專利名稱：生產用于火法冶金反應器的冷卻元件的方法和冷卻元件的制作方法
生產用于火法冶金反應器的冷卻元件的方法和冷卻元件本發(fā)明涉及火法冶金反應器的冷卻元件，所述火法冶金反應器例如為鼓風爐和類似的用于生產與精煉金屬或金屬合金的設備。這樣的反應器的用途的最大的領域是鋼的制造?；鸱ㄒ苯鸱磻靼ㄍǔＳ射撝瞥傻姆磻魅萜?、被布置在反應器容器內部并且緊貼其壁的冷卻元件、以及形成反應器的內表面的耐火層。耐火層由磚或被涂布在冷卻元件的表面上的流動的耐火材料(flowing refractory material)或二者制成。如果使用流動的耐火材料，那么冷卻元件被嵌入碳材料內，并且碳化硅可以被用于進一步的保護。當使用磚時，冷卻元件可以是面向爐內部的平坦且寬闊的板。這些冷卻元件具有用于將磚附接于元件的交叉的凹槽。當冷卻元件被附接于反應器容器時，凹槽和磚層一樣水平地延伸。除了上文提到的元件之外，反應器容器還包括用于將金屬材料、燃料、空氣、氧氣或保護氣體以及添加劑引入反應器的通路和工具，全部根據使用反應器的工藝。在火法冶金工藝中反應器的耐火層被水冷的冷卻元件保護，使得由于冷卻而使到達耐火表面的熱通過冷卻元件傳遞至水，由此內襯的磨損相比于不被冷卻的反應器被顯著地減少。減少的磨損是由冷卻效果導致的，這導致形成所謂的自生內襯，自生內襯固定于耐熱內襯的表面。這種內襯由熔渣和從熔融相沉淀的其他物質形成。常規(guī)地，冷卻元件以兩種方式被制造主要地，元件可以通過砂型鑄造被制造，其中由高度熱傳導材料例如銅制造的冷卻管被設置在由砂形成的模具中，并且在圍繞管的鑄造期間被空氣或水冷卻。被圍繞管鑄造的元件也具有高度熱傳導材料，優(yōu)選銅。這種類型的制造方法在例如英國專利號1386645中被描述。這種方法的一個問題是，用作冷卻通道的管路不均勻地附接到圍繞著該管路的鑄造材料。因為這一點，管中的某些可能完全沒有被圍繞其鑄造的元件，并且管的一部分可能被完全地熔化并且因此受損。如果在冷卻管和圍繞該冷卻管的鑄造元件的其余部分之間沒有形成金屬鍵，那么熱傳遞將不是高效率的。 再次地，如果管路完全地熔化，那么這將阻止冷卻水的流動。鑄造材料的鑄造性質可以被改進，例如通過將磷和銅混合以改進在管路和鑄造材料之間形成的金屬鍵，但是在那種情況下，即使是小量的添加，銅的熱傳遞性質(導熱性)也會被顯著地削弱。這種方法的值得提到的一個優(yōu)點是，相對低的制造成本和獨立于尺寸。另一種制造的方法被使用，由此通道形狀的玻璃管路被設置到冷卻元件模具中。 玻璃在鑄造之后被打碎，以形成元件內部的通道。當使用砂型鑄造時，每個塊必須通過X射線照相術來檢驗，以保證抵抗氣體或液體泄漏的緊固性。這是強制性的，因為如果冷卻水逃逸至爐，那么破壞可能是毀滅性的。然而，100%的質量控制和X射線照相術相當大地增大了成本。美國專利4，382，585描述了另一種被很多地使用的制造冷卻元件的方法，根據這種方法，元件例如由軋制的銅板通過在該鋼板中機加工出必需的通道而被制造。以這種方式制造的元件的優(yōu)點是，其致密的高強度的結構以及良好的從元件向冷卻介質例如水的熱傳遞。缺點是，由于尺寸限制和高成本而導致的有限的大小?，F有技術中的熟知的方法是，通過例如連續(xù)鑄造——即貫穿模具的粉漿澆注——而鑄造出中空的輪廓來制造用于火法冶金反應器的冷卻元件?？v長的洞可以通過心軸而被形成于元件。元件由高度熱傳導的金屬例如銅制造。這種方法的優(yōu)點是致密的鑄造結構、 良好的表面質量，并且被鑄造的冷卻通道給予良好的從元件向冷卻介質的熱傳遞，使得沒有阻止熱傳遞的效應發(fā)生，尤其是從反應器傳遞至冷卻元件的熱是在沒有任何直接地針對通道的表面以及針對冷卻水的過多熱傳遞阻力的情形下被傳遞。冷卻通道的橫截面是大體上圓形或卵形的，并且心軸具有平滑的表面。這種類型的冷卻通道在美國專利5，772，955 中提到。然而，為了改進冷卻元件的熱傳遞能力，優(yōu)選的是增大元件的熱傳遞表面積。