专利名称：用于冷却冶金炉的冷却件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于冷却冶金炉且尤其是炉子的渣区和/或金属区的冷却件，其中，炉子的铠壳在其朝向炉室的一侧衬有耐火材料，所述冷却件包括一个冷却介质流经其中的并且具有一冷却介质入口和出口的冷部以及一个通过传热变冷的热部，在这里，该冷却件的热部在装入状态下与耐火材料的朝向炉室的正面平齐地结束。此外，本发明涉及一种用于冷却一个冶金炉的并包括至少一个冷却件的系统以及一种配备有这样一个系统的熔炉。
背景技术：
这样的冶金炉被用在有色金属和生铁的制造当中。为此，采用了圆形或矩形的炉子，其中，所需的能量通过索德博格型自烘干电极被输入。在许多情况下，熔化过程以借助自燃电弧输入能量开始，所述电弧在形成泡沫渣后就没入渣滓中。如果电极被浸入导电液渣中，则辐射能量完全通过渣的电阻加热被传给金属液池。在其它的情况下，只有部分能量借助渣的电阻加热被传入金属液池中，这种能量传递通过小电弧来实现，所述小电弧形成在电极和周围的料柱之间(电刷起弧)。在这两种情况下，都存在约为1400℃-1700℃的热渣液，所述渣液因热效应和磁性作用而在炉子中循环。这种热循环尤其是得到了因渣在炉壁上变冷而引起的密度变化所导致的浮力的促动。
渣朝向炉壁的循环流动导致了在炉壁上出现了衬盖熔炉的耐火材料的非常强烈的磨损(也由于渣的化学侵蚀作用)。这种磨损只有在由耐火材料制成的炉壁在一定的热负荷下被良好冷却到在炉壁的热面上即在朝向炉室的那侧上形成了固体渣壳的程度时才会结束。这样的渣壳被称为“凝固线”。这种凝固渣层保护耐火材料不会继续被渣腐蚀或侵蚀，因而，它是所需要的保护层。不过，炉子的熔炼功率越高并且进而要散发出的热流越强，耐火材料的剩余壁厚就越薄。
尤其是当在现有炉子中要提高电功率输入以提高生产率而出于成本考虑又不应该相应增大炉底面时，就会出现更高的熔炼功率密度(kW/平方米炉底面)。除了现有炉子的改装外，这个问题也困扰着与已知炉子相比应该具有更高的功率密度的新建炉子。
为了尽管有强热流而仍然要形成该保护层(凝固线)或尽可能厚地形成该保护层，从Copper 99-Cobre 99国际会议的、Voermann，F.Ham，J.Merry、R.Veenstra、K.Hutchinson的会议报告“Furnace CoolingDesign for Modern High-Indensity Pyrometallurgical Processes”中(第5卷，矿物、金属和材料协会，1999)中知道了可以将被冷却的铜体用到耐火炉壁中。除了所谓的“指形冷却机构”和“板形冷却机构”外，尤其是提出了使用所谓的“华夫冷却机构”。这样的华夫冷却机构”是由铜制成的并且其中铸出管道的板状体，这些板状体在其热面上配备有蜂窝状槽和散热片。在这些槽中安装有由耐火材料制成的砖，或者耐火材料被夯实到这些槽中。在“华夫冷却机构”中的散热片的冷却作用的结果就是在耐火材料直接接触液渣时形成了所希望的“凝固线”。尽管这样的“华夫冷却机构”有利地负担起支承功能，但它们的缺点是很重并且由此导致的高昂的生产成本。
