銅冷卻壁好？壞？先了解下銅冷卻壁最好！

來自專欄鋼鐵精英

高爐銅冷卻壁在國內高爐的使用越來越普遍。銅冷卻壁主要使用在高爐爐身下部、爐腰和爐腹，部分高爐在爐缸區域也採取用光面銅冷卻壁進行爐缸區域的強化冷卻。銅冷卻壁的應用那麼普遍，那麼銅冷卻壁有什麼優點？有哪些高爐應用了銅冷卻壁？銅冷卻壁的關鍵參數是哪些？銅冷卻壁技術的發展在哪裡？小編為你一一道來。如您需要原版論文，請關注「鋼鐵精英」回復「銅冷」，如您有其他問題或者加入「鋼鐵精英群」，請加小編微信：xie215727208。

(字數：2164字，估計閱讀時間：8min)

1 銅冷卻壁的優越性

與鑄鐵和鋼冷卻壁比較，銅冷卻壁有以下優越性：

1.1 高導熱性能

銅的導熱性能是鑄鐵的10倍左右，銅冷卻壁綜合導熱能力是鑄鐵冷卻壁的40-45倍，由於銅冷卻壁具有很高的導熱性能，使得液態渣牢牢地粘在冷卻壁熱面,從而形成穩定的渣皮，穩定的渣皮無疑是最好的保護層。

表 鋼、銅、鑄鐵的物理和熱學性能比較

1.2抗熱震性能好

銅冷卻壁熱面能形成穩定的渣皮,渣皮脫落和重新生成的周期次數就少，這使冷卻壁熱疲勞得到抑制。根據PW公司資料：渣皮脫落後，壁體熱面溫度在9分鐘內就能達到最高溫度170度，再用11分鐘渣皮完全形成,壁體恢復到正常溫度50-60度，整個周期約20分鐘，而鑄鐵冷卻壁則需要幾個小時。

1.3耐高熱流衝擊性能好

銅冷卻壁具有很高的導熱性能，使得壁體實際最高溫度與允許最高溫度之比不到0.65，而鑄鐵冷卻壁此值高達0.8-0.9，因此，銅冷卻壁能夠承受更高的熱流衝擊。銅冷卻壁正常承受熱流強度為75.47KW/m2，短期30分鐘內可承受最大熱流強度為384.33KW/m2。

1.4散熱損失小

渣皮的導熱係數很低，約1.2 W/m.k，因此，穩定的渣皮具有很高的熱阻，使得安裝銅冷卻壁後,熱量損失較鑄鐵壁小。另外，在高熱負荷區域安裝銅冷卻壁後，冷卻水量較鑄鐵壁減少20%-40%，這也會使得熱量損失較少。

1.5耐火材料投資少

由於銅冷卻壁的表面會形成一層穩定的渣皮層，起到自保護作用，這樣銅冷卻壁不會受到高溫作用（相對於鑄鐵壁而言），所以銅冷卻壁一般不必外砌厚的耐火磚，這樣就可以節省價格昂貴的耐火材料的費用。

1.6硬度低和晶相組織緻密，加工性能好

銅冷卻壁其銅材質的硬度和組織結構決定了其具有突出的加工優勢，可以在軋制的厚銅板上鑽孔、焊接。

1.7重量輕，加工精度高，易於安裝

銅冷卻壁厚度薄，重量輕，加工精度高，壁體外形尺寸、固定位置及進出水管的尺寸偏差、形位公差精度控制嚴格，達到機械加工的水平，減少了累積誤差，提高安裝精度，有利於避免因冷卻壁公差而造成的安裝難度。

1.8可重複利用

銅冷卻壁年平均最大磨損率僅為0.3mm／a，按銅冷卻壁銅冷卻壁熱面肋高40mm，其理論壽命可達30-50年。再有銅質在250℃以下隨溫度變化沒有晶格變化，晶相結構穩定和其耐酸耐鹼侵蝕的優點，銅冷卻壁在完成一代爐齡後完全可以再重新加工重複利用，我國在沙鋼就有這樣的先例。

