CN1164771C - 双金属冷却壁及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的双金属冷却壁，具有比铜冷却壁更优良的性能，在炉内几乎没有纵向膨胀倾向，成本比铜冷却壁低。它由一块普通的钢(铁)质冷却壁、数根铜冷却棒、进出水管和联接弯管等组成，其中铜冷却棒被等间距地固定在普通的钢(铁)质冷却壁上，铜冷却棒被分成数组，由联接弯管连通每组的水路，各组铜冷却棒与普通的钢(铁)质冷却壁均有独立的进出水管；铜冷却棒的凸台为热面，凸台间组成的槽为镶砖槽。本发明同时公开了制造双金属冷却壁的方法。

Description

双金属冷却壁及其制造方法

本发明提供的双金属冷却壁，是炼铁高炉使用的一种冷却设备。本发明同时公开了双金属冷却壁的制造方法。

炼铁高炉的炉体寿命，是因炉缸的耐火材料的严重侵蚀或者炉体冷却设备的大量破损而终结的。现代的炼铁工艺技术，把一代高炉的炉身寿命确定为12～15年无中修(所谓中修，即是更换炉身的耐火材料和破损的冷却设备)，作为高炉炼铁现代化的重要标志。据国外工业发达国家的实践表明，要实现这一目标，难有采用纯铜冷却壁。其原因是，依赖高纯铜的优良传热性能，将高炉内软融带以下(即高炉炉身中下部至炉腰、炉腹部份区域)变成一个“大冰箱”，将高炉内软融的矿物、渣相等物质，冻结成为一层渣皮，附着在铜质冷却壁上，以代替耐火材料使用。当炉内热制度波动致使渣皮脱落裸露冷却壁时，只有纯铜冷却壁才能提供足够的抗热流强度冲击的能力，使渣皮脱落之后，冷却壁所接触的液态或软融态的矿物或渣相，能迅速被冷却而形成新的渣皮。而传统的铸铁、球铁或者铸钢的冷却壁，因没有足够的传热性能，无法使熔融态的矿物、渣相迅速冷凝，从而自身的表面温度迅速升高，要么被烧损，要么反复承受强热流冲击而产生热应力开裂，要么因为冷却壁受热膨胀使进出水管被炉壳联接处剪切开裂，导致破损漏水等等。

目前，国内外已开发并投入高炉生产使用的纯铜冷却壁有两类，一类是采用模铸方法生产的铸造纯铜冷却壁，另一类是铜连铸坯或初轧坯经钻孔和焊接而制造的轧制纯铜冷却壁。这两类冷却壁共同的特点是全部采用高质量的TP₂、T₂、TU₂铜材质，其成本非常高，价格十分昂贵，通常是普通的钢(或铁)质冷却壁价格的8～12倍。这对于我国冶金行业现阶段小高炉居多、规模偏小、经济效益欠佳的现实来说，推广纯铜冷却壁不可避免地加重企业的负担。因此推广和应用铜冷却壁，从经济角度来说存在现实的困难，从而妨碍冶金企业的技术进步。此外，从技术上看，铜冷却壁仅仅改变了材质而不改变冷却壁的结构，并没有真正意义上的技术突破，其原因是：在炉内，铜的极高的线膨胀性能，使铜冷却壁因受循环的渣皮脱落造成的温度巨变的影响，其纵向(高度方向)膨胀倾向加剧，增加了冷却进出水管与炉体联接部位现已普遍存在的水管剪切开裂破损的可能性。

本发明的目的，是提供一种比铜质冷却壁具有更优良的技术性能，在炉内几乎没有纵向膨胀倾向，生产成本低于纯铜冷却壁的双金属冷却壁。

本发明的目的是这样实现的：双金属冷却壁由一块普通的钢(或铁)质冷却壁、数根铜冷却棒，以及相应的进出水管、套管、联接弯管等附件组成，其中普通的钢(或铁)质冷却壁是充当一块底板，数根铜冷却棒水平、密集的排列在它的上面作为工作层，它们之间是通过铆接或螺纹联接固定在一起；铜冷却棒被分为若干组，每组均由联接弯管将每根铜冷却棒的水道连通成一条水路，每条水路有独立的进出水管，各组的进出水管都穿过普通的钢(或铁)质冷却壁，全部的联接弯管都隐藏在普通的钢(或铁)质冷却壁的体内：铜冷却棒与联接弯管、进出水管之间的联接形式可以是焊接，也可以是螺纹联接或者法兰加螺钉联接等机械联接形式；普通冷却壁也分数组冷却水路，每组水路也有独立的进出水管；相邻的两根铜冷却棒之间留有一定的间隙，当铜冷却棒受热流冲击发生膨胀时，该间隙供吸收其膨胀之用。铜冷却棒中间的凸台面为热面，凸台间组成的槽为双金属冷却壁的镶砖槽。

