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1、?高炉用铸铜冷却壁?标准编制说明送审稿根据工业和信息化部工信厅科2021163号文件“工业和信息化部办公厅关于印发2021年第三批行业标准制修订方案的通知的要求，由武汉钢铁集团公司牵头负责起草?高炉用铸铜冷却壁?行业标准，工程方案号2021-1654T-YB。为此撰写了?高炉用铸铜冷却壁?行业标准的编制说明。一、工作简要过程，任务来源、主要参加单位和工作组成员等；本标准的起草任务来自铁厂的生产实际，接到上述任务书后，起草单位成立了标准制定工作组，主要参加单位由武钢重工集团、武汉理工大学、武钢研究院、炼铁厂用户组成，工作组成员涉及的技术专业分别为冶金机械、铸造、热处理、机械设计、钢铁冶金。根据任
2、务要求确定了各组员的分工、标准编制的原那么和指导思想，讨论了编制大纲和工作方案。工作组召开了屡次会议，认真研究、部署该标准征求意见稿的起草工作，经过标准制定工作组成员的辛勤工作，经过了小组内部的屡次论证、审核，于2021年06月完成了行业标准征求意见稿的起草工作。二、标准化对象简要情况及制订标准的原那么1. 标准化对象简要情况 1产品主要品种、产量及生产厂家；铸铜冷却壁主要产品包括预埋合金管、预埋铜管铸铜冷却壁。预埋管的截面形状可能为圆管和扁管。 2产品主要用途及质量情况。铸铜冷却壁主要用于炼铁高炉的冷却，已用于武钢4#、5#、7#、8#高炉、沙钢2500m高炉、山钢集团日照基地1#5100m
3、3高炉的大修和高炉工程，安装后的铸铜冷却壁使用效果较好，完全满足高炉正常工作需求。 2. 制订标准的原那么1制订标准的依据或理由；2021年公布的?高炉炼铁工艺设计标准?GB50427-2021中规定：高炉一代炉役的工作年限应到达15年以上。在高炉一代炉役期间，单位高炉容积的产铁量应到达或大于1万吨。铜冷却壁的导热性好，冷却壁体温度均匀，外表工作温度很低，一旦渣皮脱落，也能快速形成稳定的渣皮，淡化了高炉内衬的作用，有利于采用薄壁结构。所以，采用铜冷却壁，对延长高炉寿命有着明显的效果，已经得到国内外炼铁界的普遍认同。在2021年11月适用于以热轧制或锻压加工的紫铜板坯为铜冷却壁本体材料，采用钻孔
4、和焊接等加工方法形成完整水流通道的高炉用铜冷却壁国家标准?铜冷却壁?GB/T 31048-2021已经公布实施。本标准铸铜冷却壁是指通过传统的铸造方法来生产铜冷却壁。在浇铸前先在型腔内预埋合金管或者铜管，随后将高温铜液浇入型腔后成型，在保证铜液与预埋水管冶金熔合良好或紧密接触的情况下，可以根本消除空气层间隙，保证铸铜冷却壁的导热能力。尽管相较于轧制铜冷却壁而言，铸铜冷却壁的导热率略低，但是，仍然远高于现在普遍使用的铸铁、铸钢冷却壁，而且采用传统的铸造成型方法生产的铸铜冷却壁相比轧制铜冷却壁和连铸铜冷却壁拥有许多优点，具体表现如下： 结构灵活。轧制铜冷却壁的中的冷却水通道在转弯处呈直角，由于工艺
5、的特性较难圆滑过度，产生的阻力损失大。而铸铜冷却壁解决了冷却水通道圆滑过渡和死区等结构缺陷，灵活的铸造工艺可以在冷却壁本体中预埋各种复杂形状的冷却水管，因此能够最大发挥铜冷却壁的冷却能力。 平安性能好。铜冷却壁本体内的水管是预先埋入型腔，随后直接浇注成型，而轧制铜冷却壁那么需要加封堵头与外焊冷却水管，这种结构使得轧制铜冷却壁在使用过程中容易发生漏水等平安事故，因此铸铜冷却壁的平安性能更好。 本钱低。铸铜冷却壁采用传统的铸造方法成型，这决定了其本钱低于其它铜冷却壁的成型方法，并且可以一次性成型。铸件成型后可直接使用，减少了大量的加工工艺，极大的降低了生产本钱。武钢重工与武汉理工大学等单位合作，自
6、2005年开始在国内率先实施了自主创新工程“高炉用铸铜冷却壁的成套制备技术及应用创新研究，所研发生产的铸铜冷却壁已在武钢5#、7#等高炉上使用多年，收到了较好的效果，相关技术也日臻完善。但是，至今尚未有国家、行业或地方标准，给企业和用户造成很多困扰。由于没有一个专门技术标准或技术条件作保证，极易出现产品质量问题，也制约了铸铜冷却壁的推广应用，因此，针对性的制订一个适合我国国情的完整的?高炉用铸铜冷却壁?的技术标准，进而完善上升至国家标准，以满足生产使用企业要求是十分必要的。2制订标准的原那么。本标准是按照?标准编写规那么 第一局部：术语?和?标准化工作导那么 第二局部：标准化标准性技术要素内容
