CN108106464A - 一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构及其制作方法 - Google Patents

一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构及其制作方法。该装置主要由立管式上升管筒体、环形钢板、上法兰、下法兰等组成，该装置利用金属粉末挤压制坯，然后液相烧结成型，使内筒壁和胆管金属连接。本发明能非常有效简化上升管制造工序，制造高强度一体化上升管，提高安全性和导热效率。

Description

一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及焦炉上升管整体冶金的技术领域，尤其涉及一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构及其制作方法。
背景技术
众所周知，焦炉炭化室上升管逸出的荒煤气温度为650～850℃带出的热量占炼焦耗热总量的35％左右。常规工艺下，在桥管处喷洒大量70～75℃的循环氨水，将高温荒煤气温度降至95～105℃，再进入回收煤气净化系统，不仅消耗大量氨水，而且增加系统中的动力消耗，也恶化了焦炉的操作环境，同时也导致大量余热浪费。长期以来，针对荒煤气余热利用，国内外研究人员均作了大量工作，形成了多项技术，目前可分为两类，一类是夹层水套式，即在上升管内筒外再加一层套管，形成水夹套层，中间通过夹层热水回收余热；其优点是传热效率高，但因夹层要保持6个压和150℃的汽液混合物温度，因此既要耐热又要耐压，存在一定安全隐患。第二类是螺旋盘管式，即用螺旋胆管套在上升管的内筒外，高压由较细的螺旋胆管承压，比较安全；但只靠上升管内筒外壁辐射热量加热螺旋胆管，由于上升管内筒与螺旋胆管不接触或填充物导热性能低于金属，热传导效率低，导致上升管内筒温度偏高,上升管内筒与螺旋胆管间的填充空间与外界通过呼吸阀连接，若螺旋胆管或上升管内筒破裂，呼吸阀向外界排出水蒸汽或荒煤气便于操作人员识别。以上两种结构第一种较易加工，而第二种加工难度较高还需在上升管内筒外周安装螺旋管吊架，当上升管换热系统中的汽包出现满水或缺水导致水锤发生时，螺旋胆管在水锤的作用力下压缩或张开撞击上升管内筒、外筒或吊架，极易产生螺旋管表面损伤。
也有在螺旋盘管与内筒外侧腔体内整体浇铸加工上升管筒体的技术方案，但由于大型薄壁空心铸件，当铁液浇入散热面积大的宽窄小型腔时，伴随型壁阻力，型内膨胀压力，前沿铁液不断冷却降温后流动性变差，在两侧周围铁液汇拢时，由于低温铁液难以熔融为一体，容易形成冷隔，或浇不足。对于浇铸超过1米长的管件，铁液密度高，底部压强大还会侵蚀熔化挤压底部胆管，产生变形，导致制成的上升管换热器管路局部阻力大，且浇铸成型的工件未经过细化晶粒的过程，铸体存在气泡，易整体开裂，强度低同样存在安全隐患。
本发明提供了一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构及其制作方法，将上升管内筒和立管式热传导结构整体成型提高安全性和换热面积；本发明同时提供了所述装置的制造方法，采取金属粉末热压液相烧结，热轧锻压的方法保证工件的强度，降低加工难度。
发明内容
本发明的首要目的在于提供通过上述制备方法得到的耐高温高强度的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构。
本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构，包括上升管筒体，位于上升管筒体上下两端的上升管上法兰、上升管下法兰组成焦炉上升管主体结构，其特征在于；所述上升管筒体侧壁具有一定厚度，其内分布有贯通该侧壁上下两端面的立式胆管，上升管筒体是采用铁-铬-铝合金、镍-铬高温耐热合金及不锈钢中的一种制造的多孔筒体结构；
所述上升管上法兰和上升管下法兰均设有双圈环形凸台；
所述上升管筒体上下两端与所述上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台之间分别贴合设置一环形钢板；由所述上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台与所贴合设置的环形钢板分别形成上下环形腔室；
所述环形钢板上具有与各个所述立式胆管对应的连通胆管与环形腔室的通孔；
上下环形腔室分别具有连通其腔室的汽液出口钢管和进水钢管。
进一步地，所述立式胆管，及环形钢板上对应的通孔至少以下之一方式设置：
沿周向均匀分布、至少一圈分布。
进一步地，所述立式胆管直径为10-15mm，距上升管中心通道内壁8-12mm，相邻立式胆管间距为10-15mm。
进一步地，所述立式胆管和内筒外表面均设有凸纹。
所述一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，包括如下步骤：
A.制作一体式无缝多孔筒体；
B.在数控车床上编程序车削步骤A制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的平面；
C.将设有一圈通孔的钢板与多孔筒体两端平面满焊连接；
D.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台连接上升管筒体两端的钢板，通过满焊固定。
所述步骤A包括工艺流程：
A1.将合金粉末、添加剂材料粉末混合，并制成原料；
A2.制作模具，模具包括型腔上盖、型腔骨架和型腔下盖，与内筒组合后形成的中空部分即为原料粉末填充型腔；型腔骨架为对称的分体式结构，型腔上盖设有一圈供胆管伸入的孔,型腔下盖设有供胆管固定的盲孔，型腔上盖外径不大于填充型腔内径，型腔上盖内径不小于型腔内壁外径；
