CN110073162A - 用于炼钢炉的延伸腿回弯头及其方法 - Google Patents

Abstract

一种一端延伸超过另一端的180度管弯头，以及将180度管弯头连接到多段冷却管上以形成冷却板的方法，该冷却板用于以其作为辅助设备的炉子、锅炉或其它工业加热设备中。通过使弯头的一端延伸超过另一端，可以通过自动焊接将所述一端连接到一段管上，从而降低制造成本并确保焊接质量。

Description

用于炼钢炉的延伸腿回弯头及其方法

相关申请的交叉引证

本申请要求2016年11月10日提交的美国临时专利申请序列号62/419,995的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于制造和修理冷却管的方法和设备，所述冷却管用于工业管道系统和冶金炉(例如，金属熔炼/冶炼和精炼炉)、锅炉、热交换器和系统部件，例如顶板、管道系统、除尘系统部件以及任何其它需要散热的部件的使用过程中。更具体地，本发明涉及水冷设备的制造和/或修理，所述水冷设备通常设计成具有焊接在一起的多个管，并且需要将180度回弯头焊接到管端，以实现穿过包括水冷设备的管的适当蛇形水流。

背景技术

工业加热设备的冷却对于包括锅炉、冶金炉(例如，金属熔炼/冶炼和精炼炉)等的设备的运行和寿命很重要。例如，钢是通过在电弧炉中熔化和精炼废钢制成的。炼钢领域的技术人员认为电弧炉是钢厂或铸造厂中最关键的设备。因此，电弧炉能够在长时间内正常运行至关重要。

随着生产的增长，炉子的可用性变得越来越重要。尽管水冷板比被其替换的耐火砖耐用，但所述板存在严重的磨损问题，容易损坏。如今，在炼钢行业中，在炉子投入使用的几个月内，经常会有一个或多个板发生严重故障。

发生故障时，必须尽快更换损坏的水冷板。因为修理在电弧炉中进行，电弧炉必须退出生产进行临时维护。这种临时停机会对整个钢厂产生严重影响。例如，当炉子关闭时，钢厂无法生产钢水，这对于某些类型的钢的生产来说，每分钟的损失高达5000美元。这种中断还会降低产量并显著增加运营费用。此外，炉板的临时修理费用占维护费用的相当大一部分。因此，对水冷炉板的修理要迅速，以便炉子能够快速恢复运行。

发明内容

在本公开的一个实施例中，连接到炼钢炉内壁的冷却板，包括弯曲缠绕在第一端和第二端之间的管道，所述管道包括多个基本上彼此平行对齐的管段；入口，形成在管道的第一端，并配置成接收用于冷却所述炼钢炉的流体；出口，形成在管道的第二端并与入口流体连通；基座构件，配置成将管道连接到内壁；以及多个回弯头，每个回弯头将多个管段中的两个彼此连接；其中所述多个回弯头中的每个包括第一腿部和第二腿部，所述第一腿部焊接到两个管段中的第一管段，所述第二腿部焊接到所述两个管段中的第二管段；其中所述第一腿部具有第一长度，所述第二腿部具有第二长度，其中第一长度大于第二长度。

在该实施例的一个示例中，多个回弯头中的每个都具有基本半圆形的横截面。在第二示例中，第一腿部与入口为流体连接，第二腿部与出口为流体连接。在第三示例中，第一腿部沿第一轴对齐；第二腿部沿第二轴对齐；第一轴和第二轴彼此偏离并平行。在第四示例中，第一腿部包括斜边。

在该实施例的第五示例中，第一长度比第二长度长至少0.1英寸。在第六示例中，第一长度比第二长度长至少0.5英寸。在第七示例中，第一长度比第二长度长0.1至1英寸。在第八示例中，第一端被自动焊接到第一管段。在第九示例中，第二腿部包括斜边。

在该实施例的另一示例中，多个回弯头包括配置成能承受所述炼钢炉中3000℉至3500℉的温度而不会发生变形的材料，当用于输送流体时，变形会妨碍多个回弯头的操作。这里，材料可以选自钢、青铜、铜、不锈钢、镍合金、无缝碳管和其它适合上述特定用途的材料。

