高炉内部高温高压的冶炼环境给高炉安全长寿带来严峻的考验，特别是热负荷较大的炉身下部、炉腰、炉腹区域及温度波动大的炉缸区域，已成为高炉安全长寿的主要限制性环节。冷却器的优化选型对保障炉身下部、炉腰、炉腹及炉缸区域的安全稳定尤为重要，选择合适的冷却器能够大大延长高炉的寿命，减少中修次数，延长大修时间，为企业带来巨大的经济效益。

目前，高炉炉身上部一般采用铸铁冷却壁，炉身下部及炉腰、炉腹部位一般采用铜冷却壁，有部分高炉整体采用铸铁冷却壁。炉缸部位一般采用铸铁冷却壁，但也有部分高炉在炉缸“象脚区域”采用一段铜冷却壁，以加强该部位的冷却。对于高炉关键部位的冷却器选型目前仍存在许多争议，需要进一步明确不同种类冷却壁的破损形式，对比冷却器的优缺点，提出更加合理的冷却器选择方案。

本文结合部分国内案例，旨在明晰高炉上下部冷却壁的工作条件及使用条件，对比分析不同冷却器的使用效果及破损机理，提出合理得冷却器配置对策，最终为高炉炉身下部、炉腰、炉腹及炉缸的长寿提供指导。

冷却壁为高炉提供有效的冷却，是最重要的高炉冷却设备之一，起到支撑耐火材料内衬、降低内衬温度和保持内衬完整性的作用，从而维持高炉合理的操作内型，同时在耐火材料消失之后，冷却壁依靠冷却作用能够生成保护性渣皮，形成“永久性”内衬。总体来说，冷却壁的工作状态对延长高炉寿命具有重要的作用和意义。而我国高炉现阶段常用的铸铁冷却壁和铜冷却壁在使用中存在着一定的问题，破损现象时有发生。

铸铁冷却壁传热性能较较弱、寿命较低，热应力的直接影响、煤气流及炉料的冲刷磨损、渗透作用的发生均会导致铸铁冷却壁破损。当温度升高至400℃以上时，由于铸铁冷却壁内端温度高、外端温度低的工作条件，热应力作用明显，机械强度明显下降，在煤气及炉料的直接冲刷作用下，冷却壁镶砖逐渐减薄；同时CO通过渗透作用进入冷却壁基体，在400℃~600℃下，发生2CO→CO₂+C反应，碳元素不断沉积，造成冷却壁变脆、力学性能降低，最终冷却壁表面产生裂纹。

铜冷却壁在化学侵蚀、机械摩擦和热应力作用下，会出现烧损、磨损、冷却水管暴露和弯曲变形等破损现象。化学侵蚀即为“氢病”现象，铜冷却壁中含有的O与铜基体结合生成的Cu₂O，在与H接触反应后，发生还原反应，生成水蒸气，导致基体膨胀易出现裂纹，而这种侵蚀在150℃以下会明显缓解。

机械磨损是导致铜冷却壁破损的主要原因，炉料因温度上升而膨胀，冷却壁与之接触，产生较大正压力；同时壁体因与高温煤气流直接接触，温度上升超过铜冷却壁最高承受温度，高温下铜冷却壁的力学性能下降，在炉料的冲刷作用下，使得铜冷却壁破坏严重。壁体温度升高后会产生较大的热应力，应力的长期积累使铜冷却壁热面形成微小裂纹，使铜的力学性能进一步下降，变得更软，更易产生弯曲变形。若铜冷却壁固定方式的不合理或者定位销螺栓损坏，铜冷却壁水管周围则会产生裂纹，进而导致冷却壁漏水。

高炉炉腰、炉腹及炉身下部工作环境恶劣，既承受着高温的煤气流和熔融渣铁流的冲刷，又承受着高强度的热冲击，特别是随着近年我国高炉大喷煤工艺不断发展，导致热流强度进一步提高。因此，对高炉炉体冷却壁的抗热、抗磨性能提出更高的要求，选择合理的冷却壁材质和结构显得尤为必要。

在20世纪末球墨铸铁冷却壁因其机械强度可达400MPa~450MPa，伸长率可达18%~20%，常用于高炉炉腹、炉腰及炉身下部等高热负荷区域。随着冷却壁制造技术的不断发展，国内大部分高炉高热负荷区逐渐采用铜冷却壁结构。

