CN114466939A - 用于高炉和其它工业炉的多通道冷却面板 - Google Patents

用于高炉和其它工业炉的多通道冷却面板 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在高炉(1)和其它工业炉的壁上使用的冷却面板(23)，其包括由铜、铸铁或其它金属合金制成的主体(25)、独立的内部冷却通道(24)和附接于面板主体的套筒(26)，源自内部冷却通道(24)的管道(27)插入套筒中。内部冷却面板(24)的数量大于联接器(31)组的数量，所述联接器用于联接至冷却水供应和排放歧管(35)。

Description

用于高炉和其它工业炉的多通道冷却面板
技术领域
本发明涉及一种在用于生产铁、钢和其它基础材料的高炉和其它工业炉的壁上使用的新型冷却面板。
背景技术
用于生产铁、钢和其它基础材料的工业炉是中大型设备，在这些设备中，发生许多原材料的生产和/或精炼和/或再加工材料的熔融所必需的化学反应。工业炉有几种类型，但是它们的特点都是炉的内部环境对其内壁提出了严苛要求。这些要求分为热要求、机械要求和化学要求(腐蚀)，热要求由高温引起，机械要求主要是炉的负载与壁之间的接触引起的磨损和冲击，化学要求由炉壁的材料与炉的内部环境中的物质之间的化学反应产生。各种类型的要求可能同时作用，每一种要求都有可能影响另一种要求的效果。因此，炉壁的磨损和劣化是决定炉的使用寿命和/或维修停机的频率和持续时间的因素之一。事实上，已经开发了各种类型的部件、材料和应用，以增加壁面对这些要求的耐用性，从而最大化它们的使用寿命。
在现有技术使用的解决方案中，冷却面板脱颖而出。这些面板被组装在炉的内壁上。面板由铜、铁或其它金属合金制成，通过水或其它流体循环(从现在起称为“冷却水”)进行冷却。冷却水在面板的内部通道中循环，并且水与通道的内表面之间的热交换将源自炉内部的热负载(热量)从面板主体移除，以便稳定温度，从而防止面板的机械性能的损失和快速劣化。
面板主体可以由轧制、挤压、锻造或铸造的块体构成。当它被轧制、挤压或锻造时，冷却通道通过机加工(钻孔)获得，而当主体被铸造时，通道可以直接获得，通过砂芯或通过熔化前定位在模具中的盘管获得。盘管通常由铜、钢或主要成分为铜和镍的金属合金管道制成。每个内部通道都具有连接到炉的冷却水循环系统的进水口和出水口。
在一些类型的炉中，冷却面板组装在支撑结构中，这使得面板的背面从炉的外部部分地可见。在这种情况下，面板充当侧壁和炉衬，负责将气体和材料保留在炉内，并避免热量散失。在这种构造中，支撑结构和构成壁的冷却面板的组合称为炉壳体。这主要是电弧炉(FEA)和用于生产贱金属的其它类型的炉的情况。在其它情况下，比如用于生铁生产的高炉以及用于生产贱金属的某些类型的炉，面板固定在由钢板构成的封闭结构的内侧，这将炉的内部与外部环境完全隔离。在这些情况下，壳体这个名称适用于这种封闭结构，并且面板的功能是保护壳体免受来自炉内部的要求的影响。在这种构造中，构成面板的冷却水的进口和出口的管道必须穿过壳体才能与炉水循环系统连接。这种情况需要在壳体中钻孔，并密封壳体与管之间的其余空间，以防止气体通过。这种密封通过焊接刚性金属部件或膨胀节制作。膨胀节在某种程度上允许管与壳体之间的相对位移，而不会损害密封。
面板的朝向炉的中心、直接暴露于热量的面称为热面，而相对的面称为冷面。面板的热面通常以与称为肋的凸起部分交替的空腔的存在为特征。这种构造的目的是允许在热面上固定耐火保护材料和/或有利于保持炉本身的负载，该负载当与冷却面板接触而冷却时固化并趋于形成保护层。形成冷却水进口和出口的管道通过冷面离开面板主体。高炉中使用的冷却面板通常称为“板式冷却器”，并且在本文中，将始终使用“冷却面板”的名称，其中也包括“板式冷却器”。根据现有技术，每个冷却面板具有一个或更多个独立的冷却通道，并且每个冷却通道通过与进水口管道的联接器和与出水口管道的联接器而连接到炉冷却水回路。它被限定为联接每个装置，通过其在面板冷却水回路(其是面板的不可分割的一部分)与炉的冷却水回路之间进行连接。联接器必须确保基于冷却水的工作压力的水密性，并且可以制作成带有螺纹或其它类型的接头，并且其特征在于以下事实：它是可逆连接，并且可以使用普通工具重复地组装和拆卸，而不需要切割或焊接操作。它被称为联接器组件，该组件由进口联接器和出口联接器组成。从设计和制造细节的角度来看，面板的水输入部分及其联接器与输出部分相同，因此，提及管道以及面板的这些区域的其它部件的构建特点，我们将同时指进口和出口区域。
