摘要 ：文章通过对近几年多座大型高炉铜冷却壁破损状况的调查和分析，概括铜冷却壁在高炉内破损现象主要表现为：磨损、受热变型后受拉力或剪切力造成水管漏水、以及结构上的不佳所至。据此提出一些改进建议，是想起到抛砖的作用，共同努力进一步提高高炉铜冷却壁的使用寿命。

关键词：大型高炉    铜冷却壁    破损现状    改进建议

1    前言

        1985年宝钢引进的一号高炉（4063m³）投产, 其炉腹以上使用了铸造铜冷却板, 在国内炼铁界引起了密切关注, 其后有数座高炉采用了铜板与铸铁冷却壁相结合的冷却结构。 2001年武钢引进连铸坯椭圆孔通道的铜冷却壁以来,掀起了铜冷却壁制造和使用的热潮。到目前为止,文献记载国内有近200座1000m³以上高炉,安装上了轧制或锻压铜板机械加工的铜冷却壁。不论铜冷却板还是铜冷却壁基本上都用在炉腹至炉身中下部区域。同时也有众多座高炉在铁口区域采用了铜冷却壁，部份特大高炉炉缸2-3段也采用了铜冷却壁。而铜铸铜管或铜铸钢管的铜冷却壁用量甚少。

        这些铜冷却壁，仅有少数几座高炉是引进圆孔通道国外产品或二手设备，而大多数是国内自主制造的。如“花生孔”式的椭园型通道，创造了中国特色，可与国外下椭园连铸孔型媲美；国产无氧铜的材质也优于引进的。这一技术的应用，推动了高炉炉体结构、冷却结构、冷却水质等的改进与提高，成倍地提高了高炉整体寿命。铜冷却壁国产化，全部替代了进口，也推动了我国机械制造业的发展。

使用铜冷却板的高炉平均寿命在10年以上，不用中修就能更换损坏品， 平时定修即可完成。 铜冷却壁的使用寿命最好的高炉已20年， 仍继续在高炉服役，但大多数铜壁寿命在6-9年，良莠相差2-3倍，使用铜冷却壁的高炉虽未达到预期目标，平均寿命也没有铜冷却板的寿命长，但仍在过去高炉铸铁冷却壁的基础上寿命提高了2-3倍。

2    应用现状

2.1. 铜冷却壁高炉

     好的典型： 铜冷却壁在高炉上使用时间最长的是沙钢3座2500m³高炉。其中1^#、2^#高炉,引进的德国二手设备，今年是使用第20个年头，同时国内与之相配套的3^#高炉今年也是第15个年头,这三座高炉铜冷却壁到目前为止尚无损坏,其上部铸铁冷却壁已换过第三遍了， 其下部铸铁壁也更换过。这是国内最好的典型, 其高炉冶炼强度也是国内最高的。首钢石景山老厂区及迁安厂的高炉和国内部分2000m³左右容积的高炉铜冷却壁寿命有的也超过了10年。

      较差水平：有很多高炉炉腹3-5段铜冷却寿命没有达到预期目标,寿命在6-9年左右，被迫进行中修更换。今年上半年就有几座2010年前投产的3200m³以上高炉被迫进行了铜泠却壁的更换。2000年左右引进椭圆孔连铸铜板冷却壁早已更换掉了。

 2.2. 铜冷却板高炉

        1985年宝钢1^#高炉炉腹以上开始用铜冷却板，长江边工业水开路冷却，使用了20多年。国内还有一些软水冷却的冷却板高炉，目前信息：有宝钢4^#（2004年）、太钢5^#（2006.10）、6^#（2013.11. ）、鞍钢的新1^#（2003.3.），本钢1^#等。其特点是损坏的铜冷却板可以随时短期休风更换，且修坏如新。鞍钢1^#高炉2003年3月投产，炉腹以上用了54层1842块铸铜8通道冷却板，2017年3月大修，更换了539块，2014年损坏29.3%。宝钢4^#，太钢5^#高炉开炉都10年多了，有的炉缸大修了，但冷却板尚好。

