专利名称：炉子和使炉子冷却的方法
技术领域：
本发明涉及炉子和使炉子冷却的方法。更具体地，本发明的炉子为其中在氧化条件下进行高温过程的炉子。
背景技术：
顶部浸入式喷枪型炉子是已知的。顶部浸入式喷枪型炉子的实例是可从fetrata Technology Pty Limited以商标ISASMELT 获得的炉子。图1显示这样的炉子的示意图。 图1中所示炉子10包括筒部分12和废气部分14。在该炉子内部保持熔融材料的熔池15 并且将喷枪16降低到材料的熔池15中使得该喷枪16的顶端浸入所述熔池15中。空气或氧气和燃料(如燃料油或煤或焦炭)通过所述喷枪注入。燃料燃烧以加热炉子。这些炉子用于如炼铜、熔铅等的过程中。由于空气或氧气通过喷枪注射到炉子中，这样的过程在高温下和在氧化条件下运行。顶部浸入式喷枪型炉子典型地构造成使得它们具有带有耐火材料内衬里的外部钢壳。耐火材料保护外部钢壳避免炉子内经历的极度高温。耐火材料的内衬里有时分为内层和外层。内层有时称作工作衬里且外层有时称作衬垫衬里。所述衬垫衬里由与工作衬里相比绝热性更高的耐火组合物组成。在本说明书中，术语“工作衬里”用于表示与炉子热内容物相邻的衬里部分，术语“衬垫衬里”将用于表示与炉子外壳相邻的衬里部分。在许多炉子中，已经努力使外部钢壳冷却(从而增加从炉子除去热的速率)。已用于外壳冷却的系统包括喷射冷却或膜冷却系统。在这些系统中，将水喷射在外部钢壳的外表面上或使水沿着外部钢壳的外表面流动。水从外部钢壳中提取热量，从而使所述外部钢壳冷却。然而，由于所述系统暴露在大气中，再加上相对高的外壳和水的温度，可发生外部钢壳的广泛腐蚀。需要定期清洗和维护外部钢壳的表面以防止原本将在外部钢壳上形成的绝热腐蚀层抑制热量从所述外壳传递到冷却水。即使使用清洁的外壳表面，由于使用了低的水速和压力，外壳与冷却水之间的热传递系数也是相对低的。已经在各种类型的炉子上使用了安装在外壳上的强制冷却水系统。安装在外壳上的强制冷却水系统典型地包括焊接到外部钢壳(或炉子钢壳)的外表面上或在外部钢壳 (或炉子钢壳)的外表面上形成的钢槽，能够使水在相对高的压力和速度下靠着炉子钢壳流动，确保水和所述外壳之间高的传热系数。这导致从炉子有效地除去热量并同时避免水、 冷却的表面、和大气之间的接触。此外，可控制已通过冷却槽的水的质量以防止炉子钢壳的腐蚀或者使其最小化。作为进一步的安全优势，由于冷却水槽在外部钢壳的外部安装或形成，所述冷却水槽中可能发生的任何渗漏导致水沿着外壳的外表面流动。在这点上，应理解重要的是不导致任何水渗漏使水渗漏到炉子的内部中，因为这可潜在地导致炉子由于这种水渗透快速产生的蒸汽而爆炸。在本说明书中，术语“包括”及其语法上的等价物应具有包括在内的含义，除非使用的上下文另外指出。
发明内容
本发明的目的是提供炉子和适合用于炉子的使炉子冷却的方法，其中在所述炉子中有氧化条件。在第一方面，本发明提供炉子，在该炉子中在氧化条件下进行高温过程，所述炉子包括由金属制成的外壳、一个或多个在所述外壳上形成的或与所述外壳连接的冷却槽、和炉衬，所述炉衬包括衬垫衬里和工作衬里，所述衬垫衬里包括与所述外壳内壁相邻设置的相对高的热导率层，所述工作衬里在相对高的热导率层的内部设置。在本说明书中，如果炉子气氛中氧气的分压大于10_9atm则认为炉子在氧化条件下运行。所述工作衬里可靠着所述衬垫衬里设置。在本发明的实施方式中，所述衬垫衬里的热导率显著高于所述工作衬里的热导率。在一些实施方式中，所述衬垫衬里的热导率类似于或甚至高于所述外壳的热导率。在一些实施方式中，所述衬垫衬里包括石墨层、或者由包括石墨的材料制成的层、 或者基于碳的材料的层。在一些实施方式中，所述衬垫衬里包括石墨层。在一种实施方式中，所述炉子的外壳包括钢壳。在本发明的一些实施方式中，一个或多个冷却槽可焊接到所述外壳的外表面。一个或多个冷却槽可包括用于接收冷却水的冷却水槽。所述冷却水槽可接收行进通过所述冷却水槽的具有高压和高速的冷却水。一个或多个槽可以蛇状图案布置。