PL193460B1

PL193460B1 - Element chłodzący reaktora pirometalurgicznego i sposób wytwarzania elementu chłodzącego reaktora pirometalurgicznego

Info

Publication number: PL193460B1
Application number: PL99349155A
Authority: PL
Inventors: Eero Hugg; Ilkka Kojo; Pertti Mäkinen; Raimo Koota
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2007-02-28
Also published as: AU1781800A; EA200100690A1; AU768282B2; CA2356138C; KR100640706B1; EA002584B1; ZA200104860B; PE20001446A1; KR20010099863A; FI982771A0; YU44801A; EP1153254B1; PL349155A1; RS49726B; ID24579A; WO2000037870A1; CN100449242C; ATE274683T1; CN1331791A; BR9916469A

Abstract

1. Element chlodzacy reaktora pirometalur- gicznego, wykonany przez odlewanie z gestwy z metalu o wysokiej przewodnosci cieplnej i posiadajacy przynajmniej jeden kanal prze- plywowy wody chlodzacej, o zasadniczo okra- glym lub owalnym przekroju poprzecznym, znamienny tym, ze co najmniej jeden kanal przeplywowy (2) ma zwiekszone pole po- wierzchni scianki, poprzez wykonane w niej rowki, gwint lub rowki w ksztalcie bruzdy lufy, zwiekszajace ilosc przekazywanego ciepla. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element chłodzący reaktora pirometalurgicznego i sposób wytwarzania elementu chłodzącego reaktora pirometalurgicznego.

Wytwarzanie elementu, który posiada przynajmniej jeden kanał przepływowy odbywa się za pomocą odlewania ciągłego, to jest odlewania z gęstwy. W celu zwiększenia zdolności przekazywania ciepła tego elementu, powiększony zostaje obszar powierzchni ściany kanału chłodzącego w odniesieniu do jego okrągłego lub owalnego kształtu przekroju poprzecznego, bez zwiększania średnicy lub długości tego kanału przepływowego.

Odporność na wysokie temperatury w procesach pirometalurgicznych zabezpieczana jest przez chłodzone wodą elementy chłodzące tak, aby w wyniku chłodzenia, ciepło docierające do powierzchni ogniotrwałej przekazywane było poprzez element chłodzący do wody, dzięki czemu zużycie okładziny jest istotnie ograniczone w porównaniu z reaktorem, który nie jest chłodzony. Ograniczenie zużycia powodowane jest przez zjawisko chłodzenia, które powoduje powstanie tak zwanej okładziny autogenicznej, która przylega do powierzchni okładziny ogniotrwałej, i która tworzona jest przez żużel i inne substancje wytrącone z fazy stopionej.

Konwencjonalnie, elementy chłodzące wytwarzane są na dwa sposoby: po pierwsze, elementy te mogą być wytwarzane poprzez odlewanie w formach piaskowych, gdzie w formie piaskowej umieszczane są rurki chłodzące wykonane z materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym, takiego jak miedź, i chłodzone są powietrzem lub wodą w trakcie procesu odlewania wokół rurek. Element odlany wokół rurek również wykonany jest z materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym, korzystnie miedzi. Ten rodzaj sposobu wytwarzania opisany jest na przykład w opisie patentowym GB 1386645. Jednym z problemów związanych z tym sposobem jest niejednolite przyleganie systemu rurek, działających jako kanał chłodzący, do otaczającego go materiału odlewu, ponieważ niektóre z rurek mogą być całkowicie pozbawione odlanego elementu znajdującego się wokół nich, a część rurki może ulec całkowitemu stopieniu i w ten sposób wtopieniu w element. Jeśli brak jest metalicznego wiązania pomiędzy rurką chłodzącą a resztą odlanego elementu wokół niej, przepływ ciepła nie będzie wydajny. Z kolei, jeśli rurka chłodząca ulegnie całkowitemu stopieniu, uniemożliwi to przepływ wody chłodzącej. Własności odlewnicze materiału odlewu mogą być poprawione, na przykład poprzez domieszanie do miedzi fosforu w celu poprawienia wiązania metalicznego tworzonego między systemem rurek a materiałem ale wtym przypadku, nawet przy niewielkiej domieszce, znacznie osłabione zostaje przewodnictwo cieplne miedzi. Jedną z zalet tego sposobu godną uwagi jest względnie niski koszt wytwarzania i niezależność od wymiarów.

