高效铜冷却设备是指应用于大中型炼铁高炉、大功率矿热炉、有色金属冶炼炉和高温化工反应炉等高温工业炉上，保护高温工业炉的一种关键冷却设备，以其优异性能成为高温冶炼炉升级换代产品，目前已在世界范围内得到广泛使用。
高效铜冷却设备主要包括：应用于高炉炼铁领域的铜冷却壁；应用于工业硅、铁合金、电石领域的电炉铜冷却设备（铜炉盖、铜压力环、铜瓦、铜保护屏、铜水冷壁、铜烟道等）。
①铜冷却壁，主要是安装于高炉内壁，处于炉壳与炉料之间，利用铜材高导热性能，通过配套水冷系统进行冷却，以保护高炉的炉腹、炉腰、炉身中下部热流密度较高区域，避免其过热损坏，是高炉“长寿、高效、顺行、节能”的重要保障。
②电炉铜冷却设备，是大功率矿热炉、有色金属冶炼炉和高温化工反应炉等高温工业炉上的一种关键冷却设备，主要包括应用于冶炼工业硅、铁合金、电石等基础材料的矿热炉的电极把持器及炉体冷却设备。工业硅、铁合金、电石是国民经济发展的基础材料，近年来，随着光伏发电领域的快速发展和行业转型升级，电炉铜冷却设备的需求量大幅增长。电炉铜冷却设备的使用可提高下游行业中高温工业炉的可靠性、生产效率及服役寿命，确保安全稳定的高效连续生产，有效提高作业效率和效益，同时减少资源的消耗。
（1）高效铜冷却设备在钢铁行业的应用
①高炉铜冷却设备的应用
最早的高炉只用耐火材料砌筑而没有冷却系统，高炉炉身中下部、炉腰和炉腹采用水冷却系统最早始于 1884 年。随着炼铁高炉技术的进步、高炉产量的提高和容积的扩大，高炉冷却设备不断地更新换代，经过近几十年的发展，高炉炉身中下部、炉腰和炉腹等高受热区域采用的冷却壁材质也经历了普通灰铸铁——低铬铸铁——球墨铸铁——铜冷却壁的发展过程。在钢厂高炉的炉腹、炉腰和炉身下部，冷却设备和内衬不仅要承受高热负荷、耐热震、耐渣铁侵蚀和耐碱金属侵蚀，还要抵御炉料冲击、气流冲刷和渗碳的破坏。
在这种区域，对强化冶炼的高炉，需在冷却设备的热面形成相对稳定的渣皮（渣皮是炉衬内表面与炉渣接触而凝结上一层起保护作用的渣壳）。铜冷却壁具有良好的导热能力，能够在铜冷却壁热面形成稳定的渣皮，一旦炉况波动出现渣皮脱落的情况，能在热面上迅速建立起新渣皮。铸铁冷却壁重新形成渣皮需要 4-5 小时，而铜冷却壁通常只需 15-20 分钟，这样便减少了高炉的热损失，在等产量下，可以减少能源消耗；另外，由于铜冷却壁热阻小，其导热系数是球墨铸铁冷却壁的 12-15 倍，这便保证了铜冷却壁能够承受强大的热流冲击，铜冷却壁的正常热面工作温度仅 60℃左右，能大幅提高高炉寿命。
因此，铜冷却壁作为炼铁高炉的一种高效冷却设备，在国内外炼铁界得到普遍认可，并在上世纪九十年代开始工业化应用，目前已经成为 1,000m3以上大型高炉炉身中下部、炉腰和炉腹等高热负荷区域冷却设备的优选设备，逐步取代铸铁冷却壁。
②铜冷却壁的应用效益优势
高炉应用铜冷却壁具有良好的经济效益，主要表现有：
A、铜冷却壁在高炉炉身中下部、炉腰和炉腹推广应用以后，炉身长期稳定的工作不是依赖耐火材料，而是依靠冷却设备的可靠工作，只要这一部位的冷却设备不出现损坏，炉身寿命就获得了保证。因此，高炉在采用铜冷却壁的同时采用了薄壁炉身结构，这不仅可以节约昂贵的耐火材料，而且薄壁炉身有助于高炉顺利点火开炉，并实现达产目标。
B、由于铜冷却壁能快速重建渣皮，且热损失较低，减少生产运行费用。使用铜冷却壁可以延长高炉寿命，直接节约大修费用，减少生产运行费用和由于大修引起的整个钢铁生产链停产损失。
C、高炉使用铜冷却壁虽然一次投资要高于铸铁冷却壁，但炉役时间长，且寿命结束后这些制造铜冷却壁的昂贵铜料仍然可以被回收重复利用。
③铜冷却壁的市场现状及发展前景
铜冷却壁的研制于 20 世纪 70 年代从欧洲起步，90 年代开始在欧洲的大型高炉上逐步普及使用。我国铜冷却壁的正式研发应用开始于 2000 年，原国家经济贸易委员会于 2000年下达了国家技术创新重点课题“铜冷却壁的制造与应用”，华兴股份作为课题承担单位之一，于当年研制生产了我国第一批铜冷却壁并在首钢 2 号高炉上试用。