這可以通過增加流動通道的壁表面積而不增大直徑或增加長度來完成。冷卻元件流動通道的壁表面積可通過在鑄造期間在通道壁中形成凹槽或通過在鑄造之后在通道中機加工出凹槽或螺紋以使得通道的橫截面保持為本質上圓形或卵形來增大。因此，對于相同量的熱，在水和流動通道壁之間所需要的溫度差異較小以及甚至更低的冷卻元件溫度。這種方法在 W0/2000/037870 中被描述。本發(fā)明的目的是提供制造用于火法冶金反應器的冷卻元件的新方法以及根據該方法制造的新的冷卻元件。此外，本發(fā)明的目的是創(chuàng)造出對于生產更具成本效益的冷卻元件。此外，本發(fā)明的一個實施方案的目的是生產與已知的元件相比使用較少材料的冷卻元件。本發(fā)明的一個實施方案的目的是減少為了生產冷卻元件而需要的機加工。本發(fā)明基于以下方面冷卻元件的至少一個冷卻通道由被彎曲為開放環(huán)路的管材料形成，并且管的每個端配備有用于冷卻介質的連接器以及用于將管附接于火法冶金反應器的壁的工具。根據本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案，冷卻元件包括一個冷卻通道。根據本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案，冷卻元件包括被平行地布置的兩個冷卻通道，使得通道中的一個通道形成外通道并且通道中的第二個通道被嵌套在外通道的環(huán)路內。根據本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案，至少一個冷卻通道的端通過鋼束縛件(steel tie)而結合在一起。更具體地，根據本發(fā)明的冷卻元件以及用于制造該冷卻元件的方法的特征由獨立權利要求中所示出的內容來體現。本發(fā)明的實施方案提供了實質性的益處。元件更容易制造并且不需要鑄造或過多的機加工。因為元件由管形成，所以實現了材料的相當大的節(jié)約。在砂型鑄造的或被機加工的元件中，元件形成板，其中在冷卻通道之間的空間被形成冷卻通道的相同材料填充。在根據本發(fā)明的元件中，形成冷卻通道的壁的高成本的材料僅在為給冷卻通道生產足夠堅固的壁時被需要。余留在一個或多個冷卻通道的環(huán)路內部的空間可以被用于給爐做內襯的相同的石墨材料填充?，F在，對于單一環(huán)路冷卻元件來說，所需要的材料的量與被鑄造或被機加工的冷卻元件相比可以被減少至一半，并且對于雙環(huán)路元件來說節(jié)約量也是相當大的。因為冷卻元件通常由非常高成本的銅制成，所以材料成本的任何節(jié)約提供了競爭優(yōu)勢。
根據本發(fā)明的冷卻元件可以被非常迅速地制造，由此元件可以被在短交貨時間內根據訂貨制造。交貨時間可以被減少一半。這減少了對在制造商和使用者二者處的儲存的元件的需要，并且使對到來的訂貨的迅速的反應成為可能。因為冷卻元件由本身不透氣的管材料制成，所以質量控制是容易的并且樣品測試僅需要用于檢驗質量滿足所設置的標準。質量是更高的并且?guī)缀醪蛔兓?，因為制造過程是更可預測的并且使用了與例如砂型鑄造相比容易實施的方法?，F在基于以下的實施例和所附的附圖來更詳細地描述本發(fā)明。

圖1示出了根據本發(fā)明的冷卻元件的一個實施方案。圖2示出了本發(fā)明的一個可選擇的實施方案。圖3和4示出了本發(fā)明的第二和第三可選擇的實施方案。在下文中，為了簡單，爐被用作火法冶金反應器的實例。本發(fā)明涉及穿過爐的壁中的狹縫而被插入爐的內部的冷卻元件。這樣的元件包括通常由銅制成的板狀的主體、至少一個在板內形成的冷卻通道、以及用于將冷卻元件附接于爐的壁的工具。冷卻元件的與附接工具相反的端指向爐的中央。該端或末端在內襯材料的表面處延伸并且形成主要的熱傳遞表面。