CN1965093B - 热交换器系统 - Google Patents

Abstract

用于制造铁的炉子及其支撑的排气和冷却系统的热交换器系统(44)，包括至少一段(1-4)弯曲盘绕管(50)，其具有与输入歧管(84)和输出歧管(86)相接合的入口(56)和出口(58)、流经管(50)的冷却液以及在管(50)上流动的热废气气流。

Description

热交换器系统 

技术领域

本发明涉及用于冶金加工(特别是钢铁制造)的装置。更特别地，本发明涉及用于冶金炉的热交换器系统及其支撑部件，其中所述热交换器系统包含铝铜合金管。热交换器系统包括安装在炉壁、炉顶和废气系统上的管，其中所述废气系统包含废气排气管和烟圈。热交换器系统提供冷却，而铝铜合金管延长了炉的使用寿命。 

背景技术

本申请要求2004年4月20日提交的题为“在制造钢铁中使用的热交换器系统”的、第10/828,044号美国专利申请的优先权，该专利申请是2002年9月11日提交的第10/238,971号美国专利申请的部分继续申请，该部分继续申请要求了2001年9月19日提交的第60/323,265号美国临时申请的优先权。这些申请的全部内容通过引用并入本文。 

当今，人们通过在冶金炉中熔化并精炼铁和钢废料制造钢铁。通常，冶金炉是电弧炉(EAF)或氧气顶吹转炉(BOF)。钢铁制造领域的技术人员认为EAF炉是钢铁厂或铸造车间中唯一最重要的装置。因此，各个EAF尽可能长时间地保持用作是非常重要的。 

在加料过程中所造成的结构损坏影响EAF的运转。因为与熔化的钢相比，废料具有更低有效密度，故EAF必须在具有容纳废料的足够体积的同时，还仍然可以生产所需量的钢。当废料熔化时，在炉膛中或炉下部的熔炼区域形成了热金属熔体(metal bath)。然而，随着在炉中钢的体积减少，在EAF中的空余体积增加。必须保护炉膛或熔炼区域以上的炉部分，使之免受炉内的高温。由加入并熔化废料以及精 炼所得钢铁时引起的高温、化学作用以及机械应力对于管壁、盖或顶、管路工件以及废气室具有严重的危害。这些应力极大地限制了炉的使用寿命。 

过去通常将EAF设计并制造成焊接的钢结构，通过耐火衬里保护这种结构以对付炉的高温。在20世纪70年代后期和20世纪80年代初期，在钢铁工业中，人们开始通过使用位于熔炼区域之上的炉的管部分的水冷却顶段和水冷却侧壁段，来代替昂贵的耐火砖以对付操作应力。水冷却部件还被用于使废气系统中的炉管路组件形成一排。使用不同等级和类型的冷却段和管来制造现有的水冷却部件。美国专利第4,207,060号中公开了使用一系列冷却盘管的冷却系统的实例。通常，盘管由具有弯曲端帽的临近导管部分形成，这为冷却液流经盘管形成通道。使用压力迫使该冷却液通过管以使热交换最大化。现有技术使用碳钢和不锈钢制造冷却段和管。 

此外，当今的现代EAF炉需要污染控制以俘获在钢铁制造期间产生的废气。通常使用两种方法俘获来自炉的烟尘。这两种方法在炉的操作期间使用。俘获废气的一种形式是通过炉顶盖。所述顶盖与烤炉的帽盖类似。顶盖是建筑物的一部分并且捕获在加料和出钢过程的气体。顶盖还捕获在熔化过程中可能产生的挥发性的逸散物。通常，通过非水冷却排气管将顶盖与袋滤捕尘室连接。袋滤捕尘室由滤袋和若干鼓风机组成，所述鼓风机将空气和废气经由滤袋排出或吸入，以净化空气和任何污染物气体。 

俘获废气逸散物的第二种方法是通过主要的炉管线。在炉的熔化周期期间，调节风门关闭到顶盖的排气管，并且打开在主要管线中的排气管。这是与炉的直接连接，并且是俘获炉逸散物的主要方法。主要管线还被用于控制炉压。该管线由水冷却排气管工件组成，这是因为温度可以到达4,000°F，然后在几秒中降至室温。气流中通常包括各种化学元素，其中包括盐酸和硫酸。其中还有许多固体和沙子类型的颗粒。气流的速率可以高达150ft/sec。这些气体将被引向主要的袋滤捕尘室，以便如上文所述的那样进行净化。 

上述环境对EAF炉的主要排气管的水冷却部件施加很高的应力。 可变的温度范围造成了部件的膨胀和收缩问题，这造成了材料的破坏。此外，灰尘颗粒以类似喷砂的方式连续腐蚀排气管的表面。流经系统的酸也增加了对材料的腐蚀，从而又降低了整个寿命。 

对于BOF系统来说，BOF耐火材料和钢铁制造方法的改进延长了使用寿命。然而，使用寿命与废气系统部件(尤其是废气系统的排气管组件)的耐用性有关，并受其限制。对于该系统来说，当破坏出现时，必须关闭系统进行维修，以防止向大气排放气体和烟尘。目前的破坏率造成的平均炉关闭天数为14天。如同EAF型炉一样，BOF系统的部件在过去是由水冷却碳钢或者不锈钢板构成。 

在EAF或BOF型炉中使用水冷却部件降低了耐火材料的成本，并且与不带有这些组件相比，还使钢铁制造者可以在更高的温度下操作每一个炉。此外，水冷却装置能够使炉以增加的动力等级运行。因此，增加了产量并且炉可用性变得日益重要。虽然水冷却组件具有益处，但是这些组件也有磨损、锈蚀、腐蚀和其它损坏的一贯问题。与炉相关的另一问题是，当炉可用的废料质量下降时，会产生更多的酸性气体。这通常是废料中存在高浓度塑料的结果。必须将这些酸性气体从炉中转移到气体净化系统中，以便将其排入大气。通过数个含有水冷却管的烟尘排气管将这些气体引入废气室或气体净化系统。然而，随着时间的流逝，水冷却组件和烟尘排气管受到酸腐蚀、金属疲劳以及腐蚀的影响。某些材料(即碳钢和不锈钢)被用来试图解决酸腐蚀的问题。更多的水和更高的水温度和碳钢一起使用，以试图降低废料中水的浓度，并降低附着在炉侧壁上的酸性粉尘。已经证明在该方法中使用这种碳钢是无效的。 

