CN110487090A - 爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，先在轧制铜板上开设凹槽，凹槽在轧制铜板的边沿具有进口和出口以形成一个通道；然后将钢材质的覆合板通过爆炸焊接的方式覆合于轧制铜板的凹槽，以使轧制铜板和覆合板形成可供流体流通的热交换通道。将多个接头管分别焊接于凹槽的进口和出口位置并用于外接冷却流体。采用爆炸焊接的方式制作所述具有热交换功能的的冶金组件，覆合紧密，无需钻孔和堵塞密封，不会泄露，降低加工难度；也不存在传统方式中预埋管和本体不熔融的问题，避免在传热过程中造成热量损失。轧制铜板组织致密，强度大，能够承受较大的热冲击，具有较高的抗热疲劳性能，使用寿命长，导热性能好，热交换效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种冶金组件的制备方法，尤其涉及一种采用爆炸焊接的方式制备具有热交换功能的冶金组件的方法。
背景技术
闪速炉铜冶炼设备在我国上世纪九十年代引进，闪速炉具有产能大的优点，一台闪速炉年产20万吨铜。经过国产化改进，目前一台闪速炉产量已达到年产40万吨。闪速炉与我国传统的反射炉最大的不同是采用了水套(water jacket)技术。目前我们选择纯铜重力埋管铸造的方法制备水套，此方法经过近三十年的实践证明基本能胜任闪速炉的生产，但是水套还存在以下不足：一是铸造组织粗大，无法完全克服裂纹、夹杂等缺陷，抗热疲劳性能不足，从而导致水套寿命短、维修成本高，实践发现水套寿命大多数是热疲劳失效所致；二是采用埋管方式不可能使得铜管和本体达到100％熔融的程度，也即铜管与本体金属不连续，这从传导学分析至少要损失百分之二十的热量。
另外，闪速炉的挡渣板同样地存在使用寿命短的问题，一块挡渣板一般只能使用2-3个月。挡渣板目前也是采用砂型重力埋管铸造，这样无法获得致密的铸造组织，铸造缺陷如气孔等也很难完全消除，这些因素都会对挡渣板的使用寿命产生影响。而如果单纯采用轧制板材加工成挡渣板，还必须轧制板材上钻孔以形成热交换水流通到。虽然深孔能够加工，但是加工形成热交换水流通道之后还需要可靠地堵塞密封好才行。由于需要堵塞的孔比较多，目前堵塞的可靠性较差，容易埋下泄露隐患，在实践中也经常发生多次泄露，而且此种制作成本也不低。
在诸如闪速炉、侧吹炉、底吹炉等冶金应用的炉型上具有各种具有热交换功能的冶金组件，例如铜水套、挡渣板等。如何提高这些具有热交换功能的冶金组件的使用寿命和抗热疲劳性能是目前亟待研究解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，解决现有的诸如挡渣板、铜水套等具有热交换功能的冶金组件寿命短、抗热疲劳性能差的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，包括以下步骤：
开设凹槽步骤：在轧制铜板上开设至少一个凹槽，其中每一凹槽在轧制铜板的边沿具有进口和出口以形成一个通道；
爆炸焊接步骤：将覆合板通过爆炸焊接的方式覆合于轧制铜板的凹槽，以使轧制铜板和覆合板形成可供流体流通的热交换通道，其中覆合板为钢材；
焊接接头管步骤：将多个接头管分别焊接于凹槽的进口和出口位置以供流体进入或流出。
根据本发明一实施例，所述爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法包括以下步骤：
退火步骤：将爆炸焊接在一起的轧制铜板和覆合板在500℃下进行退火处理，以消除应力。
根据本发明一实施例，所述爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法包括以下步骤：
压弯成型步骤：将爆炸焊接在一起的轧制铜板和覆合板在模具上进行压弯成型，以使轧制铜板和覆合板形成弧形。
根据本发明一实施例，在压弯成型步骤中，采用自由锻造水压机进行压弯成型。
根据本发明一实施例，在焊接接头管步骤中，将至少一个锁紧块爆炸焊接于轧制铜板的侧面，并将接头管和锁紧块焊接在一起以固定接头管。
根据本发明一实施例，在爆炸焊接步骤中，轧制铜板和覆合板的厚度比为4:1。
根据本发明一实施例，轧制铜板是牌号为T2的紫铜，而覆合板是310S不锈钢或Q235B碳钢。
