PL196439B1 - Sposób wytwarzania złożonego elementu chłodzącego dla strefy topnienia reaktora hutniczego oraz złożony element chłodzący wytworzony przy pomocy wspomnianego sposobu - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania z lo zonego elementu ch lodz acego dla strefy topnienia w reaktorze hutniczym, znamienny tym, ze element jest wytwarzany poprzez polaczenie elementów ok ladziny ceramicznej ze sob a poprzez odlew miedziany oraz uformowanie w tym samym czasie, z ty lu ok ladziny p lytki miedzianej zaopa- trzonej w kana ly dla wody ch lodz acej. 13. Z lozony element ch lodz acy dla strefy topnienia reaktora hutniczego, znamienny tym, ze elementy ok ladziny ceramicznej elementu (1) s a po laczone ze sob a oraz z p lytk a mie- dzian a (5) znajduj ac a si e za ok ladzin a, wypo- sa zon a w kana ly (6) dla wody ch lodz acej, za pomoc a odlewu miedzianego. PL PL PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196439 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 351875 ⁽¹³⁾ (22) Data zgłoszenia: 12.05.2000 ^{(51) Int.Cl.}

F27B 1/24 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: C21B 7/10 (2006.01)

12.05.2000, PCT/FI00/00431 F27D 9/00 (2006.01) (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

07.12.2000, WO00/73514 PCT Gazette nr 49/00 ₍₅₄₎ Sposób wytwarzania złożonego elementu chłodzącego dla strefy topnienia reaktora hutniczego ⁽⁵⁴⁾ oraz złożony element chłodzący wytworzony przy pomocy wspomnianego sposobu

	(73) Uprawniony z patentu:
(30) Pierwszeństwo:	OUTOKUMPU TECHNOLOGY OY,Espoo,FI
26.05.1999,FI,991191	(72) Twórca(y) wynalazku:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Ilkka Kojo,Masala,FI
30.06.2003 BUP 13/03	Risto Saarinen,Espoo,FI Ari Jokilaakso,Espoo,FI
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.01.2008 WUP 01/08	(74) Pełnomocnik:
	Tadeusz Szalkiewicz, PATPOL Sp. z o.o.

⁽⁵⁷⁾ 1. Sposób wytwarzania złożonego elementu chłodzącego dla strefy topnienia w reaktorze hutniczym, znamienny tym, że element jest wytwarzany poprzez połączenie elementów okładziny ceramicznej ze sobą poprzez odlew miedziany oraz uformowanie w tym samym czasie, z tyłu okładziny płytki miedzianej zaopatrzonej w kanały dla wody chłodzącej.

13. Złożony element chłodzący dla strefy topnienia reaktora hutniczego, znamienny tym, że elementy okładziny ceramicznej elementu (1) są połączone ze sobą oraz z płytką miedzianą (5) znajdującą się za okładziną, wyposażoną w kanały (6) dla wody chłodzącej, za pomocą odlewu miedzianego.

PL 196 439 B1

Opis wynalazku

Wynalazek odnosi się do sposobu wytwarzania złożonego elementu chłodzącego dla strefy topienia reaktora hutniczego, gdzie element jest wytwarzany poprzez połączenie ceramicznych części okładzin ze sobą miedzianym odlewem i uformowanie tym samym płytki miedzianej zaopatrzonej w kanały dla wody chłodzącej, umieszczone za okładziną. Wynalazek odnosi się również do złoż onych elementów chłodzących wytworzonych tym sposobem.

Ogniotrwałość reaktorów w procesach pirometalurgicznych zapewniona jest dzięki chłodzonym wodą elementom chłodzącym, w taki sposób, że w efekcie chłodzenia ciepło docierające do powierzchni ogniotrwałej jest przekazywane poprzez element chłodzący do wody, dzięki czemu zużycie okładzin jest znacząco zmniejszone w porównaniu do niechłodzonego reaktora. Zmniejszone zużycie spowodowane jest efektem chłodzenia, do którego doprowadza formowanie okładzin zwanych autogenicznymi, które są przymocowane do powierzchni okładziny odpornej na ciepło, i które uformowane są z żużlu i innych substancji wytrącających się w fazach roztapiania.

