CN1615371A - 用于冶金炉的冷却板及制造该冷却板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冶金炉的冷却板(10)，它包括用黑色金属制成的铸铁冷却板体(12)和至少一根浇铸在冷却板体(12)内的钢冷却管道(20)。在冷却板体(12)中的钢冷却管道(20)的外表面上的金属套(26)厚度在毫米级范围，金属套(26)用由铜、铜合金、镍和镍合金组成的组中选择的金属制成。

Description

用于冶金炉的冷却板及制造该冷却板的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用于冶金炉的冷却板及制造该冷却板的方法。

背景技术

冷却板，也称为“立冷壁(staves)”已在鼓风炉中应用了数百年。这些冷却板设置在炉护板(furnace armour)内侧并具有与炉的冷却系统相连的内部冷却剂管道。面对炉内部的冷却板的表面可衬有耐火材料。

可以用多种各不相同的方法制造这类冷却板。

第一种方法是，用于铸造冷却板体的铸模设有一个或多个用于形成内部冷却剂管道的砂芯。然后将液态铸铁浇注到铸模中。该方法的缺点是：很难清除冷却管道的铸砂，和/或铸铁的冷却管道经常被成型得不合适，并且冷却管道常常不够坚固。

为了克服上述缺点，有人曾建议在铸模中设置预成型钢管，并将液态铸铁浇注到钢管周围。但是，这些冷却板仍不能令人满意。实际上，由于碳从铸铁渗到钢管内，所以钢管变脆，并可能出现裂纹。冷却管与冷却板体之间的接触也可能造成冷却板体内的裂纹，而造成裂纹的最可能的原因是两种材料的热膨胀系数不同。

为了避免在钢制冷却管和冷却板体中出现这种裂纹，DE-A-2128827号文件建议设置具有金属氧化涂层的预成型钢管，以防止铸铁和钢管之间渗碳和冶金接合。事实上，正如上面提到的，由于这些层不能防止渗碳，所以DE-A-2128827提供一种代替现有冷却板的替代物，其中钢管涂覆有石墨或铝，或覆以铜或锡。当然，还有一种建议是在钢管上涂覆金属氧化物涂层，这种建议也不能令人满意。铸造的结果使涂层消失，并在钢管和冷却板体之间形成小的空气间隙，从而使管和板体能独立地扩张。遗憾的是，由于小空气间隙有隔热效果，所以这些冷却板都具有传热系数低的缺陷。

US 4,150,818号文件涉及一种用于冶金炉的冷却板，它包括铸造冷却板体，其中的钢制冷却管的涂层为两层的复合层，即与钢管接触的金属层和在其上面的稳定的金属氧化层。金属层由从镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)和银(Ag)组成的组中选取的金属构成，可以选择单独的一种金属或包括两种或更多种金属。金属层的厚度在40至100μm的范围内，金属氧化层的厚度在30至100μm的范围内，两层的最大总厚度为200μm。尽管金属层确实避免了钢管渗碳，但特别是由于有对于热传导有不良影响的氧化层，所以这种冷却的立冷壁仍不能令人满意。

现已研制出了替代铸铁冷却板的铜冷却板。迄今，已有人建议了许多用于铜“立冷壁”的制造方法。

起初是通过浇注到铸模内的方法生产铜冷却板，由铸模内的砂芯形成内部冷却剂管道。然而，这种方法在实践中被证明不是有效的，因为铸铜板常常具有空腔和气孔，这对冷却板的使用寿命具有极大的负面影响，并且很难从冷却管道上清除铸砂，和/或成型的铜制冷却管道不合适。

GB-A-1571789号建议在用铸模浇铸冷却板时，用预成型的铜或优质钢制成的金属管盘管来取代砂芯。盘管在铸模中被整体地浇铸成冷却板体并形成螺旋冷却剂管道。该方法在实践中也被证明不是有效的，这主要是由于这种方法不能有效地防止铜中出现空腔和气孔。