一个或多个槽可包括彼此隔开的多个槽。所述炉子可包括顶部浸入式喷枪型炉子。相对高热导率的衬垫衬里如石墨层、或由包括石墨的材料制成的层、或石墨材料的层、或基于碳的材料的层可遍及全部所述炉子的衬里设置。或者，所述层可仅设置于炉子的一个或多个部分。石墨层、或由包括石墨的材料制成的层、或石墨材料的层、或基于碳的材料的层可包括胶合或接合或者附着到所述炉子的外壳的内表面的多个石墨瓦、或者石墨砖、或者由包括石墨的材料或石墨材料制成的瓦或砖、或者基于碳的材料的层。当出于该目的使用接合剂或胶水时，所述接合剂或胶水可为具有高热导率的石墨或基于碳的材料。所述石墨层、或由包括石墨的材料制成的层、或石墨材料的层、或基于碳的材料的层可具有30 250mm，更合适的50 IOOmm的厚度。约70mm的厚度可为合适的。所述工作衬里可包括本领域技术人员已知的任何合适的耐火材料。所述工作衬里可具有大于所述衬垫衬里厚度的厚度。在第二方面，本发明提供使其中在氧化条件下进行高温过程的炉子冷却的方法， 所述方法包括提供炉子，所述炉子包括由金属制成的外壳、一个或多个在所述外壳上形成的或与所述外壳连接的冷却槽、和炉衬，所述炉衬包括与所述外壳内壁相邻设置的相对高热导率的衬垫衬里和在该衬垫衬里内部设置的工作衬里；在该炉子中运行所述过程和使冷却水通过所述冷却槽以冷却该炉子。所述工作衬里可靠着所述衬垫衬里设置。所述工作衬里可为基于耐火材料的衬里。在本发明的实施方式中，所述衬垫衬里的热导率显著高于基于耐火材料的工作衬里的热导率。在一些实施方式中，所述衬垫衬里的热导率类似于或甚至高于所述外壳的热导率。在一些实施方式中，所述衬垫衬里包括石墨层、或者由包括石墨的材料制成的层、 或者石墨材料或包括石墨的材料的层、或者基于碳材料的层。在一些实施方式中，所述衬垫衬里包括石墨层。在一种实施方式中，运行本发明的方法使得所述石墨层中达到的最高温度不超过 5000C，优选不超过400°C，更优选不超过250°C。在另一实施方式中，运行本发明的方法使得对于在正常操作条件和新的工作衬里来说以5kW/m2的速率从所述炉子除去热量；对于受磨损的工作衬里来说以最高达25kW/m2 的速率从所述炉子除去热量，并且对于在极端运行条件和局部失效的所述工作衬里来说不超过120kW/m2的局部热通量。在本发明的一些实施方式中，冷却水以每m2炉子壳面积1 an7h的平均速率并且以在所述冷却槽中lm/s的、优选高于2m/s的最小流速流过所述冷却槽。石墨层适合用作本发明的一些实施方式中的衬垫衬里，为了描述的方便和简洁， 在下文中将参照石墨层进行描述。然而，应理解本发明还包括由其它材料制成的层，如由包括石墨的材料制成的层或石墨材料的层。在本发明的炉子和方法中，石墨衬里的热导率为外部钢壳热导率的三倍到四倍。 结果，在热量离开外壳进入强制冷却水系统之前所述石墨衬里层可沿着外壳向侧面导热和扩散热量。因此，所述石墨层将有助于从工作衬里充分地除去热量从而由于较低的操作温度降低的工作衬里的磨损速率，特别是对受磨损的工作衬里。此外，这种设计防止或最小化安装在外壳上的强制冷却槽之间的外壳上形成局部化的热斑。这与其中发生氧化过程的炉子，例如顶部浸入式喷枪炉子中使用的现有技术的衬里相反。在这样的炉子中，工作衬里靠着绝热性更高的衬垫衬里设置，既而该衬垫衬里又靠着外部钢壳的内壁设置。绝热衬垫衬里的热导率约为钢壳热导率的1/150。将绝热衬垫衬里与外壳冷却系统结合将不利于侧壁衬里的使用寿命，因为绝热衬垫衬里将使工作衬里与外壳冷却系统绝热，导致工作衬里由于较高的操作温度而具有较高的磨损速率，甚至对于受磨损的工作衬里也是如此。此外，侧壁上的局部化热负荷可导致在安装在外壳上的强制冷却槽之间的外壳上产生热斑。操作经验也表明，这种炉子中外部钢壳的温度可接近或者甚至超过200°C。炉子外壁上的这种高温带来了炉子操作者的工作环境中的职业健康和安全问题。相反，使用根据本发明的炉子可导致外部钢壳的外表面温度为40 80°C。认识到这为炉子的操作者提供了更安全和更舒适的工作环境。在本发明的所有方面中，所述炉子可在氧化条件下连续地运行。在其它实施方式中，所述炉子可在氧化条件下运行一段时间，然后在还原条件下运行。炉子的运行可在氧化条件下运行和还原条件下运行之间依次进行。在本发明的优选实施方式的以下说明中将描述本发明的其它益处和优点。
