基本介紹
- 中文名：銅冷卻壁
- 外文名：Copper stave
- 學科 ： 冶金工程
- 領域 ：冶煉
簡介,分類,發展過程,破損機理,損壞原因,技術優點,廣泛套用,
簡介
銅冷卻壁能夠延長爐體使用壽命的關鍵在於能迅速形成“渣皮”，當“渣皮”脫落後，銅冷卻壁大約13min左右就可形成新的“渣皮”保護層，但托磚能力差，只能採用薄壁爐襯結構。由於各企業高爐的原燃料條件和操作制度的差異，即使按操作爐型設計爐型完全相同的高爐，在實際生產中形成的操作爐型卻是不同的。所以，對爐況的穩定順行有不利影響，對於容積大於3000m的大型高爐，由於原燃料條件比較好，中心氣流比較發展，爐型對爐況順行的影響表現不明顯。而爐型對中、小高爐的影響就比較明顯，由於銅冷卻壁的冷卻強度大，在爐況波動、成渣帶區域高度發生變化時，還容易造成局部結厚，影響爐況的順行。與此同時，銅冷卻壁與“渣皮”的結合能力低，當“渣皮”達到一定厚度時，容易發生脫落。“渣皮”脫落進入爐缸高溫區域後，降低了爐缸的溫度，導致爐缸的渣鐵溫度大幅度降低，造成爐況大涼。如果處理不及時又發生灌渣，還會發生爐缸凍結。
另外，大高爐雖然在高熱負荷區域（爐腹、爐腰和爐身下部第一代）使用銅冷卻壁，但爐身下部第一代冷卻壁以上仍然採用球墨鑄鐵冷卻壁。由於球墨鑄鐵冷卻壁使用壽命不能與銅冷卻壁同步，因此，開爐3～4年後還需要進行維修。
分類
國內外採用的銅冷卻壁主要有以下三類：
（1）壓延（軋制或鍛壓）銅板冷卻壁。銅冷卻壁結構（如圖1所示），採用軋制或鍛壓厚銅板鑽圓孔焊接而成，含銅量不低於99.90%。由於這種銅冷卻壁的水流通道是鑽圓孔加工而成的，不存在間隙熱阻，導熱性能良好。
圖1 壓延銅板冷卻壁（2）連鑄板坯銅冷卻壁。這種銅冷卻壁用含銅量99.9%的連鑄銅板坯制射槓造。冷卻通道為扁圓形並在連鑄過程潤影紋中成型。冷卻壁本體與冷卻水管焊接成一整體。連鑄銅板坯未經軋制，其緻密性比軋制銅板差，冷卻通道有效的冷卻表面積增加，冷卻效果獲得了束臘境一定程度的補償，並且冷卻壁可以做得薄一些。
（3）鑄銅冷卻壁。完全用鑄造方法製造。鑄銅冷卻壁又由鑄入的管材不同分為三種：鑄入Monel管（鎳64%～69%，銅26%～32%和少量錳、鐵）、鋼管或純銅管形成冷卻通道。
上述三類銅冷卻壁都能滿足高爐冷卻的要求，可以按照高爐不同部位和結構的要求選用。例如冷卻水管的形狀比較複雜的情況，鑄造銅冷卻壁能更適合要求。在銅冷卻壁中，壓延（軋制或鍛壓）銅板冷卻壁的使用較廣泛。
發展過程
銅冷卻壁技術的研究和使用最早起源於歐洲。20世紀70年代末，由德國A司最早研製成功，1978年開始在高爐上進行試驗。最初僅在高爐爐身下部裝了一塊進行試驗，經1年試用後拆下，發現銅冷卻壁無裂紋，表面僅磨損1mm，而相鄰的鑄鐵冷卻壁已出現裂紋，損壞相對嚴重，試驗取得成功。1979年，在B公司4號高爐（2100m）的爐身下部安裝了2塊軋制銅板鑽孔而成的銅冷卻壁進行工業性試驗。從1979年8月到1988年7月，歷時9年，停凶煮良巴爐後發現銅冷卻壁狀態良好，無裂紋且保留著原有的稜角。銅冷卻壁熱面肋高（60mm）侵蝕最多處僅為3mm（銅冷卻壁壁體厚度為135mm），而與其相鄰的鑄鐵冷卻壁都出現大量的裂紋和嚴重的損壞，有的鑄鐵冷蘭市蜜故卻壁本體已局部剝落、水管裸露。銅冷卻壁年平均最大磨損率僅為0.3mm，其理論壽命已遠遠超過人們所期待的30～50年。20世紀90年代開始在歐美國家推廣套用，據不完全統計，國外已有100多座高爐安裝了銅冷卻壁，其設計壽命均大於15年以上。
