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摘要：本文介绍不同冷却壁材质的特性，讨论不同部位冷却壁材质选择。
关键词：冷却壁；材质
1. 前言
冷却壁作为高炉上重要部件，对高炉寿命影响很大。而高炉长寿是降低冶炼成本、提高生产率的关键因素。从上世纪90年代以来，高炉工作者从炉型设计、选择和组合耐火砖、喷涂料的选择使用、改进炉体冷却设备、提高施工质量及改善高炉操作制度等方面入手，做了大量工作，使高炉寿命不断提高。高炉寿命的相差悬殊，归纳起来有以下原因：一是先天性的，使用的材料质量、冷却设备的质量和型式、筑炉施工质量方面的差距；二是后天的，主要是高炉操作制度和炉体的维护、管理水平方面的差距。本文介绍了各种冷却壁材料性能，为高炉各部位冷却壁材质的选择提供依据。
2. 几种冷却壁材料的性能
结合冷却壁的工作环境，冷却壁材料应该具有以下几个特点：a.耐高温 高炉的工作温度在1500℃以上，冷却壁的工作温度也相当高，在如此高温的条件下冷却壁要正常工作就要保持一定的强度来支撑炉体，也不能有破损使壁体出现漏水现象。b.高的疲劳韧性 高炉的工作温度波动时，冷却壁的工作温度也发生变化，冷却壁受到热冲击的作用，只有高的疲劳韧性才使高炉长寿成为可能。c.高的综合热导率 中间包括冷却壁的材质和冷却壁结构的设计，因为冷却壁通过冷却水管传导热量从而对高炉炉壳进行冷却，在如此的环境下希望冷却壁的综合传热系数要大一些。冷却壁的材质分为铸铁材质（包括灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）、铸钢材质、纯铜材质，具体物理性能见表2-1。
表2-1 物理性能见表
序号 材料 热导率
W./m.K 熔化温度
℃ 允许工作温度
℃
1 普通灰铸铁 ～40 1225～1250 400
2 球墨铸铁 38～40 709～760
3 铸钢 40 1520～1530 400
4 铸铜 340 150
（1） 球墨铸铁的特性：
a. 球墨铸铁内的石墨以球状形式分布在铸铁中，使铸铁材质发生了很大变化；
b. 球墨铸铁的强度大于400MPa，灰铸铁200MPa；
c. 球墨铸铁具有优良的抗冷热疲劳性能，800℃水冷次数可达400次以上才出现裂纹，而灰铸铁<50次。允许的使用温度高；
d. 球墨铸铁的热导率低，100℃时比灰铸铁低20～30%，在高温时差别更大。因此设计时必须采用提高冷却强度的相应措施，以消除不利影响；
e. 球墨铸铁冷却壁破损的基本原因：从力学角度分析，金属材料发生裂缝或裂纹是由于受自身或外力作用产生的内应力超过了允许的应力极限而形成的。高炉冷却壁在一面受热一面冷却的情况下形成了冷面和热面之间的应力，加上冷却壁热面上各点温度分布也不均匀，因而在同一个断面上各点间也形成了不均匀的应力差分布，当某处应力值达到一定程度就会产生裂缝、裂纹、龟裂或剥蚀。
f. 球墨铸铁的基体上布满了大小不同的球状石墨，它的存在特别是在它被氧化后相当于形成了无数微小的孔洞，在冷热温差和应力差作用下，这些孔洞成了发生裂缝和裂纹策源地并加速了裂缝和裂纹的发生和扩展。
g. 球墨铸铁在浇铸大型厚铸件时，铸件表面和中心的伸长率存在较大的差值，表面伸长率大于中心一倍以上（例如表面20%，中心6～8%），在高炉工况下促进了球墨铸铁裂缝或裂纹的产生和扩展。
h. 球墨铸铁的线膨胀系数在600℃以上则随着温度的升高而急剧增长，而在降温后这个增长量却降不下来，这一现象被称为“铸铁的生长现象”，这是一个不可逆过程。因而球墨铸铁冷却壁在热面温度超过600℃后其破损的速度加快。
i. 同铸钢相比球墨铸铁的冲击韧度、断面收缩率、耐热疲劳性等均较低，不利于防止裂纹破损的发生。
j. 球墨铸铁的热导率本来就不高，加上不得不在冷却水管外附加防渗碳层，并使水管和冷却壁之间形成间隙，使得冷却壁总体热导性降低，冷却壁的冷面和热面间的温度梯度增加而引起热应力差加大，导致裂纹和破损的可能性加大。
k. 冷却壁内各支管之间的供水量不均匀及冷却壁结构上的缺陷。
（2） 铜冷却壁的特性：