2002 年首钢 2 号高炉在停炉大修时安装使用了由华兴股份提供的 120 块铜冷却壁。通过此示范工程，铜冷却壁迅速在我国大中型高炉上得到推广应用。铜冷却壁产品目前主要应用于钢铁企业的大中型高炉，由于铜冷却壁属于更新换代产品，正不断替代铸铁冷却壁，同时随着钢铁行业结构调整与产业升级，其市场需求呈上升趋势。
高炉铜冷却设备主要为铜冷却壁产品，其广泛应用于炼铁高炉，是炼铁高炉正常运作的关键冷却设备，其需求量取决于钢铁企业炼铁高炉的新建或大中修规模，与钢铁行业固定资产投资额密切相关。我国钢铁产业政策中要求“淘汰落后产能”、“优化产业布局”（城市钢厂搬迁和沿海钢铁基地建设）、“提高产业集中度”和“推动技术改造”，这些都将推动中小高炉的大型化改造、存量高炉的大中修，增加炼铁高炉建设投资规模，促进华兴股份铜冷却壁产品的销售。
A、国民经济持续增长，钢铁行业投资需求保持稳定
钢铁工业是国民经济的支柱产业，高炉是钢铁生产的最重要设备。近年来，我国国民经济保持高速增长，根据国家统计局数据，截至 2022 年，我国 GDP 已突破 120 万亿元。
国民经济的快速持续增长，使得各产业对钢铁的需求保持稳定增长。根据国家统计局统计，我国粗钢产量自 2015 年的 80,382.50 万吨增长至 2022 年的 101,795.90 万吨。
下游钢铁需求保持稳定，钢铁行业固定资产投资保持稳定。根据中国钢铁工业协会发布的《2022 年钢铁行业经济运行报告》，2022 年，重点统计会员钢铁企业完成固定资产投资额 1,273.6 亿元，比 2021 年略降 0.2%。“十四五”以来，由三部委联合发布的《“十四五”原材料工业发展规划》为行业发展提出供给高端化、结构合理化、发展绿色化、产业数字化和体系安全化的“五化”发展目标。铜冷却壁产品具有长寿、高效等优势，炼铁高炉广泛使用铜冷却壁，不仅能够提高钢铁企业综合效益，而且能够达到节能、降耗、环保等资源性要求，是钢铁企业实现“高端化”、“绿色化”的一项重要环节。
B、钢铁行业优化存量、淘汰落后产能的措施，能够促进对铜冷却壁的需求
根据《产业结构调整指导目录（2019 年本）》，国内有效容积 400 立方米以上 1200 立方米以下炼钢用生铁高炉，400 立方米及以下炼钢用生铁高炉分别被列入限制类项目和淘汰类项目，同时根据我国钢铁行业优化存量（产能）布局、产能置换等政策导向，钢铁行业部分产能的淘汰或逐步升级替换，将会带动中小高炉改建为大型高炉，促进对铜冷却壁产品的需求。
C、钢铁行业提高产业集中度、提出产能置换方案，能够提高对铜冷却壁的需求
我国目前钢铁行业存在产业集中度不高的问题，2022 年我国排名前 10 位的钢铁企业集团粗钢产量占全国产量的比例为 42.8%，距离钢铁“十三五”规划到 2025 年不低于 60%的比重仍有较大差距，行业集中度远落后于美、日、韩 70%-90%的水平。根据 2021 年 4 月发布的《钢铁行业产能置换实施办法》，大气污染防治重点区域置换比例不低于 1.5:1，其他地区置换比例不低于 1.25:1。2022 年，国内 18 个省份 38 家钢厂发布钢铁产能置换方案，其中涉及新建炼钢产能 4,839.65 万吨，新建炼铁产能 3,726.15 万吨。
综上所述，我国钢铁行业产业集中度的提高以及产能置换方案的落实，必然会带动大型炼铁高炉的新建或大中修，为铜冷却壁产品带来市场需求。
D、全球市场的钢铁需求保持稳定
根据国际钢铁协会统计，2010 年-2022 年，全球粗钢产量保持持续增长，2022 年全球产量为 18.32 亿吨，除中国外，全球其他国家的粗钢产量也保持稳定，在粗钢生产量持续稳定高位运行下，每年的高炉更新、大修会维持在稳定的水平。
（2）高效铜冷却设备在铁合金、工业硅等领域的应用
①电炉铜冷却设备概况
矿热炉也称电弧炉（以下简称“电炉”），作为铁合金、工业硅、电石、黄磷等产品电热冶炼的主要生产装备，主要是通过电极穿过炉盖、伸入炉内，并向电极供电，使电极末端与炉料之间产生电流电弧，将电能转化为加热炉料所需的热能进行埋弧还原冶炼。
