创新材料与工艺，助力高炉长寿

文/高妍 毛艳玲

一代材料，一代装备。这句话不仅适合航空航天、军事等高端制造业，同样适用于现代基础工业。

对于高炉炼铁企业来说，高炉寿命关乎企业效益与长远发展，而影响高炉寿命的关键设备是冷却壁。冷却壁的材质与制造工艺的迭代升级，对延长高炉寿命至关重要。

高炉不同冷却部位，有不同的冷却需求，需要不同材质。高炉的冷却壁材质主要有铜冷却壁和铸铁冷却壁两类。铜冷却壁多用于热负荷较高的炉腹、炉腰和炉身下部区域，铸铁冷却壁则多用于炉缸区域。但它们在生产使用中存在要么导热系数低、制造困难，要么抗变形性能差等问题。高炉大型化、高效化的发展，对高炉冷却设备提出了新的挑战。

发展能够有效延长高炉高热负荷区寿命的高导热、抗变形冷却壁，越来越成为行业亟需。

为此，北京科技大学张建良教授带领团队与河北万丰冶金备件有限公司深度合作，根据行业发展要求及冶金冷却设备工作可靠、长寿、环保的要求，联合研制开发出了具有自主知识产权的爆炸焊接铜钢复合冷却壁生产技术，实现了冷却壁生产工艺的重大突破，填补了国内空白。

作为炼铁新技术科研团队负责人，张建良带领一只由校内老、中、青教师和一些国内知名炼铁专家作为顾问的科研队伍，先后主持或参与了国内外科研项目130余项，在炼铁新技术、新工艺以及过程优化研究等领域积累了丰硕的成果与经验。铜钢复合冷却壁的开发与应用，便是其团队所取得的诸多创新型成果之一。

张建良介绍，铜钢冷却壁区别于以往的单纯铸钢或纯铜冷却壁，创新性的采用无氧铜和钢两种材料，利用爆炸焊接技术进行复合，冷却壁壁体前热面部分是铜，保证冷却壁的传热能力；壁体水道后部分采用钢结构，保证冷却壁在高温度环境下不发生挠度变形。如此，便能够同时发挥出铜的高导热性能和钢的高强度性能。

他们如何做到？

首先，选择优质母材。

经过反复试验，他们最终选定了TU1无氧铜板材和Q345R低合金高强钢板材为母材。在高温、高压等条件下，铜与钢两种母材在结合界面处产生塑性变、原子扩散等，相互之间紧密结合形成一种新型复合材料。由于复合板是由不同材料复合而成的，与组成其的单一材料相比，在实际生产中，能充分发挥其组成材料的物理化学、力学和耐腐蚀等性能，即具有优异的综合性能。

其次，创新性的采用爆炸焊接技术。

这是整个工艺流程的核心环节。这种专门用于制造金属包覆材料的技术，适合焊接异种金属。爆炸焊接技术能够在冷却壁冷面整体复合一定厚度的特制耐热锅炉钢板，使铜材与钢板之间形成良好的结合界面，利用高强钢提高冷却壁的抗变形能力。

同时，采用爆炸焊接技术，利用其瞬间的高能量使铜材和钢板实现良好的冶金结合，形成明显的波状界面，能够大幅度提高两种材料的结合强度。一般情况下，铜钢结合界面的拉伸强度、剪切强度等力学性能介于基材和覆材之间，通过参数控制可实现界面的性能优于铜和钢。

再次，通过爆炸焊接技术复合在一起的铜钢复合板，经充分冷却后，再进行超声波探伤、水道加工、热处理、水压测试、成品验收及加工等一系列后续处理，最终得到铜钢复合冷却壁成品。

铜钢复合冷却壁的冷却壁热面为高纯铜材质，充分利用纯铜的高导热性能，保持铜冷却壁的热面温度较低，低于其蠕变温度。与铸钢、铸铁冷却壁相比，铜钢复合冷却壁由于复合冷却壁热面应用了导热率很高的铜材，冷却壁壁体温度较低，有利于冷却壁长寿。同时，较低的壁体温度使得其变形量小于纯铸钢或铸铁冷却壁。与传统纯铜冷却壁相比，二者壁体温度大致相当，但由于复合冷却壁冷面钢材对铜变形的限制作用，冷却壁整体变形量较小。

值得一提的是，铜钢复合冷却壁最大的特点，是减少了铜材的使用比例，大幅降低了原料成本，同时，由于冷却壁抗变形能力提高，弯曲变形情况减少，可有效延长冷却壁寿命，减少高炉中修次数，可大幅节约运行成本和维护费用。

这一新开发的铜钢复合冷却壁，能够充分发挥铜的高导热性能和钢的高强度性能，并且节约大量的金属铜，降低冷却壁制造成本，具有很好的经济效益和广泛的应用范围，同时也符合建设资源节约型社会的发展方向。而采用爆炸焊接工艺生产的铜钢复合冷却壁质量稳定可靠，可以使高炉冷却系统运行更加稳定可靠，给钢铁企业设备运行创造良好的条件。

如今，该技术生产出的铜钢复合冷却壁已获得广泛推广应用，取得了很好的经济效益和社会效益。

2007年，宣钢1号300m3高炉进行了铜钢复合冷却壁工业试验，在炉腹区安装两段铜钢复合冷却壁，前后共运行34个月。

运行期间，1号高炉炉腹煤气温度为1440℃，两段铜钢复合冷却壁壁体温度波动区间分别为40℃～65℃和50℃～75℃，进出水温差保持在4.5℃～7.5℃之间，冷却水量为7～8h/t，流速约为1.5m/s。图1是从宣钢1号300m3高炉取下的铜钢复合冷却壁，可以看出冷却壁受热面棱角分明，完好无损，说明该冷却壁冷却效果良好，达到了理想的挂渣效果。

图1 宣钢300m3高炉拆下的铜钢复合冷却壁

到目前为止，铜钢复合冷却壁已先后在宣钢1#300m3高炉、包钢2#1780m3高炉、承钢4#2500m3高炉、首钢京唐2#5500m3高炉、邯钢7#2000m3高炉、安钢1#2200m3等高炉上推广应用，其中承钢2座2500m3高炉炉腰、炉腹及炉身下部四段共180块冷却壁全部使用铜钢复合冷却壁。应用几年来，炉况稳定顺行，冷却壁热电偶温度及热流强度长期维持在正常水平，实现了连续平稳运行，冷却壁零损坏。

同时，该技术在经济效益上也表现强力。以一座2500m3高炉采用铜钢复合冷却壁为例，它的中修即可节约铜材0.7t，折合直接节约投资成本630万元。更重要的是，铜钢复合冷却壁使用寿命为12年，可减少高炉中修次数1次约1430万元。

“我国现有容积1000m3以上高炉400余座，按每年10%的中修率进行估算，每年有1000m3以上高炉约40座需要中修。若铜钢复合冷却壁按20%的普及率估算，则创造的经济效益约为16480万元。”

“冷却壁的损坏除与冷却壁本身的性能有关外，受高炉操作及原燃料影响较大，尤其是渣皮质量，因此，保证较好的原燃料质量和稳定的高炉操作，使冷却壁表面形成稳定的渣皮是延长冷却壁寿命的关键。”张建良强调。

优质、高产、低耗、长寿，已经成为高炉生产的发展方向。未来，张建良将带领团队继续攻关，研发出更多更优质的材料与更契合生产实际的创新工艺。