冷卻元件可以在某種程度上從內襯表面延伸至爐內部，但是應當被內襯材料覆蓋以保護銅材料不受腐蝕和磨損。在爐的內表面上形成的自生內襯(autogenic lining)進一步保護冷卻元件。在圖1中示出的實施方案具有一個冷卻通道1，冷卻通道1由具有矩形的外橫截面和圓形的內橫截面的管制成。管已經被彎曲為具有兩個彎曲約90°的彎曲部的U形開放環(huán)路。環(huán)路的腿部8、9具有相同的長度。腿部的端被附接于鋼束縛件3。鋼束縛件3可以通過任何提供不透氣接縫的方法而被接合或附接于冷卻通道1。優(yōu)選的接合方法是焊接，但是可以使用其他的像形成壓制、 鍛造、軟焊或甚至螺紋附接的方法。束縛件3可以是具有像圖1中的開放中央的環(huán)，或其可以是具有用于冷卻通道的腿部8、9的開口的板。在冷卻通道1的環(huán)路內部的區(qū)域被石墨5 填充，石墨5還被用于填充在束縛件3內部的空間，如果使用形成環(huán)的束縛件的話。該區(qū)域也已經被密封為不透氣的，以防止任何從鼓風爐或任何其他的使用冷卻元件的火法冶金反應器的泄漏。中央的填充可以在冷卻元件的制造期間或在安裝期間被完成。填充物5可以是石墨或任何合適的被用于形成反應器容器或爐的內襯的物質，如果其不是熱密封的話。 石墨或其他的填充物代替以前所已知的冷卻器元件的銅材料。因為其是輕的、導熱良好的、 并且是相對低成本的，所以這種特點能節(jié)約材料，提供更輕的重量以及更好的或至少相當高的導熱性。束縛件4具有例如通過焊接被附接在其中部的設置有洞的把手。把手可以用于在組裝和運輸期間支撐冷卻元件以及用于將元件從爐的壁拉出來。當冷卻元件被安裝在爐上時，U形環(huán)路的底部部分被首先推動穿過爐壁中的洞。 為了輔助穿過洞的安裝，冷卻元件1的在束縛件3的側的厚度(Si)比在環(huán)路的底部的厚度 (s2)大。環(huán)路在束縛件3的側也比在環(huán)路的底部寬。因此，在兩個方向上形成楔形狀，使冷卻元件的安裝更容易。這種特點對于元件的操作來說不是必需的，但是可能對于使用者的更容易且更快的安裝是非常需要的。在交叉的方向上形成楔形狀易于通過機加工來制造。冷卻元件通過焊接被附接在爐的壁上。當使用在本申請中描述的束縛件3時，基本上有兩種方式來這樣做。束縛件3可以形成為在爐壁中的洞上的軸環(huán)并且束縛件被焊接在洞的邊緣上，或束縛件的外表面可以被控制尺寸以裝配入洞中并且洞的邊緣被圍繞束縛件3焊接。在圖1中(也在圖3中)示出的束縛件適合于兩種應用，但是優(yōu)選用于第一個選擇。在壁表面上的焊接提供了相對于壁的非常精確的安裝，但是不能調整冷卻元件在深度方向的位置。本冷卻元件和用于安裝的方法可以被用于制造新爐的冷卻系統(tǒng)，以代替和修復整體的冷卻系統(tǒng)或修理。其適合于代替相似類型的冷卻元件，以增加在所發(fā)現的熱點處的冷卻能力或代替受損的板式冷卻器。冷卻通道1能夠以多種方式來制造。一個優(yōu)選的方法是使用具有期望的外橫截面和內橫截面的被連續(xù)地鑄造的輪廓。這樣的橫截面不被本發(fā)明限制，并且可以被制造成滿足顧客偏好和要求。甚至可以設想，輪廓的內表面具有用于增大熱傳遞速率的肋部或其他延伸部。然而，這些肋部可能導致難以使輪廓彎曲。被連續(xù)地鑄造的輪廓固有地是不透氣的，并且具有不變化的良好的材料性質。因此其是用于冷卻通道的良好的材料并且不需要對泄漏檢查。為了制造冷卻通道1，具有期望的形式的鑄造輪廓被切割為長度段，并且被彎曲以形成具有期望的形式的開放環(huán)路。上文示出的U形狀適合于代替現有的冷卻元件。如果楔形式是所期望的，那么通道必須據此來機加工。在某些情況下，軋制或壓制可以被設想以制造楔形式。在交叉的方向上，通過控制彎曲部6、7的程度而使楔形式容易地形成。輪廓的彎曲可以被冷地或熱地進行。當冷卻通道已經被彎曲時，其與束縛件3接合并且冷卻通道環(huán)路的內部被石墨或其他的合適的填充材料填充，如果這是期望的話。