Wykorzystywany jest również inny sposób wytwarzania, gdzie w formie elementu chłodzącego umieszczany jest system rurek szklanych o kształcie kanału, i który zostaje rozbity po zakończeniu odlewania w celu utworzenia kanału wewnątrz elementu.

Opis patentowy US 4 382 585 przedstawia szeroko stosowany sposób wytwarzania elementów chłodzących, według którego element taki wytwarzany jest na przykład z walcowanej blachy miedzianej poprzez wykrawanie w niej niezbędnych kanałów. Zaletą elementu wytworzonego tym sposobem, jest jego gęstość, wytrzymała struktura oraz odpowiednie przenikanie ciepła z tego elementu do ośrodka chłodzącego, takiego jak woda. Jego wadami są ograniczenia co do wymiarów (wielkość) i wysoki koszt.

Dobrze znanym sposobem w stanie techniki jest wytwarzanie elementu chłodzącego dla reaktora pirometalurgicznego za pomocą odlewania wydrążonego profilu, jak odlewanie ciągłe, to jest odlewanie z gęstwy przez trzpień. Element ten wytwarzany jest z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, takiego jak miedź. Zaletą tego sposobu jest zwarta struktura odlewu, prawidłowa gładkość powierzchni, a odlane kanały chłodzące dają odpowiednie przenikanie ciepła z elementu do ośrodka chłodzącego tak, aby nie występowały żadne efekty hamujące przekazywanie ciepła, a raczej ciepło pochodzące z reaktora przekazywane było do elementu chłodzącego bez żadnego dodatkowego oporu, bezpośrednio do powierzchni kanału i do wody chłodzącej. Przekrój poprzeczny kanału chłodzącego jest w ogólności okrągły lub owalny, a trzpień posiada gładką powierzchnię. Taki rodzaj kanału chłodzącego wymieniony jest w opisie patentowym US 5 772 955.

Element chłodzący reaktora pirometalurgicznego, wykonany przez odlewanie z gęstwy z metalu o wysokiej przewodności cieplnej i posiadający przynajmniej jeden kanał przepływowy wody chłodzącej, o zasadniczo okrągłym lub owalnym przekroju poprzecznym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że co najmniej jeden kanał przepływowy ma zwiększone pole powierzchni ścianki,

PL 193 460 B1 poprzez wykonane w niej rowki, gwint lub rowki w kształcie bruzdy lufy, zwiększające ilość przekazywanego ciepła.

Sposób wytwarzania elementu chłodzącego reaktora pirometalurgicznego, w którym element chłodzący wytwarza się przez odlewanie z gęstwy z metalu o wysokiej przewodności cieplnej, przy czym element posiada przynajmniej jeden kanał przepływowy dla wody chłodzącej, o zasadniczo okrągłym lub owalnym przekroju poprzecznym, który to kanał przepływowy wody chłodzącej kształtuje się w elemencie chłodzącym w trakcie odlewania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zwiększa się pole powierzchni ścianki co najmniej jednego kanału przepływowego w trakcie odlewania poprzez utworzenie przy pomocy rowkowanego trzpienia co najmniej jednego rowka na wewnętrznej powierzchni kanału przepływowego, lub po odlewaniu poprzez wykonanie gwintu lub rowków w kształcie bruzdy lufy, zwiększających ilość przekazywanego ciepła.

Korzystnie rowki w kształcie bruzdy lufy wykonuje się przy pomocy trzpienia rozprężającego.

Korzystnie element chłodzący wytwarza się z metalu o wysokiej przewodności cieplnej, np. miedzi.