Zazwyczaj elementy chłodzące wytwarzane są na trzy sposoby: po pierwsze elementy mogą być wytworzone poprzez odlew w formie piaskowej, gdzie rury chłodzące wykonane z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, takiego jak na przykład miedź, są ustawione w formie piaskowej i chł odzone są powietrzem lub wodą podczas wykonywania odlewu dookoł a rur. Element odlewu dookoła rur jest także wykonany z materiału o wysokiej przewodności cieplnej, zazwyczaj miedzi. Tą metodę wytwarzania opisuje patent Wielkiej Brytanii nr 1386645. Jednym z problemów jakie napotyka ten sposób jest nierówne przyleganie rur działających jako kanały chłodzące do odlewanego otaczającego je materiału. Niektóre z rur mogą zupełnie nie mieć kontaktu z elementem odlewanym, a część rur moż e ulec cał kowitemu stopieniu, a co za tym idzie stopić się z odlewanym elementem. Jeżeli nie wystąpi żadne wiązanie metaliczne pomiędzy rurą chłodzącą i resztą odlewanego elementu otaczającego ją, przesyłanie ciepła nie będzie efektywne. Jeżeli rura ulegnie natomiast całkowitemu stopieniu zatrzymany zostanie przepływ wody chłodzącej. Zaletami tej metody są relatywnie niskie koszty wytwarzania oraz niezależność od wymiarów.

Innym sposobem wytwarzania elementu chłodzącego w typie sposobu wspomnianego powyżej, jest wytwarzanie elementów w odlewie w formie piaskowej z użyciem rur chłodzących wykonanych z materiał u innego niż miedź . Miedź jest odlewana wokó ł rur w formie piaskowej, a nastę pnie dzięki przegrzaniu odlewanej miedzi osiągnięty zostaje dobry kontakt pomiędzy miedzią i rurami. Jakkolwiek, ogólnie rzecz ujmując, przewodność cieplna wspomnianych rur jest tylko na poziomie 5-10% przewodności czystej miedzi. Osłabia to zdolność chłodzenia elementów, szczególnie w przypadkach dynamicznych.

Patent Stanów Zjednoczonych nr 4,382,585 opisuje inny, znacznie częściej stosowany sposób wytwarzania elementów chłodzących, według którego element wytwarzany jest z walcowanej lub kutej płytki miedzianej, poprzez wykonanie w niej niezbędnych kanałów. Zaletą tak wykonanego elementu jest jego zwarta, silna struktura i dobra przewodność ciepła pomiędzy elementem, a medium chłodzącym, na przykład wodą. Wadami są ograniczenia wielkościowe oraz wysokie koszty.

Największą słabością elementów chłodzących wykonanych w opisany wyżej sposób jest trudność w zachowaniu dobrego kontaktu w fazie dopasowywania pomiędzy ceramiczną okładziną, aby zabezpieczyć (ognioodporną wykładzinę) oraz element. Oznacza to, że efekt zabezpieczania ceramicznej okładziny przez element chłodzący zależy w dużej mierze od właściwego dopasowania i bardzo często niemożliwe jest wykorzystanie w pełni wszystkich właściwości elementu.

Sposób, według wynalazku, zapewnia metaliczny kontakt pomiędzy ceramiczną okładziną reaktora metalurgicznego i miedzianą płytką, umieszczoną za okładziną, wyposażoną w kanały wody chłodzącej, które razem tworzą element chłodzący. Wydaje się, ze jest to najlepsze rozwiązanie, kiedy ceramiczna okładzina, jak na przykład ognioodporne wypalane cegły połączone są przy pomocy odlewu z roztopionej miedzi, wypełniającego przerwy między cegłami, a w tym samym czasie odlana jest miedziana płytka z tyłu powierzchni tworzonej przez okładzinę ceramiczną. Tylna miedziana płytka wyposażona jest w kanały dla wody chłodzącej, najlepiej podwójne kanały. Wynalazek odnosi się także do złożonego elementu chłodzącego jako takiego, z częścią powierzchniową wykonaną z cegieł ceramicznych, pomiędzy które odlewa się miedź o wysokiej przewodności cieplnej i gdzie płytka miedziana wyposażona w kanały dla wody chłodzącej odlewana jest w tym samym czasie z tyłu części powierzchniowej. Dokładne cechy podane zostały w zastrzeżeniach patentowych.

