DE69920973T2

DE69920973T2 - Pyrometallurgisches reaktorkühlelement und dessen herstellung

Info

Publication number: DE69920973T2
Application number: DE69920973T
Authority: DE
Inventors: Eero Hugg; Ilkka Kojo; Pertti MÄKINEN; Raimo Koota
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: AU1781900A; RS49695B; EA005547B1; ZA200104859B; WO2000037871A1; AU767941B2; BR9916470A; DE69920973D1; MXPA01006478A; KR20010092750A; CA2356118A1; EP1153255B1; AR021960A1; JP2002533650A; PT1153255E; PE20001106A1; YU44701A; FI108752B; KR100690224B1; CA2356118C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements mit Strömungskanälen für pyrometallurgische Reaktoren. Um die Wärmeübertragungseigenschaft des Elements zu erhöhen, ist der im Querschnitt herkömmlicherweise runde Oberflächenbereich der Strömungskanal-Wand vergrößert, ohne den Durchmesser oder die Länge des Strömungskanals zu erhöhen. Die Erfindung betrifft ferner das durch dieses Verfahren hergestellte Element.
Das hitzefeste Material von Reaktoren bei pyrometallurgischen Verfahren wird durch wassergekühlte Kühlelemente geschützt, so dass die auf die Hitzefläche kommende Wärme als Ergebnis der Kühlung über das Kühlelement an das Wasser übertragen wird, wodurch der Verschleiß der Auskleidung im Vergleich zu einem ungekühlten Reaktor beträchtlich reduziert ist. Der reduzierte Verschleiß ist ein Ergebnis der Kühlwirkung, der zur Bildung einer sogenannten autogenen Auskleidung führt, die an der Oberfläche eines wärmebeständigen Belags fixiert ist und die aus Schlacke und anderen aus den geschmolzenen Phasen abgeschiedenen Substanzen gebildet ist.
Kühlelemente werden herkömmlicherweise auf zwei Arten hergestellt: Die Elemente können einerseits durch Sandguss hergestellt sein, bei dem aus einem thermisch hochleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, gefertigte Kühlleitungen in eine aus Sand geformte Gussform gesetzt werden, die während dem um die Leitungen erfolgenden Gussvorgang mit Luft oder Wasser gekühlt werden. Das um die Leitungen gegossene Element ist ebenso aus hochleitendem thermischen Material, vorzugsweise Kupfer. Diese Art des Herstellungsverfahrens ist beispielsweise in dem GB-Patent Nr. 1 386 645 beschrieben. Ein Problem bei diesem Verfahren ist die ungleichmäßige Kontaktierung der als Kühlkanal dienenden Leitung zum umgebenden Gussmaterial. Einige der Leitungen können vollständig frei von dem darum gegossenen Material bleiben, wobei ein Teil der Leitung vollständig aufgeschmolzen und mit dem Element eine Schmelzverbindung eingehen kann. Wenn zwischen der Kühlleitung und dem Rest des Gusselements darum herum keine metallische Verbindung gebildet wird, ist der Wärmeübertrag nicht ausreichend. Wenn andererseits die Kühlleitung vollständig schmilzt, wird das die Strömung von Kühlwasser verhindern. Die Gusseigenschaften des Gussmaterials können verbessert sein, indem beispielsweise Phosphor zu dem Kupfer gemischt wird, um die metallische Verbindung zwischen der Leitung und dem Gussmaterial zu verbessern, wobei in diesem Fall aber die Wärmeübertragungseigenschaften (Wärmeleitfähigkeit) des Kupfers bereits durch eine geringfügige Zugabe beträchtlich verschlechtert sind. Ein Vorteil, der es Wert ist, hinsichtlich dieses Verfahrens genannt zu werden, sind die vergleichsweise geringen Herstellungskosten und die Unabhängigkeit der Abmessungen.
Ein anderes Herstellungsverfahren wird verwendet, bei dem eine Glasverrohrung in der Form eines Kanals in die Gussform des Kühlelements eingesetzt wird, die nach dem Guss um einen Kanal gebrochen wird, um innerhalb des Elements einen Kanal zu bilden.
