CN1037370C - 处理加热材料的容器及其冷却方法 - Google Patents

Abstract

处理加热材料例如熔化材料的容器，以及冷却这种容器的方法，容器具有用流体冷却的密封舱装置，密封舱包括界定其空间的内壁和外壁；加压流体冷却液进此空间的入口；对内壁喷射冷却液的装置以维持内壁上的适宜温度；排除用过的冷却液的出口；在此空间与冷却液之间形成和维持压差的装置，以迫使用过的冷却液通过出口从空间排除。利用本发明的优选的实施例是作冶金容器例如电弧炉的炉顶或侧壁。

Description

处理加热材料的容器及其冷却方法

本发明涉及装载和处理熔化材料的改进的容器和冷却这样容器的方法。本发明尤其指熔化金属容器的顶盖，这些容器诸如熔炼炉、吊包等等。

装载熔化材料(特别是熔化金属)的装置，迄今为止，现有技术是依靠耐火材料衬里、或水冷、或两者的结合，来防止这些容器的壁、底及盖受熔化材料和废气所产生的高温。熔化金属例如为钢的情况下，这些温度可以超过2800°F(1540℃)。

装备在这样容器中的耐火材料衬里价格高，且寿命短，即使这些衬里在容器的熔化线以上使用的场合也是如此。虽然现在已经用水来冷却这些容器的内表面(一般用结构钢板制成)，但在实践中通常是使用密封装置，其中加压的水完全充满容器壁、顶等夹套内的循环通道。这些装置一般需要在相当高的压力下的大容量的水。由于冷却水的堵塞在内壁上所引起的“局部过热”(“Hot Spots”)，可能导致水急剧蒸发成蒸汽，因而可能造成密封装置结构的破裂。一旦在容器的内壁中发生泄漏，冷却水流进熔化材料时，便可能造成严重事故，例如由于水急剧蒸发成汽或发生其他有害反应而造成爆炸。这些问题除了损坏正在处理的熔化材料外，也会对生命和设备造成严重危害。在企图减轻这些问题的其他现有技术中都是利用复杂的、价格昂贵且难以维修的设备，这样的设备对于炼钢炉和其他熔化材料处理容器的周围场地及环境显然是不能令人满意的。

考虑到现有技术的这些以及其他缺点，所以本发明的目的之一是提供一种重量相对较轻、简便而有效的装置，此装置用于冷却处理熔化材料的容器(特别是熔炼炉)的顶、壁和其他封闭表面。

本发明的另一目的是提供一种在出现事故的情况下，把危及生命和设备的危险减少到最低限度的这样一种装置。

本发明再一个目的是提供一种改进的装置，它减少熔化材料处理容器的顶和/或壁密封舱中所需要的冷却液的容积。

本发明还有另外一个目的，即提供一种在这些容器密封顶舱内部不必安装耐火材料隔热衬里的冷却装置。

本发明达到了上述及其它目的，这对于本技术领域的人员来说是显而易见的，本发明提供一种熔化材料的容器，它具有流体冷却密封舱装置，此装置包括界定舱室空间的内壁和外壁；加压流体冷却液进入空间的入口；为保持内壁所要求的温度对内壁喷射冷却液的装置；排除用过冷却液的出口；以及在空间和冷却液出口之间建立和保持压差的装置，以迫使用过的冷却液通过出口排除。

另一方面，本发明提供了一种冷却熔化材料容器的方法，容器包括流体冷却密封舱装置，此装置由界定舱室空间的内壁和外壁、流体冷却液在空间的入口和出口组成，此方法包括如下几个步骤：(a)通过进口将加压流体冷却液注入空间；(b)将冷却液喷向内壁，以保持内壁为所要求的温度；和(c)同时保持空间和流体出口之间的压差，以迫使用过的冷却液通过出口排除空间。

