高炉冷却壁

高炉冷却壁

摘要：冷却壁是高炉重要的冷却设备，直接影响高炉炉体的使用寿命。本文综述了国内外冷却壁的制备技术、应用及其发展概况，分析了铸铁冷却壁、钢冷却壁和铜冷却壁的特点，并探讨了高炉冷却壁的未来发展趋势。

1. 前言

高炉冷却壁是高炉内衬的重要水冷件，安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹、炉缸等部位，不但承受高温，还承受炉料的磨损、熔渣的侵蚀和煤气流的冲刷，必须具备良好的热强度、耐热冲击、抗急冷急热性等综合性能。冷却壁能有效地防止炉壳受热和烧红，高炉内衬砖被烧蚀后主要靠渣皮保护冷却壁本身，并维持高炉的安全生产。因此，冷却壁的材质及性能好坏决定其工作寿命乃至高炉炉身的寿命。国内外钢铁企业的生产情况证明，高炉长寿的关键之一是实现冷却壁的长寿[1，2]。因而提高冷却壁的质量和使用寿命是高炉长寿的1个重要研究课题。

从20世纪70年代开始，西方一些发达国家对高炉冷却壁进行了大量的研究及材质的更新。目前国外先进高炉的寿命可达15年以上，有的达20年以上，最近大修的部分高炉已将长寿目标定为30年[3]。我国对冷却壁的制造、应用技术研究始于20世纪80年代中期，20

多年来我国高炉冷却壁技术取得了长足的进展，但高炉冷却壁的设计研究和制作工艺与高炉长寿的目标还有一定的差距。目前我国很多高炉一代炉役无中修寿命低于10年，仅少数高炉可实现10～15年。高

炉寿命的总体水平与国外先进水平相差较大[4]。

本文旨在总结国内外高炉冷却壁的制备技术和应用现状，分析各类冷却壁的特点，探讨未来高炉冷却壁今后的发展趋势。

2. 高炉冷却壁的种类、特点及其制备技术

冷却壁是高炉的关键部件，在高温状态下工作，工作条件恶劣。其破坏形式是在高温交变热应力作用下引起开裂漏水，使高炉被迫停炉大中修。要延长冷却壁使用寿命，必须选择合理的材质。下面以高炉冷却壁的材质为主线，概述其种类、特点和制备技术。

2.1. 高炉冷却壁的种类及特点

根据制造材质，高炉冷却壁有铸铁冷却壁、钢冷却壁和铜冷却壁3大类。

2.1.1. 铸铁冷却壁

20世纪50年代初，我国高炉采用的是原苏联设计的冷却壁，冷却壁本体是一般铸铁，如HT150，HT200，内铸蛇形冷却水管，镶砖为粘土砖。20世纪70年代，我国的第二代冷却壁本体材质为低铬铸铁…引，冷却水管的进水管在下，水流垂直向上，排水管在上方，冷却壁镶砖为粘土砖。武钢、鞍钢、首钢的高炉在此期间均有应用。20世纪80年代，我国的第三代冷却壁本体采用铸态高韧性铁素体球墨铸铁，典型材质为QT400—18和QT400—20，冷却水管与第二代基本相同，镶砖采用嵌砌的方式。

欧洲、日本高炉的冷却壁技术均由原苏联引进。经过改进，日本研制了FCD—40高韧性铁素体球墨铸铁冷却壁。1992年，宝钢引进了新日铁的球铁冷却壁制备技术和设备。经过消化移植，生产的冷却壁质量达到新日铁产品的同等水平，至1994年，宝钢已向宝钢3号

高炉、鞍钢10号高炉和日本君津2号高炉提供了高炉冷却壁，其一

代寿命可达7～10年。

资料介绍了1种渗铝铸铁冷却壁。也有资料中提到了VTiCr半球半蠕铁素体型铸铁材质。但均未见其应用报道。

2.1.2. 钢冷却壁

钢冷却壁材质为低合金钢，分为钻孔型钢冷却壁和铸造型钢冷却壁。钢冷却壁已在我国鞍钢、济钢、南钢、首钢等企业的高炉上应用，并取得了一定效果。

铸造型钢冷却壁简称铸钢冷却壁。作为换代高炉冷却壁，它与球墨铸铁冷却壁相比有着本质上的性能提升。铸钢冷却壁研制的重点是设法改善铸件基体的导热性能，促进基体与冷却水管之间的熔合，消除基体与冷却水管间的气隙层，从而从根本上提高冷却壁的整体导热效果。铸钢冷却壁可取代球墨铸铁冷却壁，并有望使高炉一代炉龄由现在的7～10年提高到15年以上。