PL 196 439 B1

W praktyce element chłodzący wytworzony jest w taki sposób, że miedź odlana jest dookoła wypalanych ceramicznych cegieł tak, że cegły ceramiczne są w dużej mierze formowane w trakcie odlewania, co zapewnia dobry kontakt z miedzianym odlewem. Ze względu na wysoką przewodność cieplną miedzi, ochrona jaką zapewniają miedziane połączenia pomiędzy cegłami jest efektywna. Dzięki temu ciepło nie jest przekazywane niepotrzebnie, połączenia z miedzi pomiędzy cegłami są tak cienkie jak to możliwe, preferuje się z powodów technicznych grubość od 0,5 do 2 cm. Jeżeli połączenia byłyby jeszcze cieńsze przewodziłyby zbyt wiele ciepła z powierzchni do cieczy chłodzącej, niepotrzebnie zwiększając straty ciepła i koszta całej operacji. Preferowana zawartość miedzi w części powierzchniowej elementu chłodzącego (części skierowanej do wewnątrz reaktora) w stosunku do okładziny ceramicznej wynosi maksymalnie 30% części powierzchniowej. Oznacza to, że ilość materiału użytego do połączeń nie powinna być zbyt duża, ponieważ celem nie jest zwiększenie strat ciepła, a ochrona cegieł .

Jako materiał na okładziny ceramiczne używa się wypalanych cegieł, ponieważ posiadają dobre właściwości do stosowania przy wytopach hutniczych. Miedź posiada wysoką przewodność elektryczną, najlepiej wyższą niż 85%, istnieje bowiem prosta zależność pomiędzy elektrycznym i cieplnym przewodnictwem miedzi.

Podczas gdy cegły są łączone ze sobą odlewana jest płytka miedziana umieszczona za okładziną ceramiczną, w której wykonane są kanały dla wody chłodzącej. Kanały wykonane są jako podwójne kanały rurowe w tylnej części elementu i uformowane są w miedzianej płytce na przykład poprzez wiercenie. Najpierw wywiercana jest zewnętrzna rura ze ściankami profilowanymi celem zwiększenia powierzchni przesyłającej ciepło. Wewnętrzna rura o mniejszej średnicy umieszczona jest wewnątrz rury zewnętrznej, a woda dostarczana jest przez rurę wewnętrzną do elementu i usuwana przez profilowaną rurę zewnętrzną. Powierzchnia ścianek przesyłająca ciepło zwiększana jest ponad dwukrotnie w porównaniu do gładkiej powierzchni, dzięki zastosowaniu profilowania wewnętrznych ścianek rury w kształcie rowków, żłobień, gwintów i innych.

Kanały wykonane są w elemencie przesyłającym ciepło, tak, że odległość pomiędzy kanałami wynosi od 0,5 do 1,5 razy średnica kanału i jest stałą częścią elementu. Jeżeli kanały będą wykonane bliżej siebie, nie przyniesie to zysku, bowiem powierzchnia przesyłająca ciepło zostanie niepotrzebnie wykorzystana, a struktura elementu ulegnie osłabieniu. Z drugiej strony jeżeli kanały zostaną wykonane w większej odległości od siebie powierzchnia przesyłu ciepła nie będzie wykorzystana i zmniejszona zostanie zdolność chłodząca.