本发明的较好的实施例是用作冶金容器(例如电弧炉)的顶或盖。用过的冷却液最好是从炉顶内壁和外壁之间的内部空间被强制排出，这种强制排出是借助于一种可通入一种气体(例如空气或氮)的装置来实现的，这种气体的压力高于大气压但又介于加压冷却液的压力和出口冷却液的压力之间，以便确保有效地置换冷却液。当这样的盖子用在倾斜的容器时，使用二个或多个的冷却液出口，并带有一个能确定何时一个出口抬至高于另一出口的装置。在倾斜期间，抬高的出口关闭以防止盖内减压，炉顶的下侧包括突出的中空短管，从炉顶内壁伸向炉子的内部，以捕集和保持熔化材料的凝固部分，例如，溅射的炉渣，它与炉顶下侧接触就在此处形成一种粘附较牢的隔热衬里，它对炉顶起着降低热冲击的作用。通过在炉顶内壁下侧就地适当形成的隔热炉渣衬里和能固定这些炉渣到内壁的所述下表面，炉顶就可以在装料时或诸如此类的操作中移开，然后复位于炉子上面而不会失去隔热的炉渣衬料。这就会防止内壁经受剧烈的温度改变，并从而有效地使可能招致内壁在应力作用下开裂的热冲击减小到最低限度。用突出的中空管可以将喷溅的炉渣捕集于突出管内及其周围，这样就会对炉渣衬里起着锚定作用，从而即使当炉顶移动时，炉渣衬里也将紧紧固着在炉顶内壁的下表面上。

本发明装置的效率是很高的，它比水满流法所用的冷却水显著减少，例如，在用本发明装置的一个实例中，所用的水只及在现有技术的一个典型的水满流法装置中所用水的大约一半。所需冷却水量的显著减少，对于那些没有充分水源来供应常用水冷装置所需的一些金属制造厂商来说尤为重要。此外，对工作板面喷射的清洗作用能保持板面的清洁，从而加强冷却效率和延长炉子和/或部件的使用寿命。而在某些现有技术的装置中，结垢和淤渣可能在管道内或在封闭的装置中沉积，为了保持有效的冷却，常需清理或对水进行化学处理。

冷却液最好是水或基本为水的流体，而且要大量喷射，以使喷射液滴由于表面积的接触而吸收热量，如需要时，可将热电偶装于钢板中来测温，这些热电偶可以与适当的控制器相连接，以调节冷却液的流速来保持所希望的温度。喷射装置所产生的冷却液流体的液滴与很大的表面面积接触，结果形成很强的冷却能力。此外，虽然冷却液流体(水)的温度在正常情况下达不到212°F，但如果由于发生了暂时性的局部过热等情况时，水温便可达到了这样高的温度，此时便发生了迅速蒸发，冷却液的蒸发潜热用于冷却工作板，可以使热量的去除约相当用水满流冷却法所能达到的十倍。

喷射冷却装置比现有技术水满流装置所需的维修也显著减少。例如在后一装置中如果水温超过约140°F，就会析出沉淀，引起结垢并堆积于需冷却的表面上，从而降低冷却效率。再进一步说，如果在现有技术装置中水温超过212°F，就可以产生蒸汽，因而出现可能发生爆炸的危险。但正如前所述，本发明的水的喷射对要冷却的表面具有清洗作用，因而有利于保持其不结垢等。此外，本发明装置可以用足够的压力进行喷射。本装置对冷却空间或板壁的检修也是便利的，必要时能易于清洗或修理。另一方面，水满流装置有个别的板壁必须取出和冲洗以维持其寿命。此外，水满流装置还需要相当数量的挠性导管、管道、阀门等等以备连接、脱连和维修之用。再者，按照本发明的结构，不需要预敷设耐火材料衬里，这样便可避免用耐火衬里炉子所必需的设备过重及费钱耗时的维修等问题。

图1实施本发明的一个电弧炉顶上部的截面侧视图。

图2本发明的电弧炉顶平面图，局部剖面以显示炉顶的内部结构。

图3沿图2的3-3线剖视炉顶部分的立剖面图。

图4图2炉顶下侧的部分透视图。

图5利用本发明一个实施例的一个电弧炉侧面的示意图。

本文所用的容器是意指处理被加热物质的容器，诸如处理熔化材料的容器、处理热气体或液体的管道、处理热气体或液体的弯头等等。本发明可以理想地用于处理熔化材料容器的各个不同的部分，例如，这些容器的顶壁、侧壁或底壁。本发明优选的实施例示于图1，2，3，4和5，其中示出了一个电弧炉及相关的炉顶结构，在所有图中用相同的数字标记同类的零部件。