7、确实定方法?的要求，制定了高炉用铸铜冷却壁的标准。本标准各项技术指标确实定主要依据市场的需求和高炉冷却壁的实际使用情况。三、采用国际标准和国外先进标准的工程，应当详细地说明采用该标准的目的、意义，标准程度及理由，我国标准同被采用标准、和/或与国际、国外同类标准的主要差异及其原因，或与测试的国外样品的有关数据比照情况等。迄今为止，国内外尚无铸铜冷却壁标准。只有由汕头华兴冶金设备股份等单位起草的?铜冷却壁?GB/T 31048-2021国家标准，适应于以热轧制或锻压加工的紫铜板坯为铜冷却壁本体材料，采用钻孔和焊接等加工方法形成完整水流通道的高炉用铜冷却壁。四、标准主要内容包括牌号、成分、性能指标、
8、型号、各种参数、公式、试验方法、检验规那么等确定的论据包括试验、验证、统计数据等，修订标准时，应列有新旧标准的比照分析。1. 适用范围?高炉用铸铜冷却壁?以下简称 “本标准 规定了高炉用铸铜冷却壁铸入合金管、铸入铜管冷却壁的产品分类、型号标记、技术要求、试验方法、检验规那么、质量证明书、标志、包装及运输等内容。适用于各种容积的炼铁高炉用铸铜冷却壁。2. 型号铸铜冷却壁按其结构形式主要分光面型冷却壁和燕尾槽型冷却壁。假设按铸入冷却水管材质可分为铸入合金管冷却壁和铸入铜管冷却壁。因此，本标准铸铜冷却壁统一用ZTL表示，规定了铸铜冷却壁的产品结构形式和铸入冷却水管的材质，即光面型冷却壁用G表示，燕尾
9、槽型冷却壁用Y表示，铸入合金管用H表示，铸入铜管用T表示。本标准在产品型号中同时规定了产品的安装部位段别和安装序号，用1，2，3，表示。其产品型号标记如下： 1,2,3， 安装序号1,2,3， 安装部位段别H 铸入合金管；T 铸入铜管G 光面型冷却壁；X 燕尾槽型冷却壁ZTL 铸铜冷却壁3. 技术要求本标准起草组根据国内外铸铜冷却壁的技术现状，以及企业多年的实际生产如供货经验、企业标准、试验数据，同时在广泛征求专家、企业意见和试验验证的根底上，经汇总和反复讨论，确定了技术要求。具体如下：1化学成分本标准所述高炉用铸铜冷却壁的本体材质采用铸造纯铜，化学成份应满足本标准规定材质的化学成份。如需方另
10、有要求可协商确定。2力学性能铸铜冷却壁本体材质或附铸基尔试块的力学性能应符合本标准的规定。如需方另有要求可协商确定。取样部位需经需方认可。3热导率或导电率选取力学性能符合标准的试样做热导率的测定，铸铜冷却壁本体或附铸基尔试块材质的热导率应满足本标准的规定要求：26时：热导率240 W/(mK)。铜材热导率与导电率有较好的对应关系，可计算或查近似关系图。对应240 W/(mK)的导电率室温大约为58%IACS。本标准根据实际情况未对材质的金相组织进行强制要求，由供需双方协商确定。如有要求按?铜及铜合金铸件?GB/T 13819-2021规定执行。本铸铜冷却壁外表质量、尺寸公差按高炉冷却壁安装要求
11、确定。清整补焊，按照铸造工艺和铸件的相关规定进行了一般性规定。4. 试验方法本标准对试块的制备、材质化学成分、热导率、产品的力学性能、以及铸铜冷却壁本体与铸入管之间的熔合效果均做了明确规定。化学成分应逐批取样检验，按GB/T 5121相关标准规定进行。拉伸试样的形状和尺寸按GB1176、GB/T 13819的规定制备。拉伸试验按的规定进行。硬度试验按标准规定进行。热导率测定使用激光法，按标准?闪光法测量热扩散系数或导热系数?GB/T 22588-2021规定进行。国内外使用该法测试金属导热系数的观点已经一致。与此同时，由于金属材料的热导率与电导率有良好对应关系，而且工程上利用涡流法测材料导电率
12、简单方便，因此，本标准同时采用利用涡流法测材料导电率，按标准?铜及铜合金导电率涡流检测方法?YB/T 478-2005规定进行。冷却壁外观检查用目视检查。产品完工后应对铜冷却壁冷却通道进行内窥镜检查，不允许存在任何残留物。检查完毕，在冷却水管管端处应加密封盖保护，以防止杂物进入冷却通道内。冷却壁外型尺寸的检查应逐块用外形量规及其它适宜的测量工具测量。冷却水管与冷却壁本体界面结合情况，小批量以解剖模拟试块即预埋管且与冷却壁等厚模拟小铸件，大批量以本体解剖试块的检验结果为判断依据。所有试验方法均以现行标准及要求进行。5. 检验规那么本标准对检验批次的划分做了解释，对材质化学成分、产品力学性能和导热
