銅管水套應(yīng)用背景

在實(shí)際生產(chǎn)中，高爐部分區(qū)域工況及其惡劣，高爐整體結(jié)構(gòu)中的爐腹、爐腰以及爐身下部這些部位經(jīng)常受著高熱流的沖擊，爐襯須同時(shí)承受強(qiáng)烈的高溫氣流沖刷、爐料的磨損及爐渣的侵蝕。強(qiáng)化冶煉時(shí)爐料結(jié)構(gòu)的變化及操作的不穩(wěn)定等引起反復(fù)熱沖擊、擠壓、磨損、化學(xué)侵蝕。這一系列狀況都會(huì)加速耐材的侵蝕和冷卻設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致冶金高爐停爐檢修，直接降低高爐的產(chǎn)量和壽命。

通用的解決方法是對這些部位設(shè)置冷卻裝置，加強(qiáng)對它們的保護(hù)，以此來維持爐體長期穩(wěn)定連續(xù)作業(yè)。最佳的方式是在砌磚間埋設(shè)冷卻水水套（現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，有色冶金爐上稱為水套，在煉鐵高爐中稱為冷卻壁）。

冷卻水套，作為一種水冷的冷卻設(shè)備用于冶金爐或者高爐上，它可以替代耐火材料。它不僅本身能夠抵抗高溫、機(jī)械化沖刷以及化學(xué)腐蝕，更為重要的是，由于它的冷卻作用保護(hù)了覆蓋在其周身的耐火材料，延長使用壽命，從而確保生產(chǎn)高效連續(xù)進(jìn)行。

作為高爐的關(guān)鍵部件，冷卻水套在高溫狀態(tài)下工作條件非常惡劣，其破壞形式是在高溫交變熱應(yīng)力作用下引起開裂漏水，使得高爐被迫停爐大中修。要延長冷卻壁使用壽命必須選擇合理的材質(zhì)，水套的冷卻性能直接影響到高爐大修的期限及其壽命。

當(dāng)前，高爐或者冶金爐的爐身、爐腰、爐腹以及風(fēng)口等部位的重要位置均安裝著冷卻水套，冷卻水套在高爐上應(yīng)用見下圖1所示。

銅管水套是冷卻水套的一種，冷卻水套據(jù)水套本體制造材質(zhì)主要分為鑄鐵水套、鋼水套和銅水套三大類。

銅水套在有色冶金爐和高爐中逐步取代鑄鐵水套和鋼水套。相比二者，銅水套有著優(yōu)異的性能。銅有著優(yōu)良的力學(xué)、物理性能。見下圖2所示：

與鑄鐵冷卻水套和鋼水套相比，銅冷卻水套有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）高導(dǎo)熱性能。銅相對鑄鐵和鋼最突出的的優(yōu)勢在于導(dǎo)熱性能好，散熱快。鑄鐵冷卻水套的導(dǎo)熱系數(shù)低，且在溫度升高其導(dǎo)熱系數(shù)下降，700℃時(shí)僅22.5W/（m.K）。銅冷卻壁的導(dǎo)熱系數(shù)是鑄鐵的12~15倍，比鋼也高出很多。實(shí)際應(yīng)用表明，銅冷卻水套在工作時(shí)其表面溫度非常十分低并且非常穩(wěn)定，水套本體和水通道表面正常情況下也保持僅僅15~20℃的溫差，短時(shí)最大溫差都不超過100℃，不會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，很難產(chǎn)生裂紋。使用一代爐齡后的銅冷卻壁均無裂紋出現(xiàn)，延長了使用壽命。

（2）良好的抗熱震性能。就銅自身性能而言，銅具有比較高的延伸率，使得銅冷卻水套具有良好的抗熱震性能。此外，銅冷卻水套在工作時(shí)會(huì)形成穩(wěn)定的渣皮，渣皮脫落時(shí)，又能夠迅速的重新生成渣皮。大量實(shí)踐證明，銅冷卻水套僅需20~30min即可重新生成渣皮，鑄鐵要生成渣皮需要長達(dá)4~5h。渣皮損壞、脫落再生成的過程中，渣皮形成的速度隨著冷卻設(shè)備溫度的降低加快，冷卻設(shè)備需要承受的熱疲勞周期也就相應(yīng)的縮短。銅冷卻水套發(fā)生的這一個(gè)過程時(shí)間短，這也使得它具有很好的抗熱震性能。