还使用了不同等级到不锈钢。虽然不锈钢不易受到酸腐蚀，但是它并不具有碳钢的热传导性质。所得的结果废气温度会升高，并且能够导致某些部分破裂和裂变的机械应力也会提高。 

由于上述问题，在现有系统中的一个或个部件经常会发生关键性故障。当发生这种故障时，必须停止炉的生产，以进行不定期的维护从而修复损坏的水冷却组件。因为在停工期间钢铁厂不生产熔融的钢铁，所以对于某些型号的钢铁来说，可能会出现每分钟五千美元的损 失。除了产量下降以外，不定期的中断显著增加了运行和维护费用。 

除了水冷却组件以外，对于EAF和BOF系统的烟尘管道和废气系统来说，锈蚀和腐蚀的问题日益严重。炉中这些区域的损坏下降了生产能力，并增加了工厂运营者额外的维护费用。另外，水的泄漏增加了废气的湿度，并因为袋子受潮并被阻塞，而降低了袋滤捕尘室的效率。由于升高的温度和炉中增加的温度造成气体速率的增大，加速了用于排出炉中废气的区域的腐蚀。更大的气体速率是为了进一步将全部烟尘除清，以符合空气排放标准。烟尘排气管的锈蚀的原因是，由于在炉中不同物质相遇而在导管内侧形成了酸/酸腐蚀。目前，现有技术教导了使用烟尘排气管设备以及由碳钢或不锈钢制造的其它组件。由于如上所述的原因，这些材料已经证明不能提供令人满意的和有效的结果。 

因此亟需改进的水冷却炉段系统以及制造钢铁的方法。特别是亟需这样一种改进的方法和系统，即，其中水冷却组件和烟尘排气管与现有可对比的组件相比可以更长时间运行。 

发明内容

本发明是适用于制造铁的炉子的热交换器系统、及这些炉子支撑的排放和冷却系统。热交换器具有至少一段弯曲盘绕管，其具有入口和出口，与至少一段弯曲盘绕管的入口以流体方式连通的输入歧管，与至少一段弯曲盘绕管的出口以流体方式连通的输出歧管，流经管的冷却液以及在管上流动的热废气气流。在本公开中，术语管、管子和管路是同义词并且可以相互交换。弯曲盘绕管基本上是一个接一个地将连接的管安装而形成的一段组件。使用连接件将连接的管相互固定，借此形成结实的管段，其中所述管段具有结构完整性。连接件给系统增加了刚度并确定了整体平板度以及管段的部分或全部的曲率。例如，通过调整连接的管的一个接一个的关系，使它们从零度移动若干度，累积的效应将形成具有曲率的结实管段，而不是平板的。在大多数应用中，热交换器系统具有至少一段安装在壁内侧、并与壁外侧的输入和输出歧管以流体方式连通的管。所述壁通常是制造钢铁炉的壁、炉 顶、烟圈排气口、排气管的直部分和排气管的弯曲部分。在许多确定的应用中，所述壁是弯曲的。例如，根据设计参数，炉排气管通常是椭圆形或圆形的。排气管壁的内侧具有曲率与排气管曲率相适应的一段或多段管。从环绕排气管外侧的输出歧管向各段管单独提供冷却液。而各段管将冷却液送向环绕排气管的外侧的输出歧管。 

热交换器可以被用于冷却和收集炉壁上形成的炉渣。热交换器减少了应力的增加。优选地，管具有至少一个键槽(spline)，所述键槽是细长的脊。优选地，将多个管制成两段，其中所述管具有的方位与炉中熔融物质基本水平。通常，炉壁是弯曲的，并且所述管也呈曲线形以便与炉壁(也称为炉身)的曲率相适应。一根管可以经过炉壁的整个内侧圆周，然而，更加有效、均匀温度的配置是将圆周分割成弧形、并且利用与相邻的、连接的管连续连接的一段长度的管。一个接一个地安装连接的管而形成的一段长度的组件形成管段。从在炉壁外侧的输出歧管向多段管单独提供冷却液。多段管将冷却液送向在炉壁的外侧的输出歧管。在修改的方案中，热交换器系统在连接的管的组件中具有多于一个的入口和多于一个的出口，其中所述组件是曲线形的以便于炉壁内侧轮廓向适应。上述组件可以配置成，使得连接的管的第一组件在连接的管的第二组件中形成环。 

热交换器系统还可以包括与弯曲盘绕管相连的底板。在该系统的管上和管周围的空气流不如仅仅使用连接件固定的管处的空气流那么充分，然而，可以实现更大的抗剪切强度，并且该系统特别适于收集风送的或飞溅的固体(炉渣)的地方，或者存在很大振动的地方。在热交换器系统用于收集炉渣的应用中适合使用底板。 

热交换器系统还可以包括前板和底板，其中弯曲盘绕管被夹在底板和前板之间。优选使用铝铜合金制造前板，其中选用具有高热传导性系数的铝铜合金，尤其是能够在较高的温度下操作。利用两个板能够用导流片或堰(weir)代替弯曲盘绕管，所述导流片或堰起到以与管类似的方式引导冷却液流动。流体在由前板和底板之间的导流片所限定的通道中弯曲流动。导流片基本上是垂直细长的板。在优选结构中，导流片的纵向边缘被焊接到前板的后侧，并且底板被连接到导流 片相对的纵向边缘上。如前所述，板和导流片的组合实现了弯曲盘绕的通道，其中所述通道基本上与制造好的管相当。前板的前侧暴露在热废气中。 