13、率或导电率的检验，从抽样、取样试验部位到试验结果判定，均做了规定。鉴于目前铸铜冷却壁的生产应用现状，冷却壁本体与铸入冷却水管之间的结合状态以宏观观察本体与铸入水管截面两种金属是否紧密接触进行确定。解剖的冷却壁由供方和需方共同选定。五、主要试验或验证结果的分析、综述报告、技术经济论证，预期的经济效果等。1. 主要试验结果的分析由于各种行业对铸造纯铜技术要求的侧重点不同，铸造紫铜在国内一直没有形成国家或行业标准，直到2021.9.18.发布的GB/T 1176-2021?铸造铜及铜合金?中才列入了99铸造纯铜ZCu99，其中Cu含量(质量分数)99.0%，杂质元素含量(质量分数)P0.07%，Sn
14、0.4%，总和1.0%，与轧制铜和锻铜冷却壁相比，Cu含量明显偏低，这将严重影响冷却壁本体的导热性。因此，有必要对生产的铸铜冷却壁本体材质的主要性能进行试验或验证分析。高炉对冷却壁的要求主要表达在热导率或导电率指标值。国内外广泛使用的轧制铜冷却壁具有较高的导热率。因此，分别在武钢铁厂使用的轧制铜冷却壁和武钢重工生产的铸铜冷却壁本体取样，送湖北省冶金产品质量监督检测站进行了导热率测试和铸铜材质的化学成分分析，结果说明，假设不加Sn，含铜99.5%以上，P、Fe含量较低时，铸铜冷却壁本体材质具有较好的导热性。测试两个试样在温度分别为27、80、150和250时对应的导热率分别可到达、和316.5/
15、331.5 W/(mK)，稍低于轧制铜冷却壁对应温度的导热率值、和362.0/357.1 W/(mK)。考虑到铸造流动性等因素，适当参加小于0.3%Sn。参考?铸造手册-铸造非铁合金?关于铸造紫铜的成分和性能要求和GB/T 1176-2021?铸造铜及铜合金?中ZCu99成分和力学性能要求，结合武钢重工多年的研发生产铸铜冷却壁的经验和高炉对铸铜冷却壁的使用要求，确定了铸铜冷却壁本体的成分和力学性能指标，以重点保证高炉对铸铜冷却壁导热率的要求。由于参加适量Sn会稍降低铜的导热性，同时参考国内外相关资料参考附件2，故对铸铜冷却壁的导热率要求确定为240W/(m.K)。铸铜冷却壁本体力学性能的抗拉强
16、度和屈服强度要求同ZCu99，分别为Rm150MPa，R40MPa；考虑Sn参加量低于ZCu99，并且铸铜冷却壁较大，冷却速度较慢，所以伸长率和硬度值略低于ZCu99，故取A30%和HBW值为30。由于铸铜冷却壁预埋冷却水管与本体之间的结合状态对铸铜冷却壁整体的导热能力的影响较大。所以在制备的埋设铜管铸铜冷却壁的二者界面处截取了导热试样含中间结合层，结果说明，如果熔合包覆良好，在温度为27、80、150和250时对应的导热率分别可到达、和276.7W/(mK)，满足标准要求指标的240 W/(mK)以上。但是，如果熔合包覆不良，界面导热性能将大幅下降，27、80、150和250对应的导热率仅为
17、、和48.6W/(mK)。因此，在满足铸铜件根本质量要求的前提下，适宜的化学成分及良好的界面熔合包覆是铸铜冷却壁的关键因素。查阅铜材热导率与导电率的对应关系资料，可知与热导率240 W/(mK)对应的导电率约为58%IACS。2. 综述报告本标准中所述铸铜冷却壁是指通过预埋冷却水管，采用传统的铸造方法来生产的铜冷却壁。以下主要针对铸铜冷却壁出现的背景、国内外的研究使用现状与进展、武钢铸铜冷却壁的研制和应用等方面进行综合阐述和分析，以利于较全面地认识和了解铸铜冷却壁。1铸铜冷却壁的研制背景冷却壁是高炉重要的冷却设备。国内外大中型钢铁企业的生产情况证明，高炉长寿的关键之一是实现冷却壁的长寿。冷却壁
18、的材质及性能的好坏决定着其工作寿命乃至高炉炉身的寿命。在高炉的炉体下部、炉腹和炉腰等高热负荷、环境恶劣区域，普通的球铁冷却壁和铸钢冷却壁都达不到预期的目的。例如，铸铁冷却壁内部存在空洞，自身性能较差，而且会发生逆生长和珠光体相变的可能性，同时，本体和冷却水管之间存在空气间隙，降低冷却壁的综合传热效果，因此，随着高炉强化熔炼水平的提高，球墨铸铁冷却壁越来越难以满足要求。不能到达冷却和保证高炉的顺行与长寿。铸钢冷却壁虽然本体与冷却水管之间的空气间隙进一步减小甚至没有，本体材质性能也有所提高，但性能提高的并不明显，钢的导热系数随着温度的升高而降低，特别是在高温时，钢和铸铁的导热系数较接近，在高炉的高