1.9冷卻穩定均勻，有利於高爐順行

銅冷卻壁憑藉其強冷卻性，熱面能形成穩定的渣皮，渣皮不易脫落存在周期長並且重新生成的時間短，冷卻穩定均勻，有利於維持一個穩定高爐操作爐型和高爐工況條件，有利於高爐順行。

銅冷卻壁的這些優點可以總結成兩方面：

（1）銅冷卻壁自身材質的性能。導熱性好、熱承載能力大、易加工性等優良的材質性能，保證了銅冷卻壁在其熱面形成渣皮的能力，可以在其熱面不用昂貴的耐火材料。

（2）由於渣皮的穩定存在所帶來的優點。當渣皮存在時，冷卻壁自身溫度迅速下降，而且銅冷卻壁內部自身溫差也迅速下降，這就提高了銅冷卻壁抗熱衝擊能力和抗熱震性能。同時隨著渣皮厚度的增加，銅冷卻壁熱損失也迅速降低。

2 銅冷卻壁的發展

2.1 國外銅冷卻壁的發展

為了進一步改進高爐的冷卻系統，1978年MAN GHH同Thyssen Stahl AG聯合，啟動了一個發展銅冷卻壁的項目。銅冷卻壁初始的設計思想主要為了克服鑄鐵冷卻壁在設計和應用中存在的主要缺陷：

（a）冷卻壁材質和防滲碳層及氣隙產生的熱阻問題；

（b）鑄鐵冷卻壁在使用一段程度時間後，由於冷卻的缺陷，肋段有很大程度上的磨損和材料損失現象，這將不利於渣皮的形成。在初始的銅冷卻壁設計中，具體的設計參數還沿用鑄鐵冷卻壁的設計。

在Thyssen Hamborn 4號高爐上進行了銅冷卻壁的首次工業試驗，在此高爐的爐身中部安裝了兩塊試驗銅冷卻壁。此次工業試驗從1979年8月開始，到1988年7月爐役末期結束，持續了約9年的時間。首次工業試驗的結果發現：鄰近的鑄鐵冷卻壁顯露出嚴重的磨損跡象，出現裂紋和冷卻水管外露，而銅冷卻壁表面上好像新的，邊角鋒利，經過噴砂處理後，這種現象更加突出。銅冷卻壁最初60mm高的肋在9年的時間減少了0～3mm，最大磨損速率大約為0.3mm/year。依此看，銅冷卻壁冷卻器服役壽命可以達到30～50年的目標壽命。

1988年初期，在ThyssenRuhrort 6號高爐上進行了第二輪的銅冷卻壁工業試驗。此次工業試驗中兩塊銅冷卻壁的位置分別位於爐腰和爐身下部，這裡被認為是高熱負荷區域。3年半的工業試驗發現：銅冷卻壁附近的鑄鐵冷卻壁呈現出顯見的磨損和外露水管，而銅冷卻壁看上去象新的一樣，幾乎無磨損；即使是在高爐較高處採用相對密集排布的銅冷卻板也不能保護耐材不受爐氣的衝擊，該處的爐殼必須更換，能夠抵禦極端惡劣衝擊而沒有任何損傷的唯一一種冷卻器為銅冷卻壁。

由於工業試驗的成功，Schwelgern 2號高爐於1992年使用了一段銅冷卻壁，緊跟其後，世界上其他國家的高爐也相繼使用銅冷卻壁來解決爐腹、爐腰及爐身下部區域的壽命問題。到20世紀末期，世界上已經有超過30座高爐使用了SMS設計的銅冷卻壁，掀起了20世紀90年代使用銅冷卻壁的熱潮。在這段時間，世界上許多國家從設計上和操作實踐上對銅冷卻壁進行了大量研究和報道，使得銅冷卻壁技術趨於成熟。

