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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1.冷却方式,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。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。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。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。,2.冷却水,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。普通工业净化水是天然水经过沉淀及过滤处理后
3、，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。软水系统（表31 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。,表31 水质指标,1.炉壳外部喷水冷却,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3-1)；国外也有大高炉炉身、炉腹和炉
4、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。,3.3 冷却设备,图3-1 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,(1)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。有插入式冷却器和冷却壁两种。,为铸有无缝钢管的楔形冷却器(图3-2)。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600800mm，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
5、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3-3)。一般用于炉身和炉腰。亦呈棋盘式布置，有密排式和一般式，后者层距500900mm，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3-4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
6、。,图3-2 支梁式水箱,图3-3 扁水箱（铸钢）,图3-4 双进6路冷却板,(2)冷却壁,光面冷却壁 用于炉底和炉缸，其厚度为80120mm。(图3-5)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75115mm，现趋于减薄。a.有凸台的异型或“”型冷却壁（图3-6 b,c），用于炉腹以上，普通型冷却壁(图3-7 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 25
7、0mm范围。,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。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37 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3-5 光面冷却壁,图3-6 冷却壁,图37 新日铁第四代冷却壁,(3)铜冷却
8、壁（图3-8）,表32,图38 铜冷却壁,(4)板壁结合冷却结构（图39）,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39 板壁结合冷却结构,3.冷却管,用于炉底冷却。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3-10为宝钢1号高炉水冷炉底结构 图3-11为高炉炉底水冷管配置图,图3-11
9、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3-12 高炉炉底水冷管配置图,4.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、二套、三套和渣口小套，其装置形式如图3-13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
10、配形式示于图3-14。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3-13 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3-14 风口装置示意图,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 1
11、0 3600 q热流强度 kJ/m h S冷却面积 m A水管通道面积 m V水在管道中流速 m/sec 4.18 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
12、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
13、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许取决于t进，夏天用水多是合理的。安全系数 是一个考虑到热流和侵蚀条件不同的后备系数。,表3-3，表 3-4 T许,表3-3 安全系数,表 3-4 高炉各部分水温差允许范围T许,2.冷却水流速与沉淀,(1)保证冷却水流速的意义 避免由于局部过热、沸腾，产生气泡，影响传热，图3-15；避免由于温度过高，产生钙、镁等沉淀，产生水垢。垢=4.28.4 kj/(mh)，相当于在冷却器表面砌一薄层粘土砖。水垢厚度与温度降、热流强度间的关系见图3-16。防止悬浮物沉积。水中机械悬浮物颗
14、粒大小与不沉淀的最低流速关系见表3-5。(2)影响水与管壁热交换的因素管壁表面的几何因素 水的物性参数热的推动力t 水流速度,综上所述，冷却器合理水量可用热平衡方法求得，再按管子直径、水头数换算成水速，结合使用部位的热流强度，看该冷却器是否不在局部沸腾区；结合水质，保证水中机械悬浮物不沉淀。见图3-17,图3-15 水流速度、欠热度对局部沸腾和烧毁点的影响,欠热度：表示水温，越高，表示水温越低。T：冷却壁壁面和水的温差。AB段：单相流体的强制对流换热，无气相。B点：局部沸腾开始，为核胞沸腾，虽然水的主体是欠热的。BC段：能忍受极大的热流而只造成壁面微小的升温。为双相流传热。C点：进入膜态沸腾，
15、称为烧毁点。1.流速提高，B点向右，向上推移，2.水的欠热度是有用的。,图316 水垢厚度与温度降、热流强度间的关系,表3-5 颗粒大小与不沉淀的最低流速关系,目前滤水器网孔：46mm，故V0.50.8m/s,一般不发生沉淀。,图3-17 冷却器热流和产生局部沸腾水速的关系（水管直径=0.032m),3.水压要求,冷却水压力的大小，决定于冷却器的阻损和炉内压力。高炉风口平台滤水器出口最低水压保持比风压高50，一般要求风渣口内的水压应高于热风压力100kpa，冷却设备内的水压要比该处静压高50kpa。以免煤气倒灌，烧坏设备等。,3.4 风口小套冷却及气化冷却 1.风口小套冷却,(1)风口冷却的重
16、要性 热交换强烈 破损后大量漏水，造成炉凉甚至炉缸冻结。破损原因：焦炭、铁渣的机械冲刷、磨损 强烈的热流熔化(2)风口构造与改进 空腔式 V0.7m/s 双室式 图3-18 螺旋式 贯流式 图3-19,图3-18 双室式风口结构示意图,图3-19 宝钢1号高炉贯流式风口,1-前段；2-热电偶；3-后座,2.气化冷却（自学）,(1)原理：利用接近饱和温度的水在气化时大量吸热的原理，供冷却元件冷却。液态水的比热：1*4.187kj/kg 气化热：539*4.187kj/kg,图3-20 气化冷却自然循环原理示意图,U型管 p上=p包-h r混 kg/m2 p下=p包-h r水 kg/m2p=p上-
17、p下=h(r水-r混)p即循环系统推动力，实现自然循环。,(2)气化冷却的特点可以节约大量用水使用软化水，可防水垢可随每个回路热负荷的变化，自己调剂给水速率，与元件热负荷相适应。停电时，延长一小时用水。可以回收蒸汽，做为二次能量利用。但气化冷却尚待完善，现在使用的不多。,3.5 合理的冷却制度的讨论,合理冷却制度应该是：高炉各部位的用水量与其热负荷相适应；冷却器内水速、水量和水质与冷却器结构相适应；水质合乎要求，进出水温差适当。炉身下部、炉腰、炉腹长寿措施次序 当前高炉长寿主要是指炉身下部、炉腰、炉腹的长寿，采用技术措施的次序应该是：改善冷却水的质量；改进冷却器的结构；采用合乎要求的新型耐火材料。,