In dem US-Patent 4,382,585 ist ein anderes vielfach verwendetes Verfahren zur Herstellung von Kühlelementen beschrieben, demgemäß das Element beispielsweise aus einer gewalzten oder geschmiedeten Kupferplatte hergestellt wird, wobei die notwendigen Kanäle darin eingefräst sind. Der Vorteil eines auf diese Weise hergestellten Elements ist seine Dichte, starke Struktur und sein guter Wärmeübertrag von dem Element auf ein Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser. Seine Nachteile liegen in den dimensionalen Begrenzungen (Größe) und den hohen Kosten.
Die Fähigkeit eines Kühlelements Wärme aufzunehmen, kann mit Hilfe der folgenden Gleichung dargestellt werden: Q = a × A × ΔT, wobeiQ = Betrag der übertragenen Wärme [W]
a = Wärmeübertragungs-Koeffizient zwischen der Strömungskanal-Wand und dem Wasser [W/Km²]
A = Wärmeübertragungsfläche [m²]
ΔT = Temperaturdifferenz zwischen der Strömungskanal-Wandung und dem Wasser [K]
Der Wärmeübertragungs-Koeffizient kann theoretisch aus der Formel bestimmt werden: Nu = aD/λλ = thermische Leitfähigkeit von Wasser [W/mK]
D = hydraulischer Durchmesser [m] Oder Nu = 0.023 × Re^0.8Pr^0.4,wobei Re = wDρ/ηw = Geschwindigkeit [m/s]
D = hydraulischer Durchmesser des Kanals [m]
ρ = Dichte von Wasser [kg/m³]
η = dynamische Viskosität
Pr = Prandtl-Zahl []
Gemäß obiger Darstellung ist es möglich, die Menge an in einem Kühlelement übertragener Wärme durch Einwirkung auf die Temperaturdifferenz, den Wärmeübertragungs-Koeffizient oder die Wärmeübertragungs-Fläche zu beeinflussen.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Wand und der Rohrleitung ist durch die Tatsache begrenzt, dass Wasser bei 100°C siedet, wenn die Wärmeübertragungs-Eigenschaften bei Normaldruck aufgrund des Siedens außerordentlich schlecht werden. In der Praxis ist es vorteilhafter, bei der möglichst geringsten Temperatur der Strömungskanal-Wandung zu arbeiten.
Der Wärmeübertragungs-Koeffizient kann großteils durch die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit, d. h. durch Einwirkung auf die Reynolds-Zahl, beeinflusst werden. Dies ist jedoch durch den erhöhten Druckverlust in der Rohrleitung mit Ansteigen der Strömungsrate begrenzt, was die Kosten eines Durchpumpens des Kühlwassers und die Investitionskosten der Pumpe erhöht, die nach dem Übersteigen eines bestimmten Schwellenwertes beträchtlich ansteigen.
Bei einer herkömmlichen Lösung kann die Wärmeübertragungs-Fläche entweder durch Erhöhen des Durchmessers des Kühlkanals und/oder durch dessen Länge beeinflusst werden. Der Kühlkanal-Durchmesser kann innerhalb eines noch wirtschaftlich vernünftigen Rahmens nicht unbeschränkt erhöht werden, da eine Erhöhung im Kanaldurchmesser die Menge an Wasser erhöht, die erforderlich ist, um eine bestimmte Strömungsrate und überdies die Energieleistung zum Pumpen zu erhalten. Auf der anderen Seite ist der Kanaldurchmesser durch die bauliche Größe des Kühlelements begrenzt, das aus Gründen einer Minimierung von Investitionskosten vorzugsweise so klein und leicht wie möglich zu fertigen ist. Eine andere Begrenzung bezüglich der Länge ist die bauliche Größe des Kühlelements selbst, d. h. die Quantität des Kühlkanals, der in einen gegebenen Bereich passt.