图1显示顶部浸入式喷枪炉子的示意图。
图2显示根据本发明实施方式的顶部浸入式喷枪型炉子中使用的侧壁衬里/冷却系统布置的示意性横截面视图；和图3显示在工作衬里变得完全磨减的情况下通过图2所示炉子侧壁的温度分布图。
具体实施例方式认识到已提供附图来说明本发明优选实施方式的特征。因此，要理解不应认为本发明只是限于附图中所示的那些特征。图1是现有技术顶部浸入式喷枪炉子的示意图。该图已经在本说明书的背景技术部分进行了描述并且无需进一步说明。图2显示根据本发明的炉子的实施方式中使用的侧壁衬里/冷却系统布置。所述炉子可为顶部浸入式喷枪型炉子。侧壁衬里/冷却系统包括外部钢壳30。将冷却水槽32、 34焊接到外部钢壳30的外侧。以本领域技术人员已知的方式将冷却水槽置于与高压冷却水源流体连通。所述炉衬包括石墨层36形式的衬垫衬里。所述石墨层可由胶合或接合在钢壳30 内表面的多个厚度约70mm的石墨瓦形成。或者，所述石墨层可由厚度最高达250mm或甚至更大的石墨砖制成。或者，所述衬垫衬里可由包括石墨的材料、或者石墨材料、或者基于碳的材料的层制成。用于该目的的接合剂适当地为石墨或基于碳的材料并且其具有非常高的热导率。本领域技术人员认识到，石墨层36提供具有高热导率的层。实际上，石墨层36的热导率可为外部钢壳30的热导率的三倍到四倍。炉衬还包括工作衬里，在这种情况下为耐火材料衬里38的形式。层38构成炉子的工作衬里。炉子的热环境用标号40表示。从图2中可以看出，工作衬里38设置于热环境40和石墨层36之间。如上所述，石墨层36的热导率为炉子钢壳30的热导率的三倍到四倍。结果，在热量离开外壳进入强制冷却水槽32、34之前，石墨衬垫衬里层36沿着炉子钢壳30的侧面导热和扩散热量。因此，石墨衬垫衬里层36有助于从工作衬里38充分地除去热量从而由于较低的工作衬里中的操作温度降低工作衬里的磨损速率。这对于受磨损的工作衬里尤其如此。此外，石墨衬垫层36防止或最小化安装在外壳上的强制冷却水槽32、34之间的外部钢壳30上热斑的形成。在极端条件下炉子的操作温度可为900°C 1600°C。对炉子侧壁的热传递为通过与液体炉子熔池相邻的对流，以及通过液体炉子熔池之上的共轭对流(conjugate convection)和辐射。取决于工作衬里条件和操作条件，通过炉子侧壁的最终热通量可为 5 25kW/m2。在极端操作条件和工作衬里破坏或完全磨损掉的区域，可经历最高达120kW/ m2的局部热通量。取决于工作衬里和操作条件，石墨层的操作温度可为55 110°C。在极端操作条件和工作衬里完全磨损的情况下，石墨温度可升至最高400°C。取决于工作衬里和操作条件，钢壳的外表面和冷却水槽的平均温度为40 80°C。通过冷却水循环的冷却水温度升高可为5 15°C。取决于入口水温和热负荷，冷却水出口温度可达到最高65°C。本发明人认识到，其中安装在外壳上的强制冷却水系统与高热导率石墨衬垫衬里组合的类似的炉衬/冷却系统已经用于其中高温过程在还原条件下进行的其它类型的炉子(例如电炉子)中。然而，这样的冷却系统/炉衬没有被用于发生氧化过程的炉子中。本领域技术人员迄今为止没有考虑这样的炉衬适合用于其中高温过程在氧化条件下进行的炉子中的原因是，如果石墨层一旦暴露于炉子的热环境，则石墨层自身容易被氧化。因此， 如果炉子工作衬里的磨损发生达到工作衬里在部分炉子中基本上磨掉使得石墨层暴露于炉子的热环境的程度，则通常认为石墨层通过其暴露的氧化条件而被快速氧化。有效地，认为如果石墨层暴露于炉子内的热的、氧化条件，则石墨层基本上会快速烧掉。这种困境当然不会在还原条件下运行的炉子中发生。