高爐高強化冶煉條件下銅冷卻壁應用（簡體書）

本書主要介紹高爐高強化冶煉條件下銅冷卻壁應用的相關內容。主要對銅冷卻壁大面積損壞的原因進行了分析，對其在高爐冶煉過程中的傳熱過程、掛渣能力、應力分布、壁體變形等進行了詳細探討，並結合試驗從爐渣角度研究了銅冷卻壁掛渣自保護性能，為高強化冶煉條件下銅冷卻壁的合理應用提供了理論依據和技術指導。本書可供鋼鐵冶金相關專業的高校教師、研究員、學生，鋼鐵企業生產技術人員，鋼鐵設計院技術人員，高爐冷卻設備生產廠家管理、技術人員等閱讀參考。

高爐煉鐵是是主要使用的煉鐵工藝，但其銅冷卻壁的合理應用和使用壽命卻成為限制其應用的重要因素，基於此，本書開展系統研究。本書具有以下兩大特色：（1）本書重點討論了銅冷卻壁在高爐內使用時影響其壽命的因素，重點關注銅冷卻壁的破損原因、銅冷卻壁穩定掛渣、高爐操作條件對銅冷卻壁壽命的影響及銅冷卻壁在高爐內的合理使用部位和冷卻制度等。有助於高爐經濟、合理的使用銅冷卻壁，延長爐腰爐腹壽命，實現高爐長壽；有助於高爐穩定順行，實現高效生產；有助於節約冷卻壁和檢修資金投入，降低生產成本。此外，本書對改進銅冷卻壁設計，優化高爐冷卻系統也具有促進作用。（2）現有的書籍中，僅部分高爐長壽類專著在個別章節簡要對銅冷卻壁設計和應用情況進行了簡介，目前國內外尚無專門聚焦於銅冷卻壁應用的專著，本書則更為詳盡的介紹了銅冷卻壁應用現狀、破損原因等一系列問題，更加聚焦，實用性更強。

2021年，我國生鐵產量已經達到8.69億噸，占全球鐵產量的60%以上，粗鋼產量約為10.33億噸，約占全球鋼產量的53%。我國的生鐵基本上全部來自高爐生產，在“高爐-轉爐”煉鋼生產流程中，煉鐵工序的能耗占整個鋼鐵製造流程總能耗的70%，這就使得維護高爐穩定順行、實現高爐長壽和高效的統一成為冶金工作者不懈追求的目標。高爐爐腹、爐腰至爐身中下部是高爐壽命的限制性環節之一，採用銅冷卻壁在該區域形成一個無過熱冷卻體系，利用渣皮來保護爐襯和冷卻壁，被認為是解決該區域壽命問題的有效手段。

國外1978年便開始銅冷卻壁的試驗研究工作，認為銅冷卻壁可以實現30～50年的工作壽命，服務於1～2代長壽高爐爐役。我國從2000年才開始進行銅冷卻壁的研究工作，但銅冷卻壁在我國推廣應用迅速。我國高爐應用銅冷卻壁二十多年以來，由於缺乏薄壁高爐操作經驗，大多數應用銅冷卻壁的高爐均存在爐墻結厚、渣皮大面積頻繁脫落等問題，給生產造成了一定影響。2010年以來，我國先後有多座高爐發生了銅冷卻壁大面積損壞，給高爐生產造成了災難性的損失。筆者在時間深入國內多家鋼鐵企業調研銅冷卻壁破損情況，獲得了大量的手資料，並在此基礎上開展後續研究工作，至今已有十余年，本書正是筆者多年學習和工作經驗的總結。

本書討論了銅冷卻壁在高爐內使用時影響其壽命的因素，重點關注銅冷卻壁的破損原因、銅冷卻壁穩定掛渣、高爐操作條件對銅冷卻壁壽命的影響及銅冷卻壁在高爐內的合理使用部位和冷卻制度等，這有助於高爐經濟、合理地使用銅冷卻壁，延長爐腰、爐腹壽命，實現高爐長壽;有助於高爐穩定順行，實現高效生產;有助於節約冷卻壁和檢修資金投入，降低生產成本。

此外，本書內容對改進銅冷卻壁設計和優化高爐冷卻系統也具有一定參考意義。

筆者的研究工作得到了導師張建良教授的悉心指導，得到了北京科技大學原校長楊天鈞教授、北京科技大學王筱留教授、中冶京誠煉鐵設計大師吳啟常先生、首鋼集團原副總工程師劉雲彩先生、鞍鋼集團原副總工程師湯清華先生等的關心和大力支持，得到“鋼鐵冶金過程合理化”梯隊其他老師和同學的幫助，得到了湖北汽車工業學院劉建永、楊偉、史秋月、葉四友、郭睿等許多同事的協助。同時，本書的出版工作得到了湖北汽車工業學院材料學院院長張元好教授等同志和學校科技處、研究生處等部門的關心和支持，並得到湖北汽車工業學院學術專著出版專項資助。在此向湖北汽車工業學院與支持、指導筆者研究工作及幫助本書出版的所有老師和同學表示感謝!