2.3      两点新认识

（1）十几年铜冷却壁应用实践，随着对高炉冷却结构的进一步认识，一些思路又回到使用铸铁冷却壁上来，如2013年6月鞍钢7高炉(鞍钢第一座采用铜壁的高炉)利用中修将使用了9年损坏的6-7段铜冷却壁换成铸铁壁。2015年投产的湛江两座5050m³高炉采用了铸铁冷却壁。

（2）从高炉应用结果看，铜冷却板的使用寿命比铜冷却壁的寿命要好， 平均都超过10年。烧成铝碳砖或炭复合砖替代氮-炭化硅砖，其造价有所降低, 市场竞争能力提升了。

3       铜冷却壁损坏举例与共同现象

3.1.  损坏举例

多数高炉铜冷却壁没达到寿命的预期目标。近几年部份高炉铜冷却壁破损和更换的部分调研见表1。由表可看出主要是磨损, 而烧损甚少。

表1          部份高炉铜冷却壁使用时间及破损原因

       例1, 某4038高炉，采用了德国KME原装圆孔5段冷却壁， 开炉(2009.4.26.--2016.4.25.)7年其损坏和维护情况见表2， 各段冷却壁磨损状况见表3。260块冷却壁几乎都受到磨损， 只是程度不同， 其中最严重的 8段，52块冷却壁坏了42块，平均磨损了40.5mm厚度，共有27.3%磨漏而损坏。

表 2            4038高炉铜壁损坏及维护情况(按水管)

表3            4038高炉铜壁磨损情况平均值(原始厚度125mm)

例2, 某巨型高炉 2009年10月投产至2017年5月年修时, 更换6，7段铜壁，炉腹六段(图中的6-38,6-43号)铜冷却壁(国内最长铜壁3400mm ) 中上部磨损，整段出现磨损变形，水通道磨损漏水后出现烧损 。 炉腰段(7段7-27) 下中部也出现磨损，燕尾槽也几乎磨平。其余几段也存在磨损，但较轻。

例3,  2009年10月投产的某3200高炉，2017年4月年修，更换炉身上部的3段铸铁冷却壁，而其下部铜壁只更换6段的2块， 铜壁保持较好， 燕尾槽未见磨亮的现象，局部可见镶砖仍存在。

例4,  2009年投产的某3200高炉, 今年2月份检修时更换6-9四段铜冷却壁：

a.   6段虽没有磨漏水道, 但磨损较严重；7段破损最严重， 磨损在6段上部和7段下中部；8段整体比较完好；9段仅坏了6块， 磨损部位为上沿向下延伸250mm左右。

b.   各段变型较严重。

c.   磨损到一定程度， 损坏速度加快， 如2016年12份每1.7天就损坏一块。

例5，某3200高炉2009年9月开炉，8年后铜冷却壁出现个别水管漏，利用定修钻孔安装微形铜冷却棒，从钻孔芯样测量分析可看出，燕尾槽磨损最大处为15mm， 燕尾槽原深度为40mm， 应当还没磨漏到水通道，漏水的水管应当在炉壳与铜壁连接水管上。

分析 水管 漏水应是：

 a.  壁体向炉内延伸拉断的；b.  上下受剪切力而剪断的；c. 还有受拉力焊缝开裂而漏，不取下铜冷却壁不能准确确定。

3.2. 损坏的共性现象

3.2.1  主要损坏现象是磨损，往炉内(热面) 凸翘出的部位磨得最重。而炉腹上部与炉腰中下部磨损程度大于炉身下部，有些检修的高炉只更换了炉腹炉腰两段,。

3.2.2  冷却壁在炉内受热要发生膨胀延伸，产生的延伸没有释放出路只能向炉内凸翘而变形， 结果也造成凸翘部份加速磨损。冷却壁受热延伸分两种情况：中间往炉内凸翘和进出口水管端部往炉内凸翘。进出水管端向炉内凸出严重时还会拉断水管，而上下延伸又有可能剪断进出口水管。中间往炉内翘时, 冷却壁中间先磨损，水通道磨漏水后此冷却壁损坏，且往炉内大量漏水(一般每根水管水流量25t/h左右)， 不迅速采取措施，则影响高炉顺行或燃料消耗大幅度升高。水管进出口端部往炉内凸翘则易造冷却水管与炉皮交接处受剪切力剪断而漏水， 或冷却壁体与水管处焊接口拉开的， 这时是先漏水后烧损，这种现象磨损较轻。有一座3200高炉生产7年后,从高炉拆下来的损坏铜壁统计，主要坏在冷却壁进出口水管上、焊口开裂与剪断大致为70%和30%比例。

