NO329269B1 - Kjolesystem for ovner, samt fremgangsmate for fremstilling av dette - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår digelovner, og mer spesifikt kjøleblokker av kobber som anvendes bak lag av ildfast materiale i smeltediglenes vegger.

De høye temperaturene som anvendes i metallovner er tilstrekkelige til å erodere til og med stenkledde smeltedigler. Det anvendes konvensjonelt ildfaste materialer for å kle innsiden av smeltedigler, og tidligere teknikk har anvendt kjøle-blokker bak slike kledninger. Resultatet av dette under operasjon er at et tynt lag av smeltet slagg, råstein (eng. matte) og/eller metall stivner på veggene og bidrar til å stabilisere dem mot utbrudd. Slike kjøleblokker anvendes også for brenner-blokker, vannrenner (eng. launders), blåseformer eller blåserør, linjesystemer (eng. staves), støpeformer, elektrodeholdere, tappehullblokker (eng. tap-hole blocks) og arnesteder (eng. hearth anodes).

De fleste moderne pyrometallurgiske ovner anvender kjølesystemer for å stabilisere den uunngåelige erosjonen av ildfaste materialer på vegger, tak og i arnesteder. Kjøleblokker arrangeres typisk på mange forskjellige måter. Vegger, tak og arnesteder som omfatter slike anvendes i sylindriske ovner, ovale ovner, masovner, Mitsubishi-type hurtigsmeltings- og ferskningssovner, IsaSmelt-ovner, lysbueovner, både for likestrøm og vekselstrøm, elementæroksygen-ovner, elek-triske renseovner for slagg, rektangulære ovner, Outokumpu hurtigsmeltings-og ferskningsovner, Inco hurtigsmeltingsovner, lysbueovner, renseovner for slagg og flammeovner.

Kjøleblokker kan også arrangeres lagvis, med vekslende lag av ildfast materiale. Ildfast stein og/eller støpbare ildfaste materialer anvendes av og til for blokkens varmeflate og kan være glatte eller være tilveiebrakt med maskin-bearbeidede eller innstøpte lommer og/eller innsenkninger.

Det oppstår et problem når kjølerørene og metall-støpegodset ikke er laget av nøyaktig samme materiale. Forskjellige materialer vil ha forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienter, og styrken til bindingen mellom rørene og støpegodset vil også variere. Konstante termiske sykluser kan arbeide løs røret fra støpe-godset, og når dette skjer reduseres den termiske effektiviteten betydelig.

Rør som er laget av materialer med smeltepunkter som er høyere enn det smeltede støpemetallet er imidlertid gunstige, ettersom slike står imot mykning eller gjennombrudd under overhellingen av støpematerialet. En fremgangsmåte ifølge tidligere teknikk for å omgå dette problemet er å tettpakke rørene med sand slik at de forsterkes mot kollaps. Denne sanden vaskes ut når støpegodset er avkjølt.

Enkelte kombinasjoner av kjølerør og støpematerialer av metall er kjent innenfor tidligere teknikk for å ha evne til å tilveiebringe en i det minste akseptabel bruksdyktig levetid. For eksempel har Falcon Foundry (Lowellville, Ohio) produsert rør av Monell-400 som er støpt inn i kjøleblokker av kobber siden 1960-tallet (Monell-400 er et varemerke for en legering som omfatter omtrent 63% Nikkel og 31% Kobber). Andre selskaper, eksempelvis ElectroMelt (ikke lenger eksister-ende) og American Bridge (en tidligere avdeling av U.S. Steel), har konstruert kjøleblokker som omfatter rørsløyfeenheter av Schedule-40 eller Schedule-80 Monell-400 som gjør det mulig å tilveiebringe veldefinerte kjølekamre. Det er ikke nødvendig å kjøle rørene mens kobberet helles i støpeformen, noe som normalt er nødvendig for rør av rent kobber.

Uheldigvis har sviktanalyser vist at kjøleblokkene av kobber ikke er i full kontakt med Monell-400 røret. En finner mange defekter når blokkene destruk-sjonstestes og bindingen mellom Monell og kobber undersøkes. Slike bindings-defekter reduserer varmeoverføringens effektivitet og introduserer ukjente faktorer i ovnens helhetlige kjølemønster.

Kjøleblokker av støpekobber og lavlegeringskobber, samt konstruksjon av slike, ifølge tidligere teknikk har også vært kommersielt levert og/eller konstruert av Outokumpu OY (Finland), Kværner (Stockton, England), Demag (Tyskland), Hundt & Weber (Siegen, Tyskland), Tucson Foundry (Tucson, Arizona), Thos Begbie (Syd-Afrika), Alabama Copper (Alabama), Niagara Bronze (Niagara Falls, Canada), Hoogovens (Nederland) og andre.

Outokumpu, og andre, konstruerer og produserer kjøleblokker av kobber fra kobberstaver med i lengderetningen forløpende huller som er boret for å tilveiebringe vannkanaler. Det har også vært anvendt ekstruderte huller som vannkanaler, men enkelte av disse har vært utsatt for svikt. Sideveis forløpende borehull med innvendige plugger har også vært tilveiebrakt for å danne innvendige kjøle-vannskretser.