我國的銅冷卻壁研發始於20世紀90年代，並確立為國家“九五”重大科技攻關項目，建立了完善的實驗室。採用軋制銅板鑽孔製造工藝研製的2塊銅冷卻壁最早在C公司2號高爐爐腰區域（第7段）進行工業性試驗（如圖2所示），從1999年12月到2000年12月，經1年實踐證主故雅實，銅冷卻壁溫度場分布均勻，工作正常，停爐後發現銅冷卻壁狀態良好，試驗取得初步成功。2001年D公司1號、E公司5號高爐從國外引進銅冷卻壁。
圖2 C公司2號高爐銅冷卻壁安裝示意圖2002年C公司2號高爐大修改造時，在爐腹、爐腰和爐身下部採用了3段共120塊軋制鑽孔銅冷卻壁，這是我國首次採用自主設計製造的銅冷卻壁，標誌著國產銅冷卻壁正式投入工業化套用，開創了國產銅冷卻壁工業化套用的新局面。在此之後的10餘年，國內新建或大修改造的近200座高爐市付灶相繼採用國產銅冷卻壁，使銅冷卻壁技術在我國高爐上得到廣泛的推廣套用，僅有少數高爐的銅冷卻壁由國外引進。國產銅冷卻壁已大部分替代了進口產品，其製造質量和技術性能達到甚至超過了國外產品，而且在國外的高爐上也得到了推廣套用。銅冷卻壁技術的開發研製成功，極大地促進了我國高爐長壽技術的發展，也帶動了設計、裝備製造等行業的技術進步，形成了一整套擁有自主智慧財產權的技術成果和技術標準，這些成功的經驗彌足珍貴，值得深入總結。
破損機理
安裝在高爐內的熱面裸露的鑄銅冷卻壁，其熱變形趨勢及變形幅度不僅與壁體溫度分布有關，還與壁體邊緣接觸壓力有關。在溫度不變的條件下，當壁體邊緣接觸壓力小於50MPa時，鑄銅冷卻壁向熱面凸起，形成“弓形”。當壁體邊緣接觸壓力大於50MPa時，受邊界約束的限制，冷卻壁向冷麵凸起，形成向冷麵凸起的“弓形”。
高爐冷卻壁的熱應力與壁體的溫度分布以及壁體邊緣接觸壓力有關。在溫度不變的條件下，邊緣接觸壓力越小，壁體所受的熱應力就越小。在邊緣接觸壓力相同的條件下，爐溫越高，壁體熱應力越大。對於裸露的鑄銅冷卻壁，當煤氣溫度為1153℃、邊緣接觸壓力小於100MPa時，鑄銅冷卻壁壁體熱應力小於純銅的抗拉強度，所以，鑄銅冷卻壁在高熱負荷下工作不會產生疲勞裂紋；對於裸露的合金化管鑄鐵冷卻壁，當高爐內煤氣溫度超過913℃、邊緣接觸壓力為10MPa時，壁體熱面熱應力已經進入屈服狀態，熱面在高於屈服點的交變載荷下工作，裂紋極易產生和擴展，從而導致冷卻壁破損。這是鑄鐵冷卻壁容易破損的主要原因。
高爐冷卻壁的熱應力與壁體的溫度分布以及壁體邊緣接觸壓力有關。在溫度不變的條件下，邊緣接觸壓力越小，壁體所受的熱應力就越小。在邊緣接觸壓力相同的條件下，爐溫越高，壁體熱應力越大。對於裸露的鑄銅冷卻壁，當爐溫1153℃、邊緣接觸壓力小於100MPa時，鑄銅冷卻壁壁體熱應力小於純銅的抗拉強度，所以，鑄銅冷卻壁在高熱負荷下工作不會產生疲勞裂紋。
損壞原因
從理論上講，銅冷卻壁應該具有很長的壽命，可是國內外使用銅冷卻壁卻不夠理想。歸結起來，在使用中，發現了銅冷卻壁進出水管焊縫開裂、熱面本體磨損、熔損和變形等問題。
