鞍钢高炉炉缸冷却水速和水温研究

谢明辉，姜喆，车玉满，朱建伟，郭天永

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

随着装备水平的进步和维护水平的提升，限制鞍钢股份有限公司（以下简称“鞍钢”）高炉长寿的关键因素已从上部冷却壁破损转变为炉缸耐材过快侵蚀［1］。对鞍钢10座高炉破损调查跟踪发现，炉缸耐材快速侵蚀主要是热平衡被打破后反复累积的结果，因此解决此问题的核心关键是建立起合理稳定的从炉缸内部向外部的传热体系。而冷却水作为炉缸内部热量向外传输的主要介质，直接决定着炉缸传热体系的合理与否。因此，本文主要从炉缸传热角度对炉缸冷却水参数进行了讨论。

1 理论基础

高炉炉缸97%以上的热量都是通过冷却水传出的，仅不到3%的热量通过炉壳散热传出。炉缸冷却系统传热示意图见图1。因此，可认为炉内热量通过耐材、冷却壁后最终被冷却水全部带走。在炉内热平衡状态下，炉内传出的热流可用公式（1）计算［2］：

图1 炉缸冷却系统传热示意图Fig.1 Schematic Diagram for Heat Transferring from Hearth Cooling System

式中，T铁为铁水温度，℃；T水为冷却水温度，℃；h水为冷却水与冷却壁综合换热系数，W/（m2·℃）；a为冷却壁比表面积；L冷为冷却壁厚度，m；K冷为冷却壁或炉壳导热系数，W/（m·℃）；L捣为碳捣料厚度，m；K捣为碳捣料导热系数，W/（m·℃）；L炭为炭砖厚度，m；K炭为炭砖导热系数，W/（m·℃）；h铁为铁水与炭砖换热系数，W/（m2·℃）。

对鞍钢高炉冷却水对炉缸冷却效果的影响进行研究，参数选择为 T铁=1 500 ℃；h铁=45 W/（m2·℃）；a=1；L冷=0.08 m；K冷＝340 W/（m·℃）；L捣=0.08 m；K捣=12 W/（m·℃）；L炭=1.4 m 和 0.2 m，K炭=20 W/（m·℃）。

2 冷却水对高炉炉缸冷却效果影响

2.1 冷却水速对热流强度和炭砖热面温度的影响

冷却水速变化主要影响h水，可按公式（2）计算。

式中，v为水管内冷却水流速，m/s；λ为水的热导率，W/（m2·℃）；CP为水的比热容，J/（kg·℃）；ρ 为水的密度，kg/m3；di为水流通道直径，m；υ为水的运动粘度，m2/s。可以看出，水速越大，水的对流换热系数越大，总热阻越小。分别计算开炉时炭砖厚度1.4 m和大修时高炉残存炭砖厚度0.2 m时高炉炉缸由内向外传输的热流强度和炭砖热面温度，分析冷却水速对热流强度和炭砖热面温度的影响，结果分别如图2、3所示。

由图2、3可以看出，在刚开炉后和炉役后期，炉缸通过冷却水传出的热量都随着冷却水速的增加而提高，相应的炭砖温度也越低，但冷却水速超过2.5 m/s后，继续提高冷却水速对冷却效果的提高影响很小。因此，鞍钢适宜的冷却水速应选择2.5 m/s。

图2 冷却水速对热流强度的影响Fig.2 Effect of Cooling Water Velocity on Heat Flux Intensity

图3 冷却水速对炭砖热面温度的影响Fig.3 Effect of Cooling Water Velocity on Hot Surface Temperature of Carbon Bricks

2.2 冷却水温对炭砖热面温度的影响

根据公式（1）可以看出，冷却水温越低，高炉内部传出的热量也越多，相应的炭砖热面温度也应越低。分别计算当冷却水温由15℃提高至75℃时炭砖的热面温度，分析冷却水温对炭砖热面温度的影响，结果如图4所示。

图4 冷却水温对炭砖热面温度的影响Fig.4 Effect of Cooling Water Temperature on Hot Surface Temperature of Carbon Bricks

由图4可以看出，当冷却水温从15℃升高到75℃时，炭砖厚度为1.4 m时热面温度由1 185℃增加到1 197℃，增加了12℃；而炭砖厚度为0.2 m时热面温度由763℃增加到795℃，增加了32℃。可见，与刚刚开炉炭砖保持原有厚度时相比，在一代炉役末期，炭砖残厚越来越薄时，冷却效果稍好一些。但总体来说，炉缸冷却水温对炭砖热面温度降低作用非常有限。这意味着在高炉冷却体系中，过度降低冷却水温意义不大，反而会增加运行成本。

2.3 冷却水速和冷却水温对捣料温度的影响

炭砖捣料在炉缸传热链上起到承上启下的作用，是实现高炉长寿的重要保障，如果捣料固结不好，在高炉内煤气和水蒸气的气蚀作用下，组织会变得疏松而影响其传热性能［3］，从而形成气缝。气缝的导热系数只有 0.05 W/（m·K）［4］，约是目前鞍钢高炉炭砖导热系数的1/400，此时捣料就不能起到热量传递桥梁作用将热量传递给冷却壁。在这种情况下，炭砖即使质量很好，也会因炭砖热面温度过高而造成炭砖表面难以结成渣皮，从而造成炭砖快速侵蚀。邹忠平等对国产炭捣料的导热性能进行了实验室测试，发现炭捣料的强度和导热系数受烘烤温度影响明显，经历过110℃的烘干后，捣料可很快具备足够的强度，从而保证在高炉生产的很长一段时间内炭砖、捣料、冷却壁形成一个有效的传热整体。因此，控制高炉开炉初期捣料温度在110℃以上是保证高炉捣料有效固结的重要措施。通过直接提高水温和降低水速的方式可以有效的提高捣料的预热温度。冷却水速和冷却水温对捣料温度的影响如图5、6所示。

图5 冷却水速对捣料温度的影响Fig.5 Effect of Cooling Water Velocity on Temperature of Tamping Materials

图6 冷却水温对捣料温度的影响Fig.6 Effect of Cooling Water Temperature on Temperature of Tamping Materials

由图5、6可以看出，相比于水速的调节，水温的调节更加直接有效且稳定。单纯控制水温到70℃以上，就可以保证捣料温度整体都在110℃以上，捣料可以有效固结。如果单纯控制水速，则需要将水都控制在非常低的水平才能达到使捣料预热固结的温度，但此时捣料温度随水速波动较大，无法保证捣料稳定受热。因此，建议开炉初期应控制冷却水温在70℃以上，适当降低冷却水速即可。

3 结论

（1）在鞍钢高炉炉缸传热系统中，增大冷却水速可以提高炉缸内传出的热量和降低炭砖热面温度，但当冷却水速大于2.5 m/s时，继续增大水速对提高冷却效果影响很小。建议鞍钢冷却水速选择2.5 m/s。

（2）炉缸冷却水温对炭砖热面温度降低作用非常有限。这意味着在高炉冷却体系中，过度降低冷却水温度意义不大，反而会增加运行成本。

（3）开炉初期控制冷却水温70℃以上，适当降低水速可有效保障捣料有效固结。