本发明的流体冷却密封舱装置的第一优选实施例示于图1和2。在此实施例中，密封舱装置包括一个圆形电弧炉顶10(以截面示出)，它坐落在一个典型的电弧炉12的顶上。炉子12正好在边缘13以下的部分是由衬以耐火砖17或其他隔热材料的钢炉壳15组成。在熔化线以上的炉子的侧壁，也可以按照本发明选用下述的内部喷射冷却装置与顶10相联接，而由内侧和外侧钢板建造。炉顶10有一适合接纳三个电极70、72和74的中心电极开口32，上盖11和顶底39之间有一中空内舱23，在这一内部空间23中，有多路幅条状冷却喷射联管33，它从在开口32周围延伸的中心同心环形供水集合总管29接收冷却液。向下伸出的喷头34对炉顶底壁39的内面38喷射冷却液36，使炉12的炉顶在熔化或熔化材料的其它处理期间保持在可以接受的温度。冷却液从炉顶内部通过开口51进入排水集合管47，此集合管围绕炉顶下部外周边延伸。出口45可以连接到外部排水管线，使冷却液能从集合管47排出。如稍后更详细的解释，当气体从气体入口19吹入炉顶内舱23时，冷却液便被有效的通过出口45排出。

在炉子12炼钢的过程中，例如，熔化的钢水将被熔化了的炉渣或其他保护材料所覆盖，这些炉渣或材料易于向不同方向飞溅喷洒。当这些飞溅的炉渣接触到炉顶10的下侧面39时，一部分易于凝固并附着在炉顶的下侧面。当凝固时，此炉渣起着隔热层的作用，从而使为其覆盖的该部分炉顶的温度降低。在炉子和炉顶组件正常操作过程中，炉渣在某些时候易于剥落，例如当炉顶被移开或当炉顶下侧经受冷热温度反复变化时。为停炉使供给电极的电力中断时，也会发生这种同样的温度来回变化，但程度较轻。因此通常由钢板或类似物制成的炉顶下侧39就要经受热冲击及应力，也就易于产生金属疲劳和钢板的最终断裂。为了比较牢固地捕获并保持炉渣于炉顶10的下侧面和减少热循环期间或从炉子上移开炉顶期间的剥落机会，多个的管状突起25掩护炉顶下侧面39。将如稍后所详细叙述的，这些突出短管25以一定的空间间隔焊接在炉顶的整个内表面上，起着保留炉渣的杯盘或套筒的作用。从熔化物向上飞溅的炉渣易于在突出短管25内及其周围就地形成粘附的隔热耐火衬层27，如图1所示。应当指出，此衬层27对于炉顶下侧面39的稳态温度的控制来说是不是必需的，因为喷冷装置就可以很好完成此项任务。但是，由于它的通常形成，本发明所提供的预置的突出短管25，使渣衬层27更加附着，因此炉顶便较少遭受不希望有的热应力。

本发明另一较好的实施例如图2-5所示，其中图5示出利用本发明的另一个炉子组件的侧面示意图。常用的电弧炉容器12一般用于钢及其它铁类合金的熔炼及处理。炼炉容器12被支承在耳轴或轴14上，可以使炉子按箭头所示的方向左右倾动。通常，炉子能向一个方向倾斜经炉渣出口18倒出炉渣。在炉子12的另一侧正对渣出口18的是出钢口16，一旦熔化及处理完成，当炉子向反向倾斜时，熔化好的钢经16排放或倒出。

在部件分解图中，示出了炉顶10从它坐落在炉子边缘13顶上的通常位置的提升。炉顶10的形状略呈锥形，在其锥顶处有中心开口32，以供将一根或多根电极插入炉内。一般用三根电极按所谓Δ(delta)接法的支撑结构，这种结构可以装配进图1所示的炉顶开口32中。炉顶10由上外壁11和下内壁38所组成，下内壁38的下侧面39暴露于炉子的内部(图3)。外壁11和内壁38分别界定炉顶的内部空间23。炉顶10与熔化钢水不直接接触，但它是用作封闭在炉内钢加工过程中从钢浴中散发的气体和喷射产物。

