CN112011660A - 一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，属于高炉冷却技术领域。该制备方法包括三大步骤：一为制备泡沫铜填充管：选取开孔泡沫铜复合体坯料，将开孔泡沫铜复合体坯料的孔隙填满后，得到泡沫铜型芯，再将泡沫铜型芯置于铸模的型腔中，对铸模进行预热，并保温处理，浇注熔融金属铜液，冷却后得到泡沫铜填充管铸造坯料；去除填充在泡沫铜型芯孔隙中的复合物，经过精加工后，得到泡沫铜填充管；二为制备冷却管组；三为制备高炉冷却壁。通过该方法制备的高炉冷却壁，具有很好的换热性能，并提高了冷却水管的机械强度，解决了高炉冷却壁在冷却过程中冷却水与冷却水管的有效冷却面积低、冷却水管易破损的问题。

Description

一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法

技术领域

本发明属于高炉冷却技术领域，更具体地，涉及一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法。

背景技术

大量工业炉窑采用的是水冷冷却结构，高炉冷却壁通常是这类炉窑的关键设备之一，如炼铁高炉的高炉冷却壁。该类设备通常使用铁、铜或钢等铸造而成，在壁体内铸入由无缝金属管制作的冷却通道。冷却壁的冷却通道内通入高压、高速流动的冷却液，将冷却壁的热量快速带走，维护工业炉窑安全稳定的运行。冷却壁是高炉的冷却设备，是用来保证高炉在高温条件下抵御热流侵袭的关键设备。

现有的高炉冷却壁通常都采用水冷的冷却方式，冷却壁的热量由强制循环流过金属管的冷却水流带出，这种由冷却水与金属管壁接触带走冷却壁的热量的方式，有效换热面积较小，使得系统组成复杂、设备繁多、能源消耗高、水量消耗大，且运行维护成本较高，另外由于水冷管繁多，增加了冷却壁的安装难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，通过该方法制备的高炉冷却壁，具有很好的换热性能，并提高了冷却水管的机械强度，解决了高炉冷却壁在冷却过程中冷却水与冷却水管的有效冷却面积低、冷却水管易破损的问题。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其包括：

S1:制备泡沫铜填充管：

选取开孔泡沫铜复合体坯料，将所述开孔泡沫铜复合体坯料的孔隙填满后，进行线切割，得到开孔泡沫铜复合体型芯，再将所述开孔泡沫铜复合体型芯置于铸模的型腔中，其中所述铸模用于制备所述高炉冷却壁的冷却管体；

对所述开孔泡沫铜复合体型芯和所述铸模进行预热，并保温处理，浇注融化温度为1200℃～1400℃的熔融金属铜液，冷却后得到泡沫铜填充管铸造坯料；再对所述泡沫铜填充管铸造坯料进行粗加工，使所述泡沫铜填充管铸造坯料在其端部露出所述开孔泡沫铜复合体型芯后，去除填充在所述开孔泡沫铜复合体型芯孔隙中的复合物，经过精加工后，得到泡沫铜填充管；

S2:制备冷却管组：

用所述泡沫铜填充管制备冷却水管，并在所述冷却水管的两端分别垂直连接入水管和出水管，得到冷却管组；

S3:制备高炉冷却壁：

将多个所述冷却管组布置于砂箱中，并使所述入水管和所述出水管的管口置于所述砂箱表面，浇注熔融金属铜液，同时对所述冷却管组通入氮气进行冷却，得到高炉冷却壁铸造坯料，再经过精加工，得到高炉冷却壁。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述开孔泡沫铜复合体坯料包括未盐脱溶处理的泡沫铜坯料和泡沫铜-铝复合体坯料；

所述未盐脱溶处理的泡沫铜坯料的制备方法包括：通过孔隙率和孔隙尺寸选取耐高温、易水溶的盐颗粒，将所述盐颗粒布置到型腔中并压实，浇注熔融金属铜进行渗流铸造，冷却后不进行盐脱溶处理；

