优化高炉冷却系统以提升效率与寿命

高炉冷却系统概述

鉴于高炉大修所需的巨额资本投入，过去为延长高炉大修周期做出了巨大努力。高炉炼铁工艺的发展和材料科学的进步提高了生产率、降低了燃料消耗、改善了产品质量，并延长了高炉大修周期。直到20世纪90年代，高炉大修周期主要受下部炉身（即热负荷最高区域）寿命的影响。如果不分析传热、热应力和炉龄等参数，将导致高炉失效。

高效冷却对于平衡炉衬内表面的热负荷及相关磨损、保护炉壳及其冷却元件至关重要。高炉冷却系统在大修周期和运行成本中起关键作用。装有循环水的冷却元件安装在炉壳和耐火衬里之间的炉上部，以保护这些部件免受热辐射。

著名高炉专家Fritz W Lurman在1892年指出：“无论使用所谓的耐火材料，维持高炉炉壁的最佳手段是冷却水。”高炉冷却系统的功能是冷却炉壳，防止过热和烧穿。冷却系统移除高炉产生的多余热量，否则这些热量将作用于炉壳，从而防止炉壳和衬里温度升高。高炉炉壳冷却存在多种方法。

高炉冷却系统的发展历程

高炉冷却系统自1884年起开始发展。早期（至20世纪20年代）冷却仅用于炉底和腹部区域。到20世纪30-40年代，冷却也应用于炉身。同时，尝试了炉壳外部淋水冷却和夹套冷等外部冷却方法。这种方法依靠通过炉壳将热量传递给冷却介质，在传热过程中产生高热应力，从而危及炉壳完整性。

过去，除自带冷却器外，部分高炉靠近炉底和炉底部位的炉壳还通过外部喷水冷却。早期还结合外部冷却（喷淋冷却、双层壳）使用不同尺寸、数量和设计的冷却箱，将炉内热量传递给冷却介质。

铸铁冷却 stave 的应用与特性

铸铁冷却 stave 自20世纪中叶起投入运行。Stave 是一种具有一个或多个内部水道的冷却装置，成批安装在高炉内表面，保护钢壳免受高温气体和熔融炉料侵蚀，并维持炉内型面。Stave 主要需要三大特性：(1) 长寿命和可靠性；(2) 适当的冷却能力；(3) 热绝缘能力。

长寿命和可靠性： 因结构限制无法从炉外修复 stave，损坏需大量更换工作。损坏会导致长时间停风、漏水引起炉温下降、或型面改变引发操作故障，因此需要稳定的长寿命。

适当的冷却能力： 为保护炉壳免受约1200℃高温气体和液态物料侵蚀，需要适当冷却能力。腹部至下部炉身高温区常采用铜 stave。

热绝缘能力： 高炉需热绝缘结构以减少热能浪费，但 stave 冷却会带走热能，相当于增加焦炭消耗，直接提高还原剂率（RAR），进而增加二氧化碳排放和铁水单耗。因此 stave 需兼具适当冷却能力和热绝缘能力（限制带热量）。传统做法在铸铁 stave 前嵌入低导热砖；铜 stave 则利用高冷却能力使半液态物料在 stave 表面凝结形成绝缘层。

Stave 冷却器的演进与优势

Stave 冷却器约于20世纪中叶开始开发。铸铁 stave 冷却技术源自前苏联，经印度、日本传播，至20世纪70年代获全球认可。此后高炉冷却技术发展加速，出现板式冷却器、雪茄式冷却器等多种内部冷却装置，适应现代大型高性能高炉极端应力条件。Stave 冷却优于平板冷却的优势在于“毯式冷却”效果，而非平板和雪茄冷却器的“点对点冷却”，确保更均匀的冷却性能。

现代大型高炉多采用 stave 冷却系统，因其实现了强化且均匀的冷却。传统 stave 由球墨铸铁浇铸包裹冷却水管组成，从底板安装至炉喉。但腹部和腹部区域 stave 承受高热负荷重应力，限制炉龄，甚至导致 stave 本体脱落仅剩水管。这可能与铸铁导热系数及管材与铸体传热有关。即使采用最佳冷却系统，下部炉壳区域仍是高炉弱点。

铜 stave 的突破与应用

铸铁 stave 材料特性导致其在高热负荷下部劣化，难以实现20年稳定炉龄。20世纪90年代中期德国验证了铜 stave 制造可行性，此后多国高炉采用。1993年德国蒂森克虏伯施韦尔格伦2号高炉和萨尔茨吉特B高炉首次引入铜 stave。采用钻孔水道代替水管或铸造铜锭时预留水道，成为现代高炉设计的重要进步。