铸钢熔点高，延伸率高，抗拉强度高，抗热冲击性能好，更适应高炉炉内的工况。铸钢冷却壁基体含碳量低，没有铸铁冷却壁因石墨氧化而生成的孔洞或裂缝。铸钢无铸铁的高温不可逆的相变生长现象，

特别是低碳钢具有较好的屈服强度，伸长率随着温度的升高而增加，它可使局部的高应力重新分布，使应力集中得以释放u。。，I司时微合金化可进一步增强钢的抗热疲劳性、抗氧化性。因而大大减缓各种应力的破坏作用。

2.1.

3. 铜冷却壁

铜冷却壁是更新的一种冷却设备，其导热性好，冷却能力强，不易破损，国外已较普遍推广。与以上冷却设备相比，铜冷却壁冷却强度大，能满足高炉最大热负荷的需要。其特点如下：

(1)铜冷却壁导热性好、冷却强度大。铜的导热系数几乎为铸铁的10倍。冷却壁工作时内外温差小，其最大温差不足1000℃，不会产生很大的热应力，且是在900℃以下的低温状态工作，因此不会产生裂纹。铜冷却壁冷却强度大，生成的炉渣立即在冷却壁表面形成渣皮，起到保护铜冷却壁自身的作用。为了能让渣皮牢牢地镶嵌在冷却壁上，冷却壁的工作面设计成凹凸槽状口。

(2)铜冷却壁冷却均匀，在炉内易形成光滑的炉型，可减轻煤气流的冲刷和炉料的磨损。形成渣皮后，炉料、煤气流和熔融的渣铁不能直接接触铜冷却壁，有的铜冷却壁在一代炉龄(9年)后最大的磨损量仅为3mm，完全可以多代炉役使用。

(3)虽然用不同的方法制造的铜冷却壁的冷却效果不尽相同，但各种方法制作的铜冷却壁均可达到高炉长寿的要求。

2.2. 高炉冷却壁制造技术

生产高炉冷却壁必须具有足够的设备条件，确保辅助材料的供应和掌握高炉冷却壁制造的关键技术。各种冷却壁的制造技术有一些相似之处，更有一些独特的要求和关键点。

铸铁冷却壁，材质无论是灰铁还是球铁，均以埋管铸造法进行制造。为了解决铸铁冷却壁生产过程中出现的问题，必须从埋设的通冷却水钢管的预处理、铸型条件、铁液质量及铸造工艺等多方面采取相应措施。在球铁熔炼过程中必须控制好化学成分，残余镁和残余稀土量，并进行强化孕育处理。生产中应考虑本体中的钢管在浇注时有激冷作用，浇注温度不能太低，浇注速度不能过慢；引入的铁水要防止冲击管壁，避免钢管变形和表面增碳；因冷却壁最厚和最薄尺寸相差很大，要防止厚部过热；球铁弹性模数大，易造成过大的内应力，使铸件产生冷裂，因此从工艺上要采取相应措施。

在冷却壁的铸造到出模期间，钢质冷却水管经历了从高温到低温的过程，与大气相通的内表面会发生氧化及脱碳，与铸铁接触的外表面会因为其含碳量低于铸铁而发生渗碳。对于冷却水管的氧化及脱碳，关键是截断冷却水管与氧的接触。可以在冷却壁的铸造过程中，用氮气对冷却水管内表面进行全程保护。这种方法造价低廉，可控性较好。对于冷却水管外表面渗碳问题，关键是钢与铸铁之间的碳势差和接触程度引起的。可以对钢管实施热喷涂、热喷涂铝后表面刷涂料和表面刷防渗碳涂料的处理方法。文献[17]探讨了一种既能防渗碳又能防变形的，无需采用粘结剂，且涂层全部进行热喷涂的钢管处理新工艺。

