1 前言
高炉是钢铁生产中最核心的装备，冷却系统则是保障高炉安全运行与延长一代炉役寿命的关键子系统。高炉冷却技术经历了从原始水淬冷却到现代智能化冷却的漫长演进，每一次技术迭代都深刻影响着炼铁工业的经济性、安全性与可持续性。本报告以冷却壁为核心，系统梳理高炉冷却技术的发展脉络，分析各类冷却设备的技术原理、应用现状与发展趋势，结合智能监测、绿色低碳等前沿方向，为高炉冷却技术的优化选型与创新发展提供参考。

2 高炉冷却技术概述

2.1 冷却系统的基本功能与结构

高炉冷却系统的核心功能可概括为：导出炉内高温热量、保护炉壳免受过热、维持合理炉型、支撑耐火材料内衬。高炉内部冶炼温度高达2000℃以上，若不采取有效冷却，炉壳将迅速失效，高炉无法长期稳定运行。

一套完整的高炉冷却系统通常包括炉体冷却壁、风口冷却装置、炉底冷却系统、热风阀冷却等若干子系统的协同配合。其中，冷却壁作为最主要的炉体冷却设备，安装在砖衬与炉壳之间，通过面式冷却将高炉内传递出的热量顺畅地导出。

2.2 冷却技术的发展阶段

高炉冷却技术的演进大致可划分为四个阶段：

第一阶段（20世纪前中期）： 以炉壳直接喷水冷却为主，冷却效果粗放，热损失大，炉体寿命较短。炉缸和炉底采用风冷或自然冷却，冷却能力极为有限。

第二阶段（20世纪60—80年代）： 铸铁冷却壁开始广泛使用，冷却水管铸入铸铁本体内，形成面式冷却结构，冷却效果显著改善。同时，冷却板结构在一些高炉上获得应用，形成板壁结合的早期探索。

第三阶段（20世纪80年代末—21世纪初）： 铜冷却壁技术问世并快速推广，软水密闭循环冷却系统取代开路工业水冷却，冷却效率大幅提升，高炉寿命由原来的5—8年逐步提升至15年以上。

第四阶段（21世纪10年代至今）： 智能监测技术、复合冷却结构、全炉浇注炉衬、AI炉况诊断等新兴技术进入工业应用，冷却系统从“被动冷却”向“主动控制”和“预测维护”转型。

3 冷却设备的技术演进

3.1 铸铁冷却壁
铸铁冷却壁是高炉冷却中最古老也最广泛应用的冷却设备。典型的铸铁冷却壁以球墨铸铁为基体，内部铸造嵌入冷却水管，通过强制水冷将热量导出。铸铁冷却壁具有制造成本低、加工工艺成熟、托砖能力强的优点，适用于炉身上部、炉缸及炉底等热负荷相对较低的区域。
然而，铸铁冷却壁的局限性也十分突出：导热系数仅为纯铜的1/10左右，在高热负荷区冷却能力不足；当壁体温度超过400℃时，热应力显著增大，机械强度急剧下降；此外，铸铁基体与冷却水管之间存在不可避免的气隙层，增加了传热热阻，限制了冷却效率的进一步提升。
为解决上述问题，铸铁冷却壁的技术改进主要集中在几个方向：提高比表面积至1.0以上，优化水管尺寸与断面形状，采用圆形水管Φ76×6mm和Φ80×6mm、控制椭圆形水管短长轴在0.4—0.5之间，适当增大“象脚”区域冷却壁尺寸。从全球市场来看，2024年铸铁冷却壁市场规模约13.1亿元，预计2031年将接近16.1亿元，年复合增长率约3.0%，表明该技术仍有持续的市场需求。