A3.模具组装，先在立式胆管和内筒外表面焊接凸纹，再将胆管固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在内筒外侧并把合固定，型腔骨架内喷涂润滑剂；
A4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯；
A5.脱模；
A6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结；
A7.上述步骤处理后的工件，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体。
所述步骤A包括设备：
1)粉末退火炉；
2)叶片混料机；
3)挤压模具及挤压设备(螺杆挤压机或一般挤压设备)；
4)气氛或真空烧结炉。
5)球磨机；
所述步骤A包括技术条件：
1)合金粉：铁-铬-铝合金、镍-铬高温耐热合金及不锈钢中的一种；
2)合金粉末的退火：依照常规金属粉末退火技术条件进行；
3)添加剂材料粉：石蜡、硬脂酸、羧甲基纤维素、甲基纤维素及聚乙烯醇或聚乙烯缩丁醛中的一种；
4)合金粉及添加剂材料粉粒度：300-500目；
5)合金粉及添加剂材料粉配比：6∶4到9∶1(质量比)；
6)混合条件：叶片转速50-1000转/分钟，混合时间10-200分钟，混合温度20-200℃；
7)制粉条件：惰性气体环境下球磨混合，无水乙醇做为球磨润滑剂；
8)挤压工艺条件：挤压比2-40，挤压速度0.1-20米/分钟，挤压力1-200MPa；
9)烧结条件：温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；
第一组配方为1Cr18Ni9Ti不锈钢粉退火∶甲基纤维素∶水＝7∶2∶1，第二组配方为Cr25Ni20∶石蜡＝9∶1，第三组配方为0cr17ni12mo2∶聚乙烯醇∶水＝6∶2∶2；
与现有技术相比具有的优点和积极效果
(1)可以一次性获得整体型上升管筒体结构，实现将上升管荒煤气的热量以金属热传导方式传递给立式胆管内的水，胆管外壁有金属支撑，防止管内产生水锤时，胆管相对吊架位移，击打管壁，产生表面损伤，导热性能和承压性能优于传统的螺旋盘管上升管结构。
(2)上升管筒体除了本身的中心通道和汽液通道结构外，在两端与环形外套管、上升管上法兰和上升管下法兰形成环形腔室，用于汇集蒸汽或水，本发明制造的一次性成形的上升管筒体可经车床加工制造所需任意长度的筒体，结构简单，易于组装。
(3)本发明制造的一次性成形的上升管筒体具有海绵状的蜂窝多孔结构，富含孔隙，当使用中上升管内筒或立式胆管发生破损泄漏时，泄漏介质能通过孔隙外泄，极易被发现，启到替代呼吸阀的作用，多孔筒体结构还可以启到泄出蒸汽压力作用，防止大量汽水混合物仅向上升管中心通道泄漏，若只有荒煤气外泄，荒煤气在孔隙中经高温结焦堵塞孔隙可自行修复破损部位。
(4)设备条件简单，能实现规模化生产，金属损耗低。
(5)立式胆管和内筒外表面设有凸纹，能与液相金属牢固烧结成整体，保证其紧密结合。
(6)烧结温度较低，保证烧结过程中立式胆管和内筒不受损。
附图说明
图1本发明的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的结构图；
图2本发明的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构中筒体的俯视图；
图3本发明一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法中挤压模具的结构图；
图4本发明一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法流程图；
图5本发明一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法中材料成型流程图。
具体实施方式
见图1和图2，是本发明的结构示意图，本发明所述一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构，包括上升管筒体1、上升管上法兰8、上升管下法兰3组成焦炉上升管主体结构；上升管筒体侧壁壁厚30mm，沿上升管筒体内壁的中心通道101套接在内筒2外侧，内筒外周向均匀布置若干个垂直于上升管横截面的立式胆管5，立式胆管直径为10-15mm，相邻立式胆管间距为10-15mm，立式胆管内壁距上升管筒体外壁7-12mm，立式胆管内壁距上升管筒体内筒内壁8mm，上升管筒体及内筒两端顶面401满焊连接环形钢板4，环形钢板上设有连通胆管5的通孔41，上升管上法兰和上升管下法兰分别连通一个汽水出口钢管9和进水口钢管10，环形钢板内圈103切口与上升管上法兰8、上升管下法兰3的双圈环形内圈凸台顶面满焊连接，环形钢板外圈切口102与上升管上法兰8、上升管下法兰3的双圈环形外圈凸台顶面满焊连接，环形钢板、上升管筒体、上升管上法兰或上升管下法兰围合，在上升管筒体两端形成环形腔室6，用于汇集蒸汽或水；上升管筒体是采用铁-铬-铝合金、镍-铬高温耐热合金及不锈钢中的一种制造的多孔结构。
