CN102414329A - 生产用于火法冶金反应器的冷却元件的方法和冷却元件 - Google Patents

Abstract

用于火法冶金反应器的冷却元件(2)和制造该元件的方法，其中首先提供至少一个具有两个端的冷却通道(1)。冷却通道(1)的每个端具有用于冷却介质的连接工具(17)，并且至少一个冷却通道(1)被连接工具连接于火法冶金反应器的壁。此外，至少一个具有外横截面和内横截面的管被形成，并且该管被弯曲为开放环路，以形成至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道的端可接合于用于将冷却通道(1)连接于火法冶金反应器的壁的工具(3)。

Description

生产用于火法冶金反应器的冷却元件的方法和冷却元件

本发明涉及火法冶金反应器的冷却元件，所述火法冶金反应器例如为鼓风炉和类似的用于生产与精炼金属或金属合金的设备。这样的反应器的用途的最大的领域是钢的制造。

火法冶金反应器包括通常由钢制成的反应器容器、被布置在反应器容器内部并且紧贴其壁的冷却元件、以及形成反应器的内表面的耐火层。耐火层由砖或被涂布在冷却元件的表面上的流动的耐火材料(flowingrefractory material)或二者制成。如果使用流动的耐火材料，那么冷却元件被嵌入碳材料内，并且碳化硅可以被用于进一步的保护。当使用砖时，冷却元件可以是面向炉内部的平坦且宽阔的板。这些冷却元件具有用于将砖附接于元件的交叉的凹槽。当冷却元件被附接于反应器容器时，凹槽和砖层一样水平地延伸。除了上文提到的元件之外，反应器容器还包括用于将金属材料、燃料、空气、氧气或保护气体以及添加剂引入反应器的通路和工具，全部根据使用反应器的工艺。

在火法冶金工艺中反应器的耐火层被水冷的冷却元件保护，使得由于冷却而使到达耐火表面的热通过冷却元件传递至水，由此内衬的磨损相比于不被冷却的反应器被显著地减少。减少的磨损是由冷却效果导致的，这导致形成所谓的自生内衬，自生内衬固定于耐热内衬的表面。这种内衬由熔渣和从熔融相沉淀的其他物质形成。

常规地，冷却元件以两种方式被制造：主要地，元件可以通过砂型铸造被制造，其中由高度热传导材料例如铜制造的冷却管被设置在由砂形成的模具中，并且在围绕管的铸造期间被空气或水冷却。被围绕管铸造的元件也具有高度热传导材料，优选铜。这种类型的制造方法在例如英国专利号1386645中被描述。这种方法的一个问题是，用作冷却通道的管路不均匀地附接到围绕着该管路的铸造材料。因为这一点，管中的某些可能完全没有被围绕其铸造的元件，并且管的一部分可能被完全地熔化并且因此受损。如果在冷却管和围绕该冷却管的铸造元件的其余部分之间没有形成金属键，那么热传递将不是高效率的。再次地，如果管路完全地熔化，那么这将阻止冷却水的流动。铸造材料的铸造性质可以被改进，例如通过将磷和铜混合以改进在管路和铸造材料之间形成的金属键，但是在那种情况下，即使是小量的添加，铜的热传递性质(导热性)也会被显著地削弱。这种方法的值得提到的一个优点是，相对低的制造成本和独立于尺寸。

另一种制造的方法被使用，由此通道形状的玻璃管路被设置到冷却元件模具中。玻璃在铸造之后被打碎，以形成元件内部的通道。当使用砂型铸造时，每个块必须通过X射线照相术来检验，以保证抵抗气体或液体泄漏的紧固性。这是强制性的，因为如果冷却水逃逸至炉，那么破坏可能是毁灭性的。然而，100％的质量控制和X射线照相术相当大地增大了成本。

