CN111373218A - 耐磨、单个穿透处的冷却壁冷却器 - Google Patents

Abstract

所有铸铁或铸铜冷却壁冷却器的重量均通过背面上的单个气密钢圈支撑在熔炉安全壳内。每个冷却器中的所有冷却管道具有相应的外部连接，通过该单个钢圈将每一个外部连接聚集和循路径在一起。磨损保护屏障设置在热面上。这样限定以包括至少一水平排的肋和通道，其保留金属插入物或耐火砖、或凹坑，其有助于保持可浇铸水泥和/或从熔体冻结就位的积层，或在焊道、交叉阴影线或编织图案上焊接的表面硬化区域的应用。

Description

耐磨、单个穿透处的冷却壁冷却器

技术领域

本发明涉及用于带有钢制安全壳的圆形熔炉的冷却壁冷却器，更具体地说，涉及一种具有钢制壳的单次穿透需求的铸铁和铸铜冷却壁冷却器，以容纳能完全支撑熔炉内冷却壁冷却器的重量的钢圈，且它将所有管道入口和出口集中在一组进行液体冷却。以这种方式构造钢圈的目的是通过使用类似的合金来使单个穿透处中的膨胀系数相匹配，以使应力最小化并避免与安全壳的连接焊缝的粘结和脆化问题。

背景技术

在全球范围内,钢铁和有色金属在带有钢制安全壳的圆形熔炉中冶炼。其中一些使用面板式冷却壁冷却器，其完全衬砌内壁以冷却安装在其热面上的耐火砖。它们的单独冷却作用是由液体冷却剂传递的，这些液体冷却剂通过管道在每个冷却壁冷却器内循环，所述管道穿过钢制安全壳的穿透处进入外部热交换器。钢制安全壳的每个穿透处都需要可靠的焊接和密封，以确保危险的工艺气体既在熔炉内，同时远离其操作人员。

现在，现代高炉的生产率已达到每天每工作容积立方米三吨铁水以上。通过使用改良的装料、更好的装料分配技术、更严格的过程控制、非常高的热风温度、氧气富集技术、煤粉喷射和天然气燃料的富集，使其成为可能。所有这些都会导致高出许多的平均热负荷和落在安装在最新高炉的钢制安全壳中的冷却壁冷却器上的波动。

综合钢铁厂使用高炉向自己提供用于炼钢的生铁。熔炉生产力的巨大提高也对冷却系统的能力提出了巨大的需求。于1960年代末期首次开发的高炉中的液冷冷却壁冷却器已经不足。自1970年代后期以来，一直需要高电导率的铜冷却壁冷却器，因为它们能够更好地处理当今最先进的，高强度熔炉中产生的强烈工艺热量。铜冷却壁冷却器还已证明自己有能力提供超过15年的熔炉使用寿命。

冷却壁冷却器将承受的平均热负荷水平取决于其在高炉中的放置位置以及熔炉的运行方式。如图1。铸铁冷却壁仍然可以成功地用于要求不高的高炉炉身中部和炉身上部区域，但是在炉身下部、炉腰、炉腹、风口水平和炉底的较高平均热量负荷都需要使用性能更高，但成本更高的铜冷却壁。

铸铁冷却壁的冷却效率不如铜冷却壁，因为铸铁金属的导热系数相对要低许多。如果负载太大，它们固有的热阻会使热量堆积得太高。内部粘合不良可能不必要地增加整体热阻。否则，铸铁中会产生裂纹，裂纹会传播到钢管本身中。铸铁冷却壁具有增加到隔热层的分离层，该隔热层位于在其内部水冷管中循环的冷却剂与铸铁冷却壁主体的热面之间。这两种效果都有助于降低铸铁冷却壁的整体传热能力。

当热面温度上升到700℃以上时，铸铁冷却壁传热性能的这种低效率会给铸铁冷却壁带来过大的压力。热变形很难避免。在非常高的温度下操作时，铸铁冷却壁主体也可能遭受相-体积转变。常见的故障是疲劳裂纹，冷却壁主体材料剥落以及直接暴露于熔炉热量的冷却管。冷却壁冷却器还可用在用来生产直接还原铁(DRI)的还原容器中。

Todd Smith在2015年12月31日出版的美国公开专利申请US-2015-0377554-A1中描述了一种冷却壁冷却器。摘要写道，

冷却壁包括外壳，内部管道回路，所述内部管道回路包括容纳在所述外壳体内的各个管道，其中各个单独管道分别具有入口端和出口端，并且其中每个管道可以或可以不与另一管道机械连接，和歧管，与壳体成一体或设置在壳体上或壳体内；其中，每个单独管道的入口端和/或出口端设置在歧管中或由歧管容纳。歧管可以由碳钢制成，而壳体可以由铜制成。

Todd Smith进一步补充，“每个单独管道的每个入口端和出口端可以在歧管的壳体内被铸铜部分地包围。”

当将液冷冷却壁冷却器放置在冶炼熔炉的钢制安全壳内时，每个常规的冷却液连接件必须在外壳中具有相应的穿透处或进入窗口，以在外部完成软管连接。而且，按照惯例，每个冷却壁冷却器必须用螺栓固定或以其他方式机械地固定在钢制安全壳上，以为其自身提供垂直支撑，并且在其热面上衬砌它的耐火砖支撑和冷却。

熔炉内的热熔会产生非常热，有毒且通常易燃的工艺气体，这些气体会在耐火砖之间、冷却壁冷却器之间找到漏出途径以及从安全壳内的任何开口中逸出。因此这些穿透位置必须具有良好的气密性。一个穿透处比几个穿透处更容易密封和保持密封。而两个或多个固定点会导致热诱发的机械应力。

但是，由于冷却壁冷却器、安全壳和耐火砖都受到热膨胀力的影响，使用寿命期间不断地来回工作会损害气密性。如Todd Smith所描述的冷却壁冷却器一样，冷却壁冷却器内部有许多独立的冷却管道回路，每个回路都产生成对的冷却剂连接端，这些连接端必须向外传回并通过安全壳。