为了提高冷却壁使用的可靠性，目前使用的铸铁冷却壁在两个方面作了局部的牺牲。一是不得不使用热导率较普通铸铁低的球墨铸铁；另一是为了防止水管在铸造过程中渗碳，在其表面涂有一层0.2～0.3mm厚的防渗碳涂料，是一种热导率极差的材料。由于热阻较大，使得球磨铸铁冷却壁本体的温度就很高，给高炉长寿带来不利影响。铜冷却壁的铜热导率高，并且不铸入冷却水管，热阻大大降低，保证了冷却的可靠性。铜本身是强度不高的金属，当>120℃时，其强度随温度的升高而降低，铜的极限工作温度<250℃；德国高炉在炉身下部使用铜冷却壁的实践证明，由于热面温度低，容易保持比较厚的稳定渣皮。使用铜冷却壁不仅不会出现人们担心的热损失过大的情况，相反，热损失还相对降低了。铸钢冷却壁的特性：
铸钢本体材质综合性能优于球墨铸铁。在钢的基体里内没有分布大小不同的球状石墨，不存在因球状石墨孔洞构成产生裂缝和裂纹的根源问题，也不会助长裂缝裂纹的扩展。钢的组织均匀、致密，其伸长率值内外基本一致，在大型或较厚的铸钢件上不会出现表面和中心伸长率差别太大的问题；对于低碳钢还具有独特的屈服现象，它可使局部承受应力重新分布，使应力集中处得到松弛，使耐受内应力的能力得到提高。钢的线膨胀系数在600℃以下大体与球墨铸铁的变化同步，但在600～1000℃其线膨胀系数趋于平缓，并不随着温度的提高而显著增长，因而具有较高的高温体积稳定性和抗裂纹破损性能。
合理选择冷却结构
冷却壁本体材料的选择应考虑：
a. 冷却壁使用部位的热流强度值；
b. 材料的热导率；
c. 材料的允许使用温度；
根据高炉各个部位不同的工作条件，建议采用以下冷却结构：
a. 炉缸、炉底侧壁宜采用灰口铸铁光面冷却壁，铁口区采用铜冷却壁；
b. 炉腰及炉身下部宜采用铸钢冷却壁；
c. 炉腹采用铜冷却壁；
d. 炉身中上部宜采用铸铁冷却壁。
3. 结束语
冷却设备是保证高炉在高温条件下抵御热流侵袭和机械磨损的关键设备，通过建立合理的冷却结构和冷却制度，使之既满足高炉生产工作又节约成本。同时高炉操作人员良好的操作习惯和合理的操作制度能够在生产中有效地保护冷却壁，延长冷却壁使用寿命，为高炉长寿提供依靠。
参考文献：
[1] 孙玉福. 高炉冷却壁热态试验研究.铸造，2007-08.
[2] 金觉生，黄金祥. 高炉长寿与冷却管理.宝钢技术，1996-5.
关键词：冷却壁；材质
1. 前言
冷却壁作为高炉上重要部件，对高炉寿命影响很大。而高炉长寿是降低冶炼成本、提高生产率的关键因素。从上世纪90年代以来，高炉工作者从炉型设计、选择和组合耐火砖、喷涂料的选择使用、改进炉体冷却设备、提高施工质量及改善高炉操作制度等方面入手，做了大量工作，使高炉寿命不断提高。高炉寿命的相差悬殊，归纳起来有以下原因：一是先天性的，使用的材料质量、冷却设备的质量和型式、筑炉施工质量方面的差距；二是后天的，主要是高炉操作制度和炉体的维护、管理水平方面的差距。本文介绍了各种冷却壁材料性能，为高炉各部位冷却壁材质的选择提供依据。
2. 几种冷却壁材料的性能
结合冷却壁的工作环境，冷却壁材料应该具有以下几个特点：a.耐高温 高炉的工作温度在1500℃以上，冷却壁的工作温度也相当高，在如此高温的条件下冷却壁要正常工作就要保持一定的强度来支撑炉体，也不能有破损使壁体出现漏水现象。b.高的疲劳韧性 高炉的工作温度波动时，冷却壁的工作温度也发生变化，冷却壁受到热冲击的作用，只有高的疲劳韧性才使高炉长寿成为可能。c.高的综合热导率 中间包括冷却壁的材质和冷却壁结构的设计，因为冷却壁通过冷却水管传导热量从而对高炉炉壳进行冷却，在如此的环境下希望冷却壁的综合传热系数要大一些。冷却壁的材质分为铸铁材质（包括灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）、铸钢材质、纯铜材质，具体物理性能见表2-1。
表2-1 物理性能见表
序号 材料 热导率
W./m.K 熔化温度
℃ 允许工作温度
℃
1 普通灰铸铁 ～40 1225～1250 400
2 球墨铸铁 38～40 709～760
3 铸钢 40 1520～1530 400
4 铸铜 340 150
（1） 球墨铸铁的特性：
a. 球墨铸铁内的石墨以球状形式分布在铸铁中，使铸铁材质发生了很大变化；
b. 球墨铸铁的强度大于400MPa，灰铸铁200MPa；