（1）銅冷卻壁進出水管焊縫開裂
銅冷卻壁進出水管焊縫開裂的原因是製造質量和製造及安裝誤差造成。由於銅的導熱性很好，如果焊接預熱和焊接電流控制不當，只將水管熔接，而銅冷卻壁本體熔接深度不夠，進出水管與本體沒有可靠地焊在一起，將造成焊縫脫焊。如果在安裝時，沒有保證爐殼與進出水管之間的間隙，當高爐生產時，由於熱負荷波動，造成銅冷卻壁的熱脹冷縮，而進出水管缺少位移的餘地，造成焊縫反覆交變應力而損壞、漏水。
（2）銅冷卻壁的磨損
在爐腹、爐腰和爐身下部，銅冷卻壁具有較強的冷卻能力，理應形成穩定的渣皮保護。在爐內氣體溫度相同的條件下，鑄鐵冷卻壁的熱面溫度較銅冷卻壁高許多，容易損壞。可是，過去厚壁高爐爐腹部位的鑄鐵冷卻壁很少損壞，風口帶冷卻壁幾乎沒有燒損的情況。而爐腹、爐腰和爐身下部的銅冷卻壁都有磨損的情況出現，以及風口帶鑄鐵冷卻壁也發生燒損，因此，損壞機理還需研究，以便尋求對策。
（3）銅冷卻壁的熱變形
對於銅冷卻壁的變形，曾經進行了長度L=3000mm銅冷卻壁的熱態試驗，試驗按無約束狀態（所有工作螺栓不固定）和有約束狀態（所有工作螺栓固定）進行，試驗結果表明：
①無論是在無約束狀態和有約束狀態下，銅冷卻壁的冷麵所有變形都是正值，它與銅冷卻壁在高爐實際工況狀態下的變形情況是相符的；
②在固定螺栓約束範圍外的變形值比約束範圍內大；
③一次升溫引起的變形值很小，但是，如果多次升溫其變形值有積累的現象。這是由於溫度應力引起不可逆的塑性變形所致。按積累的變形值推算，適當控制冷卻壁長度，在一代爐役壽命期間，熱變形不至於影響銅冷卻壁的正常工作。
儘管軋制銅板冷卻壁可以承受強大的熱流強度衝擊而不損壞，但如果出現頻繁的渣皮脫落，溫度變化引起的變形積累對銅冷卻壁是不利的。
國內某高爐採用進口連鑄銅冷卻壁，由於設計長度達到4m，在爐內渣皮生成脫落的作用下，產生熱變形，不僅水管焊縫被拉開，而且螺栓也從冷卻壁中拔出，導致冷卻壁失效。高爐生產了約8年半將兩段長冷卻壁改為4段較短的冷卻壁。因此銅冷卻壁的長度應該適當控制。
技術優點
進入二十一世紀，銅冷卻壁技術得到迅猛發展，世界上已有近200座高爐採用了銅冷卻壁，主要套用在爐腹、爐腰和爐身下部。採用銅冷卻壁的高爐越來越多，大幅度提高了高爐壽命，其先進性毋庸置疑。銅冷卻壁以其一系列優異的技術性能，更易實現長壽高爐爐體無過熱的設計要求。在高爐爐腰、爐腹及爐身下部的高熱負荷區域，銅冷卻壁已經成功取代鑄鐵冷卻壁，並取得顯著的套用效果。銅冷卻壁的技術優勢主要體現於：
（1）高導熱性能。銅的導熱性能是鑄鐵的10倍左右（如表1所示），銅冷卻壁綜合導熱能力是鑄鐵冷卻壁的40～45倍，由於銅冷卻壁具有很高的導熱性能，容易形成“無過熱”冷卻體系，可以使液態熔渣穩固地黏結在冷卻壁熱面，從而形成穩定的保護性渣皮，穩定的渣皮無疑是銅冷卻壁最好的保護層。
表1 鋼、銅、鑄鐵的物理和熱學性能比較（2）抗熱震性能優異。銅冷卻壁熱面能形成穩定的渣皮，渣皮脫落和重新生成的周期相應減少，這使冷卻壁熱疲勞得到抑制。首鋼2號高爐的實踐證明，銅冷卻壁熱面的渣皮脫落以後，壁體熱面溫度可以在9min內就能達到最高溫度170℃，再過11min新的渣皮就可以完全形成，銅冷卻壁壁體溫度恢復到正常的50～60℃，整個渣皮重新生成的周期約20min，而鑄鐵冷卻壁則需要數小時才能完成渣皮的重建。
