FI121286B - Metallurgisen uunin jäähdytyselementti ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

METALLURGISEN UUNIN JÄÄHDYTYSELEMENTTI JA MENETELMÄ SEN VALMISTAMISEKSI

Tämä keksintö kohdistuu metallurgisessa uunissa käytettävään 5 jäähdytyselementtiin ja menetelmään sen valmistamiseksi. Tarkemmin keksinnön kohteena on teräspinnoitteinen kuparirunkoinen jäähdytyselementti, jonka kuparirunkoon on järjestetty jäähdytyskanavat tai -kanavisto.

Jäähdytyselementtejä käytetään yleisesti metallurgisissa uunissa uunin 10 rakenteen suojaamiseksi ja käyttöjakson pidentämiseksi. Tyypillisiä käyttökohteita ovat kuparin valmistuksessa käytettävät uunit, kuten liekkisulatusuuni, sähköuuni, anodiuuni, kuumanapitouuni, sulakylpyreaktorit ja konvertterit. Keksinnön soveltamisalan mukaisia uuneja tai reaktoreita käytetään myös nikkelin ja platinametallien valmistuksessa. Sähköuuneja 15 käytetään myös teräksen valmistuksessa. Keksinnön mukaisen jäähdytyselementin käyttökohteita ovat myös eri metallien valmistuksessa syntyvän kuonan puhdistusuunit, jotka ovat tavallisesti sähköuuneja sekä hiili-injektiolla lämmitetyt uunit ns. fuming-uunit.

20 Metallurgisissa uuneissa käytettäviin jäähdytyselementteihin on olosuhteiden asettamien vaatimusten mukaan kehitetty kestävyyttä parantavia erikoispiirteitä ja menetelmiä niiden toteuttamiseksi. Tunnettua tekniikkaa on, että kuparisen jäähdytyselementin pintaan kiinnitetään sitä suojaavia kerroksia, tyypillisesti keraamisia aineita, kuten magnesiittitiiliä, grafiittia ja piikarbidia tai suojaavia 25 rakenteita kuten teräspaneeleja.

Patenttijulkaisussa EP 1525425 kuvataan kuparisen jäähdytyselementin pintaan järjestetty tulenkestävä vuoraus, joka koostuu tulenkestävistä kappaleista, jotka kiinnittyvät kuparirunkoon lohenpyrstörakenteensa avulla. 30 Suojarakenteen avulla kuparielementti suojataan kuumuutta ja kemiallisia vaikutuksia vastaan. Jäähdytyselementin jäähdytysvesikanavat on myös esitetty. Tässä elementtityypissä suojapaneelit kiinnittyvät suoraan elementin 2 kuparirungon uriin ja kuparirunko jää alttiiksi uuniatmosfäärin haitallisille vaikutuksille. Tämä on joissakin sovelluksissa käyttöikää ratkaisevasti lyhentävä tekijä.

5 Patenttijulkaisusta US 6911176 tunnetaan jäähdytyselementin rakenne, jossa suojakappaleet ovat uunin olosuhteita kestävää teräslaatua ja kiinnittyvät kuparirungossa oleviin uriin.

Patenttijulkaisussa US 6641777 kuvataan jäähdytyselementti ja sen 10 valmistusmenetelmä, jossa kemiallisia olosuhteita vastaan oleva elementin pinta on keraamista ainetta, ja jossa keraamiset palat on sijoitettu teräsritilän aukkoihin palojen kiinnittymisen hallitsemiseksi päälle valettavaan kupariin. Elementin jäähdytyskanavat tehdään työstämällä.

15 Patenttijulkaisu EP 1163065 kuvaa jäähdytyselementin valun muottiin, jonka pohjalle on sijoitettu grafiittisia kappaleita kuparisen jäähdytyselementin pinnan muotoilemiseksi halutulla tavalla. Elementin jäähdytyskanavat muodostuvat kuparinikkeliputkista, jotka jäävät kuparielementin rungon sisään valun jälkeen.