“铜高导热导致工艺热量散失增加”的理论被证伪。铜高导热导致表面温度低、薄保护层快速形成，反而减少带热量。冷却效果强烈，即使无保护 stave 前也能在几分钟内形成保护层。近期结果显示铜 stave 带热量甚至低于铸铁 stave。这种绝缘层将热损失维持在最低。不来梅钢铁厂2号高炉大修时，风口上方 stave 前未安装永久耐火材料，仅薄喷涂保护层，证明极其成功。如今铜 stave 用于高热负荷区域已成最先进技术。下部炉身不再是限制炉龄因素，炉底状况决定大修周期。现代铜 stave 在高应力高炉中将外壳与工艺热隔离，但不同位置承受不同热负荷水平。

Skull 形成与冷却效率的关系

高热负荷高炉冷却系统成功运行的关键是冷却元件热面形成 skull（凝壳）。Skull 由冷凝蒸汽、凝固渣铁组成，通过飞溅、滴落、冻结附着于冷却元件表面，厚度可达20mm。Skull 稳定性主要取决于冷却能力和冷却元件的机械附着能力，炉壁气流冲刷也影响 skull 保持。金属含量低时 skull 是天然绝缘体。极端热负荷（高温气流喷射或工艺异常）下 skull 会剥落后重建。Skull 脱落和重建导致炉壁热负荷大幅波动，峰值达30-50万 W/m²。

因此衬里和冷却设计须能承受此类热负荷以避免过早失效。研究表明：冷却元件冷却效率越高，skull 越稳定、附着越久，保温保护性能越持久。结果是高效冷却系统通常导致炉子总热损失降低。

炉壳支撑形式与冷却

大多数大型高炉为无支撑独立式，部分设计采用地面钢柱或混凝土柱支撑的外套结构。外套消除了腹部区域，是炉体设计组成部分，需在与独立式高炉腹部相同条件下防过热。外套区域用铜板冷却因更换通道受限、板式冷却器过长而困难。采用 stave 可实现外套区域完整冷却覆盖。图1展示 stave 在外套及高炉不同冷却布置。

现代高炉热负荷特征与冷却元件选型

现代高炉生产强度超3 t/m³·d，通过优质炉料、配料技术、工艺控制、高风温、富氧和喷吹辅助燃料实现。但高强度操作导致炉壁承受高热负荷和波动。虽然峰值热负荷具体区域和大小因炉异异，但腹部和下部炉身通常遭遇最高热波动（图2）。

最高热负荷区域与粘结带位置、形状及具体配料模式密切相关。高热波动主因是不规则高速气流通过炉料焦缝冲向炉壁。高温和波动温度是冷却元件主要承受载荷。炉料成分和质量显著影响热负荷和波动：烧结矿超70%时峰值10-20万 W/m²；高比例球团或块矿可产生超40万 W/m²峰值热负荷。根据预期热负荷选用不同冷却元件。表1列出不同冷却和耐火设计的最大峰值热负荷能力。

表1 不同冷却与耐火设计的最大峰值热负荷能力

设计	峰值热负荷 (W/m²)
氧化铝耐火材料板式冷却器	50,000
第一代铸铁 stave	100,000
多水路加厚铸铁 stave	200,000
密集间距(300mm)特种耐火板式冷却器	400,000
高性能铜 stave	500,000

需强调：峰值热负荷是炉衬或冷却元件长期生存的首要决定因素。

各类冷却元件详解

铸铁 stave 冷却器

早期用合金珠光体片状灰铁，现改用球墨铸铁（球铁），因其在760℃以上抗裂性更好。近期铸钢 stave 替代铸铁也通过测试。铸铁 stave 冷却效果取决于内部冷却水管尺寸形状。典型尺寸：长1.8-2.4m，宽0.8-1.1m，厚0.25-0.6m。不同类型铸铁 stave 见图3。C型较薄，旨在节省炉内空间增大有效容积。

日本1969年引进苏联技术后持续改进：缩小管距、加装角部冷却管和背部蛇形管。第四代 stave 特征：双冷却平面，热面四根垂直管，冷面一根蛇形管；配备冷却鼻部和/或耐火材料支撑托架；角部强化冷却；耐火材料浇注于 stave 专用支撑孔。图4展示一至四代改进演进。

铸铁 stave 在腹部和炉身平均寿命8-10年。典型失效模式：铸铁材料脱落暴露内部管圈。高热负荷导致铸铁开裂；冷却管与铸铁随机间隙降低带热量；管材与铸体热膨胀系数差异导致分离破坏。管距更近的铸铁冷却器增加炉壳设计复杂度，不一定延长系统寿命。

铸铁 stave 高波动热负荷下失效机理：导热系数低（约45 W/m·K）。铸铁导热率低且存在绝缘层，形成水冷管与 stave 本体间热屏障，降低传热。传热不足导致 stave 热面温度超700℃，引起热变形。铸铁高温下相变体积膨胀导致疲劳开裂、本体脱落、钢制冷却管直接暴露于炉内高温。