在D.Tisdale、D.Briand、R.Sriram和R.McMeekin的“UpgradingFalconbridge’s No.2 furnace crucible”中，其中该文章记载在“Challenges in Process Intensification”(加拿大蒙特卡罗PQ，加拿大采矿、冶金和石油学院，1996年)，描述了“指形冷却机构”和“板形冷却机构”。所谓指形冷却机构是指具有圆形横截面的铜管。但事实证明，这样的铜管很难被装入长方体形耐火砖中。已知的板形冷却机构没有这个缺点。但是，板形冷却机构和指形冷却机构一样必须笨重地构成，这是因为它的尺寸是由在其内延伸的冷却水流通孔来决定，这使得其制造成本巨大。指形冷却机构、板形冷却机构以及华夫冷却机构在新建状态下没有穿过耐火炉壁的整个厚度，而是在其炉侧端壁之前还需要有砌墙。此外，它保持不与炉子外壁即所谓的炉子铠壳连接，以避免由耐火砌墙和炉子铠壳的不同的热膨胀引起的压入。
从E.Granberg、G.Carlsson的“Development of a device forcooling of the safety-zone in the electric arc furnace”中，其中该文章记载和公开在第三届European Electric Steel Congress(2-4，October，1989，Boumemouth)中，公开了用于炼钢电弧炉的安全区的冷却件，所述冷却件的作用是基于从在炉室内的热侧面向在炉子铠壳外的冷却介质传输热。
这些由铸铜构成的冷却件包括一个水冷的连接部，多个实心的并突入炉室中的板形冷却机构成梳状地安装在该连接部上。在板形冷却机构之间设有耐火材料。连接部设置在炉子铠壳之外。板形冷却机构的厚度和平均间距可以是变化的。这种解决方案的缺点是，在形成有薄板形冷却机构的情况下，热侧面上的负荷很高，结果会有铜氧化的危险以及导热能力的下降，而在形成有厚板形冷却机构的情况下，材料成本提高，结果出现不对称冷却。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种冷却件以及一种用于冶金炉的冷却系统，该冷却件在避免上述缺陷的情况下具有一热侧面，该热侧面在工作状态下马上形成一凝固线。此外，可提供一种炉子，它在装备有这样的系统的情况下具有很高的机械稳定性。
通过一种具有权利要求1的特征的冷却件、一种具有权利要求9和10的特征的冷却系统以及一种具有如权利要求16和17所述的特征的炉子来完成该任务。在从属权利要求中公开有利的改进方案。
本发明提出了，整个热部成唯一一块板的形状，该板在冷侧即在其背对炉室的一侧具有唯一一个独立的并配备有冷却介质入口和出口的冷部。
与已知解决方案不同，一个冷却件由唯一一块板构成，在该板上设有一个独立的且与其它冷却件无关的冷部。这样一来，得到了一个有利的热部面积与冷部面积之比，随之而来的就是有利的冷却性能。因此，在工作状态下，直接在冷却件热侧面上，即在耐火材料的朝向炉室的正面上以及在板的正面上，快速地形成一个保护层或凝固线。
根据本发明的一个非常优选的实施例，该冷部是一管，其中该板以其背对炉室的一侧不可脱开地且平行于管轴线地被安装到该管上。这种连接通过全面连并最好通过焊接来实现，以允许良好的热输送。冷却件有利地包括一铜板和一铜管，在这种情况下，冷却件由标准规格的部件构成，它们可以库存，这显著降低了材料成本并主要是降低了加工成本。总之，这样一来，提供了一种哪里都可用的、成本低廉的且可靠的冷却件。还有利的是，所用的组成部件(板和管)由于其生产方式(轧制、挤压)而没有粗晶粒的浇铸组织，而是具有均匀一致的细晶组织。这决定了更高的导热性能以及不太易于开裂或扩展裂纹。
薄板意义上的所述板最好非常薄。板厚为10-40毫米且最好是20-40毫米。
