选对冷却设备，助高炉长寿降成本！
胡源申 张文明 岳海峰
目前国内高炉冷却循环水的使用按水质劣优顺序和循环方式排列有4种，即开路冷却水、预处理循环水、软水密闭和纯水密闭循环。高炉冷却壁材质选用有灰铸铁（HT）、球墨铸铁（QT）、耐热铸铁、铸钢（ZG）和纯铜5种。其中，前4种均属铁基材质。
铁基材质冷却壁的化学组成特点是铸体内均含碳、硅、锰、磷、硫、钒、钛等元素。其金相组成特点是铁素体为主加珠光体分布。其力学性能特点是均具有较好的抗拉强度和延伸率。其导热性能特点是均具有较大的导热系数。其经济性能特点是制作成本不是太高，因而，国内外高炉的冷却壁目前使用得较多。
高炉冷却壁的使用寿命是制约高炉长寿的最重要因素之一。因此，搞清不同材质冷却壁服役中使用不同循环水质的破损机理，以及壁内水管中结垢的成垢机制，对高炉长寿的系统实践，从设计到制造、建设、筑炉、烘炉、开炉、生产、维护等各个环节都具有基础性的指导和决定作用。
研究者针对国内某钢企2010年停炉大修的耐热铸铁材质高炉冷却壁进行了解剖研究，并将结果与灰铸铁、球墨铸铁、铸钢和铜材质冷却壁一代服役后的破损行为进行了比较，从而揭示了全部铁基材质冷却壁的微观破损机理和壁内水管的成垢机制。
力学性能特点比较
解剖后的不同材质冷却壁体经一代高炉服役后力学性能的测试结果表明，耐热铸铁冷却壁体冷面与热面的平均抗拉强度下降仅小于灰铸铁，而且延伸率下降最大。这表明，经一代高炉服役后，不论是HT、QT、ZG还是耐热铸铁这些铁基材质，冷却壁的实际力学性能均发生很大蜕变。但相比而言，ZG冷却壁力学性能蜕变程度较HT、QT和耐热铸铁要小得多，表明其抗热冲击的性能在铁基材质中是最好。铜材质冷却壁一代服役后，其综合力学性能，无论是平均抗拉强度还是延伸率均在5种材质中最好。经解剖的耐热铸铁冷却壁，其肋面有12mm宽沿长度方向上的贯通裂缝，深120mm，固定螺栓处周边也有应力集中产生的裂缝，与HT、QT、ZG裂缝情况完全类同，均为热交变产生的热疲劳和热应力导致。而铜冷却壁则完全没有热面微裂纹和裂缝，说明铁基材质的冷却壁尽管冷态下的材料极限抗拉强度较铜材质大，但因铜材质的导热性能和延展性能最好，故铁基材质的冷却壁在一代服役中的抗热冲击性能比铜材质要差很多。
微观破损机理分析
在对某钢企使用的耐热铸铁和国内其他大钢企高炉分别使用的HT、QT和ZG材质制作的冷却壁全部进行了解剖研究后，研究者对铁基材质冷却壁壁体破损的微观机理已经有了比较完整的认识。
对铁基材质的冷却壁，由于冷却壁铸体中含有C、Si、Mn等元素，在风口带炉腹段有氧化性气氛存在的条件下，它们会与CO2和H2O或某些氧化物发生氧化蚀损反应，致使壁体热面逐层产生孔洞和裂纹，疏松质地，从而劣化壁体力学性能。
由此可见，壁体材质劣化的主要原因是侵入壁体高温煤气中的CO2和H2O（g），它们与壁体中的石墨C、Si、Mn等元素的反应在大于709℃的高温下反应迅速，壁体的热应力裂缝和裂纹以及石墨C等元素氧化后留下的孔洞和空间会加剧高温煤气的侵入，发生壁体的氧化劣化。故从冷却壁长寿的角度，不希望热面工作温度过高。
使用含有Cr、Ni等合金元素的铸铁材质制作的耐热铸铁冷却壁，虽然Cr、Ni元素的加入有利于形成热面致密氧化膜从而提高壁体的抗氧化劣化能力，但上述破损机理仍不会改变。
壁内水管的成垢机制