上述双金属冷却壁的一种制造方法，是将构成双金属冷却壁的所有部件单独制造完成后，先将每组铜冷却棒用焊接或机械方式装配完联接弯管、进出水管，再将各组铜冷却棒装配(铆接或螺纹联接)到普通的钢(或铁)质冷却壁上。此种方法特别适合于轧制或锻造铜件制造的铜冷却棒。铜冷却棒的水道是钻孔后，用堵头封堵钻口经焊接而成。当铜冷却棒的水道截面为椭圆时，则是在钻了孔或铸了孔的铜冷却棒内，插入一根椭圆形的实心芯棒，再经锻造后拔出芯棒而成。此种方法所涉及的铜冷却棒，可以把两根或按设计的每组铜冷却棒当作一块整体来制造，此时连体的铜冷却棒就相当于一块铜冷却板。

上述双金属冷却壁的另一种制造方法，是单独制造完成除了铜冷却棒之外的构成双金属冷却壁的其它部件后，增添一组与设计的铜冷却棒相同材质、相同数量、内孔形状相同的铜管，将这些铜管按设计的铜冷却棒的冷却水路连接好进出水管、联接弯管等附件，再全部装到普通的钢(或铁)质冷却壁的安装面上，然后将装好冷却水路的普通的钢(或铁)质冷却壁作为浇铸铜冷却棒的金属模的部分模板，与浇铸铜冷却棒的金属模的其它部分进行合模，待准备好浇铸帽口等设施后，将熔化的铜液逐根浇铸铜冷却棒，所制成的双金属冷却壁毛坯，经钻铆接孔、铆接或螺纹固定铜冷却棒、外形机械加工、配完其它的进出水管后成为成品。上述制造方法中，两根铜冷却棒之间的间隙，是靠合模时加入的一片隔断来实现的。上述制造方法中，任意去除一片隔断，其相邻的两根铜冷却棒就连接为一体，成为一块铜冷却板。该铜冷却板的大小，随设计要求去除相应的隔断即可实现。