美国专利4,382,585描述了另一种被很多地使用的制造冷却元件的方法，根据这种方法，元件例如由轧制的铜板通过在该钢板中机加工出必需的通道而被制造。以这种方式制造的元件的优点是，其致密的高强度的结构以及良好的从元件向冷却介质例如水的热传递。缺点是，由于尺寸限制和高成本而导致的有限的大小。

现有技术中的熟知的方法是，通过例如连续铸造——即贯穿模具的粉浆浇注——而铸造出中空的轮廓来制造用于火法冶金反应器的冷却元件。纵长的洞可以通过心轴而被形成于元件。元件由高度热传导的金属例如铜制造。这种方法的优点是致密的铸造结构、良好的表面质量，并且被铸造的冷却通道给予良好的从元件向冷却介质的热传递，使得没有阻止热传递的效应发生，尤其是从反应器传递至冷却元件的热是在没有任何直接地针对通道的表面以及针对冷却水的过多热传递阻力的情形下被传递。冷却通道的横截面是大体上圆形或卵形的，并且心轴具有平滑的表面。这种类型的冷却通道在美国专利5,772,955中提到。

然而，为了改进冷却元件的热传递能力，优选的是增大元件的热传递表面积。这可以通过增加流动通道的壁表面积而不增大直径或增加长度来完成。冷却元件流动通道的壁表面积可通过在铸造期间在通道壁中形成凹槽或通过在铸造之后在通道中机加工出凹槽或螺纹以使得通道的横截面保持为本质上圆形或卵形来增大。因此，对于相同量的热，在水和流动通道壁之间所需要的温度差异较小以及甚至更低的冷却元件温度。这种方法在WO/2000/037870中被描述。

本发明的目的是提供制造用于火法冶金反应器的冷却元件的新方法以及根据该方法制造的新的冷却元件。

此外，本发明的目的是创造出对于生产更具成本效益的冷却元件。

此外，本发明的一个实施方案的目的是生产与已知的元件相比使用较少材料的冷却元件。

本发明的一个实施方案的目的是减少为了生产冷却元件而需要的机加工。

本发明基于以下方面：冷却元件的至少一个冷却通道由被弯曲为开放环路的管材料形成，并且管的每个端配备有用于冷却介质的连接器以及用于将管附接于火法冶金反应器的壁的工具。

根据本发明的一个优选的实施方案，冷却元件包括一个冷却通道。

根据本发明的一个优选的实施方案，冷却元件包括被平行地布置的两个冷却通道，使得通道中的一个通道形成外通道并且通道中的第二个通道被嵌套在外通道的环路内。

根据本发明的一个优选的实施方案，至少一个冷却通道的端通过钢束缚件(steel tie)而结合在一起。

更具体地，根据本发明的冷却元件以及用于制造该冷却元件的方法的特征由独立权利要求中所示出的内容来体现。

本发明的实施方案提供了实质性的益处。

元件更容易制造并且不需要铸造或过多的机加工。因为元件由管形成，所以实现了材料的相当大的节约。在砂型铸造的或被机加工的元件中，元件形成板，其中在冷却通道之间的空间被形成冷却通道的相同材料填充。在根据本发明的元件中，形成冷却通道的壁的高成本的材料仅在为给冷却通道生产足够坚固的壁时被需要。余留在一个或多个冷却通道的环路内部的空间可以被用于给炉做内衬的相同的石墨材料填充。现在，对于单一环路冷却元件来说，所需要的材料的量与被铸造或被机加工的冷却元件相比可以被减少至一半，并且对于双环路元件来说节约量也是相当大的。因为冷却元件通常由非常高成本的铜制成，所以材料成本的任何节约提供了竞争优势。

根据本发明的冷却元件可以被非常迅速地制造，由此元件可以被在短交货时间内根据订货制造。交货时间可以被减少一半。这减少了对在制造商和使用者二者处的储存的元件的需要，并且使对到来的订货的迅速的反应成为可能。因为冷却元件由本身不透气的管材料制成，所以质量控制是容易的并且样品测试仅需要用于检验质量满足所设置的标准。质量是更高的并且几乎不变化，因为制造过程是更可预测的并且使用了与例如砂型铸造相比容易实施的方法。