作为一种选择，热交换器系统可包括前板和底板，其中管安装有喷嘴，所述喷嘴将冷却液喷射在前板的后侧。前板优选由铝铜合金制造，其中选用的铝铜合金是抗氧化的并且具有高热传导性系数。底板主要的作用是安装用于具有喷嘴的管的平台。前板与指向前板后侧的喷嘴是偏移的。铝铜板的前侧暴露在热量中，喷雾通过输出歧管收集并回送。输入歧管提供加压的冷却液。冷却液优选是水，因为水的费用低廉并且热容高。这样，喷嘴以喷雾的形式喷洒冷却液，并且需要更少的管，因此降低了对管的弯曲盘绕的需求。使用喷嘴的热交换器系统被配置成，使得排水装置总是朝向板的底部，以便防止冷却液的累积阻塞喷嘴。 

热交换器系统被配置成，使板的总数足以覆盖将废气冷却至期望温度的区域。在废气来自电弧炉的情况下，气体的出口温度大约是4，000°F-5，000°F。在袋滤捕尘室中过滤这些气体以除去气化的金属，例如锌以及某些挥发性灰分。袋滤捕尘室在大约200°F-350°F下操作，因此必须将进来的废气冷却。将多段管制成弯曲的或平板的，以此得到用于给定冷却要求所需的表面面积。 

可以预见，本热交换器系统可以与其它热交换装置组合，例如冷凝器、管壳式换热器、翅片式换热器、板框式换热器以及强制通风气冷却换热器。 

还可以预见，所述热交换器系统还有其它应用，例如冷却来自变电厂、造纸厂、燃煤和燃气发电厂以及其它废气发生器中的废气，其中冷却所述气体的目的是俘获气体的一种或多种组分，其中所述俘获处理是通过浓缩、碳床吸附或过滤而完成的。优选使用铝铜合金制造热交换器系统。铝铜合金被发现具有高于期望值的导热率、对热气流侵蚀的抵抗性(弹性模量)和良好的抗氧化性。因此，延长了热交换器的使用寿命。当使用铝铜合金制造热交换器及相关组件时，降低了热交换器及相关组件的锈蚀和腐蚀。 

发明目的 

本发明的第一目的是提供由铝铜合金构成的热交换器系统，其中铝铜合金被发现具有高于期望值的导热率、对热气流侵蚀的抵抗性和良好的抗氧化性。 

本发明的第二目的是提供这样一种热交换器系统，其中，当使用铝铜合金制造热交换器及相关组件时，降低了热交换器及相关组件的锈蚀和腐蚀，因此延长了热交换器的使用寿命。 

本发明的第三目的是提供这样一种热交换器系统，其中所述系统适于冷却由制造钢铁的炉中排放的废气，所述热交换器系统被安装在炉壁、炉顶、烟圈排气口、排气管的直部分和排气管的弯曲部分上。还可以预见，所述热交换器系统还有其它应用，例如冷却来自变电厂、造纸厂、燃煤和燃气发电厂以及其它废气发生器中的废气，其中冷却所述气体的目的是俘获气体的一种或多种组分，其中俘获处理是通过浓缩、碳床吸附或过滤而完成的。 

本发明的第四目的是提供这样一种热交换器系统，所述热交换器系统可以基本类似单元的形式串在一起，以便将诸如EAF或BOF的冶金炉中的废气从4,000°F-5,000°F冷却至200°F-350°F。 

本发明的第五目的是提供收集和冷却炉渣的改进的热交换器系统，其中弯曲盘绕管是具有细长的脊的挤压无缝管，所述管可以更好地抵抗锈蚀、腐蚀和热应力。 

附图简要说明 

通过参考下列详细说明以及附图，上述和其它目的将变得更加明显： 

图1是示出本发明的局部切除透视图。热交换器具有至少一段弯曲盘绕管，至少一段弯曲盘绕管具有入口和出口，所述入口和出口与一对歧管(manifold)以流体方式连通。至少一段弯曲盘绕管安装在排气管的内侧。 

图1a是图1所示的本发明的透视图。排气管安装有热交换器系统。 该排气管在制造钢铁的工业中用来运输并冷却从钢铁造制炉产生的废气。局部显示的弯曲盘绕管由铝铜合金制成。排气管也可以由铝铜合金制成。 

图1b是与直排气管相连的弯曲排气管的侧视图，所述直排气管与废气室相连。 

图1c是图1b所示的排气管和废气室的前视图。 

图1d是一系列冷却排气管的偏移前视图。这一系列冷却排气管与废气室和弯曲排气管相连，所述弯曲排气管与炉顶相连。这些排气管冷却并输送热烟尘气体和从炉中分离出的灰尘。 

图2是配置为烟圈的热交换器系统的平面图，其中烟圈是由弯曲盘绕管组成的，所述管来回盘绕形成一个弯曲段(椭圆形环)。所述椭圆形环具有冷却水入口和出口。作为一种选择，将烟圈配置为具有多于一个的入口和出口。 

图3是图2所示的本发明沿剖面线3-3的剖面图。 

图4是图2所示的配置成烟圈的热交换器系统的侧视图。 

图5是带有入口和出口的一段弯曲盘绕管的侧视图。使用铜焊连接件将管隔开并连接。 

图6是弯曲盘绕管的剖面图，其中所述管具有键槽和基座。基座连接到底板上，底板连接在壁内侧。 

图7是弯曲盘绕管的剖面图，表明了连接件是如何将管隔开并连接的。 

图8是配有多个热交换器系统组件的制造钢铁的炉子的剖面图。所述系统用于炉子以及冷却废气的排气管。 

图9是使用导流片的热交换器系统的剖面图，其中系统为排气管提供冷却。系统具有由导流片形成的通道，其中所述导流片将冷却液的流动导向成为蜿蜒形式的流动。 

图10是使用导流片的热交换器系统的局部切除的剖面侧视图，其中所述热交换器被安装在制造钢铁的炉壁上。所述热交换器具有铝铜前板、导流片和底板。前板直接暴露在由炉子产生的热、废气和炉渣之中。 