在本公开的另一实施例中，炼钢炉包括可移动地设置在倾斜机构上的炉壳，所述炉壳包括炉膛、侧壁和顶板；用于从所述炼钢炉中排出气体的排气系统；安装到侧壁内表面的水冷板，所述水冷板包括弯曲缠绕在第一端和第二端之间的管道，所述管道包括多个基本上彼此平行对齐的管段；入口，形成在管道的第一端，并配置成接收用于冷却所述炼钢炉的流体；出口，形成在管道的第二端并与入口流体连通；基座构件，配置成将管道连接到内壁；以及多个回弯头，每个回弯头将多个管段中的两个彼此连接；其中所述多个回弯头中的每个回弯头包括第一腿部和第二腿部，所述第一腿部焊接到两个管段中的第一管段，所述第二腿部焊接到所述两个管段中的第二管段；其中所述第一腿部具有第一长度，所述第二腿部具有第二长度，其中第一长度大于第二长度。

在该实施例的第一示例中，多个回弯头中的每个都具有基本半圆形的横截面。在第二示例中，第一腿部与入口为流体连接，第二腿部与出口为流体连接。在第三示例中，第一腿部沿第一轴对齐；第二腿部沿第二轴对齐；第一轴和第二轴彼此偏离并平行。在第四示例中，第一腿部和第二腿部包括斜边。

在本公开的另一实施例中，一种形成安装到炼钢炉内壁的冷却板的方法，包括提供具有基本相等长度的多段管道和多个180度回弯头，每个回弯头具有比第二腿部长的第一腿部；在自动或半自动焊接过程中，通过焊接工具将多段管道中的第一段焊接到多个回弯头中的一个回弯头的第一腿部；在自动、半自动或手动焊接过程中，将多段管道中的第二段焊接到所述一个回弯头的第二腿部；以及弯曲缠绕多段管道和多个180度回弯头以形成冷却板。

在该实施例的一个示例中，该方法可以包括在多段管道中的一段的一端形成入口；以及在多段管道中的另一段的一端形成出口。在第二示例中，焊接多段管道中的第一段的步骤可以包括将焊接工具定位在第一腿部的斜边附近，使得焊接工具基本垂直于穿过第一腿部的纵轴，由于较短的第二腿部提供的间隙，焊接工具定位成垂直于所述纵轴。

附图说明

图1是根据本发明的液冷板的180度回弯头和一个腿部的侧视图；

图2是图1的180度弯头的横截面；

图3是炼钢炉的横截面示意图，该炼钢炉包括带有图1和图2的回弯头的冷却板；以及

图4是图1和图2的弯曲缠绕管道和回弯头的冷却板的侧视图。

具体实施方式

在电弧炉中，必须使炉膛或冶炼区上方的部分免受炉内高温的影响。电弧炉的炉壁、炉盖或炉顶和管道系统特别容易受到装炉时的巨大热应力、化学应力和机械应力的影响而受损。这种应力极大地限制了炉子的使用寿命。电弧炉通常被设计和制造成焊接钢结构，通过耐火衬里和水冷板保护其免受炉内高温的影响。水冷顶板和水冷侧壁板位于炉子熔炼/冶炼区域上方的炉体部分。

此外，炉子废气管道还包括围绕其圆周的多个管，所述管保护管道系统免受炉子运行期间产生的高温和腐蚀性气体的影响。现有的水冷板和管道都由不同等级和类型的板和管制成。水冷板的使用降低了耐火材料成本，使钢铁制造商的每炉熔炼量更大，并使炉子能够在更高的功率和化学能输入水平下运行。这种板被设计成以蛇形方式结合多个管，并悬挂在炉膛上方的电弧炉内壁上，从而在内部和炉壁之间形成冷却表面。

在水冷板的热侧保持一层炉渣是很重要的，以保护板在炉正常运行过程中免受热降解和电弧降解影响。炉渣杯、炉渣棒、炉渣销和特殊设计的挤压管(在管的热侧面带有花键)可用于将飞溅的炉渣保留在板的热侧面。炉渣在管上凝固，在铁水材料和冷却管之间，进而在铁水材料和炉壁之间形成隔热屏障。