现在基于以下的实施例和所附的附图来更详细地描述本发明。

图1示出了根据本发明的冷却元件的一个实施方案。

图2示出了本发明的一个可选择的实施方案。

图3和4示出了本发明的第二和第三可选择的实施方案。

在下文中，为了简单，炉被用作火法冶金反应器的实例。

本发明涉及穿过炉的壁中的狭缝而被插入炉的内部的冷却元件。这样的元件包括通常由铜制成的板状的主体、至少一个在板内形成的冷却通道、以及用于将冷却元件附接于炉的壁的工具。冷却元件的与附接工具相反的端指向炉的中央。该端或末端在内衬材料的表面处延伸并且形成主要的热传递表面。冷却元件可以在某种程度上从内衬表面延伸至炉内部，但是应当被内衬材料覆盖以保护铜材料不受腐蚀和磨损。在炉的内表面上形成的自生内衬(autogenic lining)进一步保护冷却元件。

在图1中示出的实施方案具有一个冷却通道1，冷却通道1由具有矩形的外横截面和圆形的内横截面的管制成。管已经被弯曲为具有两个弯曲约90°的弯曲部的U形开放环路。环路的腿部8、9具有相同的长度。

腿部的端被附接于钢束缚件3。钢束缚件3可以通过任何提供不透气接缝的方法而被接合或附接于冷却通道1。优选的接合方法是焊接，但是可以使用其他的像形成压制、锻造、软焊或甚至螺纹附接的方法。束缚件3可以是具有像图1中的开放中央的环，或其可以是具有用于冷却通道的腿部8、9的开口的板。在冷却通道1的环路内部的区域被石墨5填充，石墨5还被用于填充在束缚件3内部的空间，如果使用形成环的束缚件的话。该区域也已经被密封为不透气的，以防止任何从鼓风炉或任何其他的使用冷却元件的火法冶金反应器的泄漏。中央的填充可以在冷却元件的制造期间或在安装期间被完成。填充物5可以是石墨或任何合适的被用于形成反应器容器或炉的内衬的物质，如果其不是热密封的话。石墨或其他的填充物代替以前所已知的冷却器元件的铜材料。因为其是轻的、导热良好的、并且是相对低成本的，所以这种特点能节约材料，提供更轻的重量以及更好的或至少相当高的导热性。

束缚件4具有例如通过焊接被附接在其中部的设置有洞的把手。把手可以用于在组装和运输期间支撑冷却元件以及用于将元件从炉的壁拉出来。

当冷却元件被安装在炉上时，U形环路的底部部分被首先推动穿过炉壁中的洞。为了辅助穿过洞的安装，冷却元件1的在束缚件3的侧的厚度(s1)比在环路的底部的厚度(s2)大。环路在束缚件3的侧也比在环路的底部宽。因此，在两个方向上形成楔形状，使冷却元件的安装更容易。这种特点对于元件的操作来说不是必需的，但是可能对于使用者的更容易且更快的安装是非常需要的。在交叉的方向上形成楔形状易于通过机加工来制造。

冷却元件通过焊接被附接在炉的壁上。当使用在本申请中描述的束缚件3时，基本上有两种方式来这样做。束缚件3可以形成为在炉壁中的洞上的轴环并且束缚件被焊接在洞的边缘上，或束缚件的外表面可以被控制尺寸以装配入洞中并且洞的边缘被围绕束缚件3焊接。在图1中(也在图3中)示出的束缚件适合于两种应用，但是优选用于第一个选择。在壁表面上的焊接提供了相对于壁的非常精确的安装，但是不能调整冷却元件在深度方向的位置。

本冷却元件和用于安装的方法可以被用于制造新炉的冷却系统，以代替和修复整体的冷却系统或修理。其适合于代替相似类型的冷却元件，以增加在所发现的热点处的冷却能力或代替受损的板式冷却器。