（3）良好的抗熱流沖擊性能。因?yàn)槔鋮s水套本體與水管之間存在氣隙或者涂炭層，鑄鐵冷卻水套熱量需要傳遞到水管再傳遞到冷卻水。而銅冷卻水套工作時(shí)，熱量直接傳遞給冷卻水，其抗熱沖擊性能良好。更為重要的是，銅冷卻水套有著良好的導(dǎo)熱性。因銅冷卻水套是靠渣皮在爐內(nèi)工作的，其渣皮實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)非常小，相當(dāng)于起到了隔熱的效果，使得傳到銅冷卻水套的熱流強(qiáng)度以及熱負(fù)荷大大降低。

銅冷卻水套已經(jīng)在很多大型的高爐上使用，在實(shí)際生產(chǎn)中充分考驗(yàn)了這項(xiàng)新技術(shù)。人們也對銅冷卻水套有了新的認(rèn)識(shí)，銅冷卻水套必將成為一種趨勢，得以廣泛運(yùn)用。

銅冷卻水套應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的主要有三種制造方法制造銅水套：軋制銅板鉆孔冷卻水套、使用芯棒的連鑄水套、預(yù)埋銅管和合金管鑄銅冷卻水套。

銅管水套1.軋制銅板鉆孔

即在鍛造的純銅厚板上鉆（鏜）孔成型冷卻水通道，然后焊接上鋼管制造而成。采用這種工藝制造出來的銅水套材質(zhì)更致密、強(qiáng)度更高。而且由于是直接鉆孔成型出來，傳熱最直接，導(dǎo)熱性更好。不過所需鉆孔異型，深孔加工極其困難，制造成本非常高，水套內(nèi)部要想自由布置冷卻通道很難。而且其封頭如果處理的不夠仔細(xì)很容易在高溫度應(yīng)力的作用下發(fā)生滲水、漏水。一旦發(fā)生這樣的情況，實(shí)際生產(chǎn)中危險(xiǎn)性極大。軋制銅板冷卻水套是研究最早也是最成熟的?，F(xiàn)有的銅水套采用這種制造方法的比較普遍。但是其制造費(fèi)用是非常高的，加之近年來這種銅冷卻水套時(shí)有發(fā)生引出導(dǎo)管和堵頭出現(xiàn)漏水的情況，給實(shí)際生產(chǎn)造成了巨大的隱患。

銅管水套2.使用芯棒的連鑄

即冷卻水通道是在連鑄時(shí)直接鑄造成型的。這種銅冷卻水套因沒有經(jīng)過軋制，其致密性比較差，其導(dǎo)熱性能較軋制鉆孔冷卻水套要差。這種方法制造出來的冷卻水套表面質(zhì)量不好極易出現(xiàn)折皺。實(shí)際應(yīng)用中，這種方法制造的銅冷卻水套正逐步被淘汰。

銅管水套3.預(yù)埋銅管和合金管的鑄銅水套

即冷卻水套的進(jìn)、出水導(dǎo)管和水套內(nèi)的冷卻水通道用的是一根完整的銅管預(yù)埋在鑄型內(nèi)成型，然后向鑄型內(nèi)澆注銅液，澆鑄冷卻后，預(yù)埋的銅管或者合金管和水套本體熔為一個(gè)整體。這種工藝制造的銅冷卻水套有以下一些特點(diǎn)：

（1）埋管式銅冷卻水套采用的是整根銅管或者合金管彎制成型作為冷卻水通道，預(yù)埋管直接穿出冷卻水套相接于爐殼外冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的水管，不需要堵頭更不用焊接，不會(huì)存在漏水這一重大隱患，安全可靠。預(yù)埋的水管采用圓弧彎制，預(yù)埋管內(nèi)壁光滑，冷卻水的運(yùn)行阻力小，散熱強(qiáng)度大這是埋管式銅冷卻水套最大的特點(diǎn)。