图11是使用喷嘴的热交换器系统的剖面图，其中所述热交换器被安装在制造钢铁的炉壁上。所述热交换器具有铝铜前板、带有喷嘴的管和底板。前板直接暴露在炉子产生的热、废气和炉渣之中。喷嘴从底板向前板的后侧喷射冷却液。将前板从喷嘴充分移动，使冷却液在更广的区域分散。 

图12是使用喷嘴的热交换器系统的剖面图，其中所述热交换器是风箱。铝铜前板在风箱的内部，并且带有喷嘴的管被安装在底板上。喷嘴从固定在底板上的管中将冷却液喷射向前板的后侧。将前板从喷嘴充分移动，使冷却液以交错形式喷射。交错足够覆盖一定区域。注意，图中具有两个入口和两个出口。 

详细说明 

出于需要，在下面公开了本发明的详细实施方案，然而，可以理解所公开的实施方案仅仅是为了示例性地说明本发明，本发明可以以多种形式实施。因此，并不能将此处公开的特定结构和功能的细节解释为限制性的。 

热交换器系统10包括至少一段弯曲盘绕管50，至少一段弯曲盘绕管50具有入口56和出口58、与至少一段弯曲盘绕管的入口以流体方式连通的输入歧管84、与至少一段弯曲盘绕管的出口以流体方式连通的输出歧管86、以及流经弯曲盘绕管的冷却液。热交换器系统10冷却热烟尘气36和正从冶金炉80及其支撑组件中排出的灰尘。弯曲盘绕管是一个接一个地将连接的管安装而形成的一段组件，其中使用连接件82将所连接的管相互连接，形成上述至少一段弯曲盘绕管54。发明人根据经验确定制造管50的优选组分是铝铜合金。铝铜合金被发现具有高于期望值的导热率、对热气流侵蚀的抵抗性(弹性模量)和良好的抗氧化性。因此，延长了热交换器的使用寿命。当使用铝铜合金制造热交换器及相关组件时，降低了热交换器及相关组件的锈蚀和腐蚀。表1对比了铝铜合金、P22(Fe～96％，C～0.1％，Mn～0.45％，Cr～2.65％，Mo～0.93％)以及碳钢(A106B)的导热率。铝铜合金的导热率比P22高41％，比碳钢高30.4％。使用铝铜及其合金制造的热交换器与由耐火材 料和/或其它金属合金构成的炉子相比，更加有效率并且具有更长的使用寿命。 

表1 

性质              铝铜        P22         A106B

硬度(HRB)           149           110           106 

抗拉强度(KSI)       78            60            60 

伸长率(2″内％)     42            20            19 

屈服强度(KSI)       35            30            35 

导热率(W/mK)        32.6          23            25 

优选地将管挤压成形，以使得所述管抵抗腐蚀、锈蚀、压力和热应力。当管具有作为翅片的细长脊时，性能显著地增加。翅片可以用于加强冷却并收集炉渣。不存在会发生故障的焊接线，并且挤压成形的无缝管使得热量的分布更加均匀，这就提高了热交换器系统的总体性能。如果需要，管可以是曲线形的或弯曲的，以便与和其连接的壁的曲率相互配合。更加典型地，管的单个部分用成角度的连接件相互固定，从而使得所得到的一段弯曲盘绕管具有与壁的曲率相配的曲率。 

附图所示出的热交换器系统使用了歧管和多段弯曲盘绕管，以便进一步加强冷却效率。这种组合确保了冷却水流能够经所有管，并最优化热传递。弯曲盘绕管使得表面面积最优。通常使用连接件和隔离件固定管，这使烟尘气能够基本在管的整个周边流动。 

参考图1，本发明10被显示为，烟尘废气排气管44具有壁94，壁94具有内侧壁93和外侧壁95。将壁94局部切去以便观察排气管44的内部。排气管44是椭圆形的，这种被选择的工程结构与圆形导管相比增加了表面面积。排气管被分为四个扇形体1-4，以横竖虚线表示。在本发明中，热交换器使用了四段弯曲盘绕管，其每一个具有一个入口56和一个出口58，并均使用连接件52(作为间隔和接合件以固定管50)装配，并在其中确定了一段长度上的管相对于相邻段长度上的管的相对位置。弯曲盘绕管段1-4安装于在排气管44的内壁93。各段弯曲盘绕管都 与输入歧管84和输出歧管86以流体方式连通。歧管84和86安装在壁94的外侧95上，并且基本上环绕排气管44。将管50定向为与排气管44基本在同一直线上。选择定向的原因在于，在排气管的长度上容易制造和产生更低的压力差。使用能够将冷却排气管接合到另一排气管的法兰54将排气管的两端端接。每一排气管基本上是独立的模块冷却单元。模块化使得排气管的制造可以在某种程度上通用。每一排气管具有冷却能力，并且大量地组合起来，以实现期望的冷却。模块化是部分由于热交换器系统是由具有公知冷却能力的、个别冷却的多段弯曲盘绕管组成，当组合时就确定了排气管的冷却能力。因此，积累的冷却能力最终是多段弯曲盘绕管的类型、数目和配置结构、以及歧管所提供的冷却液的温度和率速的函数。多段弯曲盘绕管基本上是相对通用的、独立模块组件。烟尘排气管44通常具有一对安装支撑体62，用于将排气管联接到支架或支撑体上。 

图1a、1b、1c和1d示出了排气管和热交换器系统的外部元件。排气管44与安装支架60安装在一起，安装支架60用于将排气管接合到炉顶、废气室(有时指风箱48)、或者用于对法兰54提供支撑。参考图1b，弯曲排气管45与直排气管44联接，直排气管44则与废气室48相连。弯曲排气管45具有顶支架60，用于将弯曲排气管45固定到炉顶。烟圈66从弯曲排气管45的入口伸出。在图2-4和图8中可以看出，烟圈66室具有环状配置的热交换器。弯曲排气管具有输入歧管84和输出歧管86。输入歧管84在位置88被连接到冷却水源，输出歧管86被连接到循环出口90。弯曲排气管45和直排气管44通过它们各自的法兰连接。直排气管44和废气室48通过它们各自的法兰连接。因此废气室48优选具有压力释放装置，以防止在炉内万一发生爆炸。如果日后需要额外的容量，那么废气室48还可以作为连接箱(junction box)。参考图1c，来自炉的部分冷却烟尘气体被转向90度，送入排气系统16的剩余部分。系统的长度足以将冶金炉(例如EAP或BOF)中排除的废气从4,000°F-5,000°F冷却至200°F-350°F。如图1d所示，炉外部的完整冷却系统是由废气室48之后的8对歧管，外加废气室48之前的两对歧管和烟圈组成的：每一对歧管具有四段热交换器，因此，总共四十段热交换器并外加烟 圈段66。可以将烟圈安装在炉顶，而不是替排气管，这种配置结构将在下面讨论。 