为了保护炉顶10的下侧面免受从炉子12内部所散发的强热，提供了一个冷却液喷射装置28，它向炉顶的上下壁之间的空间23供应冷却液。喷射装置利用例如水或基本为水的液体作冷却液，它从冷却液供应源20在提高的压力下并最好是环境温度下提供。冷却液供应线40通过软管连接30和压力控制器42将冷却液输送到喷射装置28，随后通过喷头或喷嘴34以控制的喷射流型36喷洒在炉顶下壁38的内表面。

如图2图3所详示，从供应管线40的冷却液通过供应入口21进入炉顶10，与喷射集合总管29相通。喷射集合总管29实质上完全围绕开口32沿着炉顶内部延伸，并将冷却液分配到联管33，联管33向外辐射延伸并带有喷头34。向下对着内壁38的整个上表面的冷却液喷射流型36的作用，是使壁38冷却并保护炉顶免受从炉12的熔液和气体所发生的热。可以利用热电偶或其它温度敏感装置(未示出)来监控壁38的温度。控制喷射到外壁48的冷却液数量，以便保持内壁上所希望得到的温度，并加以正常的调节，使壁38的温度在212°F(100℃)以下，以便冷却液液滴在正常条件下不致闪蒸为蒸气。对于所用的一定量的冷却液来说，冷却液液滴的高表面积如上所述，为除去壁38上的热量，将起着显著有效的作用。

在喷射到壁38内面上之后，为了除去冷却液，提供了排放或排空装置，此装置包括排放集合管47，它沿着围绕炉顶10内部的周边延伸。排放集合管47是用矩形管所制成的，由壁57和59分隔为两个独立的部分，并利用伸长的缝口51或沿着面对壁部分的较低内侧每隔一定距离所开的一些开口，这些缝口或开口从倾斜的下壁38接受用过的冷却液。用过的冷却液应尽可能快地排放，使在下壁38上的冷却液停留时间最短，以使对冷却液直接对壁38的喷射的干扰减至最低限度。所有集合管开口或冷却液出口51最好用筛网49所覆盖，以防止残渣进入集合管和阻塞冷却液的排除。然后冷却液从集合管47相应部分经排放出口45(图2)排放到排水管线48和50，并通过出口62和64(图5)排出。

为使用过的冷却液可以快速排除并从炉顶10的内部空间23中排出，提供有一种在炉顶内部空间和冷却液出口之间形成和维持压差的装置。在这里所用的，此种“维持压差的装置”是指这样一种装置，它包括一个其中将气态介质注入并使喷射冷却液以上的空间加压，以迫使冷却液从炉顶排出的装置。如图5所示，压缩气源22通过气体供应管线44连接于炉顶10的内部，向该处供给气体例如空气或氮。炉顶内部空间23内的这些气体的压力应维持在喷头34处冷却液的压力和冷却液出口62、64处用过的冷却液的压力之间的一个中介值，以致P₁＞P₂＞P₃，这里P₁等于冷却液喷头压力，P₂等于炉顶内部的气体压力和P₃等于冷却液出口压力。通常冷却液是在35磅/平方吋(表压)或更高些的标准表头压力下所供给的水。优选值是气体压力P₂比冷却液出口压力P₃高约从0.1到20磅/平方吋。P₃通常是在大气压(1个大气压)下或稍高些，如压力表66和68所表示。

为了在炉顶10的内部空间内建立一控制的气体压力，一般需要使炉顶的结构能保证各种不同的板件和部件的密封，以防止气体过分逸出。但使炉顶结构完全不透气并不认为是必要的，虽然最好还是用适宜的密封垫或其它密封胶使这样的气体泄漏减少到最低限度，以便使炉顶实质上是不透气的。