Die vorliegende Erfindung, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements für einen pyrometallurgischen Reaktor aus einem thermisch hochleitfähigen Metall, wie beispielsweise Kupfer, indem die Fähigkeit einer Wärmeübertragung des Kühlelements durch eine Erhöhung des Wärmeübertragungs-Oberflächenbereichs beträchtlich erhöht ist, womit es wirtschaftlich möglich ist, ein dünneres Kühlelement herzustellen. Dies wird erreicht, indem der Oberflächenbereich der Wand des Kühlkanals vergrößert wird, ohne den Durchmesser des Kühlkanals zu erhöhen oder den Kanal in seiner Länge zu vergrößern. Die Oberfläche des Kühlkanals in dem Kühlelement, der im Wesentlichen im Querschnitt rund ist, wird vergrößert, indem mittels eines nachfolgenden maschinellen Verfahrens Rillen oder Gewindefugen auf der Innenfläche des Kanals gebildet werden. Im Ergebnis wird eine geringere Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und der Kühlkanal-Wand bei derselben Wärmemenge, und überdies eine geringere Temperatur des Kühlelements erforderlich. Die Erfindung betrifft ferner das durch dieses Verfahren hergestellte Kühlelement. Die wesentlichen Merkmale gehen aus den beigefügten Patentansprüchen hervor.
Bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Kühlelement ist der Oberflächenbereich für den Wärmeübertrag vergrößert, sodass, obwohl das Kühlelement im Wesentlichen im Querschnitt rund ist, dessen Wand nicht glatt ist, sondern durch eine sehr geringfügige Veränderung der Kontur der Wand ein größerer Flächenbereich für den Wärmeübertrag mit demselben Querschnitts-Bereich verglichen mit einer Einheitslänge des Kühlkanals erreicht werden kann (dieselbe Rate kann mit derselben Wassermenge erreicht werden). Diese Vergrößerung im Oberflächenbereich kann auf folgende Weisen erfolgen:

– In ein durch Bearbeitung, wie beispielsweise durch Walzen oder Schmieden hergestelltes Kühlelement, in das mindestens ein Strömungskanal mit rundem Querschnitt, beispielsweise durch Bohren eingearbeitet ist, wird nachfolgend auf der Innenfläche des Strömungskanals ein Gewinde eingeschnitten. Der Querschnitt des Kanals bleibt im Wesentlichen rund.
– In ein durch Bearbeitung hergestelltes Kühlelement, in das zumindest ein Strömungskanal mit rundem Querschnitt eingearbeitet ist, werden nachfolgend riefenförmige Rillen auf der Innenfläche des Strömungskanals eingearbeitet. Der Querschnitt des Kanals bleibt im Wesentlichen rund.

Riefenförmige Rillen können vorteilhafterweise erhalten werden, indem ein sogenannter Aufspanndorn (expanding mandrel) verwendet wird, der durch den Strömungskanal gezogen wird. Die Einarbeitung der Rillen kann beispielsweise an einem Loch nahe eines Endes erfolgen, in welchem Fall der Aufspanndorn nach außen gezogen wird. Ein Loch kann in einen Kanal gemacht werden, der an beiden Enden offen ist, indem ein zweckdienliches Werkzeug durch den Kanal gezogen oder geschoben wird.
Bei all den oben beschriebenen Verfahren ist offensichtlich, dass im Falle von in dem Strömungskanal vorliegenden Kanalteilen, die quer zur Gießrichtung liegen, diese Teile durch eine mechanische Bearbeitung, z. B. durch Bohren, gefertigt sind, wobei die nicht zu dem Kanal gehörenden Öffnungen mit Stopfen verschlossen werden.
