一、研究的背景和問題
高爐作為煉鐵生產(chǎn)的核心設(shè)備，在高效低能耗生產(chǎn)中占據(jù)無可替代的地位。中國是世界上高爐數(shù)量最多的國家，目前在役高爐近千座，承擔(dān)著全球主要的鐵產(chǎn)量。然而，高爐煉鐵長流程依然是中國鋼鐵工業(yè)的主體生產(chǎn)方式，特別是在未來很長一段時(shí)間內(nèi)仍將處于主導(dǎo)地位。如何保障高爐的安全長壽運(yùn)行，尤其是占據(jù)主力的中型高爐，成為提升高爐生產(chǎn)水平和降低綜合生產(chǎn)成本的關(guān)鍵問題之一。高爐的爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域因承受極高的熱流密度和機(jī)械負(fù)荷，是高爐安全長壽運(yùn)行的限制性環(huán)節(jié)之一。針對(duì)這一高熱負(fù)荷區(qū)域，目前普遍采用銅冷卻壁以提高其耐久性。然而，高爐銅冷卻壁的實(shí)際使用壽命通常在5至7年之間，與高爐整體壽命15年以上的目標(biāo)相比仍有較大差距，這嚴(yán)重制約了高爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，近年來國內(nèi)外發(fā)生的多起高爐爐體及爐缸燒穿事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，對(duì)高爐生產(chǎn)提出了更高的安全性要求。銅冷卻壁以其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和抗熱流沖擊能力成為高爐爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域的主要冷卻設(shè)備。與傳統(tǒng)的球墨鑄鐵冷卻壁相比，銅冷卻壁內(nèi)部冷卻水管通過精密鉆孔加工制造，無需高熱阻涂層和氣隙，傳熱性能顯著提高；同時(shí)，純銅材料的導(dǎo)熱系數(shù)是鑄鐵或鑄鋼的9至14倍，滿足了高熱負(fù)荷區(qū)域?qū)鋮s效率的苛刻要求。然而，由于高爐運(yùn)行環(huán)境惡劣，銅冷卻壁在國內(nèi)的應(yīng)用并不理想，普遍面臨磨損、燒損、水管開裂等問題，嚴(yán)重影響了其長壽化應(yīng)用。這些問題主要源于高爐爐況不穩(wěn)引發(fā)的渣皮脫落現(xiàn)象。當(dāng)渣皮脫落后，銅冷卻壁直接暴露在高溫高壓環(huán)境中，表面溫度迅速升高，導(dǎo)致熱應(yīng)力和熱形變劇烈增加。這種惡性循環(huán)進(jìn)一步削弱了銅冷卻壁的抗疲勞性能，加速了其疲勞破損和裂縫擴(kuò)展。國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)（如TI鋼、A鋼、XI鋼、BE鋼等）均出現(xiàn)銅冷卻壁大批量損壞的現(xiàn)象，尤其集中在爐腰和爐身下部區(qū)域，平均使用壽命僅為5至7年，遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
針對(duì)中型高爐普遍存在的銅冷卻壁破損嚴(yán)重，制約高爐強(qiáng)化冶煉和指標(biāo)提升的問題，提出了基于高爐爐料自適應(yīng)爐型理論的銅冷卻壁長壽解決方案。該技術(shù)以延長銅冷卻壁使用壽命為原則，基于高爐銅冷卻壁破損特征及破損機(jī)理，建立高爐爐料自適應(yīng)爐型理論體系，通過高爐銅冷卻壁優(yōu)化設(shè)計(jì)、高爐銅冷卻壁長壽操作優(yōu)化、建立高爐銅冷卻壁剩余壽命監(jiān)測模型，最終實(shí)現(xiàn)中型高爐銅冷卻壁長壽服役。
圖1項(xiàng)目研究技術(shù)路線