利用本发明时，建议排水管线48和50用液体冷却液加以密封，以避免炉顶内部空间23内的加压气体通过冷却液出口造成不希望的损失。为了保证在除渣和出料期间炉顶10随电炉容器12一起倾斜，本发明还提供了一种控制系统，用以防止炉子和炉顶的组合结构在倾斜期间炉顶内部气压的这种损失。此控制系统利用某些手段来检测或发出信号，说明炉子12已倾斜到使集合管开口之一或冷却液出口51抬升至这样的程度以致于用过的冷却液流不能从抬高的集合管开口或冷却液出口51流出，同时也会为加压气体造成一个可以逃逸的出口。这种情况会明显地引起炉顶内部23中的压力损失，因而有可能足以使用过的冷却液不能充分排放。提供了一种灵敏度提高装置(activat-or)，当炉子12倾斜时它将抬升的出口排水管线内的一个阀门关闭，从而防止内部压力的损失。

如图5所示，倾斜传感器26连接于炉顶10或与之相关连，以检测何时炉顶从正常的水平位置倾斜，当炉顶向这一或另一方向倾斜时，液体冷却液将倾向于分别从相对的出料和出渣侧的排放管线48和50的最上方流走。然后炉顶内面的气体压力将倾向于迫使排水管线48或50剩余冷却液从最上排出，从而有可能使炉顶内面的气体的过剩压力减小。为了防止压力的损失，将一阀门控制器或调节器24经过线路56连接到倾斜传感器26上。举例来说，假如倾斜传感器发出信号表明出料侧排水管线48已被抬高，这种情况在除渣操作中可能发生，控制器24将经由线路58发信号给出料侧排水阀54使之关闭，从而防止通过出料侧排水管线48气体压力的任何损失。一旦炉子回到它的水平装置，控制器24将发信号给排水管线阀54使其打开恢复从炉顶10该侧的排放。当从炉子12出熔化材料时，炉渣侧排水管线50将被抬高暴露，然后控制器将发信号给炉渣侧排水阀52，经由线路60而使之关闭。因此，倾斜传感器26和连带的控制器和排水管线阀门在所有运行阶段中将起着维持炉顶10里面所要求的气压的作用。应当指出，炉顶10可以分割成两个或更多的舱室或区间，每个舱室具有它自己独立的喷射系统和冷却液出口，同样，利用本发明冷却系统的容器侧夹壁或底夹壁的内部空间也可以这样地分割。

前面讨论的有关图1的实施例中，护持炉渣的突出短管25(没有画附着炉渣的)较详细地示于图3和4中。这些突出短管可以用中空钢管的管段制成，例如直径1和1/2吋(38毫米)长1和1/4吋(32毫米)的管段，沿炉顶10的整个下侧39以一定的间距焊接在上面。突出短管25的管状构形能使炉渣粘附在管段的内外表面上，以致当炉渣集聚并将突出短管完全覆盖时，凝固的炉渣附着的更加牢固，例如成为一个实体的突出物，这种增强的附着性防止因炉顶移动时的机械振动和/或当炉顶交替加热和冷却时的热冲击所引起的炉渣剥落。与喷射冷却系统28相结合，炉顶10可以维持在变化较小的控制温度下。

因此，本发明为各种类型的闭底式容器的内表面提供了简便而高效的冷却，这些容器包括示于附图中的电弧炉，以及其它类型的熔炼炉、吊包等等。另外，密封舱装置内相对较低的压力使冷却液泄漏进容器的危险减至最低限度。本发明能提供这样的冷却效率，以致一般来说沿密封舱装置的内壁39无需配置任何类型的耐火材料或其他隔热物，虽然在内壁上置放某些类型的薄涂层，以防止在容器内部可能发生的热气体的腐蚀作用也许是有益的。尽管本来不需要隔热，突出的中空短管仍可以护持任何喷溅的炉渣或其它物质，从而提供就地形成的一种附着保护性的屏障，这将通过降低密封舱装置内壁的热应力而延长容器的使用寿命。

虽然本发明是参照一些具体的实施例加以描述的，对于本领域的技术人员来说，都将公认在不脱离本发明的精神和范围的前提下做某些改变是可能的，因此我们申明为了说明本发明的目的而在这里公开的发明的所有变化和修正，均包括在本发明的精神和范围之内。

Claims (21)