De borede og ekstruderte konstruksjonene krever alle at det installeres plugger i alle de åpne boringsendene rundt kantene av stavblokkene. Loddetagg-, sveis- og rørgjenge-type plugger har alle vært forsøkt. Mange blokker lekker imidlertid uansett, og slike lekkasjer er veldig farlige i en metallurgisk ovn.

Størrelsen og formen til slike typer blokker er begrenset av muligheten til å støpe eller smi kobberstavene. Utplasseringen av de innvendige vannkanalene begrenses ofte i stor grad av det at en må tilveiebringe kanalene fra kombinasjoner av sammenkoplede borede hull.

Til motsetning kan støpeblokker tilveiebringes i en rekke forskjellige utform-inger og størrelser, og nesten et hvilken som helst arrangement av de innvendige rørene er mulig. Støpeblokker kan anvendes under mye større varmelaster sammenliknet med borede og pluggede blokker.

Produksjonen av borede blokker og støpeblokker presenterer begge sine egne utfordringer. Ved støping kan vannrørene både sirkulasjons- og trykktestes før og etter. Faren forbundet med en lekkasje gjennom en kjøleblokk av kobber med hulrom skapt under produksjonen er veldig liten, ettersom rørveggene vil holde vannet inne.

Konvensjonelle støpte kjøleblokker produseres typisk ved å forme et vann-rør til en ønsket konfigurasjon og trykkteste det, før og etter, under 150% av design-operasjonstrykket i minst femten minutter. Før støpematerialet helles i støpeformen rengjøres utsiden av røret for å minimere dannelsen av gassbobler som vil kunne skape porøse seksjoner i støpegodset ved grenseflatene mellom rørsløyfen og støpekobberet. Sand anvendes av og til for å fylle innsiden av rør-ene for å stive dem opp for å hindre mykning, men kun når en anvender et rør-materiale som ikke har et smeltepunkt som er betydelig høyere enn støpetempera-turen for kobber. For eksempel trenger vanligvis ikke rør laget av Monell-400 å pakkes med sand før støping.

Støpeformene er laget med ekstra toleranser for at man skal kunne maskin-bearbeide av fra porøse seksjoner, innløp og stigerør samt mulig krympning. Slike støpeformer er typisk laget av sand blandet med et bindemiddel. De opprinnelige formene som presses inn i sanden er laget av tre og andre lett formbare materialer.

Rørsløyfene er sikret i korrekt posisjon inne i sand-støpeformen. Kobber fra en smelteovn helles inn i en støpeskje. Det kan være nødvendig med en de-oksidant dersom kobberet smeltes i et ikke-inert miljø. Eventuelt oksidslagg skum-mes av. Det anvendes en tilstrekkelig overheting av kobberet til over dets smeltepunkt for å hindre at kobberet størkner for tidlig under bearbeiding eller overhelling. Det væskeformige kobberet fra støpeskjeen må være tilstrekkelig mye fluid og være flytende nok til å fylle støpeformen, dekke rørsløyfene fullstendig og strømme til toppen av stigerørene. Eventuelle gassbobler vil stige opp til overflaten av stigerørene.

Når det deoksiderte kobberet er hellet inn i støpeformen fra støpeskjeen gis støpemassen tid til å avkjøles inntil det er helt størknet. Stigerørene og innløps-systemene fjernes mekanisk. Eventuelt overskytende materiale maskinbearbeides eller skjæres vekk, og det dannes eller tilendebringes spor og/eller lommer i vann-flaten. På den utvendige overflaten bores og gjenges hullene for enten posisjoner-ing, montering eller løfting av blokken. De passformede overflatene, mellom blokker, er normalt maskinbearbeidet. Hvor omfattende maskinbearbeiding som er nødvendig avhenger av blokkens endelige anvendelse.

Eventuelle defekter på overflaten kan, men trenger ikke, bli reparert, avhengig av kravene fra brukeren. Slike defekter slipes vekk, fylles med sveise-materiale og maskinbearbeides til de er glatte. De ferdige blokkene inspiseres under anvendelse av én eller flere blant røntgeninspeksjon, visuell inspeksjon, infrarød-termisk inspeksjon og hydrostatisk eller pneumatisk trykktesting etter lekkasjer. Termisk og/eller elektrisk testing anvendes for å verifisere at blokken innehar en minste termisk og elektrisk konduktivitet. Dimensjonstoleransene sjekkes også. Det kan anvendes prøvestykker i en destruksjonstestprosedyre, idet en forbestemt prosentandel av det totale antallet identiske eller tilsvarende blokker som skal produseres skjæres opp og inspiseres.

Kjøleblokker omfattende stål- og/eller jernrør innstøpt i kobber har flere fordeler Rørsløyfen er rimelig og veldig enkel å produsere, tilbøye, sveise og sam-menslutte med passtykker. Sløyfer av stål- og jernrør smelter ikke når det smeltede kobberet helles inn i støpeformen. De resulterende blokkene har veldefinerte vannkanaler.