为避免因在板的整个面上有不同的热膨胀状况而拒绝使用所述薄板而规定了，该板或薄板垂直于冷却管纵轴线地开缝。由于被分割成一些独立的板条并且还由于板比较薄，所以，能够灵活地适应于耐火材料的热膨胀运动。此外，这还具有以下突出的优点，即避免在耐火材料或耐火砌墙与板之间形成绝热气隙。
缝间距最好是一样的。在缝宽为2-5毫米时，推荐约为100-400毫米的间距。
在所提出的冷却系统中可能存在以下类型I型冷却系统，它具有垂直布置的冷却件，这些冷却件的冷部或管设置在炉子铠壳之外；II型冷却系统，它具有垂直布置的冷却件，所述冷却件的冷部或管设置在炉子铠壳内；III型冷却系统，它具有水平布置的冷却件，这些冷却件的冷部或管设置在炉子铠壳之外；IV型冷却系统，它具有水平布置的冷却件，这些冷却件的冷部或管设置在炉子铠壳之内。
根据熔炼功率密度和电极距炉壁的距离来设计冷却系统，确切地说是通过选择板的几何形状和/或热侧面和冷部之间的距离和/或板之间的距离。与已知的板形冷却机构相比，热部的板要薄。在热侧面和冷部即管之间的距离比较短。板最好具有矩形的几何形状。
在这样的冷却系统中，冷却件距离它的下个相邻冷却件的垂直或水平的距离是按照作为耐火材料的耐火砖的高度规格或宽度规格或其多倍确定的。在水平布置的情况下，这具有以下优点，即重叠的冷却件的数量可以灵活地匹配于渣区或金属区的高度。省略了对耐火砖的切割加工，安装成本由此降低。
最好规定，一个冷却系统的多个冷却件在水流方面是串联连接的，在这里，一个冷却件的冷却介质出口(或许通过一刚性连接管或柔性连接管)与一个相邻冷却件的冷却介质入口连接。可以串联连接的冷却件的数量视可用的冷却水量和/或允许的冷却水最高温度而定。
根据本发明，炉子结构尤其是炉壁应该匹配于各冷却系统及其特点。对于III型冷却系统来说，提出了一个圆形或矩形的熔炉，炉子的铠壳在冷却区的区域里回缩向炉子内部并且具有壁板以支承现在变突出的炉部的上部。该炉子铠壳结构实现了，由于必须为冷却件设置垂直间距较小的水平缝而对炉子的机械承载能力造成的削弱得到了补偿。
在水平布置结构中，在炉子铠壳中开设有其长度对应于冷却件的水平延伸距离的缝。在这里，缝的高度有利地如此选择，即各冷却件可以参与到耐火材料的不可避免的热膨胀当中，而缝的上边或底边不会阻挡这种运动。结果，出现了比较高的缝。
在IV型冷却系统中，与III型相比，必须为了冷部或管的冷却介质入口或出口只在炉子铠壳中开设较小的开口和进而形成较小的削弱点。在这个解决方案中，炉子铠壳的静态承载能力受损小。但是，可以通过相互错开地布置重叠的冷却件来提高承载能力。
I型冷却系统和II型冷却系统尤其被用在圆形炉子中。板的几何形状，准确地说是其长度，最好匹配于渣区的高度。在I型冷却系统中，热部的板穿过炉子铠壳并且冷部或管位于炉子铠壳外，其中一个因有垂直缝而削弱了其稳定性的炉子铠壳为了承受由耐火材料热膨胀引起的环形应力而通过肋条或环来加强机械强度，在此确保了在炉子铠壳中的垂直缝允许整合到耐火材料中的冷却件尤其是向上自由移动。
从从属权利要求和以下说明中得到了本发明的其它细节和优点，在以下说明中，详细描述了附图所示的本发明实施例。在这里，除了上述的特征组合方式外，单独地或以其它组合方式出现的这些技术特征也对本发明很重要，附图所示为图1是本发明提出的冷却件的局部侧视图，该冷却件由一板和一管组成；图2是图1所示冷却件的沿线A-A的横截面图；图3是整装有III型冷却系统和成形的炉子铠壳的炉壁的垂直截面图；图4表示带有带有图3所示冷却系统的炉壁的沿B-B的水平截面；