图2-4进一步示出了配置为烟圈的热交换器系统，其中烟圈66由来回盘绕而形成弯曲的段(椭圆形环)的弯曲盘绕管组成。椭圆形环具有用于冷却水的一个入口和一个出口。作为一种选择，还可以将烟圈配置为具有多于一个的入口和出口。在所示实施方案中，热交换器10具有三个烟圈支架64，或将热交换器安装在圆形炉顶上。如图3所示，管50在右端比左端被压得更紧，并且左端的支架64比右端的更低。这种压缩和支架的不同放置补偿了炉顶的倾斜，这形成了基本垂直的轮廓(profile)。连接件82不但确定了一段弯曲盘绕管50的曲率，还确定了轮廓。 

参考图8，图8中示出的炉被显示为EAF型炉80。可以理解，公开的EAF仅仅是为了起到解释的作用，本发明可以容易地应用于BOD型炉等等。在图8中，EAF 80包括炉身12、多个电极14、排气系统16、工作台18、摇杆翻转装置(rocker tilting mechanism)20、摆缸(tiltcylinder)22以及废气室b。炉身12可移动地被布置在摇杆翻转装置20或其它翻转装置上。此外，由摆缸22为摇杆翻转装置20提供动力。摇杆翻转装置20被固定在工作台18上。 

炉身12由中凹炉膛24、通常呈圆柱状的侧壁26、管口(spout)28、管口门30和通常呈圆柱状的圆形顶32组成。管口28和管口门30位于圆柱状的侧壁26的一侧。在打开位置，管口28允许引入的空气34进入炉膛24，并且部分燃烧在熔炼时产生的气体36。炉膛24由本领域已知的合适的耐火材料组成。在炉膛24的一端是浇注箱，所述浇注箱在其较低端具有活栓装置38。在熔化操作期间，使用耐火塞或可滑动的门将活栓装置38关闭。此后，倾斜炉膛24，拔开或打开活栓装置38，将熔融金属倾倒入盛钢桶、漏斗或需要的其它装置中。 

炉身12的内壁26与弯曲盘绕管50的水冷却段40安装在一起。水冷却段40在炉80中有效地起到了内侧壁的作用。提供冷却水和回流的歧管与水冷却段40以流体方式连通。通常，与所示出的排气管44类似的方式，将歧管周边地定位。图8显示了炉身12外侧的歧管的截面图。热 交换器系统10运转效率更高，并且延长了EAF炉10的使用寿命。在优选实施方案中，与图2-4的烟圈相比，水冷却段40被安装成使得弯曲盘绕管具有通常为水平的方向。如图7所示，连接件82将管50连接，或者管50具有安装在壁94上的基座92。通常，在具有后者结构时，管具有细长的脊96，用于收集炉渣并使管增加了额外的表面面积。作为一种选择，水冷却段40被安装为，使得弯曲盘绕管50具有通常为垂直的方位，如图5所示。水冷却段40的上端在炉80的外壁26的上边缘限定出圆形的辋。 

热交换器系统10能够被安装在炉80的顶32上，其中水冷却段40具有基本上与顶32的圆顶轮廓接近的曲率。其中在炉80的侧壁26的内侧、顶32以及排气系统16的入口处使用热交换器系统10。此外，热交换器系统保护炉，并且随着热废气36被输送至袋滤捕尘室、或其它在其中收集灰尘并将气体排向大气的过滤器和空气处理装置，而冷却热废气36。 

在运行中，通过炉身12中的通风口46将热废气36、灰尘和烟尘从炉膛24中除去。通风口46与如图1和1a-1d所示的、包括烟尘排气管44的排气系统16相通。 

参考图5，水冷却段40具有多个轴向设置的管50。U型弯头53将相邻组装长度的一个或数个管50连接在一起，以形成连续的管系统。除了在相邻的管50之间作为隔离物之外，连接件82还使得水冷却段40在结构上成为整体，并且决定了水冷却段40的曲率。 

图7是图5中的水冷却段的实施方案的剖面图。图6示出了一种变体，其中管50具有管状横截面、基座92、细长的脊96以及底板93。底板93附着到炉壁26或炉顶32上。管和可选的底板的组合形成了水冷却段40，这构成了炉的内部壁。在EAF炉膛或BOF的排气罩和烟尘排气管的上方，水冷却段40冷却炉壁26。 

水冷却段是水冷却的，并且由习惯上熔化并加工为无缝管50的铝铜合金制成。冷却管44被并入到排气系统16。此外，将管50形成到冷却水冷却段40，并置于整个顶32上和排气管44中。铝铜合金优选具有标称组分：6.5％的Al、2.5％的Fe、0.25％的Sn、最高0.5％其它物质 以及平衡差额的Cu。然而，可以理解所述组分是可以变化的，因此Al含量为至少5％，但是最多不超过11％，而在这两种情况下剩余的成分包括铜化合物。 

使用铝铜合金与现有技术的装置(即碳钢或不锈钢冷却系统)相比，提供了增强的机械和物理性质，这是因为合金为在炉中制造钢铁提供了优良的导热率、强度以及弹性模量。通过这些增强作用，直接延长了炉的使用寿命。 