20 Tunnettujen jäähdytyselementtien valmistuksessa vaikeutena on saada aikaan hyvä kontakti tulenkestävän vuorauksen ja jäähdytyselementin välille. Tulenkestävän vuorauksen suojaava vaikutus on suuresti riippuvainen asennuksen onnistumisesta, ja useimmiten elementin jäähdyttäviä ominaisuuksia ei pystykään käyttämään täysin hyväksi. Myös on osoittautunut, 25 että lohenpyrstöllä kuparirunkoon muotolukittuvat keraamiset kulutuskappaleet eivät riittävän hyvin kestä lämpöjännitystä, joka syntyy lohenpyrstön kapeimpaan paikkaan, vaan liiaksi esiintyy taipumusta lohkeamiseen tältä kohdalta, jolloin pinnoitteeseen muodostuu käytön aikana aukkoja irronneiden pinnoituspalojen kohdalle. On myös osoittautunut, että joissakin olosuhteissa 30 uunissa kaasumaisena siirtyviä komponentteja vastaan kupari ei ole riittävän kestävää. Paloina tai palkkeina asennettu pinnoite ei estä riittävässä määrin 3 kaasumaisten komponenttien siirtymistä jäähdytetylle kuparipinnalle, jolloin kulutuspinnan takana tapahtuu korroosiota.

Toisaalta yllä mainituista julkaisuista käy myös ilmi jäähdytysvesikanavien 5 muodostamisen vaikeudet: puhtaasta kuparista tehty valuun jäävä putki on valmistuksessa liian vaikea saada kiinnittymään matriisiin niin tiiviisti, että lämmönsiirto olisi riittävän hyvä. Tätä ongelmaa on yritetty ratkaista käyttämällä nikkelikuparia, jonka korkeampi sulamispiste auttaa metallurgisen liitoksen muodostumista. Jatkuvavalettujen aihioiden kanaviin on tehtävä tulppaukset, 10 jotka myös ovat vaikeita toteuttaa, ja hyvin tehtyinä kalliita.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan mukaisia ongelmia ja saada aikaan uudenlainen jäähdytyselementti ja menetelmä sen valmistamiseksi.

15

Keksintö on menetelmä metallurgisen uunin tai reaktorin rakenteessa käytettävän jäähdytyselementin valmistamiseksi, jossa jäähdytyselementin runko valetaan valumuottiin kuparista, johon runkoon muodostetaan jäähdytysväliainekanavisto, ja jonka rungon pintaan järjestetään olosuhteita 20 kestävästä teräslaadusta kulutuspinta. Kulutuspinta valmistetaan kuparin pinnalle kaasutiiviisti, jotta uunin kaasut eivät pääse kontaktiin kuparin pinnan kanssa. Jäähdytyskanavisto voidaan muodostaa valun aikana valumuottiin asennettujen sauvojen avulla, jotka sauvat poistetaan valun jälkeen. Teräksinen kulutuspinta sovitetaan valumuottiin ennen valua, jolloin kulutuspinta kiinnittyy 25 kupariin valun yhteydessä ja kupari jähmettyessä. Teräksisen kulutuspinnan kiinnittymistä kuparirunkoon tehostaa edullisesti teräkseen järjestetyt tartunnat, jotka ulottuvat kulutuspinnasta valetun kuparin sisään

Keksintö on myös metallien valmistuksessa käytettävän uunin tai metallurgisen 30 reaktorin rakenteessa käytettävä jäähdytyselementti, joka jäähdytyselementti käsittää valetun kuparirungon, johon on järjestetty kanavisto jäähdytysväliainekiertoa varten ja vuorauksen uunin tai reaktorin olosuhteita 4 kestävästä teräslaadusta. Kulutuspinta on jäähdytyselementin uunin puoleisella pinnalla kaasutiiviissä kontaktissa kuparin pinnan kanssa. Jäähdytyskanavisto voidaan muodostaa valun aikana valumuottiin asennettujen sauvojen tai tankojen avulla, jotka on poistettu valun jälkeen. Teräksinen kulutuspinta 5 sovitetaan valumuottiin, jolloin kulutuspinta kiinnitetään kaasutiiviisti kupariin valun yhteydessä.

Keksinnön mukaisesti valmistettu teräspinnoite ulottuu edullisesti koko jäähdytyselementin uunipuoleisen pinnan alueelle.

10

Kuvio 1 esittää valumuotin ja jäähdytyselementin poikkileikkausta keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisessa valmistusmenetelmässä.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisesti valmistetun jäähdytyselementin poikkileikkausta.

