煉鋼廠設(shè)計(jì)課件-高爐冷卻設(shè)備

第三章高爐冷卻設(shè)備3.1冷卻目的

（1）保護(hù)爐殼。在正常生產(chǎn)時(shí)，高爐爐殼只能在低于80℃的溫度下長(zhǎng)期工作，爐內(nèi)傳出的高溫?zé)崃坑衫鋮s設(shè)備帶走85％以上，只由約15％的熱量通過爐殼散失。（2）對(duì)耐火材料的冷卻和支承。高爐內(nèi)耐火材料的表面工作溫度高達(dá)1500℃左右，如果沒有冷卻設(shè)備，耐火材料在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)被侵蝕或磨損。當(dāng)耐火內(nèi)襯被侵蝕后，保護(hù)高爐爐殼免受損壞。（3）維持合理的操作爐型。使耐火材料的侵蝕內(nèi)型線接近操作爐型，對(duì)高爐內(nèi)煤氣流的合理分布、爐料的順行起到良好的作用。（4）當(dāng)耐火材料大部分或全部被侵蝕后，爐腰和爐腹能靠冷卻設(shè)備上的渣皮繼續(xù)維持高爐生產(chǎn)。第三章高爐冷卻設(shè)備3.1冷卻目的（1）保護(hù)爐殼13.2冷卻方式和介質(zhì)1.冷卻方式

目前，高爐冷卻介質(zhì)常用水、空氣、氣水混合物。即水冷、風(fēng)冷和氣化冷卻三種。

①水冷：水的熱容量大，導(dǎo)熱能力好，且價(jià)廉，易得。故首先被廣泛用于高爐冷卻，尤其工業(yè)水冷卻。但工業(yè)水容易結(jié)垢，降低冷卻強(qiáng)度，導(dǎo)致冷卻設(shè)備燒壞；同時(shí)水量和能耗均大。②風(fēng)冷：由于空氣熱容量較小，所以風(fēng)冷一般用于冷卻強(qiáng)度要求不大的部位如爐底。③氣化冷卻：氣化冷卻能克服上述水質(zhì)上的缺點(diǎn)，但不能對(duì)熱流過大的區(qū)域如風(fēng)口進(jìn)行有效的冷卻且不易檢漏。所以盡管用水量?jī)H為常規(guī)水冷的1％左右、沒有水垢且可不靠外界能源工作，現(xiàn)在氣冷應(yīng)用仍不廣泛。

3.2冷卻方式和介質(zhì)目前，高爐冷22.冷卻水

根據(jù)不同處理方法所得到的冷卻用水分為普通工業(yè)凈化水、軟水和純水。

普通工業(yè)凈化水是天然水經(jīng)過沉淀及過濾處理后，去掉了水中大部分懸浮物雜質(zhì)，而溶解雜質(zhì)并未發(fā)生變化的凈化水。

軟水是將鈉離子經(jīng)過離子交換劑與水中的鈣、鎂陽離子進(jìn)行置換，而水中其他的陰離子沒有改變的凈化水。

純水即脫鹽水，純水中陰、陽離子的殘余含量極微，基本上無雜質(zhì)的凈化水。目前趨勢(shì)是發(fā)展軟水或純水密閉循環(huán)冷卻。軟水系統(tǒng)（表3－1水質(zhì)指標(biāo)），設(shè)備的結(jié)垢速率和腐蝕速率都遠(yuǎn)低于工業(yè)水，從根本上解決了結(jié)垢問題。2.冷卻水根據(jù)不同處理方法所得到的冷卻用水3表3－1水質(zhì)指標(biāo)水質(zhì)項(xiàng)目單位普通工業(yè)凈化水軟水純水懸浮物

溶解固體硬度

堿度

mg/L

mg/Lmmol/Lmmol/L

＜200

＜3.57

5～10＜0.035

4～20

2～300.04～0.1表3－1水質(zhì)指標(biāo)水質(zhì)項(xiàng)目單位普通工業(yè)凈化水軟水純水懸4

1.爐殼外部噴水冷卻此法利用環(huán)形噴水管或其它形式通過爐殼冷卻內(nèi)襯。高爐在爐役末期冷卻器被燒壞或嚴(yán)重脫落時(shí)、為維持生產(chǎn)，采用噴水冷卻。寶鋼l號(hào)高爐爐底側(cè)壁和爐缸為碳磚噴水冷卻結(jié)構(gòu)（圖3-1)；國(guó)外也有大高爐爐身、爐腹和爐缸采用碳質(zhì)內(nèi)襯配合噴水冷卻；還有使用焊有溝槽外套結(jié)構(gòu)冷卻爐殼的。為提高噴水冷卻效果，必須經(jīng)常對(duì)爐殼進(jìn)行清洗。3.3冷卻設(shè)備

