文/高妍 毛艷玲

一代材料，一代裝備。這句話不僅適合航空航天、軍事等高端制造業(yè)，同樣適用于現(xiàn)代基礎(chǔ)工業(yè)。

對于高爐煉鐵企業(yè)來說，高爐壽命關(guān)乎企業(yè)效益與長遠(yuǎn)發(fā)展，而影響高爐壽命的關(guān)鍵設(shè)備是冷卻壁。冷卻壁的材質(zhì)與制造工藝的迭代升級，對延長高爐壽命至關(guān)重要。

高爐不同冷卻部位，有不同的冷卻需求，需要不同材質(zhì)。高爐的冷卻壁材質(zhì)主要有銅冷卻壁和鑄鐵冷卻壁兩類。銅冷卻壁多用于熱負(fù)荷較高的爐腹、爐腰和爐身下部區(qū)域，鑄鐵冷卻壁則多用于爐缸區(qū)域。但它們在生產(chǎn)使用中存在要么導(dǎo)熱系數(shù)低、制造困難，要么抗變形性能差等問題。高爐大型化、高效化的發(fā)展，對高爐冷卻設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)。

發(fā)展能夠有效延長高爐高熱負(fù)荷區(qū)壽命的高導(dǎo)熱、抗變形冷卻壁，越來越成為行業(yè)亟需。

為此，北京科技大學(xué)張建良教授帶領(lǐng)團(tuán)隊與河北萬豐冶金備件有限公司深度合作，根據(jù)行業(yè)發(fā)展要求及冶金冷卻設(shè)備工作可靠、長壽、環(huán)保的要求，聯(lián)合研制開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的爆炸焊接銅鋼復(fù)合冷卻壁生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)了冷卻壁生產(chǎn)工藝的重大突破，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

作為煉鐵新技術(shù)科研團(tuán)隊負(fù)責(zé)人，張建良帶領(lǐng)一只由校內(nèi)老、中、青教師和一些國內(nèi)知名煉鐵專家作為顧問的科研隊伍，先后主持或參與了國內(nèi)外科研項目130余項，在煉鐵新技術(shù)、新工藝以及過程優(yōu)化研究等領(lǐng)域積累了豐碩的成果與經(jīng)驗。銅鋼復(fù)合冷卻壁的開發(fā)與應(yīng)用，便是其團(tuán)隊所取得的諸多創(chuàng)新型成果之一。

張建良介紹，銅鋼冷卻壁區(qū)別于以往的單純鑄鋼或純銅冷卻壁，創(chuàng)新性的采用無氧銅和鋼兩種材料，利用爆炸焊接技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，冷卻壁壁體前熱面部分是銅，保證冷卻壁的傳熱能力；壁體水道后部分采用鋼結(jié)構(gòu)，保證冷卻壁在高溫度環(huán)境下不發(fā)生撓度變形。如此，便能夠同時發(fā)揮出銅的高導(dǎo)熱性能和鋼的高強(qiáng)度性能。

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首先，選擇優(yōu)質(zhì)母材。

經(jīng)過反復(fù)試驗，他們最終選定了TU1無氧銅板材和Q345R低合金高強(qiáng)鋼板材為母材。在高溫、高壓等條件下，銅與鋼兩種母材在結(jié)合界面處產(chǎn)生塑性變、原子擴(kuò)散等，相互之間緊密結(jié)合形成一種新型復(fù)合材料。由于復(fù)合板是由不同材料復(fù)合而成的，與組成其的單一材料相比，在實際生產(chǎn)中，能充分發(fā)揮其組成材料的物理化學(xué)、力學(xué)和耐腐蝕等性能，即具有優(yōu)異的綜合性能。

其次，創(chuàng)新性的采用爆炸焊接技術(shù)。

這是整個工藝流程的核心環(huán)節(jié)。這種專門用于制造金屬包覆材料的技術(shù)，適合焊接異種金屬。爆炸焊接技術(shù)能夠在冷卻壁冷面整體復(fù)合一定厚度的特制耐熱鍋爐鋼板，使銅材與鋼板之間形成良好的結(jié)合界面，利用高強(qiáng)鋼提高冷卻壁的抗變形能力。

同時，采用爆炸焊接技術(shù)，利用其瞬間的高能量使銅材和鋼板實現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，形成明顯的波狀界面，能夠大幅度提高兩種材料的結(jié)合強(qiáng)度。一般情況下，銅鋼結(jié)合界面的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能介于基材和覆材之間，通過參數(shù)控制可實現(xiàn)界面的性能優(yōu)于銅和鋼。

再次，通過爆炸焊接技術(shù)復(fù)合在一起的銅鋼復(fù)合板，經(jīng)充分冷卻后，再進(jìn)行超聲波探傷、水道加工、熱處理、水壓測試、成品驗收及加工等一系列后續(xù)處理，最終得到銅鋼復(fù)合冷卻壁成品。

