高爐內(nèi)部高溫高壓的冶煉環(huán)境給高爐安全長(zhǎng)壽帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，特別是熱負(fù)荷較大的爐身下部、爐腰、爐腹區(qū)域及溫度波動(dòng)大的爐缸區(qū)域，已成為高爐安全長(zhǎng)壽的主要限制性環(huán)節(jié)。冷卻器的優(yōu)化選型對(duì)保障爐身下部、爐腰、爐腹及爐缸區(qū)域的安全穩(wěn)定尤為重要，選擇合適的冷卻器能夠大大延長(zhǎng)高爐的壽命，減少中修次數(shù)，延長(zhǎng)大修時(shí)間，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，高爐爐身上部一般采用鑄鐵冷卻壁，爐身下部及爐腰、爐腹部位一般采用銅冷卻壁，有部分高爐整體采用鑄鐵冷卻壁。爐缸部位一般采用鑄鐵冷卻壁，但也有部分高爐在爐缸“象腳區(qū)域”采用一段銅冷卻壁，以加強(qiáng)該部位的冷卻。對(duì)于高爐關(guān)鍵部位的冷卻器選型目前仍存在許多爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步明確不同種類(lèi)冷卻壁的破損形式，對(duì)比冷卻器的優(yōu)缺點(diǎn)，提出更加合理的冷卻器選擇方案。

本文結(jié)合部分國(guó)內(nèi)案例，旨在明晰高爐上下部冷卻壁的工作條件及使用條件，對(duì)比分析不同冷卻器的使用效果及破損機(jī)理，提出合理得冷卻器配置對(duì)策，最終為高爐爐身下部、爐腰、爐腹及爐缸的長(zhǎng)壽提供指導(dǎo)。

冷卻壁為高爐提供有效的冷卻，是最重要的高爐冷卻設(shè)備之一，起到支撐耐火材料內(nèi)襯、降低內(nèi)襯溫度和保持內(nèi)襯完整性的作用，從而維持高爐合理的操作內(nèi)型，同時(shí)在耐火材料消失之后，冷卻壁依靠冷卻作用能夠生成保護(hù)性渣皮，形成“永久性”內(nèi)襯?？傮w來(lái)說(shuō)，冷卻壁的工作狀態(tài)對(duì)延長(zhǎng)高爐壽命具有重要的作用和意義。而我國(guó)高爐現(xiàn)階段常用的鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁在使用中存在著一定的問(wèn)題，破損現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

鑄鐵冷卻壁傳熱性能較較弱、壽命較低，熱應(yīng)力的直接影響、煤氣流及爐料的沖刷磨損、滲透作用的發(fā)生均會(huì)導(dǎo)致鑄鐵冷卻壁破損。當(dāng)溫度升高至400℃以上時(shí)，由于鑄鐵冷卻壁內(nèi)端溫度高、外端溫度低的工作條件，熱應(yīng)力作用明顯，機(jī)械強(qiáng)度明顯下降，在煤氣及爐料的直接沖刷作用下，冷卻壁鑲磚逐漸減?。煌瑫r(shí)CO通過(guò)滲透作用進(jìn)入冷卻壁基體，在400℃~600℃下，發(fā)生2CO→CO?+C反應(yīng)，碳元素不斷沉積，造成冷卻壁變脆、力學(xué)性能降低，最終冷卻壁表面產(chǎn)生裂紋。

銅冷卻壁在化學(xué)侵蝕、機(jī)械摩擦和熱應(yīng)力作用下，會(huì)出現(xiàn)燒損、磨損、冷卻水管暴露和彎曲變形等破損現(xiàn)象。化學(xué)侵蝕即為“氫病”現(xiàn)象，銅冷卻壁中含有的O與銅基體結(jié)合生成的Cu?O，在與H接觸反應(yīng)后，發(fā)生還原反應(yīng)，生成水蒸氣，導(dǎo)致基體膨脹易出現(xiàn)裂紋，而這種侵蝕在150℃以下會(huì)明顯緩解。

機(jī)械磨損是導(dǎo)致銅冷卻壁破損的主要原因，爐料因溫度上升而膨脹，冷卻壁與之接觸，產(chǎn)生較大正壓力；同時(shí)壁體因與高溫煤氣流直接接觸，溫度上升超過(guò)銅冷卻壁最高承受溫度，高溫下銅冷卻壁的力學(xué)性能下降，在爐料的沖刷作用下，使得銅冷卻壁破壞嚴(yán)重。壁體溫度升高后會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，應(yīng)力的長(zhǎng)期積累使銅冷卻壁熱面形成微小裂紋，使銅的力學(xué)性能進(jìn)一步下降，變得更軟，更易產(chǎn)生彎曲變形。若銅冷卻壁固定方式的不合理或者定位銷(xiāo)螺栓損壞，銅冷卻壁水管周?chē)鷦t會(huì)產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻壁漏水。