冷卻通道必須能夠參與冷卻介質循環(huán)。這可以通過在冷卻通道的端處機加工或形成所期望類型的聯接來提供。這可以在彎曲之前或在彎曲之后的任何階段進行。所使用的聯接可以是最簡便的螺紋接合、硬性聯軸節(jié)、任何類型的管聯接或焊縫。用于聯接的工具由參考數字17描繪。通道1的端可以在本文中表示為例如待被焊接的接合部。代替被連續(xù)地鑄造的輪廓，輪廓可被制造成通過擠壓形成的輪廓或其中具有通過鉆孔而制造的洞的輪廓。一個與鉆孔有關的問題是，大量的材料必須被除去。然而，這種材料可以被容易地回收利用，以用于新的預制造。在另一方面，大量的坯料材料可以被用于制造這樣的被鉆孔的輪廓，例如它們可以通過從較寬的被連續(xù)地鑄造或以其他方式制造的坯料切割來制造。在圖2中的實施方案中，連接冷卻通道1的腿部8、9的束縛件3與不同類型的束縛件3接合。該束縛件比圖1中的束縛件寬并且還薄。如果其被安裝在爐的壁中的洞中的話，則這種類型的束縛件是優(yōu)選的。束縛件3的寬度使得能夠調整進行接合焊接的位置?，F在焊接可以在束縛件3的寬度上的任何地點被進行，因此提供了冷卻元件的坐落深度的調離
iF. ο上文描述的元件的冷卻效果可以通過使用如圖3和4中所示的兩種冷卻通道被增大。外通道11被形成和安裝在如上文描述的束縛件3上。內通道12以相似的方式被形成， 但是其被彎曲使得其可以裝配在外通道11內部并且在外通道11的腿部之間。在此處，內 (第二)通道12的腿部15、16和彎曲部被控制尺寸，使得內通道12的腿部15、16的外表面和U形狀的彎曲部與外通道的相應的內表面接觸。在彎曲部，具有某些可以被填料材料填充的自由空間。通道11、12可以被布置為如本文所示的接觸彼此，或它們可以被布置為彼此不接觸。最佳的布置取決于實現更高冷卻效果的方式，這進一步取決于所使用的填料材料的類型。通道可以在一個或多個點中接觸、可被布置為在整個長度上接觸、或被布置為使得內通道不接觸外通道。圖3的實施方案使用圖1的束縛件，并且圖4的實施方案使用圖 2的束縛件。冷卻元件根據期望的冷卻效果被控制尺寸，這限定了冷卻水(或較少情況下的其他介質)的體積速率，這進一步限定了冷卻通道的橫截面必須具有多大的尺寸。使用兩個冷卻通道來增大冷卻效果，但是使用三個或更多個通道不是優(yōu)選的，因為冷卻效果的增大與增大的材料消耗相比是小的。優(yōu)選的是，代替地使用更多個冷卻元件。作為實施例，根據本發(fā)明的冷卻元件的典型的尺寸可以是500X 500mm，外冷卻元件的面向爐的壁的厚度約為 25mm。在上文中，冷卻通道的U形的形式已經被用于描述本發(fā)明。本發(fā)明不限于任何具體的形狀。僅有的限制是所使用的輪廓可以被彎曲成什么類型的形狀。當然，鼓風爐和其他類型的火法冶金反應器的制造商具有他們自己的冷卻系統(tǒng)設計，并且冷卻元件的形狀和尺寸必須據此來設計。優(yōu)選的用于冷卻通道的材料是銅及其合金，并且優(yōu)選的用于束縛件鋼的材料根據環(huán)境的要求來選擇。因此，雖然已經示出和描述以及指出了本發(fā)明的如被應用于其優(yōu)選實施方案的基本的新穎性特征，但是將理解，本領域的技術人員可以在本發(fā)明的形式和細節(jié)上作出各種省略和置換以及變化，而不偏離本發(fā)明的精神。例如，明確涵蓋的是，這些元件和/或方法步驟的所有的實現實質上相同結果的組合都在本發(fā)明的范圍內。將元件從一個被描述的實施方案替換成另一個也被完全地涵蓋和設想。還將理解的是，附圖不一定是按比例繪制的， 而是它們僅僅是在本質上設想的。因此，涵蓋的是，其僅受到附于本文的權利要求的范圍所表明的范圍限制。
權利要求