除了优良的热传递性质以外，合金的延伸性质也比碳钢或不锈钢强，因此而允许管和排气管工件44膨胀和收缩而不产生裂缝。此外，表面强度也优于现有技术，这是因为降低了废气碎片的喷砂效应而产生的腐蚀效应。 

使管成型的方法优选是挤压成型，然而，本领域技术人员可以理解可以使用到达相同效果，即无缝组件的其它成型技术。在挤压成型期间，铝铜合金被热加工，从而实现具有改善的物理性质的致密晶粒结构。 

在图6所示的管中，细长的脊96是适于收集炉渣的键槽。在管状部分的中心线的每侧的质量相同，因此细长的脊96的质量与基座92的质量近似相等。通过平衡质量并使用挤压成型的铝铜合金，所得管件是基本上无应力的管件。所公开的管具有改善的应力性质，并且使用这些管制造的热交换段不易受到由例如炉循环期间的剧烈温度变化而损坏。 

热交换器系统的构成与现有技术的不同之处在于，现有技术中的管和热交换段是由碳钢或不锈钢制成的，这与本发明的铝铜合金组分不同。铝铜合金组分不易受到酸腐蚀。此外，申请人确定出，铝铜具有高于碳钢或不锈钢的传热速率，并且该合金具有膨胀和收缩而不产生裂缝的性质。最后，合金的表面强度比上述两种钢都要高，因此降低了在排气管/冷却系统中运动的废气的喷砂效应而产生的腐蚀表面效应。 

可选择的实施方案 

冷却液通过热交换器系统的类似流动可以通过使用弯曲盘绕通道实现。通过在前板120和底板93之间流出导流片124的间隔而形成通道122。图9显示了使用导流片的热交换器系统10的实施方案。在所显示的实施方案中，热交换器系统10是排气管45，其中前板120在排气管45的内部。在所显示的实施方案中，底板93还作为排气管45的外部壁。排气管45具有用于将排气管相连、或将排气管与风箱48或与炉80的顶32相连的法兰54。在所显示的实施方案中，冷却液以纸平面的方向流入和流出。如图所示，只存在一个冷却段41，并且其与输入歧管(未显示)和输出歧管(未显示)以流体方式连通。歧管安装在底板93的外侧。 

图10显示了配置为内炉壁47的热交换器系统10，所述内侧炉壁是冷却段41。按照炉身12的壁26的轮廓制造内侧炉壁47。冷却段41具有安装在前板120和底板93之间的导流片124。系统具有冷却液入口56和出口58。提供冷却水和回流的歧管与冷却段41以流体方式连通。虽然只显示了一个冷却段，但是在应用中可以配置为具有多个冷却段。前板120和导流片124具有铝铜合金组分。导流片沿纵向边缘126被焊接在前板上。基板被附着到相对的纵向边缘(在其中形成通道122)。在图10的左手边的角落可以看见通道122。注意，冷却液是以蜿蜒形式进行弯曲盘绕流动的，这与图5所示的并排安装的管的装配中流动类似。在实施方案45或47中没有显示歧管，但是它们如图2所示的那样，被周边地定位。 

图11显示了内部炉壁49，炉壁49被具有多个喷嘴125的冷却段43冷却。热交换器具有铝铜前板120、安装了喷嘴125的管50以及底板93。前板120直接暴露在制造钢铁过程中产生的热、废气和炉渣之中。喷嘴50从底板向前板120的后侧喷射冷却液。 

图12是风箱48的剖面图，使用利用喷嘴125的热交换器系统冷却所述风箱。四个铝铜前板120限定了风箱48的内部。在管50上的多个喷嘴125将冷却液的脱模液(pattern spray)导向前板120的背面。底板93是管50的支架和风箱48的外壁。将前板120从多个喷嘴充分移动，使冷却液以交错模式喷射。交错足够覆盖一定区域，这减少了冷却前板所必须的蜿蜒盘绕的数目。在图12所示的实施方案中，只显示了两个各具 有入口56和出口58的管的装配。没有显示的是更多具有喷嘴的管。回顾图11，管子用U型弯头53相连，在风箱48中可以使用类似的连接。如图所示，在图中仅示出了一个具有至少一个入口和出口的冷却段43。 

虽然已经详细地描述了本发明的特别的实施方案，但是可以理解本发明相应的范围并不受到限制，而且包括在所附权利要求的精神和术语之中的所有变化和修改。十分明显，热交换器系统无论是否利用弯曲盘绕管、导流片或喷嘴以及冷却段，其均可以用在极端苛刻的环境中以冷却气体并冷凝多种气化的物质。 

实现本发明目的的小结 

如前所述，十分明显我们发明了由铝铜合金构成的改进的热交换器系统，其中铝铜合金被发现具有高于期望值的导热率、对热气流侵蚀的抵抗性和良好的抗氧化性。此外，我们提供了一种延长了热交换器的使用寿命的热交换器系统，因为当使用铝铜合金制造热交换器及相关组件时，降低了热交换器及相关组件的锈蚀和腐蚀。 

此外提供了一种适于冷却由制造钢铁的炉中排放的废气的热交换器系统，其中所述热交换器系统被安装在炉壁、炉顶、烟圈排气口、排气管的直部分和排气管的弯曲部分上。热交换器系统可以将存在于诸如EAF或BOF的冶金炉中的废气从4,000°F-5,000°F冷却至200°F-350°F。 

本发明提供了收集和冷却炉渣的热交换器系统，其中弯曲盘绕管是具有细长的脊的挤压成型的无缝管，并且所述管可以抵抗锈蚀、腐蚀、压力和热应力。 

还提供了热交换器的其它应用，例如冷却来自变电厂、造纸厂、燃煤和燃气发电厂以及其它废气发生器中的废气，其中冷却所述气体的目的是俘获气体的一种或多种组分，其中通过浓缩、碳床吸附或过滤完成俘获。 

可以理解，上述的说明和具体的实施方案仅仅是为了说明本发明的最佳方式及其原理，并且对于本领域技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对于所述装置做出各种修改和添加。 

Claims (52)