3.2 铜冷却壁

铜冷却壁被誉为现代高炉冷却技术的里程碑。该技术由德国企业于20世纪70年代末研发，1978年首次应用于高炉，1988年验证了其耐损性能。我国自20世纪90年代启动研发，2002年首次实现国产化应用，此后十余年覆盖国内近200座高炉，制造技术达到国际水平。2014年，国家标准GB/T 31048-2014正式颁布，系统规范了铜冷却壁的材料、工艺及检测标准。

铜冷却壁的核心优势在于其卓越的导热性能：纯铜的导热系数是铸铁或铸钢的9—14倍，内部冷却水管通过精密钻孔加工制造，无需高热阻涂层和气隙，传热效率远高于传统铸铁冷却壁。铜冷却壁正常可承受的热流强度为75.47 kW/m²，30 min内可承受最大热流强度达384.33 kW/m²，而铸铁冷却壁仅约70 kW/m²。实测结果表明，使用铜冷却壁的高炉日常平均工作温度仅为75—80℃，热面最高温度不超过127℃，温度趋势非常平稳，能够在壁体前保持稳定的渣皮保护层。铜冷却壁可在渣皮脱落后约13—20 min内形成新的渣皮保护层，大幅提升了高炉的抗波动能力。

然而，铜冷却壁在国内的应用并未完全达到预期。由于高炉运行环境恶劣，铜冷却壁普遍面临磨损、烧损、水管开裂等问题，实际使用寿命通常在5—7年之间，与高炉整体寿命15年以上的目标仍有较大差距。多家钢铁企业（如TI钢、A钢、XI钢、BE钢等）均出现铜冷却壁大批量损坏的现象，尤其集中在炉腰和炉身下部区域。

铜冷却壁破损的主要原因可归纳为三类：

· 化学侵蚀（“氢病”） ：铜冷却壁中含有的O与铜基体结合生成Cu₂O，与H接触反应生成水蒸气，导致基体膨胀产生裂纹，该侵蚀在150℃以下会明显缓解。
· 机械磨损：炉料因温度上升而膨胀，与冷却壁产生较大正压力；高温下铜的力学性能下降，在炉料冲刷作用下破坏严重。
· 热应力疲劳：炉况不稳引发渣皮反复脱落，冷却壁直接暴露在高温高压环境中，表面温度迅速升高，热应力和热形变剧烈增加，加速疲劳破损和裂缝扩展。

针对铜冷却壁过早破损的行业痛点，江苏沙钢钢铁有限公司与北京科技大学开展了系统性合作研究，从理论分析、设计优化、操作控制和在线监控等多方面入手，提出了基于高炉炉料自适应炉型理论的铜冷却壁长寿解决方案，成功将中型高炉铜冷却壁服役寿命延长至18年。

3.3 铜钢复合冷却壁

铜冷却壁虽然冷却性能优异，但纯铜材料耐磨性较差、价格昂贵。铜钢复合冷却壁应运而生，它通过将铜的高导热性与钢的高强度和耐磨性相结合，在保持良好冷却能力的同时显著提升了抗磨损性能与服役稳定性。

承德钒钛在国内率先开展铜钢复合冷却壁的工业应用探索。早在2017年5月，其4号高炉以铜钢复合冷却壁替代了原来的纯铜冷却壁，首开大型钒钛磁铁矿冶炼高炉采用铜钢复合冷却壁新技术的先河，取得了显著的运行效果。

铜钢复合冷却壁的技术难点在于铜铁复合界面的热力学耦合机制与微观结构演变控制。在高温服役条件下，铜与钢的热膨胀系数差异可能导致界面开裂或脱粘，因此复合界面的冶金结合质量是决定冷却壁性能与寿命的关键因素。

3.4 铸钢冷却壁

铸钢冷却壁是介于铸铁冷却壁与铜冷却壁之间的中间方案。铸钢的导热系数介于铸铁与铜之间，但强度高于铸铁，且不易发生石墨化脆化。2021年颁布的行业标准YB/T 4923-2021《高炉用铸钢冷却壁》正式规定了其技术要求和检验标准。铸钢冷却壁在一些对耐磨性要求较高、热负荷适中的区域具有较好的应用前景。