如图3所示，一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构制作方法中的烧结模具，包括型腔上盖104、型腔骨架105和型腔下盖106，与内筒2组合后形成的中空部分即为原料粉末填充型腔108；型腔骨架为对称的分体式结构，型腔上盖设有一圈供胆管伸入的孔151,型腔下盖设有供胆管固定的盲孔161，型腔上盖外径不大于填充型腔内径，型腔上盖内径不小于型腔内壁外径；实施例1，如图4、5所示，一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，包括：A1.将合金粉末、添加剂材料粉末混合，并制成原料，1Cr18Ni9Ti不锈钢粉在惰性气体环境下球磨研磨20小时至500目退火后，与同样粒度甲基纤维素及水(三者质量比为金属粉：甲基纤维素：水7:2：1)，在叶片混料机上混合均匀(叶片转速：100转/分钟，混合时间：30分钟，混合温度20-25℃)至少干混2小时，球磨介质为直径8～10mm的不锈钢球，球料比8:1(质量)，球磨机转速226r/min，使用氩气作保护气体，无水乙醇做为球磨润滑剂；
A2.制作模具；A3.模具组装，先在立式胆管和内筒外表面焊接凸纹，再将胆管固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在内筒外侧并把合固定，型腔骨架内喷硅油涂润滑剂；
A4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯，挤压比1-15，挤压速度2米/分钟，挤压力20MPa；A5.脱模；A6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结，烧结温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；
A7.上述步骤处理后的工件，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体；
B.在数控车床上编程序车削步骤A制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的外锥及平面；C.将设有一圈通孔的钢板与多孔筒体两端平面满焊连接；D.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台连接上升管筒体两端的钢板，通过满焊固定。
实施例2，如图4、5所示，A1.将合金粉末、添加剂材料粉末混合，并制成原料，Cr25Ni20不锈钢粉在惰性气体环境下球磨研磨8小时至400-500目退火后，与同样粒度石蜡(二者质量比为金属粉：石蜡9:1)，在叶片混料机上混合均匀(叶片转速：200转/分钟，混合时间：40分钟，混合温度120℃)至少干混2小时，球磨介质为直径8～10mm的不锈钢球，球料比8:1(质量)，球磨机转速50r/min，使用氩气作保护气体，无水乙醇做为球磨润滑剂；
A2.制作模具；A3.模具组装，先在立式胆管和内筒外表面焊接凸纹，再将胆管固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在内筒外侧并把合固定，型腔骨架内喷硅油涂润滑剂；
A4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯，挤压比1-20，挤压速度1米/分钟，挤压力30MPa；A5.脱模；A6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结，烧结温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；
A7.上述步骤处理后的工件，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体；
B.在数控车床上编程序车削步骤A制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的外锥及平面；C.将设有一圈通孔的钢板与多孔筒体两端平面满焊连接；D.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台连接上升管筒体两端的钢板，通过满焊固定。
实施例3，如图4、5所示，一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，包括：A1.将合金粉末、添加剂材料粉末混合，并制成原料，0cr17ni12mo2不锈钢粉在惰性气体环境下球磨研磨至12小时300-400目退火后，与同样粒度聚乙烯醇及水(三者质量比为金属粉：聚乙烯醇：水6:2：2)，在叶片混料机上混合均匀(叶片转速：300转/分钟，混合时间：50分钟，混合温度20℃)至少干混2小时，球磨介质为直径6～8mm的不锈钢球，球料比2：1～5:1(质量)，球磨机转速60～100r/min，使用氩气作保护气体，无水乙醇做为球磨润滑剂；
A2.制作模具；A3.模具组装，先在立式胆管和内筒外表面焊接凸纹，再将胆管固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在内筒外侧并把合固定，型腔骨架内喷硅油涂润滑剂；
A4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯，挤压比1-25，挤压速度3米/分钟，挤压力40MPa；A5.脱模；A6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结，烧结温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；
A7.上述步骤处理后的工件，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体；