（3）耐高熱流衝擊性能好。銅冷卻壁具有很高的導熱性能，使得壁體實際最高溫度與允許最高溫度之比不到0.65，而鑄鐵冷卻壁此值高達0.8～0.9。因此，銅冷卻壁能夠承受更高的熱流衝擊。銅冷卻壁正常承受熱流強度為75.47 kW·m，短期內（30min）可承受最大熱流強度為384.33kW·m。
（4）熱流損失小。黏結在銅冷卻壁熱面的渣皮導熱係數很低，約1.0～1.2W/（m·K），穩定的渣皮具有很高的熱阻，採用銅冷卻壁後，高爐的熱量損失較鑄鐵冷卻壁小。另外，在高熱負荷區域採用銅冷卻壁以後，在同等條件下，冷卻水量較鑄鐵冷卻壁可以減少20%～40%，這也使得熱量損失相應減少。
表2 銅冷卻壁與鑄鐵冷卻壁特性比較（5）耐火材料投資降低。由於銅冷卻壁的表面能夠形成一層相對穩定的渣皮，具有自保護作用，形成動態的永久性內襯，這樣銅冷卻壁可以避免在高溫條件下工作（相對於鑄鐵冷卻壁而言），所以銅冷卻壁一般不必砌築較厚的磚襯，甚至可以採用90～150mm的鑲磚或噴塗料取代傳統的磚襯結構，成為真正意義上的薄壁內襯結構，也無需採用高檔耐火材料，這樣可以節省價格昂貴的耐火材料投資。
（6）硬度低、晶相組織緻密，加工性能優良。銅冷卻壁材質的硬度和組織結構決定其具有突出的加工製造優勢，可以在軋制的厚銅板上鑽孔、焊接。
（7）加工精度高、易於安裝。銅冷卻壁厚度薄、重量輕、加工精度高，壁體外形尺寸、固定位置及進出水管的尺寸偏差、形位公差精度控制嚴格，可以達到機械加工的水平，減少了累積誤差，提高了安裝精度，有利於避免因冷卻壁公差而造成的安裝難度。
（8）可重複利用。銅冷卻壁年平均最大磨損率僅為0.3mm，按銅冷卻壁熱面肋高40mm，其理論壽命可達30～50年。銅質在250℃以下隨溫度變化不發生晶格變化，晶相結構穩定，耐酸耐鹼侵蝕能力強，銅冷卻壁在完成一代爐役後，完全可以再重新加工利用，在我國沙鋼2500m高爐上就有這樣的先例。
（9）冷卻穩定均勻，有利於高爐順行。銅冷卻壁憑藉其強冷卻性，熱面能形成穩定的渣皮，渣皮不易脫落，存在周期長並且重新生成的時間短，冷卻穩定均勻，有利於維持一個穩定的高爐操作爐型和高爐工況條件，有利於高爐穩定順行。
銅冷卻壁的這些優點可以總結概括為兩方面：
（1）銅冷卻壁自身材質的性能。導熱性好、熱承載能力大、易加工性等優良的材質性能，保證了銅冷卻壁具有在其熱面形成渣皮的能力，在其熱面無需採用昂貴的耐火材料磚襯。
（2）由於渣皮的穩定存在所帶來的優勢。當有渣皮存在時，銅冷卻壁熱面溫度迅速下降，而且銅冷卻壁本體內部溫差也迅速下降，從而提高了銅冷卻壁抗熱衝擊能力和抗熱震性能。同時隨著渣皮厚度的增加，銅冷卻壁熱損失也迅速降低。
廣泛套用