（2）相比于軋制銅材鉆孔冷卻水套，埋管式鑄銅水套可以滿足不同的客戶需求，可以鑄造成圓弧面，其鐵口等特殊形狀區(qū)域還可設(shè)計(jì)成缺口形。如果采用鉆孔制造是非常困難的。其冷卻水通道以及熱面燕尾槽可實(shí)現(xiàn)一次鑄造成型，很大程度上簡化了制作工序，制造成本大大降低，能源消耗也顯著減少制造周期縮短，有利于批量生產(chǎn)。

（3）實(shí)際熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，埋管式鑄銅冷卻水套所能夠承受的熱負(fù)荷比較高，滿足高爐的熱負(fù)荷區(qū)域的使用要求綽綽有余。

方管（紫、黃）

常用的銅管可以分為以下幾種類型：

銅冷凝管、結(jié)晶器銅管、空調(diào)銅管，各種擠制、拉制(反擠)紫銅管、鐵白銅管、黃銅管、青銅管、白銅管 、鈹銅管、鎢銅管、磷青銅管、鋁青銅管、錫青銅管、進(jìn)口紅銅管等。

薄壁銅管、毛細(xì)銅管、五金銅管、異型銅管、小銅管、筆銅管、筆銅管等；

根據(jù)用戶需要,按圖紙加工生產(chǎn)方型、矩形結(jié)晶器銅管,及D型銅管、偏心銅管等。

銅口水套術(shù)語和定義

水套爐是指使用天然氣作為燃料，水為導(dǎo)熱介質(zhì)，油、氣田和管道上加熱油、氣、水的火筒式間接加熱專用設(shè)備。

臨時(shí)停爐是指由于生產(chǎn)需要，臨時(shí)性停止使用加熱爐加熱介質(zhì)，預(yù)計(jì)停爐時(shí)間不超過6個(gè)月。

長期停爐是指由于工藝、生產(chǎn)或設(shè)計(jì)更改，預(yù)計(jì)停爐時(shí)間超過6個(gè)月。

銅口水套啟用前的檢查

1、檢查水套加熱爐各部件及附件（壓力表、水位表、安全閥、火嘴、閥門）應(yīng)齊全可靠。安全閥、壓力表必須有有效的強(qiáng)檢校驗(yàn)標(biāo)志，安全閥要依據(jù)設(shè)計(jì)定壓。液位計(jì)應(yīng)有指示最高、最低安全水位的明顯標(biāo)志。

2、檢查水位應(yīng)在液位計(jì)顯示范圍的1/2～2/3之間。水位在最低安全水位標(biāo)志以下時(shí)，應(yīng)加水。超過最高安全水位標(biāo)志時(shí)應(yīng)放掉多余部分的水。

3、 檢查確認(rèn)天然氣供氣管線無滲漏，供氣閥門靈活好用。

4、檢查供氣壓力是否正常，打開天然氣放空閥門，放空，天然氣出氣穩(wěn)定后關(guān)閉放空閥門。

5、檢查水套加熱爐連接部位無滲漏，進(jìn)出口工藝流程開啟正常，確保液流暢通。

銅管（又稱為紫銅管），常用于自來水管道、供熱以及制冷管道，可在不同環(huán)境中使用。銅管集金屬與非金屬管的優(yōu)點(diǎn)于一身，在冷熱水系統(tǒng) 中獨(dú)占熬頭，是最佳的連接管道。銅管耐火且耐熱，在高溫下仍能保持其形狀和強(qiáng)度，不會(huì)有老化現(xiàn)象。

銅管的耐壓能力是塑料管和鋁塑管的幾倍乃至幾十倍，它可以承受當(dāng)今建筑中最高水壓。在熱水環(huán)境下，隨著使用年限的延長，塑料管材的承壓能力顯著下降，而銅管的機(jī)械性能在所有的熱溫范圍內(nèi)保持不變，故其耐壓能力不會(huì)降低，也不會(huì)出現(xiàn)老化的現(xiàn)象。

銅管的線性膨脹系數(shù)很小，是塑料管的1/10，不會(huì)因?yàn)檫^度的熱脹冷縮而導(dǎo)致應(yīng)力疲勞破裂。

銅管的強(qiáng)度更大，在保證有效內(nèi)徑要求下，外徑更小，更適于暗埋。