钢冷却壁的制造主要为钻孔和铸造两种方法。钻孔型钢冷却壁是冷却能力最强、导热性能最好的无热阻型冷却壁。利用轧制厚钢板或厚钢板坯作冷却壁的本体，用机械加工的办法钻出冷却水通道，消除了因铸入水管形成的热阻。加工要点是必须确保钻出的冷却水通道相互平行和较小的中心线偏差。钻孔型冷却壁可以大大减小冷却壁的厚度。1995年9月，鞍钢制出总厚度最薄为120mm，水流通道直径为50mm，镶砖槽深度为30mm的板坯钻孔型钢冷却壁并成功地用在高炉上。铸钢冷却壁的制造需要解决的是在比较高的铸造温度下，避免冷却水管熔化的问题。国内外早期是在铸人钢冷却壁的冷却水管外表涂加涂层，这极大的降低了冷却壁的冷却能力。有制备无热阻的铸钢冷却壁的尝试，即铸入钢冷却壁的冷却水管不需外表涂层，只是采取工艺措施防止水管在浇铸时不被高温钢液熔穿，同时又能和本体紧密地融合成一体。在钢管内埋入固体复合材料冷却介质有效激冷钢液，控制好浇注温度，可使钢管在基体钢液中达到“熔而不化”的临界状态。改进后的铸钢冷却壁完全可以具有钻孔型钢冷却壁的无热阻特征。国内外大量使用的是铸钢冷却壁。

铜冷却壁通常使用纯铜制造，其制造工艺主要有以下3种：轧制铜板坯钻孔冷却壁、使用芯棒的连铸冷却壁和埋铜管、铜合金管和钢管的铸铜冷却壁。轧制铜冷却壁是在轧制铜板坯中用深冲钻钻孔成型冷却水通道，然后焊上钢管而成。其材质强度更高、更致密、导热性更好，但加工费用较高。此法使用最广，工艺也最成熟。连铸冷却壁是在连铸时直接铸造成型冷却水通道。因这种铜冷却壁未经轧制，致

密性较差，所以其导热系数较钻孔铜冷却壁低。这种冷却壁表面易出现折皱，影响表面质量。铸铜冷却壁是将冷却水管铸入铸铜冷却壁本体中。这种方法可以降低制造成本，其导热性比前两种方法要差，但能满足生产要求。

目前我国在铜冷却壁制造方面有两种新的工艺正在研究开发阶段。第一种方法是使用芯棒，在类似连铸机的设备上铸出带孔的铜冷却壁主体，芯棒断面设计成椭圆形，以利于提高铜冷却壁的传热性能，这种工艺若能开发成功，将大大降低铜冷却壁的制造难度，从而大大降低铜冷却壁的制造成本；第二种方法是采用压铸的方法在铸铜件内直接铸铜管或铸铜镍管。采用压铸工艺主要是想提高铸铜件的密度，缩小铸铜与轧制铜之间的材质差别。

国外对铜冷却壁的研究已经相对成熟，日本已研制出使用普通的铸造方法，按照铸铁冷却壁的基本工艺，制造出冷却水管为钢管的新型铸铜冷却壁12川。其关键技术就是要保证铸铜本体和钢管的冶金结合，有效的消除二者之间的气隙层。

3. 高炉冷却壁的应用现状

目前，传统的灰铸铁材质的高炉冷却壁正在逐步淘汰，现多为球墨铸铁材质。随着高炉强化熔炼水平的提高，球墨铸铁冷却壁越来越难以满足要求。铸钢冷却壁作为新一代高炉冷却壁，由于材质与冷却水管材质相近，与球墨铸铁冷却壁相比，具有伸长率高、抗拉强度大、熔点高、抗热冲击性强及整体导热性能好等优点，应用范围逐步扩大。高导热性的紫铜冷却壁的国产化及应用也得到很快的发展。

国外早在1982年就开始对铸钢冷却壁进行了研究和开发。国内

武钢设计院，钢铁研究总院等单位在“八五”、“九五”期间对钢冷却壁进行了大量的研究开发工作。现在国内有部分钢铁企业使用钢冷却壁，如济钢、南钢和鞍钢等，效果较好。但由于钢液温度高，在浇注、凝固过程中，冷却水管很容易发生变形和熔化穿透，这一难题一直没有得到有效解决，使铸钢冷却壁工业规模化生产应用受到一定的影响近年来尽管国内有不少单位在冷却壁的结构、材质、制造方法及提高冷却效果上作了不少有益的探索。但囿于原有的认识基础和制造条件，还没有形成一整套有效的生产长寿型冷却壁的设计及制造技术。