所述泡沫铜-铝复合体坯料的制备方法包括：选取所需孔隙率和孔隙尺寸的开孔泡沫铜坯料，放入型腔中，进行预热，控制预热温度为600℃～700℃，浇注熔融铝水，控制浇注温度为700℃～800℃，加压使得熔融铝水填满泡沫铜孔隙，冷却。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，当所述开孔泡沫铜复合体坯料为未盐脱溶处理的泡沫铜坯料时，步骤S1中对所述铸模进行预热的温度为900-1000℃，并在此温度下进行保温处理。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤S1中去除填充在所述开孔泡沫铜复合体型芯孔隙中的复合物的方法为：将加工后的泡沫铜填充管铸造坯料浸泡在水溶液中，浸泡至所述泡沫铜型芯孔隙中的盐颗粒完全溶出。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，当所述开孔泡沫铜复合体坯料为泡沫铜-铝复合体坯料时，步骤S1中对所述铸模进行预热的温度为550℃～600℃，并在此温度下进行保温处理。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤S1中去除填充在所述开孔泡沫铜复合体型芯孔隙中的复合物的方法为：将加工后的所述泡沫铜填充管铸造坯料加热至700℃～800℃，使位于泡沫铜-铝复合体中的金属铝完全熔除。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，步骤S2中，制备所述冷却管组的方法包括:直接将所述泡沫铜填充进行弯折处理，得到依次连接的入水管、冷却水管和出水管；或者，将普通铜管分别加工成入水管和出水管，将所述泡沫铜填充管加工成所述冷却水管，再将所述入水管和所述出水管焊接于所述冷却水管的两端。

本发明的效果如下：

1.本发明提供的这种高炉冷却壁的制备方法中，通过泡沫铜填充管的制备，使得高炉冷却壁的冷却水管中填充有泡沫铜材料。这种泡沫铜材料不但具有良好的换热性能，而且制备成本低，当流动的冷却水流过这种具有通孔结构的材料中时，由于泡沫铜结构中高的比表面积和复杂的三维流动状态，热量以强制对流形式通过流过孔穴的液体进行散发，使泡沫铜具有优良的散热、换热能力。因此，这种填充有泡沫铜的冷却水管，即泡沫铜填充管的换热性能好，从而提高了高炉冷却壁的换热性能。

2.本发明在原有冷却水管的基础上，在冷却水管中心增加了泡沫铜材料，从而提高了冷却水管的机械强度，降低了破损率，减少了高炉冷却壁维修的次数，从而提高了高炉的工作效率。

3.本发明与现有高炉冷却壁相比，解决了系统组成复杂，设备繁多，能源消耗高，水量消耗大，运行维护成本较高等问题，另外降低了水冷管数量,使高炉冷却壁的安装难度降低。

附图说明

图1为本发明高炉冷却壁立体示意图；

图2为本发明高炉冷却壁局剖示意图；

图3为本发明实施例1中未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯示意图；

图4为本发明实施例1中开孔泡沫铜填充管剖视示意图；

图5为本发明实施例1中弯折后冷却管组立体示意图；

图6为本发明实施例1中弯折后冷却管组剖视示意图；

图7为本发明实施例1中焊接冷却管组的立体示意图；

图8为本发明实施例1中焊接冷却管组立体示意图；

图9为本发明实施例2中开孔泡沫铜-铝复合体型芯示意图；

图10为本发明实施例2中弯折后冷却管组剖视示意图；以及

图11为本发明实施例2中焊接冷却管组局剖示意图。

主要附图标记：

1—冷却壁本体、2—燕尾凹槽、3—吊环组件、4—进水管、5—出水管、6—定位凸台、7—定位孔、8—开孔泡沫铜、9—冷却管组、10—未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯、11—泡沫铜填充管、12—冷却水管、13—开孔泡沫铜-铝复合体型芯。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提供一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，通过这种方法制备的高炉冷却壁，冷却过程增加了冷却水与冷却水管的有效冷却面积,从而节约能源和水资源，并能减小高炉冷却水系统规模。

这种高炉冷却壁，如图1和图2所示，其包括冷却壁本体1、燕尾凹槽2、吊环组件3、冷却管组9、定位凸台6、定位孔7，其中冷却管组9包括进水管4、出水管5和冷却水管12，且冷却管组9的管体内填充有开孔泡沫铜8材料，冷却管组9和开孔泡沫铜8的材料均为纯铜。冷却管组9的冷却水管12预埋于冷却壁本体1内，进水管4和出水管5均与冷却水管12垂直，且进水管4和出水管5的端部均伸出冷却壁本体1。冷却壁本体1通过螺栓组件安装在高炉炉壳上，冷却壁本体1的高炉冷却面上间隔设有多道燕尾凹槽2，燕尾凹槽2与镶砖铸件的燕尾榫连接，形成冷却墙体；冷却壁本体1上设有定位凸台6和定位孔7，用于高炉冷却壁的安装定位，吊环组件3设置在高炉冷却壁本体1的与冷却管组9垂直的侧面上。