双金属冷却壁较之纯铜冷却壁，有以下显著的优点：1.生产成本比纯铜冷却壁显著降低，其原因是使用普通的钢(铁)质冷却壁取代了1/2以上的铜材，生产成本至少下降30％以上。2.无铜冷却壁的纵向膨胀倾向，无需投资在炉体外部来解决这个问题，可节省相关费用。这是因为在高炉内部，当双金属冷却壁投入使用之后，只要铜冷却棒没被烧损，普通的钢(铁)质的冷却壁与高炉内的炉料之间永远间隔着一层铜冷却棒，由于铜有极好的导热性能，铜冷却棒承担了绝大部分的热流，加上铜冷却棒与普通的钢(铁)质的冷却壁之间存在很大的传导热阻，因此，普通的钢(铁)质的冷却壁的温度可以忽略炉内温度变化的影响，使得作为底板的普通的钢(铁)质的冷却壁几乎不存在纵向膨胀倾向。3.双金属冷却壁使用更加安全，其一是根治了纵向膨胀带来的破损可能，其二，即使在非常恶劣的炉况条件下，致使部份铜冷却棒烧坏，留下的普通的钢(铁)冷却壁同样是一常规的冷却设备，仍有数年的使用寿命。4.冷却性能优于铜冷却壁，其原因是：冷却面积增大、分布更加均匀、传热距离缩短。常规的纯铜冷却壁是在壁内纵向钻(铸)有四～五个φ45～50mm的水道，水冷却的是纯铜冷却壁的壁体，而不是直接冷却工作部位——热面凸台，而双金属冷却壁是直接冷却热面凸台，缩小了传热距离一半以上。双金属冷却壁是在高度方向上每间隔不到200mm以内就有一根铜冷却棒的水平冷却水道，仅铜冷却棒水道的冷却总面积就比常规纯铜冷却壁的增加了10％以上，其分布也更加均匀。5.使用双金属冷却壁，高炉水系统的运行更经济，使用工业纯(软)水的总量至少可以减少50％，有助于降低炼铁的生产成本。与铜冷却壁相比，双金属冷却壁受热面是铜冷却棒，各组铜冷却棒水道的总截面积只相当于铜冷却壁的20～25％，在相同的冷却水流速情况下，达到相同的抗热流强度的冷却能力，只需要铜冷却壁20～25％的水量。如果以铜冷却壁50％的水量供双金属冷却壁使用，其中一半供它的底板——即普通的钢(铁)质冷却壁使用，冷却能力还可与铜冷却壁的大致相同，因此高炉水系统的运行更为经济，何况普通的钢(铁)质冷却壁可以改用工业水，更是提高了它的经济性。6.可以适当降低对铜材的质量要求，以提高双金属冷却壁热面的高温强度，进一步降低生产成本和扩大铜材的来源。由于它的冷却性能优于铜冷却壁，可在适当增加水量的情况下，比如使用纯铜冷却壁用水量的75％时，如果铜冷却棒分配50％的水量，则铜冷却棒中的水流速可以提高一倍，从而提高了它的抗热流强度的能力，为此可以适当降低铜材的纯度，增加一定量的P、Cr等元素，以提高双金属冷却壁热面的强度，而保持双金属冷却壁整体的冷却能力与铜冷却壁的相同。7.丰富了高性能的铜冷却壁的结构形式，提供了炉身冷却制度优化设计的手段。目前，高性能的铜冷却壁的生产方法，比如：连铸(锻)坯钻孔或连铸直接成孔的方法，无法生产成带钩头的冷却壁。即使是铜冷却壁按常规的球铁冷却壁的铸造方法能生产出带沟头的铜冷却壁，但其缺陷率极高、重量更重、性能欠佳，何况这种方法也不可能生产出在同一块冷却壁上具有两种冷却性能的铜冷却壁，而双金属冷却壁不仅可以非常方便地设计生产带钩头的，而且还可以根据高炉生产的要求，生产出在同一块冷却壁上具有不同冷却强度段的双金属冷却壁。

下面根据附图和实施实例对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例一的侧视示意图

图2是本发明实施例二的侧视示意图

图3是本发明实施例三的侧视示意图

图4是本发明的正视图

图5是铜冷却棒与普通的钢(铁)质的冷却壁的联接方式的示意图

图6是铜冷却棒与进出水管的联接方式的示意图

图7是铜冷却棒与联接弯管间的联接方式一的示意图

图8是铜冷却棒与联接弯管间的联接方式二的示意图

图9是铜冷却棒钻孔后焊封堵头的示意图

图10是铜冷却棒水道截面加工成椭圆形的方法示意图

图11是本发明按铸造方法生产时添加铜管的示意图

图12是本发明按铸造方法生产时金属模的俯视示意图

如图1所示，1为普通的钢(铁)质的冷却壁，2为铜冷却棒，3为联接弯管，4为普通的钢(铁)质的冷却壁的进出水管，5为铜冷却棒的进出水管，6为固定铜冷却棒的联接件。

在如图1的实施例中，普通的钢(铁)质的冷却壁1为一块光面冷却壁。铜冷却棒2水平、等间距的安装在普通的钢(铁)质冷却壁1上。除装在上下边缘的两根铜冷却棒2为

形截面外，其余的均为

形截面。铜冷却棒2的长度，与普通的铜(或铁)质冷却壁1接触宽度相同。铜冷却棒2的凸台面为热面，凸台间组成的槽为双金属冷却壁的镶砖槽。

在如图2的实施例中，普通的钢(铁)质的冷却壁1为一块带数条凹槽的冷却壁。铜冷却棒2在与普通的钢(铁)质冷却壁1的接触面上，有一个矮凸台9。该凸台9是镶嵌在对应的普通的钢(或铁)质冷却壁的凹槽10内。该矮凸台9的作用是增强铜冷却棒2与普通的钢(铁)质冷却壁1的联接件6承受剪切的能力。