令人惊讶的是，本发明人已经发现，在工作衬里38变得在炉子的一部分中完全磨损掉的情况下，通过石墨层36的冷却速率足够高使得在石墨衬里36的热面上形成保护性和稳定的冻结层，而石墨层36不会被快速氧化，从而限制了通过侧壁的热损失和保护石墨衬里36免受其它磨损机理如腐蚀和氧化。石墨衬里的热面温度保持在远低于500°C，从而防止在中长期发生石墨的显著氧化。如上所述，这种发现与常规的想法相反。图3证明在石墨层由于工作衬里38被磨损掉而暴露的情况下在石墨层的热面上形成稳定的保护冻结层。在图3中，显示钢壳30和石墨层36。还显示了在石墨层36上形成的稳定冻结层42。稳定的冻结层可例如具有约15mm的厚度。从图3中可以看出，炉子在约1100°C的温度下运行。然而，由于通过石墨层的热传递速率相当高，冻结层42形成在暴露的石墨层36上。典型地，在石墨层变为暴露的约30分钟内形成冻结层。这使得暴露的石墨层发生氧化的量最小化。此外，石墨层中的最高温度远低于500°C，并且典型地保持在 250°C以下，从而避免石墨层的进一步氧化。图3还显示经过保护性冻结层42的陡峭的温度梯度。根据本发明的炉子和使炉子冷却的方法具有许多进一步的优点-当工作衬里是新的时候，本发明的炉子和使炉子冷却的方法不会导致衬里温度有大的差别(与顶部浸入式喷枪炉子中使用的现有技术衬里相比时)。然而，其的确使炉子钢壳的外部温度具有大的差别。通常，没有水槽冷却的顶部浸入式喷枪炉子具有约200 300°C的外部钢壳温度。然而，根据本发明运行的炉子具有约40 80°C的外部钢壳温度。-随着工作衬里磨损掉，在工作衬里中建立了较冷的温度，这减小了工作衬里的磨损速率。-如果工作衬里变得完全磨损掉，石墨层从炉子侧壁中任何发展的热斑吸取热量并防止在炉子钢壳上形成热斑。此外，在石墨表面上形成冻结的熔渣层，其保护石墨层和减少通过石墨层的热损失。-外部安装的冷却槽可彼此间隔设置，使得炉子外壳的外表面的大部分是暴露的。 这容许对外壳进行目视检查。也可在外壳的外表面安装热电偶以监测外壳的温度。如果使用平板冷却(其中水覆盖炉子的整个外壳)则不可能这样。本领域技术人员认识到本发明除了具体描述的那些之外可进行各种改变和变形。 认识到本发明包括落入其精神范围内的所有这样的改变和变形。
权利要求
1.一种炉子，其中在氧化条件下在该炉子中进行高温过程，所述炉子包括由金属制成的外壳、一个或多个在所述外壳上形成的或与所述外壳连接的冷却槽、和炉衬，所述炉衬包括衬垫衬里和工作衬里，所述衬垫衬里包括与所述外壳内壁相邻设置的相对高的热导率层，所述工作衬里在相对高的热导率层的内部设置。
2.根据权利要求1所述的炉子，其中所述工作衬里靠着所述衬垫衬里设置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的炉子，其中所述衬垫衬里的热导率显著高于所述工作衬里的热导率，或者所述衬垫衬里的热导率类似于或高于所述外壳的热导率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的炉子，其中所述衬垫衬里包括石墨层或者由包括石墨的材料制成的层或者基于碳的材料的层。
5.根据权利要求4所述的炉子，其中所述衬垫衬里包括石墨层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的炉子，其中所述一个或多个冷却槽焊接到所述外壳的外表面。
7.根据前述权利要求中任一项所述的炉子，其中所述炉子包括顶部浸入式喷枪炉子。
8.根据前述权利要求中任一项所述的炉子，其中相对高热导率的衬垫衬里遍及全部所述炉子的衬里设置。
9.根据权利要求1 7中任一项所述的炉子，其中所述相对高热导率的衬垫衬里仅设置于所述炉子的一个或多个部分。
10.根据权利要求4所述的炉子，其中石墨层或由包括石墨的材料制成的层或石墨材料的层或基于碳的材料的层包括胶合或接合或者以其它方式附着到所述炉子的外壳内表面的多个石墨瓦、或者石墨砖、或者由包括石墨的材料或石墨材料制成的瓦或砖、或者基于碳的材料的层。