19、负荷区域，铸钢冷却壁的整体冷却效果并不理想，不能实现壁体和炉底寿命同步。由于钢液温度高，在浇注、凝固过程中，冷却水管很容易发生变形和熔化穿透，这一难题一直也没有得以有效解决，使铸钢冷却壁未能广泛形成工业规模化生产应用。铜冷却壁的导热性能和冷却能力都远高于铸铁冷却壁和钢冷却壁，是新开发出来的新型冷却设备，作为一种长寿、不易破损且可重复使用的冷却壁，目前，人们对于在高炉炉腹等区域采用铜材质冷却壁已经逐渐达成共识。铜冷却壁应用在高炉上的性能优势具体表达在以下几点：铜的导热系数高。铜的导热能力是铸铁的13倍左右，铜冷却壁在使用过程中总体温度低，温度分布均匀，热应力小。易于结渣。由于铜的导热能力较强，故
20、铜冷却壁的热面温度值较低，利于生成渣皮，对冷却壁具有有效的保护功能。耐热震性能强。在铜冷却壁热面生成的渣皮新旧交替时间为25min左右，能有效降低冷却壁直接受热流冲击的时间。铜的导热性能优良，即使是在无渣皮保护的情况下，直接受到热流冲击，壁体的温度波动范围小，而且，铜的可塑性较强，降低了产生裂纹的可能性。抗热流冲击能力。铜冷却壁热面外表比较光滑，无凹凸不平的洼坑，缩减了铁水对冷却壁的冲刷作用。同时，铜的导热系数高，在350kw/m的高强度热流作用下，仍能保证冷却壁能够平安顺利工作。此外，铜冷却壁在实际使用过程中，也有着优于其他冷却壁的优势：铜冷却壁寿命长，生产稳定。铜冷却壁在使用过程中磨损少，
21、不易损坏，可以保障高炉的长寿。同时，其性能比较稳定，漏水和损坏的可能性小，可实现高炉长时间、高强度的炼铁。设备维护费用低。铜冷却壁在使用过程中磨损小，温度低，温差小，减少了冷却壁产生裂纹和发生破裂的危险，降低设备维护费用。高炉炉型稳定。由于铜冷却壁在使用中磨损较小，高炉不易变形，这对于高炉的稳定操作和炉料的顺利进行非常有帮助。综合投资低。铜冷却壁主要是依靠热面依附在铜面的渣皮工作，减少了耐火材料的投资，同时，也减少了热流对冷却壁的冲刷，大大延长了冷却壁的使用年限，一代冷却壁可以使用1520年，远高于其他材质冷却壁。而且，铜冷却壁性能稳定，使用年限长，无需砌砖，降低本钱。尽管自身制造本钱较高，但
22、从长远利益看，综合投资低。使用寿命长，且可重复使用。铜冷却壁在使用过程中受热流和炉料的冲刷，磨损小，能够长时间高效率的工作，降低大修本钱。因此，铜冷却壁在实际中的应用具有许多优势。如铜冷却壁的使用寿命长于铸铁冷却壁和钢冷却壁，其综合投资本钱相对较少，且使用平安性能高。但是，铜冷却壁也存在着自身的一些缺陷，主要如下：铜的屈服强度低于铸钢和铸铁，且随着温度的升高低降显著。而且，铜冷却壁价格昂贵，制作设计往往较薄，进一步降低了强度。当到达一定温度时，铜的屈服强度下降较快，在应力的驱使下，铜冷却壁极易变形。普通水在铜中易于结垢，导致铜冷却壁丧失其优良的导热性，故冷却介质必须采用软水，水流速度在以上。铜
23、冷却壁对高炉操作要求严格。其热面温度较低，易产生渣皮，假设高炉实际操作不当，将会造成渣皮持久存在并形成结瘤，影响高炉的稳定和顺行。现阶段高炉上普遍采用的是纯铜冷却壁。目前国内外铜冷却壁按其生产工艺有以下三种：轧制铜钻孔冷却壁、连铸铜冷却壁和铸铜冷却壁。轧制铜冷却壁最早是由蒂森公司研制成功的。因为在轧制铜钻孔冷却壁中，轧制成型保证了铜冷却壁的组织更加致密，因此强度和导热性能都得到了保证，使其在国际上得到了大量的应用。冷却水通道是直接机加工出来的，冷却水通道和本体之间不存在气隙层，所以，轧制铜钻孔冷却壁的强度、导热性、致密度都是铜冷却壁中最好的。但是，轧制铜钻孔冷却壁的冷却水管的样式比较单一，冷却
24、水管通道形状不够灵活，不能满足高炉风口和铁口等部位对冷却壁外形的要求，而且，在制作过程中，轧制钻孔冷却壁制造过程中所采用的“焊接、“堵孔工序较为复杂需将工件加热到700800，而且焊接过程中容易引起冷却壁连接处的应力集中，造成连接处的破裂和漏水等缺陷，存在平安隐患，且在制作本钱上加工费用较其他冷却壁高，因此其进一步应用受到限制。连铸铜冷却壁与轧制铜冷却壁相似，其外接的冷却水管都需要焊接到本体上，而本体那么是通过将石墨芯置于结晶器内，然后整体浇铸成型。冷却水管和本体之间也无气隙层，铜的导热性能不会受到影响，但是连铸铜冷却壁的组织为铸造形态，组织粗大，致密性较轧制铜钻孔冷却壁低，而且，在制作过程中