15 Kuvio 3a, 3b ja 3c esittää keksinnön toisen suoritusmuodon mukaista valmistusmenetelmää. Kuviossa 3a nähdään jäähdytyselementin poikkileikkaus. Kuviossa 3b nähdään kuvion 3a mukaisen jäähdytyselementin poikkileikkaus sivulta ja kuviossa 3c ylhäältä.

Kuvio 4 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista jäähdytyselementin 20 valmistusta, jossa kuviossa nähdään valumuotin ja jäähdytyselementin poikkileikkaus.

Kuviossa 5 on keksinnön erään suoritusmuodon mukainen jäähdytyselementti. Kuvio 6 esittää keksinnön mukaisen jäähdytyselementin valmistusta.

Kuvio 7 esittää keksinnön mukaisesti peräkkäin asennettuja 25 jäähdytyselementtejä.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen jäähdytyselementin valmistusmenetelmää, jossa kuparinen jäähdytyselementti 1 valetaan valumuottiin 2 asetetun uuniolosuhteet kestävästä teräksestä tehdyn pinnoitteen eli kulutuspinnan 3 30 päälle. Teräspinnoite 3 voidaan muodostaa usealla tavalla. Se voidaan muodostaa kuvion 1 mukaisesti hitsaamalla toisiinsa kiinni rinnakkain pitkänomaisia U-muotoisia teräsprofiileja 6, jotka muotin 2 pohjalle 5 asennettuina saavat hyvän tartunnan valettavaan kupariin, joka muodostaa jäähdytyselementin rungon. U:n sakarat muodostavat tartunnat kupariin. Liitos tehdään edullisesti pistehitsaamalla, jolloin pistehitsin kolot toimivat erityisen hyvin tartuntoina valussa. Kun hitsataan pinnoiteosaan päätylevyt, rakenne 5 muodostuu uuniatmosfääriä vastaan kaasutiiviiksi.

Valumuotti 2 voi olla esimerkiksi hiekkaan kaavattu muotti tai kokillityyppinen kestomuotti, joka on valmistettu valuteräksestä.

10 Kuvio 2 on poikkileikkaus keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesta jäähdytyselementistä 1. Kuviossa esitetään myös jäähdytysväliainekanava 4, joka voidaan valmistaa elementin runkoon työstämällä tai valun aikana siten, että muottiin on sovitettu sopivasta materiaalista valmistettu jäähdytysväliaineputki tai umpinainen tanko, joka poistetaan valun päätteeksi. 15 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan muottiin on valun ajaksi asennettu jäähdytysväliainekanavia vastaava määrä terästankoja, jotka muodostavat jäähdytysväliainekanavat 4 tankojen valunjälkeisen irrotuksen jälkeen.

Keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaan teräspinnoite 3 20 saadaan aikaan valamalla olosuhteet kestävästä teräksestä valumuottina toimiva laatikon muotoinen kappale 22, johon on valettu tartunnat 23, kuten esitetään kuviossa 3a, jolloin muotin valujälki jo itsessään muodostaa hyvän tartuntapinnan päälle valettavalle kuparille, eivätkä teräksisen levyn muokkausominaisuudet rajoita kulutuspinnan paksuutta. Teräksinen valumuotti 25 22 siis toimii jäähdytyselementin pinnoitteena 33.

Kuviossa 3a - 3c esitetään keksinnön erään suoritusmuodon mukainen menetelmä jäähdytyselementin 20 jäähdytysväliainekanavien 4 valmistamiseksi. Valun ajaksi valumuottiin 22 on sovitettu tangot 26, jotka on 30 edullisesti valmistettu teräksestä, jolla on suurempi lämpölaajenemiskerroin kuin valettavalla kuparilla. Soveltuva teräslaatu on esimerkiksi AISI 304. Lisäksi on edullista valmistaa tangot hieman kartionmuotoisiksi niiden valunjälkeisen 6 poistamisen helpottamiseksi. Tarvittaessa voidaan kanavat 4 yhdistää jäähdytysväliainekanavistoksi työstämällä kuparielementtiin lisäkanavia valun aikana muodostuneiden kanavien yhdistämiseksi. Tällöin ylimääräiset reiät tulpataan.