11.根据权利要求4或权利要求10所述的炉子，其中所述石墨层或由包括石墨的材料制成的层或石墨材料的层或基于碳的材料的层具有30 250mm，更合适的50 100mm，甚至更合适的约70mm的厚度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的炉子，其中所述工作衬里具有大于所述衬垫衬里的厚度的厚度。
13.使炉子冷却的方法，在所述炉子中在氧化条件下进行高温过程，所述方法包括提供炉子，所述炉子包括由金属制成的外壳、一个或多个在所述外壳上形成的或与所述外壳连接的冷却槽、和炉衬，所述炉衬包括与所述外壳内壁相邻设置的相对高热导率的衬垫衬里和在该衬垫衬里内部设置的工作衬里；在该炉子中运行所述过程和使冷却水通过所述冷却槽以冷却该炉子。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述过程以炉子气氛中大于10-9atm的氧气分压运行。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中所述衬垫衬里的热导率显著高于基于耐火材料的工作衬里的热导率。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述衬垫衬里的热导率类似于或高于所述外壳热导率。
17.根据权利要求13 16中任一项所述的方法，其中所述衬垫衬里包括石墨层，或者由包括石墨的材料制成的层，或者石墨材料或包括石墨的材料的层，或者基于碳的材料的层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述石墨层、或者石墨材料或包括石墨的材料的层、或者基于碳的材料的层中达到的最高温度不超过500°C，优选不超过400°C，更优选不超过250°C。
19.根据权利要求13 18中任一项所述的方法，其中对于在正常操作条件和新的工作衬里来说以5kW/m2的速率从所述炉子除去热量；对于磨损的工作衬里来说以最高达25kW/ m2的速率从所述炉子除去热量，并且对于在极端运行条件和局部失效的工作衬里来说不超过120kW/m2的局部热通量。
20.根据权利要求13 19中任一项所述的方法，其中冷却水以每m2炉子壳面积1 2m3/h的平均速率流过所述冷却槽；并且所述冷却槽中的最小速度为lm/s，优选高于2m/s。
21.根据权利要求13 20中任一项所述的方法，其中所述炉子外部钢壳的外表面温度为 40 80°C。
22.根据权利要求13 21中任一项所述的方法，其中所述衬垫衬里包括石墨层、或者由包括石墨的材料制成的层、或者石墨材料或包括石墨的材料的层、或者基于碳的材料的层，并且所述衬垫层的冷却速率足够高使得所述工作衬里在炉子的一部分中完全磨损掉的情况下在所述衬垫层上形成稳定的保护冻结层以保护所述衬垫层不被氧化。
23.根据权利要求13 22中任一项所述的方法，其中所述炉子在氧化条件下运行一段时间和在还原条件下运行短暂的时间。
24.根据权利要求1 12中任一项所述的炉子，其中所述炉子在氧化条件下运行一段时间和在还原条件下运行一段时间。
全文摘要
用于在氧化条件下进行高温过程的炉子包括由金属制成的外壳、一个或多个在所述外壳上形成的或与所述外壳连接的冷却槽、和炉衬。所述炉衬包括衬垫衬里和工作衬里，所述衬垫衬里包括与所述外壳内壁相邻设置的相对高的热导率层，所述工作衬里在相对高的热导率层的内部设置。所述衬垫衬里可包括石墨衬里或含石墨的衬里。通过所述衬垫衬里的传热速率足够高以在所述工作衬里磨损掉的情况下在该衬垫衬里上形成保护冻结。
文档编号F27B1/24GK102216713SQ200980146132
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月13日 优先权日2008年11月19日
发明者雨果·朱伯特 申请人:斯特拉塔技术有限公司