Ulempene omfatter gassbobler, porøsitet, gap og dårlig sammensmelting mellom røret og støpegodset. Slike defekter kan detekteres med røntgenstråler og destruksjonstesting. Støpekobber danner ikke en god metallurgisk binding med de utvendige overflatene av stål- og jernrør. Destruksjonstesting viser at slike rør lett separeres fra støpekobberet. Teststykker deles vanligvis opp i biter med en tykk-else på fra 0,635 til 2,54cm (0,25 til 1 tomme) for å eksponere rørtverrsnitt. Opp-deling av stykket på en slik måte at røret ikke er mekanisk innestengt vil vanligvis bekrefte den dårlige bindingen mellom stålet og kobberet. Slike rør faller ofte ut før det anvendes en lufttrykkmeisel.

Varmeoverføringen fra kobberet til røret er redusert som følge av manglende sammensmelting og hyppige defekter ved grenseflaten mellom rør og kobber. Kjøleblokken tenderer således til å løpe varmere enn tilsvarende enheter som anvender kobberrør. Den mye lavere termiske konduktiviteten til stål og jern bare forverrer denne ineffektiviteten. Den termiske konduktiviteten for stål er omtrent 17,4 Watt/°C (33 BTU/timer/°F), sammenliknet med 119,1 Watt/°C

(226 BTU/timer/°F) for elektrolytisk kobber, en faktor syv.

Det er også store forskjeller mellom den termiske ekspansjonskoeffisienten til stålet i rørene og den til støpekobberet. Spenningene i grenseflaten mellom rør og kobber vil lett overstige kobberets flytespenning, slik at kobberet i blokken vil sprekke eller briste under syklisk oppvarming. De termiske ekspansjonskoeffisientene er omtrent 1.24x10"<5> cm/cm/°C (6,9x10"<6> in/in/°F) for stål og 1.76X10"<5> cm/cm/°C (9,8x10"<6> in/in/°F) for UNS C81100 støpekobber.

Rør av rustfritt stål innstøpt i støpekobber har flere fordeler. Rørsløyfer av rustfritt stål er kun litt dyrere enn stål- eller karbonrør, og er omtrent like lett å produsere, tilbøye, sveise og lage til passtykker. Rørsløyfen av rustfritt stål vil ikke smelte når smeltet kobber helles inn i en støpeform. Den resulterende blokken har en veldefinert vannkanal. Ulempene er mindre uttrykte og forekommer sjeldnere, men gassbobler, porøsitet, gap og andre tegn på manglende sammensmelting er vanlige ved grenseflaten mellom røret og kobberet.

Heller ikke her danner støpekobberet en god metallurgisk binding med overflaten av røret av rustfritt stål. Destruksjonstester viser at røret av rustfritt stål også lett kan separeres fra støpekobberet. Den termiske konduktiviteten til rustfritt stål er mye lavere enn den til stål, for eksempel kun omtrent 4,95 Watt/timer/°C

(9,4 BTU/timei7°F). Den termiske ekspansjonskoeffisienten for rustfritt stål er omtrent 1,73x10"<5> cm/cm/°C (9,6x10"<6> in/in/°F), sammenliknet med 1.76X10"<5> cm/cm/°C (9,8x10"<6> in/in/°F) for UNS C81100 støpekobber.

Rør av Monell-400, når de støpes inn i kjøleblokker av kobber, har den for-delen at Monell-400 ikke vil smelte når det smeltede kobberet helles inn i støpe-formen. Den resulterende kjøleblokken vil således ha en veldefinert vannkanal. Smeltet kobber bløter Monell-400 veldig godt. Rørsløyfen og støpekobberet vil således danne en tett, intim grenseflate. En rørsløyfe av Monell-400 er imidlertid den mest kostbare rørsløyfen som anvendes kommersielt med støpekobber. Den er mye vanskeligere å produsere.

Til tross for dette danner normalt ikke støpekobberet en god metallurgisk binding med den utvendige overflaten av Monell-400 røret. Et lufttrykksmeisel kan vanligvis separere de to i destruksjonstester. Når de er separert dekker kobber-partikler på Monell-400 røret mindre enn 10% av det totale overflatearealet. Minst 90% av overflatearealet til en typisk seksjon av et Monell-400 rør er ikke mekanisk eller metallurgisk bundet.

Kjøleblokker laget med rør av Monell-400 utgjør omtrent 30% av kostnad-ene i forbindelse med støpen. Standard returrør og passtykker laget av Monell-400 er vanskeligere å oppnå enn deres motparter av rustfritt stål, karbonstål, eller jern. En viss forspenning eller deformasjon (eng. distortion) i Monell-400 rørsløyfen er vanlig under støpingen, men denne er ikke betydelig. Det er vanligvis ikke nødven-dig å stive opp rørsløyfer av Monell-400 med en sandblanding. Gassbobler, porø-sitet, gap og andre tegn på manglende sammensmelting er ikke vanlige ved grenseflaten mellom røret og kobberet, betinget at det er foretatt tilstrekkelige tiltak for å rengjøre rørsløyfens overflater.