3.5 冷却板与板壁结合结构

冷却板属于点式冷却结构，与冷却壁的面式冷却形成互补。在板壁结合结构中，冷却板在深度方向对炉衬进行强化冷却，同时对冷却壁的薄弱部位起到保护作用。

板壁结合结构实质上是利用铜冷却板取代铸铁冷却壁的凸台，强化了铸铁冷却壁边角部位的冷却，改善了上下两段冷却壁交界处的冷却效果，同时利用铜冷却板对砖衬提供有效的支撑。该结构集成了冷却壁和冷却板的优点，克服了两者的技术缺陷，在20世纪末期曾受到国内外普遍关注。

然而，冷却板结构也存在固有缺陷：炉壳开孔多、易漏煤气，冷却板之间的炉壳区域易发红，炉体后期维护费用较高。随着铜冷却壁技术的成熟，板壁结合结构的应用逐渐减少，但在一些特殊炉型和改造工程中仍有采用。

4 冷却介质与循环系统的技术演变

4.1 从开路水冷到软水密闭循环

冷却介质的演进是高炉冷却技术发展的重要线索。早期高炉采用开路工业水冷却系统，冷却水直排，水资源消耗巨大，结垢问题严重，且冷却效果受水质波动影响大。工业水中溶解的钙镁离子在高温下析出形成水垢，附着在水管内壁，显著增加传热热阻，降低冷却效率，严重时导致水管堵塞或烧坏。

软水密闭循环冷却系统是解决上述问题的根本性方案。该系统采用脱除钙镁离子的软水作为冷却介质，在完全密闭的回路中循环使用，具有节水节能、冷却效果好、可靠性高、系统运行稳定的特点。软水密闭循环系统主供高炉炉底、冷却壁、直管及蛇形管、风口中套、风口小套、直吹管、热风阀等设备的冷却，避免了高炉直管及蛇形管的结垢现象，显著延长了高炉使用寿命。

4.2 冷却水的水力特性与流量分配

高炉冷却系统是一个典型的并联水管网络，冷却水量在各冷却壁之间的分配均匀性直接影响到冷却效果和炉体的温度均匀性。研究表明，并联水管间的冷却水量分配存在显著的不均匀现象，这是由水动力学特性决定的——水力阻力较小的支路分配到的水量更多，而阻力较大的支路则流量不足。

针对这一问题，现代高炉冷却系统在设计阶段就通过优化管路布置、设置调节阀门、采用分区供水等方式，尽可能减小流量偏差，确保各冷却壁获得足够的冷却水流量。

4.3 冷却水压力与安全要求

随着高炉冶炼的进一步强化，炉内热流强度的波动频繁，热震现象也较严重，对冷却水压的要求越来越高。行业实践表明，风口冷却水压力要求1.0—1.5 MPa，其他部位冷却水压力应比炉内压力至少高0.05 MPa，以防止炉内高压气体反窜进入冷却水系统。

5 重点区域冷却技术

5.1 高热负荷区（炉腹、炉腰、炉身下部）

炉腹、炉腰及炉身下部是整个高炉工况条件最为恶劣的区域，承受着高温煤气流、熔融渣铁流的冲刷以及剧烈的热冲击。该区域已成为高炉安全长寿运行的限制性环节。目前，该区域普遍采用铜冷却壁以提高耐久性。

在铜冷却壁的应用中，全炉浇注炉衬技术的引入进一步提升了冷却效果。全炉浇注的核心是“浇注料+冷却壁一体化耦合设计”，浇注料与冷却壁之间实现无缝贴合，从根本上解决了传统砖砌结构砖缝渗漏与破损的问题。在结构形式上，超大型高炉在炉腹、炉腰、炉身下部等高热负荷区采用铜冷却壁，配合氮碳结合浇注料，兼具高导热性与抗热震性，可支撑大型高炉实现20年以上使用年限的目标。