Todd Smith描述了在可以由铜制成的壳体背面上的可能由碳钢制成的“歧管”。他指出，他的冷却壁100易于安装，因为它减少了炉壳51中进/出管道108通过炉壳51进/出100所需的所需的进入孔或开口的数量。并且他说，在第[0094]段中，冷却壁100的结构非常坚固，可提供安装在炉壳51上的冷却壁100所需的大部分支撑。因为与炉壳的各个管道连接已被消除，由于熔炉内温度变化而导致的冷却壁膨胀/收缩的影响降至最低。并且，冷却壁100减少了与炉壳51的管道连接中的焊接破坏，因为已经消除了这种连接。Todd Smith进一步说，他的冷却壁100降低了帮助冷却壁100支撑在炉壳51上所需的任何支撑螺栓的重要性/关键程度，因为自歧管106承载了将冷却壁100支撑在炉壳51上所需的大部分负载以后，不再依赖这些螺栓来独立支撑冷却壁100。

在这个行业中需要一种冷却壁冷却器，该冷却器具有唯一的总是用合适的钢环绕的直头通颈(through-bulkhead neck)，以控制工艺气体的密封和控制。单个矩形铸铜主体内的所有冷却回路中的所有冷却管道必须通过单个紧密组(tight group)，然后在钢制安全壳外部进行外部连接。这样可以将热膨胀和收缩的不利影响降至可控水平。将通过炉壳的各个管道连接紧密地成组将限制工作中的日益恶化的力。

为此，通过将所述直头的单个悬挂在所述安全壳的相应单个穿透处，冷却壁冷却器必须完全依赖其垂直机械支撑。仅承担“许多负荷”对每个冷却壁冷却器的钢制安全壳的一个以上的穿透处留有开放的门。支撑冷却壁冷却器重量和连接所有冷却管道的这两项工作必须始终在一个直头通颈上分担。

发明内容

简而言之，本发明的铸铁和铸铜冷却壁冷却器通过背面的单个气密钢圈使得所有冷却器重量都支撑在炉壳内。每个冷却器中的所有冷却管道具有通过该单个钢圈聚集和循路径在一起的每一个外部连接。磨损保护屏障设置在热面上。这样限定以包括至少一水平排的肋和通道，其保留金属插入物或耐火砖、或凹坑，其有助于保持可浇铸水泥和/或从熔体冻结就位的积层，或在焊道、交叉阴影线或编织图案上焊接的表面硬化区域的应用。

附图说明

图1是本发明实施例的垂直取向金属熔炉或转化熔炉实施例的横截面示图。该实施例带有钢制安全壳，每个冷却壁冷却器只有一个用于液体冷却剂循环的穿透处；

图2是类似于图1的熔炉的中间部分的横截面示图，并且表示本发明的冷却壁冷却器实施例的方式，通过围绕在突出的颈部上的钢圈的钢对钢焊缝来密封工艺气体逸出，并在其后装有可浇铸的耐火水泥。将砖插入锥形槽中。相反当提供有凹坑时，凹坑中填充有耐火浇铸料或捣料(ram)。每个冷却壁冷却器只穿透一次钢制安全壳，并且用于液体冷却剂循环的所有管道都聚集成单个组，以穿过各自钢圈内的突出的颈部；

图3A-3C是本发明的冷却壁冷却器实施例的冷面、侧面和底部边缘的视图；

图4是用于制造图1、2、3A、3B和3C的冷却壁冷却器的铜铸模具的横截面图；

图5是本发明的冷却壁冷却器实施例的透视图，其类似于图1、2和3A-3C；

图6是本发明的冷却壁冷却器实施例的透视图和剖视图，其类似于图1、2和3A-3C，它们安装并焊接在钢制安全壳内；

图7是本发明的冷却系统实施方式的示意性类型的功能框图，如果其任何液态，水基冷却剂逃逸或泄漏到火法冶金熔炉中，则本质上不会沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)；

图8是本发明的冷却壁冷却器实施例的横截面示图，它们悬挂在钢制安全壳内。该视图详细说明了将本发明的钢圈实施例的碳钢和不锈钢(或镍合金)零件连接起来的“特种焊接”的位置；

图9A是装有凹坑和表面硬化焊接覆盖层的冷却壁冷却器的热面的平面图；和

图9B是沿图9A中线9B-9B截取的凹坑的剖视图。

具体实施方式

铁冶炼熔炉在高度还原的环境中运行，并产生危险水平的有毒和高度易燃的一氧化碳(CO)气体。一氧化碳是一种无色，无味和无味的气体，其密度比空气略小。当浓度超过约35ppm时，它对血红蛋白动物有毒。一氧化碳由含碳化合物的部分氧化产生。当没有足够的氧气产生二氧化碳(CO₂)时(例如在冶炼铁时)会形成一氧化碳。在存在大气浓度的氧气的情况下，一氧化碳燃烧产生看不见的蓝色火焰，生成二氧化碳。

因此控制和阻止通过间隙的游离(errant)的一氧化碳工艺气体非常重要，该间隙在冷却壁冷却器、可浇铸的耐火水泥中的裂缝和密封件(焊接在冷却剂连接处和冷却壁支撑紧固件处的钢制安全壳中)之间。

对于冷却壁冷却器，铜比铸铁更受青睐，因为铜的导热性比铸铁好得多。但是与铸铁相比，铜相对较软且容易磨损。熔炉内“焦炭”的搅动和滚动对壁面，特别是在上游的壁面具有很高的磨蚀作用。因此，如果要在长达十年或更长时间的寿命中生存下来，铜冷却壁冷却器必须在其热面中加入某种耐磨面。

图1表示典型的高炉100，其中本发明的各种冷却器实施例已安装在钢制安全壳内。图6详细显示了这些安装和组装的新颖方式。

在还原熔炼中，矿石在助熔剂的存在下被碳还原产生熔融金属和炉渣。在产生DRI的还原容器中，用煤代替焦炭。典型的高炉100包括钢制安全壳102，其内部具有几个基本操作区域：炉身104，炉腰106，炉腹(Bosch)108，风口水平110和炉底112。在较低的抬高的炉身104和其下方，平均工作温度要恶劣许多，因此对其冷却壁冷却器的热负荷要求更高。与中部炉身104和其上方相比。