用于定义每个面板的单位横截面积和冷却通道数量的主要参数是必须通过水排放的热负荷量。它被称为面板中的水通道的总截面，即每个通道的截面面积乘以通道的数量。在每个面板中，可以通过足够宽的单个通道、或者通过两个或更多个通道(这些通道截面相加达到所需的通道总截面的值)来获得对一定的通道总截面的要求。将水流细分到更小截面的更多通道中，除了允许减小面板厚度从而降低成本之外，还具有允许更有效、更均匀和更全面冷却的优点。它还具有在发生意外或事故时更安全的优点，因为如果其中一个通道出现泄漏并且水流中断，则面板冷却效率的降低将与通道数量成反比。另一方面，更多的独立通道需要更多的进水口联接器和出水口联接器，并且增加了冷却水的外部回路的复杂性，而且由于空间不足和联接器之间的接近度，组装、拆卸和维护操作困难。此外，根据炉和面板的构造，可能在壳体中需要更多的孔，这些孔彼此靠近，从而削弱了炉结构并增加了安装的复杂性。尽管更多回路提供了优点，但这些因素限制了每个面板上的独立回路的数量。
优化面板的冷却回路的进水口和出水口的构造以及其与高炉的外部管道系统的相应联接已经成为几项研究和一些专利申请的主题。我们可以引用：SMITH,2019年；MACRAE，2018年；MAN，1981年。尽管上述专利或专利申请提出了不同的方法和解决方案，但它们具有共同的特征是所有的进水口管道和出水口管道汇集在面板的单个区域内，从而这些管道经过炉壳体的通路可以通过单个窗口进行，它取代了壳体中的多个孔，在每个进水口管道或出水口管道单独经过壳体时，应该提供多个孔。这些解决方案可能有利于面板在炉中的组装和固定，并且在某些情况下允许有限地增加冷却通道的数量，然而它们不会改变使每个内部冷却回路都具有进水口联接器和出水口联接器的需要，因此在实践中不足以大幅增加冷却通道的数量。
发明内容
发明目的
本发明涉及一种在用于生产铁、钢和其它基础材料的高炉和其它工业炉的壁上使用的冷却面板的新构造，其构造特征允许实现以下目标：
a)通过降低面板最热区域的温度并且在主体和热面中获得较低的平均温度，提高面板冷却的效率，从而延长面板的使用寿命。面板将能够在构成面板的材料保持较好的机械特性且不易受到化学损伤的温度范围内工作。此外，热面上的较低温度有利于炉渣和接触面板的其它材料的固化，有利于形成保护其热面并有助于其耐久性的固化层。该保护层提供的另一个优点是降低了热量散失，从而降低了炉的每单位产量的燃料或能量消耗；
b)减小面板的厚度，从而降低其质量和成本，并增加炉内的可用空间；
c)在失去一个或更多个冷却回路的情况下，减少面板冷却能力的损失。如果不幸发生操作事件，比如磨损、冲击或局部过热，导致面板损坏，并因此导致其中一个内部通道漏水，迫使停止其中的水循环，即使在上述意外事件发生后，在某些情况下，这种较低的损失允许面板继续运行，避免炉的意外停止，从而提高其运行稳定性。
本发明的目的是通过提供一种面板来实现，该面板的内部冷却通道的给水管道在与炉冷却水的外部回路联接之后被分成两个或更多个具有较小单位横截面积的完全独立的通道，使得面板主体被多个独立通道穿过，独立通道的数量大于联接器组的数量。在分别穿过面板主体之后，多个通道在各自的出口联接器之前聚集在单个通道中(对于每个联接器组)，使得冷却水出口联接器的数量等于进口联接器的数量。以这种方式，可以受益于贯穿面板主体的通道数量的增加所带来的所有优点，而不必面对由于现有技术而限制这些通道数量增加的相对缺点。消除这种限制，通道的数量可以显著增加，然而无需增加联接器组的数量和水通道的总截面。
发明优点
因此，根据现有技术，可以获得与面板相关的以下优点：
a)冷却通道之间的距离显著减小。这种通道之间距离的减小导致面板的每个点与冷却水之间的平均距离减小，从而降低了主体中和热面上的平均温度。水与远离水的面板区域之间的最大距离也会减小，这意味着所谓的热斑点(即，面板的远离冷却水因此更可能变得过热的部分)将被消除；