在如图3的实施例中，普通的钢(铁)质的冷却壁1为一块带钩头的冷却壁。冷却壁的钩头12可以在壁体上的任意位置。该冷却壁的壁体，可以是上述光面的冷却壁，也可以是带数条凹槽的冷却壁。在该冷却壁的钩头12上，也同样镶嵌了铜冷却棒2作为工作层。

如图1、2、3所示，上述三种实施例中，每根铜冷却棒2内也有一条冷却水道7。该冷却水道的截面可以是椭圆，也可以是圆形。普通的钢(铁)质的冷却壁1上，布置的数根铜冷却棒2被分为若干组，如图1中2a、2b、2c、2d组成一组。每组铜冷却棒，其相邻的两根是通过联接弯管3将棒的水道7连通，  每组铜冷却棒(如2a、2b、2c、2d)均有一组独立的进出水管5。每块双金属冷却壁的铜冷却棒分几组，就安装有几组进出水管5。

如图1、2、3、4所示，普通的钢(铁)质的冷却壁1内都有数条冷却水道8，每两条冷却水道8组成连通的冷却水路，在其两端安装进出水管4。每块普通的钢(铁)质冷却壁1有两条以上独立的冷却水路，每条独立的冷却水路均安装了进出水管4。

如图4、5所示，铜冷却棒2的凸台两侧分别加工有一排铆接或螺纹联接用的孔13，普通的钢(铁)质的冷却壁1的相应位置也加工了联接孔14。铜冷却棒2与普通的钢(铁)质的冷却壁1的联接方式可以是铆接或螺纹联接。采用铆接时，联接件6是铆钉：采用螺纹联接时，联接件6是螺栓和螺母。

如图6所示，铜冷却棒2与进出水管5的连接是采用焊接方法。由于该进出水管5有一段是隐藏在普通的钢(铁)质的冷却壁1的体内，因此该进出水管5藏在壁体的一段，可以是波纹管5a。而在普通的钢(铁)质的冷却壁1上，焊接一根套管5b来保护该进出水管5。该波纹管5a的作用，是吸收铜冷却棒2因温度变化而造成的横向膨胀，和吸收普通的钢(铁)质的冷却壁1最初形成稳定的温度场时所产生的微量纵向膨胀量，以及消除双金属冷却壁在安装过程中可能造成进出水管5的位置不正所产生的变形与应力。

如图7、8所示，联接铜冷却棒2的联接弯管3是一只“U”形管，“U”形管可以是弧形过渡，也可以是直角过渡。无论该“U”形管是如何过渡，其“U”形底部都可以是一段波纹管3a。该波纹管3a可以消除因连接相邻的两根铜冷却棒可能造成的变形与应力。当数根铜冷却棒作为一块整体来生产时(如图2中11a、11b所示)，该波纹管3a也可以吸收相邻的两根铜冷却棒受温度变化影响所造成的膨胀。铜冷却棒2与联接弯管3之间的联接可以是焊接(如图7所示)，也可以是螺钉联接(如图8所示)。采用螺钉联接时，在冷却棒上攻出螺纹17，联接弯管3配有法兰18。采用螺钉联接可以减少焊接所增加的成本和克服铜焊接较为复杂的技术问题，同时也可以提高制造加工的精度。

如图7、8所示，相邻的两根铜冷却棒(如2c、2d)联接到普通的钢(铁)质的冷却壁1上，留有安装间隙16。该间隙16可以吸收铜冷却棒2的温度变化所产生的纵向膨胀，从而使双金属冷却壁的受热面在炉内不存在纵向膨胀倾向。在高炉内部，当双金属冷却壁投入使用之后，只要铜冷却棒2没被烧损，普通的钢(铁)质的冷却壁1与高炉内的炉料之间永远间隔着一层铜冷却棒2，由于铜有极好的导热性能，铜冷却棒2承担了绝大部分的热流，而铜冷却棒2与普通的钢(铁)质的冷却壁1之间又存在很大的热阻，使得双金属冷却壁的热面所承受的巨大温度变化，很难传导到普通的钢(铁)质的冷却壁1上。即使少部分热流传导到普通的钢(铁)质的冷却壁1的表面，因其自身具有相当的冷却能力，微小的热流变化尚不至于引起壁体的温度上升，因此，普通的钢(铁)质的冷却壁1的实际温度，可以忽略炉内温度变化的影响，使得作为底板的普通的钢(铁)质的冷却壁1几乎不存在纵向膨胀倾向。