本发明的液冷铸铁型冷却壁冷却器实施例因此用于中部炉身104和其上部。这样的铸铁冷却壁冷却器在这里用总的附图标记114表示。铸铁材料具有出色的耐磨性，但导热性不如铜。其固有的热阻是问题所在，铁冷却壁容易开裂。

本发明的铸铜型冷却壁冷却器实施例因此用于下部炉身104和其下方。这样的铸铜冷却壁冷却器在这里用总的附图标记116表示。高质量的铜材料具有出色的导热性，但是容易受到炉内材料的搅动和翻腾而磨损，因此在每个铸铜冷却壁冷却器的热面的整个外表面上必须包含耐磨面。

图2表示本发明的一个实施例中的炼铁熔炉200的截面，其使用铸铁冷却壁冷却器114(图1)或铸铜冷却壁冷却器116。在该示例中，外部钢制安全壳202的内部衬有铜冷却壁冷却器204。它们每个都具有单个突起206，并且每个这样的突起206都套在钢对钢的焊接圈208中。

完整的环形钢对钢焊缝210可确保每个铜冷却壁冷却器204的安装固定，并防止工艺气体212不受控制地逸出。将可浇铸的耐火水泥214填充在每个铜冷却壁204的后面，钢制安全壳202的内壁前方，以进一步防止工艺气体212的任何不受控制的逸出。

如果铸铜冷却壁冷却器的使用寿命超过十年，则需要并入到其热面上中的耐磨面或耐磨层。铸铁冷却壁冷却器不需要这样是因为铸铁本身非常耐磨。

铜壁冷却器204的热面因此可以以多种不同的方式完成，以使材料适应于由标准的熔炼炉焦炭218内部的滚动磨损引起的限制腐蚀。

常规技术是在热面上水平开槽，以保留成排的耐火砖、可浇铸耐火水泥，或甚至铸铁金属插入物。在替代实施例中，热面包括耐磨金属或陶瓷的焊接覆盖层或喷涂层。例如，用于焊接覆盖层和金属喷涂层的镍和铬。二氧化硅可用于陶瓷喷涂层。

会增加耐磨性的另一种选择包括在热面中加工垂直或水平凹槽，以便以后在安装过程中插入匹配的金属插入物。

图2通过示出插入在热面上的水平凹槽中的成排的耐火砖216，简化了可能的耐磨面类型的范围。这样的砖通常会继续覆盖凹槽的铜唇。可替代地，冷却壁冷却器的整个热面可以被深深地韧窝或开坑而不是开槽或切割槽，以更好地保持可浇铸的耐火水泥。

熔炼炉焦炭218在铜冷却壁冷却器204的热面上冷却时，将有助于形成一层积层220。这种积层包括冷凝气体、炉渣和金属。铜冷却壁冷却器204内的液体冷却管道222的内部布置全部循轨迹成单个组，以便与钢制外壳202外部的软管224进行外部连接。它们必须全部穿过各自冷却壁冷却器204的一个单个突起206。

常规的钻孔坯块类型的冷却壁冷却器制造不是本发明的实际替代实施例，因为需要太多的钻孔和封堵才能使所有内部冷却剂通道在单个突起206(钢对钢焊圈208内)内以单个组开始和结束。

在钢制安全壳内使用液体冷却的铜冷却壁冷却器的炼铁熔炉可以通过安全壳中用于液体冷却剂连接的许多穿透处中的任何一处泄漏一氧化碳(CO)气体。这些穿透处都需要密封，并且密封必须在熔炉的整个使用寿命期间保持紧密。一氧化碳气体剧毒、无味、无色，并且在普通空气中以不可见的火焰燃烧会非常热。这就是它如此危险的原因。由于焊接失败的固有的高度可能性，因此将钢圈焊接到钻孔坯料上的实施方式不是优选。

在本发明的一种具有钢制安全壳的用于熔炼地熔炉的液冷冷却壁冷却器的实施例中，实心的铜冷却壁被铸造成扁平的矩形形状。它们也可能略微弯曲，以更好地适应立式、圆柱形和圆形熔炉。这些冷却壁冷却器通常约高2.5米，宽1.0米，厚120毫米。因此通常，诸如液冷冷却壁冷却器114、116和204之类的实施例实质上高度大于它们的宽度，并且实质上宽度大于它们的厚度。

图3A-3C表示本发明的典型实施例中的铸铜冷却壁300。所有角和边缘都经过修整和修圆处理(在可浇铸耐火材料水泥中锋利的边缘不利地将机械应力集中)。铸铜主体302铸造在冷却管道304和306的预成型和预成形独立回路上。单个的突出颈部308完全由钢圈310箍住。

钢圈310、铜突出颈部308和铸铜主体302在钢对铜焊缝中不会很好地结合在一起。需要安全和气密提高许多的附件。因此在铸造过程中，钢圈310优选地嵌入到突出颈部308和铸铜主体302的铜中。参见图4。为了铸造的目的，可以将钢圈310制成两部分。将第一部分(例如不锈钢)铸造到铜冷却壁中，然后将第二部分(例如碳钢)在完成这样的铸造之后仅通过特种焊接附接到第一部分。

这些铜冷却壁冷却器的全部重量完全支撑在它们的钢圈310上，因此即使有这种负担，两者也绝不能分开。钢圈310的插入端可以有利地制造成使其边缘呈喇叭形，从而机械地“锁定”到铜铸件中。也可以将锚固件813(图8)添加到钢圈中以增加与铜的机械锁定。

现在转向将颈部308密封到钢制安全壳中相应的穿透处的问题，由于铸铁和铸铜冷却壁冷却器的各自金属差异，例如铸铁与钢，或铸铜与钢，没有钢圈310，它们都无法直接很好地焊接。但是，必须在安全壳外面进行良好的气密焊以阻止游离的工艺气体逸出，并以机械方式将冷却壁冷却器固定到安全壳上。