25、，受铸造工艺的影响，冷却壁外表需要进一步机加工才能消除外表褶皱现象。从加工工艺来看，连铸铜冷却壁属于冷却壁的范围，性能比铜冷却板好。荷兰的和卢森堡的PW公司进行合作生产的连铸冷却壁，在5座高炉上已经得到了应用。不过由于通过连铸成型的铜冷却壁其组织不如轧制铜冷却壁致密，导热系数不够高，而且采用连铸工艺，冷却壁外表容易出现折皱，需要进一步加工。铸铜冷却壁是指通过传统的铸造方法来生产铜冷却壁。铸铜冷却壁是将材质以钢管、铜管和铜镍合金管为主的冷却水管预埋于型腔中，浇铸后凝固在本体中，与冷却壁壁体合二为一。由于受到浇铸工艺的影响，冷却水管和冷却壁壁体之间未能完全熔合，可能出现空气层间隙，所以其导热性能比
26、轧制铜冷却壁和连铸铜冷却壁要差。然而铸铜冷却壁在生产工艺上却具有更大的优越性。因为铸铜冷却壁是先将冷却水管预埋于型腔，故冷却水管能灵活多变，能以蛇形等复杂形式出现，可满足高炉各区域对冷却壁外形的要求，而且防止了轧制铜冷却壁的“焊接、“堵头等工艺，降低了壁体漏水的风险。同时，预埋水管在弯角处可圆滑过渡，能防止直角拐角产生的应力集中和死区等结构缺陷。其次，铸造铜冷却壁制造本钱较低，根本上不需要机加工。因此，对于不同的铜冷却壁在高炉上的实际使用效果，业内有不同观点。有些学者认为连铸铜冷却壁晶粒组织较为粗大，内部存有缩松、缩孔等缺陷，致密性和热传导性能较差，轧制铜冷却壁与连铸铜冷却壁相比，组织更加均匀
27、致密，无内应力，导热能力优良，更加适合在高炉恶劣区域中的应用。但也有人认为，轧制铜虽然有着很多其他冷却壁不可比较的优势，但冷却壁在加工工艺上的“焊接、“堵孔等部位容易产生应力集中，会有漏水断裂的危险，这在一定程度上大大降低了冷却壁的寿命，不符合高炉长寿的要求。而铸铜冷却壁在保证铜液与预埋水管冶金熔合或包覆良好的情况下，可以消除空气层间隙，保证铸铜冷却壁的导热能力。采用传统的铸造成型方法生产的铸铜冷却壁相比轧制铜冷却壁和连铸铜冷却壁拥有许多优点，具体表现为：结构灵活。轧制铜冷却壁的中的冷却水通道在转弯处呈直角，由于工艺的特性较难圆滑过度，产生的阻力损失大。而铸铜冷却壁解决了冷却水通道圆滑过渡和死
28、区等结构缺陷，灵活的铸造工艺可以在冷却壁本体中预埋各种复杂形状的冷却水管，因此能够最大发挥铜冷却壁冷却能力。平安性能好。铜冷却壁本体内的水管是预先埋入型腔，随后直接浇注成型，而轧制铜冷却壁那么需要加封堵头与外焊冷却水管，这种结构使得轧制铜冷却壁在使用过程中容易发生漏水等平安事故，因此铸铜冷却壁的平安性能更好。本钱低。铸铜冷却壁采用传统的铸造方法成型，这决定了其本钱低于其它铜冷却壁的成型方法，并且可以一次性成型。铸件成型后可直接使用，减少了大量的加工工艺，极大的降低了生产本钱。总之，铸铜冷却壁以其低廉的生产本钱、简单的生产工艺和灵活多变的适用性更具优势。2国内外铸铜冷却壁的现状与进展自上世纪70
29、年代末，德国MANGHH公司和蒂森公司合作，开始研究和生产铜冷却壁，于1979年成功地开发出利用轧制铜板通过钻孔制成的铜冷却壁，并在汉博恩钢厂的4号高炉中部进行安装测试，试用9年后进行检停发现磨损量仅在热面部位有3mm磨损，依旧状态良好后，蒂森钢铁公司1988年继续进行铜冷却壁的工业性测试，他们在鲁罗尔特厂的6号高炉炉腰部位安装2块铜冷却壁，经检停发现，铜冷却壁完好无损。轧制铜冷却壁优良的导热性能和较长的使用寿命，高炉的寿命预计可达1520年，极大提高了高炉的寿命，在20世纪90年代得到了炼铁界的广泛认可和推广。铜冷却壁的制造本钱相对铸铁冷却壁和铸钢冷却壁较为昂贵，这使得铜冷却壁在中小型高炉上
30、的推广有一定难度。因此，有些学者提出了薄型铜冷却壁的概念，即在保证冷却壁冷却效果的前提下，降低冷却壁的厚度，减少铜的用量，从而降低铜冷却壁的制造本钱，提高其适用性。而据相关数据说明，铜冷却壁在实际使用中不存在外表磨损的现象，这使得薄型铜冷却壁能同时保证传热性和降低生产本钱成为可能。与普通铜冷却壁相比，薄型铜冷却壁外形有很大改变。首先，壁体厚度大大降低，由原来的130150mm减至90mm左右。其次，燕尾槽由以前的横向分布改为沿高度上纵向分布，冷却通道分布在冷却壁的铜肋上，这样减少了冷却水管通道和热面之间的距离，能显著降低冷却壁的最高温度值，进而降低热应力值。此外，薄型冷却壁在相同面积上的用铜量