铁基材质冷却壁目前均为铸造制作，壁内水管大多使用20号无缝钢管。国内对高炉冷却壁内水管结垢的成垢机理先前并没有深入研究，普遍误认为管内的垢物是钙镁盐类沉淀，因而为了避免管内成垢，在冷却水质的改善上下了很多功夫。从开路循环水到预处理水，后来发展到软水密闭循环，再后来又使用纯水密闭循环。这样的冷却水循环系统投资和管理的工作量都是很大的。
然而，研究者通过近十多年对服役后冷却壁的解剖研究发现，不管使用何种水质，不管高炉容积大小，冷却壁经一代服役后，水管内的结垢都是不可避免的。而且垢物的主要组成并非钙镁盐类而主要是铁氧化物。成垢的机理主要是钢质水管与冷却水之间发生了电化学反应。这就从根本上揭示了铁基材质冷却壁内水管成垢的微观机理，为高炉冷却壁内水管的缓结垢改进技术开辟了新的道路，并提供了理论依据。
换言之，高炉大修设计时选用软水甚至纯水这样一代投资量和管理量都很大的冷却水系统是否合理，应当重新审视。
研究表明，结垢是导致高炉中晚期冷却壁快速破损的主要原因。以QT材质冷却壁为例，其水垢的导热系数在1.6W/(m·k)～1.8W/(m·k)，而QT的导热系数则在29.1W/(m·k)～34.9 W/(m·k)，水垢的导热系数仅为QT的1/24～1/30。根据实验，壁内水管形成1mm厚的垢，换热量会下降85%左右，传热效果急剧恶化，会对冷却壁造成50℃～100℃的温升。因此，高炉中晚期因水垢已逐渐增厚，极易造成冷却壁局部过热而导致烧损。
冷却壁破损的主要成因
近十多年来，研究者通过对国内一些大钢企高炉一代服役后4种铁基材质和铜材质冷却壁的解剖研究和5次高炉扒炉调查等系统科研工作，对冷却壁生产期中的各种破损成因进行了归纳总结。
这9种情况，有3种（1、2、3）与壁体热态下的应力应变有关，是可控制的。有2种（6、7）与壁内水管结垢和渗碳有关，虽较难控制但仍属于可控制的。还有4种（4、5、8、9）与壁体的恶劣工况有关，是不可控制的。
冷却壁服役中的破损，受设计、制作、安装和生产维护4四个环节决定和影响。上述9种成因只针对生产服役期。如果在设计、制作和安装这前3个环节上已留下不合理情况或缺陷，生产服役期中冷却壁的破损速度就会更快，破损数量会更大。
综合性能评价
系统的灰铸铁、球墨铸铁、铸钢、铜和耐热铸铁5种材质冷却壁的解剖研究结果表明，评价不同材质冷却壁的综合性能，应从冷却壁主要作为高炉炉内热量向外传递并承受高炉内高温、渣铁、煤气、炉料冲刷等特殊物理和化学工况条件出发，综合考察其导热性能、力学性能、易加工性能、抗结垢性能和经济性能这5个方面的因素。
从各材质冷却壁综合性能比较看，耐热铸铁材质冷却壁的导热性能和经济性能与铸钢相近，但力学性能较铸钢要差。此次解剖研究中发现的壁体开裂和一代服役后的抗拉强度、延伸率测试结果都证实了这点。铜材质虽力学性能指标相对较低，但其导热系数大因而传热效果好的优点完全可使冷却壁工作状态下的热面温度较低，有利于形成渣皮，不易发生壁体烧损，其综合性能是5种材质中最好的。唯一的缺憾是单位制作成本高，若大面积使用，会使一代高炉大修的一次性投资增加许多。即使考虑铜冷却壁一代服役后可重熔再加工制作使用，其绝对加工费用也要2.5万元/吨左右，故各炼铁厂应根据自身实际选用冷却壁的制作材质。此外，对2500立方米甚至是4000立方米以下的新建高炉，不建议选用一代投资和管理工作量都很大的软水或纯水循环冷却系统，而是建议选用一代投资和运营成本都比较低的预处理水循环冷却系统。