因此，穿过钢制安全壳102、202的冷却壁冷却器的任何部分都必须“适应”以便能够将那部分焊接到安全壳的钢上。

颈部308中的铜是主体302铜铸件的连续部分。颈部308中的此类铜铸件也许无法完全填充钢圈310远端内部的空间。因此剩下的那些空间可以用填充材料填充，以阻止任何难以控制的工艺气体到达颈部308内部。

图3A-3C旨在说明冷却壁冷却器中冷却管道的所有独立回路必须组合在一起并且仅在颈部308内终止。这些独立的回路然后从外部连接，例如与钢制安全壳202外部的柔性冷却软管224(图2)连接。

颈部308在主体302的冷面上的放置和定向是关键的。这一位置在安全壳102、202的内部提供了冷却壁冷却器300的整个重量的所有垂直支撑。如图3A所示，冷却壁冷却器300应该像相框那样悬挂在墙上的单个钩子上一样笔直悬挂地在自身上。然而，相对于图3B，为了遵循熔炉的内部形状和轮廓，底部也许需要相对于顶部向着安全壳102、202的内部向内或向外倾斜。

多个螺栓或支柱可以设置在冷面上，以附接上钢制安全壳或从钢制安全壳脱离。这些可以帮助设置所需的液体冷却壁冷却器的任何顶部或底部向前倾斜，以推开其相对于图3B的其它笔直或垂直悬挂。

如图3A所示，如果颈部308靠近顶部边缘布置并且横跨假想的横向中线，则冷却壁冷却器300将最笔直地悬挂。如果冷却壁冷却器300的构造关于该假想的横向中线对称，则其重心(COG)将被均分。

颈部308和钢圈310在图3A-3C中以几乎是带有圆角的正方形示出。但是它们也可以配置成圆柱形“罐”的形状。在钢制安全壳102、202中提供的相应的穿透处当然必须是圆形或椭圆形的。可能需要特殊的铸造和制造方法来构造铸铜冷却壁冷却器300。

图4表示用于铸造和制造例如铸铜冷却壁冷却器300的方法400。铸铜方法既古老又众所周知。因此这里不需要描述许多传统的铸铜细节。

模具402被分离打开以容纳预成形和预制的管网404和配件。钢对钢的焊圈406预先放置在模具402顶部的内部，并包围管网404的连接端。

模具402被放置成平坦，且与指向模具的上方并突出于模具的钢对钢的焊圈406齐平。期望铜的熔融液流408均匀地来自中心下方流入，并平稳地上升。从边缘进料会促进单侧收缩。浇铸物在内部和周围上升以嵌入钢对钢的焊圈406，完全浸入并与管网404结合。该浇铸物持续上升到特定水平410，然后允许整体缓慢冷却并固化。

在铸造期间铜的纯晶体形成不是优选的，因为这样的铜铸件将不能与冷却管道很好地结合。小晶粒铜是最好的，但不能以低于国际退火铜标准(IACS)的最小值80％的电导率质量控制措施为代价。(热导率正比于(track)电导率，并且电导率在制造过程中简单且易于观测。)

在冶炼熔炉中使用的冷却壁冷却器中，在平均热负荷较高的情况下，最佳性能要求以下因素的均衡：熔融金属热量、浇铸后的冷却速度、用以提高强度和控制晶粒度的添加的合金、脱氧剂、与铸件结合的优化的管道和并且不会低于80％IACS的电导率，因此热导率将相对地没有困扰铸铁的热阻和梯度。

可以在钢对钢的焊圈406内故意保留一个开放空间412。

此处的钢对钢的焊圈应与突出颈部紧密密封(以防止游离的工艺气体逸出)。构造这些钢对钢的焊圈的实用方法是使用一定长度的带有圆角且无接缝或焊缝的结构钢管。大直径的圆管也是可以的。优选地，在结构钢管中使用的钢包括一种型号的钢，其热膨胀系数与构成钢制安全壳的钢的热膨胀系数相匹配。

在碳钢的钢对钢的焊圈内部铸铜可能不会导致两者之间的接头清洁。如果出现问题，在此处使用不锈钢或镍合金作为该圈可能会更好。在铸造过程中从下方涌入钢对钢的焊圈中的液态熔融铜的水平可以限制到仅填充下半部分。上半部分的内部可以后续填充一些合适的填料以防止游离的工艺气体逸出。

每个液冷冷却壁冷却器实施例包括至少两个冷却管道的独立回路，所有这些回路以扁平回路的方式布置在单个公共层中。一个回路通常可以放置在另一个回路中。冷却管道的所有此类独立回路均布置在实心铜冷却壁体内，以保持一致、平行并靠近热面内部。

冷却液管道的每个独立回路的每个端部都在单个组内一起出现，并穿过突出的颈部和并在钢对钢的焊圈内部。添加到钢圈的锚固件813(图8)将有助于增加与铸铜的机械锁定。该要求将使在坯料法中的钻孔变得困难，因为需要太多的塞子以至于不实用。

通常，带有钢制安全壳的用于熔炉的液冷冷却壁冷却器包括冷却壁主体的单个铜铸件，冷却壁是具有顶部边缘、底部边缘、左侧和右侧边缘、热面和冷面的矩形形状。每个这样的冷却壁主体其高度实质上大于其宽度，其宽度实质上大于其厚度。作为平面图，每个冷却壁可以是在平面内笔直的或弯曲的，或从侧面看时，是笔直的、弯的或弯曲的。冷却壁构造成被粘结到熔炼熔炉的钢制安全壳的内部，例如以密封工艺气体的逸出。

至少有两个独立的冷却剂管路回路，所有这些回路都以单层的扁平回路形式浇铸到冷却壁主体中，并一致、平行且靠近热面内部。

耐磨面通常被并入铜冷却壁冷却器的热面的整个外表面区域中。需要一种具有比铜更高的耐磨性，用来在熔炉内搅动和滚动的屏蔽材料。放置它是为了从所处环境上保护冷却壁的铜铸件。如果铜冷却壁冷却器没有耐磨面保护，那么铜冷却器必须进行充分的液体冷却，以始终冷却并为其自身在其热表面上保留一层冻结积层的保护层。

