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1、第三章 高炉冷却设备 3.1 冷却 目的 1）保护炉壳。在正常生产时，高炉炉壳只能在低于80的温 度下长期工作，炉内传出的高温热量由冷却设备带走85以 上，只由约15的热量通过炉壳散失。 2）对耐火材料的冷却和支承。高炉内耐火材料的表面工作温 度高达1500左右，如果没有冷却设备，耐火材料在很短的 时间内就会被侵蚀或磨损。 当耐火内衬被侵蚀后，保护高 炉炉壳免受损坏。 3）维持合理的操作炉型。使耐火材料的侵蚀内型线接近操作 炉型，对高炉内煤气流的合理分布、炉料的顺行起到良好的 作用。 4）当耐火材料大部分或全部被侵蚀后，炉腰和炉腹能靠冷却 设备上的渣皮继续维持高炉生产。3.2冷却方式和介质目前
2、，高炉冷却介质常用水、空气、气水混合物。即水 冷、风冷和气化冷却三种。 1) 水冷：水的热容量大，导热能力好，且价廉，易得。故首先 被广泛用于高炉冷却，尤其工业水冷却。但工业水容易结垢 ，降低冷却强度，导致冷却设备烧坏；同时水量和能耗均大 。 2) 风冷：由于空气热容量较小，所以风冷一般用于冷却强度要 求不大的部位如炉底。 3) 气化冷却：气化冷却能克服上述水质上的缺点，但不能对热 流过大的区域如风口进行有效的冷却且不易检漏。所以尽管 用水量仅为常规水冷的1左右、没有水垢且可不靠外界能 源工作，现在气冷应用仍不广泛。 根据不同处理方法所得到的冷却用水分为普通工业 净化水、软水和纯水。普通工业净
3、化水是天然水经过沉 淀及过滤处理后，去掉了水中大部分悬浮物杂质，而溶解 杂质并未发生变化的净化水。软水是将钠离子经过离子交 换剂与水中的钙、镁阳离子进行置换，而水中其他的阴离 子没有改变的净化水。纯水即脱盐水，纯水中阴、阳离 子的残余含量极微，基本上无杂质的净化水。 目前趋势是发展软水或纯水密闭循环冷却。冷却介质 是软水或纯水。软水硬度或纯水（含钙，镁离子）很低， 有害杂质很少（表12 水质指标），设备的结垢速率和 腐蚀速率都远低于工业水，从根本上解决了结垢问题。有 利于延长冷却设备寿命，并提高冷却效果。该系统由于完 全密闭，没有蒸发损失。补充水仅用于泵密封处泄漏和因 检修而排外的水，所以补充
4、水量很少。表12 水质指标水质项目单位普通工业净 化水软水纯水悬浮物 溶解固体 硬度 碱度 mg/L mg/L mmol/L mmol/L 200 3.57 510 0.035 420 23 0 0.040.1炉壳外部冷却外部冷却-喷水冷却 此法利用环形喷水管或其它形式通过炉壳冷却内衬。高炉 在炉役末期冷却器被烧坏或严重脱落时、为维持生产，采用喷 水冷却。 宝钢 l 号高炉炉底侧壁和炉缸为碳砖喷水冷却结构（图1-12） ；国外也有大高炉炉身、炉腹和炉缸采用碳质内衬配合喷水冷 却；还有使用焊有沟槽外套结构冷却炉壳的。为提高喷水冷却效果，必须经常对炉壳进行清洗。 3.2 3.2 冷却设备冷却设备图
5、1-12 宝钢1号高炉炉底侧壁和炉缸喷水冷却示意图2.壳内冷却插入式冷却器 支梁式水箱 被安装在炉壳与内衬间或内衬中，以增强砖衬的冷却效果。为铸有无缝钢管的楔形冷却器(图1-13)。因此它有支 承上部砖衬的作用，并可维持较厚的砖衬；与冷却壁相比 重量较轻，便于拆换。它多安装在中型高炉炉身中部用以 托砖，常为23层，呈棋盘式布置。上下两层间距600 800mm，同一层相距13001700mm。 优点：冷却深度较深； 缺点：点冷却；炉役后期，内衬工作面易呈凹凸不平，不 利炉料下降；开孔多对炉壳强度和密封也带来不利影响。扁水箱多为铸铁，内部铸有无缝钢管(图1-14)。 一般用于炉身和 炉腰。亦呈棋盘