冷却通道1能够以多种方式来制造。一个优选的方法是使用具有期望的外横截面和内横截面的被连续地铸造的轮廓。这样的横截面不被本发明限制，并且可以被制造成满足顾客偏好和要求。甚至可以设想，轮廓的内表面具有用于增大热传递速率的肋部或其他延伸部。然而，这些肋部可能导致难以使轮廓弯曲。被连续地铸造的轮廓固有地是不透气的，并且具有不变化的良好的材料性质。因此其是用于冷却通道的良好的材料并且不需要对泄漏检查。为了制造冷却通道1，具有期望的形式的铸造轮廓被切割为长度段，并且被弯曲以形成具有期望的形式的开放环路。上文示出的U形状适合于代替现有的冷却元件。如果楔形式是所期望的，那么通道必须据此来机加工。在某些情况下，轧制或压制可以被设想以制造楔形式。在交叉的方向上，通过控制弯曲部6、7的程度而使楔形式容易地形成。轮廓的弯曲可以被冷地或热地进行。

当冷却通道已经被弯曲时，其与束缚件3接合并且冷却通道环路的内部被石墨或其他的合适的填充材料填充，如果这是期望的话。

冷却通道必须能够参与冷却介质循环。这可以通过在冷却通道的端处机加工或形成所期望类型的联接来提供。这可以在弯曲之前或在弯曲之后的任何阶段进行。所使用的联接可以是最简便的螺纹接合、硬性联轴节、任何类型的管联接或焊缝。用于联接的工具由参考数字17描绘。通道1的端可以在本文中表示为例如待被焊接的接合部。

代替被连续地铸造的轮廓，轮廓可被制造成通过挤压形成的轮廓或其中具有通过钻孔而制造的洞的轮廓。一个与钻孔有关的问题是，大量的材料必须被除去。然而，这种材料可以被容易地回收利用，以用于新的预制造。在另一方面，大量的坯料材料可以被用于制造这样的被钻孔的轮廓，例如它们可以通过从较宽的被连续地铸造或以其他方式制造的坯料切割来制造。

在图2中的实施方案中，连接冷却通道1的腿部8、9的束缚件3与不同类型的束缚件3接合。该束缚件比图1中的束缚件宽并且还薄。如果其被安装在炉的壁中的洞中的话，则这种类型的束缚件是优选的。束缚件3的宽度使得能够调整进行接合焊接的位置。现在焊接可以在束缚件3的宽度上的任何地点被进行，因此提供了冷却元件的坐落深度的调整。

上文描述的元件的冷却效果可以通过使用如图3和4中所示的两种冷却通道被增大。外通道11被形成和安装在如上文描述的束缚件3上。内通道12以相似的方式被形成，但是其被弯曲使得其可以装配在外通道11内部并且在外通道11的腿部之间。在此处，内(第二)通道12的腿部15、16和弯曲部被控制尺寸，使得内通道12的腿部15、16的外表面和U形状的弯曲部与外通道的相应的内表面接触。在弯曲部，具有某些可以被填料材料填充的自由空间。通道11、12可以被布置为如本文所示的接触彼此，或它们可以被布置为彼此不接触。最佳的布置取决于实现更高冷却效果的方式，这进一步取决于所使用的填料材料的类型。通道可以在一个或多个点中接触、可被布置为在整个长度上接触、或被布置为使得内通道不接触外通道。图3的实施方案使用图1的束缚件，并且图4的实施方案使用图2的束缚件。

冷却元件根据期望的冷却效果被控制尺寸，这限定了冷却水(或较少情况下的其他介质)的体积速率，这进一步限定了冷却通道的横截面必须具有多大的尺寸。使用两个冷却通道来增大冷却效果，但是使用三个或更多个通道不是优选的，因为冷却效果的增大与增大的材料消耗相比是小的。优选的是，代替地使用更多个冷却元件。作为实施例，根据本发明的冷却元件的典型的尺寸可以是500×500mm，外冷却元件的面向炉的壁的厚度约为25mm。