国外高炉冷却壁的设计及制造技术发展较快，尤其以日本新日铁为代表在引进前苏联冷却壁制造技术的基础上，经过不断完善和开发，已把高炉一代炉役寿命提高到15年以上。

铜冷却壁自开发至今20余年，已经在多达40余座高炉上使用，这说明此项新技术在生产中已经得到了充分的考验，已经被大家所认同。在高炉上试用成功使人们对铜冷却壁有了新的认识，在高炉上的使用也从开始时的一段逐步扩大到3段、5段，甚至更多，从炉身下部扩大到炉腹、炉腰。根据有关资料介绍：不莱梅钢铁厂2号高炉(3550m3)，在大修时使用了8段铜冷却壁，除了炉腹、炉腰、炉身各两段外，炉缸还用了两段。其中部分铜冷却壁为上一代使用过的旧铜冷却壁，磨损仅为1mm，经清洗后重新使用。这些情况说明了铜冷

却壁已进入普遍推广阶段，使用范围也在扩大，更令人们振奋的是它可以用到第2代炉役上，是一种长寿的冷却设备。2005年，武钢机

制公司生产的铸铜冷却壁已经用于武钢7号高炉，并计划在4号、2号、5号高炉的新建或大修中使用。由于铜冷却壁的成本太高，与中小企业现有的承受能力不相适应，推广应用铸钢冷却壁，将会取得了较好的效果。

铜冷却壁不仅具有性能优势，而且在实际应用过程中，可以显著降低炼铁成本，呈现出极强的应用后劲。随着铜冷却壁的国产化进程的加快，成本的不断降低和技术的不断成熟，可以预见，铜冷却壁在我国的使用，特别是在大型高炉上的使用将会不断加快。

4. 高炉冷却壁的发展趋势

铸铁是制造高炉冷却壁的传统材质。由于初期的制造成本的优势，及制造工艺技术的成熟，高强度高韧性球铁冷却壁目前依然有一定的市场。但铸铁和通水钢管的线膨胀系数相差较大，二者之间需要保持一定的间隙，这一气隙层将极大影响冷却壁的导热性能，而且实践证明，其使用寿命也较短。可以预测，铸铁冷却壁将会逐步为其他新型高炉冷却壁所取代。

铸钢冷却壁研制工作的重点是设法改善铸件基体的导热性能，促进基体与冷却水管之间的熔合，消除基体与冷却水管问的气隙层，从而从根本上提高冷却壁的整体导热效果。

铸铜冷却壁和轧制铜冷却壁效果相同。铸铜冷却壁，特别是内铸钢管的铸铜冷却壁，由于其制备工艺、成本的优势，将会获得较大的发展。但由于冷却壁本体紫铜的强度较低，在运输、安装的过程中易撞坏和变形，因此尚需研究导热性近于紫铜，而强度高于紫铜的新型

本体材料。解决钢管一铜本体的界面冶金结合强度与铸造过程中导致的穿管之间的矛盾的关键技术亦是亟待研究的问题。

铜铁(钢)双金属冷却壁将会得到研制和使用。即冷却壁的热面用铜，而冷面用铁(钢)，这样既满足了导热要求，又满足吊装的强度要求。但是设计、制造工艺需要深入研究。

冷却壁中水管的截面形状对冷却壁的导热效果及制造成本有重

要影响，可以预见，不同于圆管截面的冷却壁将会得到一定的发展。

综合考虑各种冷却壁的使用寿命、制造工艺和成本等各方面的因素，预计在一般高炉上将司能联合使用钢冷却壁和球墨铸铁冷却壁·在大型高炉上将可能综合采用铜冷却壁、钢冷却壁和球墨铸铁冷却壁使高炉炉体冷却结构更加合理。

5. 结语

近年来，我国高炉冷却壁技术在铸造材质、制造技术、高炉应用等方面取得了相当的进展。但与国外相比还存在相当的差距。我国今后应加强冷却壁设计、制造关键技术的研究，高校、科研院所和制造工厂要协力攻关，研制出适应我国国情的新型的高炉冷却设备。