限於筆者的研究水平，本書中難免有疏漏之處，請各位讀者批評指正。



李峰光

第1章 銅冷卻壁與高爐長壽的關係及其應用現狀001

1.1高爐長壽技術及其發展趨勢001

1.1.1高爐長壽技術意義及目標001

1.1.2高爐長壽技術現狀及限制性環節003

1.1.3爐缸爐底長壽問題005

1.1.4爐腰、爐腹至爐身下部長壽問題006

1.2銅冷卻壁應用歷史及優勢分析007

1.2.1銅冷卻壁與傳統冷卻壁的對比007

1.2.2國內外銅冷卻壁應用歷史009

1.2.3銅冷卻壁應用經濟性分析010

1.3銅冷卻壁類型及發展情況011

1.3.1銅冷卻壁材質要求011

1.3.2銅冷卻壁加工工藝013

1.3.3銅冷卻壁類型014

1.4銅冷卻壁應用現狀020

1.4.1國內外典型銅冷卻壁應用情況020

1.4.2銅冷卻壁大面積損壞情況023

1.4.3微量元素對銅冷卻壁性能的影響025

1.4.4銅冷卻壁穩定掛渣的研究027

1.4.5銅冷卻壁傳熱計算模型的研究027



第2章 銅冷卻壁破損原因029

2.1國內銅冷卻壁損壞實例029

2.1.1國內某2000m3 高爐銅冷卻壁破損029

2.1.2國內某3200m3 高爐銅冷卻壁破損032

2.2銅冷卻壁損壞的共性特徵分析033

2.3“氫病”現象對銅冷卻壁破壞作用分析034

2.3.1銅冷卻壁本體溫度因素的影響034

2.3.2燒損冷卻壁中O 及H 含量分析037

2.3.3燒損冷卻壁微觀結構觀察039

2.4鋅元素對銅冷卻壁破壞作用分析042

2.4.1試驗設備及方法043

2.4.2試驗結果及分析044

2.5爐型結構對銅冷卻壁壽命影響分析050

2.5.1高爐煤氣流分布計算模型的建立050

2.5.2計算參數的選取及計算方案054

2.5.3計算結果分析及討論055

2.6本章小結061



第3章 銅冷卻壁掛渣過程數值模擬062

3.1模型建立063

3.1.1物理模型063

3.1.2數學模型及邊界條件065

3.1.3計算參數選取069

3.1.4渣皮厚度及體系溫度場求解過程069

3.2計算結果分析070

3.2.1爐況因素對壁體溫度和掛渣的影響070

3.2.2冷卻制度對壁體溫度和掛渣的影響077

3.2.3爐渣性質對壁體溫度和掛渣的影響085

3.2.4鑲磚材質對壁體溫度和掛渣的影響094

3.3銅冷卻壁掛渣能力計算098

3.4銅冷卻壁掛渣狀態監測系統及其實際應用103

3.5本章小結104



第4章 銅冷卻壁應力分布規律研究105

4.1銅冷卻壁熱-力耦合分析模型的建立105

4.1.1熱-力耦合分析方法105

4.1.2計算模型及邊界條件106

4.1.3物性參數選擇108

4.2壁體及渣層應力分布規律分析109

4.2.1爐氣溫度變化對壁體及渣層應力分布的影響109

4.2.2冷卻制度對壁體及渣層應力分布的影響115

4.2.3鑲磚材質對壁體及渣層應力分布的影響118

4.2.4爐渣熱脹系數對壁體及渣層應力分布的影響121

4.3壁體變形分析123

4.3.1典型冷卻壁變形123

4.3.2爐氣溫度變化對冷卻壁變形的影響124

4.3.3渣層厚度變化對冷卻壁變形的影響125

4.3.4冷卻制度對壁體變形的影響126

4.3.5鑲磚材質變化對壁體變形的影響128

4.3.6爐渣熱膨脹性對冷卻壁變形的影響130

4.4本章小結130



第5章 渣皮軟熔特性試驗研究132

5.1試驗設備及方法133

5.1.1試驗設備133

5.1.2試驗方法133

5.1.3試驗方案135

5.2結果分析及討論138

5.2.1爐渣典型軟熔過程138

5.2.2FeO 含量變化對爐渣軟熔過程的影響140

5.2.3Al2O3 含量變化對爐渣軟熔過程的影響142

5.2.4MgO 含量變化對爐渣軟熔過程的影響145

5.2.5爐渣堿度對軟熔過程的影響148

5.3本章小結151



第6章 爐渣成分變化對渣皮厚度影響153

6.1爐渣各組分對冷卻壁掛渣能力的影響154

6.2爐渣各組分對冷卻壁掛渣能力影響強弱分析157

6.3本章小結158



展望160



參考文獻161