 水套的安全使用

合理运用水冷技术，使冶金炉的寿命大大延长，而水冷件的安全使用是保证安全生产的重要前提。一旦水冷件漏水，不仅会造成砖体损坏，甚至会发生爆炸，造成炉体损坏、停产和人员伤亡事故。水套的安全使用，包含以下主要内容：

(1)保证冷却水的质量。铜水套必须使用软水来冷却，以减少水路壁结垢。水垢是一层隔热层，对于铸管水套，有一层δ=1～2 mm的水垢，则综合传热系数将减小28%～43%。有色炉水套对冷却水水质的要求一般如下：软化水；浊度≤5.0FTU；硬度≤0.03 mmol/L；pH值7.0～9.0(25 ℃)。

(2)保证水量供应。水量、水压要满足设计要求，并有一定的富裕量。对炉体关键部位，需提供提供足够大的循环倍率，确保冷却元件带走足够多的热量，以保障设备安全。大型炉子的水套要设置高位水塔或水箱供水，一旦供水系统电力中断，高位水箱可保证水套在一定时间内不会断水。

(3)水套的制造质量要确保。严格按相关标准和技术要求进行制造、检查、试压、验收和安装。

(4)水温的检测与水量的调节。出水温度直接反映了水套的工作状况，进出水温差应控制在所要求的范围内，可通过水量来调节。一般应采用仪表自动检测和报警系统，有条件时可根据要求的温差采用冷却水量自动调节系统。采用水温自动检测和水量自动调节不仅可保证水套的安全运行，而且可降低水耗和动力消耗。有了自动检测系统，还必须定时进行人工巡查，发现问题及时处理。

5 水套的其他优点

上述水套的应用除能大幅度提高炉寿之外，尚有如下其他优点：

(1)装有铜水套的炉墙厚度小。铜的抗拉强度σb>200 MPa，许用应力σa(0.2)≥50 MPa，而有色冶金炉用铜水套受力一般不会超过2 MPa。所以水套可以做得比较薄，一般70～100 mm。水套前的衬砖不宜太厚，否则砖的热面温度难以降到渣熔点以下，形成不了渣壳，一般砖厚300～400 mm。总的炉墙厚度不超过500 mm。

(2)铜水套冷却的热损失。多少年来，都认为炉子冷却强度越大，热损失也越大。从20世纪70年代开始，这一观念开始转变，采用铜水套冷却，高的冷却强度在炉衬内表面形成了一层渣壳，渣壳不仅保护了炉衬不会继续侵蚀，而渣壳热阻极高，导热系数只有1.4～1.6 W/m·K，传热很差，使砖体保持在较低的温度下工作，而且使炉墙的散热损失处于较低的水平。

(3)使用铜水套经济分析。铜水套造价较高，一次投资大。但是铜水套厚度比较薄，使用铜水套后炉衬300 mm左右即可，没有铜水套的炉墙厚度一般要600 mm以上。在同样炉膛尺寸的条件下，薄炉墙使整炉尺寸变小，相应投资也会减小。铜水套大大延长炉寿，一般少修一次炉节省的耐火材料费和人工费，就可将水套投资折回。如果考虑带来的作业率提高产量的增加等，经济效益是很明显的。另外，损坏回收的水套仍然是铜，所消耗的只是铜水套的加工费而已。可见采用铜水套一次投资虽大，而长久经济效益是显著的。