根据本发明一实施例，轧制铜板的厚度大于或等于80mm，覆合板和轧制铜板覆合的长度大于或等于3500mm。
根据本发明一实施例，在开设凹槽步骤中，在轧制铜板上开设弯曲的凹槽以形成弯曲的热交换通道。
根据本发明一实施例，所述具有热交换功能的冶金组件为水套或者挡渣板。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本发明通过在轧制铜板上开设两端具有进口和出口的凹槽，然后将开设有凹槽的轧制铜板和钢材质的覆合板爆炸焊接在一起，使得覆合板覆合住轧制铜板的凹槽，从而在轧制铜板和覆合板之间形成可供流体流通的热交换通道。采用爆炸焊接的方式制作所述具有热交换功能的的冶金组件，无需钻深孔，降低加工难度；也不存在传统的预埋管方式中预埋管和本体不熔融的问题，避免在传热过程中造成热量损失。而且轧制铜板经过轧制，其组织致密，强度大，能够承受较大的热冲击，具有较高的抗热疲劳性能，使用寿命长，导热性能良好，热交换效率较高。轧制铜板和覆合板之间采用爆炸焊接工艺连接，使得两者之间覆合紧密，也无需堵塞深孔，保证流体不会泄露。
本发明通过在轧制铜板的侧面爆炸焊接锁紧块，并将接头管和锁紧块焊接在一起，以通过锁紧块固定接头管，这样密封性良好，可避免传统技术中采用堵塞深孔的方式存在泄漏的问题。
本发明通过在轧制铜板开设弯曲的凹槽以形成弯曲的热交换通道，相比于直线型的凹槽，弯曲的凹槽能形成更大的热交换面积，获得更高的热交换效率。
附图说明
图1是本发明提供的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法流程图；
图2是采用爆炸焊接方式制备的其中一种所述具有热交换功能的冶金组件的侧视图，其中所述具有热交换功能的冶金组件为吹炼炉上升烟道水套；
图3是图2中的所述具有热交换功能的冶金组件的俯视图；
图4是图2中的所述具有热交换功能的冶金组件局部的横截面图，以展示轧制铜板和覆合板之间的接合方式；
图5是图2中的所述具有热交换功能的冶金组件在A位置的局部放大图，展示了锁紧块；
图6是采用爆炸焊接方式制备的另外一种所述具有热交换功能的冶金组件的侧视图，其中所述具有热交换功能的冶金组件是挡渣板；
图7是图6中的所述具有热交换功能的冶金组件的俯视图；
图8是图6中的所述具有热交换功能的冶金组件局部的横截面图，以展示轧制铜板和覆合板之间的接合方式；
图9A是用于对图6中的所述具有热交换功能的冶金组件进行压弯成型的模具在第一种状态下的结构示意图；
图9B是用于对图6中的所述具有热交换功能的冶金组件进行压弯成型的模具在第二种状态下的结构示意图；
图10是采用爆炸焊接方式制备的又一种所述具有热交换功能的冶金组件的侧视图，其中所述具有热交换功能的冶金组件是保护水套；
图11是图10中的所述具有热交换功能的冶金组件的俯视图；
图12是图10中的所述具有热交换功能的冶金组件局部的横截面图，以展示轧制铜板和覆合板之间的接合方式。
具体实施方式
以下描述只用于揭露本发明以使得本领域技术人员能够实施本发明。以下描述中的实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及其他未背离本发明精神和范围的其他方案。
如图1所示，本发明提供一种爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，例如可以制备闪速炉的保护水套、挡渣板等具有热交换功能的冶金组件。图2-5是采用图1所述的制备方法制备的保护水套的结构示意图。具体地，所述爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法包括以下步骤：
开设凹槽步骤：在轧制铜板10上开设至少一个凹槽101，其中每一凹槽101在轧制铜板10的边沿具有进口102和出口103以形成一个通道；
爆炸焊接步骤：将覆合板20通过爆炸焊接的方式覆合于轧制铜板10的凹槽101，以使轧制铜板10和覆合板20形成可供流体流通的热交换通道，其中覆合板20为钢材；
焊接接头管步骤：将多个接头管30分别焊接于凹槽101的进口102和出口103位置以供流体进入或流出。