从DE-A-2907511中得知冷却板可用锻制或轧制铜锭制造冷却板。冷却剂管道是用机械钻孔方法在轧制铜锭上钻出的盲孔。这些冷却板可避免上述铸造缺陷，特别是，可有效消除板内的空腔和气孔。但遗憾的是，由于钻制冷却管道工序复杂、耗费时间且昂贵，所以这种冷却板的生产成本较高。

WO-98/30345提出借助于连续铸模进行冷却板的预成型浇铸，其中将棒型件插入铸造管中生产出沿连续浇铸的方向延伸的管道，这些管道构成最终的冷却板中的冷却剂管道。

尽管铜冷却板的导热性一般都比铸铁冷却板的导热性好得多，但其耐磨性要比后者低得多。因此，暴露在危险的机械应力的炉区的冷却板不能采用铜冷却板。此外，铜冷却板比铸铁冷却板贵得多。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷却板，这种冷却板很容易制造并且还具有较好的耐磨性和较低的传热阻力。本发明的此目的可通过如权利要求1所述的冷却板来实现。

根据本发明，用于冶金炉的冷却板包括由黑色金属制成的铸造的冷却板体和至少一根浇铸在冷却板体内的钢冷却管。应理解到，应在冷却板体内的钢冷却管的外表面上设置一金属套。该金属套的厚度在毫米级范围并用由铜、铜合金、镍和镍合金组成的组中选择的金属制成。

在本冷却板中，钢管受到较厚的金属套保护，可以认为，该套对渗碳起物理屏障的作用。换句话说，金属套的厚度使通常为铸铁的液态黑色金属中的碳不能进入钢冷却管。这与US 4,150,818的冷却板有重大差别，在该专利文件中用镍、钴、锰或银的金属层并用总厚度小于200μm的金属氧化层涂覆钢管，所选择的这些金属不能形成金属碳化物，即所述金属层对渗碳起化学屏障作用。

此外，在本冷却板中，没有阻止钢管与铸铁之间进行焊接的氧化层，这意味着可避免出现气隙。事实上，金属套起着中间层的作用，这就避免了在钢冷却管与铸铁体之间进行焊接，并可吸收张力和应力。因此，金属套与钢管和铸铁体紧密接触。由于铜、镍和它们的合金具有较高的导热性，所以这对于热传递是相当有利的。不同材料之间的紧密接触和金属套的高导热性可确保从铸铁体向冷却管进行增强的热传递。

值得注意的是，用铸造方法很容易制造这种冷却板。按照本发明的另一方面，提供了一种用于制造冶金炉的冷却板的方法，它包括如下步骤：

-提供至少一根上面带有金属套的钢冷却管，该金属套具有毫米级范围的厚度并用从由铜、铜合金、镍和镍合金组成的组中选择的金属制成；

-提供一用于浇铸冷却板体的铸模；

-在所述铸模中设置至少一根带所述金属套的冷却管；及

-将液态黑色金属浇铸到所述至少一根带所述金属套的冷却管周围的铸模中。

由于钢管能很方便地浇铸到冷却板体内，所以这种方法易于实施。对于加工来说，当阻力较大并且要求不小于100μm或200μm的金属层时(小于这一数值则非常容易损坏)，使用较厚的金属套非常方便。因此，使用较厚的层可确保在生产时对钢管进行适当的敷覆，并使加工简化。

因此，由于有金属套，该金属套能确保从板体到冷却管的传热增强，所以本方法适用于生产具有提高了导热率的冷却板。再者，所获得的具有铁基板体的冷却板具有较好的耐磨性，因而提高了使用寿命，由此可降低冶金炉的维修费用。