冷却管组9的横截面为圆形。冷却壁本体1设置多组冷却管组9，冷却管组9预埋于冷却壁本体1内且相互平行设置，任意相邻冷却管组9之间的距离相等。冷却管组9的冷却水管12的长度短于冷却壁本体1长度。进水管4和出水管5与冷却水管12的连接处呈直角；

冷却管组9内所通的冷却介质为软水，硬水在高温的条件下，易产生水垢，由于开孔泡沫铜8的结构特殊性，易造成水垢累积造成堵塞，影响连铸结晶器的正常使用。

实施例1

本发明提供一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其包括：

S1：制作用于制作冷却管组9的泡沫铜填充管11的开孔泡沫铜复合体坯料，该开孔泡沫铜复合体坯料的孔隙率和孔径尺寸符合在泡沫铜填充管11内填充的开孔泡沫铜8的设计要求：首先通过孔隙率和孔隙尺寸选取耐高温和易水溶的盐颗粒，将其布置到金属型腔中并压实，然后浇注泡沫铜填充管11的所需填充材料金属铜的熔融金属液进行渗流铸造，冷却后不进行盐脱溶处理，最后得到未盐脱溶处理的泡沫铜坯料。

S2：将所得未盐脱溶处理的泡沫铜坯料在线切割机上进行线切割，得到与泡沫铜填充管11内壁的形状与尺寸完全符合的未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯10，如图3所示。

S3：将未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯10放置于铸模型腔中，且未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯10外表面距离铸模型腔内壁的距离大于所需泡沫铜填充管11的金属壁的厚度。对未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯10和模具整体进行预热，控制预热温度低于未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯中的开孔泡沫铜的熔点，控制预热温度为900℃～1000℃，为了防止未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯预热温度过高产生融化变形和防止下述步骤中遇到高温熔融金属铜液产生热应力，并进行保温处理；浇注熔融金属铜液，浇注温度为1200℃～1400℃，为了使泡沫铜填充管的金属壁与未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯的开孔泡沫铜冶金结合，该铸模设有加快开孔泡沫铜填充管铸造坯料冷却的水冷装置，防止未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯温度过高产生融化变形。冷却后，拆除与未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯10连接的铸模型腔，得到泡沫铜填充管铸造坯料。

S4:对泡沫铜填充管铸造坯料进行车削等粗加工，使得粗加工后的开孔泡沫铜填充管铸造坯料的各部分尺寸略大于所需泡沫铜填充管的尺寸，且端面完整露出泡沫铜复合体型芯，其为了便于下列步骤S5溶出的未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯10的开孔泡沫铜孔隙中的盐颗粒与水溶液接触。

S5:将粗加工后的开孔泡沫铜填充管铸造坯料完全浸没水溶液中，浸泡至加工后的未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯10的开孔泡沫铜孔隙中盐颗粒完全溶出，对浸泡处理后的开孔泡沫铜填充管铸造坯料进行烘干处理。

S6：对步骤S5得到开孔泡沫铜填充管铸造坯料进行铣削和磨削等精加工，使得精加工后的泡沫铜填充管铸造坯料的形状和各部分尺寸为所需泡沫铜填充管11的尺寸，从而得到泡沫铜填充管11，如图4所示。将泡沫铜填充管11根据进水管4、出水管5和冷却水管12的尺寸进行弯折加工，分别形成出水管5、冷却水管12和进水管4，得到冷却管组9，如图5和图6所示；或者将泡沫铜填充管11进行分段焊接，根据入水管4和出水管5的尺寸，将普通铜管分别加工成入水管4和出水管5，根据冷却水管12设计尺寸，截取泡沫铜填充管11作为冷却水管12，两端分别焊接进水管4和出水管5，得到冷却管组9，如图7和图8所示。然后用砂纸对该冷却管组9进行打磨，为了除去冷却管组9表面的氧化层，便于使冷却壁本体1与冷却管组9铸造为一体，然后用无水乙醇清洗冷却管组9的表面，除去冷却管组9的表面油渍，为了防止油渍高温分解，影响冷却壁本体1与冷却管组9铸造为一体。

S7：将多根加工后的冷却管组9布置到按照冷却壁本体1外型制作的砂箱中，多根加工后的冷却管组9放入按照高炉冷却壁本体1外型制作的砂箱中固定，进水管4和出水管5伸出砂箱表面，浇注熔融金属铜液，浇注温度为1200℃～1400℃，为了使泡沫铜填充管的金属壁与冷却壁本体1冶金结合，同时对冷却管组9通入氮气进行冷却，防止冷却管组9融化变形。

