一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构及其制作方法与流程

本发明涉及焦炉上升管整体冶金的技术领域，尤其涉及一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构及其制作方法。

背景技术：

众所周知，焦炉炭化室上升管逸出的荒煤气温度为650～850℃带出的热量占炼焦耗热总量的35％左右。常规工艺下，在桥管处喷洒大量70～75℃的循环氨水，将高温荒煤气温度降至95～105℃，再进入回收煤气净化系统，不仅消耗大量氨水，而且增加系统中的动力消耗，也恶化了焦炉的操作环境，同时也导致大量余热浪费。长期以来，针对荒煤气余热利用，国内外研究人员均作了大量工作，形成了多项技术，目前可分为两类，一类是夹层水套式，即在上升管内筒外再加一层套管，形成水夹套层，中间通过夹层热水回收余热；其优点是传热效率高，但因夹层要保持6个压和150℃的汽液混合物温度，因此既要耐热又要耐压，存在一定安全隐患。第二类是螺旋盘管式，即用螺旋胆管套在上升管的内筒外，高压由较细的螺旋胆管承压，比较安全；但只靠上升管内筒外壁辐射热量加热螺旋胆管，由于上升管内筒与螺旋胆管不接触或填充物导热性能低于金属，热传导效率低，导致上升管内筒温度偏高。以上两种结构第一种较易加工，而第二种加工难度较高还需在上升管内筒外周安装螺旋管吊架。

也有在螺旋盘管与内筒外侧腔体内整体浇铸加工上升管筒体的技术方案，但由于大型薄壁空心铸件，当铁液浇入散热面积大的宽窄小型腔时，伴随型壁阻力，型内膨胀压力，前沿铁液不断冷却降温后流动性变差，在两侧周围铁液汇拢时，由于低温铁液难以熔融为一体，容易形成冷隔，或浇不足。对于浇铸超过1米长的管件，铁液密度高，底部压强大还会侵蚀熔化挤压底部胆管，产生变形，导致制成的上升管换热器管路局部阻力大，且浇铸成型的工件未经过细化晶粒的过程，强度低同样存在安全隐患。

本发明提供了一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构，将上升管内筒和立管式热传导结构整体成型提高安全性和换热面积；本发明同时提供了所述装置的制造方法，采取金属粉末热压液相烧结，热轧锻压的方法保证工件的强度，降低加工难度。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于提供通过上述制备方法得到的耐高温高强度的一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构，包括由上升管筒体，位于上升管筒体上下两端的上升管上法兰、上升管下法兰组成的焦炉上升管主体结构，其特征在于；所述上升管筒体侧壁具有一定厚度，其内分布有贯通该侧壁上下两端面的若干汽液通道；所述汽液通道至少以下之一方式设置：沿周向均匀分布、纵向设置、至少一圈分布。

上升管上法兰和上升管下法兰均设有双圈环形凸台，该双圈环形凸台与上升管筒体围合，分别在上升管筒体两端形成环形腔室，上升管筒体两端的环形腔室分别连通进水钢管和汽液出口钢管。

优选地，所述上升管筒体两端分别呈锥台形，所述双圈环形凸台的内圈环形凸台与所述上升管筒体筒体侧壁的端面相接；

还设置有与所述双圈环形凸台的外圈环形凸台壁厚、直径相同的环形外套管,其两端分别与所述双圈环形凸台的外圈环形凸台、所述上升管筒体筒体侧壁的端面相接；

所述进水钢管和汽液出口钢管设置在所述环形外套管侧壁上。

优选地，上升管筒体采用铁-铬-铝合金、镍-铬高温耐热合金及不锈钢中的一种整体制造。

进一步地，所述汽液通道直径为10-15mm，距上升管中心通道内壁8-12mm，相邻汽液通道间距为10-15mm。

所述一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法，包括如下步骤：

a.制作一体式无缝多孔筒体；

b.在数控车床上编程序车削步骤a制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的外锥及平面；

c.将两环形外套管分别与上升管筒体两端的外圈连接，通过满焊固定；

d.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的内圈环形凸台连接上升管筒体两端，同时使上升管上法兰和上升管下法兰的外圈环形凸台与两环形外套管连接，通过满焊固定。

