专利名称：无焦冲天炉水冷炉栅的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及铸造生产中所用的铸铁熔化炉的一种水冷件，更具体地说，涉及无焦冲天炉炉膛内支撑金属与非金属炉料的水冷炉栅。
背景技术：
无焦冲天炉是一种新型的铸铁熔化炉，包括燃气冲天炉、燃油冲天炉等，是一种具有节能环保优越性的铸铁新型熔炼竖炉。无焦冲天炉水冷炉栅，将炉膛分隔为上下两个部分，炉栅以上为固态炉料，炉栅以下为一定容积的燃烧空间。燃气或者燃油产生的高温炉气穿过炉栅向上运动， 加热金属炉料、使固态金属熔化为液态，金属液在重力作用下穿过炉栅落到炉底。水冷炉栅长期经受高温炉气、高温铁液和渣液的侵蚀，同时承受着固态炉料产生的弯曲和冲击应力，服役环境特别恶劣。无焦冲天炉目前现有的水冷炉栅，为一组水平排列焊接于炉体的金属圆管，循环冷却水经过管内，吸收炉栅积聚的热量，实现对炉栅的冷却与保护。无焦冲天炉现有的水冷炉栅的结构，来源于金属连续热处理炉炉底所用的水冷炉排。无焦冲天炉水冷炉栅，长期工作于高温和高应力状态，其服役环境的恶劣性远超过了金属热处理炉的炉底。无焦冲天炉水冷炉栅在满足高温环境中的复杂应力要求的基础上，应该具有抗铁液熔蚀的特性，同时应尽量降低对无焦冲天炉的冷却效应，而且必须性能可靠、服役寿命长，拆换方便。无焦冲天炉现有的水冷炉栅存在着五方面的局限性，其一，水冷炉栅直接焊接在炉体之上，存在着难以拆换的局限性。其二，水冷炉栅中冷却水流道的截面为圆形，在循环冷却水流量一定的条件下，冷却水流速低、流道中容易产生水垢，可靠性低、寿命短；如果希望提高冷却强度，则需要大幅度增加冷却水的流量，导致冷却水供应系统动力消耗大幅度增加。其三，水冷炉栅为空心钢管，其抗弯曲变形的能力较低，容易发生弯曲变形；同时由于其上表面与炉料直接接触，在炉料压力和炉内高温的综合作用下，其上表面容易发生塌陷变形。其四，水冷炉栅的外表面的金属材料导热性很强，对无焦冲天炉存在强烈的冷却作用，不利于提高无焦冲天炉的熔炼温度。其五，炉栅外表面的金属材料容易被高温铁液熔蚀、或者与铁液产生粘连。
发明内容
为了克服无焦冲天炉现有水冷炉栅存在的局限性，本发明所采用的技术方案是本发明提出的水冷炉栅，其基本结构由金属材料组成，包括外套管、芯棒、流道隔板、端部联结法兰等，其工作部分的外表面敷设有一定厚度的耐火材料层，耐火材料层中可以包裹用于加强耐火材料的金属筋。本发明提出的水冷炉栅其外套管为圆形截面，位于炉栅最外层。芯棒位于外套管中，其截面形状为实心圆或空心管。外套管与芯棒之间设置一定形状的流道隔板，将外套管与芯棒之间的冷却水流道空间分隔为数个水力学半径很小的流道；流道隔板的形状可以是直线形，也可以是螺旋线形。联结法兰位于炉栅的一端或两端，通过螺栓实现炉栅与炉体的联结，使炉栅具备容易拆换的优越性。炉栅表面敷设一定厚度的耐火材料，在外套管和高温铁液之间形成隔离层，防止高温铁液直接作用于外套管，有一定的隔热作用，可以降低水冷炉栅对无焦冲天炉的冷却效应。本发明与现有的水冷炉栅相比，除了外表面敷设耐火材料、端部设置联接法兰外，更重要的是提出了水冷炉栅新型的冷却水流道结构外套管中设置的芯棒，首先将外套管内的圆截面流道改变为环形或偏心环形流道，缩小了冷却水的过流断面积；同时通过在外套管与芯棒之间设置的流道隔板，进一步缩小了冷却水的过流断面积。