目前國外採用的銅冷卻壁有三種形式：

（1）MAN.CHH研製的SMS銅冷卻壁

SMS銅冷卻壁採用軋制厚銅板鑽孔焊接而成，含銅量>99.95％。這種銅冷卻壁的水流通道通過鑽孔加工而成，消除了間隙熱阻，導熱性好，是推廣應用最為普遍的一種結構型式。據不完全統計，至1999年國外已有34座高爐安裝了這種銅冷卻壁。

（2）PW－OU型銅冷卻壁

用含銅量99.9 %連鑄銅板坯製造，冷卻通道為扁圓型並在連鑄過程中成型。這種銅冷卻壁未經軋制，其緻密性稍差，但扁圓形的冷卻通道使有效的冷卻表面積較大，冷卻效果得到了補償，並且冷卻壁可以做得比較薄些。水管採用焊接方法實現與本體連接。

（3）霍高文公司的MTT鑄管銅冷壁

MTT銅冷卻壁採用鑄造方法製造，並以Monel管作為冷卻水管鑄入本體中。由於Monel管與本體性能相近，鑄造後二者能很好地融合在一起。

2.2 中國銅冷卻壁的發展

中國在1999年12月首鋼2號高爐檢修時，實驗性地在高爐爐腰（7層16號）安裝了一塊自己製造的銅冷卻壁，到2002年3月高爐大修時，對此區域的銅冷卻壁研究發現：試驗銅冷卻壁使用2年1個月後，熱面鑲嵌結構槽內尚有殘磚存在，壁體無任何磨損。工業試驗的成功代表了中國銅冷卻壁技術的起步，也推動了中國銅冷卻壁的發展。

2001年初，中國銅冷卻壁3000t/a生產線建成投產，完成了銅冷卻壁的國產化，而且還開發出具有自主知識產權的複合扁孔型銅冷卻壁及其生產線，至2003年7月，國內外多座高爐簽訂了供貨合同。

表 銷售統計

這些都證明了中國已經具備了自主研發、生產銅冷卻壁的能力。2002年3月停爐大修的首鋼2號高爐安裝了3層（分別位於爐腹、爐腰以及爐身下部）共120塊銅冷卻壁，是中國高爐首次正式使用國產銅冷卻壁。

3 銅冷卻壁的發展趨勢

3.1 銅冷卻壁本體減薄

銅冷卻壁的設計參數包括冷卻壁本體材質的導熱係數、冷卻壁本體厚度、冷卻水管間距、冷卻通道幾何形狀、冷卻通道直徑、鑲嵌結構導熱係數、熱面幾何形狀以及冷卻水溫度、冷卻水流速等。在這些因素中，經過大量的數值模擬，首先強調發揮冷卻水作用的重要性，並定量的討論了水垢、塗層和氣縫熱阻對高爐長壽的危害。認為只有充分發揮了冷卻水的作用，才有可能實現高爐長壽，如果沒有發揮冷卻水的作用，那就相當於以前的沒有冷卻的高爐，操作效果可想而知。其餘參數的設計經過國內外許多研究，已經確定了其對冷卻壁使用效果的影響，也確立了各方面的設計原則。

現在為了優化設計，也大幅度的降低銅冷卻壁的造價，銅冷卻壁本體在逐漸減薄，發展出薄型、超薄型銅冷卻壁，其壁體厚度減小到90mm左右。這是銅冷卻壁設計的一個趨勢。

下圖為設計的薄型銅冷卻壁，總厚度為95mm，其主要特點是水管為橫向布置，水管一部分已經位於肋內，這樣設計依據為熱流基本上都從肋段進入銅冷卻壁內。此冷卻壁已經獲得了國家專利，經過大量的熱態試驗和數值模擬，計算表明這種銅冷卻壁能很好的保持自身溫度均勻，基本消除冷卻壁邊部、角部的溫度過高引起的熱應力。

圖 薄型銅冷卻壁

現有銅冷卻壁向薄型發展，改進的一個因素是減小肋段燕尾槽的深度。燕尾槽的設計主要是為了有利於掛渣，早期銅冷卻壁燕尾槽的結構尺寸基本上沿用鑄鐵冷卻壁的設計，現在研究表明，減薄燕尾槽結構仍然可以保證固結渣皮（國外的工業試驗也證明15mm的燕尾槽能能滿足掛渣的需要 ）。