1.爐殼外部噴水冷卻此法利用環(huán)形噴水管或其5圖3-1寶鋼1號(hào)高爐爐底側(cè)壁和爐缸噴水冷卻示意圖圖3-1寶鋼1號(hào)高爐爐底側(cè)壁和爐缸噴水冷卻示意圖62.殼內(nèi)冷卻(1)插入式冷卻器①支梁式水箱被安裝在爐殼與內(nèi)襯間或內(nèi)襯中，以增強(qiáng)磚襯的冷卻效果。有插入式冷卻器和冷卻壁兩種。為鑄有無縫鋼管的楔形冷卻器(圖3-2)。因此它有支承上部磚襯的作用，并可維持較厚的磚襯；與冷卻壁相比重量較輕，便于拆換。它多安裝在中型高爐爐身中部用以托磚，常為2～3層，呈棋盤式布置。上下兩層間距600～800mm，同一層相距1300～1700mm。優(yōu)點(diǎn)：冷卻深度較深；缺點(diǎn)：點(diǎn)冷卻；爐役后期，內(nèi)襯工作面易呈凹凸不平，不利爐料下降；開孔多對(duì)爐殼強(qiáng)度和密封也帶來不利影響。2.殼內(nèi)冷卻(1)插入式冷卻器被安7

②扁水箱多為鑄鐵，內(nèi)部鑄有無縫鋼管(圖3-3)。一般用于爐身和爐腰。亦呈棋盤式布置，有密排式和一般式，后者層距500～900mm，同一層相距不超過150～500mm。③冷卻板其內(nèi)采用隔板將冷卻水形成一定的流路，有雙進(jìn)四路、雙進(jìn)六路結(jié)構(gòu)型式，圖3-4示出雙進(jìn)六路結(jié)構(gòu)型式冷卻板。此種冷卻板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：a.適用于高爐高熱負(fù)荷區(qū)的冷卻，采用密集式的布置形式，如寶鋼1號(hào)和2號(hào)冷卻板層距為312mm；b.冷卻板前端冷卻強(qiáng)度大，不易產(chǎn)生局部沸騰現(xiàn)象；c.當(dāng)冷卻板前端損壞后可繼續(xù)維持生產(chǎn)；d.雙通道的冷卻水量可根據(jù)高爐生產(chǎn)狀況分別進(jìn)行調(diào)整。②扁水箱多為鑄鐵，內(nèi)部鑄有無縫鋼管(圖38圖3-2支梁式水箱圖3-2支梁式水箱9圖3-3扁水箱（鑄鋼）圖3-3扁水箱（鑄鋼）10

圖3-4

雙進(jìn)6路冷卻板圖3-4雙進(jìn)6路冷卻板11(2)冷卻壁①光面冷卻壁用于爐底和爐缸，其厚度為80～120mm。(圖3-5)②鑲磚冷卻壁用于爐腹及以上，其厚度包括鑲磚在內(nèi)，一般為250～350mm(冷卻壁厚度120～160mm)，肋高為75～115mm，現(xiàn)趨于減薄。a.有凸臺(tái)的異型或“?！毙屠鋮s壁（圖3-6b,c），用于爐腹以上，普通型冷卻壁(圖3-7

a)用于爐腹；b.冷卻壁寬度為700～1500mm，高度視爐殼折點(diǎn)和爐襯情況而定，一般不應(yīng)大于3000mm；

c.冷卻壁內(nèi)部所鑄的無縫管一般為ф34*5～ф44.5*6，管子的曲率半徑最小為管徑的兩倍。管距一般在200～250mm范圍。內(nèi)部鑄有無縫鋼管的鑄鐵板。(2)冷卻壁①光面冷卻壁用于爐底和爐缸，12③冷卻壁特點(diǎn)?與插入式冷卻器相比，不損壞爐殼強(qiáng)度，有良好的密封性；冷卻均勻，爐襯內(nèi)壁光滑；同時(shí)異型或“?！毙屠鋮s壁有支托上部磚襯作用。適宜用于頂壓達(dá)0.2～0.25MPa的高爐。?它損壞時(shí)不能更換，故需輔以噴水冷卻；此外也不宜厚爐墻。④冷卻壁發(fā)展（圖3－7新日鐵四代冷卻壁

