CN1331791A - 高温冶金反应设备冷却元件及其制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由连铸法制造的具有水流通道的高温冶金反应设备的冷却元件。为了提高传热本领,增大了传统上有圆形或卵形横剖面的此水流通道的表面积,但不增大其直径或长度。本发明还涉及由此方法制成的冷却元件。

Description

高温冶金反应设备冷却元件及其制造
本发明涉及制造用于高温冶金反应设备的冷却元件，所述元件具有至少一个流道，而此种元件则是通过连铸即泥浆浇注制造的。为了提高元件的传热能力，此冷却流道壁的表面积相对于流道的圆形或卵形横剖面加大了，但未增大此流道的直径或长度。本发明还涉及由此方法制成的这种元件。
高温冶金工艺中反应设备的耐火材料是由水冷冷却元件保护，冷却的结果使得到达耐火材料表面的热经此冷却元件传递给水，这样与未经冷却的反应设备比较，能显著减少炉衬的蚀损。蚀损的减少是由于冷却效应导致形成所谓的自生炉衬，它固定到热稳定炉衬的表面上并且是由炉渣与从熔融相沉淀出的其他物质形成。
通常，冷却元件是由两种方法制造：首先，这种元件可以由砂型铸造制备，在此将高导热材料例如铜制的冷却管设置到砂形成的模具中，并在围绕上述冷却管的浇铸中由空气或水冷却。围绕上述管铸造的元件也采用高导热材料，而最好是铜。此种制造方法描述于例如英国专利no.1386645中。这种方法的问题之一是用作冷却通道的上述管与环绕它的浇铸材料结合不匀，这种管道中的某些可能完全离开围绕它浇铸的元件，而此管道的一部分则可能完全熔融而与此元件熔合。要是在冷却管道与围绕它的浇铸元件的其余部分之间未形成金属键合，就不会有效地传热。而要是管道完全熔融，则将阻止冷却水的流动。这种浇铸材料的浇铸性质例如可以通过将磷与铜混合，改进管道与浇铸材料间形成的金属键合而加以改进，但在这种情形下，即使是添加少量的磷也会显著减弱铜的传热性质(热导率)。这种方法值得指出的一个优点是制造费用较低且与尺寸无关。
另一种所用的制造方法是把通道形的玻璃管道置入冷却元件模具中，此模具在浇铸形成元件内的通道后便加以破碎。
美国专利4382585描述了另一种制造冷却元件常用的方法，根据这种方法，冷却元件例如是由轧铜板通过于其中机加工出必要的通道而制成。这种方法制成的元件的优点是具有致密、结实的结构和从此元件到致冷物质如水的良好传热性。它的缺点是尺寸(大小)受限和高成本。
先有技术中的一种周知的已用来为高温冶金设备制造冷却元件的方法是通过芯棒，例如由连铸即泥浆浇注来浇注出空心型材。这种元件是由高热导性的金属如铜制成。此方法的优点是能获得致密的铸件结构与良好的表面质量，而铸件的冷却通道能让热从此元件良好地传给致冷物质，从而不会发生种种妨碍传热的影响，更确切地说，来自反应设备的热到达冷却元件时是不会受到任何过火的传热阻力而可直接传输到冷却通道的表面再传给冷却水的。冷却通道的横剖面一般是圆形或卵形的，而芯棒则具有光滑的表面。这种冷却通道已陈述于美国专利5772955中。
然而，为了提高冷却元件的传热能力，最好还是加大元件的传热表面积。正如后面的说明将证明的，根据本发明来实现上述目的时是通过增大这种冷却流体通道的壁面面积而不增大其直径或增加长度。冷却元件流道壁面面积的增加是通过在浇铸中于此通道壁上形成槽，或是在浇铸之后于通道中机加工出槽或螺纹，使得此通道的横剖面基本上仍保持圆形或卵形而实现的。结果在同等的热量下，在水与通道壁之间只需要较小的温差，同时有更低的冷却元件温度。本发明还涉及到由这种方法制造的冷却元件。本发明的基本特征将阐明于后附的权利要求书中。
此冷却元件接收热量的能力能够由下式表示：
Q＝a×A×ΔT，其中
Q＝所传输的热量[W]
a＝通道壁与水之间的传热系数[W/Km2]
A＝传热表面积[m2]
ΔT＝通道壁与水之间的温度差[K]
传热系数理论上可由式Nu＝aD/λ确定。
λ＝水的热导率[W/mK]
D＝水力直径[m]
或Nu＝0.023×Re^0.8Pr^0.4，
其中
Re＝wDρ/η
W＝速度[m/s]
D＝通道的水力直径[m]
ρ＝水的密度[Kg/m3]
η＝动态粘度
Pr＝Prandt数[]
于是，据以上所述，通过影响温差、传热系数或传热表面积，就能影响传送给冷却元件的热量。
壁与通道间的温差受到水在100℃沸腾事实的限制，常压下的传热性质由于沸腾而显著变坏。实际工作中，最好是在尽可能最低的通道壁的温度下工作。
通过改变流速，即通过影响Reynolds数，能显著地影响传热系数。但这会受到由于通道中流速加大而增加压力损耗的限制，这使得泵唧冷水的费用增加，而在超过某种限度后也会显著增加泵的投资费用。