在上文中，冷却通道的U形的形式已经被用于描述本发明。本发明不限于任何具体的形状。仅有的限制是所使用的轮廓可以被弯曲成什么类型的形状。当然，鼓风炉和其他类型的火法冶金反应器的制造商具有他们自己的冷却系统设计，并且冷却元件的形状和尺寸必须据此来设计。

优选的用于冷却通道的材料是铜及其合金，并且优选的用于束缚件钢的材料根据环境的要求来选择。

因此，虽然已经示出和描述以及指出了本发明的如被应用于其优选实施方案的基本的新颖性特征，但是将理解，本领域的技术人员可以在本发明的形式和细节上作出各种省略和置换以及变化，而不偏离本发明的精神。例如，明确涵盖的是，这些元件和/或方法步骤的所有的实现实质上相同结果的组合都在本发明的范围内。将元件从一个被描述的实施方案替换成另一个也被完全地涵盖和设想。还将理解的是，附图不一定是按比例绘制的，而是它们仅仅是在本质上设想的。因此，涵盖的是，其仅受到附于本文的权利要求的范围所表明的范围限制。

Claims (15)

1.一种制造用于火法冶金反应器的冷却元件的方法，所述方法包括：

-提供具有两个端的至少一个冷却通道(1)，

-为所述冷却通道(1)的每个端提供用于冷却介质的连接工具(17)，

-将至少一个冷却通道(1)与用于将所述冷却通道(1)连接于火法冶金反应器的壁的工具接合，

其特征在于，

-形成具有外横截面和内横截面的至少一个管，以及

-将所述至少一个管弯曲为开放环路，以形成至少一个冷却通道，所述冷却通道的端可接合于用于将所述冷却通道(1)连接于火法冶金反应器的壁的所述工具。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过连续铸造形成至少一个管。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将坯料钻孔来形成至少一个管。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过挤压来形成至少一个管。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个冷却通道(1)的所述端通过钢束缚件(3)而结合在一起，所述钢束缚件(3)形成用于将所述冷却通道(1)连接于火法冶金反应器的壁的所述工具。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却通道由铜或其合金制成。

7.一种用于火法冶金反应器的冷却元件，所述元件包括：

-具有两个端的至少一个冷却通道(5)，

-在所述冷却通道(1)的每个端处用于冷却介质的连接工具(17)，以及

-用于将所述冷却通道(1)连接于火法冶金反应器的壁的工具，

其特征在于，所述至少一个冷却通道(1)是被弯曲以形成开放环路的管，并且所述冷却通道(1)的所述端被附接于用于将所述冷却通道(1)连接于火法冶金反应器的壁的工具。

8.根据权利要求7所述的冷却元件，其特征在于，所述冷却通道(1)由铜或其合金制成。

9.根据权利要求7或8中任一项所述的冷却元件，其特征在于，至少一个冷却通道由连铸铜制成。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的冷却元件，其特征在于，至少一个冷却通道(1)由通过将坯料钻孔而形成的管制成。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的冷却元件，其特征在于，至少一个冷却通道由挤压管制成。

12.根据权利要求7-11中任一项所述的冷却元件，其特征在于，至少一个冷却通道具有在内部的延伸部，例如肋部。

13.根据前述权利要求7-12中任一项所述的冷却元件，其特征在于，所述元件包括一个冷却通道(1)。

14.根据前述权利要求7-12中任一项所述的冷却元件，其特征在于，所述元件包括被平行地布置的两个冷却通道(11、12)，使得所述通道中的一个通道形成外通道(11)并且所述通道中的第二个通道(12)被嵌套在所述外通道的环路内。

15.根据前述权利要求7-14中任一项所述的冷却元件，其特征在于，至少一个冷却通道(1)的所述端通过钢束缚件(3)而结合在一起，所述钢束缚件(3)形成用于将所述冷却通道(1)连接于火法冶金反应器的壁的所述工具。

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