3.2.3  从现场这些破损铜冷壁损坏情况调查看，对于氢害而造成冷却壁损坏的现象，笔者尚难辨认与确定。

3.2.4  龟裂现象几乎没看到， 不象铸铁冷却壁那样，基体是龟裂后演变成水管渗碳变脆而损坏的。也没见到象铜风口前端那种掉块损坏和熔成小洞而损坏的现象。

4    铜冷却壁损坏原因讨论与建议

4.1. 磨损与炉腹角和炉身角有关系

         铜冷却壁在各高炉内经受的各种冶炼条件及侵害基本类同。渣皮掉落与生成同时存在，掉落与生成频率、周期各炉各异，渣皮保护铜壁原理也类同，但各高炉损坏现象相差甚大。如沙钢有大型高炉共四座，一个车间管理，一支作业团队操作， 原燃料条件相同， 铜冷却壁制造也为一家。从2500和5800两座炉子使用情况来看，一座开炉至今15年尚无损坏， 另一座不到8年被迫更换两段。另两座是从德国拆回的二手设备今年巳使用至20年了。鞍钢4座高炉也是从德国买回来的同为KME厂的铜冷却壁， 无一座超过8年寿命。也就是说铜冷却壁的损坏与操作无关，也与制造厂家关系不大。

         笔者认为磨损与炉腹和炉身角有关系。众所周知的是：炉腹角太大，炉腹炉墙不易挂渣；而炉身角太小炉身边沿煤气流不易控制, 易出管道气流。冷却壁不易挂渣和边沿气流过盛都加速铜壁磨损。沙钢三座2500高炉的炉腹角都是72度， 而5800高炉比其大2度多。国外的高炉没有象我国高炉过于矮胖， 炉腹角趋向缩小， 两种角度组成一个合理搭配。随着入炉品位提高， 吨铁渣量减少，炉缸直径也在变小。

         炉腹角又存在三种不同的角度： a. 冷却壁安装后水冷却线走向的炉腹角， 一代炉役是不变的。b. 与炉缸风口中套前端及耐材砌筑所形成的高炉内型炉腹角， 随着炉内渣皮粘结、掉落及耐材侵蚀而变化。c. 风口小套前端与炉腰下沿点连线所形成的实际操作炉腹角, 高炉操作中随风口小套长短伸入炉内长度在变化。

         炉身角过小显示炉腰直径偏大或炉喉直经小，无钟布料优势难发挥，炉腰上升的煤气流或经软熔带二次分布的煤气流在高炉边沿受阻，易形成管道气流，其对铜冷却壁磨损严重；炉身角过大又不利提高煤气利用率。什么是合适的炉腹与炉身角，值得同仁们进一步分析、探讨、再提升，目前设计上趋向缩小炉腹角，且生产中多数高炉采取长风口操作，实际炉腹角更小，炉身角建议选在83 ⁰左右。

4.2.  与安装技巧有关

         铜冷却壁在炉内变形， 即往炉内翘， 说明冷却壁受热变形没有上下移动空间。目前冷却壁变形情况是中间向炉凸翘或进、出水管端向炉内凸翘， 前者中间受磨损后逐渐漏水， 后者有的受磨损，也有的先拉断进出口水管而漏水， 漏点多在炉壳与冷却壁之间，漏水后壁体熔化。铜的特点是导热性能好和延伸性大, 但不抗磨。除不能把冷却壁制造得太长外，安装技巧也至关重要。沙钢2500高炉铜壁的安装吊挂形式保留了德国原高炉的吊挂固定形式， 应很好地借鉴。现在这种每块冷却壁不论多长，中间一个焊在炉皮上的定位点和4个固定点来吊挂冷却壁方式应当改进。 应给予铜冷却壁受热变形后的延伸空间， 即4个固定点的炉壳开孔应当是上下为长轴的椭园孔，煤气密封头适当加大，冷却壁受热延伸后能有一定的自由度，防止内翘，让其上下一定的行走空间。铸铁冷却壁的滑动，浮动、固定三点式吊挂方式的思路值得借鉴。