Według wynalazku poprawia się zdolność wymiany ciepła przez element chłodzący zwiększając pole powierzchni przenikania ciepła elementu. Następuje to poprzez zwiększenie pola powierzchni ścianki kanału przepływowego, bez powiększania średnicy lub długości. Pole powierzchni ścianki elementu chłodzącego kanału przepływowego zwiększane jest dzięki wykonaniu rowków w ściance kanału w trakcie odlewania lub wykonaniu metodą obróbki skrawaniem rowków lub gwintu w kanale po zakończeniu odlewania tak, aby przekrój poprzeczny kanału pozostał zasadniczo okrągły lub owalny. W wyniku tego, przy takiej samej ilości ciepła, wymagana jest mniejsza różnica temperatur pomiędzy wodą a ścianką kanału przepływowego, a nawet niższa temperatura elementu chłodzącego. Wynalazek ten dotyczy również elementów chłodzących wytwarzanych tym sposobem.

Zdolność elementu chłodzącego do przyjmowania ciepła może być przedstawiona za pomocą następującej formuły:

Q=a*A*ΔT, gdzie

Q = ilość przekazywanego ciepła [W] a = współczynnik przejmowania ciepła pomiędzy ścianką kanału przepływowego a wodą [W/m²K] ₂

A = pole powierzchni przekazywania ciepła [m²]

ΔΤ = różnica temperatur pomiędzy ścianką kanału przepływowego, a wodą [K].

Współczynnik przejmowania ciepła a może być wyznaczony teoretycznie z formuły:

Nu = a D/l, gdzie l= przewodność cieplna wody [W/mK]

D = średnica hydrauliczna, lub

Nu = 0,023*Re⁰'⁸*Pr⁰'⁴, gdzie

Re = wDr /h w = prędkość [m/s]

D = średnica hydrauliczna kanału [m] r = gęstość wody [kg/m³] h = współczynnik lepkości dynamicznej Pr = liczba Prandta

W ten sposób, zgodnie z powyższym, możliwy jest wpływ na ilość przekazywanego ciepła welemencie chłodzącym poprzez wpływ na różnicę temperatur, współczynnik przejmowania ciepła lub pole powierzchni przekazującej ciepło.

Różnica temperatur pomiędzy ścianką a rurką ograniczona jest przez fakt, iż woda wrze w temperaturze 100°C, podczas gdy własności przenikania ciepła pod normalnym ciśnieniem pogarszają się znacznie w wyniku wrzenia. W praktyce, bardziej korzystna jest praca w najniższej możliwej temperaturze ścianki kanału przepływowego.

Współczynnik przejmowania ciepła może być znacznie zmodyfikowany poprzez zmianę prędkości przepływu, to jest zmianę liczby Reynoldsa. Jest to jednakże ograniczone przez zwiększone straty ciśnienia w systemie rurek w miarę wzrostu prędkości przepływu, co podwyższa koszty pompowania zimnej wody, jak również, po przekroczeniu pewnej granicy, rosną znacząco koszty inwestycyjne pompy.

W konwencjonalnym rozwiązaniu, pole powierzchni wymiany ciepła można zmienić poprzez zwiększenie średnicy kanału chłodzącego i/lub jego długości. Średnica kanału chłodzącego nie może

PL 193 460 B1 być zwiększana bez ograniczeń, jako, że ma być ekonomicznie uzasadniona, ponieważ wzrost średnicy kanału zwiększa ilość wody wymaganą do osiągnięcia określonej prędkości przepływu a ponadto energię potrzebną do jej pompowania. Z drugiej strony, średnica kanału ograniczona jest przez fizyczne rozmiary elementu chłodzącego, które z powodu minimalizowania kosztów inwestycyjnych wykonuje się tak małe i lekkie, jak jest to tylko możliwe. Innym ograniczeniem długości są fizyczne rozmiary samego elementu chłodzącego, to jest liczba kanałów chłodzących, które zmieszczą się w danym obszarze.

