一、研究的背景和問題
高爐作為煉鐵生產的核心設備，在高效低能耗生產中占據無可替代的地位。中國是世界上高爐數量最多的國家，目前在役高爐近千座，承擔著全球主要的鐵產量。然而，高爐煉鐵長流程依然是中國鋼鐵工業(yè)的主體生產方式，特別是在未來很長一段時間內仍將處于主導地位。如何保障高爐的安全長壽運行，尤其是占據主力的中型高爐，成為提升高爐生產水平和降低綜合生產成本的關鍵問題之一。高爐的爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域因承受極高的熱流密度和機械負荷，是高爐安全長壽運行的限制性環(huán)節(jié)之一。針對這一高熱負荷區(qū)域，目前普遍采用銅冷卻壁以提高其耐久性。然而，高爐銅冷卻壁的實際使用壽命通常在5至7年之間，與高爐整體壽命15年以上的目標相比仍有較大差距，這嚴重制約了高爐的安全穩(wěn)定運行。此外，近年來國內外發(fā)生的多起高爐爐體及爐缸燒穿事故，造成了巨大的經濟損失和安全隱患，對高爐生產提出了更高的安全性要求。銅冷卻壁以其優(yōu)異的導熱性能和抗熱流沖擊能力成為高爐爐腹、爐腰及爐身下部區(qū)域的主要冷卻設備。與傳統的球墨鑄鐵冷卻壁相比，銅冷卻壁內部冷卻水管通過精密鉆孔加工制造，無需高熱阻涂層和氣隙，傳熱性能顯著提高；同時，純銅材料的導熱系數是鑄鐵或鑄鋼的9至14倍，滿足了高熱負荷區(qū)域對冷卻效率的苛刻要求。然而，由于高爐運行環(huán)境惡劣，銅冷卻壁在國內的應用并不理想，普遍面臨磨損、燒損、水管開裂等問題，嚴重影響了其長壽化應用。這些問題主要源于高爐爐況不穩(wěn)引發(fā)的渣皮脫落現象。當渣皮脫落后，銅冷卻壁直接暴露在高溫高壓環(huán)境中，表面溫度迅速升高，導致熱應力和熱形變劇烈增加。這種惡性循環(huán)進一步削弱了銅冷卻壁的抗疲勞性能，加速了其疲勞破損和裂縫擴展。國內多家鋼鐵企業(yè)（如TI鋼、A鋼、XI鋼、BE鋼等）均出現銅冷卻壁大批量損壞的現象，尤其集中在爐腰和爐身下部區(qū)域，平均使用壽命僅為5至7年，遠未達到預期。
二、解決問題的思路與技術方案
針對中型高爐普遍存在的銅冷卻壁破損嚴重，制約高爐強化冶煉和指標提升的問題，提出了基于高爐爐料自適應爐型理論的銅冷卻壁長壽解決方案。該技術以延長銅冷卻壁使用壽命為原則，基于高爐銅冷卻壁破損特征及破損機理，建立高爐爐料自適應爐型理論體系，通過高爐銅冷卻壁優(yōu)化設計、高爐銅冷卻壁長壽操作優(yōu)化、建立高爐銅冷卻壁剩余壽命監(jiān)測模型，最終實現中型高爐銅冷卻壁長壽服役。
圖1項目研究技術路線
在這一背景下，江蘇沙鋼鋼鐵有限公司與北京科技大學展開合作，針對中型高爐銅冷卻壁長壽問題開展了系統研究。從理論分析、設計優(yōu)化、操作控制和在線監(jiān)控等多方面入手，提出了一整套銅冷卻壁長壽化技術解決方案。通過對銅冷卻壁破損原因的深入解析，在以下幾個方面制定了一系列技術方案：（1）理論研究：深入解析了高熱負荷區(qū)域銅冷卻壁的熱應力和熱疲勞行為，明晰銅冷卻壁磨損破損機理，提出相應的理論體系，為銅冷卻壁的長壽應用提供了理論依據。（2）設計優(yōu)化：優(yōu)化高爐爐型、銅冷卻壁壁體結構、安裝方式等，使設計方式更適合中型高爐的生產操作模式。（3）操作制度優(yōu)化：基于以上理論體系，研發(fā)針對中型高爐的操作優(yōu)化制度。（4）在線監(jiān)控與維護：建立高精度的冷卻壁剩余厚度預測算法，為冷卻壁的安全高效應用和預防性維護提供了技術支持。
三、主要創(chuàng)新性成果