在开设凹槽步骤中，开设的凹槽101数量为一个或多个。在轧制铜板10上开设直线型的凹槽或者弯曲的凹槽。根据需要的不同，轧制铜板10的凹槽101的数量可以不同，从而相应地形成不同数量的热交换通道。例如只有一个凹槽101，从而形成一个热交换通道。而在开设凹槽步骤中，在轧制铜板10上开设的凹槽101的形状和长度可以根据实际需求合理设置，例如可以开设一条直线型的凹槽101，也可以开设来回迂曲的凹槽101。在轧制铜板10内开设的凹槽101数量越多，凹槽101的长度越长，那么形成的可进行热交换的热交换通道其面积越大，热交换效率越高。
可选地，轧制铜板10是牌号为T2的紫铜；轧制铜板10的厚度H1大于或等于80mm。
可选地，为了增加热交换面积，提高热交换效率，在轧制铜板10上开设弯曲的凹槽101以形成弯曲的热交换通道。
如图2-5所示，在采用本发明提供的制备方法制备的所述具有热交换功能的冶金组件即闪速炉上升烟道水套中，轧制铜板10的凹槽101数量为2个，每一凹槽101均具有一个进口102和一个出口103。同一个凹槽101的进口101和出口102分别对应地位于轧制铜板10相对的两侧边沿。两个凹槽101间隔分布于轧制铜板10，其中一个凹槽101为直线型的凹槽，从而形成一个直线型的热交换通道；而另一个凹槽101为弯曲的凹槽，从而形成一个弯曲的热交换通道。
在爆炸焊接步骤中，选用无组织缺陷、组织致密、晶粒细化、抗热疲劳、导热性能好，能胜任1300度工作环境的铜板坯和不锈钢板材作为爆炸焊接的材料。例如，覆合板20选用310S不锈钢或Q235B碳钢。爆炸焊接工艺实质是两种材料在冲击波的作用下相互渗透形成机械结合。覆合板20的一侧表面和轧制铜板10的一侧表面通过爆炸焊接的方式接合在一起，使得覆合板20密封住轧制铜板10的凹槽101的一侧，从而凹槽101即形成一个可供流体流通的热交换通道；也就是说，流体从进口102进入并通过凹槽101流通于轧制铜板10和覆合板20之间，流体最终从出口103流出。
可选地，覆合板20和轧制铜板10覆合的长度大于或等于3500mm。
可选地，轧制铜板10和覆合板20的厚度比(也称覆合比)为4:1。例如，在制备的闪速炉上升烟道水套中，轧制铜板10的厚度H1为80mm，而覆合板20的厚度H2为20mm。这种厚度比的轧制铜板坯和不锈钢是极佳的水套材料组合。厚度不低于80mm的铜材的强度完全能抗过厚度不低于20mm的不锈钢强度，可以避免钢材在高温中产生变形。
在焊接接头管步骤中，将接头管30分别接合于凹槽101的进口102和出口103，这样外部的冷却流体即可通过接头管30进入和流出轧制铜板10和覆合板20之间形成的所述热交换通道。也就是说，接头管30作为所述具有热交换功能的冶金组件和外部连接的管道，供流体进入或流出所述热交换通道。
接头管30的数量根据凹槽101的数量进行设定。例如，在制备的闪速炉上升烟道水套中，凹槽101的数量为两个，因此接头管30的数量为四个，所述具有热交换功能的冶金组件形成两个热交换通道；其中两个接头管30分别对应接合于其中一个凹槽101的进口102和出口103，而另外两个接头管30分别对应地接合于另外一个凹槽101的进口102和出口103。接头管30的形状根据进口102或出口103的形状可以合理设计，例如，接头管30为圆管。
进一步地，在焊接接头管步骤中，将至少一个锁紧块40爆炸焊接于轧制铜板10的侧面，并将接头管30和锁紧块40焊接在一起以固定接头管30。可选地，锁紧块40为钢板。锁紧块40采用爆炸焊接的方式焊接于轧制铜板10的侧面，相比于传统的堵塞深孔的方式，这种方式密封性良好，避免泄露。
所述具有热交换功能的冶金组件用作吹炼炉上升烟道水套，在使用时，冷却水可以同时从两个进口102分别进入两个热交换通道内(也即进入两个凹槽101)，水流在热交换通道内流通的过程中通过轧制铜板10和吹炼炉内烟气进行热交换并吸收热量，吸热之后的水流分别从两个出口103流出。
再进一步地，如图6-8所示，在另一实施例中，采用了本发明的爆炸焊接方式制备了挡渣板，即所述具有热交换功能的冶金组件为挡渣板。其中轧制铜板10A设有一个凹槽101A，且凹槽101A为迂回曲折的凹槽，以形成弯曲的热交换通道。凹槽101A在轧制铜板10A的同一侧边沿具有进口102A和出口103A以形成通道。覆合板20A采用不锈钢并爆炸焊接于轧制铜板10A，覆合板20A覆合于轧制铜板10A的凹槽101A，在轧制铜板10A和覆合板20A之间形成的热交换通道是迂回曲折的。这样在使用时冷却流体在所述具有热交换功能的冶金组件内的流通路径比较长，进行热交换的面积较大，热交换效率较高。两个接头管30A分别对应地接合于凹槽101A的进口102A和103A。使用时，冷却水从进口102A进入所述具有热交换功能的冶金组件并从出口103A流出。