对比我国高炉高热负荷区常用的铸铁冷却壁与铜冷却壁来看，铜冷却壁正常承受热流强度为75.47kW/m²，30min内可承受最大热流强度为384.33kW/m²，而铸铁冷却壁仅为70kW/m²。铜冷却壁允许工作温度为150℃，虽然铸铁冷却壁的允许工作温度为600℃，但铜冷却壁短时峰值热流强度可达300kW/m²以上甚至更高，因此其壁体实际最高温度与允许最高温度之比不超过0.65，而铸铁冷却壁为0.8~0.9，因此铜冷却壁能承受较高的热流冲击。虽然铸铁冷却壁在无渣皮保护时耐磨性能更加优异，但对于高热负荷区而言，冷却壁抗高热负荷能力更为重要，因此综合考虑在该区域采用铜冷却壁更为适用。

目前，新型铜钢复合冷却壁在高炉高热负荷区域得到了应用。铜钢复合冷却壁采用爆炸焊接工艺将TU2纯铜板和Q235钢板焊接在一起，冷却壁热面的铜和冷却壁冷面的钢分别保证了冷却壁的高导热性和高温环境不易挠度变形的特性。就铜钢复合冷却壁导热性能和力学性能来说，可应用于高炉高热负荷区。对比铜冷却壁与铜钢复合冷却壁，铜冷却壁抗拉强度为200MPa~250MPa，热传效率为78400W，在部分铜被钢代替后，冷却壁的抗拉强度提升至311MPa，传热效率变为77486W，因此铜钢复合冷却壁可以在保证传热效率的同时，大幅提升抗拉强度。因此综合考虑抗拉能力与传热能力，铜钢复合冷却壁较之铜冷却壁表现更为优异。

另外，一些高炉没有采用传统的全冷却壁方案，而是采用冷却板与冷却壁结合的方案。板壁结合冷却结构就单纯的冷却壁结构而言，不仅弥补了冷却壁不宜更换的缺点，而且起到了强化耐火材料结构稳定性与稳定渣皮的作用，较适用于高热负荷区。韩国现代唐津1#、2#高炉风口区以上至炉腹下部采用铜冷却板，炉腹上部、炉腰和炉身下部采用铜冷却壁，有效解决了风口与炉腹交界连接问题；国内柳钢在炉腰和炉身下部采用板壁结合方式，亦取得了良好的应用效果。

综上，高热负荷区冷却壁优先选取铜钢复合冷却壁或板壁结合方式，其次选取铜冷却壁。

铜冷却壁是我国现阶段高热负荷区应用最多的冷却壁类型，在不进行更换成铜钢复合冷却壁和板壁结合方式时，可采用以下措施进行炉体冷却壁优化。

（1）制备安装优化

冷却壁的质量是决定其使用性能的先天性因素，因此严格控制冷却壁的生产制造及安装过程是高炉高效长寿运行的基础。

铜冷却壁制作应严格依据相应的制作标准。铜冷却壁一般以高纯度、高致密度的TU2无氧铜轧制铜板为原料，控制含氧量在0.003%以内，防止富余的氧与铜结合，减少“氢病”现象的发生。同时在制作过程中可适当使用热喷涂表面处理工艺，提高铜冷却壁的耐高温、耐磨和耐腐蚀性能，减少磨损。

在安装冷却壁时考虑采用固定销固定，螺栓留有一定余量，并将挂螺栓孔改成长方型或椭圆形，同时控制安装过程中固定点、浮动点及滑动点的分布，保护套管与炉壳及冷却壁间的孔隙分别用硅橡胶圈压实和快干密封胶填充，上下层水管用软连接方式进行连接。

（2）设计优化

式中：Y—均匀分布载荷下简支梁最大挠度，mm；

q—均匀分布载荷值，N/mm；

l—简支梁长度，mm；

E—简支梁材料的弹性模量，N/mm²；

I—简支梁材料的截面惯性距，mm⁴。

根据上述公式可知冷却壁长度较长、挠度越大，受高温热应力就越明显，冷却壁两端翘曲变形问题也会随着严重。参考马钢2#高炉2016年冷却壁破损状况，在设计冷却壁时，可适当减短冷却壁长度，如沙钢5800m³高炉炉腹部位长度为3.4m的冷却壁可以改为两段设计，每段长1.7m。

燕尾槽角度及缝隙大小等会明显影响冷却壁的受热膨胀，参考梅钢4号高炉2016年冷却壁破损状况，可以将冷却壁燕尾槽向上倾斜14°，铜冷却壁缝隙改为30mm，并用背部压浆方式填充缝隙。