b)增加冷却水与通道壁的接触表面：保持水通道的总截面面积相同，但将其细分为更多数量的通道，水与通道壁之间的接触表面将增加。这种增加是由于通道数量增加的平方根比：n是通道的数量，S1是存在单个通道时的接触表面，Sn是将相同的通道总截面分成n个通道时的接触表面，接触表面的增加用比率Sn＝S1×√n表示。也就是说：保持相同的通道总截面，但通道数量增加四倍，则水与通道壁之间的接触面积将增加一倍。由于冷却水与面板之间的热交换通过水接触表面/通道壁进行，所以这种表面的增加直接影响冷却效率。
c)考虑到面板的内部冷却通道包含在面板主体中，通道的直径越小，应当包含通道的主体的厚度越小。这一事实允许通过增加通道的数量并同时减小其单位截面，可以降低厚度，从而降低面板的质量和成本。
上述优点允许实现本发明的目标。
附图说明
通过结合附图的详细描述，可以更好地理解本发明。
图1是高炉的侧剖视图。
图1A是高炉的一部分的侧剖放大图。
图2是高炉的水平剖视图。
图2A是高炉的一部分的水平剖视放大图。
图3示出了根据现有技术的由轧制铜制成的冷却面板的冷面的前视图。
图3A示出了根据现有技术的由轧制铜制成的冷却面板的纵向剖视图。
图3B示出了根据现有技术的由轧制铜制成的冷却面板的俯视图。
图4是根据现有技术的由铸铜制成的冷却面板的冷面的前视图。
图4A是根据现有技术的由铸铜制成的冷却面板的纵向剖视图。
图4B是根据现有技术的由铸铜制成的冷却面板的俯视图。
图5是根据本发明的由铸铜制成的冷却面板的冷面的前视图。
图5A是根据本发明的由铸铜制成的冷却面板的纵向剖视图。
图5B是根据本发明的由铸铜制成的冷却面板的俯视图。
图6是根据本发明的由铸铜制成的冷却面板的冷面的前视图，其中通道平行于顶部边缘和底部边缘。
图7是进水口(或出水口)组件的侧剖视图。
图7A是包含进水口(或出水口)管道的套筒的横截面视图。
具体实施方式
图1示出了高炉1，其包含积聚液态生铁的炉床2、热空气吹入炉内所通过的风口区域3，炉腹4、炉腰5和炉身6，下降的炉负载除了加热和负载熔化之外还在炉身内经历矿石还原的化学反应。炉在外部由壳体7密封，该壳体完全包围其内部，并且冷却面板8组装在其内表面上。
图1A示出了根据现有技术的固定在壳体7的内侧的一组冷却面板8的局部竖直剖视图，其中各冷却面板的相应进水口管道和出水口管道9穿过壳体7。
图2示出了高炉的A-A截面，其中显示了壳体7和冷却面板8。
图2A示出了根据现有技术的固定在壳体7的内侧的一组冷却面板8的水平剖视图，其中各冷却面板的相应进水口管道和出水口管道9穿过壳体7。
图3示出了轧制冷却面板10的冷面的前视图，其是根据现有技术的多种面板中的一个示例，其中，沿垂直虚线具有通过孔机加工而获得的内部冷却通道11、以及进水口管道和出水口管道12。
图3A示出了根据现有技术的轧制冷却面板10的纵向剖视图，该冷却面板由从实心件获得的主体13、内部冷却通道11以及在冷面14上离开面板的进水口管道和出水口管道12构成。此外，在图3A中，存在空腔15和肋16，在一些类型的冷却面板中，所述空腔和肋是热面17的特征。
图3B示出了根据现有技术的轧制冷却面板10的俯视图，其中具有进水口管道或出水口管道12。
图4示出了铸造冷却面板18的冷面的前视图，其是根据现有技术的多种面板中的一个示例，其中，沿垂直虚线具有由钢或其它金属合金管构成的内部冷却通道19，其嵌入面板的铸造主体20中。还具有嵌入铸造铜主体中的钢制套筒(管)21，其具有保护面板的进水口管道和出水口管道22的功能。名称“嵌入”的使用表明该零件在铸造过程期间固定在铸造主体上，在铸造过程中，液态金属凝固并固定与其接触的零件。
图4A示出了根据现有技术的铸造冷却面板18的纵向剖视图，其中具有铸造主体20、内部冷却通道19以及在冷面14上离开面板的进水口管道和出水口管道22。此外，在图4A中，具有空腔15和肋16，在一些类型的冷却面板中，所述空腔和肋是热面17的特征，以及嵌入铸造主体中的钢制套筒21，其保护面板的进水口管道和出水口管道。
图4B示出了根据现有技术的铸造冷却面板18的俯视图，其中显示钢套筒21嵌入铸造主体中，以及各自由相应的套筒保护的进水口管道或出水口管道22。
