一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置的制作方法

专利名称：一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种炼铁高炉旋液流态化水冷壁装置，涉及炼铁高炉水冷壁冷却强 化和水垢的在线清洗的装置。它适应于炼铁高炉各种不同结构的水冷器，例如钢铁水冷 壁、铜冷却壁、冷却模块等等，尤其适合不是纯水或软水闭路循环冷却的炼铁高炉水冷 壁，特别是替代炉腰炉腹部位的铜水冷壁。
背景技术：
—座日产铁水量5000 - 10000吨的高炉停炉的大修费用约需6-10亿元人民币(周 渝生、曹传根，铜冷却壁在高炉上的安装和使用[A]，宝钢技术2001, 97—110)。因此， 现代炼铁高炉都追求长寿的高效益。其基本途径是强化水冷壁的冷却效率，已经获得相 当成功的主要技术是以下两类一一是在大型炼铁高炉水冷壁最容易损坏的炉腰和炉腹部位采用的高导热性铜制冷 却壁。由于铜冷却壁冷却能力强，热面温度低，能形成稳定的隔热渣皮层，其厚度在50 mm以上(顾德章，武汉钢铁研究设计院，高炉铜冷却壁的设计及应用探讨，钢铁，2003， 22 (2) l—5)。热面温度通常低于80 。C，所以渣皮形成相当快且具有良好的结构完整 性。(李常性摘译、有福校，高炉铜冷却壁的需水量，武钢技术，2001， (5) 57—59)。 铜水冷壁虽然寿命可以长达15年甚至更长，但是价格昂贵，是铸钢或球铁水冷壁的十 倍左右，需要资金数千万元。例如，2006年底新建的湘潭钢铁公司5号炼铁高炉(2500 ms)的5-8段176块铜冷却壁的重量就是310吨。二是采用纯水或软水密闭循环二次冷却防止水冷壁结垢技术(王大中，马维国、赵 锐锐，高炉密闭循环冷却水系统的设计，工业用水与废水，2000， v31n2pl6 18)。水垢 是影响水冷壁寿命的一个极其重要的因素。1 mm厚的水垢会使水冷壁的冷却能力下降 80%左右，造成50 100 "U的温升(胡源申，袁晓敏，黄达文，马钢300m3高炉灰铸铁 与球墨铸铁冷却壁破损行为比较及长寿对策，钢铁，1999， 34 (增刊)276~ 2781)。 这种软水密闭循环二次冷却系统的防垢效果的确好，但是代价相当高。不仅需要数千万 元装置建造费，运行费用也相当高，并且还存在二次循环水的水-水热交换器的水垢问 题，又使进入高炉水冷却器的循环冷却水的温度较高，影响其冷却效率。发明内容本发明专利针对铜冷却壁和软水密闭循环二次冷却防止水冷壁结垢技术存在的重 大经济性问题，提出一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，既能够以铸钢水冷壁替 代昂贵的铜水冷壁，又能够直接采用工业循环冷却水系统替代软水密闭二次冷却系统， 同样有效地降低水冷壁热面温度，形成完整、稳定的隔热渣皮层，达到适应高冶炼强度 和长寿命的目的，又可以节省大量的建造费，大幅度地降低运行费，具有巨大的技术经 济优越性。本发明专利的技术方案为 一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，由铸钢水 冷壁、进水管线、回水管线、流态化液进口管线、流态化液出口管线、三通阀、粒子、 粒子循环槽等组成。水冷壁通过进水管线、回水管线、流态化液进口管线、流态化液出 口管线、三通阀与粒子循环槽连接形成供排水和流态化清洗系统。铸钢水冷壁由壁体、冷却管、螺旋线、肋板、耐热混凝土构成。铸钢水冷壁的壁 体和冷却管均为含碳量相近的低碳钢或低碳合金钢，两者铸造融合为无间隙的一体，消除 了球铁水冷壁气隙这一影响冷却强度的最大热阻项。冷却管设置在很靠近热面的一侧，壁体热面一侧的厚度(包括冷却管管壁)b,远比传统结构薄，在15 30mm范围。但 是，壁体冷面一侧的厚度(包括冷却管管壁)b2基本上与传统结构一样厚，目的是降低 壁体热变形的拉应力，提高壁体的热疲劳寿命。冷却管为优质低碳钢制造， 一般为20 号钢。冷却管在壁体内形成水冷壁的冷却水流道。冷却管可以是圆形截面，也可以是扁 圆形截面。冷却管内设置有不锈钢钢丝螺旋线。