本发明的铜冷却壁冷却器实施例将因此始终具有单个铜铸件的单个突出的细长颈部，该颈部靠近顶部边缘的中部并位于冷却壁的冷面上。它被配置为从单个穿透处在钢制安全壳内垂直支撑液冷冷却壁冷却器的全部重量。钢对钢的焊圈完全夹套突出的细长颈部的末端。这样优选地包括预制材料，类似于具有圆角且没有接缝或焊缝的结构钢管。

本发明的每个冷却壁冷却器实施例将因此总是具有由一种钢制成的钢对钢的焊圈，其热膨胀系数与构成钢制安全壳的钢的热膨胀系数基本匹配。冷却液管道的每个独立回路的每个端部都在单个组内一起出现，穿过由钢对钢的焊圈夹套的突出的细长颈部。

本发明的一些冷却壁冷却器实施例将包括并入热面的整个表面区域中的耐磨面，可包括浇铸到固态铜冷却壁主体中的许多水平和平行凹槽，以保留耐火砖、可浇铸耐火水泥和金属插入物的一种。

这些耐磨面可替代地包括深矩形表面凹坑或窝的网格图案，这些凹坑或窝铸造到固态铜冷却壁主体中以保持可浇铸的耐火水泥。

结合到热面的整个表面区域中的任何耐磨面都可以进一步替代地包括在铜材料上的焊接金属沉积层。

通过在钢制安全壳的背面放置多个支柱或螺栓作为钢制安全壳的垫片，有助于在建造过程中将安全壳内正确倾斜和角度设置的沉重的冷却壁冷却器密封进入湿的可浇铸耐火水泥中。在安装冷却壁冷却器后放置可浇铸的耐火材料，并且这些设备可以保持液冷冷却壁冷却器的支座和倾斜度，否则该冷却器将不会如所设想那样。

在每个实施例中，在钢对钢的焊圈的外部和钢制安全壳的相应穿透处的内部之间，都需要匹配类型的钢的环形钢对钢的焊接。在施工过程中进行良好的气体密封，然后在整个使用寿命期间进行后续维护的关键优势是，可防止工艺气体从钢制安全壳内部逸出，并避免人员受伤或设备损坏。避免了限制在一个穿透处，以及由于材料不匹配而需避免的金属应力集中。这些原因已经成为常规密封件的故障原因，尤其是在长时间的使用中。

始终地，铜冷却壁冷却器实施例中使用的冷却管道的独立回路包括柔性管道系统的管道，这些管道浇铸在从底部涌入的模具内的液态熔融铜中。允许液态熔融铜在钢对钢的焊圈内缓慢上升并缓慢冷却。

如常规的那样，可在整个热面上交替地设置多排平行和水平凹槽。这些有助于附着耐火砖或可浇铸的耐火水泥。

通常，本发明的冷却壁冷却器实施例的所有外部拐角和边缘最终都变得光滑与圆滑。这样确保了在与这些位置接触的任何可浇铸的耐火水泥上将施加较少的热应力。

图5表示本发明的实施例中的冷却壁冷却器500。这被示为平板，但是以一些凸或凹的弯曲工作也许是有利的。在此，冷却壁冷却器500包括铸铁或铸铜的平板主体502。如果是铸铜，则热面504可包括水平凹槽506以锁定并保持常规耐火砖(未示出)。铸铜比铸铁更容易磨损和擦伤，因此铸铜冷却壁冷却器需要传统耐火砖和其他耐磨材料提供的保护。

冷却壁冷却器500的铸铜实施例包括小晶粒铜，其具有以下平衡因素：熔融金属热量、浇铸后的冷却速度、用以提高强度和控制晶粒度而添加的合金、脱氧剂、与铸件结合的优化的管道和不会低于80％IACS的电导率，因此热导率将相对地没有热阻和梯度。

冷却壁冷却器500进一步包括恰好在热面504内部嵌入有平板主体502的多个液体冷却管道回路或管道。这些循环的液体冷却剂通过单个外部管道连接组510泵入和抽出，该外部管道连接组510通过单个钢圈512收集在一起。该单个钢圈512在铸铁或铸铜过程中被嵌入到平板主体502中，并且包括环形扩口514、锚固件或其他将这些部件机械锁定在一起的装置，因为在这些严格的应用中，异种金属之间的简单结合可能不够充分。

通过循环带有水基的，但不会沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)而本质安全的液体冷却剂，可以提高本发明的冷却壁冷却器实施例的操作安全性。基本上，将不超过50％的水与单相二羟基醇类醇(glycol alcohol)，如甲醇乙二醇(MEG)混合。MEG用作干燥剂，并以物理吸收方式结合水。本发明人Allan MacRae在2018年5月1日提交的标题为“WATER-BASEDHEAT TRANSFER FLUID COOLING SYSTEMS INTRINSICALLY SAFE FROM BOILING LIQUIDEXPANDING VAPOR EXPLOSION(BLEVE)IN VARIOUS PYRO-METALLURGICAL FURNACEAPPLICATIONS”的美国专利申请15/968,272中公开了其细节。

冷却壁冷却器500的每个拐角和边缘都是光滑和钝化的，以减少通常在冷却壁冷却器周围和后面填充的可浇铸水泥的开裂和分离，以防止有害的工艺气体通过它们流出。

图6表示冷却壁冷却器500安装在具有钢制安全壳602的圆形熔炉600内的有利且新颖的方式。对于每一个冷却壁冷却器500，在钢制安全壳602中仅设有一个穿透孔604。钢圈512穿过并通过钢-钢-钢焊缝606并围绕钢-钢-钢焊缝606进行连续且气密的焊接。这种焊缝606必须提供长期且高度可靠的气体密封，以防止逸出内部有害工艺气体，例如一氧化碳(CO)逸出。冷却壁冷却器500的全部重量将由一个穿透孔604内的简单地悬挂钢圈512来承担。冷却壁冷却器500周围的焊缝606和可浇铸水泥防止其从内部滑落。