6、式布置，有密排式和一般式，后者层距500 900mm，同一层相距不超过150500mm。 冷却板 其内采用隔板将 冷却水形成一定的流路，有双进四路、 双进六路结构型式，图1-15示出双进六路结构型式冷却板。 此种冷却板结构的特点： a.适用于高炉高热负荷区的冷却，采用密集式的布置形式，如 宝钢1号和2号冷却板层距为312mm； b.冷却板前端冷却强度大，不易产生局部沸腾现象； c.当冷却板前端损坏后可继续维持生产； d.双通道的冷却水量可根据高炉生产状况分别进行调整。 图1-13 支梁式水箱图1-14 扁水箱 （铸钢）图1-15 双进6路冷却板冷却壁光面冷却壁 用于炉底和炉缸，其厚度为8012
7、0mm。( 图1-16) 镶砖冷却壁 用于炉腹及以上，其厚度包括镶砖在内， 一般为250350mm(冷却壁厚度120160mm)，肋高为75 115mm，现趋于减薄。 a ）有凸台的异型或“”型冷却壁（图1-17 b,c），用于炉腹 以上，普通型冷却壁(图1-17 a )用于炉腹 ； b）冷却壁宽度为7001500mm，高度视炉壳折点和炉衬情 况而定，一般不应大于3000mm；c）冷却壁内部所铸的无缝管一般为 34* 5 44.5* 6，管 子的曲率半径最小为管径的两倍。管距一般在200 250mm 范围。它是内部铸有无缝钢管的铸铁板。冷却壁特点：与插入式冷却器相比，不损坏炉壳强度，有良好的密
8、封性； 冷却均匀，炉衬内壁光滑；同时异型或“”型冷却壁有支托上 部砖衬作用(图1-17b,c)。适宜用于顶压达0.20.25MPa的高炉 。 它损坏时不能更换，故需辅以喷水冷却；此外也不宜厚炉墙 。冷却壁发展（图118 新日铁四代冷却壁 ） 材质：一般铸铁 高韧性球墨铸铁铸钢铜质。 冷却水管：水管直径增大，采用高水速；将进出水头由单进 单出改为多进多出；将冷却壁四角部分管子弯成直角；将单 层水管改为双层水管；增加拐角水管。 铸造前冷却水管喷涂保护层。 用软水图1-16 光面冷却壁图1-17 冷却壁图118 新日铁第四代冷却壁 3）铜冷却壁（图1-19）项目铸铁冷却壁铜冷却壁冷却 效果由于水管位
9、置距角部和 边缘有要求， 冷却效果差，易损坏钻孔时距壁角和边缘部位 的距离可缩短， 使二部位的冷却效果好冷却 水管铸入壁内，有隔热层存 在在壁内钻孔，无隔热层存 在 壁间 距离相邻两壁之间有30 40mm宽的缝隙， 此部位冷却条件很差相邻两壁之间距离可缩小 到10mm热导 率62.8W/(m k)360 W/(m k)图119 铜冷却壁4) 板壁结合冷却结构（）为了缓解炉身 下部耐火材料的损 坏和炉壳的保护， 在国内外一些高炉 的炉身部位采用了 冷却板和冷却壁交 错布置的板壁结合 冷却结构。千叶6 号高炉(4500m3) ， 梅山（1250m3 ) 。 图120 板壁结合冷却结构冷却管用于炉底