不同的是，所述爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法除了上述的开设凹槽步骤、爆炸焊接步骤以及焊接接头管步骤之外，还包括以下步骤：
退火步骤：将爆炸焊接在一起的轧制铜板10A和覆合板20A在500℃下进行退火处理，以消除应力；
压弯成型步骤：将爆炸焊接在一起的所述轧制铜板和所述覆合板在模具上进行压弯成型，以使所述轧制铜板和所述覆合板形成弧形。
在退火步骤中，将完成爆炸焊接步骤之后的轧制铜板10A和覆合板20A在500℃下进行退火，可以消除组织缺陷，消除应力，提升强度和抗热疲劳性能，从而提高使用寿命。
为了配合应用场景，还需进行压弯成型步骤，即将爆炸焊接之后的轧制铜板10A和覆合板20A弯曲形成弧形，如图6所示。也就是说，轧制铜板10A和覆合板20A均呈弧形。
在实际应用中，采用压力机进行压弯成型。图9A和图9B展示了用于对爆炸焊接后的轧制铜板10A和覆合板20A进行压弯成型的一种模具结构示意图。所述压弯成型模具包括一个压头200和一个凹模300，其中压头200具有一个弧形的凸出面201，而凹模300具有一个弧形的内凹面301。基于图9A和图9B所示的方向，压头200位于凹模300的正上方，压头200的凸出面201和凹模300的内凹面301相对。压头200可操作地下压以靠近凹模300或者上升以远离凹模300。在压弯成型步骤中，先将爆炸焊接在一起的轧制铜板10A和覆合板20A放置于凹模300上，此时轧制铜板10A和覆合板20A位于压头200和凹模300之间；然后通过操作使得压头200向着凹模300下压，从而将轧制铜板10A和覆合板20A压弯成弧形。
而对于形状为弯曲弧形的保护水套而言，爆炸焊接之后也可以采用1600吨自由锻造水压机进行弯曲成型，同样地在弯曲成型之前对爆炸焊接在一起的轧制铜板和覆合板在500℃下进行退火。
此外，在轧制铜板10A的侧面设置吊环螺钉50A，以用作起吊载荷。可选地，吊环螺钉50A的数量为多个，在轧制铜板10A的侧面间隔设置多个吊环螺钉50A。
如图10-12所示，展示了采用本发明提供的爆炸焊接方式制备的又一种所述具有热交换功能的冶金组件，即保护水套。同样地，所述具有热交换功能的冶金组件包括轧制铜板10B、覆合板20B以及两个接头管30B。
轧制铜板10B是牌号为T2的紫铜并设有一个凹槽101B，且凹槽101B为弯曲的凹槽以形成弯曲的热交换通道。凹槽101B在轧制铜板10B的同一侧边沿具有进口102B和出口103B以形成通道。轧制铜板10B的侧面设有两个吊环螺栓50B,并且吊环螺栓50B、进口102B以及出口103B均位于轧制铜板10B的同一侧。
覆合板20B采用不锈钢并爆炸焊接于轧制铜板10B，覆合板20B覆合于轧制铜板10B的凹槽101B，以使轧制铜板10B和覆合板20B形成可供流体流通的热交换通道。
两个接头管30B分别对应地接合于凹槽101B的进口102B和103B。使用时，冷却水从进口102B进入所述具有热交换功能的冶金组件并从出口103B流出。
本发明采用轧制铜板10(10A，10B)和覆合板20(20A，20B)爆炸焊接制备所述具有热交换功能的冶金组件，其中轧制铜板10(10A，10B)设有至少一个两端分别对应具有进口102(102A，102B)和出口103(103A，103B)的凹槽101(101A，101B)，这样轧制铜板10(10A，10B)和覆合板20(20A，20B)爆炸焊接覆合之后形成可供流体流通的热交换通道，而无需通过钻深孔的方式形成热交换通道，降低加工难度。而且轧制铜板10(10A，10B)本身开设的凹槽101(101A，101B)即用作热交换通道，避免了传统的预埋管方式预埋管和本体不熔融的问题。另外，由于轧制铜板10(10A，10B)是经过轧制的，其组织致密，组织缺陷少，强度大，能够承受较大的热冲击，具有较高的抗热疲劳性能，使用寿命长。钢材质的覆合板具有良好的耐热性和可焊性。轧制铜板10(10A，10B)和覆合板20(20A，20B)之间采用爆炸焊接工艺，使得两者之间覆合紧密，保证流体不会泄露。选用轧制铜板和钢材作为爆炸覆合的材料，这两种材料相比于铸造件组织更致密，无组织缺陷或组织缺陷较少，晶粒细化，抗热疲劳性能、导热性能良好。