Varmeoverføringen fra kobberet til Monell-400 røret begrenses av mangelen på sammensmelting av metallet ved grenseflaten mellom røret og kobberet. Forskjellen mellom de termiske ekspansjonskoeffisientene er fortsatt for stor mellom Monell-400 rørsløyfen og støpekobberet. Spenningene i grenseflaten mellom Monell-400 og kobber vil overstige kobberets flytespenning, selv ved moderate termiske laster. Det vil oppstå progressiv svikt under syklisk oppvarming. Den termiske ekspansjonskoeffisienten for Monell-400 er omtrent 1,39x10"<5> cm/cm/°C (7,7x10"<6> in/in/°F)T sammenliknet med 1.76X10"<5> cm/cm/°C (9,8x10"<6> in/in/°F) for UNS C81100 støpekobber. Rør av Monell-400 i støpte kjøle-blokker av kobber kan gi god ytelse under tilnærmet stasjonære forhold.

Rørsløyfer av rent kobber er mindre kostbare enn rør av Monell-400, men mer kostbare enn rør av karbonstål eller jern. De er relativt enkle å produsere, tilbøye, sveise, etc. Den resulterende kjøleblokken har en veldefinert vannkanal, og det kan oppnås en betydelig binding mellom støpekobberet og kobberrøret.

Den resulterende kjøleblokken av kobber tenderer til å løpe kaldest av alle, betinget at støpekobberet er bundet til utsiden av rørsløyfen av rent kobber. Grenseflaten mellom rørsløyfen og støpekobberet er nokså god; tidligere teknikk oppnår vanligvis ikke en så god metallurgisk binding.

Rørsløyfen av rent kobber vil imidlertid mykne eller smelte dersom den anvendes i store støpeformer. Rørsløyfen må avkjøles under overhellingen av støpe-materialet under produksjon av blokker av moderat til stor størrelse. En gjennomsmelting av røret er meget sannsynlig, spesielt ved eventuelle hjørner. Ujevn av-kjøling under støpingen og de tynnere veggene på utsiden av rørknærne bidrar til gjennomsmelting. Rørsløyfen av rent kobber må ha mye tykkere vegger enn en-hver annen type rørsløyfe. Normalt anvendes ekvivalenten til en Schedule-120 eller Schedule-160, sammenliknet med en Schedule-40 eller mindre for de andre typene rørsløyfer.

En uheldig konsekvens av de tykkere veggene er at senter-til-senter av-standen mellom vannkanalene må være mye større. Overflatearealet av vann inne i blokken vil bli redusert. Varmefjerningskapasiteten ved likevekt reduseres sammenliknet med rørmaterialer av Monell-400 og stållegeringer. Hvor mye avkjøling som er nødvendig under støpeprosessen er basert på betydelig erfaring med støp-ing og støpegods.

Gassbobler, porøsitet, gap og andre tegn på manglende metall-sammensmelting kan fortsatt forekomme ved grenseflaten mellom kobber og rør, men i et mye mindre omfang enn med enten stål- eller jernrør. Dersom rørene avkjøles for mye under overhellingen av støpematerialet vil en ikke oppnå en god metallurgisk binding til den utvendige overflaten av røret. Dersom rørene avkjøles for lite kan det opptre gjennomsmelting av kobberrørets vegger. En slik gjennomsmelting kan sperre for strømningen av kjølevann, og kjøleblokken vil i så fall være ubrukelig. Dersom det smeltede kobberet smelter gjennom røret og kontraherer kjølemediet under hellingen av støpemetallet kan det opptre en farlig eksplosjon.

Rør av rent kobber i støpte kjøleblokker av kobber gir god ytelse for moderate og sykliske termiske laster, men kun dersom blokken er laget på en god måte.

Det kan anvendes sandkjerner i stedet for rør for å tilveiebringe vannkanaler i støpegods av kobber, for eksempel på samme måte som en lager motorblok-ker for biler. Sanden blandes med et organisk bindemiddel, og denne teknikken er mye mindre kostbar enn anvendelse av interne, forhåndsformede rørsløyfer av metall. De resulterende blokkene kan ha veldefinerte vannkanaler, og sanden kan lett fjernes etter at støpemetallet har størknet. Kjølevannet er i tett kontakt med den støpte kjøleblokken av kobber, noe som maksimerer varmeoverføringen.

Noe av sanden kan imidlertid løsne under støpeprosessen og ødelegge vanninneslutningen. Denne konstruksjonen av vannkanalene er mye mindre fleksi-bel enn den til forhåndsformede rørsløyfer, ettersom sandkjernene må understøt-tes mekanisk. Det kreves omfattende erfaring med støping for å tilveiebringe slike avstøpninger. Gassbobler, porøsitet, gap og dårlig sammensmelting kan forekomme. Innsiden av vannkanalene er ikke så glatte som med rør, og dette skaper høyere trykkgradienter. Det er ofte nødvendig med større sirkulasjonspumper og rørledninger. Andelen av ikke godtatte støpegodsblokker med sandkjerner er høyere enn den tilsvarende andelen for rør som er laget av materialer med høyt smeltepunkt.