图5是整装有IV型冷却系统的炉壁的垂直截面图；图6表示带有图5所示冷却系统的炉壁的沿B-B的水平截面；图7表示IV型冷却系统，其中重叠的冷却件是错开布置的；图8是整装有I型冷却系统的炉壁的垂直截面图。
具体实施例方式
图1表示一冷却件1的局部，该冷却件包括一个由冷却介质如冷却水流过的且呈管3形式的冷部2以及一个只通过热传导被冷却的热部4，该管3具有内径di和壁厚dw。未有冷却水流过的热部4包括一块铜制薄板5，该板以下被称为铜板。管3也由铜制成并且按照铜管标准尺寸或标准规格。该铜板以其冷侧的纵向侧面6平行于管纵轴线地焊接到管壳7上并且从该热侧面8起配备有缝9，这些缝在所示实施例中一直延伸到焊缝10。出现在热侧面8上的并来自炉室Oi的热借助铜板导热被散发给管3，在这里是流经管3的冷却介质。在该铜板和管3之间的、能够实现不受干扰的传热的全面连接(在这里成焊缝10形式)在图2中清楚示出了。铜板比较薄，最好是20-40毫米。也可以采用具有标准尺寸的铜板。与缝9结合地得到了一种柔性的铜板，它能够高效传输热量并同时可以参与到耐火材料的热膨胀中。
图3示出了给一冷却系统布置多个冷却件101的情况。在这个所示的III型冷却系统(11)中，这些冷却件101是水平布置的，就是说，成铜板形状的热部104被这样装入炉壁112中，即板平面的走向垂直于炉子纵轴线。
炉壁112由炉子铠壳113和耐火材料114组成，其中炉子在其朝向炉室Oi的一侧装备所述耐火材料。在所示实施例中，炉子铠壳113砌衬有有一定厚度规格HF的耐火砖115并且在过渡到耐火砖115的区域里填充有夯实耐火材料。这些冷却件101是这样安置在冷却区中的，即薄铜板105的热侧面108即直接遭遇炉内气氛的正面在安装状态下与该耐火砖115的朝向炉室Oi的正面平齐地结束，就是说，在铜板正面之前不需要耐火材料。
在这个实施例中，这些冷却件101分别以两块耐火砖115的间距重叠设置，其中耐火衬分别由一个地脚螺栓115固定在炉子铠壳113上。通过它在耐火砖之间的结构和布置，这些冷却件是尽可能自支承的，这节省了固定件。
配属于每片铜板的铜管103都构成一个冷却通道119，这些铜管设置在炉子铠壳113之外。在每个管103的管端上，设有管段120、121或过渡到冷却介质入口122或冷却介质出口123的过渡部，为此参见图4。总之，通过各冷却件101的热部104面积与冷部102面积的有利之比，快速形成了一个保护层或凝固线124(只能看到凝固线的一部分)。这样一来，未受侵蚀的耐火砖115的剩余壁厚是很大的。
由于各冷却件101的铜管103位于炉子铠壳113之外，所以在炉子铠壳113中开设有对应的开口125或缝，它们的长度比铜板长度略大一些且其高度H0不应太低，以便在耐火砖115在缝或开口125中移动时不影响到铜板。为了补偿炉子铠壳113因有开口而削弱强度，炉子铠壳113在由冷却系统11构成的冷却区的区域里向内隆起，该冷却区可大致对应于渣区(见图3)。由炉子结构126的较上部分作用于炉子铠壳113的力由壁板127来承受或向下传递这个力。
接在渣区下面的金属区也可以形成有这样一个冷却系统，或者如在这里所示的那样，它配备有一个从外面作用于炉子铠壳113的喷洒冷却装置128。为此，炉子铠壳113在其背对炉室的侧面上带有外壳，由此形成一个间隙129。冷却水借助一个供水管130被输入该间隙129中，从而冷却水沿炉子铠壳113的外表面向下喷洒。