Jak wspomniano powyżej wewnętrzna rura umieszczona jest wewnątrz każdej wywierconej rury w elemencie przesył ają cym ciepło, poprzez którą woda chł odzą ca doprowadzana jest do elementu. Z wewnętrznej rury woda wypływa kanałem w kształcie pierścienia uformowanym przez wewnętrzne i zewnętrzne rury do cyrkulacji. Struktura podwójnych rur zapewnia redukcję przepływu w polu przekroju poprzecznego tak, że osiąga on wyższą wartość przy tej samej ilości wody, w porównaniu z zastosowaniem tylko jednej rury. Wyższa wartość przepływu ma z kolei znaczący pozytywny wpływ na przesyłanie ciepła pomiędzy elementem a wodą. Jeżeli powierzchnia przesyłu ciepła będzie optymalizowana z zastosowaniem konwencjonalnych gładkich rur taki wzrost powierzchni przesyłu ciepła nie zostanie osiągnięty, ponieważ trzeba by użyć nadmiernie dużej ilości wody.

Elementy przesyłające ciepło są połączone ze sobą ściśle dzięki wypustom i rowkom wykonanym na bokach elementów i zachodzącym na siebie tak, że szczeliny na przylegających elementach tworzą labirynt.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 ukazuje element przekazujący ciepło widziany z przodu, fig. 2 - element przekazujący ciepło w przekroju poprzecznym, fig. 3 - inny element przekazujący ciepł o wedł ug wynalazku w przekroju poprzecznym oraz fig. 4 - wykres obrazujący straty ciepła w funkcji ilości miedzi zawartej w powierzchni ceramicznej.

Figury 1 i 2 pokazują, że powierzchniowa część elementu przesyłającego ciepło 1, innymi słowy ścianka skierowana do wewnątrz reaktora utworzona jest z ceramicznej okładziny 2. Z kolei okładzina ta uformowana jest z, na przykład, wypalonych cegieł 3, które połączone są ze sobą odlewem miedzianym stanowiącym materiał połączeniowy 4 pomiędzy cegłami, tak aby stosunek materiału połączeniowego do powierzchni ceramicznej wynosił maksymalnie 30 do 70. Podczas gdy cegły łączone są ze sobą tworząc jednolitą ceramiczną okładzinę, odlewana jest płytka miedziana 5, umieszczona z tyłu okładziny, w której wykonywane są kanały chłodzące 6. Aby połączyć chłodzące elementy ze sobą krawędź jednego z elementów może być cieńsza, a elementy umieszczone tak, aby zachodziły

PL 196 439 B1 na odpowiadające im inne elementy. Innym sposobem jest wyposażenie elementów w występy i rowki (połączenie typu występ-rowek) celem otrzymania ścisłego kontaktu tak, że złożenie elementów ze sobą powoduje powstanie trwałego połączenia.

Figura 2 ukazuje także preferowane rozwiązanie z zastosowaniem podwójnych rur, gdzie w elemencie wywiercany jest otwór 7, który stanowi zewnętrzną rurę, a powierzchnia wspomnianej rury jest profilowana celem uzyskania większego przepływu w polu przekroju poprzecznego. Rura wewnętrzna 8 o mniejszej średnicy umieszczona jest wewnątrz rury zewnętrznej, a woda chłodząca dostarczana jest do elementu poprzez wspomnianą rurę wewnętrzną. Rura wewnętrzna nie sięga końca rury zewnętrznej, ale pozostaje krótsza, a woda chłodząca przepływa w przestrzeni w kształcie pierścienia wokół rury wewnętrznej z powrotem do tego samego końca, skąd wpłynęła rurą wewnętrzną i wypływa przez wylot 9. Powierzchnia przekroju przestrzeni w kształcie pierścienia jest taka sama jak rury wewnętrznej, albo najlepiej mniejsza, tak aby zwiększać przepływ w rurze zewnętrznej. Kiedy wzrasta strata ciśnienia w obszarze przesyłu ciepła ma to również znaczenie zapobiegające miejscowemu wrzeniu wody.