如图5、6所示，在制造普通的钢(铁)质的冷却壁1时，预留了安装每组铜冷却棒的进出水管的通孔15，钻有铆接或螺纹联接铜冷却棒所需的孔14，铸(或加工)了隐藏和保护铜冷却棒联接弯管的安装空穴20。

本发明的双金属冷却壁，有两种典型的的制造方法。其中的一种方法是：将构成双金属冷却壁的所有部件单独制造完成后，首先将每组铜冷却棒(如图1所示的2a、2b、2c、2d)用焊接或机械方式装配完联接弯管3、进出水管5，再将各组铜冷却棒2装配到普通的钢(或铁)质冷却壁1上。此种方法特别适合于用轧制或锻造铜件来制造铜冷却棒，尔后经焊接和机械加工与装配来生产双金属冷却壁。铜冷却棒2的单件生产方法，可以直接用铸造方法铸出毛坯后再加工外形成为成品；也可以用轧制或锻造的实心铜件，通过钻孔7后、在棒端钻口处21封上堵头22再焊接而成(如图10所示)。如图11所示，当设计要求铜冷却棒的芯部水道截面为椭圆时，其制造方法是：在钻了孔7或铸了孔7的铜冷却棒2内，插入一根椭圆形的实心芯棒23，再经热(或冷)锻后，拔出该实心芯棒23而制成椭圆形水道，之后再在棒端开口处21封上堵头22焊接而成。当然，在采用铸造方法直接生产铜冷却棒时，也可以直接铸出椭圆形的水道。上述单独生产铜冷却棒2的方法，也可以把两根或设计的一组铜冷却棒当作一块整体来制造，此时连体的铜冷却棒就相当于一块铜冷却板(如图2中11a、11b所示)。

如图11、12所示，本发明的双金属冷却壁的另一种典型的制造方法，是单独制造完除了铜冷却棒之外的构成双金属冷却壁的其它部件后，再增添一组与设计的铜冷却棒相同材质、相同数量、相同内孔形状的铜管24，将这些铜管24按设计的铜冷却棒2的冷却水路连接好进出水管5、联接弯管3等附件，再全部固定到普通的钢(或铁)质冷却壁1的上(如图11所示)，然后将装好冷却水路的普通的钢(或铁)质冷却壁1作为浇铸铜冷却棒的金属模的部分模板，与浇铸铜冷却棒的金属模的其它部分25进行合模(如图12所示)，待准备好浇铸帽口等设施后，将熔化的铜液逐支浇铸铜冷却棒(如图12中a、b、c、d所示)；所制成的双金属冷却壁毛坯，经钻固定孔、铆接或螺纹固定铜冷却棒(a、b、c、d)、外形机械加工、配完进出水管4等后成为成品。上述制造方法中，两根铜冷却棒之间的间隙，是靠合模时加入的一片隔断26来实现的。该隔断26可以是一片金属板，也可以是一片绝热材料，其厚度等于两根铜冷却棒之间的设计间隙。上述制造方法中，去除一片隔断26，其相邻的两根铜冷却棒如27a、27b就连接为一体，成为一块铜冷却板27；该铜冷却板27的大小，随设计要求去除相应的隔断26即可实现。

本发明的双金属冷却壁，因主要部件——普通的钢(铁)质的冷却壁1和铜冷却棒2——所采用的金属材质和制造方法的不同，产生了许多的实施方式，这些方式主要包括：

1.普通的钢(铁)质的冷却壁1。当采用普通铸造生铁、球墨铸铁、铸钢作为材质时，制造普通的钢(铁)质的冷却壁1的方法是直接铸造。当采用连铸钢坯、初轧钢坯作为材质时，制造普通的钢(铁)质的冷却壁1的方法是经钻孔封堵头焊接钻口的机加工方法。

2.铜冷却棒2。当采用电解铜或者铜合金的原料生产时，制造铜冷却棒2方法是直接铸造；当采用铸锻、轧制或温挤压的纯铜或铜合金的棒料生产时，制造铜冷却棒2方法是经钻孔封堵头焊接封口后制成。

