一、研究的背景和问题
高炉作为炼铁生产的核心设备，在高效低能耗生产中占据无可替代的地位。中国是世界上高炉数量最多的国家，目前在役高炉近千座，承担着全球主要的铁产量。然而，高炉炼铁长流程依然是中国钢铁工业的主体生产方式，特别是在未来很长一段时间内仍将处于主导地位。如何保障高炉的安全长寿运行，尤其是占据主力的中型高炉，成为提升高炉生产水平和降低综合生产成本的关键问题之一。高炉的炉腹、炉腰及炉身下部区域因承受极高的热流密度和机械负荷，是高炉安全长寿运行的限制性环节之一。针对这一高热负荷区域，目前普遍采用铜冷却壁以提高其耐久性。然而，高炉铜冷却壁的实际使用寿命通常在5至7年之间，与高炉整体寿命15年以上的目标相比仍有较大差距，这严重制约了高炉的安全稳定运行。此外，近年来国内外发生的多起高炉炉体及炉缸烧穿事故，造成了巨大的经济损失和安全隐患，对高炉生产提出了更高的安全性要求。铜冷却壁以其优异的导热性能和抗热流冲击能力成为高炉炉腹、炉腰及炉身下部区域的主要冷却设备。与传统的球墨铸铁冷却壁相比，铜冷却壁内部冷却水管通过精密钻孔加工制造，无需高热阻涂层和气隙，传热性能显著提高；同时，纯铜材料的导热系数是铸铁或铸钢的9至14倍，满足了高热负荷区域对冷却效率的苛刻要求。然而，由于高炉运行环境恶劣，铜冷却壁在国内的应用并不理想，普遍面临磨损、烧损、水管开裂等问题，严重影响了其长寿化应用。这些问题主要源于高炉炉况不稳引发的渣皮脱落现象。当渣皮脱落后，铜冷却壁直接暴露在高温高压环境中，表面温度迅速升高，导致热应力和热形变剧烈增加。这种恶性循环进一步削弱了铜冷却壁的抗疲劳性能，加速了其疲劳破损和裂缝扩展。国内多家钢铁企业（如TI钢、A钢、XI钢、BE钢等）均出现铜冷却壁大批量损坏的现象，尤其集中在炉腰和炉身下部区域，平均使用寿命仅为5至7年，远未达到预期。
二、解决问题的思路与技术方案
针对中型高炉普遍存在的铜冷却壁破损严重，制约高炉强化冶炼和指标提升的问题，提出了基于高炉炉料自适应炉型理论的铜冷却壁长寿解决方案。该技术以延长铜冷却壁使用寿命为原则，基于高炉铜冷却壁破损特征及破损机理，建立高炉炉料自适应炉型理论体系，通过高炉铜冷却壁优化设计、高炉铜冷却壁长寿操作优化、建立高炉铜冷却壁剩余寿命监测模型，最终实现中型高炉铜冷却壁长寿服役。
图1项目研究技术路线
在这一背景下，江苏沙钢钢铁有限公司与北京科技大学展开合作，针对中型高炉铜冷却壁长寿问题开展了系统研究。从理论分析、设计优化、操作控制和在线监控等多方面入手，提出了一整套铜冷却壁长寿化技术解决方案。通过对铜冷却壁破损原因的深入解析，在以下几个方面制定了一系列技术方案：（1）理论研究：深入解析了高热负荷区域铜冷却壁的热应力和热疲劳行为，明晰铜冷却壁磨损破损机理，提出相应的理论体系，为铜冷却壁的长寿应用提供了理论依据。（2）设计优化：优化高炉炉型、铜冷却壁壁体结构、安装方式等，使设计方式更适合中型高炉的生产操作模式。（3）操作制度优化：基于以上理论体系，研发针对中型高炉的操作优化制度。（4）在线监控与维护：建立高精度的冷却壁剩余厚度预测算法，为冷却壁的安全高效应用和预防性维护提供了技术支持。
三、主要创新性成果