参考图3，炉子的一个实施例被示为电弧炉型炉子80。虽然电弧炉作为一个示例被公开，但应当理解的是，本公开的原理和教导可以容易地应用于氧气顶吹转炉等。在图3中，电弧炉80可以包括炉壳12、多个电极14、排气系统16、工作平台18、摇杆倾斜机构20、倾斜气缸22和废气室b。炉壳12可以可移动地设置在摇杆倾斜机构20或其它倾斜机构上。此外，摇杆倾斜机构20可以由倾斜气缸22提供动力。摇杆倾斜机构20也可以固定在工作平台18上。

炉壳12可以包括碟形炉膛24、大致圆柱形侧壁26、出铁口28、出铁口门30和大致圆柱形圆形顶板32。出铁口28和出铁口门30位于圆柱形侧壁26的一侧。在打开位置，出铁口28可以允许侵入的空气34进入炉膛24并部分燃烧冶炼产生的气体36。炉膛24由合适的耐火材料形成。炉膛24的一端是一个浇注箱，在其下端有一个阀门装置38。在熔炼操作期间，阀门装置38由耐火塞或滑动门关闭。此后，倾斜炉壳12，打开阀门装置38，根据需要将熔融金属倒入浇注桶、中间包或其它装置中。

炉壳12的内壁26上可以安装弯曲缠绕管道50的水冷板40(见图4)。所述板实际上用作炉子80的内壁。供应冷却水的歧管和弯曲部与板40流体连通。典型地，歧管以类似于所示排气导管44的方式定位在外围。

热交换器系统10使运行更有效，并延长电弧炉10的工作寿命。在一个说明性实施例中，板40可以被组装成使得弯曲缠绕管道具有大致水平的方向。管道50可以用连杆连接或者具有安装在壁上的底座。可选地，板40可以被安装成使得弯曲缠绕管道50具有如图4所示的大致垂直的方向。板40的上端可以在炉子80的侧壁26部分的上边限定圆形边缘。

热交换器系统10可以安装到炉子80的顶板32，其中水冷板40具有基本上符合顶板32的圆顶轮廓的曲率。热交换器系统10可以布置在炉子80的侧壁26的内部、顶板32和排气系统16的入口，以及整个排气系统16。这样，当热废气36被输送到袋滤室或其它过滤和空气处理设备中时，热交换器系统10可以保护炉子并冷却热废气36，袋滤室或其它过滤和空气处理设备用于收集灰尘并将气体排放到大气中。

在操作过程中，热废气36、灰尘和烟气通过炉壳12上的通风口46从炉膛24中排出。通风口46可以与排气系统连通。

参考图4，板40可以具有多个轴向布置的管50。U形弯头53可以将相邻的多段管道或管50连接在一起，以形成连续的管道系统。兼作间隔件的连杆82可以位于相邻的管50之间，实现板40的结构完整性，并决定板40的曲率。

如图4的实施例所示，热交换系统或热交换器10可以包括具有入口56和出口58的弯曲缠绕管道50的至少一个板、与至少一个板的入口56流体连通的输入歧管、与至少一个板的出口58流体连通的输出歧管以及流过管道50的冷却流体。热交换器系统10冷却从冶金炉80及其支撑部件中排出的热烟气36和灰尘。管道是并排安装的多段连接管的集合，其中连接管通过连杆82彼此固定，其中形成至少一个板50。

已经确定的是，用于制造管道50的一种示例性和期望的成分是铝青铜合金。已经发现铝青铜合金具有比预期更高的热导率、抗热气流蚀刻能力(弹性模量)和良好的抗氧化性。因此，延长了热交换器的使用寿命。当热交换器和相关部件由铝青铜制成时，其腐蚀和侵蚀会减少。铝青铜的热导率比P22(约96％铁、0.1％碳、0.45％锰、2.65％铬、0.93％钼)高41％，比碳钢(A106B)高30.4％。使用铝青铜及其合金制造的热交换器比由折射材料和/或其它金属合金制造的炉子更高效，使用寿命更长。