螺旋线螺距T在冷却管内径di的(1.0 2.5)倍的范围，螺旋线外径比管内径小lmm 8mm。螺旋线的功能， 一是对流传热强 化，二是清洗时形成低流速的旋液流态化，不会在流道的水平段、或倾斜角不大的流道 内发生粒子沉积堵塞。数根较大直径的冷却管等间距地排列在同一层圆锥面上，也可以 是数根较小直径的冷却管等间距地排列在另一层的圆锥面上。壁体的内表面的水平截面 形状为波形面，波谷波峰之间的深度b4在30mm 60mm范围，波谷面结构目的之一是 消除两根冷却管之间的热面中心区温度较高的现象，二是对边缘气流起双向、多级节流 的抑制作用。壁体热面一側设计有等间距排列的水平肋板，肋板的高度ba在50 100mm 范围。肋板的作用有四， 一是为了使浇铸的耐热混凝土与壁体结合得更牢固；二是提高 壁体的冷却能力；三是进一步提高挂渣能力，增强渣皮抗外力脱落的能力；四是与波形 面结构共同对边缘气流起双向、多级节流的抑制作用。这种强化型铸钢水冷壁能够替代铜冷却壁的传热学依据，在于热面一冷却水流道 之间它具有与铜冷却壁几乎相同的冷却强度。由传热学基本计算式可以得到冷却强度为《=f=《厶7;-(丄+与+丄)厶7;。按此进行计算比较表明最主要是这种强化水冷壁采用旋液流态化清洗的一次冷却的有效传热温差at;比二次冷却系统的传热温差Ar 大得多， 一般要高邻％以上，尤其在热面形成渣皮以后几乎要髙一倍。其次是由于强化型铸钢水冷壁的In比传统结构大大减薄(一般只需要20mm左右)，传导热阻(！)义可以缩小到铜水冷壁的三倍左右。其三是强化型铸钢水冷壁的螺旋线使冷却流道内的对 流传热强化幅度达到50%左右，使得铜水冷壁的对流传热热阻(1)比这种强化水冷壁大l/3左右。三者综合作用的计算结果比较表明，这种强化水冷壁的冷却强度达到相 当接近二次冷却的铜水冷壁的水平。因此，在这种强化水冷壁的热面同样可以形成完整、 稳定、厚度也差不多的渣皮隔热层，并且肋板与波峰一波谷结构的热面具有更大的挂渣 能力和抗脱落能力及其抑制边缘气流冲刷磨损的能力，替代铜水冷壁的是切实可行的。 水冷壁通过进水管线、回水管线、流态化液进口管线、流态化液出口管线与粒子循 环槽连接。流态化液进口管线、流态化液出口管线及其配送管的水平段管内都设置有螺旋线。螺旋线螺距T在管内直径di的(1.8 2. 5)倍范围。螺旋线一般为不锈钢钢丝制造， 也可以是塑包金属丝结构。螺旋线的作用是在清洗时形成低流速的旋液流态化，粒子不 会在螺旋流道水平段内沉积堵塞。循环槽分为上下两室，采用连通阀连通。上室为粒子 沉降分离回收空间。下室为流态化清洗液的配制室，安装有能够自动控制流态化清洗液 粒子浓度的配沙管，配沙管的工作原理是通过文丘里的喉部减压造成喷流孔出来的水与 沙相互混合和回沙孔的吸回来实现的。水冷壁借助装置系统的三通阀来改变水冷壁的运行状态。平常生产运行时，借助三 通阀使水冷壁只与进水管线和回水管线连通，而与流态化液进口管线和流态化液出口管 线隔断。当某一块水冷壁内的冷却管内需要清洗水垢时，改变该块水冷壁的进出口管和 进水管线上的三通阀，使水冷壁只与流态化液进口管线和流态化液出口管线连通，而与 进水管线和回水管线隔断，进行流态化清洗；流态化清洗的粒子回到循环槽的上室沉降 分离，清洗污水通过排污管排放。污垢清洗刚结束时先只改变该块水冷壁的进口管和进 水管线上的三通阀，水冷壁通冷却水，将冷却管内未来得及排出的粒子继续回收；数分 钟(一般只需要3分钟左右)以后，再改变该块水冷壁的出口管三通阀回到平常生产运 行状态，然后打开循环槽的连通阀将上室内的粒子放到下室，最后关闭连通阀，使循环 槽回复到平常生产运行状态，以待下次清洗作业。


图1是本发明的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置的结构示意图。 图2是本发明的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置的冷却水进出及其流态化 粒子循环系统管线示意图。图3是本发明的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置的A-A剖面图。 图4是本发明的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置的配送管结构示意闺。 图中的1水冷壁2进口三通阀3出口三通阀4回水管线5流态化液出口管线6 回沙管7循环槽8排污管9上室IO粒子11下室12连通阀13配沙管14进水管三 通阀15进水管线16流态化液进口管线17回沙孔18文丘里喉部19喷流孔21壁 体22出口管23冷却管24肋板25嫘旋线26进口管27耐热混凝土 28安装孔具体实施方式