电炉因受到熔融金属的辐射及通过电流加热，工作环境温度经常在 2,000℃以上，因此要求其具有良好的导电、导热及高强度性能，以确保在极端工况条件下不易烧毁。矿热炉高效铜冷却设备以锻压铜合金板坯为材料，经深孔钻、模压成型、CNC加工和特种焊接而成，产品材质致密，导热性能良好。
②电炉铜冷却设备市场现状及发展前景
A、铁合金、工业硅等行业对电炉产品需求的增长
铁合金是指铁与一种或几种元素组成的中间合金，铁合金的品种繁多，主要分为硅锰、锰铁、硅铁、铬铁、镍铁等。2022 年，中国铁合金市场总产量大约在 3,410.1 万吨，中国铁合金产量基本为自产自用，出口量较少，不足部分仍需依赖进口，如铬铁等。
随着国家淘汰落后产能及高能耗小电炉等措施的逐步落实，工艺转变已成关键，按环保要求电炉封闭化已成必然，新建改建电炉向大型化发展趋势明显，新建电炉功率不能小于 25,000KVA，部分小炉子的停产造成 2016 年至 2018 年产量有所下降，2019 年产能已回升至 3,657.7 万吨，目前稳定在 3,400 万吨左右。未来随着铁合金矿热炉的更新换代以及大型化发展，将增加电炉铜冷却设备的需求量。
工业硅位于硅基新材料产业链的顶端，是光伏、半导体、有机硅、合金等国民经济重要部门的核心原料。随着近年来我国经济的快速发展，我国的工业硅产能和产量也呈现了持续、快速、稳定发展的态势。同时，随着我国光伏产业、半导体产业进入快速发展的轨道，将对工业硅产生更大的需求量，这将增加电炉铜冷却设备的需求。
B、矿热炉向大功率、大容量发展，能够促进对电炉铜冷却设备的需求
矿热炉广泛应用于铁合金、工业硅、电石和黄磷等材料冶炼领域。但我国早期建设的矿热炉基本上都是 25,000KVA 以下的小功率电炉，存在能耗高、污染高等缺点。与小功率矿热炉相比，大功率矿热炉具有热效率高、产品质量稳定、自动化程度高、节能环保等优点，矿热炉的发展趋势如同炼铁高炉一样，朝着大型化方向发展。
国家发改委公布的《产业结构调整目录（2019 年本）》，明确将“200 立方米及以下铁合金”及“100 立方米及以下铁合金锰铁高炉”列为淘汰类；工信部公布的《铁合金行业准入条件（2015 年修订）》，也明确要求新建铁合金矿热炉功率必须达到 25,000KVA 以上。大功率矿热炉的发展需要可靠、稳定的冷却设备与之适应，电炉铜冷却设备是目前国内外公认综合性价比最高、冷却效果最佳的高温工业炉炉体冷却设备，可大幅提高下游行业矿热炉、高温工业炉的生产效率及运行寿命，从而减少资源消耗。
未来随着铁合金、工业硅等行业的结构升级以及国家节能减排政策的推进，小功率矿热炉将逐渐被大功率矿热炉替代，这将会有效带动电炉铜冷却设备需求的增长。
（3）高效铜冷却设备行业技术水平及技术特点
高效铜冷却设备和内衬在高炉内不仅要承受高热负荷、耐热震、耐渣铁侵蚀和耐碱金属侵蚀，还要抵御炉料冲击、气流冲刷和渗碳的破坏。在这种区域，对强化冶炼的高炉，要想达到较长的使用寿命，在冷却设备的热面必须形成相对稳定的渣皮，需要降低冷却设备热面的温度，采取的主要措施是降低冷却设备的热阻，而铜冷却壁的导热系数高达 340~385W（m*K），远高于铸铁冷却壁的综合导热系数。而稳定的渣皮作为冷却壁的保护层，可极大的减缓炉料对壁体的磨损和气流对壁体的冲刷。
当铜冷却壁热面能形成稳定的渣皮，渣皮脱落和重新生成的周期次数就会减少，这抑制了冷却壁的热疲劳，使得在渣皮脱落时，冷却壁能够快速的重新生成渣皮。另外因为铜具有较高的延伸率，从而使铜冷却壁具有很高的耐热震性能。此外铜冷却壁壁体的实际最高温度与允许最高温度之比不到 0.65，意味着铜冷却壁能够承受很高的热流冲击。因此，铜冷却壁作为炼铁高炉的一种高效冷却设备，在国内外炼铁界得到普遍认可，目前已经成为大型高炉冷却设备的优选设备，逐步取代铸铁冷却壁。
随着国家加大淘汰落后产能及高能耗小电炉的力度，节能环保、绿色生产成为必然趋势，新建改建矿热炉向大型化发展趋势明显，对装备安全可靠使用寿命提出更高要求。电炉铜冷却设备技术发展将围绕以下方面：材料性能优良、导电性能优良、导热性好，冷却能力强，加工精度高、导电均匀，使用寿命长。