还已经确定的是，管道50可以被挤压，所述挤压可以帮助管道抵抗腐蚀、侵蚀、压力和热应力。如果需要，管道可以是弯曲的，以匹配与其连接的壁的曲率。更典型地，管道的各个段通过成角度的连杆相互固定，使得所得板的曲率与壁的曲率相当。

在图3和图4的实施例中，弯曲缠绕管道50可以由多个纵向管道段形成，其中两个管道段通过弯头连接。通常很难将这些管道段组装到弯头上，本公开提供了一种这样的结构，以促进和改善焊接过程。

具体地，本公开旨在提供一种焊接接头，以显著提高制造效率、提供高质量焊接接头以及降低为所有上述应用提供水冷板和管道的成本。冷却装置有助于延长冶金炉、锅炉、热交换器和管道系统的使用寿命，并且至少在计划进行定期维护之前将该装置保持在运行状态，从而避免昂贵的停机成本。尽管本公开的原理和教导可以用于大多数冶金炉，但是本公开将针对电弧炼钢炉(即电弧炉)进行描述。

本公开还包括一端延伸超过另一端的180度管弯头，以及将该180度管弯头连接到多段冷却管以形成蛇形或弯曲缠绕的冷却板的方法，该冷却板用于以其作为辅助设备的炉子、锅炉或其它工业加热设备中。通过使弯头的一端延伸超过另一端，可以通过离线手动和/或自动焊接将所述一端连接到一段管上，这样可以降低制造成本并确保焊接质量。

该新弯头设计消除了将180度回弯头的两个腿部焊接到形成管道的两个相邻管端上的许多困难。该设计是对回弯头的两个腿部具有相同长度的设计的改进。焊接具有180度回弯头的弯头内部很困难，因为允许焊接喷嘴进入两个相邻管相接的区域的空间不足或非常有限。需要能够保证焊接气体的适当流动和方向的焊接喷嘴和设备，以焊接具有180度回弯头的弯头的两端。由于间距问题，焊接180度回弯头区域非常耗时，可能导致焊接点不完整和受损，从而导致必须修复的直接漏水问题和/或水冷装置高温运行期间焊接过早失效。本公开提供了一种改进的结构来克服现有技术中的许多缺点。

在本公开的一个实施例中，蛇形冷却管通过提供由U形或180度弯管连接的多段管而制成。如图1所示，180度弯管(弯头)1包括弯曲大约180度的一段管。弯头1包括第一端2和第二端3，两端2、3沿着基本平行的轴线延伸。例如，在图2中，第一端2与第一轴6轴向对齐，第二端3与第二轴7轴向对齐。第一轴6和第二轴7彼此隔开并平行。

此外，弯头1的外径如图2所示。在一个非限制性示例中，外径可以大约为3¹/₂英寸。此外，还示出了内径，在一个非限制性示例中，内径可以大约为2³/₄英寸。轴6和7是同一管轴的不同端。

同样如图2所示，180度弯管的一端2比180度弯管(弯头)的另一端3长。在一个示例中，第一端2可以比第二端3长至少0.1英寸。在另一示例中，第一端2可以长至少0.25。在另一示例中，第一端2可以长0.5英寸。在又一示例中，第一端可以比第二端3长至少1英寸。在又一示例中，第一端2可以比第二端3长0.1至6英寸。

回弯头1的第一端2的附加长度可以提供足够的空间，以实现使用例如电极4进行自动或半自动焊接。此外，提供了额外的空间，以手动焊接180度弯头1和相应连接管5之间的接头。在图1所示的接头处，电极4或其它焊接工具可以放置在第一端2的斜边附近，使其能够沿斜边进行稳定且高质量的焊接操作，而不会受到第二端3的干扰。如图所示，电极4或其它焊接工具可以大致垂直于第一轴6定位。较短的第二端3提供了空间或间隙，以允许电极4如图1所示定位。这对于炼钢炉(例如电弧炉)的狭小空间或范围尤其重要，否则很难安装、组装或修理冷却板的管道。