以下结合附图l、 2、 3说明本发明专利的具体实施方案一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置如图2所示，由水冷壁1、进水管线15、 回水管线4、流态化液进口管线16、流态化液出口管线5、三通阀2、 3、 14、粒子IO、 循环槽7等组成。水冷壁1通过进水管线15、回水管线4、流态化液进口管线16、流态 化液出口管线5、三通阀2、 3、 14与循环槽7连接，形成供排水和流态化清洗系统。如图1所示，水冷壁1由壁体21、冷却管23、螺旋线25、肋板24、耐热混凝土 27构成。冷却管23设置在很靠近热面的一侧，壁体21热面一侧的厚度(包括冷却管管 壁)b!远比传统结构薄，在15 30mm范围。但是，壁体21冷面一侧的厚度(包括冷 却管管壁)b2仍然与传统结构一样厚，目的是降低壁体21热变形的拉应力，提高壁体 21的热疲劳寿命。冷却管23为优质低碳钢制造， 一般为20号钢。冷却管23在壁体21 内形成水冷壁的冷却水流道。冷却管23可以是圆形截面，也可以是扁圆形截面。冷却管23内设置有不锈钢钢丝螺旋线25。螺旋线25的螺距T在冷却管23内径dt的(1. 0~ 2.5)倍的范围，螺旋线25外径比冷却管23内径小lmm 8mm。螺旋线25的功能，一 是对流传热强化，二是清洗时形成低流速的旋液流态化，不会在流道的水平段、或倾斜 角不大的流道内发生粒子沉积堵塞。冷却管23采用低碳钢的无缝钢管制造。壁体21釆 用含碳量0.18% 0.23%的铸钢或低碳合金钢铸造，直接浇铸在冷却管23外，两者融 合成无缝隙的一体。壁体21热面一侧设计有等间距排列的水平肋板24，肋板24的高度 b3在50 100tmn范围。肋板24的作用， 一是为了是浇铸的耐热混凝土与壁体结合的更 牢固，二是提高壁体的冷却能力，三是进一步提高挂渣能力，增强渣皮抗外力脱落的能 力；四是与波形面结构共同对边缘气、流起双向、多级节流的抑制作用。如图3 (a) (b)所示，数根较大直径的冷却管23等间距地排列在同一圆锥面上， 也可以是数根较小直径的冷却管23等间距地排列在另一个圆锥层面上。壁体21的内表 面的水平截面形状为波形面，波谷波峰之间的深度b4在30mm 60mm范围，波谷面结 构目的之一是消除两根冷却管之间的中心区热面温度较高现象。波峰一波谷面的结构与 肋板对边缘气流可以起双向多级节流作用，有利于抑止边缘气流的发展和热面的温度稳 定。水冷壁1通过进水管线15、回水管线4、流态化液进口管线16、流态化液出口管线 5与粒子10的循环槽7连接。流态化液进口管线16、流态化液出口管线5及其配送管 13的水平段管内都设置有螺旋线25。螺旋线25的螺距T在管内直径di的(l. 0 2. 5) 倍范围。螺旋线25—般为不锈钢钢丝制造，也可以是塑包金属丝结构。螺旋线25的作 用只是在清洗时形成低流速的旋液流态化，粒子io不会在螺旋流道水平段内沉积堵塞。 循环槽7分为上室9和下室11，采用连通阀12连通。上室9为粒子10的沉降分离回收 空间。下室11为流态化清洗液的配制室，安装有能够自动控制流态化清洗液粒子浓度 的配沙管13,配沙管13的工作原理是通过文丘里喉部18减压造成喷流孔19出来的水 与沙相互混合和回沙孔17的吸回来实现的。水冷壁1借助三通阀2、 3、 14来改变其运行状态。平常生产运行时，借助三通阀2、 3使水冷壁1只与进水管线15和回水管线4连通，而与流态化液进口管线16和流态化 液出口管线5隔断不通。当某一块水冷壁I内的冷却管23内需要清洗水垢时，改变该 块水冷壁1的进出口管1S和进水管线4上的三通阀2、 3，使水冷壁1只与流态化液进 口管线16和流态化液出口管线5连通，而与进水管线15和回水管线4隔断不通，进行 流态化清洗；流态化清洗的粒子10回到循环槽7的上室9沉降分离，清洗污水通过排 污管8排放。污垢清洗刚结束时，先只改变该块水冷壁1的进口管26和进水管线上15 的三通阀14、 2,水冷壁1通冷却水，将冷却管23内未来得及排出的粒子IO继续回收； 数分钟(一般只需要3分钟左右)以后，再改变该块水冷壁1的出口管22的三通阀3 回到平常生产运行状态，然后打开循环槽7的连通阀12将上室9内的粒子10放到下室 11,最后关闭连通阀12，使循环槽7回复到的平常生产运行状态，以待下次清洗作业。