高爐冷卻壁技術經過灰鑄鐵、低鉻鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、銅冷卻壁的不斷發展，銅冷卻壁已成為先進冷卻壁技術的代表。20世紀末期經過改進的鑄鐵冷卻壁在我國諸多高爐上得到成功套用，並獲得了15年以上的使用壽命，但冷卻壁本體卻損壞嚴重，且出現水管大量破損的問題。進入21世紀以後，鑒於銅冷卻壁的諸多優點，銅冷卻壁及其軟水密閉循環冷卻系統的普遍套用，有希望徹底解決爐腹、爐腰和爐身下部短壽的問題，在高爐無中修、甚至無噴補的條件下，實現一代爐役壽命達到20年以上。從21世紀投產的許多大型高爐生產運行狀況分析，這個目標完全能夠實現。採用銅冷卻壁的高爐越來越多，呈現為一種主流的高爐冷卻發展模式，而且銅冷卻壁在高爐爐缸關鍵部位和鐵口區也得到套用，採用銅冷卻壁已成為現代高爐煉鐵技術顯著的技術特徵和必然的發展趨勢。
進入21世紀以來，我國已有近200座高爐在爐腹、爐腰和爐身下部採用了銅冷卻壁，配合軟水密閉循環冷卻系統，較好地解決了爐腹至爐身下部制約高爐長壽的技術問題，建立薄壁高爐無過熱冷卻體系，實現了高爐高效長壽。但銅冷卻壁使用過程中由於設計不合理、製造質量和高爐操作等問題，也出現了極個別的高爐銅冷卻壁過早破壞，因此，進一步最佳化銅冷卻壁結構、提高製造質量、改進高爐操作是未來銅冷卻壁研究的主要內容。與此同時，通過設計最佳化降低銅冷卻壁的造價也是未來技術發展的一個方向。C公司1號高爐（5500m）採用的爐腹冷卻壁如圖3所示。
爐腹、爐腰和爐身下部共設4段銅冷卻壁，每段銅冷卻壁為60塊，每塊冷卻壁均設4條冷卻通道，水管接口尺寸為DN60，長度為30mm。水管的保護套管採用不鏽鋼管，銅冷卻壁的冷卻通道為複合扁孔型。冷卻通道由冷卻壁本體一段鑽孔，並採用銅質堵頭填堵焊接，銅冷卻壁熱面設定燕尾槽，槽面寬52mm，槽低寬66mm，槽深40mm，槽間中心間距為100～114mm。其中爐腹、爐腰和爐身下部的3段銅冷卻壁均採用折彎形，即上下兩段冷卻壁的連線縫不與爐殼拐點和爐殼焊縫重合。
圖3 C公司1號高爐爐腹採用的銅冷卻壁我國的銅冷卻壁研發始於20世紀90年代，並確立為國家“九五”重大科技攻關項目，建立了完善的實驗室。採用軋制銅板鑽孔製造工藝研製的2塊銅冷卻壁最早在C公司2號高爐爐腰區域（第7段）進行工業性試驗（如圖2所示），從1999年12月到2000年12月，經1年實踐證實，銅冷卻壁溫度場分布均勻，工作正常，停爐後發現銅冷卻壁狀態良好，試驗取得初步成功。2001年D公司1號、E公司5號高爐從國外引進銅冷卻壁。
圖2 C公司2號高爐銅冷卻壁安裝示意圖2002年C公司2號高爐大修改造時，在爐腹、爐腰和爐身下部採用了3段共120塊軋制鑽孔銅冷卻壁，這是我國首次採用自主設計製造的銅冷卻壁，標誌著國產銅冷卻壁正式投入工業化套用，開創了國產銅冷卻壁工業化套用的新局面。在此之後的10餘年，國內新建或大修改造的近200座高爐相繼採用國產銅冷卻壁，使銅冷卻壁技術在我國高爐上得到廣泛的推廣套用，僅有少數高爐的銅冷卻壁由國外引進。國產銅冷卻壁已大部分替代了進口產品，其製造質量和技術性能達到甚至超過了國外產品，而且在國外的高爐上也得到了推廣套用。銅冷卻壁技術的開發研製成功，極大地促進了我國高爐長壽技術的發展，也帶動了設計、裝備製造等行業的技術進步，形成了一整套擁有自主智慧財產權的技術成果和技術標準，這些成功的經驗彌足珍貴，值得深入總結。
破損機理