高爐爐腰、爐腹及爐身下部工作環(huán)境惡劣，既承受著高溫的煤氣流和熔融渣鐵流的沖刷，又承受著高強(qiáng)度的熱沖擊，特別是隨著近年我國(guó)高爐大噴煤工藝不斷發(fā)展，導(dǎo)致熱流強(qiáng)度進(jìn)一步提高。因此，對(duì)高爐爐體冷卻壁的抗熱、抗磨性能提出更高的要求，選擇合理的冷卻壁材質(zhì)和結(jié)構(gòu)顯得尤為必要。

在20世紀(jì)末球墨鑄鐵冷卻壁因其機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)400MPa~450MPa，伸長(zhǎng)率可達(dá)18%~20%，常用于高爐爐腹、爐腰及爐身下部等高熱負(fù)荷區(qū)域。隨著冷卻壁制造技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)大部分高爐高熱負(fù)荷區(qū)逐漸采用銅冷卻壁結(jié)構(gòu)。

對(duì)比我國(guó)高爐高熱負(fù)荷區(qū)常用的鑄鐵冷卻壁與銅冷卻壁來(lái)看，銅冷卻壁正常承受熱流強(qiáng)度為75.47kW/m2，30min內(nèi)可承受最大熱流強(qiáng)度為384.33kW/m2，而鑄鐵冷卻壁僅為70kW/m2。銅冷卻壁允許工作溫度為150℃，雖然鑄鐵冷卻壁的允許工作溫度為600℃，但銅冷卻壁短時(shí)峰值熱流強(qiáng)度可達(dá)300kW/m2以上甚至更高，因此其壁體實(shí)際最高溫度與允許最高溫度之比不超過(guò)0.65，而鑄鐵冷卻壁為0.8~0.9，因此銅冷卻壁能承受較高的熱流沖擊。雖然鑄鐵冷卻壁在無(wú)渣皮保護(hù)時(shí)耐磨性能更加優(yōu)異，但對(duì)于高熱負(fù)荷區(qū)而言，冷卻壁抗高熱負(fù)荷能力更為重要，因此綜合考慮在該區(qū)域采用銅冷卻壁更為適用。

目前，新型銅鋼復(fù)合冷卻壁在高爐高熱負(fù)荷區(qū)域得到了應(yīng)用。銅鋼復(fù)合冷卻壁采用爆炸焊接工藝將TU2純銅板和Q235鋼板焊接在一起，冷卻壁熱面的銅和冷卻壁冷面的鋼分別保證了冷卻壁的高導(dǎo)熱性和高溫環(huán)境不易撓度變形的特性。就銅鋼復(fù)合冷卻壁導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能來(lái)說(shuō)，可應(yīng)用于高爐高熱負(fù)荷區(qū)。對(duì)比銅冷卻壁與銅鋼復(fù)合冷卻壁，銅冷卻壁抗拉強(qiáng)度為200MPa~250MPa，熱傳效率為78400W，在部分銅被鋼代替后，冷卻壁的抗拉強(qiáng)度提升至311MPa，傳熱效率變?yōu)?7486W，因此銅鋼復(fù)合冷卻壁可以在保證傳熱效率的同時(shí)，大幅提升抗拉強(qiáng)度。因此綜合考慮抗拉能力與傳熱能力，銅鋼復(fù)合冷卻壁較之銅冷卻壁表現(xiàn)更為優(yōu)異。

另外，一些高爐沒(méi)有采用傳統(tǒng)的全冷卻壁方案，而是采用冷卻板與冷卻壁結(jié)合的方案。板壁結(jié)合冷卻結(jié)構(gòu)就單純的冷卻壁結(jié)構(gòu)而言，不僅彌補(bǔ)了冷卻壁不宜更換的缺點(diǎn)，而且起到了強(qiáng)化耐火材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與穩(wěn)定渣皮的作用，較適用于高熱負(fù)荷區(qū)。韓國(guó)現(xiàn)代唐津1#、2#高爐風(fēng)口區(qū)以上至爐腹下部采用銅冷卻板，爐腹上部、爐腰和爐身下部采用銅冷卻壁，有效解決了風(fēng)口與爐腹交界連接問(wèn)題；國(guó)內(nèi)柳鋼在爐腰和爐身下部采用板壁結(jié)合方式，亦取得了良好的應(yīng)用效果。