江苏沙钢钢铁集团联合北京科技大学，针对中型高炉铜冷却壁过早破损及使用寿命低于预期的难题，开展了系统性技术攻关。围绕高炉铜冷却壁破损机理、炉型结构优化、冷却壁设计改进、操作标准制定以及冷却壁检测技术等方面展开深入研究，最终实现了中型高炉铜冷却壁服役寿命延长至18年，显著提高了其稳定性和可靠性，形成了一整套具有自主知识产权的中型高炉铜冷却壁安全长寿技术，性能指标与国内外同类对比：
表1 本项目技术先进性对比
1、构建了高炉炉料自适应炉型理论体系：探明了高炉铜冷却壁破损的宏观特征与磨损的微观特征，明确了炉料磨损是导致铜冷却壁破损的关键因素；提出了基于颗粒力学的铜冷却壁破损机理，阐明了炉料在高温高应力条件下对冷却壁的破坏机制；提出了能够适应炉料膨胀特性的高炉自适应炉型理论体系，为优化炉型设计和冷却壁使用寿命提供了科学依据。
图2 朗肯应力状态划分：（a）朗肯主动态；（b）朗肯被动态；（c）高炉应力状态划分
通过理论计算，发现铜冷却壁长寿的关键在于炉型接受炉料膨胀的能力。高炉对炉料膨胀或收缩的适应性与高炉设计炉型及炉料的基础性能有关。高炉任一横截面直径与炉腰直径减去炉喉直径（（炉腰直径减去炉缸直径）的比值，定义为炉型自适应指数，表征炉型可接受炉料的膨胀（收缩）程度即炉身膨胀率和炉腹收缩率。本项目提出的炉料自适应炉型理论，即通过优化炉型设计，提供炉料足够的膨胀空间，减少炉料对炉墙造成巨大的应力，延长铜冷却壁的使用寿命。
2、形成了中型高炉长寿铜冷却壁设计体系：提出了炉腰体积占比12%~14%的合理炉型结构，优化了炉腰与炉身下部区域的受力与温度分布；创新设计了交互式铜冷却壁结构，显著改善冷却壁的温度场分布，降低了局部热负荷；研发了强化铜冷却壁传热性能的技术，创新性采用“薄铸铁冷却壁+厚捣打料”组合结构，有效减少炉身上部的散热损失，同时促进炉料的均匀加热。其中创新设计包括：
① 基于高炉炉腰体积占比的炉型优化技术
增大炉腰体积可增加炉料的膨胀空间，减小炉料膨胀对炉墙的压力，有利于铜冷却壁的长寿。增大炉腰体积可通过两种途径，一是增加炉腰高度；二是减小炉腹角，增加炉腰直径。
② 交互式铜冷却壁优化设计技术
本项目发明了交互式铜冷却壁，如图3（b）所示。在铜冷却壁的侧面各设计一个凸台，使相邻两块铜冷却壁贴合度更高，减少了由连接处捣打料的厚度。
图3 铜冷却壁设计示意图：（a）无侧凸台铜冷却壁；（b）交互式铜冷却壁
沙钢2680m3高炉采用了上述交互式铜冷却壁的设计方法，减轻了圆周方向上相邻两块铜冷却壁缝隙处的传热偏差。交互式铜冷却壁实物如图3所示。
图4 冷却壁热面温度场分布：（a）无侧凸台铜冷却壁；（b）交互式铜冷却壁
本项目对两种铜冷却壁设计分别进行了模拟计算，如图4所示。交互式铜冷却壁相邻区域具有更低的温度，相邻区域的温度由原来的高于700°C降低至540°C。
③ 椭圆形定位销孔
沙钢2680m3高炉铜冷却壁对定位销孔进行设计优化。定位销孔设计为椭圆形。椭圆形设计使得铜冷却壁受热延伸时存在自由滑动空间，减少铜冷却壁向炉内凸起变形，引起铜冷却壁热面磨损。
④ 铜冷却壁传热性能优化技术
本项目提出了减薄炉身上部冷却壁厚度，增加捣打料厚度的设计方法，可以减弱炉身上部的冷却强度，防止边缘煤气流温度过低，使炉料充分的干燥和预热。本项目建立了铸铁冷却壁、捣打料和炉壳传热模型，分别对厚、薄两种不同的冷却壁类型的温度场分布进行了模拟计算，计算结果如图5所示。
图5 铸铁冷却壁优化冷却技术
因此，高炉在采取一串到底的设计时，即使炉身上部的冷却水量不变，由于填料层的增厚，炉体散失的热量减少，使得炉身上部的冷却强度降低，有助于提高边缘煤气流的温度，使炉料充分的干燥和预热，避免软熔带根部过低。