铜平板冷却器

铜平板冷却器呈水平板状布置于炉壳，广泛应用于欧洲高炉。由电解铜焊接或铸造而成，铸造铜无焊缝问题，材料性能更均匀。常用于腹部至下部炉身。设计保持高水流速，实现均匀高传热系数。典型铜平板冷却器见图5。

常规尺寸：长0.5-1.0m，宽0.4-0.8m，高约75mm。垂直间距0.3-0.6m，高热负荷区（腹部、下部炉身）常缩至0.25m。材料性能均匀。易受机械损伤区域前表面加强特种材料。多焊接于炉壳确保气密。通常多通道单/双独立腔室，管路和元件内水压损失最小。一种设计为六程单腔，维持高水流速，获得均匀高传热系数。

铜平板冷却器失效归因四大机制：(1) 挠度变形；(2) 管焊缝失效；(3) 塞焊失效；(4) 正面磨损。表2对比铜平板冷却器与铸铁 stave 冷却器。

表2 冷却系统对比

描述	单位	铜平板冷却器		铸铁 stave 冷却器
		平均	最大	平均	最大
单位炉壳面积冷却元件表面积	m²/m²	1-2	2.5	0.8-1	1-2
单位炉壳面积冷却水流量	m³/h	5-10		3-5
典型冷却水流速	m/s	0.5-1	2-2.5	1-1.2	2.5-3

雪茄式冷却器

雪茄冷却器用于需更强冷却或平板冷却器间距不足时。又称铜套管。当需更强冷却或平板间距不足时，雪茄冷却器布置于平板冷却器间隙；也用于大修期间改进现有冷却系统。雪茄冷却器通常由实心铜棒加工成圆柱芯并钻孔塞焊形成单通道。

雪茄冷却器通常按水平和垂直平面插入相邻平板冷却器中心线之间。安装时用芯钻穿透炉壳和现有耐火衬里。在腹部、腹部和下部炉身使用雪茄冷却器可增加冷却系统面积。该区域温度和波动最高，雪茄冷却器可提高耐火衬里抗化学和机械侵蚀能力。但雪茄冷却器增加炉壳孔口，使用前须校核炉壳强度。图6展示典型雪茄冷却器及其从炉壳外侧看的布置位置。

铜 stave

为延长大修周期，铜 stave 技术应运而生。铸铁 stave 材料特性导致高热负荷下部劣化，难实现20年稳定炉龄。作为替代，轧制铜 stave 开发成功：在轧制铜板钻孔、焊接进出水管形成水道。20世纪90年代中期德国首用，后推广至多国高炉。

其他开发类型包括：铸造铜 stave（铸造时用芯棒形成水道）、铸入蒙乃尔管铜 stave（弯形蒙乃尔管浇铸形成水道）。

铜 stave 20世纪70年代末首用于高炉作为最佳高热负荷壁冷却元件。随着生产强化和20年炉龄目标，铜 stave 展现最佳潜力。虽90年代中期普及，但大多数装炉在2000年后。日本开发铸铜 stave，德国开发轧制铜板钻孔水道、外形公差严格的轧制铜 stave。钻孔塞焊铜 stave 典型设计：顶部四根直线水管、底部四根直线水管。内部管材选蒙乃尔、铜或钢。与铸铁 stave 不同，铜 stave 设计为与冷却管结合。

铜 stave 水道多由轧制铜板钻孔、两端焊水管形成，有时用消失砂芯铸造，但铜焊工艺必不可少。常规铜 stave 冷却能力优异，但制造工序多、成本高。

目前最流行轧制铜 stave，工艺为铜板钻孔、水道两端塞焊。新开发的铸入钢管铜 stave，将弯形钢管浇铸于铜中，制造工艺截然不同，实现了轧制铜 stave 难以达到的高能效和长炉龄。

轧制铜 stave 问题与铸入钢管铜 stave 解决方案

轧制铜 stave 存在三大问题：(1) 变形；(2) 热疲劳焊缝开裂；(3) 磨损。

变形问题： 内表面高温气体、外表面水冷，热膨胀差导致翘曲。stave 过长或固定螺栓位置不当会严重变形。变形导致凸出部磨损、高温气体进入接缝和背面烧蚀焊缝断裂。

焊缝开裂： 焊缝承受反复热应力，热疲劳导致开裂断裂。温度波动使轧制铜 stave 开裂断裂。

磨损： 铁矿石、烧结矿、焦炭硬度高于铜，接触下降时磨损 stave。磨损率取决于接触力、下降速度、铜与物料硬度、物料形状。

铸入钢管铜 stave 开发考虑以下方面：

防变形设计： stave 长度和螺栓约束点设计至关重要。铸入钢管铜 stave 自身设计有效降低变形风险。图7对比轧制铜 stave 和铸入钢管铜 stave 约束点。轧制铜 stave 通过安装螺栓和销钉固定于炉壳；为保护立管根部焊缝免受应力损伤，立管通过膨胀节与炉壳连接，导致 stave 上下端自由位移、易变形。反复大热负荷致塑性应变累积、大变形。过长 stave、螺栓位置不当或超设计热负荷下，上端变形达50mm以上并断裂焊缝。