B.在数控车床上编程序车削步骤A制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的外锥及平面；C.将设有一圈通孔的钢板与多孔筒体两端平面满焊连接；D.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台连接上升管筒体两端的钢板，通过满焊固定。

Claims (10)

1.一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构，包括由上升管筒体，位于上升管筒体上下两端的上升管上法兰、上升管下法兰组成焦炉上升管主体结构，其特征在于,
所述上升管筒体侧壁具有一定厚度，其内分布有贯通该侧壁上下两端面的立式胆管，上升管筒体是采用铁-铬-铝合金、镍-铬高温耐热合金及不锈钢中的一种制造的多孔筒体结构；
所述上升管上法兰和上升管下法兰均设有双圈环形凸台；
所述上升管筒体上下两端与所述上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台之间分别贴合设置一环形钢板；由所述上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台与所贴合设置的环形钢板分别形成上下环形腔室；
所述环形钢板上具有与各个所述立式胆管对应的连通胆管与环形腔室的通孔；
上下环形腔室分别具有连通其腔室的汽液出口钢管和进水钢管。
2.根据权利要求1所述的一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构，其特征在于，所述立式胆管，及环形钢板上对应的通孔至少以下之一方式设置：
沿周向均匀分布、至少一圈分布。
3.根据权利要求1所述的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构，其特征在于，所述立式胆管直径为10-15mm，距上升管中心通道内壁8-12mm，相邻立式胆管间距为10-15mm。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构，其特征在于，所述立式胆管和内筒外表面均设有凸纹。
5.一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：A.制作一体式无缝多孔筒体；B.在数控车床上编程序车削步骤A制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的平面；C.将设有一圈通孔的钢板与多孔筒体两端平面满焊连接；D.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的双圈环形凸台连接上升管筒体两端的钢板，通过满焊固定。
6.根据权利要求5所述的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，其特征在于，所述步骤A包括工艺流程：A1.将合金粉末、添加剂材料粉末混合，并制成原料；A2.制作模具，模具包括型腔上盖、型腔骨架和型腔下盖，与内筒组合后形成的中空部分即为原料粉末填充型腔；型腔骨架为对称的分体式结构，型腔上盖设有一圈供胆管伸入的孔,型腔下盖设有供胆管固定的盲孔，型腔上盖外径不大于填充型腔内径，型腔上盖内径不小于型腔内壁外径；A3.模具组装，先在立式胆管和内筒外表面焊接凸纹，再将胆管固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在内筒外侧并把合固定，型腔骨架内喷涂润滑剂；A4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯；A5.脱模；A6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结；A7.上述步骤处理后的工件，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体。
7.根据权利要求5所述的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，其特征在于，所述流程A1还包括技术条件：合金粉末：铁-铬-铝合金、镍-铬高温耐热合金及不锈钢中的一种；添加剂材料粉末：石蜡、硬脂酸、羧甲基纤维素、甲基纤维素及聚乙烯醇或聚乙烯缩丁醛中的一种；合金粉末及添加剂材料粉末粒度：300-500目；合金粉与及添加剂配比：6∶4到9∶1(质量比)；制粉条件：惰性气体环境下球磨研磨，无水乙醇做为球磨润滑剂；混合条件：叶片混料机，叶片转速50-1000转/分钟，混合时间10-200分钟，混合温度20-200℃。
8.根据权利要求5所述的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，其特征在于，所述流程A4还包括技术条件：挤压比2-40，挤压速度0.1-20米/分钟，挤压力1-200MPa。
9.根据权利要求5所述的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，其特征在于，所述流程A6还包括技术条件：烧结条件：温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min。
10.根据权利要求5所述的一种蜂窝多孔上升管汽化冷却装置结构的制作方法，其特征在于，其特征在于第一组配方为1Cr18Ni9Ti不锈钢粉退火∶甲基纤维素∶水＝7∶2∶1，第二组配方为Cr25Ni20∶石蜡＝9∶1，第三组配方为0cr17ni12mo2∶聚乙烯醇∶水＝6∶2∶2。
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