1.处理加热材料的容器，所述容器具有流体冷却密封舱装置，此装置包括：

界定此舱室空间的内壁和外壁；

使加压冷却液送至所述空间内的喷射装置的入口装置，此喷射装置对内壁喷射冷却液，以保持内壁的所需温度；

排除用过的冷却液的出口；其特征在于还包括：

压差装置，包括向所述空间内引入气体的装置，以保持所述空间和所述冷却液出口之间的压差，迫使用过的冷却液通过所述出口排出所述空间。

2.根据权利要求1的容器，其特征在于所述气体选自空气和氮气中的一种气体。

3.根据权利要求1的容器，其特征在于所述压差装置，是将所述空间的压力保持在一个大气压以上至所述加压冷却液压力以下的装置。

4.根据权利要求1的容器，其特征在于所述密封舱装置的各壁是不透气的。

5.根据权利要求1的容器，其特征在于所述容器包括底壁、侧壁和所述容器的顶盖，和其中所述流体冷却密封舱装置至少界定所述侧壁和所述盖子之一的一部分。

6.根据权利要求1的容器，其特征在于所述流体冷却密封舱装置包括多路的所述冷却液排放管线和选择性地关闭一个或多个排放管线的装置。

7.根据权利要求6的容器，其特征在于所述密封舱装置还包括检测所述容器密封舱装置的倾斜程度和所述的一个冷却液出口相对于所述的另一个冷却液出口的抬升位置的装置，和随这样的倾斜而选择地关闭抬升的冷却出口的装置。

8.根据权利要求1的容器，其特征在于所述密封舱还包括从所述内壁伸向所述容器内部的突出短管，以保持所述接触内壁的熔化材料的凝固部分。

9.根据权利要求1或2的容器，其特征在于所述容器的流体冷却密封装置是熔化材料容器的液体冷却盖。

10.根据权利要求9的容器，其特征在于此盖子还包括多个冷却液出口，和进一步包括检测所述盖的倾斜和冷却液的一个出口相对于冷却液的另一出口抬升位置的装置，和随这样的倾斜而选择地关闭抬升的冷却液出口的装置。

11.根据权利要求9的容器，其特征在于所述容器中的熔化材料为炉渣所覆盖，和所述盖子还进一步包括从所述内壁向下伸出的突出短管，以保持上述接触内壁的炉渣的凝固部分。

12.根据权利要求1或2的容器，其特征在于所述容器的流体冷却密封舱装置是冶金熔炼炉的炉顶。

13.根据权利要求12的容器，其特征在于还包括：随所述炉顶的倾斜和所述一个冷却液出口相对于另一个所述冷却液出口的抬升，而选择地关闭所述冷却出口的装置。

14.根据权利要求12的容器，其特征在于所述上壁和下壁是不透气的，和其中所述压差装置包括将所述气体在介于所述加压冷却液的压力和所述冷却液出口的压力之间的压力下引入所述炉顶内部的装置。

15.根据权利要求12的容器，其特征在于所述炉顶还包括检测所述炉顶倾斜的装置，和其中所述选择地关闭冷却液出口的装置，可随倾斜检测装置的信号来关闭两个所述冷却液出口中的任何一个。

16.根据权利要求12的容器，其特征在于所述炉顶还进一步包括从所述下壁向下伸出的突出短管，以保持所述炉内与所述下壁接触的炉渣的凝固部分。

17.处理加热材料的容器的冷却方法，所述容器包括用流体冷却的密封舱装置，它包括界定舱室空间的内壁和外壁和在所述空间内流体冷却液的入口和出口，所述方法包括下述步骤：

(a)通过所述入口将加压的流体冷却液注入喷射装置，对内壁喷射冷却液以保持所述内壁的所需温度；和

(b)向所述空间引入气体，保持所述空间和所述冷却液出口之间一定的压差，以迫使用过的冷却液通过所述出口从所述空间排出。

18.根据权利要求17的方法，其特征在于所述气体选自空气和氮气中的一种气体。

19.根据权利要求17的方法，其特征在于所述压差是通过保持所述空间处于高于一个大气压并低于所述加压冷却液的压力下而造成。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于将所述空间保持在高于所述冷却液出口压力0.1到20磅/平方英寸的压力下。

21.根据权利要求17的方法，其特征在于所述方法还包括下述步骤：

(c)检测所述密封舱装置的倾斜程度和一个冷却液出口相对于另一冷却液出口的抬升位置；和

(d)然后关闭抬升的冷却液出口。

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