Mangelen på en intern rørsløyfe øker risikoen for en potensiell lekkasje. Lufterør/støtterør av stål for sandkjernene må tettes av med en plugg og/eller ved sveising. Støpegodset vil fylles med gassbobler dersom det ikke er tilveiebrakt lufting. Støtterørene er nødvendige fordi sandkjernene ellers vil synke. Disse stål-rørene kan også være en kilde til porøsitet, eller defekter som går gjennom hele tykkelsen.

De støpte kjøleblokkene av kobber med sandkjerner tenderer til å løpe kaldest av alle typer. Dette gir god ytelse for moderate og syklisk oppvarming, betinget at blokken er godt laget.

En typisk kjøleblokk omfatter vannrør av stål eller kobber som er fylt med sand og støpt inn i en blokk av stål eller kobber. For eksempel beskriver US-patentet 5 904 893, utstedt 18. Mai 1999 til Ulrich Stein, en platekjøler som anvendes innenfor jern- og stålindustrien for metallurgiske ovner, masovner, direkte reduksjonsreaktorer og forgassingsenheter kledd med ildfast materiale. Et møns-ter av tykkveggede kobberrør arrangeres i en støpeform, og smeltet kobber helles inn i støpeformen. Anvendelse av noen få forskjellige kobberlegeringer er også diskutert. Det er nødvendig med en tett binding mellom blokken av støpekobber og kjølerøret for å opprettholde kjøleblokkens termiske effektivitet. Det hevdes å opptre en lett smelting av de tykkveggede rørene under overhellingen av smeltet kobber rundt rørsystemet, noe som gjør at de bindes til støpegodset.

US-patentet 3 829 595, utstedt til Nanjyo mfl. den 13. august 1974, illustrerer et tverrsnitt av en direkte lysbueovn med kjøleblokker i veggene. Dette og alle andre patenter nevnt her inntas som referanse. Kjøleblokkene er beskrevet som spesialstøpt stål med vannkjølerør av stål. Ildfast stein er låst fast i horisontale spor som er skåret i kjøleblokkenes varmeflater for å stabilisere dem mekanisk og øke varmeoverføringen.

En kjøleplate for en masovn (eng. shaft furnace) er beskrevet av Axel Kubbutat mfl. i US-patentet 5 676 908, utstedt 14. oktober 1997. Denne kjøle-platen anvendes bak en ildfast kledning og er beskrevet som en forbedring i forhold til anordninger ifølge tidligere teknikk som er laget av støpejern. Det hevdes også at kjøleplater av støpekobber har dårligere evne til å lede varme i forhold til tettere smidd eller valset kobber. Det vises således en kjøleplate for ovner med forsterkede frontender som er integrert i kjølesystemet.

Ulrich Stein beskriver en platekjøler i US-patentet 5 904 893, utstedt

18. mai 1999. Støpekobber anvendes med et lavlegeringskobber. Både stegede/sporede og glatte kjøleplater er nevnt. Det faktum at det anvendes rør av rent kobber gjør at Ulrich Stein advarer om at det må anvendes rør med tykkere vegger enn de som er kommersielt tilgjengelige. Kolonne 3, linje 65, til kolonne 4, linje 3. Omtrent 1-5mm av rørene smelter etter overhellingen av støpematerialet.

Et typisk overhelt støpemateriale vil overfylle støpeformen slik at urenheter vil renne av. Et porøst toppsjikt som dannes kan freses vekk ned til de endelige dimensjonene. Det innstøpte røret trykktestes før og etter. En typisk kjøleblokk kan veie fra så lite som en kilo til så mye som flere tonn avhengig av den tiltenkte an-vendelsen.

Det er behov for en kjøleblokk som kan lages av kommersielle materialer som er lette å få tak i og som er relativt rimelige, samtidig som det oppnås en sterk binding mellom rørene og støpematerialet. Forskjellen i den termiske ekspansjonskoeffisienten må også være slik at den tåler høye varmelaster og konstante termiske sykluser gjennom hele sin funksjonsdyktige levetid uten å utsettes for brudd eller andre former for materialsvikt.

Et mål ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kjøleblokk som tåler høye varmelaster og konstant syklisk oppvarming gjennom hele sin funksjonsdyktige levetid.

Et annet mål ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kjøleblokk som kan produseres av lett tilgjengelige og relativt rimelige kommersielle materialer.

Et ytterligere mål ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kjøle-blokk der den innvendige rørsløyfen kan ha tette, glatte knær uten at en må ty til vendedeksler, interne plugger, albuer eller andre passtykker med skarpe hjørner som kan svikte under støping.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et kjølesystem for ovner, omfattende en kjøleblokk for ovner med en kobberlegering som omfatter minst 50 vekt% kobber. En rørsløyfe, omfatter en kobber-nikkel legering, med minst 60 vekt% kobber, som tilveiebringer en kanal for kjølevæske i ovnkjøleblokken, i det en krets av rørsløyfen ikke avkjøles når den støpes inn i ovnkjøleblokken.