江蘇沙鋼鋼鐵集團聯合北京科技大學，針對中型高爐銅冷卻壁過早破損及使用壽命低于預期的難題，開展了系統性技術攻關。圍繞高爐銅冷卻壁破損機理、爐型結構優(yōu)化、冷卻壁設計改進、操作標準制定以及冷卻壁檢測技術等方面展開深入研究，最終實現了中型高爐銅冷卻壁服役壽命延長至18年，顯著提高了其穩(wěn)定性和可靠性，形成了一整套具有自主知識產權的中型高爐銅冷卻壁安全長壽技術，性能指標與國內外同類對比：
表1 本項目技術先進性對比
1、構建了高爐爐料自適應爐型理論體系：探明了高爐銅冷卻壁破損的宏觀特征與磨損的微觀特征，明確了爐料磨損是導致銅冷卻壁破損的關鍵因素；提出了基于顆粒力學的銅冷卻壁破損機理，闡明了爐料在高溫高應力條件下對冷卻壁的破壞機制；提出了能夠適應爐料膨脹特性的高爐自適應爐型理論體系，為優(yōu)化爐型設計和冷卻壁使用壽命提供了科學依據。
圖2 朗肯應力狀態(tài)劃分：（a）朗肯主動態(tài)；（b）朗肯被動態(tài)；（c）高爐應力狀態(tài)劃分
通過理論計算，發(fā)現銅冷卻壁長壽的關鍵在于爐型接受爐料膨脹的能力。高爐對爐料膨脹或收縮的適應性與高爐設計爐型及爐料的基礎性能有關。高爐任一橫截面直徑與爐腰直徑減去爐喉直徑（（爐腰直徑減去爐缸直徑）的比值，定義為爐型自適應指數，表征爐型可接受爐料的膨脹（收縮）程度即爐身膨脹率和爐腹收縮率。本項目提出的爐料自適應爐型理論，即通過優(yōu)化爐型設計，提供爐料足夠的膨脹空間，減少爐料對爐墻造成巨大的應力，延長銅冷卻壁的使用壽命。
2、形成了中型高爐長壽銅冷卻壁設計體系：提出了爐腰體積占比12%~14%的合理爐型結構，優(yōu)化了爐腰與爐身下部區(qū)域的受力與溫度分布；創(chuàng)新設計了交互式銅冷卻壁結構，顯著改善冷卻壁的溫度場分布，降低了局部熱負荷；研發(fā)了強化銅冷卻壁傳熱性能的技術，創(chuàng)新性采用“薄鑄鐵冷卻壁+厚搗打料”組合結構，有效減少爐身上部的散熱損失，同時促進爐料的均勻加熱。其中創(chuàng)新設計包括：
① 基于高爐爐腰體積占比的爐型優(yōu)化技術
增大爐腰體積可增加爐料的膨脹空間，減小爐料膨脹對爐墻的壓力，有利于銅冷卻壁的長壽。增大爐腰體積可通過兩種途徑，一是增加爐腰高度；二是減小爐腹角，增加爐腰直徑。
② 交互式銅冷卻壁優(yōu)化設計技術
本項目發(fā)明了交互式銅冷卻壁，如圖3（b）所示。在銅冷卻壁的側面各設計一個凸臺，使相鄰兩塊銅冷卻壁貼合度更高，減少了由連接處搗打料的厚度。
圖3 銅冷卻壁設計示意圖：（a）無側凸臺銅冷卻壁；（b）交互式銅冷卻壁
沙鋼2680m3高爐采用了上述交互式銅冷卻壁的設計方法，減輕了圓周方向上相鄰兩塊銅冷卻壁縫隙處的傳熱偏差。交互式銅冷卻壁實物如圖3所示。
圖4 冷卻壁熱面溫度場分布：（a）無側凸臺銅冷卻壁；（b）交互式銅冷卻壁
本項目對兩種銅冷卻壁設計分別進行了模擬計算，如圖4所示。交互式銅冷卻壁相鄰區(qū)域具有更低的溫度，相鄰區(qū)域的溫度由原來的高于700°C降低至540°C。
③ 橢圓形定位銷孔
沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁對定位銷孔進行設計優(yōu)化。定位銷孔設計為橢圓形。橢圓形設計使得銅冷卻壁受熱延伸時存在自由滑動空間，減少銅冷卻壁向爐內凸起變形，引起銅冷卻壁熱面磨損。
④ 銅冷卻壁傳熱性能優(yōu)化技術
本項目提出了減薄爐身上部冷卻壁厚度，增加搗打料厚度的設計方法，可以減弱爐身上部的冷卻強度，防止邊緣煤氣流溫度過低，使爐料充分的干燥和預熱。本項目建立了鑄鐵冷卻壁、搗打料和爐殼傳熱模型，分別對厚、薄兩種不同的冷卻壁類型的溫度場分布進行了模擬計算，計算結果如圖5所示。
圖5 鑄鐵冷卻壁優(yōu)化冷卻技術
因此，高爐在采取一串到底的設計時，即使爐身上部的冷卻水量不變，由于填料層的增厚，爐體散失的熱量減少，使得爐身上部的冷卻強度降低，有助于提高邊緣煤氣流的溫度，使爐料充分的干燥和預熱，避免軟熔帶根部過低。