Der Nutzen des in dieser Erfindung beschriebenen Verfahrens wurde mit einem Verfahren im Stand der Technik anhand des folgenden Beispiels verglichen. Bezüglich des Beispiels werden einige Diagramme dargestellt, die die Erfindung darstellen, wobei
1 eine Prinzipzeichnung des in den Tests verwendeten Kühlelements ist,
2 ein Querschnittsprofil des getesteten Kühlelements zeigt,
3a–3d die Temperatur innerhalb des Elements bei verschiedenen Messpunkten als Funktion der Schmelztemperatur aufzeigen,
4 den Wärmeübertragungs-Koeffizient darstellt, der aus den Messungen als eine Funktion der Schmelze berechnet wurde, und
5 die Temperaturdifferenzen des Kühlwassers und der Kanal-Wand bei verschiedenen Kühlniveaus von normalisierten Kühlelement darstellt.
Beispiel
Die auf die vorliegende Erfindung bezogenen Kühlelemente wurden in praktischen Tests getestet, wobei die Grundoberfläche dieser Elemente A, B, C und D in 1 cm tiefes, geschmolzenes Blei eingetaucht wurden. Das Kühlelement A hatte einen herkömmlichen Kanal mit glatter Oberfläche, wobei dieses Element für Vergleichsmessungen verwendet wurde. Die Menge an Kühlwasser und die Temperaturen sowohl vor dem Zuführen des Wassers in das Kühlelement als auch danach wurden in den Tests sorgfältig gemessen. Die Temperatur des geschmolzenen Bleis und die Temperaturen innerhalb des Kühlelements selbst wurden ebenso sorgfältig bei sieben verschiedenen Messpunkten gemessen.
1 zeigt das Kühlelement 1 mit dem Strömungskanal 2 darin, wie es in den Tests verwendet wurde. Die Abmessungen des Kühlelements waren wie folgt: Höhe 300 mm, Breite 400 mm und Dicke 75 mm. Das Kühlrohr oder der Strömungskanal wurde innerhalb des Elementes wie in 1 angeordnet, so dass das Zentrum des horizontalen Teils des Rohres in der Figur 87 mm vom Boden des Elements und jedes vertikale Teilstück 50 mm vom Rand der Platte entfernt lag. Der horizontale Teil des Rohres wurde mittels Bohrens gefertigt, wobei ein Ende der horizontalen Öffnung verschlossen wurde (im Detail nicht gezeigt). 1 zeigt ferner die Platzierung der Temperaturmesspunkte T1–T7. 2 zeigt die Flächenform des Kühlkanals und Tabelle 1 enthält die Abmessungen der Test-Kühlelement-Kanäle und die berechneten Wärmeübertragungs-Flächen pro Meter, wie auch die relativen Wärmeübertragungs-Flächen.
Tabelle 1
3a–3d demonstrieren, dass die Temperaturen der Kühlelemente B, C und D bei allen Kühlwasserströmungsraten geringer waren bezüglich der Referenzsmessungen bei dem Kühlelement A. Da jedoch die Strömungsquerschnitte der Teststücke aus technischen Herstellungsgründen mit verschiedenen Abmessungen gefertigt wurden, kann die Wirkung der Wärmeübertragung aus den Ergebnissen in den 3a–3d nicht direkt miteinander verglichen werden. Daher wurden die Testergebnisse wie folgt normalisiert: Ein stationärer Wärmeübertrag zwischen zwei Punkten kann dargestellt werden als: Q = S × λ × (T1 – T2), wobeiQ = die Menge des Wärmeübertrags zwischen den Punkten ist [W]
S = Formfaktor (abhängig von der Geometrie) [m]
λ = thermische Leitfähigkeit des Mediums [W/mK]
T₁ = Temperatur am Punkt 1 [K]
T₂ = Temperatur am Punkt 2 [K]
Die Anwendung der obigen Gleichung auf die Testergebnisse lieferte folgende Quantitäten:
Q = gemessene thermische Arbeit, die auf das Kühlwasser übertragen wurde
λ = die thermische Leitfähigkeit von Kupfer [W/mK]
T₁ = Temperatur am Boden des Elements, wie berechnet aus den Tests [K]
T₂ = Temperatur der Wasserkanal-Wandung, wie berechnet aus den Tests [K]
S = Formfaktor für einen endlichen Zylinder, der in einem einseitig-unendlichen Element (Länge L, Durchmesser D) eingebettet ist, wobei der Formfaktor gemäß der Gleichung bestimmt werden kann S = 2πL/ln(4z/D), mit Z > 1.5D,
z = Eintauchtiefe gemessen von der Mittellinie des Zylinders [m].