10、冷却。组合形式有两种。一种是介质由中心 往外径向辐射式的流动；另一种是介质由一侧通过平行管 道流向另一侧。在管子的末端都设有闸阀，以便控制流经 每根管子的冷却介质。同时从散热角度看，中间管子宜密 排，边缘可疏排。冷却介质为水或风。图1-21为宝钢1号高炉水冷炉底结构 图1-22为高炉炉底水冷管配置图图1-21 宝钢1号高炉水冷炉底结构1.上屋横梁；2.压浆孔；3.碳质不定形耐火材料 4.粘土质不定形耐火材料 ； 5下层横梁；6混凝土图1-22 高炉炉底水冷管配置图铁口、渣口、风口区域等冷却1) 铁口 过去不冷却，现在铁口上方及两侧埋设水冷板水冷 。 2) 渣口 一般为4个套组成，即渣口大套、二
11、套、三套和渣口 小套 ，其装置形式如图1-23所示。渣口小套用紫铜或青铜 焊成或铸成；渣口直径为5060mm。渣口三套为青铜铸成 的冷却套。渣口二套和大套为生铁铸成，其内部均铸有蛇形 冷却水管。 3) 风口 风口一般也由大、中、小3个套组成。中小套常用 紫铜铸成空腔式。风口大套一般都用铸铁，其内铸有蛇形管 。大、中、小套装配形式示于图1-24。 风口小套易损坏， 造成频繁休风，对大高炉威胁更大，后面将重点介绍其改进 。图1-23 渣口装置示意图 1.渣口小套 2.渣口三套 3.渣口二套 4.渣口大套 5-冷却水管 6.炉皮 7 、8 .大套法兰 9 、10 .固定楔 11挡杆图1-24 风口装
12、置示意图1风口中套冷水管；2风口大套密封罩；3炉壳；4抽气孔；5风口大套； 6灌泥浆孔；7风口小套冷水管；8风口小套；9风口小套压紧装置； 10灌泥浆孔；11风口法兰；12风口中套压紧装置；13风口中套3.3 冷却器的热工原理 1.热平衡 1）热平衡公式 冷却器带走的热量要和高炉相应部分的热流强度相适应。q S=A.V T 4.18 10 3600q热流强度 kJ/m hS冷却面积 mA水管通道面积 mV水在管道中流速 m/sec4.18 10水的比热 kJ/m, 3600时秒单位换算系 数，对已定高炉 S=constant, T进出水温差 。 冷却水量Q(AV)是热流强度和水温差决定的， 即
13、Q =A V=f(q， T )。或 T = f(q， Q)各种高炉各部位热流强度不同，2）炉墙导热公式：式中：S砖内衬厚度，m； 砖内衬砖传热系数，kJ/(mh)，1左右，；水水和管壁间的对流给热系数，约为8372 12560kJ/(m2h) ；t=t1-t2 t1炉墙内衬温度 t2冷却水温分析： 水很大，对炉墙散热而言，起主导作用的不是水与管 壁之间的热交换，而是内衬热阻。如0.5m内衬，后面留有水管冷却，内衬热阻为S砖/ 砖 =0.5/4.18=0.12(m2 )/kJ，水和管壁间热阻为 1/8372=0.00012 (m2 )/kJ，两者相差1000倍， 忽略1/ 水。当t=constant，这时，影响热流强度q的因素主要是内衬 ，而不是冷却介质。 但S砖0时，这时不能忽略1/ 水， S砖/ 砖值已很小。 当t=constant， q 。 A V T =f(q)这时水量是 合理的。一般而言，主要是 T 。3）提高T受到的限制：进水温度 夏季高，冬季低 出水温度 因水中含钙、镁、锌类，当温度高过一定时（ 50 60 ），钙、镁等沉淀形成水垢，明显地恶化冷却器导 热性能，所以出水温度只能小于这一温度。 热流的波动幅度 T许=（t出- t进） t出水的稳定温度，即出水温度 t进水的进水温度 , 对一定水质， T许取