高可靠性、低成本： 基于铸铁 stave 制造经验，开发钢管嵌入铜铸件的铸造技术。新型铸入钢管铜 stave 优势：(1) 高纯铜铸造保证同等高冷却能力；(2) 嵌入钢管免除铜焊接水道，消除漏水风险；(3) 铸造和嵌管允许 stave 形状和水道布局更大设计灵活性；(4) 低成本。

抗变形特性： 图7所示，铸入钢管铜 stave 除螺栓外，两端保护管有气密盒，对 stave 上下端施加位移约束。保护管铸入 stave 本体，无断裂风险焊缝。钢管刚度大于铜，作为骨架提供更抗变形结构。内表面做成凹凸面：轧制铜 stave 矩形截面致远离水道处温升；铸入钢管 stave 凹凸面使内表面到各水道距离近似恒定，实现均匀冷却，减小内外表面温差，抑制热应力和变形。大热负荷下轧制铜 stave 内表面产生压缩塑性应变导致变形；铸入钢管 stave 凹凸面隔离压应力作用，抑制塑性应变。凹凸面降低作用于 stave 的应力应变，抑制变形。且用钢管形成水道，免除轧制铜 stave 必需的塞焊和管连接焊，避免结构薄弱焊缝断裂风险。

抗磨损设计

铜 stave 利用高冷却能力形成结痂防磨损，避免下降物料直接接触。但结痂常因操作波动脱落。无结痂时磨损取决于接触力、下降速度、硬度、形状。对策包括：稳定保持结痂、减小无结痂时接触力和下降速度、不降低铜硬度。轧制铜 stave 机加工凹槽；铸入钢管 stave 整体铸造肋条，可按需成型。铸入铜 stave 通常采用向上肋结构抗磨。铜硬度取决于冷却能力。

无结痂时轧制铜 stave 肋条小，物料进入肋间难移动，下降不受肋影响。铸入钢管 stave 肋条朝上且大，进入肋间的物料被排回炉内形成流动（载荷传递），向上流动将 stave 前物料推回，降低肋尖接触力和下降速度。

设计灵活性优势

除延寿命、节能技术优势外，铸入钢管铜 stave 具高设计灵活性。高炉现用铸铁 stave 或冷却板损坏需利用现有炉壳开口更换铜 stave 时：轧制铜 stave 钻孔水道布局受限，难以自由按现有开口定制水道；铸入钢管 stave 用弯形钢管形成水道，可灵活按现有炉壳开口布局钢管。图8展示铸入钢管铜 stave 冷却水道布局高灵活性。

冷却系统布置与水循环

水冷系统通常设计为闭式循环而非传统开式系统。这允许管路化学清洗，全程控制水质保持洁净表面，确保最大传热。冷却管与炉壳密封技术趋向更薄、更软的金属膨胀节。平板冷却器和 stave 均增加橡胶弯头和软管使用。

平板冷却器典型采用独立串联供水。Stave 冷却器通常按水管数量设置多组独立进回水集管，单一供水系统故障时其余 stave 管仍获足够冷却。鼻部和角部管路接入额外水路。

冷却水循环回路类型

高炉生产率提升伴随高效冷却系统需求增加。高性能冷却系统确保高应力下工艺平稳运行。高负荷区需可靠有效冷却方案。高炉冷却系统通常采用三类冷却回路：

闭式冷却回路

通常设计为两至三个氮气加压闭式水循环强制循环回路。优势：(1) 可用处理软化水运行；(2) 无管路和冷却元件腐蚀、结垢、堵塞；(3) 化学药剂成本低；(4) 低水耗；(5) 无环境空气氧接触；(6) 极灵敏泄漏检测；(7) 可调氮压提高冷却水蒸发温度（如8bar压力下蒸发温度170℃）；(8) 低电耗，泵仅克服压降无需考虑高差；(9) 不同冷却元件流量易调节控制；(10) 低维护成本；(11) 回路设备和冷却元件寿命长，高可用性保障高生产率。

组合闭式冷却回路

经济、高效、可靠、安全的方案。冷却水串联冷却不同冷却元件块，仍满足各元件运行要求。总流量大幅降低，水温差仍在可接受范围，冷却塔高效运行。

半闭式/开式冷却回路或蒸发冷却回路

可根据现场条件选用。主要适用于现有高炉最低成本改造升级。