Kort beskrevet kan en utførelsesform av en kjøleblokk for ovner ifølge foreliggende oppfinnelse omfatte et UNS-standard C71500 Schedule-40 vannrør inn-støpt ved overhelling av elektrolytisk kobber av UNS-standarden C11000 som deoksideres under støpeprosessen og danner et høyt kobber som tilnærmer UNS-standard 81200. En resulterende sammensmelting av røret og støpegodset er slik at de forskjellige ekspansjonskoeffisientene til de to aktuelle kobberlegeringene ikke fører til at støpekobberets flytegrense overstiges under syklisk oppvarming under operasjon. Smeltepunktet til den kobberlegeringen som anvendes i røret er slik at det kan anvendes et relativt tynnvegget rør som er pakket med sand under smeltingen.

En fordel ved foreliggende oppfinnelse er at det kan tilveiebringes en ovn-kjøleblokk som har lav termisk resistans mellom varmeflaten og kjølevannet som sirkulerer i rørene under operasjonen.

En annen fordel ved foreliggende oppfinnelse er at det kan tilveiebringes en ovn-kjøleblokk som kan anvendes for applikasjoner med høye termiske laster og syklisk oppvarming.

Nok en ytterligere fordel ved foreliggende oppfinnelse kan være at det tilveiebringes en ovn-kjøleblokk som er billig å produsere.

Videre vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av et kjøle-system for ovner, omfattende en ovnkjøleblokk og en rørkveil. Fremgangsmåten omfatter å velge rørkveilen slik at den omfatter en UNS-standard C71500 kobberlegering, og støpe ovnkjøleblokken av en kobberlegering med høy renhet som er ekvivalent med UNS C1100 innvendig i en form rundt rørkveilen uten kjøling av rørkveilen, slik at kveilen tilveiebringer en passasje for kjølevann i blokken.

De ovennevnte og ytterligere mål, egenskaper og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil åpenbares ved en gjennomgang av den etterfølgende detaljerte beskrivelsen av spesifikke utførelsesformer av denne, spesielt dersom den sees i sammenheng med de vedlagte figurene. Figurene 1A og 1C er ende- og toppsnitt av en utførelsesform av et kjøle-system for ovner ifølge foreliggende oppfinnelse; Figur 2 er et plansnitt av en rørsløyfe som den som anvendes i kjølesyste-met for ovner i figurene 1A-1C; Figur 3 er et kobber-nikkel fasediagram, og viser at UNS-standard C71500 legering vil begynne å smelte ved omtrent 1125°C (2150°F); og Figurene 4A-4D er diagrammer henholdsvis sett ovenfra, fra siden i lengderetningen, nedenfra og fra siden i tverrsnitt av én utførelsesform av en kjøleblokk ifølge foreliggende oppfinnelse. Figurene 1A-1B viser en utførelsesform av et kjølesystem for ovner ifølge foreliggende oppfinnelse, her representert generelt med referansenummer 100. Ovnkjølesystemet 100 omfatter et rør 102 som er bøyet til en sløyfe og støpt inn i en kjøleblokk 104. Et par av flenser 106 og 108 muliggjør montering av ovnkjøle-systemet 100 i en digelovn for støping. Et par av rørtilslutninger 112 og 114 tilveiebringer tilkopling for et sirkulasjonssystem for vannkjøling.

Røret 102 omfatter fortrinnsvis en UNS-standard C71500 kobber-nikkel legering og er fylt med sand for å hindre kollaps under støping av blokken 104 (UNS-standard C71500 kobber-nikkel legering kalles også "number-715" hos Copper Development Association). Kjøleblokken er fortrinnsvis støpt med UNS-standard C11000 elektrolytisk kobber som deoksideres under støpeprosessen. Dette danner til slutt en støp av en høy kobberlegering som er ekvivalent med UNS-standard 81200.1 alternative utførelsesformer dannes en støp med en høy kobberlegering som er ekvivalent med UNS-standard 81100. Figur 2 illustrerer en rørsløyfe 200 av UNS-standard C71500 kobber-nikkel legering før den støpes inn i en kjøleblokk. Denne er grundig avfettet og deoksi-dert før støpeoperasjonen for å sikre en god sammensmelting og binding. Rent kobber smelter ved omtrent 1082°C, og krever vanligvis forhåndsoppvarming når det sveises, slik at det kan være fordelaktig å forvarme rørsløyfen 200 rett før den støpes inn i blokken. Forvarming bidrar også til å fordampe vannfukt fra både støpeformen og rørsløyfen. Figur 2 viser en rørsløyfe 200 laget av et sammenhengende stykke glatt-vegget rør som er bøyet til den ønskede formen. Dersom det ikke er mulig å konstruere det ønskede mønsteret på denne måten vil det være nødvendig med tilslutningsstykker. Slike tilslutningsstykker må sveises fast, og eventuelle skarpe kanter må slipes ned. Ellers vil skjøtene samle opp okklusjoner i støpematerialet eller føre til at det dannes hulrom.