虽然仅示出了一个连接管5，但应当理解的是，连接管5可以连接到回弯头1的第一端2和第二端3。连接管5可以对应于图3和图4的管道50。

第二端3可以连接到不同的连接管5(未示出)，其中第二端3焊接到不同的连接管5的方式是，例如，一部分通过自动焊接进行，剩余部分手动进行(人工操作焊接设备)。

出于本公开的目的，自动焊接被定义为定制机器或一系列机器装载工件、将零件和焊接机头定位、完成焊接、监控接头质量和卸载成品。根据操作情况，可能需要机器操作人员。

半自动焊接的定义是，操作人员手动将零件装入焊接夹具，焊机将焊接过程、焊枪的运动和零件的静止控制在预设参数内。焊接完成后，操作人员移除已完成的组件，进行下次焊接。

手动焊接被定义为焊接机头(电极等)在焊接过程中由人手动操作。

180度弯管1的第一端2与连接管5的自动焊接或半自动焊接(与手工焊接相比)可以提高焊接质量、增加产量、减少废料、降低可变劳动力成本并显著提高制造效率。自动焊接和半自动焊接都可以获得稳定的焊接质量，而不会出现焊接中断或焊接气体覆盖问题，这些问题可能会导致焊接缺陷，从而造成关键水冷设备的焊接故障和泄漏。自动和半自动焊接质量保证焊接完整性和可重复性。手动焊接(人工进行)可能会导致由于使用焊枪而导致的假“平滑”，从而掩盖未焊透或可能有缺陷的焊接。

当制造具有多个180度弯管1的蛇形冷却板时(所述弯管1的端部与连接管5焊接)，通过使每个弯管1的一端轴向延伸超过该弯管1的相应另一端，为自动或半自动焊机的焊条(焊枪)4将零件5焊接到零件1的端部2提供了空间。如图1所示，第一端2的额外长度L为自动或半自动焊机的操作提供了额外的空间，以方便操作，而如果端2和3具有相同的轴向长度，则自动焊机会被非焊接端阻挡。弯管1的这种设计可以节省许多小时的人工焊接时间，并反复提供高质量的焊接。

如图所示，具有延伸长度的180度回弯头1由两个腿部组成，其中一个腿部(2)在长度方向延伸，以便在手动焊接和自动或半自动焊接过程中更容易进入。如图2所示，第一端2沿着第一中心轴6轴向延伸，第二端3沿着第二中心轴7轴向延伸，其中轴6和7大致彼此平行地间隔开。端2处的腿部的长度可以调整到特定应用和材料所需的任何长度。180度回弯头1可以由板材铸造，也可以通过将管弯曲制成。弯头1可以由多种材料制成，例如钢、不锈钢、铜、青铜、镍合金或任何可以用于水冷设备的材料。为每个180度回弯头1选择的材料必须能够承受3000℉至3500℉范围内的温度，而不会在用于输送流体时发生妨碍管操作的变形。使用上面讨论的焊接技术可以用更少的时间制造更高质量的冷却板(蛇形管结构)。这些冷却板可以用作工业炉等的新冷却板或替代冷却板。

对焊工的依赖会极大地增加制造商的劳动力成本。以本文所讨论的方式对冷却板进行焊接管连接意味着每个回弯腿部的焊接时间可以减少50％或更多，并且焊接质量比手工焊接更稳定。最终结果是水冷装置将具有更低的维护成本和更长的经济运行寿命。

应当理解的是，前面的描述和具体实施例仅仅是对本发明的最佳模式及其原理的说明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对过程、装置和设备进行各种修改和添加，因此本发明被理解为仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1.一种连接到炼钢炉内壁的冷却板，包括：