所述步骤a包括工艺流程：

a1.将合金粉末、高熔点硬质材料粉末混合，并制成原料；

a2.制作模具，模具包括型腔上盖、型腔骨架和型腔下盖，与型腔内壁组合后形成的中空部分即为原料粉末填充型腔；型腔骨架为对称的分体式结构，型腔上盖设有一圈供芯棒伸入的孔,型腔下盖设有供芯棒固定的盲孔，型腔上盖外径不大于填充型腔内径，型腔上盖内径不小于型腔内壁外径；

a3.模具组装，先将芯棒表面喷涂润滑剂，再固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在型腔内壁外侧并把合固定，模具内喷涂润滑剂；

a4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯；

a5.脱模；

a6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结；

a7.利用中频加热炉把经上述步骤处理后的工件加热到950～980℃，放入预热模腔后，将喷涂高温润滑剂的芯棒插入工件的汽液通道中，用上模冲扩孔锻压工件的管壁；

a8.上述步骤处理后的工件，抽出芯棒，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体。

所述步骤a包括设备：

1)粉末退火炉；

2)v型混料机；

3)挤压模具、芯棒及挤压设备(螺杆挤压机或一般挤压设备)；

4)气氛或真空烧结炉。

5)中频加热炉、预热模腔、芯棒及锻压设备；

预热模腔包括模腔骨架，安装于模腔骨架内相对模腔骨架可移动的下模冲；模腔骨架为对称的分体式结构，模腔骨架内径等于工件外径。

所述步骤a包括技术条件：

1)合金粉：铁‐铬‐铝合金、镍‐铬高温耐热合金及不锈钢中的一种；

2)合金粉末的退火：依照常规金属粉末退火技术条件进行；

3)高熔点硬质材料粉：碳化钛、氧化铝、钼铁粉、碳化硅、硼化钛或氧化锆中的一种；

4)合金粉及高熔点硬质材料粉粒度：300‐500目；

5)合金粉与及高熔点硬质材料粉配比：6∶4到9∶1(质量比)；

6)混合条件：惰性气体环境下球磨混合，无水乙醇做为球磨润滑剂；

7)挤压工艺条件：压坯压实密度大于等于7.3mg/m³；

8)烧结条件：温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；

与现有技术相比具有的优点和积极效果

(1)可以一次性获得整体型上升管筒体结构，导热性能和承压性能优于传统的螺旋盘管上升管结构。

(2)上升管筒体除了本身的中心通道和汽液通道结构外，在两端与环形外套管、上升管上法兰和上升管下法兰形成环形腔室，用于汇集蒸汽或水，本发明制造的一次性成形的上升管筒体可经车床加工制造所需任意长度的筒体，结构简单，易于组装。