c. 球墨铸铁具有优良的抗冷热疲劳性能，800℃水冷次数可达400次以上才出现裂纹，而灰铸铁<50次。允许的使用温度高；
d. 球墨铸铁的热导率低，100℃时比灰铸铁低20～30%，在高温时差别更大。因此设计时必须采用提高冷却强度的相应措施，以消除不利影响；
e. 球墨铸铁冷却壁破损的基本原因：从力学角度分析，金属材料发生裂缝或裂纹是由于受自身或外力作用产生的内应力超过了允许的应力极限而形成的。高炉冷却壁在一面受热一面冷却的情况下形成了冷面和热面之间的应力，加上冷却壁热面上各点温度分布也不均匀，因而在同一个断面上各点间也形成了不均匀的应力差分布，当某处应力值达到一定程度就会产生裂缝、裂纹、龟裂或剥蚀。
f. 球墨铸铁的基体上布满了大小不同的球状石墨，它的存在特别是在它被氧化后相当于形成了无数微小的孔洞，在冷热温差和应力差作用下，这些孔洞成了发生裂缝和裂纹策源地并加速了裂缝和裂纹的发生和扩展。
g. 球墨铸铁在浇铸大型厚铸件时，铸件表面和中心的伸长率存在较大的差值，表面伸长率大于中心一倍以上（例如表面20%，中心6～8%），在高炉工况下促进了球墨铸铁裂缝或裂纹的产生和扩展。
h. 球墨铸铁的线膨胀系数在600℃以上则随着温度的升高而急剧增长，而在降温后这个增长量却降不下来，这一现象被称为“铸铁的生长现象”，这是一个不可逆过程。因而球墨铸铁冷却壁在热面温度超过600℃后其破损的速度加快。
i. 同铸钢相比球墨铸铁的冲击韧度、断面收缩率、耐热疲劳性等均较低，不利于防止裂纹破损的发生。
j. 球墨铸铁的热导率本来就不高，加上不得不在冷却水管外附加防渗碳层，并使水管和冷却壁之间形成间隙，使得冷却壁总体热导性降低，冷却壁的冷面和热面间的温度梯度增加而引起热应力差加大，导致裂纹和破损的可能性加大。
k. 冷却壁内各支管之间的供水量不均匀及冷却壁结构上的缺陷。
（2） 铜冷却壁的特性：
为了提高冷却壁使用的可靠性，目前使用的铸铁冷却壁在两个方面作了局部的牺牲。一是不得不使用热导率较普通铸铁低的球墨铸铁；另一是为了防止水管在铸造过程中渗碳，在其表面涂有一层0.2～0.3mm厚的防渗碳涂料，是一种热导率极差的材料。由于热阻较大，使得球磨铸铁冷却壁本体的温度就很高，给高炉长寿带来不利影响。铜冷却壁的铜热导率高，并且不铸入冷却水管，热阻大大降低，保证了冷却的可靠性。铜本身是强度不高的金属，当>120℃时，其强度随温度的升高而降低，铜的极限工作温度<250℃；德国高炉在炉身下部使用铜冷却壁的实践证明，由于热面温度低，容易保持比较厚的稳定渣皮。使用铜冷却壁不仅不会出现人们担心的热损失过大的情况，相反，热损失还相对降低了。铸钢冷却壁的特性：
铸钢本体材质综合性能优于球墨铸铁。在钢的基体里内没有分布大小不同的球状石墨，不存在因球状石墨孔洞构成产生裂缝和裂纹的根源问题，也不会助长裂缝裂纹的扩展。钢的组织均匀、致密，其伸长率值内外基本一致，在大型或较厚的铸钢件上不会出现表面和中心伸长率差别太大的问题；对于低碳钢还具有独特的屈服现象，它可使局部承受应力重新分布，使应力集中处得到松弛，使耐受内应力的能力得到提高。钢的线膨胀系数在600℃以下大体与球墨铸铁的变化同步，但在600～1000℃其线膨胀系数趋于平缓，并不随着温度的提高而显著增长，因而具有较高的高温体积稳定性和抗裂纹破损性能。
合理选择冷却结构
冷却壁本体材料的选择应考虑：
a. 冷却壁使用部位的热流强度值；
b. 材料的热导率；
c. 材料的允许使用温度；
根据高炉各个部位不同的工作条件，建议采用以下冷却结构：
a. 炉缸、炉底侧壁宜采用灰口铸铁光面冷却壁，铁口区采用铜冷却壁；
b. 炉腰及炉身下部宜采用铸钢冷却壁；
c. 炉腹采用铜冷却壁；
d. 炉身中上部宜采用铸铁冷却壁。
3. 结束语
冷却设备是保证高炉在高温条件下抵御热流侵袭和机械磨损的关键设备，通过建立合理的冷却结构和冷却制度，使之既满足高炉生产工作又节约成本。同时高炉操作人员良好的操作习惯和合理的操作制度能够在生产中有效地保护冷却壁，延长冷却壁使用寿命，为高炉长寿提供依靠。
参考文献：
[1] 孙玉福. 高炉冷却壁热态试验研究.铸造，2007-08.
[2] 金觉生，黄金祥. 高炉长寿与冷却管理.宝钢技术，1996-5.