）?材質(zhì)：一般鑄鐵→高韌性球墨鑄鐵→鑄鋼→銅質(zhì)。?冷卻水管：水管直徑增大，采用高水速；將進(jìn)出水頭由單進(jìn)單出改為多進(jìn)多出；將冷卻壁四角部分管子彎成直角；將單層水管改為雙層水管；增加拐角水管。?鑄造前冷卻水管噴涂保護(hù)層。?用軟水③冷卻壁特點(diǎn)?與插入式冷卻器相比，不損壞爐殼強(qiáng)度，有良好的密13圖3-5光面冷卻壁圖3-5光面冷卻壁14圖3-6冷卻壁圖3-6冷卻壁15圖3－7新日鐵第四代冷卻壁

圖3－7新日鐵第四代冷卻壁16(3)銅冷卻壁（圖3-8）項(xiàng)目鑄鐵冷卻壁銅冷卻壁冷卻效果由于水管位置距角部和邊緣有要求，冷卻效果差，易損壞鉆孔時(shí)距壁角和邊緣部位的距離可縮短，使二部位的冷卻效果好冷卻水管鑄入壁內(nèi)，有隔熱層存在在壁內(nèi)鉆孔，無隔熱層存在壁間距離相鄰兩壁之間有30～40mm寬的縫隙，此部位冷卻條件很差相鄰兩壁之間距離可縮小到10mm熱導(dǎo)率62.8W/(m·k)360W/(m·k)表3－2(3)銅冷卻壁（圖3-8）項(xiàng)目鑄鐵冷卻壁銅冷卻壁冷卻效果17圖3－8銅冷卻壁圖3－8銅冷卻壁18(4)板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)（圖3－9）為了緩解爐身下部耐火材料的損壞和爐殼的保護(hù)，在國(guó)內(nèi)外一些高爐的爐身部位采用了冷卻板和冷卻壁交錯(cuò)布置的板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)。千葉6號(hào)高爐(4500m3)，梅山（1250m3)

。

圖3－9板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)(4)板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)（圖3－9）為了緩解193.冷卻管

用于爐底冷卻。組合形式有兩種。一種是介質(zhì)由中心往外徑向輻射式的流動(dòng)；另一種是介質(zhì)由一側(cè)通過平行管道流向另一側(cè)。在管子的末端都設(shè)有閘閥，以便控制流經(jīng)每根管子的冷卻介質(zhì)。同時(shí)從散熱角度看，中間管子宜密排，邊緣可疏排。冷卻介質(zhì)為水或風(fēng)。

圖3-10為寶鋼1號(hào)高爐水冷爐底結(jié)構(gòu)

圖3-11為高爐爐底水冷管配置圖

3.冷卻管用于爐底冷卻。組合形式有兩種。一種20圖3-11寶鋼1號(hào)高爐水冷爐底結(jié)構(gòu)1.上屋橫梁；2.壓漿孔；3.碳質(zhì)不定形耐火材料4.粘土質(zhì)不定形耐火材料；5－下層橫梁；6－混凝土圖3-11寶鋼1號(hào)高爐水冷爐底結(jié)構(gòu)1.上屋橫梁；2.壓21圖3-12高爐爐底水冷管配置圖圖3-12高爐爐底水冷管配置圖224.鐵口、渣口、風(fēng)口區(qū)域等冷卻(1)鐵口過去不冷卻，現(xiàn)在鐵口上方及兩側(cè)埋設(shè)水冷板水冷。(2)渣口一般為4個(gè)套組成，即渣口大套、二套、三套和渣口小套