Gdy pożądane jest zwiększenie powierzchni przekazywania ciepła elementu chłodzącego, dokonuje się tego poprzez zmianę kształtu ścianki kanału przepływowego, odlewanego z gęstwy elementu chłodzącego w celu uzyskania większego pola powierzchni przekazywania ciepła, obliczanego na jednostkę długości kanału przepływowego przy tym samym przekroju poprzecznym przepływu (przy takiej samej ilości wody można uzyskać taką samą prędkość) na jednostkę długości kanału chłodzącego. Ten wzrost pola powierzchni może być osiągnięty przy zastosowaniu poniższych środków.

Przynajmniej jeden kanał przepływowy, o zasadniczo okrągłym przekroju poprzecznym, wykonany jest w odlewanym z gęstwy elemencie chłodzącym w trakcie odlewania, a po zakończeniu odlewania wykonuje się gwintowanie w kanale przepływowym.

Przynajmniej jeden kanał przepływowy, o zasadniczo okrągłym przekroju poprzecznym, wykonany jest w odlanym elemencie chłodzącym w trakcie odlewania z gęstwy, a po zakończeniu odlewania wykonuje się rowki w postaci bruzdy lufy w kanale przepływowym. Rowki te mogą być wykonane z zastosowaniem tak zwanego trzpienia rozprężającego, który przeciągany jest przez kanał przepływowy. Rowkowanie to może być wykonane na przykład w otworze zamkniętym z jednej strony, w którym to przypadku trzpień wyciągany jest na zewnątrz. Otwór w kanale otwarty z obydwu końców wykonywany jest poprzez przepychanie lub przeciąganie przez kanał specjalnie zaprojektowanego w tym celu narzędzia.

Najlepszy wzrost pola powierzchni, uzyskiwany jest przez utworzenie w trakcie odlewania jednego lub kilku rowkowanych, zwłaszcza rowkowanych prosto, kanałów przepływowych w elemencie chłodzącym, z wykorzystaniem specjalnie zaprojektowanego rowkowanego trzpienia odlewowego. Pomimo rowkowania kształt kanału przepływowego pozostaje zasadniczo okrągły lub owalny w przekroju poprzecznym.

Wykorzystanie tego sposobu pozwala uniknąć etapów obróbki mechanicznej po odlewaniu.

We wszystkich opisanych powyżej sposobach oczywiste jest, że jeśli występują poprzeczne partie kanału przepływowego, widziane z kierunku odlewania, partie te wykonane są mechanicznie poprzez obróbkę skrawaniem, na przykład nawiercanie, a otwory nienależące do kanału są zatykane.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia podstawowy element chłodzący zastosowany w testach, fig. 2 przedstawia przekroje poprzeczne testowego elementu chłodzącego, fig. 3a-3d ukazuje temperaturę wewnątrz tego elementu w różnych punktach pomiarowych jako funkcję temperatury wytopu, fig. 4 przedstawia współczynnik przejmowania ciepła wyznaczony z pomiarów jako funkcję temperatury wytopu, fig. 5 przedstawia różnice temperatury wody chłodzącej i ścianki kanału przy różnych poziomach chłodzenia dla znormalizowanych elementów chłodzących.

Przykład

Elementy chłodzące odnoszące się do niniejszego wynalazku badane były w testach praktycznych, gdzie wspomniane elementy A, B, C, D zanurzone było na głębokość około 1 cm od powierzchni dna w roztopionym ołowiu. Element chłodzący A posiadał konwencjonalny kanał o gładkiej powierzchni ścianki i element ten zastosowany został do pomiarów porównawczych. Ilość wody chłodzącej i temperatury zarówno przed wprowadzeniem wody do elementu chłodzącego jak i po, były starannie mierzone w trakcie testów. Temperatura stopionego ołowiu i temperatury wewnątrz samego elementu chłodzącego również były starannie mierzone w siedmiu różnych punktach pomiarowych.

