CN105627745B - 一种金属冶炼炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶墙体、炉门、炉膛；其中，炉膛的上半部分为热烟气室，下半部分放置要被加热的金属；炉膛的上半部分和下半部分之间设置有用于提高金属的吸热速度的强化传热层。本发明金属冶炼炉将炉膛内上半部分内的热烟气的热量传递给下半部分被加热金属的热传递强度提高到两倍以上至数十倍，直接导致排烟温度降低减少热量损失、金属升温速度加快缩短了燃料燃烧时间，可产生明显的节能效果。

Description

一种金属冶炼炉

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种高效节能的金属冶炼炉。

背景技术

金属冶炼工业属于高能耗高污染行业，随着能源价格不断上涨，燃料的消耗成本在加工成本中所占比例越来越高，并伴随自然资源的大量消耗、大量的碳排放以及严重的环境污染。为了减少冶金炉生产过程中的燃料消耗，相关研究机构及生产企业不断探索新的技术以降低成本，同时减少对环境的污染。

目前，整个冶金行业的金属冶炼炉节能以及燃料的高效利用方面的新发明新技术主要集中在两个方面：一是通过新技术实现燃料的充分燃烧；二是尽可能地回收余热。

然而，在上述燃料的充分燃烧以及回收余热方面，目前技术已经非常成熟，并且已经达到极限程度，难以在该等方面进行研究以提高冶炼炉的节能性能。

所以有必要进行开发研究，以提供一种新的有异于燃料的充分燃烧技术或回收余热技术的技术方案，从而提高热能利用率，以达到更加节能的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种金属冶炼炉，提高热能利用率，以达到更加节能的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶墙体、炉门及炉膛，所述炉膛的上半部分为热烟气室，下半部分放置要被加热的金属；炉膛的上半部分和下半部分之间设置有用于提高金属的吸热速度的强化传热层；所述强化传热层是由导热材料粉末喷入烟气室逐渐积累形成的。

进一步地，还包括有燃烧系统，所诉的燃烧系统包括有风口和火口。

进一步地，所述强化传热层外表到内部密布相互连通的小孔。

进一步地，所述粉末由燃烧系统的风口、火口喷入热烟气室或另接管道直接喷入热烟气室。

进一步地，当被加热的金属为固态时，所述强化传热层紧贴金属表面；当被加热的金属为液态时，所述强化传热层部分浸入金属内。

进一步地，所述强化传热层热辐射吸收比大于0.3。

进一步地，所述强化传热层的厚度为0.5cm-20cm。

本发明另一技术方案为，一种金属冶炼炉的制造方法，包括如下步骤：

提供一金属冶炼炉本体，其中，所述金属冶炼炉本体包括：炉底、炉墙、炉顶墙体、炉膛、炉门、以及燃烧系统；炉膛的上半部分为热烟气室，下半部分放置被冶炼的金属；

在炉膛的上半部分和下半部分之间设置一层用于提高金属的吸热速度的强化传热层，其中，所述强化传热层是以石墨烯或者碳化硅为基础的粉末喷入热烟气室，粉末逐渐积累而形成。

相较于现有技术，本发明金属冶炼炉将炉膛内上半部分内的热烟气的热量传递给下半部分被加热金属的热传递强度提高到两倍以上至数十倍，直接导致排烟温度降低减少热量损失、金属升温速度加快缩短了燃料燃烧时间，可产生明显的节能效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明金属冶炼炉的原理示意图。

图2是未设置强化传热层时的金属冶炼炉图示。

图3是沿图1的A-A剖面示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种高效节能的金属冶炼炉，其通过在冶金过程中加强传热，以提高金属吸热。

在传热方面，金属冶炼炉内金属的吸热是通过金属表面(即炉膛上下部分分界面)的对流传热和金属表面吸收辐射的传热两部分完成。在有色冶金冶炼过程中，由于有色金属黑度普遍较低(如铝和铝合金的黑度小于0.25)，对热辐射的吸收比α也很低，被加热的金属其表面在辐射传热方式下接收热量的效率很低(如铝和铝合金只接收到不足30％的来自于炉顶和炉墙辐射过来的热能)；另外，对流传热方式受限于金属表面有限的面积和热烟气有限的流动速度，所以目前金属冶炼炉的对流传热的强度也十分有限。