W niektórych sytuacjach zaletą moż e być inne rozplanowanie chł odzenia w chł odzonym elemencie, niż wspomniane powyżej rozwiązanie dwururowe, na przykład poprzez wiercenie i łączenie bez stosowania podwójnych rur. Również i w tym przypadku zaleca się stosowanie tego samego stosunku miedzi do okładziny ceramicznej wynoszącego 30/70.

Figura 3 jest innym alternatywnym przykładem wykonania złożonego elementu. Kiedy miedź konwertorowa wytwarzana jest w reaktorze hutniczym, nie jest konieczny bezpośredni kontakt miedzi użytej do połączenia elementów chłodzących z miedzią wytwarzaną, ponieważ ich temperatura topnienia jest taka sama. Pomimo chłodzenia miedź w elemencie chłodzącym może ulec stopieniu lub utworzyć warstwę na powierzchni okładziny ceramicznej, a sytuacja ta jest trudna do kontrolowania. W tym przypadku wi ę ksze korzyś ci przyniesie zastosowanie stali ognioodpornej w charakterze ramy łączącej cegły. Wysokość ramy wynosi od 1 do 3 cm i styka się ona zarówno z ceramicznymi cegłami, jak i z odlewaną miedzią. W ten sposób rama 10 tworzy część powierzchniową połączenia pomiędzy cegłami w elemencie, co ukazuje fig. 3.

Korzystne jest także takie wykonanie ramy w taki sposób, aby na przykład powierzchnia połączeń pomiędzy cegłami, która wchodzi w kontakt z miedzią, była tak uformowana, aby umożliwić roztapianej na jej wierzchu miedzi pozostawanie w szczelinach, które mogą mieć na przykład kształt żebra. Zwiększa to przewodność cieplną powierzchni pomiędzy stalą i miedzią, a także wiąże miedź i stal w sposób bardziej ś cisł y.

Figura 4 ukazuje jak strata ciepła (przepływ ciepła w procentach przepływu ciepła przez zużytą okładzinę) zmienia się w ściance reaktora kiedy proporcja miedzi zmienia się w elemencie przesyłającym ciepło. Strata ciepła w przypadku nienaruszonej okładziny spada prawie liniowo, kiedy stosunek okładziny ceramicznej wzrasta, a całkowita strata ciepła zmniejsza się, aż do momentu, kiedy zawartość miedzi spadnie poniżej 10%, w którym to przypadku nachylenie staje się bardziej strome.

Zazwyczaj okładziny ścianek reaktora zużywają się dzięki połączonemu efektowi działania temperatury i penetracji materiału roztapianego, wzrasta strata ciepła, i spada izolacyjność. Temperatura okładziny chłodzonej tylko z tyłu (0% miedzi) podnosi się tak wysoko, że wzrasta penetracja roztopionego materiału, co umożliwia erozję do momentu, kiedy jedynie cienka warstwa cegieł pozostaje trwała na równi z elementem miedzianym. Kiedy wewnątrz elementu znajduje się miedź temperatura reaktora jest niższa i spada penetracja roztapianego materiału. W tym przypadku strata ciepła spada wraz z redukcją zawartości miedzi w okł adzinie do okreś lonego poziomu (20-30%), po którym strata ciepł a spada stopniowo, aby znów wzrosnąć, kiedy proporcja miedzi spadnie poniżej krytycznego poziomu (około 5%). Jak ukazuje fig. 4 okładzina powinna zawierać maksymalnie 30% miedzi, a optymalna zawartość to od 5 do 15%.

Claims (24)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania złożonego elementu chłodzącego dla strefy topnienia w reaktorze hutniczym, znamienny tym, że element jest wytwarzany poprzez połączenie elementów okładziny ceramicznej ze sobą poprzez odlew miedziany oraz uformowanie w tym samym czasie, z tyłu okładziny płytki miedzianej zaopatrzonej w kanały dla wody chłodzącej.