(3)本发明制造的一次性成形的上升管筒体，经扩孔锻压，晶粒得到细化，筒体强度优于铸造件。

(4)设备条件简单，能实现规模化生产，金属损耗低。

(5)通过在合金粉末中添加混合高熔点硬质材料可得到高温力学性能更优上升管筒体。

附图说明

图1本发明的一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构图；

图2本发明的一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构中筒体的俯视图；

图3本发明一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法中挤压模具的结构图；

图4本发明一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法中预热模腔及上冲模的结构图；

图5本发明一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法流程图；

图6本发明一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法中材料成型流程图。

具体实施方式

见图1和图2，是本发明的结构示意图，本发明所述一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构，包括上升管筒体1、环形外套管4和上升管上法兰8、上升管下法兰3组成焦炉上升管主体结构；上升管筒体侧壁壁厚30mm，沿上升管筒体中心通道101周向均匀布置若干个垂直于上升管横截面的汽液通道5，汽液通道直径为10-15mm，相邻汽液通道间距为10-15mm，汽液通道内壁距上升管筒体外壁7-12mm，汽液通道内壁距上升管筒体中心通道内壁8mm，上升管筒体两端为锥台形，锥面为45度角，组装上升管时，上升管筒体锥面外圈102切口分别与两个环形外套管4的顶缘401满焊连接，两个环形外套管上分别连通一个汽水出口钢管9和进水口钢管10，上升管筒体锥面内圈103切口与上升管上法兰8、上升管下法兰3的双圈环形内圈凸台顶面满焊连接，环形外套管另一端顶缘401分别与上升管上法兰8、上升管下法兰3的双圈环形外圈凸台顶面满焊连接，环形外套管、上升管筒体、上升管上法兰或上升管下法兰围合，在上升管筒体两端形成环形腔室2，用于汇集蒸汽或水；上升管筒体采用铁-铬-铝合金、镍-铬高温耐热合金及不锈钢中的一种整体制造。

如图3所示，一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法中的挤压模具，包括型腔上盖104、型腔骨架105和型腔下盖106，与型腔内壁107组合后形成的中空部分即为原料粉末填充型腔108；型腔骨架为对称的分体式结构，型腔上盖设有一圈供芯棒21伸入的孔151,型腔下盖设有供芯棒固定的盲孔161，型腔上盖外径不大于填充型腔内径，型腔上盖内径不小于型腔内壁外径；

如图4所示，一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法中的预热模腔，包括：模腔骨架201，安装于模腔骨架内相对模腔骨架可移动的下模冲202；模腔骨架为对称的分体式结构，模腔骨架内径等于工件外径。下模冲202顶面设有环形槽203，槽内填充可压缩的耐高温填料204。

实施例1，如图5、6所示，一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法，包括：a1.将合金粉末、高熔点硬质材料粉末混合，并制成原料，500目1cr18ni不锈钢粉退火后，与同样粒度纯度≥99.5％的tic粉(质量比为7:3～8:2)，在v型混料机上至少干混2小时，在惰性气体环境下球磨混合20小时，球磨介质为直径8～10mm的不锈钢球，球料比8:1(质量)，球磨机转速226r/min，使用氩气作保护气体，无水乙醇做为球磨润滑剂；

a2.制作模具；a3.模具组装，先将芯棒表面喷涂硅油润滑剂，再固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在型腔内壁外侧并把合固定，模具内喷硅油涂润滑剂；

a4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯，压坯压实密度大于等于7.3mg/m³；a5.脱模；a6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结，烧结温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；

a7.利用中频加热炉把经上述步骤处理后的工件11加热到950～980℃，放入预热模腔后，将喷涂高温润滑剂(石墨粉)的芯棒21插入工件的汽液通道5中，用上模冲205扩孔锻压工件的管壁；上模冲205具有冲柱251，和环形凸台252，环形凸台252表面设有环形槽253，冲柱顶面到环形凸台表面的长度固定，且冲柱直径大于工件内径，利用上冲模锻压余热模腔内的高温工件，可限定工件体积进一步压缩工件，将工件锻压至所需的密度；a8.上述步骤处理后的工件，抽出芯棒，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体；

b.在数控车床上编程序车削步骤a制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的外锥及平面；c.将两环形外套管分别与上升管筒体两端的外圈连接，通过满焊固定；d.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的内圈环形凸台连接上升管筒体两端，同时使上升管上法兰和上升管下法兰的外圈环形凸台与两环形外套管连接，通过满焊固定。