值得一提的是，铜和铜合金特别适于制作金属套。事实上，铜和铜合金与周围的材料、即钢和铸铁高度匹配，并具有较高的导热性。此外，应理解到，虽然铜的熔点(1083℃)比铸铁的铸造温度(通常在1200至1300℃之间)低，但使用较厚的铜套可避免其熔融在液态铸铁中。事实上，由于铜套较厚，所以它能快速吸收液态铸铁中的热，然后在不引起铜被洗出(washedout)(即再熔化并分散在铸铁中)的情况下使其固化，因而，金属套能用比周围材料的熔点低的金属或合金制成。

此外，铜和铜合金具有比钢和铸铁更大的热膨胀系数，因而在运行中，铜套被挤压在钢管和铸铁体之间。因此可确保在冷却板内的不同材料之间非常良好的接触，从而可获得良好的热传递。

可进一步理解到，与上面提到DE-A-2128827号的不能防止钢管渗碳的镀铜冷却管相比，本发明使用的较厚的铜套不仅能防止钢冷却管渗碳，而且还提供了能吸收钢管与铸铁体之间的机械应力的增强的热传递层。实际上，这种冷却板具有的“冷却效应”远大于(约两至三倍)具有涂覆金属氧化物的钢管的传统的铸铁立冷壁。

优选金属套的厚度至少为2mm，且不大于20mm，更优选该厚度范围为5至10mm，最好该厚度约为7mm。最好通过浇铸的方式将金属套设置在钢管周围，因为这种方式形成这种较厚金属层更有利并更经济。

应注意到，金属套的最佳厚度取决于金属或合金的制造材料及浇铸条件。

例如，在具有由铜制厚金属套包围的钢管的铸铁冷却板的情况下，铜套必须有足够的厚度，以吸收液态铸铁中的热而不被洗出。此外，如果铜套太厚，则由于铜套的收缩，在铜套与铸铁体之间将出现间隙。再者，浇铸的产物可能随浇铸的条件，如温度、持续时间和液态铸铁的流动而改变。因此，当确定金属套的最佳厚度时，最好应考虑到这些参数。

现在更具体地描述冷却板体，该板体可由各种黑色金属组成。当然，所述黑色金属最好从由铸铁、球墨铸铁、韧性铸铁和钢组成的组中选择。当冷却板由含碳量高的铸铁制成时，通过设置金属套防止渗碳则尤其重要。

附图说明

现在将参照附图，通过实例描述本发明。附图中：

图1是本发明的冷却板的一优选实施方式的剖视图。

具体实施方式

图1以剖视图表示出本发明的冷却板10的一优选实施方式。冷却板10包括由黑色金属、优选铸铁制成的冷却板体12。冷却板体12一般为平行六面体形状，其前侧和后侧分别由附图标记14和16表示。冷却板10的前侧14有利地设有一组规定间隔的平行肋18，以便增大它的热交换表面，从而可提高冷却板10的冷却效率。

附图标记20表示浇铸在冷却板体12内的钢冷却管。尽管图中未表示出，但冷却板10包括多根这样的冷却管20。如所看到的那样，冷却管20具有一基本上平行于冷却板10的前侧14的直部分22。该直部分20通过从冷却板体12的后侧16伸出的弯曲部分24终止于两端，以便将冷却管20连接到例如鼓风炉的冷却回路中。

可理解到，在冷却板体12内冷却管20具有包围其外表面的金属套26。在本实施方式中，金属套26最好用铜或铜合金制造，其厚度在5至10mm的范围内。在浇铸铸铁体的过程中，这种较厚的铜套26起防止碳从液态铸铁渗入钢冷却管20的物理屏障的作用。具有高导热性的铜套26与钢冷却管20和铸铁体12紧密接触。铸铁体12与钢冷却管20之间的良好导热性及材料之间的紧密接触可增强从铸铁体12向在钢冷却管20内流动的冷却流体的热传递。此外，铜和铜合金的热膨胀系数高于钢和铸铁的热膨胀系数，从而在冷却板投入运行时，即在受到猛烈的加热时，利用铜套的膨胀，可进一步确保冷却板体与钢管之间的良好接触。可理解到，虽然铜的熔点(1083℃)比铸铁的浇铸温度(一般为1200至1300℃)低，但较厚的铜层具有吸收液态铸铁的热的能力，然后在不引起铜被洗出、即再熔化和分散在铸铁体内的情况下使其固化。