水是作为冷却剂的绝佳选择，因为它的低粘度使其易于泵送，并且其高比热容意味着可以将冷却剂的泵送量和速度保持在尽可能低的水平。这些考虑因素的平衡组合意味着可以节省水基冷却系统中的泵。但是将水基冷却剂引入到高温的黑色金属和有色金属火法熔炉中会存在沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)的风险。

图7表示本发明的实施例中的水基冷却系统700，则本质上不会BLEVE。传热流体混合物702在通过液体泵704闭环循环的均匀溶液中包含水、二羟基醇类醇和缓蚀剂。在传热流体混合物702中使用的水的比例具有上限和下限。通常，在这种情况下，水罐的使用范围为10％至50％。

可以使用的水的最小比例受增加的粘度和降低的比热容的不利影响的限制，这些不利影响与液体泵704的获取和运行成本有关。随着粘度增加，需要更大的泵送力和更强劲的液体泵704来维持最小冷却速度706。并且随着通过稀释水来减少传热流体混合物702的比热容，需要更大容量的液体泵704的更大泵送力，以保持较高、最小水平的冷却速度706，来对低效率作出补偿。

实际上，传热流体混合物的室温粘度必须小于20mPa.s。并且传热流体混合物702必须具有大于2.3kJ/kg.K的比热容。否则，对相配合的泵704的要求变得不合理和/或难以管理。

可安全使用的水的最大比例受BLEVE风险的限制。不到这个界限，如果混合的冷却剂混合物702从带有钢圈709的冷却器708逸出到高温的黑色金属和有色金属火法冶金熔炉710中，它将燃烧而不是BLEVE。每个冷却壁冷却器708的所有冷却液回路在其各自的钢圈709中以单个组通过。冷却壁冷却器708与图1、2、3A-3C和5的冷却壁冷却器114、116、206、300和500基本相同。

分子间键的类型决定了任意两种化学物质是否可混溶，即它们是否可以混合在一起形成均匀溶液。在此，传热流体混合物702中的水和乙二醇在均匀溶液中很容易地结合在一起。当像水和乙二醇这样的两种化学物质混合在一起时，将每种化学物质的分子结合在一起的键必须断裂，并且必须在两种不同分子之间形成新的键。为此，两者必须具有兼容的分子间键类型。水和乙二醇就是这样。两种分子间键类型的强度越接近相等，两种化学物质的可混合性越大。通常，一种化学品可以与另一种化学品混合的量是有限制的，但是在某些情况下，例如当CH₃OH(MEG)和H₂O(水)混合时没有限制，任何量的一种化学品都可以与任何量的另一种化学品混溶。

结果，在传热流体混合物702中水的比例将具有在10％和50％之间的实际范围。在传热流体混合物702中水与腐蚀抑制剂的最佳比例通常为约25％。没有多余的水存留不被吸收以支撑BLEVE。

传热流体混合物702在封闭系统中循环并由加压系统712加压。标准压力为2-7bar。升高封闭系统内部的压力会升高传热流体混合物702的沸点。传热流体混合物702在压力下的最小沸点应不小于175℃。

微粒过滤器714用于在循环时从传热流体混合物702中去除锈蚀颗粒、剥落的矿物垢和其他固体污染物。

冷却器或热交换器720用于去除和处理循环中的传热流体混合物702获得的热量，例如熔炉710内的冷却器708。这种冷却器和热交换器是常规的。

尽管图7仅显示了冷却壁冷却器708，但其也可以是平板冷却器、或是用于顶部浸入式喷枪(TSL)的冷却套、扩口或以获得来自BLEVE的本质安全操作益处的风口。传统应用危险地使水基液体冷却剂与火法冶金熔炉接近。

图8关注各种金属与或非金属与其他金属合金化的特征。与之相关的是金属与其他金属的物理结合的程度。

在本发明的实施例中的冷却壁冷却器装置800将铸铁或铸铜冷却壁冷却器802安装在碳钢安全壳804内。一端嵌入冷却壁冷却器802的单个钢圈806通过悬挂在安全壳804中的单个穿透处808来提供重量的全部支撑。碳钢与碳钢的焊缝810塞住内部的工艺气体防止穿过穿透处808。

碳钢不能很好地与铜结合，并且两者经常在它们之间产生“脏”界面，从而在制造过程中导致放气和孔隙812。可以将锚固件813添加到钢圈806上以改善其与冷却壁铸件的机械锁定。

本发明的实施例用“特种焊接处”818将碳钢钢圈零件814与不锈钢或镍合金圈零件816连接在一起，一起用作钢圈806。

圈零件816通常包括300系列奥氏体不锈钢或镍合金。304型和316型都可以接受，309型和310型也可以接受。对于大多数人来说，将它们称为“300系列奥氏体不锈钢”会更加清晰。400系列马氏体不锈钢的热膨胀系数接近于钢壳体板中使用的低碳钢的热膨胀系数，但这种材料在铸造过程中很容易遭受脆化的影响。双相不锈钢，介于300级和400级不锈钢之间，也可以有效地用于圈零件816。

使用圈零件816将避免脏的界面和孔隙812，因为铜仅与不锈钢或镍合金接触。然而，不锈钢或镍合金与铜的结合并不比碳钢更好。

在加工和建筑行业中，通常将奥氏体不锈钢(圈零件816)焊接到碳钢和低合金钢(圈零件814)上。英国不锈钢协会(Sheffield,UK)说，涉及不锈钢的异种金属焊缝可以使用大多数全熔焊方法来完成，包括钨极氩弧焊(TIG)和熔化极惰性气体保护电焊(MIG)。使用易耗填料的焊接可更好地控制接头的耐腐蚀性和机械性能。

当决定使用哪种焊接填充剂时，接头(在焊缝818处)被认为是不锈钢的，而不是碳钢。过度合金化的填料(例如镍含量增加的填料)可以避免母体不锈钢的熔合区中合金元素的稀释。