权利要求
1.一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，由水冷壁(1)、进水管线(15)、回水管线(4)、流态化液进口管线(16)、流态化液出口管线(5)、粒子(10)、循环槽(7)等组成，其特征在于水冷壁(1)的壁体(21)和冷却管(23)均为低碳钢铸造融合为无间隙的一体；冷却管(23)设置在很靠近热面的一侧，壁体(21)热面一侧的厚度(包括冷却管管壁)b1在15～30mm范围；冷却管(23)内设置有不锈钢钢丝螺旋线(25)，螺旋线(25)的螺距T在冷却管(23)内径di的(1.0～2.5)倍范围，螺旋线(25)外径比管内径小1mm～8mm；壁体(21)热面一侧设计有等间距排列的水平肋板(24)，肋板(24)的高度b3在50～100mm范围；水冷壁(1)通过进水管线(15)、回水管线(4)、流态化液进口管线(16)、流态化液出口管线(5)与粒子(10)的循环槽(7)连接形成供排水和流态化清洗系统，这些管线的水平段管内也设计有螺旋线(25)。
2. 根据权利要求1的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，其特征在于壁 体(21)的热面的水平截面形状为波形，波谷波峰之间的深度b4在20mm 60mm范围。
3. 根据权利要求1的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，其特征在于循 环槽(7)分为上室(9)和下室(11)，采用连通阀(12)控制连通隔断；上室(9)为 粒子(10)的沉降分离回收空间；下室(11)为流态化清洗液的配制室，安装有能够自 动控制流态化清洗液粒子(10)浓度的配沙管(13),配沙管(13)由文丘里喉部(18)、 喷流孔(19)、回沙孔(17)组成。
4. 根据权利要求1的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，其特征在于冷 却管(23)采用低碳钢无缝钢管制造，数根较大直径的冷却管(23〉 一般都是等间距地 排列在同一层的圆锥面上，也可以是数根较小直径的冷却管(23)分别等间距地排列在 另一层的圆锥面上。
5. 根据权利要求1的一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，其特征在于冷 却管(23)可以是圆形截面，也可以是扁圆形截面。
全文摘要
一种炼铁高炉旋液流态化强化水冷壁装置，水冷壁的冷却管设置在很靠近热面的一侧；热面一侧设计有等间距排列的水平肋板，肋板的高度b₃有50～100mm；热面一侧的水平截面形状为波形，波谷波峰之间的深度b₄有30mm～60mm。冷却管和流态化清洗液进出管线的水平段内设置螺旋线。水冷壁通过进出管线、三通阀与粒子循环槽连接形成供排水和流态化清洗系统，切换操作简便。这种冷却强化的铸钢水冷壁，其冷却强度与铜冷却壁相当接近，肋板与变形面结构的挂渣能力和抗脱落能力强，又有抑制边缘气流的节流作用，能够在热面形成完整、稳定的渣皮，达到与铜冷却壁差不多一样的长寿、节能水平。
文档编号C21B7/10GK101302567SQ20071003490
公开日2008年11月12日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者俞天兰, 俞天翔, 俞秀民, 刘桂英, 吴琦华, 吴金香, 彭德其, 支校衡, 伟 易, 李群松, 蒋少青 申请人:湖南工业大学