【获奖成果】高温金属冶炼用铜钢复合冷却器研发及产业化应用

高温金属冶炼工业是国民经济重要基础产业，为国家建设提供了重要原材料保障，但同时也面临着严重的安全问题。金属冶炼设备安全性不仅关系到人民福祉，还关系到经济社会发展大局，因此，确保冶炼设备的安全是现代高温金属冶炼行业发展的必然需求。在设备方面，冷却设备质量和冷却系统效率是决定冶炼设备寿命的“先天因素”，随着新常态下冶炼强度提高和原燃料质量波动，传统的冷却设备难以满足全炉役周期冶炼需求，严重制约行业安全低碳发展。

如何充分发挥铸铁冷却壁的高强度性能以及铜冷却壁的高导热性能，尤其是如何实现大面积、超厚度、均匀化复合铜钢两种异种材料是爆炸焊接领域的关键难题。张建良教授团队深入一线工厂实地调研高温金属冶炼过程冷却性能、耐高温、耐腐蚀性能等，并根据需求对材料的物理、化学和机械性能，包括热膨胀系数、热传导性、强度、耐腐蚀性等进行分析研究，在此基础上对冷却通道的布局、厚度分布和连接方式等冷却器结构进行设计，确定焊接工艺，并通过实验和数值模拟，优化焊接参数。通过10余年的学科交叉合作和产学研用攻关，突破性地将爆炸焊接技术引入冷却器制造行业，一举解决单种材质自身性能制约冷却装备水平发展的瓶颈问题。相关成果获教育部颁发的高等学校科学研究优秀成果奖二等奖。

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直面问题  大胆创新

高温金属冶炼用冷却器主要有铸铁冷却壁和铜冷却壁，然而，单种铸铁冷却壁导热效果差，单种铜冷却壁抗变形能力弱。张建良团队建设性地将爆炸焊接技术引入铸铁和铜的复合冷却器制造行业，充分发挥两种材料的优势并弥补其不足之处。在惰性环境、高温（150～500℃）及高压（50～500MPa）的条件下，将铜板与钢板板面相对，利用炸药爆炸驱动复板与基板产生高速斜碰撞，在材料接触面上剥离并喷出微量的金属射流，产生“自清理”作用，使焊合面露出无污染的洁净金属本体，形成铜钢复合冷却壁坯体，保障铜钢复合界面结合过渡层为波状结合。

图1 铜钢复合冷却器爆炸焊接过程

为优化铜钢复合冷却壁的传热能力和抗变形能力，采取有针对性结构优化。通过构建“马蹄形”水道，有效增大冷却比表面积，强化传热效果，保障高炉设计对燕尾槽及镶砖的尺寸要求。铜板的临界厚度维持在 60~70mm 时，铜钢复合冷却壁（77486.611W）能维持纯铜冷却壁（78400.416W）相当的传热效率。当钢板厚度为22mm 时，铜钢复合冷却壁的变形量可降低为铜冷却壁的1/2。继续提高钢板厚度，仍可进一步降低冷却壁的变形量，实现了铜钢复合冷却壁结构强度和传热效果的协同强化。

图2 铜钢复合冷却壁水道设计创新示意图

爆炸过程中 Fe-Cu 原子激烈碰撞后，Cu 基体产生巨大 的内部应力，在去应力退火过程中，在 Cu 基体中形成退火孪晶。在界面处呈现一个幅度在 300~600 μm，波长在 1~2 mm 之间的典型波状形貌。爆炸焊接在铜/钢界面处产生典型波纹结构，增加结合面积，减少较大的尺寸缺陷的产生。铜钢过渡层区域形成的超细晶引起的 Hall-Petch 硬化和由于 Cu 和 Fe 原子的固溶体引起的固溶强化效应的结合是保障铜钢复合冷却器具有优良性能的基础。

图3 铜钢复合板显微结构及力学性能

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十年风雨，一朝剑成

张建良教授团队基于单种材料性能互补理念，通过多学科交叉和产学研用合作，突破性地将爆炸焊接技术引入冷却设备制造领域，首次开发出在国际上具有自主知识产权的铜钢复合冷却设备全流程、规模化 工艺生产线，成功攻克超厚板复合焊接技术难题，配套开发设计新型冷却水道与供水模式，建立安全服役热态试验平台。这一系列的创新举措解决了单种材质冷却器抗变形能力差与导热系数低的问题，形成了完善的铜钢复合冷却器全套制造规范和检测标准。

同时，张教授团队率先提出了铜钢复合冷却器理念，并将爆炸焊接技术应用于冷却壁开发；首次建立了模拟高温冶炼实际工况的冷却器安全服役热态试验平台；项目成果具有三高一低特点，即为“高传热能力”、“高抗变形能力”、“高性价比”及 “低铜耗”。项目技术成果铜钢复合冷却壁已先后在河钢股份承德分公司、首钢京唐、唐山瑞丰内蒙古包钢、邯钢龙山钢铁、莱钢等企业大型高炉上推广应用。目前累计创造经济效益8.84亿元。

面对高温金属冶炼领域的技术挑战，他们勇敢面对，勇往直前，不知疲倦地探索、实验、改进，他们顽强的毅力和无限的创新精神，不仅提高了冶炼效率，也降低了资源消耗。对科技的尊崇，对国家工业的忠诚，指引着他们为科技创新而努力奋斗！

来源: 科转院

转自：“北科科研”微信公众号

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