一种高炉出渣沟的相变冷却装置及高炉出渣沟的制作方法

本发明涉及高炉炼铁技术领域，特别是涉及一种高炉出渣沟的相变冷却装置及高炉出渣沟。

背景技术：

在高炉炼铁工艺中，高炉出渣沟是高炉出铁平台中的一项重要组成结构，该出渣沟主要采用铝碳化硅碳耐火材料进行浇注或捣打成形。在高炉炼铁中，出渣沟主要用于高炉炉前大沟渣铁分离后的氧化硅渣(简称：渣)的流淌输送，将渣由大沟输送至冲渣沟、干渣沟以及干渣槽，但是，由于渣中的矿物组成十分复杂，其主要成分是二氧化硅，还含有多种金属及非金属氧化物，从而出渣沟容易因高温的渣对耐火材料的侵蚀与机械冲刷而严重损坏，必须对其进行定期维护。

为了解决上述问题，提高出渣沟的使用寿命，在现有的技术方案中采用了水冷渣沟，即在渣沟预制件中预埋水冷管。在出渣时，通过向预埋水冷管中通入一定流量的冷水，以降低出渣沟内表面的温度，使得与出渣沟内表面相接触的渣的温度降低，从而粘度增大，便于在出渣沟内表面附着一层渣皮，进而可基于该渣皮保护出渣沟不被损坏，大大提高出渣沟的使用寿命。

然而，在实际应用中，基于预埋水冷管的水冷效果并不稳定，导致出渣沟内表面的温度波动较大，这使得出渣沟内表面不会稳定地挂渣皮，高温的渣通常还是会对出渣沟造成损坏。

与此同时，采用预埋水冷管对出渣沟进行水冷时，通过预埋水冷管的水的流量有限，从出渣沟带走的热量也受到较大的限制。然而，出渣沟的出渣过程往往是间断进行的，在出渣的初期与后期，出渣沟的前部和后部的温度具有较大的差异性，从而导致出渣沟的内表面各个区域的温度也不相同，出渣沟的内表面挂渣皮的效果也存在明显的差异，因而，仅仅通过调节流经预埋水冷管的水量难以对出渣沟内表面的温度分布的均匀性实现有效的控制，相应的，在出渣沟内表面的温度分布不均匀时，难以确保出渣沟的内表面温度稳定在挂渣温度，也就难以在出渣沟的内表面形成稳定的挂渣，以对出渣沟形成可靠的保护。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种高炉出渣沟的相变冷却装置及高炉出渣沟，用于解决现有的水冷渣沟的内表面温度存在不可控的缺陷，导致在出渣时不能形成稳定的挂渣皮的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种高炉出渣沟的相变冷却装置，包括：相变单元，所述相变单元用于设置于远离出渣沟的内表面的一侧，并用于沿所述出渣沟的内表面对应分布。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，还包括：耐高温导热层，所述耐高温导热层用于形成于所述出渣沟的内表面。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，还包括：导热结构，所述导热结构形成于所述耐高温导热层朝向所述相变单元的一侧面，所述导热结构连接所述相变单元。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，所述导热结构连接所述相变单元的一端呈燕尾状。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，所述相变单元包括：储热腔与相变材料，所述储热腔用于形成于所述出渣沟的沟壁内，所述相变材料填充于所述储热腔内。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，还包括：传热结构，所述传热结构设置于所述储热腔内，所述传热结构的至少一端用于伸出所述出渣沟。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，所述储热腔为用于形成于所述出渣沟的沟壁内的夹层，所述传热结构为设置于所述夹层内的预埋水冷管，所述预埋水冷管的进水端与出水端用于伸出所述出渣沟。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，所述预埋水冷管用于沿所述出渣沟的长度方向呈蛇形往复排布。

根据本发明一个实施例的高炉出渣沟的相变冷却装置，所述相变材料包括：有机相变材料与无机相变材料当中的至少一种。

本发明实施例还提供一种高炉出渣沟，包括如上所述的高炉出渣沟的相变冷却装置。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明实施例提供的一种高炉出渣沟的相变冷却装置及高炉出渣沟，针对现有的水冷渣沟的内表面温度存在不可控的缺陷，通过在远离出渣沟的内表面的一侧设置相变单元，并将相变单元对应出渣沟的内表面分布，可在出渣时，基于相变单元相应的相变材料在从固相至液相转变时吸收的大量的热量，对出渣沟的内表面的各个区域进行快速降温，并确保降温的均匀性，使得出渣沟的内表面稳定地维持在挂渣温度，从而便于在出渣沟的内表面形成稳定的挂渣，并由挂渣的渣皮对出渣沟形成可靠的保护，进而大大提高了出渣沟的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所示的高炉出渣沟的相变冷却装置的横截面结构示意图；