涉及不锈钢的异种钢的常见组合包括普通碳素或低合金结构等级和奥氏体不锈钢等级，例如1.4301(304)或1.4401(316)。含C量低于0.20％的碳钢和合金钢在焊接到奥氏体不锈钢时通常不需要预热。含C量高于0.20％的碳钢和合金钢可能需要预热。材料厚度超过30毫米的高约束接头也应预热。150℃的温度通常是足够的。

碳钢比奥氏体不锈钢更容易产生氢相关的缺陷，因此焊接材料必须干燥。标准308型填料可用于将不锈钢连接到碳钢，和合金化程度更高的填料，例如优选309型(23 12L，BSEN 12072)。如果使用308型(19 9L，BS EN 12072)填料，则焊缝淡薄区中可能出现裂纹，因为铁素体可能太少，冷却时可能会形成马氏体。

在高温条件下，钢和填料的热膨胀率差异会导致热疲劳裂纹。在这些温度下长时间暴露于铁素体含量较高的焊缝中，由于形成σ(sigma)相，会导致脆化。与不锈钢填料相比，镍基填料(例如Inconel)可以产生更好的焊缝，其热膨胀率更低。

“特种焊接处”818因此不能在车间外有效地进行。但是焊缝810可以总是在现场进行。

冷却壁冷却器802的主体内部的裂纹820可导致内部管道822的裂纹和其循环液体冷却剂824的损失。由水组成的冷却剂824可能导致BLEVE以及严重爆炸和死亡。因此在冷却壁冷却器802的主体中使用铸铁的情况下，在铸造期间将去粘结涂料826施加到内部管道822上以防止裂纹扩展。

当冷却壁冷却器802的主体使用铜铸件时，内部管道822中裂纹不会扩散，因此不需要去粘结涂料826。

可以将耐磨材料的硬化表面830作为一薄层施加在到冷却壁冷却器802的热面上，以保护冷却壁冷却器免受磨损并增加其使用寿命。取决于在硬化表面830中使用的具体材料，可能需要中间层832来改善粘合和耐久性。

需要介于更外涂层的材料和铜基底或铸铁基底之间的该材料被工匠所广泛熟悉。但是，需要将这种硬化表面施加到我们的铜或铸铁冷却壁冷却器基底上的何种材料和何种沉积工艺，受限于那些通过经验获得最长的使用寿命的冷却壁冷却器。

硬化表面830在这里包括镍和铬、和/或钼和/或铌的合金。

Sandmeyer钢铁公司(Philadelphia,PA)表示，其625合金是一种奥氏体类型的晶体结构镍-铬-钼-铌合金，在从低温到1800°F(982℃)的宽广温度范围内均具有出色的耐腐蚀性和高强度。

625合金的强度源自存在钼和铌的镍铬基体的固溶硬化。不需要沉淀硬化处理。

625合金在高温环境下抵抗点蚀、缝隙腐蚀、冲击腐蚀、晶粒间腐蚀、氧化和渗碳的各种恶劣的操作环境中均表现出色，并且几乎不受氯应力腐蚀引起的开裂的影响。

625合金可以很容易地焊接到铜上，并可以按照标准的车间制造规范进行加工。

冷却器主要由纯铜铸造而成，内部循环水可提供最佳的高性能，并且能够在现代铜铁熔炉的恶劣环境下工作。但是，相对较软的铜需要保护避免磨损，并且冷却剂中的水必须避免BLEVE。

这些熔炉的磨损是磨损、冲击、金属化、腐蚀、热和其他影响的综合结果。

铜冷却壁冷却器的热表面上的大量使用的可浇铸水泥可以保护铜在使用过程中免受磨损。相对较冷的表面会从熔体中沉淀并冻结积层的夹套，这些形成主要的磨损屏障。

其他适于耐磨性的镍铬合金包括Alloy-122，Alloy-622，Alloy-82和Alloy-686。一些特别适于耐腐蚀的镍铬合金包括Alloy-122，Alloy-622，Alloy-686和NC 80/20。在每种情况下，最低镍含量应为55％，最低铬含量应为18％，最大铁含量应为6％。

但是有时冻结的积层会破裂、结垢、分离并脱落，从而露出裸露的铜表面。新斑块会立即冻结在适当的位置，但是在使用寿命期间的加工和短暂的暴露可能会造成显著的磨损。作为轮廓特征嵌入在热表面中的沟槽、纹理和凹坑有助于保留可浇铸的水泥和冻结的积层。

金属和耐火砖插入物也是防止铜冷却壁冷却器磨损的常规方法。但是，完成为保留金属和耐火砖插入物所需的凹槽、肋和通道所需的机械加工非常昂贵。保持插入物与冷却壁冷却器紧密接触也非常具有挑战性。配合中的任何松动都会使插入物变得过热从而加速磨损。遭受这种特殊命运的冷却壁冷却器将是在Todd Smith的2015年12月31日公布的美国专利申请公开US 2015/0377554中描述的类型。

如Todd Smith的图3所示的耐火砖不保持紧紧支撑嵌在冷却壁冷却器热面上的肋和通道(如Todd Smith的图4和5所示)。这些耐火砖确实具有可直接插入的优点，而不需要从冷却壁冷却器的侧面滑入。滑入也许不是总是合适的，尤其是在垂直定向的圆柱形熔炉中。

图9A和9B表示这样的应用，其中出于实用或经济原因，铜冷却壁冷却器900及其热面902尤其不能用耐火砖或金属插入物保护。在热面902上分布有多个凹坑904。施加硬化表面焊接覆盖层906在围绕每个凹坑904的热面902的更暴露的凸起周边上的焊道、交叉阴影线或编织图案上。

图8表示施加在缓冲层或中间层832上的硬化表面830。取决于硬化表面830中使用的材料，可能不必包括任何缓冲层或中间层832。

可以使用各种焊接技术将相似和不相似的材料熔接到冷却壁冷却器802和900的铜金属表面上。可以通过将焊道906成组地将硬化表面830施加在热表面的比其他部分更易磨损的那些部分中。在某些情况下，这意味着整个表面将需要焊接覆盖层，例如没有凹坑时。