Under destruksjonstester som ble utført på en prototype av ovnkjølesyste-met 100 ble blokken 104 skåret opp slik at omtrent 25% av omkretsen til rør-sløyfen 102 var eksponert og deretter kuttet i et 15,875 cm (5/8 tomme) langt stykke. Et trykkluftmeisel ble anvendt i et forsøk på å rive løs røret fra kobberet. Røret forble smeltet til støpekobberet. Under tidligere forsøk på anordninger ifølge tidligere teknikk som anvender andre nikkel-kobber legeringer eller Monell-400 for rørsløyfen var det ofte mulig å rive løs rørdelen fra støpekobberet med kun et meisel.

Et raster-elektronmikroskop (scanning-electron-microscope, SEM) anvendt ved Cominco Reserarch i Trail, Britisk Columbia, Canada, viste at kornene i støpe-kobberet var metallurgisk bundet til kobberrøret. Slik sveising hindret at rør av UNS-standarden C71500 kobber-nikkel legering ble revet løs fra støpekobberet. En så god metallisk binding observeres normalt ikke med rørmaterialer ifølge tidligere teknikk, for eksempel rør av kobber, Monell-400, etc.

Den tilnærmede sammensetningen av UNS-standarden C71500 er listet i tabell I.

Selv om UNS-standard C71500 kobberlegering har mindre sannsynlighet for å kontamineres under bearbeiding og lagring enn Monell-400, anvendes fortrinnsvis samme forhåndsregler og rengjøringstiltak som konvensjonelt anvendes for Monell-400 under fabrikasjon av utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse. For eksempel må ikke røret bearbeides med bare hender og det bør legges på papp. Monell-400 tenderer til å ta opp jern lett. Uønsketheter som etterlates på eller i røret under støpingen vil omdannes til gasser som resulterer i at støpekob-beret blir porøst etter størkningen.

Figur 3 er et kobber-nikkel fasediagram, og viser at UNS-standard C71500 legering vil begynne å smelte ved omtrent 1125°C (2150°F). Smeltepunktet til Monell-400 er kun litt høyere enn dette. Det oppnås således en god sammensmelting i grenseflaten uten mye det må ofres så mye for smeltepunktet.

I utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse overstiger ikke de ordinære spenningene i grenseflaten mellom røret og støpekobberet støpekobberets flytespenning, dette basert på tredimensjonale termomekaniske analyser med elementmetoden. Sykliske lastpåkjenninger er derfor akseptabelt. Den termiske ekspansjonskoeffisienten for UNS-standard C71500 kobber-nikkel legering er omtrent 1,62 x10"<5> cm/cm/°C (9,0 x 10"<6> in/in/°F), og 1.76x10"<5>cm/cm/°C (9,8x10"<6> in/in/°F) for UNS C81100 støpekobber. Forskjellen er således bare 1.44X10"<6> cm/cm/°C (0,8 x 10"<6> in/in/°F). Flytespenningen for støpekobber er omtrent 9,0 ksi, og 30-40 ksi for Monell-400.

Rør i henhold til standarden ASTM Schedule-40, eller tynnere, kan derfor anvendes for rørsløyfer av UNS-standard C71500 kobber-nikkel legeringer. Tettere plassering av vannkanalene er mulig. Kostnaden er lavere enn for rør laget av Monell-400. Den endelige kobberstøpen vil løpe kaldere som følge av den høyere termiske konduktiviteten til den nye legeringen sammenliknet med Monell-400.

Den lavere smeltetemperaturen for UNS-standard C71500 kobber-nikkel legering, sammenliknet med Monell-400, medfører at de forhåndsformede rør-sløyfene må pakkes med en blanding av en sandblanding og organisk bindemiddel for å stive opp rørene under støpeprosessen. Det er imidlertid typisk ikke nød-vendig med avkjøling. Dersom rørsløyfene ikke stives opp med sand vil de enten synke eller rørseksjoner vil bøyes og bringes for nær blokkens varmeflate. Begge deler kan gjøre kjøleblokken ubrukelig. Sandblandingen fjernes etter at støpe-materialet har størknet.

Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse tilveiebringer generelt et kom-promiss mellom forskjellen i smeltepunkt og forskjellen i ekspansjonskoeffisient for røret og støpematerialet. Det er nødvendig at det er stor forskjell mellom smelte-punktene for at røret ikke skal smelte eller mykne under støpeprosessen og for at det skal kunne anvendes tynnveggede rør som er lett formbare. Det er imidlertid også nødvendig at det er liten forskjell mellom ekspansjonskoeffisientene til røret og støpematerialet, slik at materialenes flytegrenser ikke overstiges under syklisk oppvarming under operasjon. Kobberlegeringer er i alminnelighet foretrukket for røret og støpematerialet på grunn av deres utmerkede termiske konduktivitet i forhold til kostnaden.