本发明的双金属冷却壁，其主要性能取决于铜冷却棒的材质选择。铜冷却棒是采用纯铜还是铜合金，主要取决于高炉的炉容和冶炼条件、以及安装在高炉内的具体部位。当双金属冷却壁要安装在炉身中上部时，采用铜合金可以降低其冷却强度和增加抗磨能力。可以根据高炉实际生产的要求，设计生产出在同一块冷却壁上具有不同的冷却强度段和不同的抗磨损性能段的双金属冷却壁。

本发明所涉及范围包括了上述主要部件使用的材质和制造方法可能形成的任意组合。

图1为说明书摘要附图。

Claims (10)

1.一种双金属冷却壁，由一块普通的钢或铁质冷却壁、数根铜冷却棒、数组进出水管和联接弯管附件组成。其特征在于：普通的钢或铁质冷却壁有独立的进出水，它充当一块底板，数根铜冷却棒等间距地被固定在上面；铜冷却棒被分为若干组，每组铜冷却棒均被一个个联接弯管将它们各自的水道串连成一条冷却水路；每条水路有一组独立的进出水管，各组的进出水管都穿过普通的钢或铁质冷却壁，全部的联接弯管都隐藏在普通的钢或铁质冷却壁的体内；铜冷却棒的凸台面为热面，凸台间组成的槽为双金属冷却壁的镶砖槽。

2.上述权利要求1所述的铜冷却棒，其特征在于：棒的受热面中间有个凸台，两侧分别加工有一排固定孔；棒的芯部有一条冷却水道，水道截面可以是椭圆或圆形。

3.上述权利要求1所述的联接弯管，其特征在于：它是一只U型钢管，在“U”形底部带段波纹管。

4.上述权利要求1所述每组铜冷却棒的进出水管，其特征在于：其隐藏在普通的钢或铁质冷却壁壁体内的一段是波纹管。

5.上述权利要求1所述的普通的钢或铁质冷却壁，其特征在于：它与铜冷却棒的接触面上有与铜冷却棒相同数量的凹槽，凹槽与铜冷却棒背面的矮凸台相匹配；在整个壁体上，有安装铜冷却棒的联接孔，有穿过每组冷却棒的进出水管的通孔，预留了放置联接铜冷却棒的弯管的空穴。

6.一种制造权利要求1所述双金属冷却壁的方法，其特征在于：它是将构成双金属冷却壁的所有部件单独制造完成后，首先采用焊接方式将联接弯管、进出水管装配到每组铜冷却棒上，然后再将各组铜冷却棒装配到普通的钢或铁质冷却壁上。

7.上述权利要求6所述的铜冷却棒，其特征在于：它是由轧制或锻造铜件制造的，其芯部的水道是通过钻孔后经锻造而成椭圆，在棒的端部钻孔露口内封上堵头经焊接封闭。

8.上述权利要求6所述的铜冷却棒，其特征在于：可以把两根或者一组铜冷却棒当成一个整体来制造。

9.一种制造权利要求1所述双金属冷却壁的方法，其特征在于：它是将除铜冷却棒之外的构成双金属冷却壁的其它部件单独制造完成后，增添一组与设计的铜冷却棒相同材质、相同数量、相同内孔形状的铜管，将这些铜管按设计的每组铜冷却棒的冷却水路要求连接好进出水管、联接弯管附件，再固定到普通的钢或铁质冷却壁上；然后将装好冷却水路的普通的钢或铁质冷却壁作为浇铸铜冷却棒的金属模的部分模板，与浇铸铜冷却棒的金属模的其它部分进行合模，待准备好浇铸帽口设施后，将熔化的铜液逐支浇铸铜冷却棒，所制成的双金属冷却壁毛坯，经钻固定孔、固定铜冷却棒、外形机械加工、配完进出水管后成为成品。

10.上述权利要求8所述的浇铸铜冷却棒的金属模，其特征在于：在金属模合模时，两根铜冷却棒之间加入了一片隔断，隔断厚度等于两根铜冷却棒之间的设计间隙；取消任何一片隔断，相邻的两根铜冷却棒就连为一体。

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