传统的方法中是通过加大冷却通道的直径和/或其长度来影响传热表面积的。但显然，冷却通道的直径从经济上考虑是不能无限制地加大的，因为通道直径的增加也就要增多为实现某种流率所需的水量，此外也要增加泵唧作业所需的能量。另一方面，通道直径也受到冷却元件实际尺寸的限制，出于尽可能减少投资费用的目的，此冷却元件最好制得尽可能地小与轻量。长度方面的另一种限制是冷却元件本身的实际尺寸，即要配合到给定区域中的冷却通道的大小。
当需要加大这里提出的冷却元件的传热面积时，则只需改变泥浆浇铸冷却元件水流通道的壁形，来实现根据每单位水流通道长度和相同水流横剖面(在相同的水量下实现相同的流率)所计算的，较大的传热面积。为了这样地加大此表面积，例如可以用下述方法：
在泥浆浇铸冷却元件的浇铸过程中形成基本上圆形横剖面的至少一个水流通道，并在浇铸之后于此通道内加工出螺纹。
在浇注的冷却元件的泥浆浇注过程中形成基本上圆形横剖面的至少一个水流通道，并在浇铸之后于此通道内加工出螺旋形凹槽。这种槽最好是用所谓可胀式心轴拉过此通道而形成。对于例如一端封闭的孔来开槽时，可通过将这种心轴外拉来进行。对于通道中两端敞开的孔，则可以将专门设计的工具推过或拉过此通道来实现。
增大所述表面积的最佳方法是在浇铸中于冷却元件内形成一或多个最好是直槽式的水流通道。尽管进行了这种开槽，但这种通道的剖面形状仍然是圆形或卵形的。应用这种方法，能避免浇铸后的机械加工步骤。
在所有上述方法中，显然在水流通道中应有相对于浇铸方向为横向的通道部件，而这些部件是由机加工例如由钻削形成，同时将不属于此通道的孔口加以堵塞。
已将本发明上述的增大传热面积方法的优点借助于这里所给的例子与先有技术的方法进行过比较。与此例子相联系，存在有几个用来阐明本发明的图，其中：
图1是有关试验中所用冷却元件的原理图；
图2是所试验的冷却元件的横剖面型面；
图3a～3d表明冷却元件内不同测量点处的作为熔体温度函数的温度；
图4给出了据此熔体温度函数所作的测量结果计算出的传热系数；
图5给出了标准化冷却元件的在不同冷却级下的冷却水与通道壁的温度差。
例
由试验测试了与本发明有关的冷却元件，这里所述的元件A、B、C与D浸于距底面约1cm深的熔融铅中。冷却元件A具有通常的光滑表面的通道，此元件用于比较测量中。冷却水的数量及其加到此冷却元件内前后的温度在这些试验中都经过仔细测量。熔融铅的温度以及冷却元件本身内在七个不同测量点的温度也都仔细测量过。
图1示明了这些试验中所用的冷却元件1，其中有水流通道2。此冷却元件的尺寸如下：高300mm、宽400mm、厚75mm。冷却管或水流通道位于如图1所示的元件1内，使此圆管中水平部分的中心距元件底为87mm，而各个垂直件则距这种板状冷却元件的边缘为50mm。管的水平部由钻削形成，水平孔口的一端已堵塞(未详示)。图1也表明了温度测量点T1～T7的位置。图2示明了冷却通道的表面形状，而表1则包括有试验的冷却元件通道的尺寸和计算的每米的传热表面以及相关的传热面积。
表1
   直径mm 水流横剖面积mm2 传热表面/lmm2/lm 相对传热表面积
   A    21.0     346     0.066      1.00
   B    23.0     415     0.095      1.44
   C    23.0     484     0.127      1.92
   D    20.5     485     0.144      2.18
图3a～3d表明，在所有的冷却水流率下，冷却元件B、C与D的温度都比根据冷却元件A所作的参考用测量结果都低。但由于所述试验件的水流横剖面积出于制造中的技术原因必定会出现不同的尺寸，因而不能直接根据图3a～3d的结果比较传热效率。
于是这些试验结果标准化如下：
两点之间稳定的传热可以写成
Q＝S×λ×(T1－T2)，其中
Q＝两点间的热传输量
S＝形状系数(取决于几何结构)[m]
λ＝介质的导热率[W/mK]
T1＝点1的温度[K]
T2＝点2的温度[K]
将上式应用于试验结果，获得以下各量：
Q＝传输给冷却水的测出的热功率
λ＝铜的热导率[W/mK]
T1＝根据试验计算的在元件底部的温度[K]
T2＝根据试验计算的水通道壁的温度[K]
S＝埋入半无限部件中有限圆柱体的形状系数(此圆柱体的长度为L，直径为D)。而此形状系数可以据式S＝2πL/1n(4z/D)，当Z＞1.5D时确定，
Z＝从圆柱体中心线测量的浸入深度[m]。
由上述方式测定的传热系数给出于图4。根据多变量分析结果，在传热系数与水流率以及传输给水的热量之间取得了极其良好的相关性。各个冷却元件的回归方程的传热系数给出于表2。