綜上，高熱負(fù)荷區(qū)冷卻壁優(yōu)先選取銅鋼復(fù)合冷卻壁或板壁結(jié)合方式，其次選取銅冷卻壁。

銅冷卻壁是我國(guó)現(xiàn)階段高熱負(fù)荷區(qū)應(yīng)用最多的冷卻壁類(lèi)型，在不進(jìn)行更換成銅鋼復(fù)合冷卻壁和板壁結(jié)合方式時(shí)，可采用以下措施進(jìn)行爐體冷卻壁優(yōu)化。

（1）制備安裝優(yōu)化

冷卻壁的質(zhì)量是決定其使用性能的先天性因素，因此嚴(yán)格控制冷卻壁的生產(chǎn)制造及安裝過(guò)程是高爐高效長(zhǎng)壽運(yùn)行的基礎(chǔ)。

銅冷卻壁制作應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)相應(yīng)的制作標(biāo)準(zhǔn)。銅冷卻壁一般以高純度、高致密度的TU2無(wú)氧銅軋制銅板為原料，控制含氧量在0.003%以?xún)?nèi)，防止富余的氧與銅結(jié)合，減少“氫病”現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)在制作過(guò)程中可適當(dāng)使用熱噴涂表面處理工藝，提高銅冷卻壁的耐高溫、耐磨和耐腐蝕性能，減少磨損。

在安裝冷卻壁時(shí)考慮采用固定銷(xiāo)固定，螺栓留有一定余量，并將掛螺栓孔改成長(zhǎng)方型或橢圓形，同時(shí)控制安裝過(guò)程中固定點(diǎn)、浮動(dòng)點(diǎn)及滑動(dòng)點(diǎn)的分布，保護(hù)套管與爐殼及冷卻壁間的孔隙分別用硅橡膠圈壓實(shí)和快干密封膠填充，上下層水管用軟連接方式進(jìn)行連接。

（2）設(shè)計(jì)優(yōu)化

式中：Y—均勻分布載荷下簡(jiǎn)支梁最大撓度，mm；

q—均勻分布載荷值，N/mm；

l—簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度，mm；

E—簡(jiǎn)支梁材料的彈性模量，N/mm2；

I—簡(jiǎn)支梁材料的截面慣性距，mm?。

根據(jù)上述公式可知冷卻壁長(zhǎng)度較長(zhǎng)、撓度越大，受高溫?zé)釕?yīng)力就越明顯，冷卻壁兩端翹曲變形問(wèn)題也會(huì)隨著嚴(yán)重。參考馬鋼2#高爐2016年冷卻壁破損狀況，在設(shè)計(jì)冷卻壁時(shí)，可適當(dāng)減短冷卻壁長(zhǎng)度，如沙鋼5800m3高爐爐腹部位長(zhǎng)度為3.4m的冷卻壁可以改為兩段設(shè)計(jì)，每段長(zhǎng)1.7m。

燕尾槽角度及縫隙大小等會(huì)明顯影響冷卻壁的受熱膨脹，參考梅鋼4號(hào)高爐2016年冷卻壁破損狀況，可以將冷卻壁燕尾槽向上傾斜14°，銅冷卻壁縫隙改為30mm，并用背部壓漿方式填充縫隙。

如圖5所示，為改善爐型拐點(diǎn)處冷卻壁極易受到上升煤氣流和下降渣鐵流的沖刷問(wèn)題，位于爐腹和風(fēng)口帶銜接處的冷卻壁可采用凸臺(tái)設(shè)計(jì)，控制凸臺(tái)高度不超過(guò)350mm，將進(jìn)水管包覆在內(nèi)，同時(shí)在凸臺(tái)部位和本體過(guò)渡區(qū)域增加圓角過(guò)渡，從而有效阻止高溫煤氣流燒損水管。

為應(yīng)對(duì)我國(guó)高爐不斷向薄壁爐型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，可以通過(guò)減少燕尾槽深度和冷卻通道的加工偏差，將冷卻壁的厚度減薄到105mm，同時(shí)將冷卻壁設(shè)計(jì)為復(fù)合孔型，較之常用的圓孔型，這種孔型冷卻壁既提供了更強(qiáng)的冷卻能力，又減少了冷卻壁的制作費(fèi)用。

高爐爐缸熱流密度相對(duì)高熱負(fù)荷區(qū)來(lái)說(shuō)較小，高爐爐況順行時(shí)，熱流密度保持在12kW/m2左右，故爐缸冷卻壁抗熱能力較爐體冷卻壁要求相對(duì)較低。

本次計(jì)算假設(shè)涂層厚度為0，且忽略碳磚、搗打料、冷卻壁、氣隙、涂層、爐殼相互之間的接觸熱阻、磚縫熱阻、冷卻水管內(nèi)表面與水對(duì)流換熱熱阻、水垢熱阻、水管管壁導(dǎo)熱熱阻及爐殼與外界對(duì)流換熱熱阻。