1.一种热交换器系统，所述系统包括：

至少一段弯曲盘绕管，其具有入口和出口；

输入歧管，与所述入口以流体方式连通；

输出歧管，与所述出口以流体方式连通；

流过所述至少一段弯曲盘绕管的冷却液；

在所述至少一段弯曲盘绕管上流动的热气气流；

其中，所述至少一段弯曲盘绕管是一个接一个地将连接的管安装而形成的一段组件；以及

使用连接件将所述连接的管相互固定，从而形成所述至少一段弯曲盘绕管，

其中，所述至少一段弯曲盘绕管被安装在壁的内侧，并与所述壁外侧的所述输出歧管和输入歧管以流体方式连通，以及

其中，所述壁具有曲率，并且为炼钢炉的壁、炉顶、烟圈排气口、排气管的直部分和排气管的弯曲部分。

2.如权利要求1所述的热交换器系统，其中，使用成角度的连接件将所述连接的管相互固定，从而使得所得到至少一段弯曲盘绕管具有与所述壁的曲率相似的曲率。

3.如权利要求2所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述弯曲盘绕管，将多段所述弯曲盘绕管安装在所述排气管的内侧周围，以及从环绕所述排气管外侧的输出歧管向各个所述弯曲盘绕管单独提供冷却液；各个所述弯曲盘绕管将冷却液返回到环绕所述排气管外侧的所述输出歧管。

4.如权利要求2所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述弯曲盘绕管，将多段所述弯曲盘绕管安装在所述炉顶内侧周围，其中从环绕所述炉顶外侧的输出歧管向各个所述弯曲盘绕管单独提供冷却液；并且各个所述的弯曲盘绕管将冷却液返回到环绕所述炉顶外侧的输出歧管。

5.如权利要求2所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管，将多段所述的弯曲盘绕管安装在所述炉壁内侧周围，其中从环绕所述炉壁外侧的输出歧管向各个所述弯曲盘绕管单独提供冷却液；并且各个所述弯曲盘绕管将冷却液单独返回到环绕所述炉壁外侧的输出歧管。

6.如权利要求2所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管，将多段所述的弯曲盘绕管安装在所述烟圈排气口内侧周围，从环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管向各个所述弯曲盘绕管单独提供冷却液；并且各段所述弯曲盘绕管将冷却液返回到环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管。

7.如权利要求3所述的热交换器系统，其中，所述连接的管纵向安装在所述排气管中。

8.如权利要求1所述的热交换器系统，其中，足够多的排气管串在一起，从而使得所述排气管和所述烟圈排气口中的全部弯曲盘绕管将所述炉排出的热气流温度从4,000°F-5,000°F降到200°F-350°F。

9.如权利要求1所述的热交换器系统，其中所述连接的管具有键槽。

10.如权利要求1所述的热交换器系统，其中所述连接的管具有细长的脊以增加表面面积、收集炉渣并降低应力的增加。

11.如权利要求1所述的热交换器系统，其中流经所述至少一段弯曲盘绕管的冷却液是水。

12.如权利要求1所述的热交换器系统，其中所述至少一段弯曲盘绕管是由铝铜合金制成。

13.如权利要求12所述的热交换器系统，其中所述合金含有至少为89％并至多为95％的铜。

14.如权利要求12所述的热交换器系统，其中所述铝铜合金包含Cu、Al、Sn和Fe。

15.如权利要求8所述的热交换器系统，

其中，所述排气管具有限定尺寸的椭圆形状；

与圆形导管相比，所述排气管的椭圆形状和尺寸增加了表面面积；以及

其中，所述排气管具有冷却能力。

16.如权利要求8所述的热交换器系统，其中所述弯曲盘绕管由铝铜合金构成。

17.如权利要求1所述的热交换器系统，其中，所述至少一段弯曲盘绕管被固定到底板上，以及

所述连接的管固定到所述底板。

18.如权利要求17所述的热交换器系统，其中，所述底板是弯曲的，使用成角度的连接件将所述连接的管相互固定，从而使所得到的弯曲盘绕管具有与所述壁的曲率相似的曲率。

19.如权利要求18所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管，将多段所述的弯曲盘绕管安装在所述排气管的内侧周围，以及从环绕所述排气管外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕管单独提供冷却液；各段所述的弯曲盘绕管将冷却液返回到环绕所述排气管外侧的所述输出歧管。

20.如权利要求18所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管，将多段所述的弯曲盘绕管安装在所述炉顶内侧周围，其中从位于所述炉顶外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕管单独提供冷却液；并且各段所述的弯曲盘绕管将冷却液返回到位于所述炉顶外侧的输出歧管。

21.如权利要求18所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管，将多段所述的弯曲盘绕管安装在所述炉壁内侧周围，其中从环绕所述炉壁外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕管单独提供冷却液；并且各段所述的弯曲盘绕管将冷却液单独返回到环绕所述炉壁外侧的输出歧管。

22.如权利要求18所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管，将多段所述的弯曲盘绕管安装在所述烟圈排气口内侧周围，从环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕管单独提供冷却液；并且各段所述的弯曲盘绕管将冷却液返回到环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管。

23.如权利要求19所述的热交换器系统，其中，所述连接的管纵向安装在所述排气管中。

24.如权利要求17所述的热交换器系统，其中，足够多的排气管串在一起，从而使得所述排气管和所述烟圈排气口中的全部弯曲盘绕管将所述炉排出的热气流温度从4,000°F-5,000°F降到200°F-350°F。