这样，α[W/m2K]＝c＋a×v[m/s]＋b×Q[kW]
表2
     C      A      b    γ2
   A    4078.6    1478.1    110.1    0.99
   B    3865.8    1287.2    91.6    0.99
   C    2448.9    1402.1    151.2    0.99
   D    2056.5    2612.6    179.7    0.99
为使这些结果成为可比的，将水流通道的横剖面积标准化，以使水的流量对应于相同的流率。水流通道的尺寸与传热表面积已根据流量与流率标准化并给出于表3中。应于表3所给尺寸于情形A′、B′、C′与D′以及上面测定的传热系数，所述通道壁与水在相对于流量标准化情形下的温度差，作为水流率的函数，对于5、10、20与30kW热量的情形，用式ΔT＝Q/(a×A)进行了计算。
表3
  直径mm 水流横剖面积mm2  传热表面/lmm2/lm  相对传热表面积
  A*   21.0     346      0.066      1.00
  B*   21.0     346      0.087      1.32
  C*   19.2     346      0.120      1.82
  D*   15.7     346      0.129      1.95
这些结果示明于图5中。图5表明，所有依据本发明制得的冷却元件都能在水与冷却通道壁间较小的温度差下实现一定数量的传热效应，这说明了本发明方法的有效性。例如冷却本领为30kW而水流率为3m/s时，上述壁与水之间的误差在不同情形下如下表所示。
表4
    ΔT[K]    相对ΔT[％]
   A’       38       100
   B’       33       85
   C’       22       58
   D’       24       61
在将这些结果与传热表面比较时，可以看到，所需用来传输相同热量的壁与水之间的温度差同相对传热表面成反比。这表明本发明上述的改变表面面积能显著地影响传热效率。

Claims (13)

1.制造高温冶金反应设备冷却元件的方法，所述元件是由高导热性金属经粉浆浇铸(slip-cast)制成，并具有至少一个冷却水流通道，其特征在于：为了提高此冷却元件的传热能力，在此冷却元件内水流通道的表面积增大但不增大液流通道的直径或长度。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，在此冷却元件浇铸过程中，由有槽的心轴于此冷却元件内形成基本为圆形或卵形横剖面的冷却水流通道。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，在此冷却元件浇铸过程中，于其内形成基本为圆形横剖面的冷却水流通道，并在浇铸后于此通道内机加工出螺纹。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于，在此冷却元件浇铸过程中，于其内形成基本为圆形横剖面的冷却水流通道，并在浇铸后于此通道内机加工出螺旋形凹槽。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述螺旋形凹槽是由可胀心轴制成。
6.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高导热性金属是铜。
7.高温冶金反应设备冷却元件，它由高导热性金属经粉浆浇铸制成且具有至少一个冷却水流道，其特征在于，此液流通道的壁表面面积增大，但未增大此通道的直径或加大其长度。
8.权利要求7所述的冷却元件，其特征在于，所述液流通道由有槽心轴形成基本是圆形或卵形的横剖面。
9.权利要求8所述的冷却元件，其特征在于，所述基本是圆形或卵形横剖面的液流通道中的槽是直槽。
10.权利要求7所述的冷却元件，其特征在于，所述液流通道基本上呈圆形横剖面并且是由心轴形成，同时在浇铸后于此流道内机加工出螺纹。
11.权利要求7所述的冷却元件，其特征在于，所述液流通道基本上呈圆形横剖面并且是由心轴形成，同时在浇铸后于此流道内机加工出螺线形槽。
12.权利要求11所述的冷却元件，其特征在于，所述螺旋形槽是由可胀心轴形成。
13.权利要求7所述的冷却元件，其特征在于，所述元件是由铜制成。
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