31、比普通冷却壁减少约30%，大大降低了生产本钱。但是，薄型冷却壁也存在着壁体过薄，抗变形能力较弱等一些弊端，同时，制造工艺难度也有所提高。在国内比较典型的是在2001年，我国引进国外的铜冷却壁，并在武汉钢铁集团公司1号高炉和中国本溪钢铁集团公司的5号高炉进行试用。国内真正对铜冷却壁的自主研发始于20世纪末，由原汕头华兴冶金备件厂率先展开研究。他们成立了完备的实验室，在2000年成功研制出两块铜冷却壁并首次在中国首钢集团公司的2号高炉上试用。并在2001年建立了铜冷却壁专项生产线，为首钢2号高炉生产冷却壁，开创了我国首次利用国产铜冷却壁的先河。到目前为止，铜冷却壁在国内大型高炉上的使用已越来越广泛
32、，但是主要是轧制铜冷却壁。现在由汕头华兴冶金设备股份牵头已制定了适用轧制或锻铜的?铜冷却壁?标准GB/T 31048-2021，并已于2021.10.1.实施。国外对铸造成型的铜冷却壁包括连铸铜冷却壁的研究比较早，并且已经实际应用在高炉上。出于验证铸铜冷却壁的实际应用效果的考虑，1982年，日本NKK公司在福山5号高炉炉身的区域安装了其研制出的连铸铜冷却壁。在正常工作11年后，通过检查发现安装使用的连铸铜冷却壁最大部位的磨损量仅2mm，并且没有出现破裂情况。在此之后，日本NKK公司进一步扩大实验成果，1997年该公司在京浜1号高炉炉腹部位分别安装了铸铁、轧制铜和连铸铜三种成型工艺不同的冷却壁。
33、在随后通过监控冷却壁的温度波动情况发现：温度变化幅度最大的是铸铁冷却壁，其工作温度可到达500的高温，而铸铜冷却壁和轧制铜冷却壁的温度波动非常小，都保持在60左右。这说明： 铸铁冷却壁的使用效果远远不如铜冷却壁； 铸铜冷却壁的冷却效果与轧制铜冷却壁相当，并无明显差异。众所周知，高炉炉腹部位是工况条件非常恶劣的区域，其热流强度可达118kW/m2，最高的部位甚至可以到达250kW/m2。Cours公司的监控测试结果与日本NKK公司的测试结果相一致，连铸铜冷却壁的温度根本保持在60左右，而且在铜冷却壁上的渣皮脱落后，在渣皮重新形成之前，铸铜冷却壁的最高温度也仅有200，21个月后，对铸铜冷却壁进行
34、检查，性能保持良好，未出现破损情况。上述结果说明，在高炉炉腹等工况条件恶劣的区域采用铸铜冷却壁可以满足高炉长寿的要求，到21世纪初，Queen Bess公司已经在5座高炉上安装使用了183块铸铜冷却壁。国内外一些研究单位和企业也对采用传统铸造方法所生产的铸铜冷却壁进行了实验研究和理论分析。下面首先对铸铜冷却壁中预埋冷却水管的材质和形状对其制备及性能的重要影响进行综述，然后对相关理论分析研究进行总结，并对武钢重工研究生产使用铸铜冷却壁的情况进行简要说明。1铸铜冷却壁中预埋冷却水管的材质问题目前国内外铸铜冷却壁中所采用的水管材质有Monel合金管、钢管和铜管等。Monel合金主要成分是Ni和Cu，
35、是镍基耐蚀合金中的Ni-Cu系合金。预埋Monel合金管的铸铜冷却壁由金康力斯公司最早研发并应用高炉上，在使用15年后，并未发现明显的异常情况。研究说明，Monel合金管在浇涛过程中未发生熔管、穿管等现象，与铜冷却壁本体的冶金熔合情况良好，即合金管与本体间不存在空气层间隙。但是，由于Monel合金管的导热性不高，导致埋Monel合金管的铸铜冷却壁的整体导热性能不如轧制铜冷却壁，因此其热面温度比轧制铜冷却壁要高1050，同时由于Monel合金管的价格高，其应用受到了限制。铸铜冷却壁中预埋的合金管主要为低碳钢。国外高炉炼铁实践说明，在短时间内受到强热冲击时，预埋钢管的铸铜冷却壁与轧制铜冷却壁的本体
36、温差不会很大。有日本学者报道研制成功预埋钢管铸铜冷却壁。2004年，武汉钢铁集团研制出了预埋钢管型铸铜冷却壁，并在此后58年将埋钢管铸铜冷却壁应用在了武汉钢铁集团内部的多个高炉的大修上，且为沙钢、山钢等单位大型高炉提供了铸铜冷却壁，使用自今，效果较好。由于在铸铜冷却壁中预埋Monel合金管时，即使其与冷却壁结合良好，合金本身的导热效果也不如铜管，而且生产本钱高，不利于推广。钢的熔点在1500左右，由于铸铜冷却壁在浇注时的温度在1100到1200之间，在这个温度范围内很难保证钢管与冷却壁本体冶金结合良好，容易留下空气间隙层严重影响铜冷却壁的整体导热效果。因此研究预埋铜管的铸铜冷却壁将具有重大的意