25.如权利要求17所述的热交换器系统，其中所述连接的管具有键槽。

26.如权利要求25所述的热交换器系统，其中所述键槽管具有细长的脊以增加表面面积、收集炉渣并降低应力的增加。

27.如权利要求17所述的热交换器系统，其中流经所述至少一段弯曲盘绕管的冷却液是水。

28.如权利要求17所述的热交换器系统，其中所述弯曲盘绕管是由铝铜合金制成。

29.如权利要求28所述的热交换器系统，其中所述合金含有至少为89％并至多为95％的铜。

30.如权利要求28所述的热交换器系统，其中所述铝铜合金包含Cu、Al、Sn和Fe。

31.如权利要求23所述的热交换器系统，其中，所述排气管具有限定尺寸的椭圆形状；

与圆形导管相比，所述排气管的椭圆形状和尺寸能够获得增加的表面面积，以及

其中，所述排气管具有冷却能力。

32.如权利要求23所述的热交换器系统，其中所述弯曲盘绕管由铝铜合金构成。

33.如权利要求28所述的热交换器系统，其中由所述铝铜合金制成的管通过对所述弯曲盘绕管挤压成型而形成。

34.一种热交换器系统，所述系统包括：

至少一段弯曲盘绕通道，其夹在前板和底板之间，并具有入口和出口；

输入歧管，其与所述入口以流体方式连通的；

输出歧管，其与所述出口以流体方式连通；

流经所述至少一段弯曲盘绕通道的冷却液；

在所述前板上流通的热气气流；以及

其中，所述弯曲盘绕通道是安装在所述前板与底板之间的、用于输送所述冷却液的导流片的组件，

其中，所述导流片的组件被制造成使导流片的纵向边缘垂直地、与相邻导流片等距地安装到所述前板的后侧，并且使用所述底板覆盖所述导流片的纵向边缘，这样所得的通道与制造的管相仿，

其中，所述弯曲盘绕通道被安装在壁的内侧，并与所述壁外侧的所述输出和输入歧管以流体方式连通，以及

其中，所述壁具有曲率，并且为钢炉的壁、炉顶、烟圈排气口、排气管的直部分和排气管的弯曲部分。

35.如权利要求34所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管通道，将多段所述的弯曲盘绕通道安装在所述排气管内侧周围，从环绕所述排气管外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕通道单独提供冷却液；并且各段所述的弯曲盘绕通道将冷却液返回到环绕所述排气管外侧的输出歧管。

36.如权利要求34所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管通道，将多段所述的弯曲盘绕通道安装在所述炉顶内侧周围，其中位于所述炉顶外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕通道单独提供冷却液；并且各段所述的弯曲盘绕通道将冷却液返回到位于所述炉顶外侧的输出歧管。

37.如权利要求34所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管通道，将多段所述弯曲盘绕通道安装在所述炉壁内侧周围，其中从环绕所述炉壁外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕通道单独提供冷却液；并且各段所述的弯曲盘绕通道将冷

却液单独返回到环绕所述炉壁外侧的输出歧管。

38.如权利要求34所述的热交换器系统，其中，所述热交换器系统包括多段所述的弯曲盘绕管通道，将多段所述的弯曲盘绕通道安装在所述烟圈排气口内侧周围，其中从环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管向各段所述的弯曲盘绕通道单独提供冷却液；并且各段所述的弯曲盘绕通道将冷却液返回到环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管。

39.如权利要求34所述的热交换器系统，其中，有足够数量的串在一起的排气管，从而使得在所述排气管和烟圈排气口中的全部弯曲盘绕通道将所述炉排出的热气流温度从4,000°F-5,000°F降到200°F-350°F。

40.如权利要求34所述的热交换器系统，其中所述前板是由铝铜合金制成的。

41.如权利要求40所述的热交换器系统，其中所述导流片的组件是由铝铜合金制成的。

42.如权利要求41所述的热交换器系统，其中所述合金含有至少89％的并至多95％的铜。

43.如权利要求41所述的热交换器系统，其中所述铝铜合金包含Cu、Al、Sn和Fe。

44.一种热交换器系统，所述系统包括：

具有多个喷嘴的至少一段管，所述管安装在偏移于前板的底板上，其中所述一段管具有入口和出口；

输入歧管，与所述入口以流体方式连通；

输出歧管，与所述出口以流体方式连通；

流过所述至少一段管并由所述喷嘴喷射的冷却液；

流经所述前板的热气气流；

其中，所述喷嘴将所述冷却液导向并分散在所述前板的后侧，借此将热从所述前板传递到所述冷却液；以及

所述前板由铝铜合金制成，

其中，所述至少一段管被安装在壁的内侧，并与所述壁外侧的输出和输入歧管以流体方式连通，

其中，所述壁具有曲率，并且为炼钢炉的壁、炉顶、烟圈排气口、排气管的直部分和排气管的弯曲部分。

45.如权利要求44所述的热交换器系统，其中，所述至少一段管安装在所述排气管内侧周围，其中从环绕所述排气管外侧的输出歧管向所述至少一段管单独提供冷却液；并且所述至少一段管将冷却液返回到环绕所述排气管外侧的输出歧管。

46.如权利要求44所述的热交换器系统，其中，所述出口在所述至少一段管的底部附近，从而使得排水装置总是朝向底部以便防止冷却液的累积阻塞所述的多个喷嘴。

47.如权利要求44所述的热交换器系统，其中，所述至少一段管安装在所述炉顶内侧周围，其中从所述炉顶外侧的输出歧管向所述至少一段管单独提供冷却液；并且所述至少一段管将冷却液返回到所述炉顶外侧的输出歧管。

48.如权利要求44所述的热交换器系统，其中，所述至少一段管安装在所述炉壁内侧周围，其中从环绕所述炉壁外侧的输出歧管向所述至少一段管单独提供冷却液；并且所述至少一段管将冷却液单独返回到环绕所述炉壁外侧的输出歧管。

49.如权利要求44所述的热交换器系统，其中，所述至少一段管安装在所述烟圈排气口内侧周围，其中从环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管向所述至少一段管单独提供冷却液；并且所述至少一段管将冷却液返回到环绕所述烟圈排气口外侧的输出歧管。

50.如权利要求44所述的热交换器系统，其中，有足够数量的串在一起的排气管，从而使得所述排气管和烟圈排气口中的全部管段将所述炉排出的热气流温度从4,000°F-5,000°F降到200°F-350°F。

51.如权利要求44所述的热交换器系统，其中所述铝铜合金包含Cu、Al、Sn和Fe。

52.如权利要求44所述的热交换器系统，其中所述铝铜合金是挤压成型的。

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