4、建立了适合中型高炉铜冷却壁的长寿操作标准：基于自适应炉型理论体系，研发了针对中型高炉的操作优化标准，重点对高炉煤气流分布、软熔带位置以及死焦堆尺寸进行精准调控；提出了高炉渣皮厚度控制标准，通过优化操作条件将渣皮厚度稳定控制在30~50mm范围内，增强了铜冷却壁的安全长寿高温服役效果，延缓了铜冷却壁的磨损进程。创新技术包括:
①中型高炉下部操作制度优化技术
炉活跃区的比例和死焦堆大小息息相关，减小死焦堆的体积、提高高炉活跃区比例是铜冷却壁长寿的关键。本项目提出了新型风口回旋区长度DR可用经验公式计算:
回旋区占比：
式中E——鼓风动能，kg·m/s；VoT——风口的鼓风风速，m/s；Pc——喷煤量，kg/h；g——重力加速度，m/s；dpc——装入焦炭的平均粒度，m；d——炉缸直径，m；L伸——风口伸入长度，m。
沙钢2680m3高炉和国内同级别高炉相比，焦炭的硫含量偏高，热强度和冷强度一般，风温偏低，但风口伸入炉内的长度达到了490mm，远高于国内同级别高炉，为增加高炉活跃区占比创造了良好的基础，由此计算出高炉的回旋区深度为2.1m，炉缸活跃区占比为63%，不但炉缸活跃性较好，而且在炉腹、炉腰和炉身下部为炉料膨胀提供了充足的膨胀空间，为高炉的稳定顺行和铜冷却壁的长寿创造了良好的条件。
② 中型高炉上部操作制度优化技术
基于炉料膨胀（收缩）自适应炉型理论，炉料的膨胀和收缩需和炉型变化一致，高炉的炉腹是炉型开始收缩的部位，炉料进入炉腹时体积也应达到收缩状态，否则高炉冶炼空间缩小，炉料对于炉墙的应力大幅升高，造成渣皮的不稳定。因此，高炉在操作时应避免软熔带根部位置过低，炉料进入炉腹时，绝大多数铁料应处于熔化状态，使炉料收缩和炉型收缩相匹配。通过开发高炉合理的上部制度优化技术，使炉料的体积变化和炉型相一致，减小炉料对炉墙的应力，稳定渣皮。
基于上述布料模型，研究了不同中心加焦量时高炉的料面形状及料层分布，如图6所示。中心加焦量达到35%时，高炉的中心无矿区较大，中心漏斗浅，中心气流过分发展，边缘负荷较重；中心加焦量减少为25%时，中心无矿区明显减小，漏斗加深，边缘负荷减轻；中心加焦量减少至20%，中心无矿区略有减小，但漏斗深度增加较多，中心气流得到了明显改善，边缘负荷减轻。
图6 中心加焦量不同时料面形状
4、开发了铜冷却壁剩余寿命监控系统：明确了受力大小、磨损速率、服役时长和环境温度等因素对铜冷却壁磨损量及磨损速率的影响规律；研发了高炉铜冷却壁剩余寿命可视化监控模型，实现了冷却壁厚度的动态监测与寿命预测；建立了一套高精度的剩余厚度预测算法，预测准确率达到85%以上，为冷却壁的安全高效应用和预防性维护提供了技术支持。
四、应用情况及效益
铜冷却壁安全长寿技术，对于维护高炉安全生产，低碳发展具有十分重要的意义。通过对沙钢2680m3高炉铜冷却壁长寿的研究，成果在沙钢3座2680m3高炉应用，使铜冷却壁的寿命达到了18年，部分达到了23年，而且全炉役周期无喷涂、无破损，极大地保障了高炉的安全生产。
表2 沙钢2680m3高炉铜冷却壁使用情况
图7 国内外高炉铜冷却壁使用寿命对比
图8 沙钢2680m3高炉铜冷却壁停炉后形貌
信息来源：江苏沙钢集团公司
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