按照流体力学和传热学的理论，提高冷却水的流速，有利于提高热交换效率、降低流道结垢倾向，因此本发明可克服现有水冷炉栅的内部结垢问题，可大幅度提高水冷炉栅的寿命，提高其可靠性。本发明与现有的水冷炉栅相比，由于流道隔板对外套管产生的支持作用，可以防止外套管迎着重力、背离地面的上表面产生塌陷、变形，同时可以让芯棒分担外套管所受到的部分炉料压力，炉栅的抗弯曲变形能力可以得到大幅度提高。本发明的有益效果为通过对现有水冷炉栅的结构改进，炉栅的抗弯曲变形能力、 抗表面塌陷能力、冷却水流道的抗结垢能力得到了提高，同时减弱了水冷炉栅对无焦冲天炉的冷却效应、防止了高温铁液对炉栅表面的熔蚀，克服了现有炉栅的一系列局限性。
下面结合附图和三个具体实施例对本发明作进一步说明。图I是本发明一个实施例的结构图。图2是图I的A向视图，说明了炉栅联接法兰的结构。图3是图I的B-B截面剖视图。图4为图I所示实施例的流道展平图，其中的箭头表示了冷却水在流道中的流动路径。图5是本发明另一个实施例的结构图。图6是图5的C-C截面向视图。图7是本发明第三个实施例的结构图，表示了芯棒偏心设置的水冷炉栅的结构。图8是图7的D-D剖视图，其中，芯棒偏离外套管几何中心的偏心距为e。在图I到图8中，I.冷却水进口，2.联接法兰，3.外套管，4.芯棒，5.圆钢筋，6.耐火材料层，7.冷却水出口，8.流道隔板。
具体实施例方式本发明涉及的水冷炉栅由冷却水进口⑴、联接法兰(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圆钢筋(5)、耐火材料层￠)、冷却水出口(7)、流道隔板(8)等几部分组成。本发明有多种具体实施方式
，现举例说明如下。实施例I图I所示的水冷炉栅为本发明的一个实施例。该实施例的一端设有与炉体联接的联接法兰(2)，图2表示了该水冷炉栅联接法兰(2)上螺栓孔的分布状况。该实施例中的数个圆钢筋(5)的轴线为直线形，平行于水冷炉栅的轴线，均匀分布于耐火材料层(6)中，通过螺纹和螺母与水冷炉栅联接为一体。平行于水冷炉栅轴线布置的数个圆钢筋(5)，提高了耐火材料层(6)在炉料冲击作用下的抗散落能力，提高了水冷炉栅的刚度和抗弯曲能力。图3表示了该实施例中外套管(3)、芯棒⑷、圆钢筋(5)、耐火材料层(6)、流道隔板(8)几者之间的联接与配合关系。其中，芯棒(4)的与外套管(3)的轴线相互重合，流道隔板(8)与外套管(3)的内表面紧密相接。流道隔板(8)对外套管(3)的支持作用，提高了水冷炉栅的抗塌陷与抗变形能力，同时可以将外套管(3)所受到的炉料压力部分传递给芯棒(4)，提高了水冷炉栅的强度和刚度性能。在该实施例中，芯棒⑷上的三个道流道隔板⑶为直线形，将外套管⑶与芯棒 (4)之间的环形空间分隔成为三个水力学半径更小的、与水冷炉栅轴线相平行的流道。图4为该实施例的流道展平图，说明了流道隔板(8)的结构细节，详细描述了冷却水在流道隔板(8)的强制作用下，从冷却水进口(I)流动到冷却水出口(7)的运动路线。从冷却水进口(I)进入炉栅的冷却水，在流道隔板(8)的作用下，首先沿第一流道向前流动；当其到达第一流道的终点时，改变流动方向、沿第二流道折返向后流动；当其到达第二流道终点时，再折返向前流动到达冷却水出口(7)。本实施例中的流道隔板(8)，成倍提高了冷却水的流速，降低了冷却水流道中生成水垢的可能性，提高了水冷炉栅的可靠性。在该实施例中，芯棒(4)为实心金属材料，流道隔板⑶的数量为奇数三，冷却水流道平行于水冷炉栅的轴线，冷却水出口(7)与冷却水进口(I)分别位于炉栅的两端。进入炉栅的冷却水在流道隔板(8)的作用下，经过两次折返到达冷却水出口。如果流道隔板
