高炉冷却壁材质的选择原则是怎样的?
高炉炉底、炉缸部位温度在1500℃以上,要求冷却壁材质导热性好、承受侧压力较大。灰铸铁导热系数常温下为46.05W/(m.k),抗压强度为572MPa,适合该部位的使用。加之采用导热性好的大块碳砖和陶瓷杯技术后,能够满足高炉15年的设计寿命。故此,炉底、炉缸按常规设计选用灰口铸铁(HT150)。
高炉炉身中上部温度较低,该部位主要受炉料磨损和高温煤气流的冲刷,要求冷却壁导热性好、抗热震性好。炉身下部和炉腹、炉腰部位受化学侵蚀、渣铁液冲刷、煤气流冲刷和碱金属的破坏、炉料的摩擦等,炉内工况经常出现波动,温度变化较大,而且炉腹、炉腰部位靠近风口,为“软熔带”,温度很高,所以要求冷却壁抗热震性好,导热性好,冷却强度高,还要具有一定的韧性。然而灰铸铁断后伸长率仅为0.3-0.8%,不宜采用,高韧性铁素体球墨铸铁(QT400-18)其断后伸长率大于18%,导热系数为36 W/(m.k),疲劳裂纹的门坎值最高,裂纹扩展速率最低,据测算,如果选用高韧性铁素体球墨铸铁做冷却壁在其表面渣皮存在时可以满足正常工作15年,但是一旦炉内波动造成渣皮脱落,冷却壁本体将出现过热,其温度将超过球墨铸铁的极限使用温度(760℃),如果在制造过程中解决了冷却水管和本体的热阻问题,保证本体材质性能指标,达到设计使用寿命是可以实现的。
铸钢冷却壁和铸铁冷却壁相比,本体材料的导热性相差不大,但是由于铸入铸钢内的冷却水管材质与本体材质相近,铸入本体内时没有涂层。涂层导热系数为1.32 W/(m.k),空气的导热系数仅为0.0385 W/(m.k),经计算:冷却壁水管与冷却壁本体气隙间的热阻占总热阻的87%左右,冷却水管涂层的热阻占6%左右。铸钢冷却壁铸造时采取有效的工艺措施,使冷却水管达到“熔而不穿”的效果,所以铸钢冷却壁在冷却水管没有涂层、没有气隙的情况下综合导热能力较铸铁冷却壁提高了2倍以上。而且铸钢的高温持久强度在低于375℃时较球墨铸铁平稳,芯部力学性能优于球墨铸铁,能够承受较大的热应力。同等工况下铸钢冷却壁比铸铁冷却壁的工作温度低,利于冷却壁挂渣。但是,铸钢的铸造性能较差,所以在炉身中上部仍然采用球墨铸铁,就可以满足设计寿命。
纯铜的导热系数在340-380 W/(m.k),虽然其冷却强度很高,用于冷却壁制造,其导热能力明显过剩,加之成本较高,因此,仅用于大型高炉的炉腰、炉腹部位。对于中小型高炉来说,铸钢冷却壁的各项指标综合计算后能够满足高炉冷却壁的设计寿命,故此中小型高炉的炉身下部、炉腹、炉腰冷却壁可以采用铸钢材质。
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