图5示出了根据新设计铸造的冷却面板23的冷面的前视图，其中内部冷却通道24以虚线显现，其由嵌入面板主体25中的钢或其它金属合金管构成。还具有嵌入面板主体中的钢套筒26，每个钢套筒具有足够的直径以包含构成内部冷却通道的延续部分的管27，这些内部冷却通道汇集到每个冷却水出口联接器中或者源自每个冷却水进口联接器。
图5A示出了根据新设计铸造的冷却面板23的纵向剖视图，其中显示了铸造主体25、纵向穿过面板的内部冷却通道24、以及空腔15和肋16，在一些类型的冷却面板中，所述空腔和肋是热面17的特征。在图5A中，还具有嵌入面板主体中的钢套筒26，面板的冷却水系统的进口管道和出口管道27包含在钢套筒内。管27在其端部通过焊接接合到钢或其它金属合金的喷嘴28。对于面板的出水口的情况，喷嘴28将来自内部冷却管道27的水流聚集到单个导管中，并且喷嘴通过单个联接器连接到炉冷却系统。对于进水口的情况，喷嘴28通过单个联接器连接，并且冷却水流分支到多个管27中，进入面板主体25，对其进行冷却。
图5B示出了根据新设计的铸造冷却面板23的俯视图，其中显示了嵌入面板主体中的钢套筒26，每个钢套筒包含面板的冷却水进口管或出口管，并且在每个套筒内，具有从每个进口联接器引出的管或通过喷嘴28引向每个出口联接器的管。
图6示出了根据新设计的铸造冷却面板(以附图标记29表示)的冷面的前视图，其中内部冷却通道24以虚线显现，其由其嵌入面板的铸造主体中的钢或其它金属合金管构成，并且在该图所示的构造中，其在面板的下端和上端水平地穿过30，保持平行于面板的底部和顶部边缘，不会偏离、中断或插入冷却水的进口或出口。这种设置优化了在冷却面板的顶端和底端处的冷却。
保持平行于面板的底部和顶部边缘的管道，不会偏离、中断或插入冷却水进口或出口，所述管道起源于位于面板四个角部之一附近的进口联接器，并终止于位于相对角部附近的联接器，并且在起源于和终止于这些相对联接器的管道中，一个或更多个管道顺时针围绕面板，且一个或更多个管道逆时针围绕面板。以这种方式，面板主体中的所有其它冷却通道都包含在由源自位于相对角部的两个所述联接器的通道所界定的周界中。
图7示出了构成进水口或出水口及其与炉冷却系统的连接的一组部件的详细侧视图，其中具有根据新设计的铸造冷却面板23的内部冷却通道24。形成内部通道的管27汇聚并离开铸造主体25，插入钢套筒26内。管27的端部通过焊缝32接合，这使得该接头也接合至喷嘴28。为了炉气密封，可以为刚性或柔性的金属部件33被焊接到炉壳体7和套筒26。为了避免气体泄漏，套筒26也可以通过焊接附接到插入其中的管道27。联接器31将面板连接到柔性管道35，该柔性管道源自炉的外部冷却回路，构成外部冷却回路的一部分。
图7A从冷面侧示出了钢喷嘴28、形成内部通道27的管和密封焊缝32的前视图。此外，在该图中显示了帽34。该帽用于中断最终泄漏的通道中的水流，而不影响连接到同一联接器的其它通道中的冷却水流。帽可以通过其中的内螺纹开口单独安装到每个管27上。
应当注意，图5、图5A、图5B、图7和图7A的描述中提到的管27，其功能是将嵌入在面板主体25中的冷却通道24连接到相应联接器31的喷嘴28，所述管可能具有与图中所示的圆形截面不同的截面，并且也可能不同于它们源自的内部冷却通道的截面。
应该注意的是，在不脱离本发明或本发明等同物的范围的情况下，本领域技术人员可以对在此描述的本发明进行形式变化(窗口或孔的包含)、修改和变更，并且必须被所附权利要求及其等同物所涵盖。在本发明中还必须包括“混合”构造面板，即在其延伸内容的一部分中符合本发明的标准并且具有根据传统标准执行的另一部分的面板。

Claims (13)

1.一种用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，包括：通过冷却通道(24)冷却的主体(25)；至少一组联接器(31)，其用于与冷却水的水系统给水和回水进口管道和出口管道连接联接；内置在主体(25)中的多个冷却通道(24)；以及将所述冷却通道(24)连接到每组联接器(31)的多个管道(27)；其特征在于，内置在主体中的冷却通道(24)的数量大于联接器(31)组的数量。
2.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，所述主体(25)是铸造、轧制或挤压的。