图2为本发明实施例所示的出渣沟内预埋水冷管排布的结构示意图。

图中，1、出渣沟；2、相变单元；21、储热腔；22、相变材料；3、耐高温导热层；4、导热结构；5、传热结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本实施例提供了一种高炉出渣沟的相变冷却装置，包括：相变单元2，相变单元2用于设置于远离出渣沟1的内表面的一侧，并用于沿出渣沟1的内表面对应分布，其中，相变单元2可进一步对应出渣沟1的内表面均匀分布。

具体的，本实施例所示的相变冷却装置，针对现有的水冷渣沟的内表面温度存在不可控的缺陷，通过在远离出渣沟的内表面的一侧设置相变单元，并将相变单元对应出渣沟的内表面分布，可在出渣时，基于相变单元相应的相变材料在从固相至液相转变时吸收的大量的热量，对出渣沟的内表面的各个区域进行快速降温，并确保降温的均匀性，可使得出渣沟的内表面快速附着一层渣皮，由于相变材料在相变的过程中连续吸收大量的热量，从而使得出渣沟的内表面的各个区域的温度稳定地维持在挂渣温度，如此便于在出渣沟的内表面形成稳定的挂渣，且挂渣的渣皮不会在出渣过程中发生损坏，可由挂渣的渣皮对出渣沟形成可靠的保护，进而大大提高了出渣沟的使用寿命，减小了对出渣沟的维护成本。

其中，本实施例所示的出渣沟在形状上通常呈拱形槽状，从而出渣沟的内表面对应指的是拱形槽的内侧槽壁面。本实施例所示的相变单元设置于远离出渣沟的内表面的一侧，可理解为，相变单元既可设置于出渣沟的沟壁内，又可设置于出渣沟的外表面，还可同时设置于出渣沟的沟壁内与出渣沟的外表面，在此可不作具体限定，只要使得相变单元对应沿出渣沟的内表面分布，在出渣时，能够基于相变单元的相变吸热而确保出渣沟的内表面稳定地维持在挂渣温度即可。

在此应指出的是，通过研究发现，现有的水冷渣沟基于预埋水冷管的水冷效果并不稳定，导致出渣沟内表面的温度波动较大，并且由于通过预埋水冷管的冷水的流量有限，从出渣沟带走的热量也受到较大的限制，在出渣沟间断出渣时，出渣沟的内表面的温度分布差异性较大，难以形成稳定的挂渣，从而高温的渣通常会对出渣沟造成损坏。由此，本实施例针对现有的水冷渣沟的内表面温度存在不可控的缺陷，相应地设计了高炉出渣沟的相变冷却装置。尽管相变材料基于其自身相变吸热的特性，在建筑、电力与通讯设备的降温及制冷设备等领域均具有一定的应用，但是，该技术并没有应用于高炉炼铁中对出渣沟的冷却，究其原因，一方面在于，现有的技术人员只是利用相变材料的相变吸热的特性以简要地对相关设备进行降温或散热，并没有精细地用于对相关设备(出渣沟)的表面温度进行控制，另一方面在于，现有的技术人员并没有基于上述研究而认识到水冷渣沟的内表面不能形成稳定挂渣的实质原因，从而基于这些技术偏见或认知上的不足，现有的技术人员也难以想象得到，在出渣时，通过相变单元对出渣沟的内表面挂渣的稳定性进行控制。

如图1所示，在进一步的优选实施例中，还设置有耐高温导热层3，耐高温导热层3用于形成于出渣沟1的内表面。

具体的，耐高温导热层可具体选用的材质为高碳化硅碳质材料或石墨。耐高温导热层一方面可对出渣沟形成有效的保护，在高炉出渣时，可防止出渣沟因高温的渣的长期的侵蚀与机械冲刷而严重损坏，其中，出渣沟出渣时渣的温度通常在1400℃-1500℃，在另一方面，耐高温导热层也便于将高温的渣的热量及时传导至相变单元，而相变单元内相变材料的相变吸热又可相应地将耐高温导热层的表面温度迅速降低至挂渣温度，以便耐高温导热层的表面迅速形成一层渣皮，并可确保出渣过程中渣皮的稳定性，且不会因耐高温导热层表面的温度分布不均匀而发生损坏。

在实际设计时，可将相变单元与耐高温导热层直接接触，如此可根据耐高温导热层所选材料的导热系数，基于相变单元内相变材料的相变温度与耐高温导热层表面的挂渣温度之差，计算出耐高温导热层的设计厚度，以在出渣的过程中，确保耐高温导热层的表面形成一层稳定的渣皮。

如图1所示，在进一步的优选实施例中，还设置有导热结构4，导热结构4形成于耐高温导热层3朝向相变单元2的一侧面，导热结构4连接相变单元2，其中，导热结构4连接相变单元2的一端呈燕尾状。

