創新材料與工藝，助力高爐長壽

文/高妍 毛艷玲

一代材料，一代裝備。這句話不僅適合航空航天、軍事等高端制造業，同樣適用于現代基礎工業。

對于高爐煉鐵企業來說，高爐壽命關乎企業效益與長遠發展，而影響高爐壽命的關鍵設備是冷卻壁。冷卻壁的材質與制造工藝的迭代升級，對延長高爐壽命至關重要。

高爐不同冷卻部位，有不同的冷卻需求，需要不同材質。高爐的冷卻壁材質主要有銅冷卻壁和鑄鐵冷卻壁兩類。銅冷卻壁多用于熱負荷較高的爐腹、爐腰和爐身下部區域，鑄鐵冷卻壁則多用于爐缸區域。但它們在生產使用中存在要么導熱系數低、制造困難，要么抗變形性能差等問題。高爐大型化、高效化的發展，對高爐冷卻設備提出了新的挑戰。

發展能夠有效延長高爐高熱負荷區壽命的高導熱、抗變形冷卻壁，越來越成為行業亟需。

為此，北京科技大學張建良教授帶領團隊與河北萬豐冶金備件有限公司深度合作，根據行業發展要求及冶金冷卻設備工作可靠、長壽、環保的要求，聯合研制開發出了具有自主知識產權的爆炸焊接銅鋼復合冷卻壁生產技術，實現了冷卻壁生產工藝的重大突破，填補了國內空白。

作為煉鐵新技術科研團隊負責人，張建良帶領一只由校內老、中、青教師和一些國內知名煉鐵專家作為顧問的科研隊伍，先后主持或參與了國內外科研項目130余項，在煉鐵新技術、新工藝以及過程優化研究等領域積累了豐碩的成果與經驗。銅鋼復合冷卻壁的開發與應用，便是其團隊所取得的諸多創新型成果之一。

張建良介紹，銅鋼冷卻壁區別于以往的單純鑄鋼或純銅冷卻壁，創新性的采用無氧銅和鋼兩種材料，利用爆炸焊接技術進行復合，冷卻壁壁體前熱面部分是銅，保證冷卻壁的傳熱能力；壁體水道后部分采用鋼結構，保證冷卻壁在高溫度環境下不發生撓度變形。如此，便能夠同時發揮出銅的高導熱性能和鋼的高強度性能。

他們如何做到？

首先，選擇優質母材。

經過反復試驗，他們最終選定了TU1無氧銅板材和Q345R低合金高強鋼板材為母材。在高溫、高壓等條件下，銅與鋼兩種母材在結合界面處產生塑性變、原子擴散等，相互之間緊密結合形成一種新型復合材料。由于復合板是由不同材料復合而成的，與組成其的單一材料相比，在實際生產中，能充分發揮其組成材料的物理化學、力學和耐腐蝕等性能，即具有優異的綜合性能。

其次，創新性的采用爆炸焊接技術。

這是整個工藝流程的核心環節。這種專門用于制造金屬包覆材料的技術，適合焊接異種金屬。爆炸焊接技術能夠在冷卻壁冷面整體復合一定厚度的特制耐熱鍋爐鋼板，使銅材與鋼板之間形成良好的結合界面，利用高強鋼提高冷卻壁的抗變形能力。

同時，采用爆炸焊接技術，利用其瞬間的高能量使銅材和鋼板實現良好的冶金結合，形成明顯的波狀界面，能夠大幅度提高兩種材料的結合強度。一般情況下，銅鋼結合界面的拉伸強度、剪切強度等力學性能介于基材和覆材之間，通過參數控制可實現界面的性能優于銅和鋼。

再次，通過爆炸焊接技術復合在一起的銅鋼復合板，經充分冷卻后，再進行超聲波探傷、水道加工、熱處理、水壓測試、成品驗收及加工等一系列后續處理，最終得到銅鋼復合冷卻壁成品。