弯曲缠绕在第一端和第二端之间的管道，所述管道包括多个基本上彼此平行对齐的管段；

入口，形成在所述管道的所述第一端，并配置成接收用于冷却所述炼钢炉的流体；

出口，形成在所述管道的所述第二端并与所述入口流体连通；

基座构件，配置成将所述管道连接到所述内壁；以及

多个回弯头，每个所述回弯头将所述多个管段中的两个彼此连接；

其中所述多个回弯头中的每个包括第一腿部和第二腿部，所述第一腿部焊接到两个管段中的第一管段，所述第二腿部焊接到所述两个管段中的第二管段；

其中所述第一腿部具有第一长度，所述第二腿部具有第二长度，其中所述第一长度大于所述第二长度。

2.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述多个回弯头中的每个都具有基本半圆形的横截面。

3.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述第一腿部与所述入口为流体连接，所述第二腿部与所述出口为流体连接。

4.根据权利要求1所述的冷却板，其中：

所述第一腿部沿第一轴对齐；

所述第二腿部沿第二轴对齐；

所述第一轴和所述第二轴彼此偏离并平行。

5.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述第一腿部包括斜边。

6.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述第一长度比所述第二长度长至少0.1英寸。

7.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述第一长度比所述第二长度长至少0.5英寸。

8.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述第一长度比所述第二长度长0.1至1英寸。

9.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述第一端被自动焊接到所述第一管段。

10.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述第二腿部包括斜边。

11.根据权利要求1所述的冷却板，其中所述多个回弯头包括配置成能承受所述炼钢炉中3000℉至3500℉的温度而不会发生变形的材料，当用于输送所述流体时，变形会妨碍所述多个回弯头的操作。

12.根据权利要求11所述的冷却板，其中所述材料选自钢、青铜、铜、不锈钢、镍合金、无缝碳管和其它适合上述特定用途的材料。

13.一种炼钢炉，包括：

可移动地设置在倾斜机构上的炉壳，所述炉壳包括炉膛、侧壁和顶板；

用于从所述炼钢炉中排出气体的排气系统；

安装到所述侧壁内表面的水冷板，所述水冷板包括弯曲缠绕在第一端和第二端之间的管道，所述管道包括：

多个基本上彼此平行对齐的管段；

入口，形成在所述管道的所述第一端，并配置成接收用于冷却所述炼钢炉的流体；

出口，形成在所述管道的所述第二端并与所述入口流体连通；

基座构件，配置成将所述管道连接到内壁；以及

多个回弯头，每个所述回弯头将多个管段中的两个彼此连接；

其中所述多个回弯头中的每个包括第一腿部和第二腿部，所述第一腿部焊接到两个管段中的第一管段，所述第二腿部焊接到所述两个管段中的第二管段；

其中所述第一腿部具有第一长度，所述第二腿部具有第二长度，其中所述第一长度大于所述第二长度。

14.根据权利要求13所述的炼钢炉，其中所述多个回弯头中的每个都具有基本半圆形的横截面。

15.根据权利要求13所述的炼钢炉，其中所述第一腿部与所述入口为流体连接，所述第二腿部与所述出口为流体连接。

16.根据权利要求13所述的炼钢炉，其中：

所述第一腿部沿第一轴对齐；

所述第二腿部沿第二轴对齐；

所述第一轴和所述第二轴彼此偏离并平行。

17.根据权利要求13所述的炼钢炉，其中所述第一腿部和第二腿部包括斜边。

18.一种形成安装到炼钢炉内壁的冷却板的方法，包括：

提供具有基本相等长度的多段管道和多个180度回弯头，每个所述回弯头具有比第二腿部长的第一腿部；

在自动或半自动焊接过程中，通过焊接工具将所述多段管道中的第一段焊接到所述多个回弯头中的一个回弯头的所述第一腿部；

在自动、半自动或手动焊接过程中，将所述多段管道中的第二段焊接到所述一个回弯头的所述第二腿部；以及

弯曲缠绕所述多段管道和所述多个180度回弯头以形成所述冷却板。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

在所述多段管道中的一段的一端形成入口；以及

在所述多段管道中的另一段的一端形成出口。

20.根据权利要求18所述的方法，其中焊接所述多段管道中的所述第一段包括将所述焊接工具定位在所述第一腿部的斜边附近，使得所述焊接工具基本垂直于穿过所述第一腿部的纵轴，由于较短的第二腿部提供的间隙，所述焊接工具定位成垂直于所述纵轴。