，其裝置形式如圖3-13所示。渣口小套用紫銅或青銅焊成或鑄成；渣口直徑為50—60mm。渣口三套為青銅鑄成的冷卻套。渣口二套和大套為生鐵鑄成，其內(nèi)部均鑄有蛇形冷卻水管。(3)風(fēng)口風(fēng)口一般也由大、中、小3個(gè)套組成。中小套常用紫銅鑄成空腔式。風(fēng)口大套一般都用鑄鐵，其內(nèi)鑄有蛇形管。大、中、小套裝配形式示于圖3-14。風(fēng)口小套易損壞，造成頻繁休風(fēng)，對(duì)大高爐威脅更大，后面將重點(diǎn)介紹其改進(jìn)。4.鐵口、渣口、風(fēng)口區(qū)域等冷卻(1)鐵口過去不冷23圖3-13渣口裝置示意圖1.渣口小套2.渣口三套3.渣口二套4.渣口大套5-冷卻水管6.爐皮7、8.大套法蘭9、10.固定楔11擋桿圖3-13渣口裝置示意圖1.渣口小套2.渣口三套24圖3-14風(fēng)口裝置示意圖1－風(fēng)口中套冷水管；2－風(fēng)口大套密封罩；3－爐殼；4－抽氣孔；5－風(fēng)口大套；6－灌泥漿孔；7－風(fēng)口小套冷水管；8－風(fēng)口小套；9－風(fēng)口小套壓緊裝置；10－灌泥漿孔；11－風(fēng)口法蘭；12－風(fēng)口中套壓緊裝置；13－風(fēng)口中套

圖3-14風(fēng)口裝置示意圖1－風(fēng)口中套冷水管；2－風(fēng)口大253.3冷卻器的熱工原理1.熱平衡(1)熱平衡公式冷卻器帶走的熱量要和高爐相應(yīng)部分的熱流強(qiáng)度相適應(yīng)。

q·S=A.·V△T·4.18·103·3600q—熱流強(qiáng)度kJ/m2?hS—冷卻面積m2A—水管通道面積m2V—水在管道中流速m/sec4.18·103—水的比熱kJ/m3?℃,3600—時(shí)·秒單位換算系數(shù)，對(duì)已定高爐S=constant,△T—進(jìn)出水溫差℃。∴冷卻水量Q(A·V)是熱流強(qiáng)度和水溫差決定的，即Q=A·V=f(q，△T)?；颉鱐=f(q，Q)各種高爐各部位熱流強(qiáng)度不同，3.3冷卻器的熱工原理冷卻器帶走的熱量要和高爐相應(yīng)部分的26(2)爐墻導(dǎo)熱公式：式中：S磚—內(nèi)襯厚度，m；

λ磚—內(nèi)襯磚傳熱系數(shù)，kJ/(m?h?℃)，＝1左右；α水—水和管壁間的對(duì)流給熱系數(shù)，約為8372～12560kJ/(m2?h?℃)；△t=t1-t2t1—爐墻內(nèi)襯溫度

t2—冷卻水溫(2)爐墻導(dǎo)熱公式：式中：27分析：①∵α水很大，∴對(duì)爐墻散熱而言，起主導(dǎo)作用的不是水與管壁之間的熱交換，而是內(nèi)襯熱阻。如0.5m內(nèi)襯，后面留有水管冷卻，內(nèi)襯熱阻為S磚/λ磚=0.5/4.18=0.12(m2?℃)/kJ，水和管壁間熱阻為1/8372=0.00012(m2?℃)/kJ，兩者相差1000倍，∴忽略1/α水。當(dāng)△t=constant，這時(shí)，影響熱流強(qiáng)度q的因素主要是內(nèi)襯，而不是冷卻介質(zhì)。②但S磚→0時(shí)，這時(shí)不能忽略1/α水，∵S磚/λ磚值已很小。當(dāng)△t=constant，q↗。A·V·△T=f(q)這時(shí)↗水量是合理的。一般而言，主要是↗△T。分析：①∵α水很大，∴對(duì)爐墻散熱而言，起主導(dǎo)作用的不是水與28(3)提高△T受到的限制①進(jìn)水溫度夏季高，冬季低②出水溫度因水中含鈣、鎂、鋅類，當(dāng)溫度高過一定時(shí)（50℃~60℃），鈣、鎂等沉淀形成水垢，明顯地惡化冷卻器導(dǎo)熱性能，所以出水溫度只能小于這一溫度。③熱流的波動(dòng)幅度△T許=φ（t出-t進(jìn)）t出—水的穩(wěn)定溫度，即出水溫度℃t進(jìn)—水的進(jìn)水溫度,℃對(duì)一定水質(zhì)，△T許取決于t進(jìn)，∴夏天用水多是合理的。安全系數(shù)φ是一個(gè)考慮到熱流和侵蝕條件不同的后備系數(shù)。