安裝在高爐內的熱面裸露的鑄銅冷卻壁，其熱變形趨勢及變形幅度不僅與壁體溫度分布有關，還與壁體邊緣接觸壓力有關。在溫度不變的條件下，當壁體邊緣接觸壓力小於50MPa時，鑄銅冷卻壁向熱面凸起，形成“弓形”。當壁體邊緣接觸壓力大於50MPa時，受邊界約束的限制，冷卻壁向冷麵凸起，形成向冷麵凸起的“弓形”。
高爐冷卻壁的熱應力與壁體的溫度分布以及壁體邊緣接觸壓力有關。在溫度不變的條件下，邊緣接觸壓力越小，壁體所受的熱應力就越小。在邊緣接觸壓力相同的條件下，爐溫越高，壁體熱應力越大。對於裸露的鑄銅冷卻壁，當煤氣溫度為1153℃、邊緣接觸壓力小於100MPa時，鑄銅冷卻壁壁體熱應力小於純銅的抗拉強度，所以，鑄銅冷卻壁在高熱負荷下工作不會產生疲勞裂紋；對於裸露的合金化管鑄鐵冷卻壁，當高爐內煤氣溫度超過913℃、邊緣接觸壓力為10MPa時，壁體熱面熱應力已經進入屈服狀態，熱面在高於屈服點的交變載荷下工作，裂紋極易產生和擴展，從而導致冷卻壁破損。這是鑄鐵冷卻壁容易破損的主要原因。
高爐冷卻壁的熱應力與壁體的溫度分布以及壁體邊緣接觸壓力有關。在溫度不變的條件下，邊緣接觸壓力越小，壁體所受的熱應力就越小。在邊緣接觸壓力相同的條件下，爐溫越高，壁體熱應力越大。對於裸露的鑄銅冷卻壁，當爐溫1153℃、邊緣接觸壓力小於100MPa時，鑄銅冷卻壁壁體熱應力小於純銅的抗拉強度，所以，鑄銅冷卻壁在高熱負荷下工作不會產生疲勞裂紋。
損壞原因
從理論上講，銅冷卻壁應該具有很長的壽命，可是國內外使用銅冷卻壁卻不夠理想。歸結起來，在使用中，發現了銅冷卻壁進出水管焊縫開裂、熱面本體磨損、熔損和變形等問題。
（1）銅冷卻壁進出水管焊縫開裂
銅冷卻壁進出水管焊縫開裂的原因是製造質量和製造及安裝誤差造成。由於銅的導熱性很好，如果焊接預熱和焊接電流控制不當，只將水管熔接，而銅冷卻壁本體熔接深度不夠，進出水管與本體沒有可靠地焊在一起，將造成焊縫脫焊。如果在安裝時，沒有保證爐殼與進出水管之間的間隙，當高爐生產時，由於熱負荷波動，造成銅冷卻壁的熱脹冷縮，而進出水管缺少位移的餘地，造成焊縫反覆交變應力而損壞、漏水。
（2）銅冷卻壁的磨損
在爐腹、爐腰和爐身下部，銅冷卻壁具有較強的冷卻能力，理應形成穩定的渣皮保護。在爐內氣體溫度相同的條件下，鑄鐵冷卻壁的熱面溫度較銅冷卻壁高許多，容易損壞。可是，過去厚壁高爐爐腹部位的鑄鐵冷卻壁很少損壞，風口帶冷卻壁幾乎沒有燒損的情況。而爐腹、爐腰和爐身下部的銅冷卻壁都有磨損的情況出現，以及風口帶鑄鐵冷卻壁也發生燒損，因此，損壞機理還需研究，以便尋求對策。
（3）銅冷卻壁的熱變形
對於銅冷卻壁的變形，曾經進行了長度L=3000mm銅冷卻壁的熱態試驗，試驗按無約束狀態（所有工作螺栓不固定）和有約束狀態（所有工作螺栓固定）進行，試驗結果表明：
①無論是在無約束狀態和有約束狀態下，銅冷卻壁的冷麵所有變形都是正值，它與銅冷卻壁在高爐實際工況狀態下的變形情況是相符的；
②在固定螺栓約束範圍外的變形值比約束範圍內大；
③一次升溫引起的變形值很小，但是，如果多次升溫其變形值有積累的現象。這是由於溫度應力引起不可逆的塑性變形所致。按積累的變形值推算，適當控制冷卻壁長度，在一代爐役壽命期間，熱變形不至於影響銅冷卻壁的正常工作。
儘管軋制銅板冷卻壁可以承受強大的熱流強度衝擊而不損壞，但如果出現頻繁的渣皮脫落，溫度變化引起的變形積累對銅冷卻壁是不利的。