值得一提的是，本发明采用轧制铜板(10(10A，10B))和钢材质的覆合板(20(20A，20B))进行爆炸焊接的方式接合，对于厚度超过80mm的纯铜板和耐热钢的爆炸覆合工艺目前还没有先例，纯铜板和耐热钢爆炸覆合的长度超过3500mm的也没有先例。因此本发明提供的制备方法对保护水套和挡渣板等具有热交换功能的冶金组件的使用寿命做出了积极的贡献。例如，近三十年来，我国铜冶炼产能有了翻番的成长。铜水套不仅在闪速炉上应用，在侧吹炉，底吹炉等炉型上都得到广泛的应用。采用爆炸焊接方式制备铜水套的突破是提高铜水套寿命的一大创新，可降低使用厂家铜水套正常维修费用30％，减少了熔炼炉维修次数，尤其是对于工作状况严酷的铜溜槽的保护水套的抗疲劳损坏性能提升很明显。
本领域技术人员应当理解，上述描述以及附图中所示的本发明的实施例只作为举例，并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能和结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理情况下，本发明的实施方式可以有任何变形和修改。
Claims (10)
1.一种爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
开设凹槽步骤：在轧制铜板上开设至少一个凹槽，其中每一所述凹槽在所述轧制铜板的边沿具有进口和出口以形成一个通道；
爆炸焊接步骤：将覆合板通过爆炸焊接的方式覆合于所述轧制铜板的所述凹槽，以使所述轧制铜板和所述覆合板形成可供流体流通的热交换通道，其中所述覆合板为钢材；
焊接接头管步骤：将多个接头管分别焊接于所述凹槽的所述进口和所述出口位置以供流体进入或流出。
2.根据权利要求1所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
退火步骤：将爆炸焊接在一起的所述轧制铜板和所述覆合板在500℃下进行退火处理，以消除应力。
3.根据权利要求2所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
压弯成型步骤：将爆炸焊接在一起的所述轧制铜板和所述覆合板在模具上进行压弯成型，以使所述轧制铜板和所述覆合板形成弧形。
4.根据权利要求3所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，在压弯成型步骤中，采用自由锻造水压机进行压弯成型。
5.根据权利要求1所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，在焊接接头管步骤中，将至少一个锁紧块爆炸焊接于所述轧制铜板的侧面，并将所述接头管和所述锁紧块焊接在一起以固定所述接头管。
6.根据权利要求1-5任一所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，在爆炸焊接步骤中，所述轧制铜板和所述覆合板的厚度比为4:1。
7.根据权利要求1-5任一所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，所述轧制铜板是牌号为T2的紫铜，而所述覆合板是310S不锈钢或Q235B碳钢。
8.根据权利要求1-5任一所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，所述轧制铜板的厚度大于或等于80mm，所述覆合板和所述轧制铜板覆合的长度大于或等于3500mm。
9.根据权利要求1-5任一所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，在开设凹槽步骤中，在所述轧制铜板上开设弯曲的所述凹槽以形成弯曲的所述热交换通道。
10.根据权利要求1-5任一所述的爆炸焊接制备具有热交换功能的冶金组件的方法，其特征在于，所述具有热交换功能的冶金组件为水套或者挡渣板。
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