De respektive kobberlegeringene som anvendes i rørene og støpemateri-alet må derfor være tilstrekkelig forskjellige til at de har maksimalt forskjellige smeltepunkter, men tilstrekkelig like til at de har minimalt forskjellige ekspansjonskoeffisienten. Gitt disse materialbegrensningene har en empirisk løsning vært å lage utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse av UNS-standard C71500 kobber-nikkel legering, og støpematerialet med UNS C81100 støpekobber. Den termiske konduktiviteten til kobber dominerer, og flytegrensen ved den sammen-smeltede grenseflaten overstiges ikke av syklisk oppvarming under operasjon. Andre kombinasjoner av UNS-standard legeringer vil utvilsomt kunne være til-fredsstillende, men disse må alle nødvendigvis oppfylle de generelle kravene nevnt her.

Flytegrensen for røret og støpegodset avtar begge når kobberinnholdet i de respektive legeringene øker. Foreksempel er de maksimale spenningene i kobber-støpegodset ved grenseflaten mot røret nesten lineært proporsjonale fra 560 kg/cm<2> ved 30 vekt% kobber til 140 kg/cm<2> ved 100 vekt% kobber. De maksimale rørspenningene er nesten lineært proporsjonale fra 980 kg/cm<2> ved 30 vekt% kobber til 140 kg/cm<2> ved 100 vekt% kobber.

For en anvendt varmefluks på 157650 Watt/m<2> (50000 BTU/ft<2>/timer):

A = utvendig rørtemperatur, °C;

B = innvendig rørtemperatur, °C;

C = temperatur i kobber °C, enden (eng. tip);

D = spenning i kobber (kg/cm<2>), ved røret;

D = rørspenning (kg/cm<2>);

F = type overflate.

I henhold til en annen utførelsesform, kan røret 102 utformes av en kopper-nikkel legering bestående av minst 60 vekt % kopper. I en annen utførelse, kan kjøleblokken 104 være laget med en kopperlegering bestående av minst 50 vekt % kopper.

Figurene 4A-4D illustrerer en utførelsesform av en kjøleblokk ifølge foreliggende oppfinnelse, som her er betegnet generelt med referansenummeret 400. Kjøleblokken 400 omfatter en varmeflate 402 som står motsatt for en loddflate

(eng. plumbing face) 404. Et par av rør 406 og 407 laget av UNS C71500 kobber-nikkel legering er tilsluttet via respektive rørkoplinger 408-411. Rørene 406 og 407 er støpt inn i en massiv kobberblokk 412. Produksjonen av kjøleblokken 400 er tilsvarende den for ovnkjølesystemet 100 i figur 1.

Selv om spesifikke utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse er beskrevet og illustrert er ikke disse ment å begrense oppfinnelsen. Modifikasjoner og endringer vil utvilsomt være åpenbare for fagmannen, og intensjonen er at oppfinnelsen kun skal begrenses av de etterfølgende patentkravene.

Claims (8)

1. Kjølesystem (100) for ovner, omfattende en kjøleblokk (104) for ovner omfattende en kobberlegering som omfatter minst 50 vekt% kobber karakterisert ved: en rørsløyfe (102), omfattende en kobber-nikkel legering som omfatter minst 60 vekt% kobber, som tilveiebringer en kanal for kjølevæske i ovnkjøle-blokken (104); idet en krets av rørsløyfen (102) ikke avkjøles når den støpes inn i ovnkjøle-blokken (104).

2. Kjølesystem (100) for ovner ifølge krav 1, videre omfattende en sammen-pakking av sandliknende materiale som fyller rørsløyfen (102) under støping av ovnkjøleblokken (104).

3. Kjølesystem (100) for ovner ifølge krav 1, hvori: rørsløyfen (102) omfatter en UNS-standard C71500 kobberlegering; og kjøleblokken (104) for ovner som er laget av en kobberlegering med høy renhet som er ekvivalent med UNS C1100 innvendig i en form før støping.

4. Kjølesystem for ovner ifølge krav 3, der rørsløyfen (102) har en maksimal veggtykkelse som er ekvivalent med ASTM Schedule-40.

5. Kjølesystem for ovner ifølge krav 3, der eventuelle spenninger ved en grenseflate mellom rørsløyfen (102) og ovnkjøleblokken (104) av støpekobber ikke overstiger støpekobberets flytegrense, basert på tre-dimensjonale termomekaniske analyser med elementmetoden, under den termiske designlasten.

6. Fremgangsmåte for fremstilling av et kjølesystem (100) for ovner, omfattende en ovnkjøleblokk (104) og en rørkveil (102), karakterisert ved å: velge rørkveilen (102), slik at den omfatter en UNS-standard C71500 kobberlegering; og støpe ovnkjøleblokken (104) av en kobberlegering med høy renhet som er ekvivalent med UNS C1100 innvendig i en form rundt rørkveilen (102) uten kjøling av rørkveilen (102), slik at kveilen tilveiebringer en passasje for kjølevann i blokken (104).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvori rørkveilen (102) har en maksimal rør-tykkelse ekvivalent med ASTM Schedule-40.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvori: belastninger ved en overgang mellom rørkveilen (102) og ovnkjøleblokken (104) av støpt kobber ikke overgår flytegrensen for det støpte kobberet, basert på tre-dimensjonale finite element termomekaniske spenningsanalyser, under dimen-sjonerende termisk belastning.