37、义。只要保证铜管在浇注过程不发生穿管、熔管等现象，确保铜管与冷却壁本体冶金结合或良好的包覆，就可以在低本钱的情况下最大程度的发挥铜的导热性能，延长冷却壁的寿命。本世纪初，鞍山热能研究院对预埋铜管的铸铜冷却壁生产工艺进行了研究，从理论上对研制埋铜管铸铜冷却壁的可行性进行了全面分析，其制备工艺如下：预埋铜管，使用圆直管经弯压工艺后成铜扁管，合格铜扁管需要经过耐水压测试与X射线探伤。熔炼工艺，熔炼时采用电解铜作为原材料，采用B-Cu合金和P-Cu合金进行脱氧。铸造工艺中浇注系统采用底注式浇注系统。为了保证预埋铜扁管与冷却壁本体的冶金熔合良好，在浇注过程中往铜扁管里通入氮气。该研究院的对铜冷却壁进行了
38、生产验证，结果说明通过正确的铸造工艺，可以使预埋铜扁管与铸铜冷却壁本体实现较好的冶金熔合。2002年，铜陵金昌冶炼厂的局部高炉上也安装使用了铸铜冷却壁，其应用效果也令人满意。因此在铸铜冷却壁当中的水管采用铜管是非常有前景的。2铸铜冷却壁预埋水管的截面形状问题铸铜冷却壁中预埋水管的形状也会在一定程度影响冷却壁的传热性能。目前，国内外学者在研究相关因素对冷却壁温度分布的影响时都以冷却水管为圆管的前提下进行。而德国的Peter Heinrich最早通过相关研究发现，在冷却壁中采用椭圆形冷却水管替代圆管时可以降低高炉运行时冷却水的用量，提高冷却壁中冷却水的换热效率，从而可提高铜冷却壁整体导热性能。同时
39、，国内学者也展开了对冷却壁中冷却水管截面形状优化的研究，并以热模拟为根底，针对相同型号的冷却壁设计了多种不同的冷却水管截面形状，结果说明，在冷却壁中采用椭圆管形状的冷却水管不会提高冷却壁热面的温度，这为冷却壁中冷却水管采用椭圆管建立了理论根底。此外，还有国内学者通过根据传热学原理的理论，结合扁管与圆管的结构差异，等流量和流速的情况下，发现扁管的冷却效果优于圆管。据此可知，铸铜冷却壁中预先埋入水管的材质与水管截面形状对铸铜冷却壁的导热能力有较大的影响。因此，在生产铸铜冷却壁之前，需解决铜冷却壁的材质、水管材质、水管截面形状的选择问题。铸铜冷却壁的冷却能力和长寿问题与冷却壁的材质、性能、埋入水管材
40、质和形状等因素相关，同时铸铜冷却壁具备优良性质的前提是铸铜冷却壁本身无铸造中常见的铸造缺陷、且埋入水管与本体冶金结合及包覆良好。因此，对铸铜冷却壁制备的关键技术进行研究，生产出符合技术要求的铸铜冷却壁就显得至关重要。3冷却壁的传热和应力研究进展冷却壁的传热能力和使用寿命对高炉长寿有重大的影响，而对此问题的研究主要在于冷却壁的传热能力以及冷却壁在服役时的应力和应变变形等方面。由于冷却壁在高炉生产中一直处于工作状态，为了了解冷却壁的实际工作情况，一般是采用在冷却壁上插电偶来监测其工作温度，通过冷却水在进端和出端的温差以及水流量来计算出冷却水带走的热量，进而判断冷却壁的运行情况。但冷却壁在实际工作中
41、运行状况较为复杂，仅按生产经验往往不能准确判断出问题产生原因。只有全面了解冷却壁的温度分布，才能更好的控制各影响因素并采取措施，因此，这确立了传热分析的重要性。冷却壁的热应力分析是利用传热分析的结果，在温度边界条件和应力边界条件同时存在的耦合情况下产生的应力分布和应变变形分布。冷却壁的热应力分析主要用于对冷却壁的破损原因分析、工艺改良和结构改善等。一般高炉的使用年限为10年左右，局部使用铜冷却壁的高炉可以到达1520年。高炉正常工作时，冷却壁一直处于稳定工作状态，温度场不会发生很明显的变化，故在对其进行传热分析时，大多数学者普遍采用稳态传热方式进行研究。基于冷却壁的结构和传热形式较复杂，通常在
42、建模时进行适当简化：忽略耐火砖和壁体，冷却水通道与壁体之间的接触热阻。冷却水的温度、传热系数为常数，不会发生改变。假定在整个分析过程中，炉气均匀分布在冷却壁热面。忽略冷却壁的拐角和曲率。由于传热分析必须要确定传热的边界条件，而冷却壁传热边界条件是由冷却壁的工作环境和传热特点来确定的。因此，除了在对冷却壁建模时适当简化以外，还要对其传热进行适当的一些假设：假设全部冷却壁所处的工作环境和传热特点全都一样，冷却壁四周即相邻两块冷却壁之间不存在传热。在炉气与热面之间、冷却水与冷却水管之间以及炉壳和大气间均采用对流换热，忽略辐射传热。在冷却壁的物理模型创立中，通常是依据冷却壁的研究目的和意义来创立物理模