另一個因素是改變孔型，比如從圓孔型變化到複合扁孔型 。複合扁孔的水流通道冷卻面積要大於圓孔的，在冷卻水量一定的情況下提高了冷卻壁強度，有利於冷卻壁自身溫度的均勻，在同等冷卻強度下也能節省水量。而且，複合扁孔型相比於圓孔型冷卻通道，水管段的長度大幅度減少，這就有利於銅冷卻壁本體的減薄。

3.2 設計和安裝的結合

除過溫度分布的影響，安裝因素將直接影響銅冷卻壁在使用過程中的應力分布，影響銅冷卻壁以後的變形和磨損，所以，在設計階段就應該體現出對銅冷卻壁安裝環境的考慮。

研究表明，定位銷的個數和安裝位置決定了銅冷卻壁的應力分布。計算表明，在銅冷卻壁裸露時，最大應力都集中在定位銷附近（圖a），而5個定位銷要比4個定位銷的應力小，所以建議在銅冷卻壁較高時，選擇5～6個定位銷更合理，上下定位銷應盡量靠近上、下邊緣，以緩解邊緣的變形，且為了適應冷卻壁受熱後的膨脹，定位銷與冷卻壁、爐殼的安裝必須預留適當膨脹間隙。

(a) (b)

圖 等效應變雲圖

如果高爐內安裝的銅冷卻壁邊界較為自由（圖a為實際安裝中依靠定位銷固定，而邊界約束較自由的情況），熱態時，熱面比冷麵膨脹大，將形成向熱面凸起的弓形。

如果安裝銅冷卻壁時約束很強（圖 b為熱態試驗中邊界約束很強的情況），熱態情況下會使熱面受壓，形成向冷麵凸起的弓形，對爐殼產生擠壓。

所以，應該根據銅冷卻壁的實際安裝環境對其進行設計和安裝，保證銅冷卻壁在使用過程中能保持合理、合適的應力分布。同時安裝方式和安裝環境也應該體現到銅冷卻壁的冷麵外形尺寸設計中，即結合具體的安裝情況設計與之相配的銅冷卻壁外形尺寸。如Corus公司的銅冷卻壁就有不同的外形，從而體現出對實際安裝環境更大的設計彈性，如圖 所示。

圖 銅冷卻壁的外形

3.3 冷卻通道多樣化

傳統銅冷卻壁的冷卻通道為圓形孔型，這主要是因為圓形孔型比較容易加工。隨著加工工藝的進步，各種異型孔型也被發展出來。如圖所示的各種孔型，其中複合孔型由我國自主開發，它們都經過了大量的熱態試驗和工業試驗，被證明有優越的傳熱特性。這些異型孔型主要有以下的優點：

a. 增大了冷卻通道熱面的接觸面積，從而提高了冷卻水的利用率，在相同冷卻強度下就節約了冷卻水；

b. 減小或者消除了冷卻壁自身的冷卻盲區。傳統冷卻壁的冷卻盲區主要出現在冷卻壁的邊部和角部，所以增大冷卻通道的長度或增加冷卻通道兩邊的冷卻水量從而增大冷卻強度，有利於消除冷卻壁自身冷卻盲區。

圖 各種冷卻通道示意圖

4總結

目前國內對於銅冷卻壁的使用仍存在激烈的討論，並在實際高爐設計和安裝中有所體現。由於銅冷卻壁在國內的使用比較普遍，對於銅冷卻壁的使用效果和改進措施會隨著問題的出現、分析和解決逐漸提升。可以預見，由於銅冷卻壁的特點，未來對於銅冷卻壁的應用仍是熱點。

說明：內容純屬交流之用，不針對任何第三方，文章欠妥之處，歡迎批評指正。內如有侵害您的權利或者不妥之處，請來信通知修改或刪除。

http://weixin.qq.com/r/Tz9SSofEydq2rcMp92pd (二維碼自動識別)

推薦閱讀：