实施例2，如图5、6所示，一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法，包括：a1.将合金粉末、高熔点硬质材料粉末混合，并制成原料，400～500目cr25ni20不锈钢粉退火后，与同样粒度纯氧化铝(质量比为9：1)，在v型混料机上至少干混2小时，在惰性气体环境下球磨混合8小时，球磨介质为直径8～10mm的不锈钢球，球料比8:1(质量)，球磨机转速50r/min，使用氩气作保护气体，无水乙醇做为球磨润滑剂；

a2.制作模具；a3.模具组装，先将芯棒表面喷涂硅油润滑剂，再固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在型腔内壁外侧并把合固定，模具内喷硅油涂润滑剂；

a4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯，压坯压实密度大于等于7.3mg/m³；a5.脱模；a6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结，烧结温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；

a7.利用中频加热炉把经上述步骤处理后的工件11加热到950～980℃，放入预热模腔后，将喷涂高温润滑剂(石墨粉)的芯棒插入工件的汽液通道中，用冲模扩孔锻压工件的管壁；上模冲205具有冲柱251，和环形凸台252，环形凸台252表面设有环形槽253，冲柱顶面到环形凸台表面的长度固定，且冲柱直径大于工件内径，利用上冲模锻压余热模腔内的高温工件，可限定工件体积进一步压缩工件，将工件锻压至所需的密度；a8.上述步骤处理后的工件，抽出芯棒，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体；

b.在数控车床上编程序车削步骤a制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的外锥及平面；c.将两环形外套管分别与上升管筒体两端的外圈连接，通过满焊固定；d.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的内圈环形凸台连接上升管筒体两端，同时使上升管上法兰和上升管下法兰的外圈环形凸台与两环形外套管连接，通过满焊固定。

实施例3，如图5、6所示，一种立管式焦炉上升管荒煤气汽化冷却装置结构的制作方法，包括：a1.将合金粉末、高熔点硬质材料粉末混合，并制成原料，300～400目0cr17ni12不锈钢粉退火后，与同样粒度钼铁粉(铁粉66-76、二硫化钼1-2、铝7-8.5、钒4.5-5.5、钼11-13、铬4-5)按质量比为8：2，在v型混料机上至少干混2小时，在惰性气体环境下球磨混合12小时，球磨介质为直径6～8mm的不锈钢球，球料比2:1～5:1(质量)，球磨机转速60～100r/min，使用氩气作保护气体，无水乙醇做为球磨润滑剂；

a2.制作模具；a3.模具组装，先将芯棒表面喷涂硅油润滑剂，再固定在型腔下盖的盲孔内，然后将型腔骨架和型腔下盖分别套装在型腔内壁外侧并把合固定，模具内喷硅油涂润滑剂；

a4.将原料堆积在填充型腔内，套装型腔上盖，挤压型腔上盖制备成多孔筒体压坯，压坯压实密度大于等于7.3mg/m³；a5.脱模；a6.将脱模后多孔筒体压坯在保护气氛或真空中进行液相烧结，烧结温度为1200-1350℃，保温时间为4-6小时，气氛为真空或还原性气氛，真空度<10-3pa,烧结升温速度为≤5℃/min；

a7.利用中频加热炉把经上述步骤处理后的工件11加热到950～980℃，放入预热模腔后，将喷涂高温润滑剂(石墨粉)的芯棒插入工件的汽液通道中，用冲模扩孔锻压工件的管壁；上模冲205具有冲柱251，和环形凸台252，环形凸台252表面设有环形槽253，冲柱顶面到环形凸台表面的长度固定，且冲柱直径大于工件内径，利用上冲模锻压余热模腔内的高温工件，可限定工件体积进一步压缩工件，将工件锻压至所需的密度；a8.上述步骤处理后的工件，抽出芯棒，随炉冷却，得要求的一体式无缝多孔筒体；

b.在数控车床上编程序车削步骤a制成的多孔筒体，达到上升管筒体要求的外锥及平面；c.将两环形外套管分别与上升管筒体两端的外圈连接，通过满焊固定；d.将上升管上法兰和上升管下法兰盖合在上升管筒体两端，使上升管上法兰和上升管下法兰的内圈环形凸台连接上升管筒体两端，同时使上升管上法兰和上升管下法兰的外圈环形凸台与两环形外套管连接，通过满焊固定。