如图5所示，为改善炉型拐点处冷却壁极易受到上升煤气流和下降渣铁流的冲刷问题，位于炉腹和风口带衔接处的冷却壁可采用凸台设计，控制凸台高度不超过350mm，将进水管包覆在内，同时在凸台部位和本体过渡区域增加圆角过渡，从而有效阻止高温煤气流烧损水管。

为应对我国高炉不断向薄壁炉型转变的趋势，可以通过减少燕尾槽深度和冷却通道的加工偏差，将冷却壁的厚度减薄到105mm，同时将冷却壁设计为复合孔型，较之常用的圆孔型，这种孔型冷却壁既提供了更强的冷却能力，又减少了冷却壁的制作费用。

高炉炉缸热流密度相对高热负荷区来说较小，高炉炉况顺行时，热流密度保持在12kW/m²左右，故炉缸冷却壁抗热能力较炉体冷却壁要求相对较低。

本次计算假设涂层厚度为0，且忽略碳砖、捣打料、冷却壁、气隙、涂层、炉壳相互之间的接触热阻、砖缝热阻、冷却水管内表面与水对流换热热阻、水垢热阻、水管管壁导热热阻及炉壳与外界对流换热热阻。

式中：q—炉缸热流密度，W/m²；

T1、T2—炉缸侧壁碳砖与高炉铁水分界线温度、炉壳温度，℃；

δ1、δ2、δ3、δ4、δ5—分别为碳砖厚度、捣打料厚度、冷却壁厚度、气隙厚度及炉壳厚度，m；

λ1、λ2、λ3、λ4、λ5—分别为碳砖导热系数、捣打料导热系数、冷却壁导热系数、气隙导热系数及炉壳导热系数，W/（m·K）。

将表2数据代入上述公式，得出冷却壁导热系数λ3为35.1W/（m·K）。因铸铁冷却壁和铜冷却壁导热系数分别为40W/（m·K）和380W/（m·K），故铸铁冷却壁即可满足炉缸传热过程中的冷却需求。在炉缸炭砖完整时，铸铁冷却壁和铜冷却壁对温度场影响较小；当炭砖被侵蚀到一定厚度时，影响逐步明显，但炭砖热面凝结层厚度两者相差不大。并且，炉缸区域采用冷却壁的主要目的是为了形成“自保护”渣铁壳，防止炉缸内衬的“过热”，综合考虑以上因素，一般选取铸铁冷却壁即可。但由于出铁过程铁口区域热负荷最大，故铁口四周可考虑选取铜冷却壁，起到加强冷却的作用。

铸铁冷却壁是我国现阶段炉缸区域应用最多且最适宜的冷却壁。为取得较好的冷却效果，铸铁冷却壁表面积需达到1.0以上，因此在设计圆形水管冷却壁时，尽可能使铸铁冷却壁的水管尺寸达到Φ76×6mm和Φ80×6mm，水管间距达到238mm和251mm，这两种规格的水管与常见的Φ60×6mm和Φ70×6mm水管相比，水头数量和阻损要小；在设计椭圆形水管冷却壁时（冷却壁铸体之外的水管为圆形水管，仅在铸入壁体部分为椭圆形），需控制短长轴之比在0.4～0.5之间，用以保证合理的冷却水进出口压力差、流动阻力以及壁面热应力，从而保证更好的冷却效果。

铸铁冷却壁边缘位置因无冷却水流过，冷却能力要弱于中心位置，若炉缸部位冷却能力不足，会造成或加剧象脚型侵蚀。因此在进行冷却壁安装时，应避免两块冷却壁交界位置处于象脚区域，使整块冷却壁的中心对准象脚区域；同时可加大象脚区域冷却壁尺寸，从而起到加强冷却的效果。

通过比较分析冷却壁材质、结构差异及高炉各区域的热流载荷，结合我国高炉冷却壁现存问题及传热计算模型，得出以下结论：

（1）为提高冷却器在炉腰、炉腹及炉身下部的使用寿命，优先选取铜钢复合冷却壁或板壁结合方式冷却结构，其次选取铜冷却壁。铸铁冷却壁用于较高热负荷区域对现场操作提出更高的要求时。

（2）两块冷却壁交界处冷却能力较差，保证炉缸“象脚”区域对应完整的一块冷却壁，有利于该区域的均匀冷却。

（3）炉缸部位铸铁冷却壁比表面积应保持在1.0以上。经计算，炉缸区域使用铸铁冷却壁已经能够满足炉缸部位的正常冷却。