高炉炉腹铜冷却壁损坏原因分析

王志磊

摘 要：随着高炉的利用系数和冶炼强度提高，高炉炉腹、炉腰和炉身下部的热负荷上升，炉缸侧壁温度升高等现象频繁发生。同时，国内高炉原燃料质量稳定性较差，常引起炉况波动，进而造成软熔带位置频繁上下移动，加速炉腹到炉身下部区域耐材的侵蚀和冷却壁的损坏。随着宝钢湛江等企业大型高炉采用全铸铁冷却壁，炼铁企业对于采用何种冷却壁出现了较多分歧，因此，有必要对不同冷却壁在使用过程中的问题进行探讨。

关键词：高炉炉腹；铜冷却壁；损坏原因

1铜冷却壁材质的选择

正因可能存在“氢脆”风险，国内主要设计单位和铜冷却壁制造商均要求铜冷却壁本体氧含量不超过0.003%，以尽量降低“氢脆”风险。最新GB/T31048-2014《铜冷却壁》关于铜冷却壁成分中氧含量亦是不超过0.003%，该氧含量与GB/T5231-2012《加工铜及铜合金化学成分和产品形状规定》，中无氧铜TU2一致。铜冷却壁材质无氧铜TU2，一般认为无氧铜中氧和杂质的含量极低，无“氢脆”或极少“氢脆”，特别适合应用于可能产生氢脆的领域。

当氧含量低于0.001%时，认为不会发生氢脆导致的晶界裂纹，因此，与无氧铜TU2相比，无氧铜TU00～TU1更不易产生“氢脆”，从理论上分析“氢脆”可能性来看，相对更为安全。但TU00～TU1因杂质含量少，强度和硬度偏低，适合于做电线等导体，对需要兼顾传热和机械性能的铜冷却壁并非最合适选择，同时，投资较高也制约了大规模应用到钢铁冶金领域。

2铜冷却壁的热态实验

2.1实验过程

想要更好的对铜冷却壁的热工性能进行分析，在高炉中的铜冷却壁上选取了十一个点进行了热态实验，在进行实际实验的过程中，保证高炉与正常工作状态下的环境保持高度一致。针对高炉的几个面，我们进行定义一下，首选，铜冷却壁镶砖的面叫做热面，水管一侧的面叫做冷面，其余四个面为顶面、底面、两个侧面。在铜冷却壁的热面和冷面和高炉的内部都进行测温设施的安装，并保证测温装置的质量和数量，进而对铜冷却壁的温度变化进行明显的观察。

2.2结果分析

通过热态实验，得到以下结果，在两种约束实验的基础上，铜冷却壁在高炉温度为一千度和一千一百度的时候，都出现了向冷面部位凸起的情况，而且高炉内部的温度越大，凸起的程度就越大。在温度不变的情况下，没有固定销的铜冷却壁中心应变力为最大，其它固定方法的变形量相对较小，所以说，固定销能够有效降低铜冷却壁的热变形量。

3高炉冷却壁的损坏形式及原因

2000年以来铜冷却壁以其良好的导热能力和形成渣皮能力在我国高炉上得到广泛的使用，目前全国约200座以上的高炉采用铜冷却壁，尤其是在炉腹、炉腰和炉身下部等热负荷较高的区域。高炉冷却壁主要包括铸铁和纯铜，另外还出现过铸钢冷却壁。铸铁冷却壁抗热震性能差、导热系数低。另外，其冷却水管是铸入铸铁本体内的，由于材质和膨胀系数的不同，形成气隙层，而影响了传热。这些缺陷限制了铸铁冷却壁的进一步发展。因此，从上世纪70年代欧洲开发和使用了铜冷却壁，得到较好的效果。

高炉铜冷却壁热面大面积损坏具有以下特征：（1）严重损坏部位集中在炉腰部位，具有明显的区域性；（2）损坏期间，高炉出现冷却强度不足、冷却壁本体温度升高的现象。

（1）化学侵蚀

氧元素在铜中的固溶量很小，但易与铜反应生成Cu2O，生成的Cu2O分布在晶界或枝晶网络中。一方面铜冷却壁的纯度有限，一般含有少量的氧，另一方面，高温条件下，炉渣、煤气中的氧元素可向铜基体扩散，造成冷却壁热面壁体氧含量升高。李峰光等采用纳克ON-3000氧氮分析仪测定冷却壁热面损坏严重的“沟槽处”和完整部位的氧含量，结果分别为19ppm和15ppm，该氧含量可造成铜冷却壁产生晶界裂纹。

反应产生高压的CO2和H2O气体，高压气体作用下铜冷却壁基体产生微小裂纹，反应（2）的灵敏度明显较高，因此这种现象往往称为“氢病”。“氢病”被认为是铜冷却壁破损的主要原因之一。“氢病”的发生主要受三个因素影响：氧含量、温度和渣皮脱落。氧含量越高，温度越高，越容易发生“氢病”，而渣皮脱落则是“氢病”产生的直接原因。

由于铜冷却壁导热能力强，导热系数达到380W/（m·K），正常炉况条件下，高炉渣粘附在冷却壁热面后，热量迅速被冷却水带走，在冷却壁热面形成一定厚度的渣皮。渣皮阻碍高炉煤气中H2和CO向冷却壁壁体的扩散，从而避免了“氢病”现象的发生。当发生边缘煤气流过剩等异常炉况时，渣皮不能稳定存在于冷却壁表面，造成冷却壁热面暴露于煤气中，冷却壁表面不仅要承受高温高速煤气的冲刷侵蚀和渣铁的化学侵蚀，“氢病”发生的情况也大幅提高，造成冷却壁寿命降低。

（2）磨损

与化学侵蚀相似，在炉况异常、渣皮频繁脱落的情况下，冷却壁受到大块高温物料的机械冲击和高温煤气流的冲刷。采用金相显微镜观察破损严重的铜冷却壁不同位置的试样，发现金相组织均为ɑ固溶体，且冷却壁热面未出现晶粒长大现象，表明铜冷却壁破损的主要原因是机械磨损，而不是熔损。

铜冷却壁磨损一方面是由于铜的硬度较低，相对铸铁更容易被块状炉料磨损，另一方面，操作上长期保持中心气流过强，边缘过重，软熔带根部过低，块状带大块物料，很容易磨损铜冷却壁。

（3）挠曲变形

铜冷却壁一般用于炉身下部、炉腰和炉腹等热负荷高的区域，渣皮频繁脱落时，冷却壁热面暴露在高温煤气中，受到煤气、渣铁等的热辐射作用。同时，由于冷却水的冷却作用，造成冷却壁冷热面间出现一定的温度梯度，从而产生热应力作用。热应力作用是铜冷却壁出现挠曲变形的主要原因，且热负荷越大，挠曲变形越严重。一定热负荷下，冷却壁高度越高，挠度越大。

4结语

總之，高炉铜冷却壁的热变形量不但和其中的温度系数有着非常紧密的联系，还和其安装的方式和位置有关。如果铜冷却壁的边界有着一定的空间的话，冷却壁中的受热集中部位可能会出现变形，如果没有边界空间的话，就有可能会在冷面出现变形。进行处理的常用方法就是定位销位置的改变，这种方法能够降低高炉铜冷却壁的变形程度。

参考文献

[1]张文明.铁基材质高炉冷却壁的解剖研究与破损机理[J].钢铁，2011（9）.

[2]李平.铸钢冷却壁的铸造工艺[J].铸造，2011（11）.

（作者单位：河北钢铁集团邯钢公司生产制造部）