在這一背景下，江蘇沙鋼鋼鐵有限公司與北京科技大學(xué)展開合作，針對(duì)中型高爐銅冷卻壁長壽問題開展了系統(tǒng)研究。從理論分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、操作控制和在線監(jiān)控等多方面入手，提出了一整套銅冷卻壁長壽化技術(shù)解決方案。通過對(duì)銅冷卻壁破損原因的深入解析，在以下幾個(gè)方面制定了一系列技術(shù)方案：（1）理論研究：深入解析了高熱負(fù)荷區(qū)域銅冷卻壁的熱應(yīng)力和熱疲勞行為，明晰銅冷卻壁磨損破損機(jī)理，提出相應(yīng)的理論體系，為銅冷卻壁的長壽應(yīng)用提供了理論依據(jù)。（2）設(shè)計(jì)優(yōu)化：優(yōu)化高爐爐型、銅冷卻壁壁體結(jié)構(gòu)、安裝方式等，使設(shè)計(jì)方式更適合中型高爐的生產(chǎn)操作模式。（3）操作制度優(yōu)化：基于以上理論體系，研發(fā)針對(duì)中型高爐的操作優(yōu)化制度。（4）在線監(jiān)控與維護(hù)：建立高精度的冷卻壁剩余厚度預(yù)測算法，為冷卻壁的安全高效應(yīng)用和預(yù)防性維護(hù)提供了技術(shù)支持。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
江蘇沙鋼鋼鐵集團(tuán)聯(lián)合北京科技大學(xué)，針對(duì)中型高爐銅冷卻壁過早破損及使用壽命低于預(yù)期的難題，開展了系統(tǒng)性技術(shù)攻關(guān)。圍繞高爐銅冷卻壁破損機(jī)理、爐型結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冷卻壁設(shè)計(jì)改進(jìn)、操作標(biāo)準(zhǔn)制定以及冷卻壁檢測技術(shù)等方面展開深入研究，最終實(shí)現(xiàn)了中型高爐銅冷卻壁服役壽命延長至18年，顯著提高了其穩(wěn)定性和可靠性，形成了一整套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中型高爐銅冷卻壁安全長壽技術(shù)，性能指標(biāo)與國內(nèi)外同類對(duì)比：
表1 本項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)性對(duì)比
1、構(gòu)建了高爐爐料自適應(yīng)爐型理論體系：探明了高爐銅冷卻壁破損的宏觀特征與磨損的微觀特征，明確了爐料磨損是導(dǎo)致銅冷卻壁破損的關(guān)鍵因素；提出了基于顆粒力學(xué)的銅冷卻壁破損機(jī)理，闡明了爐料在高溫高應(yīng)力條件下對(duì)冷卻壁的破壞機(jī)制；提出了能夠適應(yīng)爐料膨脹特性的高爐自適應(yīng)爐型理論體系，為優(yōu)化爐型設(shè)計(jì)和冷卻壁使用壽命提供了科學(xué)依據(jù)。
圖2 朗肯應(yīng)力狀態(tài)劃分：（a）朗肯主動(dòng)態(tài)；（b）朗肯被動(dòng)態(tài)；（c）高爐應(yīng)力狀態(tài)劃分
通過理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)銅冷卻壁長壽的關(guān)鍵在于爐型接受爐料膨脹的能力。高爐對(duì)爐料膨脹或收縮的適應(yīng)性與高爐設(shè)計(jì)爐型及爐料的基礎(chǔ)性能有關(guān)。高爐任一橫截面直徑與爐腰直徑減去爐喉直徑（（爐腰直徑減去爐缸直徑）的比值，定義為爐型自適應(yīng)指數(shù)，表征爐型可接受爐料的膨脹（收縮）程度即爐身膨脹率和爐腹收縮率。本項(xiàng)目提出的爐料自適應(yīng)爐型理論，即通過優(yōu)化爐型設(shè)計(jì)，提供爐料足夠的膨脹空間，減少爐料對(duì)爐墻造成巨大的應(yīng)力，延長銅冷卻壁的使用壽命。
2、形成了中型高爐長壽銅冷卻壁設(shè)計(jì)體系：提出了爐腰體積占比12%~14%的合理爐型結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了爐腰與爐身下部區(qū)域的受力與溫度分布；創(chuàng)新設(shè)計(jì)了交互式銅冷卻壁結(jié)構(gòu)，顯著改善冷卻壁的溫度場分布，降低了局部熱負(fù)荷；研發(fā)了強(qiáng)化銅冷卻壁傳熱性能的技術(shù)，創(chuàng)新性采用“薄鑄鐵冷卻壁+厚搗打料”組合結(jié)構(gòu)，有效減少爐身上部的散熱損失，同時(shí)促進(jìn)爐料的均勻加熱。其中創(chuàng)新設(shè)計(jì)包括：