(3)提高△T受到的限制①進(jìn)水溫度夏季高，冬29表3-3φ，表3-4△T許部位爐腹、身風(fēng)口帶渣口以下渣口小套后備系數(shù)0.4~0.60.15~0.30.08~0.150.3~0.4部位50m3100m3255m3620m3>1000m3爐身上部10~1410~1410~16爐身下部10~1410~1410~148~12爐腰10~1410~148~123~127~12爐腹10~1610~143~127~10風(fēng)口帶4~64~64~63~53~5爐缸<4<4<4<4<4風(fēng)渣口大套3~53~53~53~55~6風(fēng)渣口二套3~53~53~53~57~8表3-3安全系數(shù)φ表3-4高爐各部分水溫差允許范圍△T許℃表3-3φ，表3-4△T許部位爐腹、身風(fēng)口帶渣口以下302.冷卻水流速與沉淀(1)保證冷卻水流速的意義①避免由于局部過熱、沸騰，產(chǎn)生氣泡，影響傳熱，圖3-15；②避免由于溫度過高，產(chǎn)生鈣、鎂等沉淀，產(chǎn)生水垢。

λ垢=4.2~8.4kj/(m?h?℃)，相當(dāng)于在冷卻器表面砌一薄層粘土磚。水垢厚度與溫度降、熱流強(qiáng)度間的關(guān)系見圖3-16。③防止懸浮物沉積。水中機(jī)械懸浮物顆粒大小與不沉淀的最低流速關(guān)系見表3-5。(2)影響水與管壁熱交換的因素①管壁表面的幾何因素②水的物性參數(shù)③熱的推動(dòng)力△t

④水流速度

2.冷卻水流速與沉淀(1)保證冷卻水流速的意義31綜上所述，冷卻器合理水量可用熱平衡方法求得，再①按管子直徑、水頭數(shù)換算成水速，結(jié)合使用部位的熱流強(qiáng)度，看該冷卻器是否不在局部沸騰區(qū)；②結(jié)合水質(zhì)，保證水中機(jī)械懸浮物不沉淀。

見圖3-17

綜上所述，冷卻器合理水量可用熱平衡方法求得，再32圖3-15水流速度、欠熱度對(duì)局部沸騰和燒毀點(diǎn)的影響欠熱度：表示水溫，越高，表示水溫越低?！鱐：冷卻壁壁面和水的溫差。AB段：?jiǎn)蜗嗔黧w的強(qiáng)制對(duì)流換熱，無氣相。B點(diǎn)：局部沸騰開始，為核胞沸騰，雖然水的主體是欠熱的。BC段：能忍受極大的熱流而只造成壁面微小的升溫。為雙相流傳熱。C點(diǎn)：進(jìn)入膜態(tài)沸騰，稱為燒毀點(diǎn)。1.流速提高，B點(diǎn)向右，向上推移，2.水的欠熱度是有用的。圖3-15水流速度、欠熱度對(duì)局部沸騰和燒毀點(diǎn)的影響欠熱度33圖3－16水垢厚度與溫度降、熱流強(qiáng)度間的關(guān)系

圖3－16水垢厚度與溫度降、熱流強(qiáng)度間的關(guān)系34表3-5顆粒大小與不沉淀的最低流速關(guān)系顆粒大小，mm0.10.30.51.03.04.05.0水速，m/s0.020.060.10.20.30.50.8目前濾水器網(wǎng)孔：4～6mm，故V＞0.5—0.8m/s,一般不發(fā)生沉淀。表3-5顆粒大小與不沉淀的最低流速關(guān)系顆粒大35圖3-17冷卻器熱流和產(chǎn)生局部沸騰水速的關(guān)系（水管直徑=0.032m)圖3-17冷卻器熱流和產(chǎn)生局部沸騰水速的關(guān)系363.水壓要求

冷卻水壓力的大小，決定于冷卻器的阻損和爐內(nèi)壓力。高爐風(fēng)口平臺(tái)濾水器出口最低水壓保持比風(fēng)壓高50％，一般要求風(fēng)渣口內(nèi)的水壓應(yīng)高于熱風(fēng)壓力100kpa，冷卻設(shè)備內(nèi)的水壓要比該處?kù)o壓高50kpa。以免煤氣倒灌，燒壞設(shè)備等。3.水壓要求冷卻水壓力的大小，決定于冷卻器的阻損和373.4風(fēng)口小套冷卻及氣化冷卻1.風(fēng)口小套冷卻(1)風(fēng)口冷卻的重要性①熱交換強(qiáng)烈②破損后大量漏水，造成爐涼甚至爐缸凍結(jié)。破損原因：?焦炭、鐵渣的機(jī)械沖刷、磨損?強(qiáng)烈的熱流熔化(2)風(fēng)口構(gòu)造與改進(jìn)①空腔式V<0