4.3. 铜冷却壁也不应设计的太长

         铜壁使用虽有十几年的实践，防止弯曲变形及损坏仍未掌握，有的高炉利用中修机会将2段x3.0m的冷却壁换成3段x2.0m。鞍钢计算了部分冷却壁在不同热负荷和热面温度下的挠度变形量，见表4。可看出热负荷在180w/m²时其挠度变形量达到10%，且随着热负荷和温度升高变形量还在增大。上述各图中也可观察到铜冷却壁沿长度方向都不同程度的存在变形， 宽度方向则肉眼观察不出变形， 实际延伸变宽也存在。因此铜冷却壁也不能设计得过长，建议2.0m左右。且吊挂安装上留有受热变形的延伸空间，要比铸铁冷却壁留得更大一些。

                                        表4.           铜冷却壁高度与热负荷与挠度对用关系

4.4.  足够的冷却比表面积和水流速度

         铜冷却壁安装部位是整个高炉热负荷最高的部位， 利用铜的导热能力远大于铸铁(约350w与35w相差10倍) 来加强冷却，在壁体上易形成渣皮， 问题是炉内热面传来的热量要迅速传给冷却水，壁体的温度才能低，那么与水量、水速、冷却壁冷却比表面积就相关了。

        如同样管间距(210mm)的铜冷却壁, 采用圆孔与椭圆孔的通道相差甚大，如当前50mm圆孔通道面积是30mmx85mm椭圆孔的通道面积98%。但冷却壁冷却比表面积比分别为0.748和1.945，相差2.6倍，相同水速的条件下，比表面积越大者壁体温度越低，也越易形成渣皮。

4.5. 冷却壁壁体与耐材的结合强度及导热系数

         各高炉出现铜冷却壁损坏时间大约6-9年，那么开炉后冷却壁上的耐材能在冷却壁上存留时间越长，冷却壁受磨损即越晚，寿命就越长。这就有一个耐材与壁体粘结强度和导热能力的问题。例4中铜壁使用8年磨损少，且尚有一定数量镶砖未掉，壁体上只要有耐材或渣皮，壁体就不会受到磨损。目前铜壁上的燕尾槽30-40mm太浅，(仅是铸铁冷却壁的1/2)，又只能采用冷镶砖，粘结强度也不会很高， 因此加强镶砖强度或喷涂料时采用锚固钉挂网再喷涂等措施会更佳。

         铜壁上所镶耐材，碳砖、碳化硅砖、铝炭砖、炭复合砖、高铝砖等，其导热系数常温下和高温下是不同的，挂渣能力也不同，应科学选取。

4.6. 生产组织管理及操作方面

         生产中高炉中下部炉墙或冷却器主要是靠渣皮保护，但人类至今仍未研究出永远不脱落的渣皮或渣成份，只能去努力减少渣皮脱落与寻求渣皮快速生成的方法。

a . 执行精料方针，做到炉料供应稳定、用料结构稳定、成份稳定，进而做到炉渣碱度、成份稳定，减少渣皮脱落。

b . 操作上调整出与本高炉适宜的边缘和中心的两股煤气流，边缘过重软熔带位置较低反而不利渣皮的稳定和冷却壁保护。

5   结言

        对我国高炉十几年铜冷却壁应用实践的调研与分柝表明:

（1）铜冷却壁在高炉上使用寿命虽平均只有6年多, 但也是过去的铸铁冷却壁寿命的2-3倍，好的已使用到了20年以上的先进水平。深入分析存在的不足，向先进看齐，预期目标定能实现。

（2）铜冷板的高炉平均寿命己达10年以上，损坏品可随时休风更换，即一代炉役不用中修，其成本也是低的，不宜轻易放弃。

（3）对目前高炉铜冷却壁应用上：炉腹角、吊挂安装方法、壁体长度、耐材镶嵌强度、稳定炉渣成份、适宜边缘气流操作等方面提出一些认识和建议供同仁们讨论，目的是抛砖引玉。

（4）高炉一旦出现铜冷却壁损坏加快时, 建议抓紧更换，抢时间回收残值，可将损失降到最低。

（5）改进设计，优化制造、安装、操作技术， 加强管理提升精料水准，扭转目前铜冷却壁短寿的局面。