1.一種制造用于火法冶金反應器的冷卻元件的方法，所述方法包括 -提供具有兩個端的至少一個冷卻通道(1)，-為所述冷卻通道(1)的每個端提供用于冷卻介質的連接工具(17)， -將至少一個冷卻通道(1)與用于將所述冷卻通道(1)連接于火法冶金反應器的壁的工具接合，其特征在于，-形成具有外橫截面和內橫截面的至少一個管，以及-將所述至少一個管彎曲為開放環(huán)路，以形成至少一個冷卻通道，所述冷卻通道的端可接合于用于將所述冷卻通道(1)連接于火法冶金反應器的壁的所述工具。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過連續(xù)鑄造形成至少一個管。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過將坯料鉆孔來形成至少一個管。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過擠壓來形成至少一個管。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，至少一個冷卻通道(1)的所述端通過鋼束縛件(3)而結合在一起，所述鋼束縛件(3)形成用于將所述冷卻通道(1)連接于火法冶金反應器的壁的所述工具。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述冷卻通道由銅或其合金制成。
7.一種用于火法冶金反應器的冷卻元件，所述元件包括 -具有兩個端的至少一個冷卻通道(5)，-在所述冷卻通道(1)的每個端處用于冷卻介質的連接工具(17)，以及 -用于將所述冷卻通道(1)連接于火法冶金反應器的壁的工具， 其特征在于，所述至少一個冷卻通道(1)是被彎曲以形成開放環(huán)路的管，并且所述冷卻通道(1)的所述端被附接于用于將所述冷卻通道(1)連接于火法冶金反應器的壁的工具。
8.根據權利要求7所述的冷卻元件，其特征在于，所述冷卻通道(1)由銅或其合金制成。
9.根據權利要求7或8中任一項所述的冷卻元件，其特征在于，至少一個冷卻通道由連鑄銅制成。
10.根據權利要求7-9中任一項所述的冷卻元件，其特征在于，至少一個冷卻通道(1) 由通過將坯料鉆孔而形成的管制成。
11.根據權利要求7-10中任一項所述的冷卻元件，其特征在于，至少一個冷卻通道由擠壓管制成。
12.根據權利要求7-11中任一項所述的冷卻元件，其特征在于，至少一個冷卻通道具有在內部的延伸部，例如肋部。
13.根據前述權利要求7-12中任一項所述的冷卻元件，其特征在于，所述元件包括一個冷卻通道(1)。
14.根據前述權利要求7-12中任一項所述的冷卻元件，其特征在于，所述元件包括被平行地布置的兩個冷卻通道(11、12)，使得所述通道中的一個通道形成外通道(11)并且所述通道中的第二個通道(1 被嵌套在所述外通道的環(huán)路內。
15.根據前述權利要求7-14中任一項所述的冷卻元件，其特征在于，至少一個冷卻通道(1)的所述端通過鋼束縛件(3)而結合在一起，所述鋼束縛件(3)形成用于將所述冷卻通道(1)連接于火法冶金反應器的壁的所述工具。
全文摘要
用于火法冶金反應器的冷卻元件(2)和制造該元件的方法，其中首先提供至少一個具有兩個端的冷卻通道(1)。冷卻通道(1)的每個端具有用于冷卻介質的連接工具(17)，并且至少一個冷卻通道(1)被連接工具連接于火法冶金反應器的壁。此外，至少一個具有外橫截面和內橫截面的管被形成，并且該管被彎曲為開放環(huán)路，以形成至少一個冷卻通道，所述至少一個冷卻通道的端可接合于用于將冷卻通道(1)連接于火法冶金反應器的壁的工具(3)。
文檔編號F27D1/00GK102414329SQ200980159030
公開日2012年4月11日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權日2009年5月6日
發(fā)明者圖奧馬斯·倫福什, 帕西·蘭涅, 阿里·萊赫托拉 申請人:盧瓦塔埃斯波公司