(8)的数量为偶数，则冷却水出口(7)与冷却水进口(I)在炉栅的同一端。如果芯棒(4)偏离外套管(3)的几何中心，如果芯棒(4)是金属管，如果流道隔板(8)的数量大于或小于3，如果流道隔板(8)形成的冷却水流道与炉栅的轴线不平行、存在一定角度，均属于本发明的保护范围。实施例2图5所示的水冷炉栅为本发明的另外一个实施例。该实施例的一端设有与炉体联接的联接法兰(2)，图6表示了该水冷炉栅联接法兰(2)上螺栓孔的分布状况。该实施例中包裹在耐火材料层(6)中的多个圆钢筋(5)的轴线呈“V”和“I”字形，焊接在外套管(3)表面，均匀分布在耐火材料层(6)中。圆钢筋(5)提高了耐火材料层(6)在炉料冲击作用下的抗散落能力。在本实施例中，芯棒(4)为空心管，其中心为冷却水通道，冷却水出口(7)与冷却水进口(I)在水冷炉栅的同一端。芯棒(4)与外套管(3)的轴线相互重合，流道隔板(8)为单头螺旋，外套管(3)与芯棒(4)之间的冷却水流道为螺旋形。冷却水由冷却水进口(I)进入炉栅，首先在螺旋形流道隔板(8)的强制作用下，以螺旋轨迹向前运动；当其向前到达螺旋形流道的终点时，通过芯棒(4)上设置的连通孔道进入芯棒(4)中心的圆形流道、折返向后运动，到达冷却水出口(7)。该实施例中的流道隔板(8)为单头螺旋面，如果减小其螺旋升角、缩小其导程，则可减小螺旋流道的过流断面积，提高冷却水的流速。如果本实施例中的芯棒(4)为实心金属材料，由于芯棒(4)中心不存在冷却水通道，则冷却水出口(7)与冷却水进口⑴需要分别设置在水冷炉栅的两端。
如果本实施例中的流道隔板⑶为多头螺旋且适当增加其螺旋升角，则可以在流道水力学直径不变的基础上，增加流道隔板(8)对外套管(3)的支持作用，提高外套管(3)的抗变形能力。如果本实施例中的芯棒⑷是实心金属材料、如果流道隔板⑶为多头螺旋、如果圆钢筋(5)的轴线为其他形状，均属于本发明的保护范围。实施例3图7所示的水冷炉栅为本发明的第三个实施例。该实施例展示了偏心型水冷炉栅的结构，图8表示了芯棒(4)的轴线平行偏离于外套管(3)轴线的状态。该实施例中的数个圆钢筋(5)的轴线为直线形，平行于水冷炉栅的轴线，均匀分布于耐火材料层出)中，通过过盈配合与水冷炉栅联接为一体。
该实施例中流道隔板⑶的形状为螺旋形，与实施例2相同。芯棒(4)为实心金属材料，冷却水出口(7)与冷却水进口(I)分别位于水冷炉栅的两端。芯棒(4)轴线相对于外套管(3)的轴线迎着重力的方向、背离地面移动了一定距离。由于该实施例中芯棒(4)与外套管(3)的轴线不相重合，螺旋形流道的过流断面积每经过360°周期性变化一次。冷却水流道在芯棒(4)水平方向的两侧尺寸大小相同，在背离地面的一线上尺寸最小、朝向地面的一线最大。当一定量的冷却水沿螺旋流道流经外套管(3)背离地面的一线时，由于此一线处流道断面积最小、流速最大，因此可对外套管