銅鋼復(fù)合冷卻壁的冷卻壁熱面為高純銅材質(zhì)，充分利用純銅的高導(dǎo)熱性能，保持銅冷卻壁的熱面溫度較低，低于其蠕變溫度。與鑄鋼、鑄鐵冷卻壁相比，銅鋼復(fù)合冷卻壁由于復(fù)合冷卻壁熱面應(yīng)用了導(dǎo)熱率很高的銅材，冷卻壁壁體溫度較低，有利于冷卻壁長壽。同時，較低的壁體溫度使得其變形量小于純鑄鋼或鑄鐵冷卻壁。與傳統(tǒng)純銅冷卻壁相比，二者壁體溫度大致相當(dāng)，但由于復(fù)合冷卻壁冷面鋼材對銅變形的限制作用，冷卻壁整體變形量較小。

值得一提的是，銅鋼復(fù)合冷卻壁最大的特點，是減少了銅材的使用比例，大幅降低了原料成本，同時，由于冷卻壁抗變形能力提高，彎曲變形情況減少，可有效延長冷卻壁壽命，減少高爐中修次數(shù)，可大幅節(jié)約運行成本和維護(hù)費用。

這一新開發(fā)的銅鋼復(fù)合冷卻壁，能夠充分發(fā)揮銅的高導(dǎo)熱性能和鋼的高強(qiáng)度性能，并且節(jié)約大量的金屬銅，降低冷卻壁制造成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用范圍，同時也符合建設(shè)資源節(jié)約型社會的發(fā)展方向。而采用爆炸焊接工藝生產(chǎn)的銅鋼復(fù)合冷卻壁質(zhì)量穩(wěn)定可靠，可以使高爐冷卻系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠，給鋼鐵企業(yè)設(shè)備運行創(chuàng)造良好的條件。

如今，該技術(shù)生產(chǎn)出的銅鋼復(fù)合冷卻壁已獲得廣泛推廣應(yīng)用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2007年，宣鋼1號300m3高爐進(jìn)行了銅鋼復(fù)合冷卻壁工業(yè)試驗，在爐腹區(qū)安裝兩段銅鋼復(fù)合冷卻壁，前后共運行34個月。

運行期間，1號高爐爐腹煤氣溫度為1440℃，兩段銅鋼復(fù)合冷卻壁壁體溫度波動區(qū)間分別為40℃～65℃和50℃～75℃，進(jìn)出水溫差保持在4.5℃～7.5℃之間，冷卻水量為7～8h/t，流速約為1.5m/s。圖1是從宣鋼1號300m3高爐取下的銅鋼復(fù)合冷卻壁，可以看出冷卻壁受熱面棱角分明，完好無損，說明該冷卻壁冷卻效果良好，達(dá)到了理想的掛渣效果。

圖1 宣鋼300m3高爐拆下的銅鋼復(fù)合冷卻壁

到目前為止，銅鋼復(fù)合冷卻壁已先后在宣鋼1#300m3高爐、包鋼2#1780m3高爐、承鋼4#2500m3高爐、首鋼京唐2#5500m3高爐、邯鋼7#2000m3高爐、安鋼1#2200m3等高爐上推廣應(yīng)用，其中承鋼2座2500m3高爐爐腰、爐腹及爐身下部四段共180塊冷卻壁全部使用銅鋼復(fù)合冷卻壁。應(yīng)用幾年來，爐況穩(wěn)定順行，冷卻壁熱電偶溫度及熱流強(qiáng)度長期維持在正常水平，實現(xiàn)了連續(xù)平穩(wěn)運行，冷卻壁零損壞。

同時，該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益上也表現(xiàn)強(qiáng)力。以一座2500m3高爐采用銅鋼復(fù)合冷卻壁為例，它的中修即可節(jié)約銅材0.7t，折合直接節(jié)約投資成本630萬元。更重要的是，銅鋼復(fù)合冷卻壁使用壽命為12年，可減少高爐中修次數(shù)1次約1430萬元。

“我國現(xiàn)有容積1000m3以上高爐400余座，按每年10%的中修率進(jìn)行估算，每年有1000m3以上高爐約40座需要中修。若銅鋼復(fù)合冷卻壁按20%的普及率估算，則創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益約為16480萬元?！?/p>

“冷卻壁的損壞除與冷卻壁本身的性能有關(guān)外，受高爐操作及原燃料影響較大，尤其是渣皮質(zhì)量，因此，保證較好的原燃料質(zhì)量和穩(wěn)定的高爐操作，使冷卻壁表面形成穩(wěn)定的渣皮是延長冷卻壁壽命的關(guān)鍵?！睆埥紡?qiáng)調(diào)。

優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、長壽，已經(jīng)成為高爐生產(chǎn)的發(fā)展方向。未來，張建良將帶領(lǐng)團(tuán)隊繼續(xù)攻關(guān)，研發(fā)出更多更優(yōu)質(zhì)的材料與更契合生產(chǎn)實際的創(chuàng)新工藝。