5.2 炉缸与炉底

炉缸和炉底是高炉冷却的另一个技术难点。炉缸承受高温铁水的长期浸泡和流动冲刷，一旦冷却失效，极易发生烧穿事故，造成重大经济损失和安全隐患。我国近年来出现了一批开炉几个月环炭温度就超限、2—4年内炉缸烧穿的事故案例，甚至包括花大价钱购买国外高档炭砖的大型高炉也未能幸免。

炉缸冷却通常采用在炉底砖下埋设水冷管的方式，炉缸侧壁则通过冷却壁进行冷却。炉缸的传热结构为“耐火砖+填料（捣打层）+冷却壁+炉壳”。服役过程中，填料层受波动热载荷和炉内压力的作用会出现龟裂和间隙，导致传热热阻增大、内衬温度异常升高，这是炉缸长寿的重要制约因素。

针对炉缸冷却的强化，一些高炉在“象脚”区域采用一段铜冷却壁以加强冷却。部分企业还开发了诱导侵蚀型炉底炉缸长寿技术，通过优化炉缸结构设计和炭砖选型，显著延长了炉缸使用寿命。

5.3 风口区域

风口是高炉冷却系统中的另一个关键部件，也是冷却失效风险最高的部位之一。风口小套直接面对高温燃烧区域，承受着极高的热负荷和热冲击。传统的风口冷却采用高压水冷，水压1.0—1.5 MPa，属于全炉压力要求最高的冷却部位。

近年来，风口冷却技术出现了一系列新进展：双腔式风口通过优化前腔水流量设计，从30 m³/h提高至38 m³/h，但单纯提高水流量对使用寿命的改善有限，需配合风口结构优化或增加热喷涂涂层；旋流式风口小套使冷却水优先冷却前端，显著提高冷却效果；此外，有研究提出颠覆性的风冷风口新工艺，采用金属陶瓷制作的复合式结构，以冷风代替水冷，彻底消除漏水事故隐患。

风口冷却的在线监测也取得重要进展。新型在线监控装置具备实时监测冷却水流量与风口温度的双重功能，通过内置涡轮流量计精准检测管路流速，配合可旋转数字显示屏，实现了高炉风口套关键部位冷却效能的动态可视化监控。

6 冷却系统的智能化与在线监测

6.1 水温差监测与热负荷计算

高炉冷却系统智能化管理的基础是全面的在线监测。高炉水温差系统是国内外最新检测系统，通过在冷却壁上安装高精度温度传感器和流量传感器，实时监测水温差及热流强度变化。系统能够将高炉圆周方向分为4个区域、纵向分为炉身上部、炉腹、炉腰、炉缸、炉底等多个部分进行热负荷模型计算，计算结果以实时数据和趋势画面给予显示。

基于热负荷数据的变化，系统还可进行炉壁结厚与渣皮脱落分析，在事件发生的第一时间向高炉操作人员提供明确信息报告。

6.2 冷却壁寿命预测与剩余厚度监测

铜冷却壁的过早破损问题催生了剩余寿命预测技术的发展。通过建立高精度的冷却壁剩余厚度预测算法，操作人员可以实时掌握冷却壁的磨损状况，实现预防性维护而非被动抢修。

基于热电偶埋设数据，有限元方法可用于计算炉底和炉缸壁的侵蚀线，为操作人员提供炉底侵蚀状态的参考画面。这些预测模型将冷却系统从“被动响应”升级为“主动管控”，大幅降低了非计划停机的风险。

6.3 高炉专家诊断模型与数字孪生

近年来，人工智能技术在高炉冷却监控中的应用日益深入。高炉专家诊断模型融合了人工智能、机理建模、多模态仿真等前沿技术，通过离线/在线布料仿真、气流分布诊断、炉热自学习、炉温趋势预测等模型，让操作者能直观“看”到高炉内部冶炼情况，并对炉况进行实时诊断、预警和操作建议。