4、建立了適合中型高爐銅冷卻壁的長壽操作標準：基于自適應爐型理論體系，研發(fā)了針對中型高爐的操作優(yōu)化標準，重點對高爐煤氣流分布、軟熔帶位置以及死焦堆尺寸進行精準調控；提出了高爐渣皮厚度控制標準，通過優(yōu)化操作條件將渣皮厚度穩(wěn)定控制在30~50mm范圍內，增強了銅冷卻壁的安全長壽高溫服役效果，延緩了銅冷卻壁的磨損進程。創(chuàng)新技術包括:
①中型高爐下部操作制度優(yōu)化技術
爐活躍區(qū)的比例和死焦堆大小息息相關，減小死焦堆的體積、提高高爐活躍區(qū)比例是銅冷卻壁長壽的關鍵。本項目提出了新型風口回旋區(qū)長度DR可用經驗公式計算:
回旋區(qū)占比：
式中E——鼓風動能，kg·m/s；VoT——風口的鼓風風速，m/s；Pc——噴煤量，kg/h；g——重力加速度，m/s；dpc——裝入焦炭的平均粒度，m；d——爐缸直徑，m；L伸——風口伸入長度，m。
沙鋼2680m3高爐和國內同級別高爐相比，焦炭的硫含量偏高，熱強度和冷強度一般，風溫偏低，但風口伸入爐內的長度達到了490mm，遠高于國內同級別高爐，為增加高爐活躍區(qū)占比創(chuàng)造了良好的基礎，由此計算出高爐的回旋區(qū)深度為2.1m，爐缸活躍區(qū)占比為63%，不但爐缸活躍性較好，而且在爐腹、爐腰和爐身下部為爐料膨脹提供了充足的膨脹空間，為高爐的穩(wěn)定順行和銅冷卻壁的長壽創(chuàng)造了良好的條件。
② 中型高爐上部操作制度優(yōu)化技術
基于爐料膨脹（收縮）自適應爐型理論，爐料的膨脹和收縮需和爐型變化一致，高爐的爐腹是爐型開始收縮的部位，爐料進入爐腹時體積也應達到收縮狀態(tài)，否則高爐冶煉空間縮小，爐料對于爐墻的應力大幅升高，造成渣皮的不穩(wěn)定。因此，高爐在操作時應避免軟熔帶根部位置過低，爐料進入爐腹時，絕大多數鐵料應處于熔化狀態(tài)，使爐料收縮和爐型收縮相匹配。通過開發(fā)高爐合理的上部制度優(yōu)化技術，使爐料的體積變化和爐型相一致，減小爐料對爐墻的應力，穩(wěn)定渣皮。
基于上述布料模型，研究了不同中心加焦量時高爐的料面形狀及料層分布，如圖6所示。中心加焦量達到35%時，高爐的中心無礦區(qū)較大，中心漏斗淺，中心氣流過分發(fā)展，邊緣負荷較重；中心加焦量減少為25%時，中心無礦區(qū)明顯減小，漏斗加深，邊緣負荷減輕；中心加焦量減少至20%，中心無礦區(qū)略有減小，但漏斗深度增加較多，中心氣流得到了明顯改善，邊緣負荷減輕。
圖6 中心加焦量不同時料面形狀
4、開發(fā)了銅冷卻壁剩余壽命監(jiān)控系統：明確了受力大小、磨損速率、服役時長和環(huán)境溫度等因素對銅冷卻壁磨損量及磨損速率的影響規(guī)律；研發(fā)了高爐銅冷卻壁剩余壽命可視化監(jiān)控模型，實現了冷卻壁厚度的動態(tài)監(jiān)測與壽命預測；建立了一套高精度的剩余厚度預測算法，預測準確率達到85%以上，為冷卻壁的安全高效應用和預防性維護提供了技術支持。
四、應用情況及效益
銅冷卻壁安全長壽技術，對于維護高爐安全生產，低碳發(fā)展具有十分重要的意義。通過對沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁長壽的研究，成果在沙鋼3座2680m3高爐應用，使銅冷卻壁的壽命達到了18年，部分達到了23年，而且全爐役周期無噴涂、無破損，極大地保障了高爐的安全生產。
表2 沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁使用情況
圖7 國內外高爐銅冷卻壁使用壽命對比
圖8 沙鋼2680m3高爐銅冷卻壁停爐后形貌
信息來源：江蘇沙鋼集團公司