由此，基于导热结构，既可增大耐高温导热层与相变单元的接触面积，提高耐高温导热层的传热效率，而且在将导热结构连接相变单元的一端设计为燕尾状时，可使得导热结构连接相变单元的一端直接嵌入至相变单元相应的相变材料中，从而可有效防止耐高温导热层在使用过程中从出渣沟的内表面脱落。

优选地，如图1所示，本实施例中相变单元2包括：储热腔21与相变材料22，储热腔21用于形成于出渣沟1的沟壁内，相变材料22填充于储热腔内。

具体的，本实施例所示的储热腔21可为多个封闭的腔体，多个储热腔21彼此间相互隔离，只要沿着出渣沟的内表面对应均匀分布即可。

与此同时，本实施例所示的储热腔21也可为用于形成于出渣沟1的沟壁内的夹层，从而在储热腔21内的相变材料发生从固相到液相的转变时，相变材料的相变吸热可使得出渣沟的内表面的温度快速均匀地降低，以便在出渣沟的内表面迅速形成一层渣皮，并可在出渣过程中确保出渣沟的内表面始终维持在挂渣温度，确保挂渣的稳定性。

其中，本实施例所示的储热腔21还可以为形成于出渣沟1的内表面的下沉槽与上述实施例所示的耐高温导热层3围成的封闭区间，以便于储热腔21内的相变材料与耐高温导热层3相互间进行热传导。

进一步的，本实施例所示的相变材料包括：有机相变材料、无机相变材料当中的至少一种，从而本实施例所示的相变材料既可以为单独设置的机相变材料，也可为单独设置的无机相变材料，还可为有机相变材料与无机相变材料组合而成的复合相变材料。相变材料的熔点可以为200℃-500℃。

如此，在出渣的过程中，温度为1400℃-1500℃的渣在流经耐高温导热层时，基于耐高温导热层的导热作用，将热量快速传递至相变材料，相变材料吸热温度升高，在达到熔点后，在从固相转变为液相的过程中，会吸收并储存大量的潜热，这又使得耐高温导热层的表面温度快速下降，从而可通过合理地设计耐高温导热层的厚度，使得耐高温导热层的表面在出渣的过程中维持在适宜的挂渣温度，以确保在耐高温导热层的表面形成一层稳定的渣皮。

如图1所示，在进一步的优选实施例中，还可设置传热结构5，传热结构5设置于储热腔21内，传热结构5的至少一端用于伸出出渣沟1。

具体的，传热结构5可以为本领域所公知的传热板、热管等，可将传热结构5伸出出渣沟的一个或多个端部连接外部的冷却系统，以将相变材料中的热量实时从出渣沟中传导出，以便于相变材料维持持久的相变过程，并基于相变材料在相变过程中的吸热，使得在出渣的过程中耐高温导热层的表面维持适宜的挂渣温度。

如图1与图2所示，在进一步的优选实施例中，可将传热结构5设置为内置于夹层内的预埋水冷管，预埋水冷管沿出渣沟的长度方向呈蛇形往复排布，预埋水冷管的整体形状为与夹层相适应的拱形，预埋水冷管的进水端与出水端伸出出渣沟1。

如此，可通过预埋水冷管的进水端与出水端，将预埋水冷管与外部水循环系统相连接成闭环，以通过循环流动的水流来实时释放相变材料上的储热。在此，可将外部的水循环系统用于供暖、浴室供热、余热发电、储热箱充热等，以实现低品位能源的再次利用。

与此同时，本实施例还提供了一种高炉出渣沟，包括如上所述的高炉出渣沟的相变冷却装置。

如此，本实施例所示的高炉出渣沟在出渣时，基于相变材料在从固相至液相转变时吸收的大量潜热，可对出渣沟的内表面的各个区域进行快速降温，并确保降温的均匀性，以使得出渣沟的内表面快速附着一层渣皮，由于从耐高温导热层传导至相变材料的热量，又可实时通过预埋水冷管内的水循环而从出渣沟传导出去，从而可使得相变材料维持持久的相变过程，基于相变材料在相变过程中的吸热，可使得耐高温导热层的表面始终维持在适宜的挂渣温度，确保了挂渣的稳定性，防止在出渣的过程中渣皮发生损坏，从而通过挂渣的渣皮对出渣沟形成可靠的保护，大大提高了出渣沟的使用寿命。

在此应指出的是，相比于现有的水冷渣沟而言，本实施例所示的相变材料因受热而发生的相变过程稳定且可靠，在相变过程中没有发生爆炸的风险。由于预埋水冷管内置于相变材料中，相变材料又可对预埋水冷管形成可靠的防护，防止预埋水冷管因高温而被烧穿，从而也确保了高炉出渣沟使用的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。