5

Kuviossa 4 esitetään suoritusmuoto, jossa valumuottiin 42 sijoitettu teräspinnoite 43 on muotoiltu siten, että teräs muodostaa urarakenteen 44, johon voidaan kiinnittää tulenkestäviä, kuten keraamisia kulutuspaloja, jolloin kuparinen teräspäällysteinen elementti 40 on uuniatmosfääriltä erityisen hyvin 10 suojassa. Erityisen edullisesti urarakenne 44 koostuu poikkileikkaukseltaan lohenpyrstön muotoisista urista.

Urat 56 voidaan muodostaa teräspinnoitteeseen 52 kuten kuvio 5 esittää. Urat 56 voidaan valmistaa valamalla tai työstämällä. Urat 56 levenevät pohjaa kohti, 15 jolloin urat saavat lohenpyrstön muotoisen poikkileikkauksen. Teräspinnoitteeseen 56 on järjestetty myös tartunnat 55. Kuvion 5 mukainen pinnoite 52 voi toimit valumuottina sinänsä tai se voidaan sovittaa erilliseen valumuottiin.

Käyttötilanteessa kuvioiden 4 ja 5 mukaiset jäähdytyselementit käsittävät 20 kuparisen rungon, teräksisen muotoillun pinnoitteen ja teräksiseen pinnoitteeseen muotolukittavat kuumuutta kestävästä materiaalista kuten keraamista valmistetut pinnoitepalat.

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan valaminen tehdään siten, että muotti 25 62 on kallistetussa asennossa (ks. kuvio 6). Muotti voidaan muotoilla tähän tarkoitukseen soveltuvaksi. Kuvion 6 suoritusmuodossa jäähdytyselementin 60 paksuus vesikanavien 61 ulostulojen puoleisella reunalla 63 kasvaa niin paljon vastakkaista reunaa suuremmaksi, että vesiyhteet eivät haittaa näin valmistetun usean elementin 72, 73 asentamista peräkkäin (ks. kuvio 7).

Keksinnön etuna on myös, että päältä avoimeen ja lämpöeristeellä peitettyyn muottiin valettaessa on valettavan kuparin laatu valittavissa vapaasti eikä 30 7 kompromissia seostuksen ja lämmönjohtavuuden välillä tarvitse tehdä. Mahdollisesti vapautuva kaasu ei jää suljettuun tilaan, eikä muodosta rakenteeseen haitallisia suuria huokosia. Pienten huokosten muodostuminen voidaan ohjata haitattomaan paikkaan rakenteessa, so. elementin takapinnalle 5 eli valun aikana valettavan kappaleen yläpinnalle. Kaasuhuokosten määrää voidaan vielä vähentää peittämällä sula villaeristeellä, jolloin pinta jähmettyy viimeisenä.

10

Claims (23)

1. Menetelmä metallurgisen uunin tai reaktorin rakenteessa käytettävän 5 jäähdytyselementin valmistamiseksi, jossa jäähdytyselementin runko valetaan valumuottiin kuparista, johon runkoon muodostetaan jäähdytysväliainekanavisto, ja jonka rungon pintaan järjestetään uunin tai reaktorin olosuhteita kestävästä teräslaadusta kulutuspinta, joka kulutuspinta kiinnitetään jäähdytyselementin rungon kupariin valun 10 yhteydessä, tunnettu siitä, että jäähdytyselementin paksuus ί vesikanavien 61 ulostulojen puoleisella reunalla 63 kasvatetaan niin paljon vastakkaista reunaa suuremmaksi, että vesiyhteet eivät haittaa näin valmistetun usean elementin 72, 73 asentamista peräkkäin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että teräksinen kulutuspinta 3 sovitetaan valumuottiin 2 ennen valua.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valumuotti 22 on valmistettu uunin tai reaktorin olosuhteita kestävästä 20 teräslaadusta ja valumuotti muodostaa jäähdytyselementin kulutuspinnan 33.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valumuottiin 52 on muodostettu uria 56, jolloin jäähdytyselementin uunin 25 puoleinen pinta käsittää uria 56, joihin voidaan sovittaa kuumuutta kestäviä rakenteita muotolukitsemalla.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että teräksisen kulutuspinnan kiinnittymistä kuparirunkoon 30 tehostaa teräkseen valmistetut tartunnat 5, 23, 55 jotka ulottuvat kulutuspinnasta valetun kuparin sisään.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kulutuspinta on muodostettu toisiinsa rinnakkain kiinni hitsatuista pitkänomaisista U-muotoisia teräsprofiileista 6, jolloin U:n sakarat muodostavat tartunnan 5 valettavaan kupariin. 5

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että teräsprofiilien välinen liitos tehdään pistehitsaamalla, jolloin pistehitsin kolot 7 tehostavat pinnoitteen tartuntaa valuun.