3.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，每组联接器(31)具有内置在主体(25)中的两个冷却通道(24)。
4.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，每组联接器(31)具有内置在主体(25)中的三个或更多个冷却通道(24)。
5.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，从离开所述面板(23)的主体(25)时汇集在单个联接器(31)中的每组冷却通道引出的每组管道(27)包含在固定于所述面板(23)的主体(25)的单个套筒(26)中。
6.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，从离开所述面板(23)的主体(25)时汇集在单个联接器(31)中的每组冷却通道引出的每组管道(27)包含在固定于所述面板(23)的主体(25)的单个套筒(26)中，并且通过将所述套筒(26)的末端焊接到所述管道(27)，所述套筒(26)的内部区域与外部环境密封，所述管道(27)的出口通过焊缝(32)与所述套筒(26)密封。
7.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，从离开所述面板(23)的主体(25)时汇集在单个联接器(31)中的每组冷却通道引出的每组管道(27)包含在固定于所述面板(23)的主体(25)的单个套筒(26)中，并且所述管道(27)在离开所述套筒(26)后通过焊缝而密封连接到单个联接器(31)中，所述联接器连接到炉冷却系统，并且所述联接器中的管道进口通过焊缝密封。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，所述套筒(27)具有圆形或其它截面，并且通过在铸造过程期间嵌入、通过焊接或者通过机械接头或者此类紧固方法的组合固定于所述主体(25)，所述机械接头比如为螺纹或带螺钉的法兰。
9.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，当来自内部冷却通道(24)的进口或出口水流汇集在每个联接器(31)中时，通过使多个管道(27)相对于每个联接器在单个联接器喷嘴(21)截面内汇集而实现水流之间的汇合，水流被引导至(或来自)同一联接器的所有管道(27)的横截面装配在所述单个联接器喷嘴中。
10.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，管道(27)将内置在所述面板(23)的主体(25)中的冷却通道(24)连接到联接器(31)，当所述联接器断开时，每个所述管道的端部朝向联接器在其整个截面上直接可见且可接近。
11.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(23)，其特征在于，内置在面板主体(25)中的多个冷却通道(24)中的每个的水通道截面的面积小于相应的联接器(31)中的水通道截面的一半。
12.根据权利要求1所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(29)，其特征在于，至少一个通道(30)在面板的顶部边缘上水平地穿过，并且至少一个通道在面板的底部边缘上水平地穿过，并沿其延伸方向保持平行于顶部边缘和底部边缘，在整个过程中，在构成平行于相应边缘的部分中的冷却通道的进口和出口的曲线之间没有偏离或中断，并且穿过顶部边缘的通道(或多个通道)和穿过底部边缘的通道(或多个通道)源自同一进口联接器(31)且汇集于同一出口联接器(31)。
13.根据权利要求12所述的用于高炉和其它工业炉的冷却面板(29)，其特征在于，穿过面板的顶部边缘或底部边缘的通道(30)中的至少一个顺时针穿过所述面板，而这些通道中的至少另一个逆时针穿过所述面板。
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