(3)背离地面的一线产生更强烈的冷却作用。外套管(3)背离地面的一线迎着重力方向，受到的炉料压力和冲击力最大，也最容易受到铁液和渣液的侵蚀，属于水冷炉栅的最薄弱部分。偏心型水冷炉栅，提高了流经外套管(3)背离地面一线上冷却水的流速，对于提高水冷炉栅的寿命和可靠性具有意义。该实施例其外部有明显的安装方位标记，务必保证炉栅中冷却水流道最小的一线背离地面、向着重力方向。本发明有多种实施方式，以上实施例仅仅是为了说明本发明的内容而列举的几种具体结构，涉及本发明的其他具体结构也属于本发明的保护范围。
权利要求
1.无焦冲天炉水冷炉栅，可将炉膛分隔为上下两部分，在高温铁液、渣液侵蚀和复杂的应力条件下长期可靠支撑炉膛上部的炉料，由冷却水进口(I)、联接法兰(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圆钢筋(5)、耐火材料层￠)、冷却水出口(7)、流道隔板(8)等几部分组成，其特征为外套管(3)的表面敷设有一定厚度的耐火材料层￠)，耐火材料层￠)中包裹着多个圆钢筋(5)，外套管(3)环绕在芯棒(4)外部，芯棒(4)位于外套管(3)的几何中心或略偏离其几何中心，流道隔板(8)将外套管(3)与芯棒(4)之间的冷却水空间分隔为数个流道，进入炉栅的冷却水顺序流过流道隔板(8)限定的数个流道。
2.根据权利要求I所述的无焦冲天炉水冷炉栅，其特征为流道隔板(8)的数量为一个或者多个。
3.根据权利要求I与权利要求2所述的无焦冲天炉水冷炉栅，其特征为流道隔板(8)的形状为直线形或者螺旋形。
4.根据权利要求I所述的无焦冲天炉水冷炉栅，其特征为芯棒(4)的轴线与外套管(3)的轴线相重合，或者背离地面、迎着重力方向偏离外套管(3)的轴线一定距离。
5.根据权利要求I所述的无焦冲天炉水冷炉栅，其特征为芯棒(4)为实心圆形金属材料或者空心圆管形金属材料。
6.根据权利要求I所述的无焦冲天炉水冷炉栅，其特征为圆钢筋(5)的轴线为直线形，或者为包括“V”字形、“ I ”字形在内的其他形状。
7.根据权利要求I与权利要求6所述的无焦冲天炉水冷炉栅，其特征为耐火材料层(6)中均匀分布的多个圆钢筋(5)通过螺纹和螺母、过盈配合或者焊接方式与水冷炉栅结合在一起。
全文摘要
无焦冲天炉水冷炉栅。该炉栅由冷却水进口(1)、联接法兰(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圆钢筋(5)、耐火材料层(6)、冷却水出口(7)、流道隔板(8)等几部分组成。其特征为外套管(3)的表面敷设有一定厚度的耐火材料层(6)，耐火材料层(6)中包裹着多个圆钢筋(5)，外套管(3)环绕在芯棒(4)外部，芯棒(4)位于外套管(3)的几何中心或略偏离其几何中心，流道隔板(8)将外套管(3)与芯棒(4)之间的冷却水空间分隔为数个流道，进入炉栅的冷却水顺序流过流道隔板(8)限定的数个流道。水冷炉栅可将无焦冲天炉的炉膛分隔为上下两部分，在高温铁液、渣液侵蚀和复杂的应力条件下长期支撑炉膛上部的炉料。
文档编号F27B1/10GK102889780SQ20121041758
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者张耀文, 张明 申请人:张耀文