本发明通过一种传热新技术方案，极大地提高了对流和辐射传热的效率和速度，能够对整个金属冶炼炉节能降耗产生重大影响。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

以下分别进行详细说明。

本发明金属冶炼炉通过输入导热材料粉末到金属冶炼炉内热烟气和被加热的金属(固态或液态)之间形成一层强化传热层。

作为本发明一实施例，传热层从外表到内部密布相互连通的小孔，传热层不要求一定要同等厚度、也不要求是同等密度。热烟气通过这些小孔时对流传热面积比原来的对流传热面积(即金属表面积、也是炉膛上下部分分界面的面积，约等于炉膛面积)增加数倍至数百倍，由于对流传热量与对流面积成正比，因而强化了对流传热速度。其次，小孔还提高了对流传热系数和传热层的吸收比。

作为本发明另一实施例，传热层的辐射吸收比高于被加热金属(固体或液体)的2-5倍，由于物体对辐射热能的吸收量与物体本身的吸收比成正比，传热层对于炉膛上半部分炉壁耐火材料辐射过来的热量吸收率增加了2-5倍。也可以采用人工黑体。实验证明，只要传热层的吸收比高于金属表面的吸收比就可以产生节能效果。

作为本发明另一实施例，传热层材料为高导热率材料，在成本许可的情况下导热率越高越好，可以迅速将吸收的热能传递给被加热金属。本发明实施例中，所述传热层的材料以碳化硅为基础。当然，使用更好的导热材料如石墨烯为基础材料，会取得更好的效果。实践证明，本发明的传热层材料导热率只要大于1w/mk就可以产生节能效果，如果材料导热率大于5w/mk可产生相当好的效果，本发明实施例中，所述传热层材料的导热率为2w/mk-8w/mk。

具体地，如图1所示，本发明金属冶炼炉包括有炉底10、炉墙7、炉顶墙体2、炉膛、炉门1、以及燃烧系统；其中，炉膛的上半部分为热烟气室4，下半部分放置被冶炼的金属(包括固态金属11或液态金属12，本例以铝熔炼炉为例)；炉膛的上半部分和下半部分之间设置有用于提高金属的吸热速度的强化传热层8，所述强化传热层的厚度为0.5cm-20cm，本发明实施例中为大约2cm；燃烧系统包括有风口5和火口3。投料时，打开炉门1，投料完毕后，关闭炉门防止热量损失。作为本发明已实施例，所述燃烧系统为弥散式蓄热燃烧系统，火焰从火口3进入到炉膛上半部分热烟气室4内。

如图2所示，燃烧系统将燃料与预热的空气分别通过火口3与风口5喷入热烟气室4，这时燃气和空气混合燃烧产生的热烟气以一定的速度在热烟气室4内流动，如图2所示，火焰沿火口3中的箭头1A所指进入炉膛。

没有强化传热层时，火焰产生的热烟气向下与被加热金属(固态金属11或液态金属12)表面产生对流传热直接加热金属(固态金属11或液态金属12)，如图2所示，高温烟气沿箭头2A所指方向接近金属，换热后低温烟气沿4A所指方向离开金属。火焰产生的另一部分高温烟气沿箭头2A向上与热烟气室侧面炉墙7和上部的炉顶2产生对流传热加热侧面炉墙7和上部的炉顶2，炉墙7侧面和上部的炉顶2墙体受热后产生红外线6以辐射方式将热量投向下半部分的金属(固态金属11或液态金属12)。