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 - 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytyselementin pinnoiteosaan hitsataan päätylevyt.

9. Patenttivaatimuksen 1 tai 4-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valumuotti 2, 42, 62 on hiekkaan kaavattu muotti. 15

10. Patenttivaatimuksen 1 tai 4-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valumuotti 2, 42,62 kokillityyppinen kestomuotti.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että valumuotti 2, 42, 62 valmistettu valuteräksestä.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kulutuspinta 3, 33, 43 valmistetaan kuparin pinnalle kaasutiiviisti siten, että uunin tai reaktorin kaasut eivät pääse kontaktiin 25 kuparin pinnan kanssa.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytyskanat 4 -tai kanavisto muodostetaan valun aikana valumuottiin asennettujen sauvojen 26 avulla, jotka sauvat 26 poistetaan 30 valun jälkeen. i

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sauvat 26 on valmistettu teräksestä, jolla on suurempi lämpölaajenemiskerroin kuin valettavalla kuparilla.

15. Patenttivaatimuksen 13 tai 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sauvat 26 on muotoiltu kartion muotoisiksi niiden valunjälkeisen poistamisen helpottamiseksi.

16. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 — 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että valumuottiin sijoitettu teräspinnoite 43 on ennen valua muotoiltu siten, että teräs muodostaa urarakenteen 44 jäähdytyselementin 40 uunin puoleiselle pinnalle.

17. Metallien valmistuksessa käytettävän uunin tai metallurgisen reaktorin 15 rakenteessa käytettävä jäähdytyselementti, joka käsittää valetun kuparirungon, johon on järjestetty kanavia tai kanavisto jäähdytysväliainekiertoa varten, ja vuorauksen uunin tai reaktorin olosuhteita kestävästä teräslaadusta, jossa kulutuspinta 3, 33, 43 on jäähdytyselementin uunin puoleisella pinnalla kaasutiiviissä kontaktissa 20 kuparin pinnan kanssa, tunnettu siitä, että jäähdytyselementin 60 paksuus vesikanavien 61 ulostulojen puoleisella reunalla 63 kasvaa niin paljon vastakkaista reunaa suuremmaksi, että vesiyhteet eivät haittaa näin valmistetun usean elementin 72, 73 asentamista peräkkäin.

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että teräksisen kulutuspinnan kiinnittymistä kuparirunkoon tehostaa teräkseen valmistetut tartunnat 5, 23, 55, jotka ulottuvat kulutuspinnasta valetun kuparin sisään.

19. Patenttivaatimuksen 17 tai 18 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että kulutuspinta käsittää toisiinsa rinnakkain kiinni hitsatuja pitkänomaisia U-muotoisia teräsprofiileja 6, jolloin U:n sakarat muodostavat tartunnan 5 jäähdytyselementin rungon kupariin.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, 5 että teräsprofiiiien välinen liitos on valmistettu pistehitsaamalla, jolloin pistehitsin kolot 7 tehostavat pinnoitteen tartuntaa valuun.

21. Patenttivaatimuksen 17-19 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että teräspinnoite 43 on ennen valua muotoiltu siten, että teräs 10 muodostaa urarakenteen 44 jäähdytyselementin 40 uunin puoleiselle pinnalle.

22. Patenttivaatimuksen 17-20 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että teräspinnoitteeseen 52 on muodostettu uria 56, jolloin 15 jäähdytyselementin uunin puoleinen pinta käsittää uria, joihin voidaan sovittaa kuumuutta kestäviä rakenteita muotolukitsemalla.

23. Patenttivaatimuksen 17-22 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että jäähdytyselementti käsittää teräksisen muotoillun pinnoitteen, 20 johon on muotolukittavissa kuumuutta kestävästä materiaalista kuten keraamista valmistetut pinnoitepalat.