长寿高炉铜冷却壁

杨天钧  程素森    吴启常   佘克事

北京科技大学   北京钢铁设计院  汕头华兴冶金备件厂

摘要 作者已研制成功高炉用纯铜冷却壁并在首钢试用，本文进行了全面的传热学分析，结论是安全有效的。计算的工作参数和国外的设计极为吻合。作者并提出了工业材质与制造工艺的建议和实用方面的考虑。

1999年宜昌炼铁年会，我们论及了高炉整个下部“湿区”应设计成一个大的冰箱^[1]。即把液态的渣和铁能冻结在炉墙的一定范围内。铜冷却壁给高炉围成了一道只有200℃的墙，高炉寿命可达15年以上。亦即至少在冷却壁的热面上能使渣铁有效冻结，而且不使冷却壁热面过热。这冷却壁热面的极限温度对铸铁来说约为650℃，对炉底、炉缸碳砖的热面来说为1100℃，对铜壁来说只有230℃。

在掌握水处理技术的基础上(使用不结垢、无腐蚀的冷却水)，人们自然把目光集中在铜冷却壁的使用。目前世界铜壁高炉迅速增加到30座以上，铜壁在高炉上由只用两带增加到3～4带。铜壁安全吗?怎么制造?用什么材料?铜壁合算吗?按我们的研究和制造经验作如下的分析。

一 铜冷却壁的传热学分析

冷却壁的传热学分析方法和模型，我们已多次介绍^[2][3][4]，不再详述。我们用以计算分析的铜壁由北京钢铁设计研究总院设计。本体总厚度135mm，镶砖厚度35mm，镶砖面积50％。分析结果见图1，即在不同的炉内气流温度下(实际也是高炉的不同部位)，在铜壁热面裸露于气流中时，热面的最高温度和穿过热面的热流。图2是铜壁上凝有10mm渣皮时热面最高温度和热流。图3则是冷却水自铜壁带走的热量。

基于以上的计算结果，结论十分明确：

(1)在铜壁裸露时，其热面可承受的热流高达240kW／m²，而热面温度还可保持在铜的极限工作温度230℃以下。如果常规铸铁壁测得如此高的热流时，则说明冷却壁本体已烧毁只剩钢管了。

(2)更实际说，铜壁裸露的时间只会是极短的。在极限状态下铜壁热面总会凝有薄层渣皮(按10mm计算)，于是它的热面温度将降到150℃的水平，热流只有上述的1／3(70～80KW／m²)，这是铜件更安全的工作温度。这样的热流水平也使操作人员放心，即铜壁的冷却热损失并不太高，和铸铁壁在同一数量级。以上计算结果也和德国报导数据是一致的。

二 铜冷却壁的材质分析

先看纯铜的机械强度(图4)^[5]。把纯铜的极限工作温度定在230～250℃，经常工作温度定在120～150℃是合理的。国外也是同样意见^[6][7]。

我国生产的纯铜板，按GB5231—85的TU2牌号，无氧铜(杂质总含量≤0．05％)是可满足铜壁制造的。主要是它的P<0．03％，在240℃时导热系数达到370W／m·K以上。至于更高标准如TUl(杂质<0．03％) 对冷却制造是不必要的。当然，考虑在热疲劳的条件下产生“氢脆”也可用其它牌号的国产纯铜，但不宜使用T2、T3和TP2。

生产控制化学成分的中心点是纯铜的磷含量，它和铜的导热性有如图5的关系。

关于纯铜的导热是不容易测的，作为日常生产控制可测其导电率(IACS％)它和导热系数的关系如图6，要求导电率IACS≥75％。

当前对于一些在高温下用水冷工作的铜件，其材质的变化趋势是在纯铜中加入少量的铬或锆等元素。它是用少量降低铜导热系数的办法来提高其机械性能。如用于转炉氧枪喷头、等离子发生器的水冷铜电极等效果良好。实际上这两个性能参数间有个平衡关系，例如，在电热系数降低10％的条件下，提高工作温度150℃是否可行?这在我们的传热学软件上是可以精确计算，从而指导开发的。

也有可能是在纯铜管或铜镍合金管外铸以纯铜，就和铸铁冷却壁内铸钢管一样，起钢筋作用。这也和纯铜加入合金一样，可以适当放宽导热性以获取机械性能的改善。

由研制和实际应用考虑，以上新的材质都可在第二、三期发展。当前还是以纯铜板制造较为成熟，成本也低。

三 冷却壁的制造工艺

铜冷却壁的制造工艺显然是可以多样的。第一类方法是在锻造的纯铜厚板上(镗)深孔，再焊上水管和外界连接。这是最初始的做法，也是目前使用的绝对多数。我们起步也用这最成熟的办法。第一代产品(用于首钢)的水流通道与基准面(热面)的不平行度已小于0．85mm，对于冷却壁是完全可行了。至于焊接技术在风口制造上已长期投入商业使用。图7是显示壁上有8个焊口的冷却壁全图。

第二类方法是使用芯棒，在类似连铸机的设备上铸出带孔的冷却壁主体。当然，芯棒可以是椭圆断面，这在传热学性能上又会有提高。从开始开发阶段，这办法似乎麻烦了一点，而必要性并不大。可是由发展看，有利于大量生产。

第三类方法是如前所述即铸铜件内铸铜管或铜镍合金管，这同样是可开发的工艺。当然，铸铜可能会比锻造有较多的质量缺陷，但例如可用压铸等办法提高铸铜件的密度。

后两类方法是可以分别到第二、三期开发。

四 极限温度的自动保护

我们也必需承认我国现行高炉操作的不规范性。因而可能产生边缘气流的过分发展造成铜壁过热的可能性。在我们生产的铜壁上可以加装有效的过热报警，也可自动去提高布料流槽的角度，从而极迅速不受人为因素的影响去抑制冷却壁过热，给高炉长寿一个极限保护。当然，敏感元件只能是“焊”在壁体上，而不是“塞”在壁体上的。这个系统已开发成功。

五 铜壁成本

一吨铜壁比一吨铸铁壁贵。这是人们讨论铜壁的最直接的考虑。实际上应该考虑我们有用的是多少平方米冷却壁，而不是多少吨冷却壁。买际上，一吨铜壁的面积比常规铸铁壁至少大一倍，于是铜壁就相对便宜了。估计我们铜壁的制造成本当在6．5—7．0万元／吨上下。如鞍钢大高炉用两带日式宝钢产铸铁冷却壁或铜壁，则价格几乎相近。何况铜壁的这笔投资比耐材投资对高炉长寿的利益就大多了。

六 结论

(1)对铜壁的可靠性计算与国产化可行性研究业已完成，这是高炉长寿的关键技术。

(2)开发铜壁的第一期工作，宜首先试制纯铜板孔，并焊接的冷却壁，即最成熟的技术。将来，二、三期开发可试用不同的材质和制造工艺，如合金铜材和铸造工艺。

(3)我国TU2牌号(GB5231—85)纯铜或类似的含P≤0．03％的纯铜板是目前适用的国产化材料。