Die auf obige Weise bestimmten Wärmeübertragungs-Koeffizienten sind in 4 dargestellt. Gemäß einer Mehrfachanalyse wurde eine sehr gute Korrelation zwischen dem Wärmeübertragungs-Koeffizient und der Wasserströmungsrate wie auch der an das Wasser übertragenen Wärmemenge erhalten. Die Wärmeübertragungs-Koeffizienten der Regressionsgleichung für jedes Kühlelement sind in Tabelle 2 dargestellt. Folglich ist: a[W/m2K] = c + a × v[m/s] + b × Q[kW].
Tabelle 2
Um die Ergebnisse vergleichbar zu machen, wurden die Querschnitts-Flächen der Strömungskanäle normalisiert, so dass die Menge an Strömungswasser derselben Strömungsrate entspricht. Die Dimensionen des Strömungskanals und die Wärmeüber tragungs-Flächen, die gemäß der Strömungsmenge und -rate normalisiert wurden, sind in Tabelle 3 dargestellt. Unter Verwendung der Abmessungen, wie sie in Tabelle 3 für die Fälle A', B', C' und D' verwendet wurden, sowie der gemäß obiger Ausführung bestimmten Wärmeübertragungs-Koeffizienten wurde die Temperaturdifferenz von Wand und Wasser für normalisierte Fälle hinsichtlich der Strömungsmenge als eine Funktion der Wasserströmungsrate für 5, 10, 20 und 30 kW Wärmemengen mit der Gleichung ΔT = Q/(a × A)berechnet.
Tabelle 3
Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. Die Figur zeigt, dass all die gemäß der Erfindung hergestellten Kühlelemente eine bestimmte Wärmeübertragungs-Menge mit einer geringeren Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und der Kühlkanal-Wandung erreichen, was die wirksame Arbeitsweise des Verfahrens veranschaulicht. Beispielsweise ist bei einer Kühlleistung von 30 kW und einer Wasserströmungsrate von 3 m/s die Temperaturdifferenz zwischen der Wand und dem Wasser in verschiedenen Fällen:
Tabelle 4
Bei einem Vergleich dieser Ergebnisse mit den Wärmeübertragungsflächen, ist zu ersehen, dass die zum Übertragen derselben Menge an Wärme erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Wand und dem Wasser umgekehrt proportional zur relativen Wärmeübertragungs-Fläche ist. Das bedeutet, dass die Veränderungen im Oberflächen-Bereich gemäß der Erfindungsbeschreibung die Leistung des Wärmeübertrags beträchtlich beeinflussen kann.

Claims

Verfahren zum Erhöhen der Wärmeübertragungs-Fähigkeit einer Kühlungs-Metallplatte eines pyrometallurgischen Reaktors aus geschmiedetem Kupfer, das thermisch hochleitfähig ist, wobei Kühlwasser durch mindestens einen Kühlwasser-Strömungskanal geführt wird, der durch maschinelle Bearbeitung der Metallplatte gebildet ist und im Wesentlichen einen runden Querschnitt hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandflächenbereich des Strömungskanals innerhalb der Kühlungs-Metallplatte durch rillenförmige Vertiefungen oder Gewindefugen auf der Innenfläche des Kanals erhöht ist.
Pyrometallurgisches Reaktorkühlelement, das aus einer thermisch hochleitfähigen geschmiedeten Kupferplatte gefertigt ist und mindestens einen Kühlwasser-Strömungskanal hat, wobei der Kühlkanal durch maschinelle Bearbeitung des Kühlelements gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenbereich des Kanals, der im Wesentlichen im Querschnitt rund ist, durch Gewindeeinschnitte oder riefenförmige Rillen vergrößert ist.
Kühlelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die riefenförmigen Rillen mittels eines Aufspanndorns (expanding mandrell) gebildet sind.