式中：q—爐缸熱流密度，W/m2；

T1、T2—爐缸側(cè)壁碳磚與高爐鐵水分界線溫度、爐殼溫度，℃；

δ1、δ2、δ3、δ4、δ5—分別為碳磚厚度、搗打料厚度、冷卻壁厚度、氣隙厚度及爐殼厚度，m；

λ1、λ2、λ3、λ4、λ5—分別為碳磚導(dǎo)熱系數(shù)、搗打料導(dǎo)熱系數(shù)、冷卻壁導(dǎo)熱系數(shù)、氣隙導(dǎo)熱系數(shù)及爐殼導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

將表2數(shù)據(jù)代入上述公式，得出冷卻壁導(dǎo)熱系數(shù)λ3為35.1W/（m·K）。因鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁導(dǎo)熱系數(shù)分別為40W/（m·K）和380W/（m·K），故鑄鐵冷卻壁即可滿足爐缸傳熱過(guò)程中的冷卻需求。在爐缸炭磚完整時(shí)，鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁對(duì)溫度場(chǎng)影響較?。划?dāng)炭磚被侵蝕到一定厚度時(shí)，影響逐步明顯，但炭磚熱面凝結(jié)層厚度兩者相差不大。并且，爐缸區(qū)域采用冷卻壁的主要目的是為了形成“自保護(hù)”渣鐵殼，防止?fàn)t缸內(nèi)襯的“過(guò)熱”，綜合考慮以上因素，一般選取鑄鐵冷卻壁即可。但由于出鐵過(guò)程鐵口區(qū)域熱負(fù)荷最大，故鐵口四周可考慮選取銅冷卻壁，起到加強(qiáng)冷卻的作用。

鑄鐵冷卻壁是我國(guó)現(xiàn)階段爐缸區(qū)域應(yīng)用最多且最適宜的冷卻壁。為取得較好的冷卻效果，鑄鐵冷卻壁表面積需達(dá)到1.0以上，因此在設(shè)計(jì)圓形水管冷卻壁時(shí)，盡可能使鑄鐵冷卻壁的水管尺寸達(dá)到Φ76×6mm和Φ80×6mm，水管間距達(dá)到238mm和251mm，這兩種規(guī)格的水管與常見(jiàn)的Φ60×6mm和Φ70×6mm水管相比，水頭數(shù)量和阻損要小；在設(shè)計(jì)橢圓形水管冷卻壁時(shí)（冷卻壁鑄體之外的水管為圓形水管，僅在鑄入壁體部分為橢圓形），需控制短長(zhǎng)軸之比在0.4～0.5之間，用以保證合理的冷卻水進(jìn)出口壓力差、流動(dòng)阻力以及壁面熱應(yīng)力，從而保證更好的冷卻效果。

鑄鐵冷卻壁邊緣位置因無(wú)冷卻水流過(guò)，冷卻能力要弱于中心位置，若爐缸部位冷卻能力不足，會(huì)造成或加劇象腳型侵蝕。因此在進(jìn)行冷卻壁安裝時(shí)，應(yīng)避免兩塊冷卻壁交界位置處于象腳區(qū)域，使整塊冷卻壁的中心對(duì)準(zhǔn)象腳區(qū)域；同時(shí)可加大象腳區(qū)域冷卻壁尺寸，從而起到加強(qiáng)冷卻的效果。

通過(guò)比較分析冷卻壁材質(zhì)、結(jié)構(gòu)差異及高爐各區(qū)域的熱流載荷，結(jié)合我國(guó)高爐冷卻壁現(xiàn)存問(wèn)題及傳熱計(jì)算模型，得出以下結(jié)論：

（1）為提高冷卻器在爐腰、爐腹及爐身下部的使用壽命，優(yōu)先選取銅鋼復(fù)合冷卻壁或板壁結(jié)合方式冷卻結(jié)構(gòu)，其次選取銅冷卻壁。鑄鐵冷卻壁用于較高熱負(fù)荷區(qū)域?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)操作提出更高的要求時(shí)。

（2）兩塊冷卻壁交界處冷卻能力較差，保證爐缸“象腳”區(qū)域?qū)?yīng)完整的一塊冷卻壁，有利于該區(qū)域的均勻冷卻。

（3）爐缸部位鑄鐵冷卻壁比表面積應(yīng)保持在1.0以上。經(jīng)計(jì)算，爐缸區(qū)域使用鑄鐵冷卻壁已經(jīng)能夠滿足爐缸部位的正常冷卻。