更高阶的应用是数字孪生系统。该系统融合物联网、AI模型与专家知识库，构建“智控、可视、闭环”的高炉智能管理体系，综合风口预警、炉顶温度监测、炉缸侵蚀状态监测、煤气流场优化分析等功能，打通炉内温度、气流、燃料、炉衬耐火层等关键数据，实现从数据采集到智能决策的闭环管理。

在智能预警方面，系统采用深度卷积神经网络对高炉风口、炉缸等关键部位进行细粒度图像识别，能够精准检测风口挂渣、烧穿、停断煤、炉缸侵蚀等异常情况，预警准确率高达99%。

7 发展趋势与展望

7.1 材料复合化

冷却壁材料从单一材质向复合化方向发展的趋势日益明显。铜钢复合冷却壁已在大型钒钛磁铁矿冶炼高炉上成功应用，铸铁冷却壁镶嵌铜冷却条的复合结构也在多座新建和改造高炉中得到应用。未来，材料复合化将朝着界面冶金质量更优、结构形式更合理、综合性价比更高的方向演进。

7.2 冷却与炉衬一体化

全炉浇注炉衬技术的出现标志着冷却与炉衬从分离走向一体化。浇注料与冷却壁直接耦合的设计消除了传统砖砌结构固有的砖缝侵蚀问题，使冷却系统的热传导路径更为直接和高效。这种“浇注料+冷却壁”的一体化理念将逐步取代传统的“砖衬+冷却壁”分离式设计，成为长寿高炉设计的主流方向。

7.3 冷却系统智能化

冷却系统的智能化正在从监控层向控制层深度渗透。从水温差监测到AI炉况诊断，从人工巡检到数字孪生，冷却系统正逐步融入高炉整体智能制造体系。未来，冷却系统的智能控制将实现以下目标：

· 自适应冷却调节：根据热负荷实时变化自动调节冷却水流量和温度，在保证冷却效果的同时节约能耗。
· 全生命周期管理：从冷却壁投用到报废的全过程数字化跟踪，实现预防性维护和精准更换。
· 与主工艺协同优化：冷却系统的控制策略与布料制度、喷煤量等工艺参数深度耦合，实现全局优化。

7.4 绿色低碳方向

在“双碳”战略驱动下，高炉冷却技术面临绿色转型的新要求：

· 氢冶金挑战：随着高炉富氢喷吹技术的推广，冷却设备面临氢脆腐蚀的新挑战，对冷却壁材料提出了更高的抗氢性能要求。
· 节能降耗：软水密闭循环技术已大幅降低水资源消耗，但冷却系统的能耗优化仍有较大空间，如变频水泵、余热回收等技术的应用。
· 回收利用：铜冷却壁虽然一次性投资较高，但寿命结束后铜材可回收重复利用，全生命周期经济性优于铸铁冷却壁。

8 结语

高炉冷却技术经历了从铸铁冷却壁到铜冷却壁、从开路水冷到软水密闭循环、从经验操作到智能控制的多次跨越。每一次技术跃迁都推动了高炉寿命的延长和生产效率的提升，同时也带来了新的挑战和新的技术需求。

当前，我国高炉冷却技术发展面临的主要矛盾是：先进冷却设备的高性能与现场应用效果不匹配——铜冷却壁理论寿命15年以上，实际运行却普遍只有5—7年。这一矛盾倒逼行业从“设备选型”向“系统设计+操作优化+智能监控”三位一体的综合解决方案转变。

展望未来，高炉冷却技术将沿着“材料复合化、结构一体化、控制智能化、运行绿色化”的方向持续演进。在氢冶金等新工艺的驱动下，冷却技术将迎来新一轮的技术创新浪潮，为钢铁工业的高质量发展提供坚实支撑。