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在实际生产中，高炉部分区域工况及其恶劣，高炉整体结构中的炉腹、炉腰以及炉身下部这些部位经常受着高热流的冲击，炉衬须同时承受强烈的高温气流冲刷、炉料的磨损及炉渣的侵蚀。强化冶炼时炉料结构的变化及操作的不稳定等引起反复热冲击、挤压、磨损、化学侵蚀。这一系列状况都会加速耐材的侵蚀和冷却设备的损坏，严重时导致冶金高炉停炉检修，直接降低高炉的产量和寿命。

通用的解决方法是对这些部位设置冷却装置，加强对它们的保护，以此来维持炉体长期稳定连续作业。最佳的方式是在砌砖间埋设冷却水水套（现实生产中，有色冶金炉上称为水套，在炼铁高炉中称为冷却壁）。

冷却水套，作为一种水冷的冷却设备用于冶金炉或者高炉上，它可以替代耐火材料。它不仅本身能够抵抗高温、机械化冲刷以及化学腐蚀，更为重要的是，由于它的冷却作用保护了覆盖在其周身的耐火材料，延长使用寿命，从而确保生产高效连续进行。

作为高炉的关键部件，冷却水套在高温状态下工作条件非常恶劣，其破坏形式是在高温交变热应力作用下引起开裂漏水，使得高炉被迫停炉大中修。要延长冷却壁使用寿命必须选择合理的材质，水套的冷却性能直接影响到高炉大修的期限及其寿命。

当前，高炉或者冶金炉的炉身、炉腰、炉腹以及风口等部位的重要位置均安装着冷却水套，冷却水套在高炉上应用见下图所示。

冷却水套在高炉上的应用示意图

铜管水套是冷却水套的一种，冷却水套据水套本体制造材质主要分为铸铁水套、钢水套和铜水套三大类。

铜水套在有色冶金炉和高炉中逐步取代铸铁水套和钢水套。相比二者，铜水套有着优异的性能。铜有着优良的力学、物理性能。见下图所示：

与铸铁冷却水套和钢水套相比，铜冷却水套有以下技术特点：

（1）高导热性能。铜相对铸铁和钢最突出的的优势在于导热性能好，散热快。铸铁冷却水套的导热系数低，且在温度升高其导热系数下降，700℃时仅22.5W/（m.K）。铜冷却壁的导热系数是铸铁的12~15倍，比钢也高出很多。实际应用表明，铜冷却水套在工作时其表面温度非常十分低并且非常稳定，水套本体和水通道表面正常情况下也保持仅仅15~20℃的温差，短时最大温差都不超过100℃，不会产生较大的热应力，很难产生裂纹。使用一代炉龄后的铜冷却壁均无裂纹出现，延长了使用寿命。

（2）良好的抗热震性能。就铜自身性能而言，铜具有比较高的延伸率，使得铜冷却水套具有良好的抗热震性能。此外，铜冷却水套在工作时会形成稳定的渣皮，渣皮脱落时，又能够迅速的重新生成渣皮。大量实践证明，铜冷却水套仅需20~30min即可重新生成渣皮，铸铁要生成渣皮需要长达4~5h。渣皮损坏、脱落再生成的过程中，渣皮形成的速度随着冷却设备温度的降低加快，冷却设备需要承受的热疲劳周期也就相应的缩短。铜冷却水套发生的这一个过程时间短，这也使得它具有很好的抗热震性能。

（3）良好的抗热流冲击性能。因为冷却水套本体与水管之间存在气隙或者涂炭层，铸铁冷却水套热量需要传递到水管再传递到冷却水。而铜冷却水套工作时，热量直接传递给冷却水，其抗热冲击性能良好。更为重要的是，铜冷却水套有着良好的导热性。因铜冷却水套是靠渣皮在炉内工作的，其渣皮实际导热系数非常小，相当于起到了隔热的效果，使得传到铜冷却水套的热流强度以及热负荷大大降低。

铜冷却水套已经在很多大型的高炉上使用，在实际生产中充分考验了这项新技术。人们也对铜冷却水套有了新的认识，铜冷却水套必将成为一种趋势，得以广泛运用。

铜冷却水套应用于工业生产的主要有三种制造方法制造铜水套：轧制铜板钻孔冷却水套、使用芯棒的连铸水套、预埋铜管和合金管铸铜冷却水套。

即在锻造的纯铜厚板上钻（镗）孔成型冷却水通道，然后焊接上钢管制造而成。采用这种工艺制造出来的铜水套材质更致密、强度更高。而且由于是直接钻孔成型出来，传热最直接，导热性更好。不过所需钻孔异型，深孔加工极其困难，制造成本非常高，水套内部要想自由布置冷却通道很难。而且其封头如果处理的不够仔细很容易在高温度应力的作用下发生渗水、漏水。一旦发生这样的情况，实际生产中危险性极大。轧制铜板冷却水套是研究最早也是最成熟的。现有的铜水套采用这种制造方法的比较普遍。但是其制造费用是非常高的，加之近年来这种铜冷却水套时有发生引出导管和堵头出现漏水的情况，给实际生产造成了巨大的隐患。

即冷却水通道是在连铸时直接铸造成型的。这种铜冷却水套因没有经过轧制，其致密性比较差，其导热性能较轧制钻孔冷却水套要差。这种方法制造出来的冷却水套表面质量不好极易出现折皱。实际应用中，这种方法制造的铜冷却水套正逐步被淘汰。

即冷却水套的进、出水导管和水套内的冷却水通道用的是一根完整的铜管预埋在铸型内成型，然后向铸型内浇注铜液，浇铸冷却后，预埋的铜管或者合金管和水套本体熔为一个整体。这种工艺制造的铜冷却水套有以下一些特点：

（1）埋管式铜冷却水套采用的是整根铜管或者合金管弯制成型作为冷却水通道，预埋管直接穿出冷却水套相接于炉壳外冷却水循环系统的水管，不需要堵头更不用焊接，不会存在漏水这一重大隐患，安全可靠。预埋的水管采用圆弧弯制，预埋管内壁光滑，冷却水的运行阻力小，散热强度大这是埋管式铜冷却水套最大的特点。

（2）相比于轧制铜材钻孔冷却水套，埋管式铸铜水套可以满足不同的客户需求，可以铸造成圆弧面，其铁口等特殊形状区域还可设计成缺口形。如果采用钻孔制造是非常困难的。其冷却水通道以及热面燕尾槽可实现一次铸造成型，很大程度上简化了制作工序，制造成本大大降低，能源消耗也显著减少制造周期缩短，有利于批量生产。

（3）实际热态实验结果证明，埋管式铸铜冷却水套所能够承受的热负荷比较高，满足高炉的热负荷区域的使用要求绰绰有余。^[1]