有强化传热层8后，如图3所示，高温烟气沿箭头2A所指方向接近并进入强化传热层8，换热后低温烟气沿4A所指方向流出并离开强化传热层8。火焰产生的另一部分高温烟气沿箭头2A向上与热烟气室侧面炉墙7和上部的炉顶2产生对流传热加热侧面炉墙7和上部的炉顶2，炉墙7侧面和上部的炉顶2墙体受热后产生红外线6以辐射方式将热量投向强化传热层8。热量经强化传热层如箭头3A所指方向进行热传导，对金属进行加热。

本发明实施例中，在炉膛的上半部分和下半部分之间设置一层约2cm的强化传热层8，强化传热层8外表到内部密布相互连通的小孔，可采用普通导热陶瓷材料(导热率大于1w/mk，比重2.0-2.4吨/m³)。如图3所示，燃烧系统提供适当的动力使热烟气室4内热烟气流动速度与原来一致，这时热烟气向下流动与强化传热层8产生对流、热烟气从强化传热层8的无数小孔进出，增大了换热面积，大大增加了强化传热层吸收的热量。

强化传热层8外表到内部密布相互连通的小孔使强化传热层成为一种人造黑体，从而大大增加了强化传热层8对辐射能量的吸收，本发明实施例中，强化传热层8对辐射能量的吸收比α>0.6。

强化传热层8与金属(固态金属11或液态金属12)表面紧密接触，其之间的距离趋近于零，传热速度将趋于无穷大。

作为本发明另一实施例，在炉膛的上半部分和下半部分之间设置一层由导热耐火材料构成的增加金属的吸热速度的强化传热层8。强化传热层8的形成方式为喷入碳化硅为基础的粉末。粉末由燃烧系统的风口5、火口3喷入热烟气室4或另接管道直接喷入热烟气室4。这时粉末逐渐积累形成强化传热层8，积累过程中部分强化传热层8内部留下密布的相互连通的小孔，强化传热层8不软不硬紧贴金属(固态金属11或液态金属12)表面,吸收比α大约为0.6-0.7，即铝金属的大约2-3倍。这种方式形成的强化传热层8与金属之间具有最小的孔隙9。

本发明通过输入导热材料粉末的方法在冶金炉内热烟气和被加热的金属(固态11或液态12)之间形成强化传热层8，创造出一个适合冶金炉强化热传递的技术方案。可将炉膛内上半部分燃料燃烧产生热烟气的热量传递给下半部分被加热金属的热传递强度提高到两倍以上至数十倍，提高热能利用率，直接导致排烟温度降低减少热量损失、金属升温速度加快缩短了燃料燃烧时间，产生明显的节能效果。

本发明另一实施例提供一种金属冶炼炉的制造方法，包括如下步骤：

提供一金属冶炼炉本体，其中，所述金属冶炼炉本体包括：炉底10、炉墙7、炉顶墙体2、炉膛、炉门1、以及燃烧系统；炉膛的上半部分为热烟气室4，下半部分放置被冶炼的金属(包括固态金属11或液态金属12，本例以铝熔炼炉为例)；

在炉膛的上半部分和下半部分之间设置一层用于提高金属的吸热速度的强化传热层8，所述强化传热层的厚度为0.5cm-20cm，本发明实施例中为大约2cm；

在燃烧系统中设置火口3以及火口，以用于将燃料与预热的空气喷入热烟气室4。

投料时，打开炉门1，投料完毕后，关闭炉门防止热量损失。如图2所示，火焰沿火口3中的箭头1A所指进入到炉膛上半部分热烟气室4内。

如图3所示，火焰产生的高温烟气沿箭头2A所指进入强化传热层8，经强化传热层8吸收热烟气中的热量。火焰产生的另一部分高温烟气沿箭头2A向上与热烟气室侧面炉墙7和上部的炉顶2产生对流传热加热侧面炉墙7和上部的炉顶2，炉墙7侧面和上部的炉顶墙体2受热后产生红外线6以辐射方式将热量投向强化传热层8。强化传热层8将吸收的热能如箭头3A所指方向进行热传导，对金属(固态金属11或液态金属12)进行加热。