   PL 196 439 B1
2. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, ż e okładzina ceramiczna wykonana jest z cegły ogniotrwałej.
3. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, ż e kanały dla wody chłodzącej wykonane są poprzez wiercenie.
4. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że profiluje się wewnętrzną powierzchnię kanałów dla wody chłodzącej.
5. 5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wyposaża się kanały dla wody chłodzącej w rury wewnę trzne.
6. 6. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że kanały dla wody chłodzącej w elemencie rozmieszcza się w odległości od 0,5 do 1,5 średnicy kanału.
7. 7. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się miedź o zawartości w części powierzchniowej chłodzącego elementu maksymalnie 30%.
8. 8. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że połączenia z miedzi pomiędzy cegłami ceramicznymi w części powierzchniowej chłodzącego elementu wykonuje się o grubości od 0,5 do 2 centymetrów.
9. 9. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się miedź w elemencie o przewodności elektrycznej przynajmniej 85%.
10. 10. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że okładzinę ceramiczną elementu chłodzącego umieszcza się w stalowej ramie, gdzie rama i część okładziny ceramicznej łączy się z odlewem miedzianym, gdzie rama tworzy połączenie na powierzchni elementu, a miedź tworzy połączenia wewnętrzne oraz miedzianą płytkę za okładziną.
11. 11. Sposób, według zastrz. 10, znamienny tym, że ramę wykonuje się z ognioodpornej stali o gruboś ci od 1 do 3 cm.
12. 12. Sposób, według zastrz. 10, znamienny tym, że w ramie formuje się żebra równolegle do odlewu miedzianego.
13. 13. Złożony element chłodzący dla strefy topnienia reaktora hutniczego, znamienny tym, że elementy okładziny ceramicznej elementu (1) są połączone ze sobą oraz z płytką miedzianą (5) znajdującą się za okładziną, wyposażoną w kanały (6) dla wody chłodzącej, za pomocą odlewu miedzianego.
14. 14. Element chłodzący według zastrz. 13, znamienny tym, że okładziny ceramiczne (2) wykonane są z ogniotrwałej cegły (3).
15. 15. Element chłodzący, według zastrz. 13, znamienny tym, że kanały (6) dla wody chłodzącej w elemencie znajdują się od siebie w odległości od 0,5 do 1,5 średnicy kanału.
16. 16. Element chłodzący, według zastrz. 13, znamienny tym, że kanały (6) dla wody chłodzącej wykonane są poprzez wiercenie.
17. 17. Element chłodzący, według zastrz. 13, znamienny tym, że wewnętrzna powierzchnia kanałów (6) dla wody chłodzącej jest profilowana.
18. 18. Element chłodzący, według zastrz. 13, znamienny tym, że kanały (6) dla wody chłodzącej są wyposażone w rury wewnętrzne (8).
19. 19. Element chłodzący, według zastrz. 13, znamienny tym, że zawartość miedzi w części powierzchniowej chłodzącego elementu wynosi maksymalnie 30%.
20. 20. Element chłodzący według zastrz. 13, znamienny tym, że połączenia wykonane z miedzi pomiędzy cegłami ceramicznymi w części powierzchniowej chłodzącego elementu (1) mają grubość od 0,5 do 2 centymetrów.
21. 21. Element chłodzący według zastrz. 13, znamienny tym, że miedź użyta w elemencie (1) posiada przewodność elektryczną przynajmniej 85%.
22. 22. Element chłodzący według zastrz. 13, znamienny tym, że materiał, z którego wykonane są połączenia części okładziny ceramicznej elementu chłodzącego (1) składa się w części powierzchniowej ze stali, a poza tym materiałem połączeniowym jest odlew miedziany, który również tworzy podczas odlewania miedzianą płytkę z tyłu okładziny.
23. 23. Element chłodzący, według zastrz. 22, znamienny tym, że grubość połączeń wykonanych w części powierzchniowej ze stali ogniotrwał ej wynosi od 1 do 3 cm.
24. 24. Element chłodzący, według zastrz. 22, znamienny tym, że powierzchnia stali ognioodpornej wchodząca w kontakt z miedzią posiada użebrowania.