S8：冷却后拆除砂箱，得到高炉冷却壁铸造坯料。最后根据高炉冷却壁的工作要求，对加工后的高炉冷却壁铸造坯料进行相应的车削、钻定位孔等处理，高炉冷却壁制作完成。

实施例2

本发明提供一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其包括：

S1：制作用于制作冷却管组9的泡沫铜填充管11的开孔泡沫铜复合体坯料，该开孔泡沫铜复合体坯料的孔隙率和孔径尺寸符合在泡沫铜填充管11内填充的开孔泡沫铜8的设计要求：首先，选取所需孔隙率和孔隙尺寸的开孔泡沫铜坯料，然后浇注熔融复合体金属铝的金属液，加压使得熔融复合体金属铝的金属液填满开孔泡沫铜坯料的孔隙，冷却后得到开孔泡沫铜-铝复合体坯料。

S2：将开孔泡沫铜-铝复合体坯料在线切割机上进行线切割，得到与泡沫铜填充管11内壁的形状与尺寸完全符合的开孔泡沫铜-铝复合体型芯13，如图9所示；

S3：将开孔泡沫铜-铝复合体型芯13放置于铸模型腔中，且开孔泡沫铜-铝复合体型芯13外表面距离铸模型腔内壁的距离大于所需泡沫铜填充管11的金属壁的厚度；对该开孔泡沫铜-铝复合体型芯13和模具整体进行预热，控制预热温度低于开孔泡沫铜-铝复合体型芯中的复合体金属铝的熔点，控制预热温度为550℃～600℃，为了保证开孔泡沫铜-铝复合体型芯13预热温度过高导致复合体金属铝融化和防止下述步骤中遇到高温熔融金属铜液产生热应力，并进行保温处理；浇注熔融金属铜液，浇注温度为1200℃～1400℃，为了使开孔泡沫铜填充管的金属壁与开孔泡沫铜-铝复合体型芯13中的开孔泡沫铜冶金结合，该铸模设有加快开孔泡沫铜填充管铸造坯料冷却的水冷装置，防止未盐脱溶处理开孔泡沫铜型芯温度过高产生融化变形。冷却后，拆除与开孔泡沫铜-铝复合体型芯13连接的铸模型腔，得到开孔泡沫铜填充管铸造坯料。

S4：对所得到的开孔泡沫铜填充管铸造坯料进行车削等粗加工，使得粗加工后的开孔泡沫铜填充管铸造坯料的各部分尺寸略大于所需泡沫铜填充管11的尺寸，且端面完整露出开孔泡沫铜-铝复合体型芯13，为了便于下列步骤S5熔出开孔泡沫铜-铝复合体型芯13的开孔泡沫铜孔隙中复合体金属铝。

S5：将粗加工后的开孔泡沫铜填充管铸造坯料加热到700℃～800℃，此温度为孔泡沫铜-铝复合体型芯13中复合体金属铝的熔点以上100℃～200℃，以将开孔泡沫铜-铝复合体型芯13中复合体金属熔除。

S6：对步骤S5得到泡沫铜填充管铸造坯料进行铣削和磨削等精加工，使得精加工后的开孔泡沫铜填充管铸造坯料的形状和各部分尺寸为所需泡沫铜填充管11的尺寸，从而得到泡沫铜填充管11。将泡沫铜填充管11根据进水管4、出水管5和冷却水管12的尺寸进行弯折加工，分别形成出水管5、冷却水管12和进水管4，得到冷却管组9，如图10所示；或者将泡沫铜填充管11进行分段焊接，根据入水管4和出水管5的尺寸，将普通铜管分别加工成入水管4和出水管5，根据冷却水管12设计尺寸，截取泡沫铜填充管11作为冷却水管12，两端分别焊接进水管4和出水管5，得到冷却管组9，如图11所示。然后用砂纸对该冷却管组9进行打磨，为了除去冷却管组9表面的氧化层，便于使冷却壁本体1与冷却管组9铸造为一体，然后用无水乙醇清洗冷却管组9的表面，除去冷却管组9的表面油渍，为了防止油渍高温分解，影响冷却壁本体1与冷却管组9铸造为一体。