对在所包括的热面表面上的磨损、冲击、金属与金属的接触、热和腐蚀，本发明的改进的铜冷却壁冷却器实施例增加了对其中的至少一种的耐磨性。包含至少一种镍和铬合金的表面硬化通过焊接而熔接。有时小于整个表面，并且仅在使用过程中比其他任何部分预定更加暴露而磨损的热面表面的那些部分上。表面硬化通常以惰性保护气体应用于熔融金属的焊接覆盖层。

在图9A和9B中，可通过包括多个横跨热面902的表面设置的可浇铸水泥固持凹坑904来进一步改进这些铜冷却壁冷却器900。每个这样的凹坑904包括向内倾斜的浅壁和底脚908，其在使用时起到更好地保持可浇铸的水泥填充物的作用。凸起且暴露程度更高的铜基底材料的周边围绕多个凹坑中的每一个。因此，通过将其以焊道模式906放置在仅周边的凸起且暴露程度更高的铜基底材料上，有效利用了这种表面硬化的应用。

优选地，用于接收焊接覆盖层的铜基底材料等效于锻造时的UNS C12000或铸造时的UNS C81100，它包括脱氧剂和低残留磷，其促进良好的焊接、减小的铜晶粒度、至少80％IACS的电导率和焊接过程中改善的耐脆性。

尽管已经描述和说明了本发明的特定实施例，但这并不意图限制本发明。修改和改变无疑对于本领域技术人员将变得显而易见，并且其意图是本发明仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种在熔炉中使用时受到磨损、冲击、金属、腐蚀、热和其他影响的综合的耐磨冷却壁冷却器，包括：

铸铜主体，在铸铜主体中是液态冷却管道，并包括在使用过程中遭受磨损的热面；

单个钢圈，以嵌入或其他方式锚固进入铸铜主体的背面，并横向放置，以使冷却壁冷却器将只能笔直地悬挂在冷却壁上，并且其中的液体冷却管道的所有外部管道连接都聚集在一起作为单个组，并循路径穿过单个钢圈；和

设置在热面上的磨损保护屏障，其限制为包括至少一水平排的肋和通道，以保留金属插入物或耐火砖或凹坑，其有助于保持可浇铸水泥和/或从熔体冻结就位的积层，或在焊道、交叉阴影线或编织图案上焊接的表面硬化区域的应用。

2.根据权利要求1所述的耐磨冷却壁冷却器，其中：

液体冷却管道接受对于BLEVE本质安全的冷却剂的水基混合物，其包括不超过50％的与二羟基醇类醇混合的水，和均相溶液中的缓蚀剂，所述均相溶液通过液体泵在一个封闭的压力环中循环。

3.根据权利要求1所述的耐磨冷却壁冷却器，其中所述铸铜主体是矩形的冷却壁主体的单金属铸件，所述冷却壁的矩形形状具有顶部边缘、底部边缘、左侧边缘和右侧边缘、热面和冷面，且其中冷却壁主体的高度实质上大于其宽度，其宽度实质上大于其壁厚，并且其构造成通过在火法冶金熔炉的钢制安全壳内部进行焊接来胶合和密封。

4.根据权利要求1所述的耐磨冷却壁冷却器，其中所述单个钢圈包括焊接到不锈钢部分的碳钢部分，和所述不锈钢部分，所述不锈钢部分以嵌入或其他方式锚固进入所述铸铜主体背面。

5.根据权利要求1所述的耐磨冷却壁冷却器，其中所述钢圈包括一类钢，其热膨胀系数与构成钢制安全壳的钢类型的热膨胀系数基本匹配。

6.根据权利要求1所述的耐磨冷却壁冷却器，其中，所述单个钢圈中冷却管道的回路的所有输入端和输出端的聚集将气体密封所需的焊缝数量减少到一个，并将所涉及金属的热膨胀和收缩对使用寿命的不利影响减小至最低。

7.根据权利要求4所述的耐磨冷却壁冷却器，所述单个钢圈进一步包括：

第一圈零件，其包含碳钢，该零件最终焊接在钢制安全壳的单个穿透处内；

第二圈零件，其包括奥氏体不锈钢、或马氏体不锈钢或镍合金，所述第二圈零件嵌入到冷却壁主体的金属铸件中；

特种焊接处，其将第一圈零件和第二圈零件连接在一起；

其中，在铸造冷却壁主体时，避免了当铜与碳钢有脏界面时，铜中可能产生的孔隙。

8.一种改进的熔炉铜冷却块，其对在所包括的热表面上的磨损、冲击、金属与金属的接触、热和腐蚀中的至少一种具有更高的耐磨性，该改进包括：

包含至少一种镍和铬合金的硬化表面，所述镍和铬合金通过焊接熔合到小于整个表面，并且仅在使用过程中比使用其他任何部分预定更加暴露而磨损的热面表面的部分上，且其中将所述硬化表面作为熔融金属的焊接覆盖层而在惰性保护气体中施加；

其中，镍和铬的一种合金具有最少55％的镍，最少18％的铬和最多6％的铁。

9.根据权利要求8所述的改进的铜冷却壁冷却器，进一步包括：

多个横跨所述热面的表面而设置的可浇铸水泥固持凹坑，其中每个凹坑包括向内倾斜的浅壁，其在使用时起到更好地保持可浇铸水泥填充物的作用；和

围绕多个凹坑中的每个凹坑的凸起且暴露程度更高的铜基底材料的周边；

其中，所述表面硬化施加在焊道、交叉阴影线或编织图案上，并限制于所述周边的凸起且暴露程度更高的铜基底材料。

10.根据权利要求8所述的改进的铜冷却壁冷却器，其中所述铜基底材料等同于锻造时的UNS C12000或铸造时的UNS C81100，其包括脱氧剂和低残留磷，促进良好的焊接、减小的铜晶粒度、至少80％IACS的导电率和焊接过程中的改善的抗脆性。

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