本发明实施例中，在强化传热层8外表到内部密布相互连通的小孔，可采用普通导热陶瓷材料(导热率大于1w/mk，比重2.0-2.4吨/m³)。如图3所示，燃烧系统提供适当的动力使热烟气室4内热烟气流动速度与原来一致，这时热烟气向下流动与强化传热层8产生对流、热烟气从强化传热层8的无数小孔进出，增大了换热面积，大大增加了强化传热层吸收的热量。

强化传热层8外表到内部密布相互连通的小孔使强化传热层成为一种人造黑体，从而大大增加了强化传热层8对辐射能量的吸收，本发明实施例中，强化传热层8对辐射能量的吸收比α>0.6。强化传热层8与金属(固态金属11或液态金属12)表面紧密接触，其之间的距离趋近于零，传热速度将趋于无穷大。

作为本发明一实施例，强化传热层8的形成方式为喷入碳化硅为基础的粉末。粉末由燃烧系统的风口5、火口3喷入热烟气室4或另接管道直接喷入热烟气室4。这时粉末逐渐积累形成强化传热层8，积累过程中部分强化传热层8内部留下密布的相互连通的小孔，强化传热层8不软不硬紧贴金属(固态金属11或液态金属12)表面,吸收比α大约为0.6-0.7，即铝金属的大约2-3倍。这种方式形成的强化传热层8与金属之间具有最小的孔隙9。

本发明方法制造的金属冶炼炉通过输入导热材料粉末的方法在冶金炉内热烟气和被加热的金属(固态11或液态12)之间形成强化传热层8，创造出一个适合冶金炉强化热传递的技术方案。可将炉膛内上半部分燃料燃烧产生热烟气的热量传递给下半部分被加热金属的热传递强度提高到两倍以上至数十倍，提高热能利用率，直接导致排烟温度降低减少热量损失、金属升温速度加快缩短了燃料燃烧时间，产生明显的节能效果。

本发明可用于所有有色金属铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、铜、铅、锌、锡、钴、镍、锑、汞、镉、铋、金、银、铂、钌、铑、钯、锇、铱、铍、锂、铷、铯、钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、硅、硼、硒、碲、砷、钍。加强对流传热的部分对黑色金属铁(钢)、锰、铬也可以起到节能效果。

综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶墙体、炉门、炉膛，其特征在于：炉膛的上半部分为热烟气室，下半部分放置要被加热的金属；炉膛的上半部分和下半部分之间设置有用于提高金属的吸热速度的强化传热层；所述强化传热层是由导热材料粉末喷入烟气室逐渐积累形成的。

2.如权利要求1所述的金属冶炼炉，其特征在于：还包括有燃烧系统，所诉的燃烧系统包括有风口和火口。

3.如权利要求1所述的金属冶炼炉，其特征在于：所述强化传热层外表到内部密布相互连通的小孔。

4.如权利要求1所述的金属冶炼炉，其特征在于：所述粉末由燃烧系统的风口、火口喷入热烟气室或另接管道直接喷入热烟气室。

5.如权利要求3或4所述的金属冶炼炉，其特征在于：当被加热的金属为固态时，所述强化传热层紧贴金属表面；当被加热的金属为液态时，所述强化传热层部分浸入金属内。

6.如权利要求3或4所述的金属冶炼炉，其特征在于：所述强化传热层热辐射吸收比α大于0.3。

7.如权利要求3或4所述的金属冶炼炉，其特征在于：所述强化传热层的厚度为0.5cm-20cm。

8.一种金属冶炼炉的制造方法，包括如下步骤：

提供一金属冶炼炉本体，其中，所述金属冶炼炉本体包括：炉底、炉墙、炉顶墙体、炉膛、炉门、以及燃烧系统；炉膛的上半部分为热烟气室，下半部分放置被冶炼的金属；

在炉膛的上半部分和下半部分之间设置一层用于提高金属的吸热速度的强化传热层，其中，所述强化传热层是以石墨烯或者碳化硅为基础的粉末喷入热烟气室，粉末逐渐积累而形成。