引言

随着现代钢铁工业高炉冶炼强度持续提升，高炉一代炉役寿命突破15~20年已成为行业核心技术目标。冷却壁作为高炉本体最重要的冷却设备，其使用寿命直接决定了高炉的整体运行周期。然而，炉腹、炉腰等区域长期承受高温、热震、化学侵蚀和物料冲刷的耦合作用，传统镶砖冷却壁因砖缝存在、整体强度不足、热震稳定性差等固有缺陷，极易发生破损，成为制约高炉长寿的关键瓶颈。

在此背景下，冷却壁热面浇注造衬技术应运而生。该技术最早是由乌克兰某高炉采用的非金属冷却演变而来，到国内经过各大设计院、各大高校以及国内外各大材料研发企业验证并实际应用下，通过在冷却壁热面整体浇注高性能复合浇注料，形成致密、无接缝的保护层，从根本上解决了传统砖砌结构的渗漏与破损问题。该技术已在国内外一百二十余座大中型高炉上得到成功应用。

技术原理与材料体系

1.1 技术原理

冷却壁热面浇注造衬技术的核心思想是“提前形成人造渣皮”。该技术将高强度陶瓷纤维浇注料整体浇注在冷却壁的热面上，使冷却壁提前形成一层人造渣皮来保护冷却壁，达到延长冷却壁使用寿命的目的。与传统镶砖结构相比，热面浇注结构具有以下优势：

图1  冷却壁浇注工艺示意

整体性强。浇注层与冷却壁通过锚固件形成机械互锁，结合紧密，无砖缝、无间隙，从根本上消除了传统砖砌结构中砖缝成为侵蚀通道的问题。

适应性强。浇注料可根据高炉不同区域的工况定制配方，灵活调控其导热性、抗侵蚀性和耐磨性，适配性远超定型耐火砖。

热应力小。浇注层与冷却壁热膨胀系数匹配合理，避免了传统镶砖因热膨胀差异导致的剥落和开裂。

延展自修复功能。利用金属（Si/Al）的延展性实现塑性成型，利用高炉内的氮化及还原气氛在使用中原位合成Si₃N₄/SiAlON高温增强相，与非氧化物基材形成完美镶嵌结构，使材料在使用过程中具备自修复功能。

1.2 材料体系

该技术针对高炉不同区域的工况特点，开发了差异化的浇注料体系。

炉腹炉腰区域采用HXNM-TICTC塞隆复合材料。该材料以碳化硅加氮化硅为主、添加复合纤维，具有韧性大、强度高、耐渣铁侵蚀和抗碱性侵蚀等优异性能，替代传统的Si₄N₃-SiC镶砖，有效应对该区域的高热负荷和复杂化学侵蚀。冷却壁浇注料采用致密电熔刚玉作骨料，以氧化锆及α-Al2O3粉作基质，外加复合耐热纤维配制而成，浇注后的冷却壁整体性大大增强，具有强度高、韧性好、热震稳定性好、抗剥落及耐磨性能强等特点。

炉身中上部区域采用HXNM-GLTC高强复合材料。该材料以刚玉为主添加复合纤维，具有耐磨、强度高、韧性好、耐机械磨损和抗热震等特性，替代传统的浸磷酸黏土砖。

关键结合剂采用改性硅溶胶体系。利用改性硅溶胶结合剂实现耐火材料的塑性成形，充分发挥金属材料和非金属材料各自的优势，使冷却壁的热面能够很好地形成渣皮保护作用，大幅提高冷却壁的使用寿命。

此外，材料体系还分别应用了金属-非氧化物复合材料体系（金属塑性相工艺理论）、氧化物-非氧化物复合材料体系（过渡塑性相工艺理论），以及金属-氧化物-非氧化物复合材料体系，为该技术的持续优化奠定了坚实的理论基础。

结构形式与施工工艺

2.1 结构形式

冷却壁热面浇注技术可根据高炉容积与冶炼需求，适配不同的结构配置。

全铸铁冷却壁+浇注料复合结构主要适用于中小型高炉。部分高炉冷却壁采用球墨铸铁冷却壁，炉腹、炉腰等高热负荷区设计双层水冷管，炉身上部配备2~3段倒C型无凸台铸铁冷却壁。冷却壁内侧直接浇注耐火材料，厚度控制在150~250 mm；开炉前安装100~130 mm锚固件，形成双重防护，确保在平面冷却壁上有足够的结合力。

铜冷却壁+铸铁冷却壁+浇注料混合结构主要适用于大中型高炉。在炉腹、炉腰、炉身下部等冶炼核心区采用铜冷却壁，其导热系数是球墨铸铁的10余倍，单层水冷即可满足散热需求；炉身上部搭配球墨铸铁冷却壁，兼顾经济性与可靠性。铜冷却壁与浇注料采用热镶一体化工艺消除间隙，高热负荷区选用氮碳结合浇注料，铜冷却壁可在渣皮脱落后20分钟内完成复建，大幅提升高炉抗波动能力。

2.2 施工工艺

冷却壁热面浇注的施工工艺主要包括以下环节：

准备工作。停炉后将高炉料线降至施工区域以下，炉内降温通风，清理残留物料和旧炉衬，对冷却壁表面进行打磨处理，并合理布置锚固件以保证浇注体与冷却壁的可靠结合。

支模并安装锚固件。依据设计炉型搭设脚手架，安装浇注模具及锚固件，确保模具位置准确、固定牢固，以满足炉型尺寸的精确控制。

搅拌与浇注。采用强制式搅拌机将浇注料与结合剂按配比充分混合，严格控制搅拌时间和加水量。浇注过程需连续作业，采用自流成型工艺，严格控制物料的流速流量，保证连续不间断。

振动排气。浇注时对浇注体进行振动排气处理，以降低气孔率，提高结合强度和致密度。

养护与烘炉。浇注完成后进行自然养护，待浇注料达到足够强度后依据烘炉曲线进行烘炉，以保证材料的强度等性能充分实现。

该工艺可根据需要采用炉内同步浇注或炉外预制浇注两种方式，具有较强的现场适应性和施工灵活性。

2.3 关键技术难点

冷却壁热面浇注施工涉及以下关键技术难点：

炉型尺寸的精准控制。浇注后炉型即等于全炉役操作内型，必须确保模具精度和浇注体尺寸的严格一致性。冷却壁浇注的炉衬致密整体性决定了其设计内型即为全炉役操作内型，内衬侵蚀后炉型变化极小，因此内型设计需直接对标传统高炉的最佳操作炉型。

浇注料的泵送与自流性能。大型高炉施工时内径大、自流距离长，要求浇注料具有良好的流动性和泵送性能，同时需避免离析和分层现象。

不同区域材料的合理配置。高炉各区域工况差异显著，需要根据炉腹、炉腰、炉身等不同部位的侵蚀特点，合理选配不同类型的浇注料，实现材料性能与工况需求的最优匹配。

烘炉制度的合理制定。烘炉过程直接影响浇注料的强度发展和微观结构形成，必须严格遵循烘炉曲线，控制升温速率和保温时间，确保材料性能充分实现。