國內某高爐採用進口連鑄銅冷卻壁，由於設計長度達到4m，在爐內渣皮生成脫落的作用下，產生熱變形，不僅水管焊縫被拉開，而且螺栓也從冷卻壁中拔出，導致冷卻壁失效。高爐生產了約8年半將兩段長冷卻壁改為4段較短的冷卻壁。因此銅冷卻壁的長度應該適當控制。
技術優點
進入二十一世紀，銅冷卻壁技術得到迅猛發展，世界上已有近200座高爐採用了銅冷卻壁，主要套用在爐腹、爐腰和爐身下部。採用銅冷卻壁的高爐越來越多，大幅度提高了高爐壽命，其先進性毋庸置疑。銅冷卻壁以其一系列優異的技術性能，更易實現長壽高爐爐體無過熱的設計要求。在高爐爐腰、爐腹及爐身下部的高熱負荷區域，銅冷卻壁已經成功取代鑄鐵冷卻壁，並取得顯著的套用效果。銅冷卻壁的技術優勢主要體現於：
（1）高導熱性能。銅的導熱性能是鑄鐵的10倍左右（如表1所示），銅冷卻壁綜合導熱能力是鑄鐵冷卻壁的40～45倍，由於銅冷卻壁具有很高的導熱性能，容易形成“無過熱”冷卻體系，可以使液態熔渣穩固地黏結在冷卻壁熱面，從而形成穩定的保護性渣皮，穩定的渣皮無疑是銅冷卻壁最好的保護層。
表1 鋼、銅、鑄鐵的物理和熱學性能比較（2）抗熱震性能優異。銅冷卻壁熱面能形成穩定的渣皮，渣皮脫落和重新生成的周期相應減少，這使冷卻壁熱疲勞得到抑制。首鋼2號高爐的實踐證明，銅冷卻壁熱面的渣皮脫落以後，壁體熱面溫度可以在9min內就能達到最高溫度170℃，再過11min新的渣皮就可以完全形成，銅冷卻壁壁體溫度恢復到正常的50～60℃，整個渣皮重新生成的周期約20min，而鑄鐵冷卻壁則需要數小時才能完成渣皮的重建。
（3）耐高熱流衝擊性能好。銅冷卻壁具有很高的導熱性能，使得壁體實際最高溫度與允許最高溫度之比不到0.65，而鑄鐵冷卻壁此值高達0.8～0.9。因此，銅冷卻壁能夠承受更高的熱流衝擊。銅冷卻壁正常承受熱流強度為75.47 kW·m，短期內（30min）可承受最大熱流強度為384.33kW·m。
（4）熱流損失小。黏結在銅冷卻壁熱面的渣皮導熱係數很低，約1.0～1.2W/（m·K），穩定的渣皮具有很高的熱阻，採用銅冷卻壁後，高爐的熱量損失較鑄鐵冷卻壁小。另外，在高熱負荷區域採用銅冷卻壁以後，在同等條件下，冷卻水量較鑄鐵冷卻壁可以減少20%～40%，這也使得熱量損失相應減少。
表2 銅冷卻壁與鑄鐵冷卻壁特性比較（5）耐火材料投資降低。由於銅冷卻壁的表面能夠形成一層相對穩定的渣皮，具有自保護作用，形成動態的永久性內襯，這樣銅冷卻壁可以避免在高溫條件下工作（相對於鑄鐵冷卻壁而言），所以銅冷卻壁一般不必砌築較厚的磚襯，甚至可以採用90～150mm的鑲磚或噴塗料取代傳統的磚襯結構，成為真正意義上的薄壁內襯結構，也無需採用高檔耐火材料，這樣可以節省價格昂貴的耐火材料投資。
（6）硬度低、晶相組織緻密，加工性能優良。銅冷卻壁材質的硬度和組織結構決定其具有突出的加工製造優勢，可以在軋制的厚銅板上鑽孔、焊接。
（7）加工精度高、易於安裝。銅冷卻壁厚度薄、重量輕、加工精度高，壁體外形尺寸、固定位置及進出水管的尺寸偏差、形位公差精度控制嚴格，可以達到機械加工的水平，減少了累積誤差，提高了安裝精度，有利於避免因冷卻壁公差而造成的安裝難度。