43、型。对冷却壁的结构优化通常是以未被侵蚀的镶砖和冷却壁本体作为整体来进行研究。故建模时，传热主要受冷却壁的结构和冷却壁的工作参数两个维度的影响，便于冷却壁的结构优化设计。以研究冷却壁在最恶劣的工况下的工作情况为目的，所以，在建立物理模型时，以冷却壁热面外镶砖局部被侵蚀而在燕尾槽中仍保存着镶砖和冷却壁本体作为一个整体为模型，即冷却壁的燕尾槽热面和镶砖剩余局部共同担当整个热面来完成冷却壁与炉气之间的热量传递。由于冷却壁的边界条件和传热过程比较复杂，国内外学者对冷却壁的传热研究均采用有限元分析方法，其分析的结果和冷却壁实际使用情况根本接近。程素森等应用有限元分析方法研究了冷却壁的传热过程，并开发了相应
44、软件，分析结果和实际值相差不大，证实了计算机分析结果的可靠性。采用ANSYS软件，邓凯等分析了铸钢冷却壁的温度分布，并优化冷却壁的结构参数；金宝昌分析了鞍钢高炉冷却壁在不同结构参数下的温度分布，得出最优结构参数。石琳等利用ANSYS软件，在温度场和应力边界条件的耦合情况下分析了冷却壁的应力分布，研究了一种合金水管铸铁冷却壁。结果说明应力分析对工程实际应用的适用性和有效性，为冷却壁的顺利运行提供了理论依据。钱中等利用ANSYS研究了水管水垢厚度、气隙层厚度和炉渣厚度对冷却壁的温度场和应力场的分布的影响。分析结果说明，水垢厚度和气隙层厚度对温度场的影响较为明显，而对冷却壁的应力分布影响不大。对冷却
45、壁热面的渣皮进行的分析说明，水垢厚度和气隙层厚度对温度场的影响较为明显，渣皮存在时，冷却壁的温度场和应力场都较低，起到很好的保护作用。在冷却壁的研制过程中，不仅要考虑冷却壁的传热能力，还要考虑冷却壁的寿命，即冷却壁在使用过程中是否出现变形、裂纹甚至破裂等问题。众多学者在研究冷却壁的时候，采用热结构耦合方法分析冷却壁的温度场和应力场分布较多。吴俐俊等利用ANSYS分析了不同水管截面形状对冷却壁的温度场和应力场分布的影响。计算结果说明：冷却壁的最高温度和最大应力随着椭圆的短轴和长轴之比的变化而变化不大，说明可以由椭圆形管道代替原有的圆形管道，使冷却壁变薄，同时，在一定范围内可以适当缩减椭圆的面积，
46、而不会影响到冷却壁的使用效果，为冷却壁的改良提供了理论依据。总之，国外高炉冷却壁的设计及制造技术开展较快，尤其以日本新日铁为代表在引进前苏联冷却壁制造技术的根底上，经过不断完善和开发，已把高炉一代炉役寿命提高到15年以上。根据技术交流介绍从开发铜冷却壁至今20余年，已经在多达40余座高炉上使用，这说明此项新技术在生产中已经得到了充分的考验。在高炉上试用成功使人们对铜冷却壁有了新的认识，在高炉上的使用也从开始时的一段逐步扩大到3段、5段，甚至更多，从炉身下部扩大到炉腹、炉腰。它现在被广泛使用说明了此项新技术已经被大家所认同。根据有关资料介绍:不莱梅钢铁厂2#高炉(3550m3)，在大修时使用了8
47、段铜冷却壁，除了炉腹、炉腰、炉身各两段外，炉缸还用了两段。其中局部铜冷却壁为上一代使用过的旧铜冷却壁，磨损仅为1mm，经清洗后重新使用。这些情况说明了铜冷却壁已进入普遍推广阶段，使用范围也在扩大，更令人们振奋的是它可以用到第2代炉役上，是一种长寿的冷却设备。由于铜冷却壁不仅具有性能优势，而且在实际引用过程中，可以显著降低炼铁本钱，呈现出极强的应用后劲。随着铜冷却壁的国产化进程的加快，本钱的不断降低和技术的不断成熟，可以预见，铜冷却壁在我国的使用，特别是在大型高炉上的使用将会不断加快。由于铸铜冷却壁的独特优势，随着其制备技术的日臻成熟，其应用将会日益扩大。3武钢集团铸铜冷却壁的研制和应用目前，铜
48、冷却壁通常使用纯铜制造，其制造工艺主要有以下三种：轧制铜板坯钻孔冷却壁、使用芯棒的连铸冷却壁和埋设铜管、铜合金管和钢管的铸铜冷却壁。1用轧制铜板坯制造。冷却水通道是在轧制铜板坯中用深冲钻钻孔成型的，然后焊上水管而成，所以说它的材质强度更高、更致密、导热性更好。但它的加工费用较高。此法使用最广，工艺也最成熟。2用连铸法制造。冷却水通道在连铸时直接铸造成型，与冷却壁之间不存在隔层，连铸铜冷却壁中也不存在气泡。因这种铜冷却壁未经轧制，致密性较差，所以其导热系数较钻孔铜冷却壁低。此外，这种制造工艺易使冷却壁外表容易出现折皱，需作加工处理后才能保证外表质量。3用铸造法制造。冷却水管是铸造在冷却壁中的，这种方法可以省铜，降低制造本钱。由于工艺的关系，其导热性比前两种方法要差，不过仍能满足生产要求。目前我国在铜冷却壁制造方面有两种新的工艺正在研究开发阶段。第一种方法是使用芯棒，在类似连铸机的设备上铸出带孔的铜冷却壁主体，芯棒断面设计成