高炉炉腹、炉腰及炉身下部区域炉体冷却壁寿命是决定高炉寿命的重要因素。国内外高炉普遍应用传热性能优良的铜冷却壁,但铜冷却壁已经出现了水管开裂和热面破损问题,有关铜冷却壁水管开裂和热面破损产生的机理缺乏定量化分析。以降低铜冷却壁制造成本和克服铜冷却壁水管焊接难题为目的开发的铜钢复合冷却壁的铜钢界面存在应力集中问题,铜钢界面位置的安全性成为铜钢复合冷却壁应用的限制性环节。因此,本文针对冷却壁在高炉中的不同工况条件,详细研究了高炉铜冷却壁和铜钢复合冷却壁的热学和力学行为。(1)通过铜冷却壁传热及热弹性数学模型,分析了无渣铁壳覆盖条件下铜冷却壁的热变形行为,并在考虑水管安装方式情况下,分析了铜冷却壁水管之间柔性水管连接、刚性水管连接及受到炉壳开孔约束条件下水管的热应力分布和热变形行为,并讨论了高炉铜冷却壁水管安装用炉壳开孔的合理直径。(2)建立了铜冷却壁非稳态传热、热弹塑性变形和热疲劳分析数学模型,在考虑水管根部焊接结构的基础上,详细分析了渣铁壳脱落-形成过程中铜冷却壁的热变形行为及塑性累积情况,并对铜冷却壁进行热疲劳寿命预测,重点分析铜冷却壁水管的热疲劳行为。(3)通过铜钢复合冷却壁传热及热弹性数学模型,研究了无渣铁壳覆盖条件下铜钢复合冷却壁的传热性能、热变形行为及铜钢界面的受力状态,并在考虑铜钢复合冷却壁水管安装方式条件下,分析了铜钢复合冷却壁水管的受力状态。研究结果表明,铜钢复合冷却壁具备铜冷却壁的传热性能,铜钢复合冷却壁的热变形程度要大于铜冷却壁,铜钢界面边缘区域受到铜钢复合冷却壁厚度方向的拉应力作用。结构优化后,铜钢复合冷却壁的热变形程度小于铜冷却壁,且铜钢界面由受拉转为受压。(4)对铜钢复合冷却壁进行了热态试验测试,检测不同煤气温度下铜钢复合冷却壁的温度分布及应变分布,并根据热态试验条件,计算了热态试验条件下铜钢复合冷却壁的温度及应变分布,计算结果与试验测量结果基本吻合,验证了铜钢复合冷却壁热弹性数学模型的准确性。(5)建立了铜钢复合冷却壁热弹塑性-蠕变变形数学模型,研究无渣铁壳覆盖条件下铜钢复合冷却壁蠕变变形过程中的热变形行为,并对铜钢复合冷却壁蠕变变形过程中铜钢界面进行了受力分析,分析了蠕变时间和煤气温度对铜钢复合冷却壁蠕变变形过程中热变形行为及铜钢界面受力状态的影响。结果表明,铜钢复合冷却壁蠕变变形过程中,蠕变应变先迅速增加后缓慢增加,但其上应力先迅速减小后缓慢减小。蠕变变形后铜钢复合冷却壁热变形程度增大,但仍小于蠕变变形后铜冷却壁的热变形程度。蠕变变形后,铜钢复合冷却壁铜钢界面应力集中程度减小。蠕变时间增加,蠕变变形后铜钢复合冷却壁弯曲变形程度减小,铜钢界面应力集中程度减小。煤气温度升高,蠕变变形后铜钢复合冷却壁弯曲变形程度和铜钢界面应力集中程度增大,但增加幅度较小。