（8）可重複利用。銅冷卻壁年平均最大磨損率僅為0.3mm，按銅冷卻壁熱面肋高40mm，其理論壽命可達30～50年。銅質在250℃以下隨溫度變化不發生晶格變化，晶相結構穩定，耐酸耐鹼侵蝕能力強，銅冷卻壁在完成一代爐役後，完全可以再重新加工利用，在我國沙鋼2500m高爐上就有這樣的先例。
（9）冷卻穩定均勻，有利於高爐順行。銅冷卻壁憑藉其強冷卻性，熱面能形成穩定的渣皮，渣皮不易脫落，存在周期長並且重新生成的時間短，冷卻穩定均勻，有利於維持一個穩定的高爐操作爐型和高爐工況條件，有利於高爐穩定順行。
銅冷卻壁的這些優點可以總結概括為兩方面：
（1）銅冷卻壁自身材質的性能。導熱性好、熱承載能力大、易加工性等優良的材質性能，保證了銅冷卻壁具有在其熱面形成渣皮的能力，在其熱面無需採用昂貴的耐火材料磚襯。
（2）由於渣皮的穩定存在所帶來的優勢。當有渣皮存在時，銅冷卻壁熱面溫度迅速下降，而且銅冷卻壁本體內部溫差也迅速下降，從而提高了銅冷卻壁抗熱衝擊能力和抗熱震性能。同時隨著渣皮厚度的增加，銅冷卻壁熱損失也迅速降低。
廣泛套用
高爐冷卻壁技術經過灰鑄鐵、低鉻鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、銅冷卻壁的不斷發展，銅冷卻壁已成為先進冷卻壁技術的代表。20世紀末期經過改進的鑄鐵冷卻壁在我國諸多高爐上得到成功套用，並獲得了15年以上的使用壽命，但冷卻壁本體卻損壞嚴重，且出現水管大量破損的問題。進入21世紀以後，鑒於銅冷卻壁的諸多優點，銅冷卻壁及其軟水密閉循環冷卻系統的普遍套用，有希望徹底解決爐腹、爐腰和爐身下部短壽的問題，在高爐無中修、甚至無噴補的條件下，實現一代爐役壽命達到20年以上。從21世紀投產的許多大型高爐生產運行狀況分析，這個目標完全能夠實現。採用銅冷卻壁的高爐越來越多，呈現為一種主流的高爐冷卻發展模式，而且銅冷卻壁在高爐爐缸關鍵部位和鐵口區也得到套用，採用銅冷卻壁已成為現代高爐煉鐵技術顯著的技術特徵和必然的發展趨勢。
進入21世紀以來，我國已有近200座高爐在爐腹、爐腰和爐身下部採用了銅冷卻壁，配合軟水密閉循環冷卻系統，較好地解決了爐腹至爐身下部制約高爐長壽的技術問題，建立薄壁高爐無過熱冷卻體系，實現了高爐高效長壽。但銅冷卻壁使用過程中由於設計不合理、製造質量和高爐操作等問題，也出現了極個別的高爐銅冷卻壁過早破壞，因此，進一步最佳化銅冷卻壁結構、提高製造質量、改進高爐操作是未來銅冷卻壁研究的主要內容。與此同時，通過設計最佳化降低銅冷卻壁的造價也是未來技術發展的一個方向。C公司1號高爐（5500m）採用的爐腹冷卻壁如圖3所示。
爐腹、爐腰和爐身下部共設4段銅冷卻壁，每段銅冷卻壁為60塊，每塊冷卻壁均設4條冷卻通道，水管接口尺寸為DN60，長度為30mm。水管的保護套管採用不鏽鋼管，銅冷卻壁的冷卻通道為複合扁孔型。冷卻通道由冷卻壁本體一段鑽孔，並採用銅質堵頭填堵焊接，銅冷卻壁熱面設定燕尾槽，槽面寬52mm，槽低寬66mm，槽深40mm，槽間中心間距為100～114mm。其中爐腹、爐腰和爐身下部的3段銅冷卻壁均採用折彎形，即上下兩段冷卻壁的連線縫不與爐殼拐點和爐殼焊縫重合。
圖3 C公司1號高爐爐腹採用的銅冷卻壁