高爐冷卻壁材質的選擇原則是怎樣的?
高爐爐底、爐缸部位溫度在1500℃以上,要求冷卻壁材質導熱性好、承受側壓力較大。灰鑄鐵導熱系數常溫下為46.05W/(m.k),抗壓強度為572MPa,適合該部位的使用。加之采用導熱性好的大塊碳磚和陶瓷杯技術后,能夠滿足高爐15年的設計壽命。故此,爐底、爐缸按常規設計選用灰口鑄鐵(HT150)。
高爐爐身中上部溫度較低,該部位主要受爐料磨損和高溫煤氣流的沖刷,要求冷卻壁導熱性好、抗熱震性好。爐身下部和爐腹、爐腰部位受化學侵蝕、渣鐵液沖刷、煤氣流沖刷和堿金屬的破壞、爐料的摩擦等,爐內工況經常出現波動,溫度變化較大,而且爐腹、爐腰部位靠近風口,為“軟熔帶”,溫度很高,所以要求冷卻壁抗熱震性好,導熱性好,冷卻強度高,還要具有一定的韌性。然而灰鑄鐵斷后伸長率僅為0.3-0.8%,不宜采用,高韌性鐵素體球墨鑄鐵(QT400-18)其斷后伸長率大于18%,導熱系數為36 W/(m.k),疲勞裂紋的門坎值最高,裂紋擴展速率最低,據測算,如果選用高韌性鐵素體球墨鑄鐵做冷卻壁在其表面渣皮存在時可以滿足正常工作15年,但是一旦爐內波動造成渣皮脫落,冷卻壁本體將出現過熱,其溫度將超過球墨鑄鐵的極限使用溫度(760℃),如果在制造過程中解決了冷卻水管和本體的熱阻問題,保證本體材質性能指標,達到設計使用壽命是可以實現的。
鑄鋼冷卻壁和鑄鐵冷卻壁相比,本體材料的導熱性相差不大,但是由于鑄入鑄鋼內的冷卻水管材質與本體材質相近,鑄入本體內時沒有涂層。涂層導熱系數為1.32 W/(m.k),空氣的導熱系數僅為0.0385 W/(m.k),經計算:冷卻壁水管與冷卻壁本體氣隙間的熱阻占總熱阻的87%左右,冷卻水管涂層的熱阻占6%左右。鑄鋼冷卻壁鑄造時采取有效的工藝措施,使冷卻水管達到“熔而不穿”的效果,所以鑄鋼冷卻壁在冷卻水管沒有涂層、沒有氣隙的情況下綜合導熱能力較鑄鐵冷卻壁提高了2倍以上。而且鑄鋼的高溫持久強度在低于375℃時較球墨鑄鐵平穩,芯部力學性能優于球墨鑄鐵,能夠承受較大的熱應力。同等工況下鑄鋼冷卻壁比鑄鐵冷卻壁的工作溫度低,利于冷卻壁掛渣。但是,鑄鋼的鑄造性能較差,所以在爐身中上部仍然采用球墨鑄鐵,就可以滿足設計壽命。
純銅的導熱系數在340-380 W/(m.k),雖然其冷卻強度很高,用于冷卻壁制造,其導熱能力明顯過剩,加之成本較高,因此,僅用于大型高爐的爐腰、爐腹部位。對于中小型高爐來說,鑄鋼冷卻壁的各項指標綜合計算后能夠滿足高爐冷卻壁的設計壽命,故此中小型高爐的爐身下部、爐腹、爐腰冷卻壁可以采用鑄鋼材質。
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