有冶金炉窑中的水冷技术
李栋
【期刊名称】《《有设备》》
【年(卷),期】2019(000)005
【总页数】6页(P4-8,33)
【作 者】李栋
【作者单位】中国恩菲工程技术有限公司 北京100038
【正文语种】中 文
【中图分类】TF815
0 引言
随着有冶金企业规模的扩大，有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。
活动装置
(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。
lanm(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]温度/℃纯铜钢0.5% C铸铁1.0%C0℃5943100℃3875743200℃3795242400℃3744536600℃3633033800℃3533329
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%
圣诞树灯密度 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σb 170 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。
焊接钢板图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；
小型振动器
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，℃。
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