S7：将多根加工后的冷却管组9布置到按照冷却壁本体1外型制作的砂箱中，多根加工后的冷却管组9放入按照高炉冷却壁本体1外型制作的砂箱中固定，进水管4和出水管5伸出砂箱表面，浇注熔融金属铜液，浇注温度为1200℃～1400℃，为了使泡沫铜填充管的金属壁与冷却壁本体1冶金结合，同时对冷却管组9通入氮气进行冷却，防止冷却管组9融化变形。

S8：冷却后拆除砂箱，得到高炉冷却壁铸造坯料。最后根据高炉冷却壁的工作要求，对加工后的高炉冷却壁铸造坯料进行相应的车削、钻定位孔等处理，高炉冷却壁制作完成。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其特征在于，其包括：

S1:制备泡沫铜填充管：

选取开孔泡沫铜复合体坯料，将所述开孔泡沫铜复合体坯料的孔隙填满后，进行线切割，得到开孔泡沫铜复合体型芯，再将所述开孔泡沫铜复合体型芯置于铸模的型腔中，其中所述铸模用于制备所述高炉冷却壁的冷却管体；

对所述开孔泡沫铜复合体型芯和所述铸模进行预热，并保温处理，浇注融化温度为1200℃～1400℃的熔融金属铜液，冷却后得到泡沫铜填充管铸造坯料；再对所述泡沫铜填充管铸造坯料进行粗加工，使所述泡沫铜填充管铸造坯料在其端部露出所述开孔泡沫铜复合体型芯后，去除填充在所述开孔泡沫铜复合体型芯孔隙中的复合物，经过精加工后，得到泡沫铜填充管；

S2:制备冷却管组：

用所述泡沫铜填充管制备冷却水管，并在所述冷却水管的两端分别垂直连接入水管和出水管，得到冷却管组；

S3:制备高炉冷却壁：

将多个所述冷却管组布置于砂箱中，并使所述入水管和所述出水管的管口置于所述砂箱表面，浇注熔融金属铜液，同时对所述冷却管组通入氮气进行冷却，得到高炉冷却壁铸造坯料，再经过精加工，得到高炉冷却壁。

2.根据权利要求1所述的具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其特征在于，所述开孔泡沫铜复合体坯料包括未盐脱溶处理的泡沫铜坯料和泡沫铜-铝复合体坯料；

所述未盐脱溶处理的泡沫铜坯料的制备方法包括：通过孔隙率和孔隙尺寸选取耐高温、易水溶的盐颗粒，将所述盐颗粒布置到型腔中并压实，浇注熔融金属铜进行渗流铸造，冷却后不进行盐脱溶处理；

所述泡沫铜-铝复合体坯料的制备方法包括：选取所需孔隙率和孔隙尺寸的开孔泡沫铜坯料，放入型腔中，进行预热，控制预热温度为600℃～700℃，浇注熔融铝水，控制浇注温度为700℃～800℃，加压使得熔融铝水填满泡沫铜孔隙，冷却。

3.根据权利要求2所述的具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其特征在于，当所述开孔泡沫铜复合体坯料为未盐脱溶处理的泡沫铜坯料时，步骤S1中对所述铸模进行预热的温度为900-1000℃，并在此温度下进行保温处理。

4.根据权利要求3所述的具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其特征在于，步骤S1中去除填充在所述开孔泡沫铜复合体型芯孔隙中的复合物的方法为：将加工后的泡沫铜填充管铸造坯料浸泡在水溶液中，浸泡至所述泡沫铜型芯孔隙中的盐颗粒完全溶出。

5.根据权利要求2所述的具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其特征在于，当所述开孔泡沫铜复合体坯料为泡沫铜-铝复合体坯料时，步骤S1中对所述铸模进行预热的温度为550℃～600℃，并在此温度下进行保温处理。

6.根据权利要求5所述的具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其特征在于，步骤S1中去除填充在所述开孔泡沫铜复合体型芯孔隙中的复合物的方法为：将加工后的所述泡沫铜填充管铸造坯料加热至700℃～800℃，使位于泡沫铜-铝复合体中的金属铝完全熔除。

7.根据权利要求1所述的具有泡沫铜冷却管组的高炉冷却壁的制备方法，其特征在于，步骤S2中，制备所述冷却管组的方法包括:直接将所述泡沫铜填充进行弯折处理，得到依次连接的入水管、冷却水管和出水管；或者，将普通铜管分别加工成入水管和出水管，将所述泡沫铜填充管加工成所述冷却水管，再将所述入水管和所述出水管焊接于所述冷却水管的两端。

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