銅鋼復合冷卻壁的冷卻壁熱面為高純銅材質，充分利用純銅的高導熱性能，保持銅冷卻壁的熱面溫度較低，低于其蠕變溫度。與鑄鋼、鑄鐵冷卻壁相比，銅鋼復合冷卻壁由于復合冷卻壁熱面應用了導熱率很高的銅材，冷卻壁壁體溫度較低，有利于冷卻壁長壽。同時，較低的壁體溫度使得其變形量小于純鑄鋼或鑄鐵冷卻壁。與傳統純銅冷卻壁相比，二者壁體溫度大致相當，但由于復合冷卻壁冷面鋼材對銅變形的限制作用，冷卻壁整體變形量較小。

值得一提的是，銅鋼復合冷卻壁最大的特點，是減少了銅材的使用比例，大幅降低了原料成本，同時，由于冷卻壁抗變形能力提高，彎曲變形情況減少，可有效延長冷卻壁壽命，減少高爐中修次數，可大幅節約運行成本和維護費用。

這一新開發的銅鋼復合冷卻壁，能夠充分發揮銅的高導熱性能和鋼的高強度性能，并且節約大量的金屬銅，降低冷卻壁制造成本，具有很好的經濟效益和廣泛的應用范圍，同時也符合建設資源節約型社會的發展方向。而采用爆炸焊接工藝生產的銅鋼復合冷卻壁質量穩定可靠，可以使高爐冷卻系統運行更加穩定可靠，給鋼鐵企業設備運行創造良好的條件。

如今，該技術生產出的銅鋼復合冷卻壁已獲得廣泛推廣應用，取得了很好的經濟效益和社會效益。

2007年，宣鋼1號300m3高爐進行了銅鋼復合冷卻壁工業試驗，在爐腹區安裝兩段銅鋼復合冷卻壁，前后共運行34個月。

運行期間，1號高爐爐腹煤氣溫度為1440℃，兩段銅鋼復合冷卻壁壁體溫度波動區間分別為40℃～65℃和50℃～75℃，進出水溫差保持在4.5℃～7.5℃之間，冷卻水量為7～8h/t，流速約為1.5m/s。圖1是從宣鋼1號300m3高爐取下的銅鋼復合冷卻壁，可以看出冷卻壁受熱面棱角分明，完好無損，說明該冷卻壁冷卻效果良好，達到了理想的掛渣效果。

圖1 宣鋼300m3高爐拆下的銅鋼復合冷卻壁

到目前為止，銅鋼復合冷卻壁已先后在宣鋼1#300m3高爐、包鋼2#1780m3高爐、承鋼4#2500m3高爐、首鋼京唐2#5500m3高爐、邯鋼7#2000m3高爐、安鋼1#2200m3等高爐上推廣應用，其中承鋼2座2500m3高爐爐腰、爐腹及爐身下部四段共180塊冷卻壁全部使用銅鋼復合冷卻壁。應用幾年來，爐況穩定順行，冷卻壁熱電偶溫度及熱流強度長期維持在正常水平，實現了連續平穩運行，冷卻壁零損壞。

同時，該技術在經濟效益上也表現強力。以一座2500m3高爐采用銅鋼復合冷卻壁為例，它的中修即可節約銅材0.7t，折合直接節約投資成本630萬元。更重要的是，銅鋼復合冷卻壁使用壽命為12年，可減少高爐中修次數1次約1430萬元。

“我國現有容積1000m3以上高爐400余座，按每年10%的中修率進行估算，每年有1000m3以上高爐約40座需要中修。若銅鋼復合冷卻壁按20%的普及率估算，則創造的經濟效益約為16480萬元。”

“冷卻壁的損壞除與冷卻壁本身的性能有關外，受高爐操作及原燃料影響較大，尤其是渣皮質量，因此，保證較好的原燃料質量和穩定的高爐操作，使冷卻壁表面形成穩定的渣皮是延長冷卻壁壽命的關鍵。”張建良強調。

優質、高產、低耗、長壽，已經成為高爐生產的發展方向。未來，張建良將帶領團隊繼續攻關，研發出更多更優質的材料與更契合生產實際的創新工藝。