Figura 1 przedstawia element chłodzący 1 zastosowany w testach oraz kanał przepływowy 2 znajdujący się wewnątrz niego. Wymiary elementu chłodzącego były następujące: wysokość 300 mm, szerokość 400 mm i grubość 75 mm. Rurka chłodząca, lub kanał przepływowy, umieszczona była wewnątrz tego elementu jak pokazano na fig. 1, tak, że środek poziomej części rurki na figurze znajdował się 87 mm od dna elementu, a każda pionowa część znajdowała się 50 mm od krawędzi płyty. Pozioma część wykonana jest przez nawiercanie, a jeden koniec poziomego otworu jest zatkany (niepokazany szczegółowo). Figura 1 pokazuje również położenie punktów pomiaru temperatury T1-T7.

PL 193 460 B1

Figura 2 przedstawia kształt powierzchni kanałów chłodzących, a tabela 1 zawiera wymiary kanałów testowych elementów chłodzących oraz obliczeniowe powierzchnie przekazywania ciepła na metr, jak również względne powierzchnie przekazywania ciepła.

Tabela 1

	Średnica, mm	Powierzchnia przekroju poprzecznego przepływu, mm²	Powierzchnia przekazywania ciepła/1m, m²/1m	Względna powierzchnia przekazywania ciepła
A	21,0	346	0,066	1,00
B	23,0	415	0,095	1,44
C	23,0	484	0,127	1,92
D	20,5	485	0,144	2,18

Figury 3a-3d wykazują, że temperatury elementów chłodzących B, C i D były niższe przy wszystkich prędkościach przepływu wody niż pomiary porównawcze elementu chłodzącego A. Jednakże, ponieważ przekroje poprzeczne wymienionych elementów testowych musiały być, ze względówtechnologicznych, wykonane z różnymi rozmiarami, skuteczność przekazywania ciepła nie może być porównywana bezpośrednio z wyników na fig. 3a-3d. Dlatego wyniki testu zostały znormalizowane w następujący sposób:

stacjonarną wymianę ciepła pomiędzy dwoma punktami można zapisać jako:

Q = S*l*(T1-T2), gdzie

Q = ilość ciepła przekazanego pomiędzy tymi punktami [W]

S = współczynnik kształtu (zależny od geometrii) [m] l = przewodność cieplna ośrodka [W/mK]

T1 = temperatura punktu 1[K]

T2= temperatura punktu 2[K]

Stosując powyższe równanie do wyników testu, otrzymano następujące wielkości:

Q = zmierzona moc cieplna przekazana wodzie chłodzącej l = przewodność cieplna miedzi [W/mK]

T1= wyznaczona z testów temperatura przy dnie elementu [K]

T2 = wyznaczona z testów temperatura wody przy ścianie kanału elementu [K]

S = współczynnik kształtu dla skończonego walca zanurzonego w półnieskończonym ośrodku (długość L, średnica D), współczynnik kształtu może być wyznaczony według równania:

S= 2p L/ln(4z/D), gdy z > 1.5D, z = głębokość zanurzenia mierzona od linii środkowej walca[m].

Współczynniki przejmowania ciepła wyznaczone w powyższy sposób przedstawione są na fig. 4. Zgodnie z analizą wielu zmiennych, otrzymano bardzo dobrą korelację pomiędzy współczynnikiem przejmowania ciepła, a prędkością przepływu wody, jak również ilością ciepła przekazanego wodzie. Współczynniki przejmowania ciepła z równania regresji dla każdego elementu chłodzącego przedstawione są w tabeli 2.

Zatem a [W/m²K] = c + a*v [m/s] + b * Q [kW].