通过铸造很容易制造这种冷却板10。据此，冷却板10的制造最好按下述方式进行。提供一具有冷却板体12的尺寸的铸模，并将装有金属套26的冷却管20设置在铸模内。然后，将铸铁浇铸到冷却管周围的铸模内，并使之在铸模内固化。再将所得到的冷却板从铸模中取出。

应注意到，最好通过浇铸的方式将金属套设置在钢管周围，因为浇铸形成较厚金属层更有利且更经济。

按照测试和模拟，本发明的冷却板10被证明具有“冷却效应”，该效应远大于具有涂覆金属氧化物的钢管的传统立冷壁的效应(大约两到三倍)。这种“冷却效应”是通过在暴露于相同热源下分别测量冷却板10和传统的立冷壁热侧上的最热点来确定的。具体而言，在传统立冷壁的前侧约为600至650℃，而本发明的冷却板10的前侧约为200至250℃。

实例

按照上述方法制造冷却板样品。采用外径为75mm、壁厚为10mm的冷却管。钢冷却管设有7mm的厚铜层。将具有7mm厚的铜层的钢冷却管放置在铸模内并在铸模内浇铸1250℃温度的铸铁。固化后获得200mm厚的冷却板，这意味着铜套由约55mm的铸铁所覆盖。

横向切开冷却板可有效地观察到立冷壁的内部结构。切开后，可观察到厚而均匀的铜套处在冷却管周围，在铸铁体和铜套之间没有任何气隙。在管/套的交界处，由于铜的收缩，所以总是处在紧密连接状态。因此，铜套的两交界处紧密接触，并且钢冷却管相对于铸铁体不能移动。

Claims (11)

1.一种用于冶金炉的冷却板(10)，包括：

一用黑色金属制成的铸造的冷却板体(12)；及

至少一根浇铸在所述冷却板体(12)内的钢冷却管道(20)；

其特征在于：

在所述冷却板体(12)中的所述钢冷却管道(20)的外表面上的金属套(26)的厚度在毫米级范围，所述金属套(26)用由从铜、铜合金、镍和镍合金组成的组中选择的金属制成。

2.按照权利要求1所述的冷却板，其特征在于，所述金属套(26)的厚度至少为2mm。

3.按照权利要求1或2所述的冷却板，其特征在于，所述金属套(26)的厚度不大于20mm。

4.按照权利要求1、2或3所述的冷却板，其特征在于，所述金属套(26)的厚度范围在5至10mm之间，优选约为7mm。

5.按照上面任一项权利要求所述的冷却板，其特征在于，所述冷却板体(12)用由铸铁、球墨铸铁、韧性铸铁和钢组成的组中选择的黑色金属制成。

6.一种用于制造冶金炉的冷却板的方法，包括如下步骤：

提供至少一根钢冷却管(20)；

提供一用于浇铸冷却板体(12)的铸模；

在所述铸模中设置所述至少一根冷却管(20)；及

将液态黑色金属浇铸到所述至少一根冷却管(20)周围的所述铸模中；

其特征在于：

所述至少一根钢冷却管(20)的外表面具有一金属套，该套的厚度在毫米级范围，该套用由铜、铜合金、镍和镍合金组成的组中选择的金属制成。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述金属套(26)的厚度至少为2mm。

8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述金属套(26)的厚度不大于20mm。

9.按照权利要求6、7或8所述的方法，其特征在于，所述金属套(26)的厚度范围在5和10mm之间，优选约为7mm。

10.按照权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述液态黑色金属从由铸铁、球墨铸铁、韧性铸铁和钢组成的组中选取。

11.按照权利要求6至10中任一顶所述的方法，其特征在于，所述金属套(26)通过浇铸方式设置在所述钢冷却管(20)上。

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