① 基于高爐爐腰體積占比的爐型優(yōu)化技術(shù)
增大爐腰體積可增加爐料的膨脹空間，減小爐料膨脹對(duì)爐墻的壓力，有利于銅冷卻壁的長壽。增大爐腰體積可通過兩種途徑，一是增加爐腰高度；二是減小爐腹角，增加爐腰直徑。
② 交互式銅冷卻壁優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)
本項(xiàng)目發(fā)明了交互式銅冷卻壁，如圖3（b）所示。在銅冷卻壁的側(cè)面各設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái)，使相鄰兩塊銅冷卻壁貼合度更高，減少了由連接處搗打料的厚度。
圖3 銅冷卻壁設(shè)計(jì)示意圖：（a）無側(cè)凸臺(tái)銅冷卻壁；（b）交互式銅冷卻壁
沙鋼2680m3高爐采用了上述交互式銅冷卻壁的設(shè)計(jì)方法，減輕了圓周方向上相鄰兩塊銅冷卻壁縫隙處的傳熱偏差。交互式銅冷卻壁實(shí)物如圖3所示。
圖4 冷卻壁熱面溫度場分布：（a）無側(cè)凸臺(tái)銅冷卻壁；（b）交互式銅冷卻壁
本項(xiàng)目對(duì)兩種銅冷卻壁設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，如圖4所示。交互式銅冷卻壁相鄰區(qū)域具有更低的溫度，相鄰區(qū)域的溫度由原來的高于700°C降低至540°C。
③ 橢圓形定位銷孔
沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁對(duì)定位銷孔進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。定位銷孔設(shè)計(jì)為橢圓形。橢圓形設(shè)計(jì)使得銅冷卻壁受熱延伸時(shí)存在自由滑動(dòng)空間，減少銅冷卻壁向爐內(nèi)凸起變形，引起銅冷卻壁熱面磨損。
④ 銅冷卻壁傳熱性能優(yōu)化技術(shù)
本項(xiàng)目提出了減薄爐身上部冷卻壁厚度，增加搗打料厚度的設(shè)計(jì)方法，可以減弱爐身上部的冷卻強(qiáng)度，防止邊緣煤氣流溫度過低，使?fàn)t料充分的干燥和預(yù)熱。本項(xiàng)目建立了鑄鐵冷卻壁、搗打料和爐殼傳熱模型，分別對(duì)厚、薄兩種不同的冷卻壁類型的溫度場分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。
圖5 鑄鐵冷卻壁優(yōu)化冷卻技術(shù)
因此，高爐在采取一串到底的設(shè)計(jì)時(shí)，即使?fàn)t身上部的冷卻水量不變，由于填料層的增厚，爐體散失的熱量減少，使得爐身上部的冷卻強(qiáng)度降低，有助于提高邊緣煤氣流的溫度，使?fàn)t料充分的干燥和預(yù)熱，避免軟熔帶根部過低。
4、建立了適合中型高爐銅冷卻壁的長壽操作標(biāo)準(zhǔn)：基于自適應(yīng)爐型理論體系，研發(fā)了針對(duì)中型高爐的操作優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)對(duì)高爐煤氣流分布、軟熔帶位置以及死焦堆尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控；提出了高爐渣皮厚度控制標(biāo)準(zhǔn)，通過優(yōu)化操作條件將渣皮厚度穩(wěn)定控制在30~50mm范圍內(nèi)，增強(qiáng)了銅冷卻壁的安全長壽高溫服役效果，延緩了銅冷卻壁的磨損進(jìn)程。創(chuàng)新技術(shù)包括:
①中型高爐下部操作制度優(yōu)化技術(shù)
爐活躍區(qū)的比例和死焦堆大小息息相關(guān)，減小死焦堆的體積、提高高爐活躍區(qū)比例是銅冷卻壁長壽的關(guān)鍵。本項(xiàng)目提出了新型風(fēng)口回旋區(qū)長度DR可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:
回旋區(qū)占比：
式中E——鼓風(fēng)動(dòng)能，kg·m/s；VoT——風(fēng)口的鼓風(fēng)風(fēng)速，m/s；Pc——噴煤量，kg/h；g——重力加速度，m/s；dpc——裝入焦炭的平均粒度，m；d——爐缸直徑，m；L伸——風(fēng)口伸入長度，m。
沙鋼2680m3高爐和國內(nèi)同級(jí)別高爐相比，焦炭的硫含量偏高，熱強(qiáng)度和冷強(qiáng)度一般，風(fēng)溫偏低，但風(fēng)口伸入爐內(nèi)的長度達(dá)到了490mm，遠(yuǎn)高于國內(nèi)同級(jí)別高爐，為增加高爐活躍區(qū)占比創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，由此計(jì)算出高爐的回旋區(qū)深度為2.1m，爐缸活躍區(qū)占比為63%，不但爐缸活躍性較好，而且在爐腹、爐腰和爐身下部為爐料膨脹提供了充足的膨脹空間，為高爐的穩(wěn)定順行和銅冷卻壁的長壽創(chuàng)造了良好的條件。
② 中型高爐上部操作制度優(yōu)化技術(shù)
基于爐料膨脹（收縮）自適應(yīng)爐型理論，爐料的膨脹和收縮需和爐型變化一致，高爐的爐腹是爐型開始收縮的部位，爐料進(jìn)入爐腹時(shí)體積也應(yīng)達(dá)到收縮狀態(tài)，否則高爐冶煉空間縮小，爐料對(duì)于爐墻的應(yīng)力大幅升高，造成渣皮的不穩(wěn)定。因此，高爐在操作時(shí)應(yīng)避免軟熔帶根部位置過低，爐料進(jìn)入爐腹時(shí)，絕大多數(shù)鐵料應(yīng)處于熔化狀態(tài)，使?fàn)t料收縮和爐型收縮相匹配。通過開發(fā)高爐合理的上部制度優(yōu)化技術(shù)，使?fàn)t料的體積變化和爐型相一致，減小爐料對(duì)爐墻的應(yīng)力，穩(wěn)定渣皮。
基于上述布料模型，研究了不同中心加焦量時(shí)高爐的料面形狀及料層分布，如圖6所示。中心加焦量達(dá)到35%時(shí)，高爐的中心無礦區(qū)較大，中心漏斗淺，中心氣流過分發(fā)展，邊緣負(fù)荷較重；中心加焦量減少為25%時(shí)，中心無礦區(qū)明顯減小，漏斗加深，邊緣負(fù)荷減輕；中心加焦量減少至20%，中心無礦區(qū)略有減小，但漏斗深度增加較多，中心氣流得到了明顯改善，邊緣負(fù)荷減輕。
圖6 中心加焦量不同時(shí)料面形狀
4、開發(fā)了銅冷卻壁剩余壽命監(jiān)控系統(tǒng)：明確了受力大小、磨損速率、服役時(shí)長和環(huán)境溫度等因素對(duì)銅冷卻壁磨損量及磨損速率的影響規(guī)律；研發(fā)了高爐銅冷卻壁剩余壽命可視化監(jiān)控模型，實(shí)現(xiàn)了冷卻壁厚度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測與壽命預(yù)測；建立了一套高精度的剩余厚度預(yù)測算法，預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上，為冷卻壁的安全高效應(yīng)用和預(yù)防性維護(hù)提供了技術(shù)支持。
四、應(yīng)用情況及效益
銅冷卻壁安全長壽技術(shù)，對(duì)于維護(hù)高爐安全生產(chǎn)，低碳發(fā)展具有十分重要的意義。通過對(duì)沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁長壽的研究，成果在沙鋼3座2680m3高爐應(yīng)用，使銅冷卻壁的壽命達(dá)到了18年，部分達(dá)到了23年，而且全爐役周期無噴涂、無破損，極大地保障了高爐的安全生產(chǎn)。
表2 沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁使用情況
圖7 國內(nèi)外高爐銅冷卻壁使用壽命對(duì)比
圖8 沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁停爐后形貌
信息來源：江蘇沙鋼集團(tuán)公司