Tabela 2

	C	A	b	r²
A	4078,6	1478,1	110,1	0,99
B	3865,8	1287,2	91,6	0,99
C	248,9	1402,1	151,2	0,99
D	2056,5	2612,6	179,7	0,96

W celu umożliwienia porównania tych wyników, pola powierzchni przekrojów poprzecznych kanałów przepływowych zostały znormalizowane tak, aby wielkość przepływu wody odpowiadała tej

PL 193 460 B1 samej prędkości przepływu. Wymiary kanału przepływowego oraz pola powierzchni przekazywania ciepła, znormalizowane pod kątem wielkości przepływu i prędkości, przedstawiono w tabeli 3. Wykorzystując wymiary podane w tabeli 3 dla przypadków A, B, C, D oraz współczynniki przejmowania ciepła wyznaczone jak opisano powyżej, obliczono różnicę temperatur ściany i wody dla znormalizowanych przypadków pod kątem wielkości przepływu, jako funkcję prędkości przepływu wody dla 5, 10, 20 i 30 kW mocy cieplnej z równania:

ΔΤ = Q/ (a*A)

Tabela 3

	Średnica, mm	Powierzchnia przekroju poprzecznego przepływu, mm²	Powierzchnia przekazywania ciepła/1m, m²/1m	Względna powierzchnia przekazywania ciepła
A*	21,0	346	0,066	1,00
B*	21,0	346	0,087	1,32
C*	19,2	346	0,120	1,82
D*	15,7	346	0,129	1,95

Wyniki przedstawiono na fig. 5. Figura ta pokazuje, że wszystkie elementy chłodzące,wykonane według wynalazku osiągają daną wielkość przekazywania ciepła przy mniejszej różnicy temperatur pomiędzy wodąa ścianką kanału chłodzącego, co ilustruje skuteczność tego sposobu. Na przykład, przy mocy chłodzenia 30 kW i prędkości przepływu wody 3 m/s, różnica temperatur pomiędzy ścianką, a wodą dla różnych przypadków wynosi:

Tabela 4

	ΔΤ [K]	względne ΔΤ [%]
A	38	100
BI	33	85
C	22	58
Dl	24	61

Gdy porównuje się te wyniki z powierzchniami przekazywania ciepła, zauważa się, że różnica temperatur pomiędzy ściankąa wodą, potrzebną do przekazania takiej samej ilości ciepła,jest odwrotnie proporcjonalna do względnej powierzchni przekazywanego ciepła. Oznacza to, że zmiany wpolu powierzchni opisane w niniejszym wynalazku mogą znacząco wpłynąć na wydajność przekazywanego ciepła.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Element chłodzący reaktora pirometalurgicznego, wykonany przez odlewanie z gęstwy z metalu o wysokiej przewodności cieplnej i posiadający przynajmniej jeden kanał przepływowy wody chłodzącej, o zasadniczo okrągłym lub owalnym przekroju poprzecznym, znamienny tym, że co najmniej jeden kanał przepływowy (2) ma zwiększone pole powierzchni ścianki, poprzez wykonane w niej rowki, gwint lub rowki w kształcie bruzdy lufy, zwiększające ilość przekazywanego ciepła.
2. Sposób wytwarzania elementu chłodzącego reaktora pirometalurgicznego, w którym element chłodzący wytwarza się przez odlewanie z gęstwy z metalu o wysokiej przewodności cieplnej, przy czym element posiada przynajmniej jeden kanał przepływowy dla wody chłodzącej, o zasadniczo okrągłym lub owalnym przekroju poprzecznym, który to kanał przepływowy wody chłodzącej kształtuje się w elemencie chłodzącym w trakcie odlewania, znamienny tym, że zwiększa się pole powierzchni ścianki co najmniej jednego kanału przepływowego (2) w trakcie odlewania poprzez utworzenie przy pomocy rowkowanego trzpienia co najmniej jednego rowka na wewnętrznej powierzchni kanału przePL 193 460 B1 pływowego (2), lub po odlewaniu poprzez wykonanie gwintu lub rowków w kształcie bruzdy lufy, zwiększających ilość przekazywanego ciepła.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że rowki w kształcie bruzdy lufy wykonuje się przy pomocy trzpienia rozprężającego.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że element chłodzący wytwarza się z metalu o wysokiej przewodności cieplnej, np. miedzi.