尤其是从图4中看到了上述壁板127的布置结构，该图示出了在熔炉炉壁112里的如图3所示的冷却系统11的、沿线B-B的水平截面图。可能达到1米到多米或不到一米长的铜管103长度大致对应于铜板的长度。
上述带有位于炉子铠壳外的铜管的III型冷却系统11尤其是被用在这样的熔炉中，即该熔炉配备有耐火材料如氧化锰，所述耐火材料在高温下与水反应。只要可以接受将引导冷却水的管子安置在炉子铠壳外的布局，就能使用一种如图5、6详细示出的IV型冷却系统12。图5表示炉壁212的一个垂直截面，而图6表示一个水平截面。
带有冷却件201的冷却通道219的铜管203被安置在夯实耐火材料216内，所述夯实耐火材料位于炉子铠壳213和耐火砖215之间。也与在III型冷却系统11中一样，薄板205或铜板设置在各耐火砖215之间。炉子铠壳213配备有用于两个管段2210、221伸出来的开口225，所述管段用于每个铜管203的各冷却介质入口222和各冷却介质出口223。虽然炉子铠壳213在冷却系统12中被略微削弱了强度，但可以设置壁板227来提高稳定性(见图6)，所述壁板在炉子230的炉子铠壳231的冷侧面上延伸。
此外，在IV型冷却系统12中，稳定性的提高是通过错开布置重叠的冷却件210层而实现的，如图7所示。图7从炉子铠壳的冷侧面看过去地示出了一个IV型冷却系统12，它具有重叠水平布置的、第一级、第二级、第三级和第四级的冷却件201的靠内的铜管203。通过一共同的供水通道231，冷却水通过各自在炉子铠壳中的开口突出来的流入管段220流入第一级或最下级的冷却件201的铜管203中，以便糖果相应的出口管段221又流出来。不过，在所示的实施例中，冷却水不是马上流出来，而是通过一个靠内的(也埋在夯实耐火材料中)的连接管232流向靠上的下一级的冷却件201的铜管203的流入管段220。冷却水的传输一直持续进行，直到流过第四级或最高级的冷却件201的铜管203，并且冷却水通过出口管段221和冷却水出口223流出到一共同的回流管道中，以便在那里被送入一个冷却水回冷系统(未示出)。
III型冷却系统11和IV型冷却系统12尤其是被用在矩形炉子中，而I型冷却系统和II型冷却系统尤其被用在圆形炉子中。图8表示I型冷却系统13的冷却件的垂直截面。在这个类型的冷却系统中，这些冷却件301如此布置在炉壁里，即板305的平面或铜管303的纵轴线的走向平行于炉子纵轴线。每个冷却件301的冷部302或铜管303位于炉子铠壳313之外。铜板的长度最好对应于渣区的高度。309表示铜板的缝。为了装入冷却件301，在炉子铠壳313中开设有狭窄的但在垂直方向上长的开口325或缝。炉子铠壳313最好通过肋条或环335、b来加强。
权利要求
1.一种用于冷却冶金炉的冷却件，其中该炉的铠壳(113，213，313)在其朝向炉室(Oi)的侧面上配备有耐火材料(114，214，314)，该冷却件包括一个有冷却介质流过的且具有一个冷却介质入口(122，222，322)和一个冷却介质出口(123，223，323)的冷部(2，102，202，302)以及一个通过热传导被冷却的热部(4，104，204，304)，该冷却件的所述热部在装入状态下与该耐火材料(114，214，314)的朝向该炉室(Oi)的正面平齐地结束，其特征在于，整个所述热部呈一块板(5，105，205，305)状，该板(5，105，205，305)在冷侧配备有一个独立的冷部(2，102，202，302)。
2.如权利要求1所述的冷却件，其特征在于，该冷部是一根管(3，103，203，303)，该板(5，105，205，305)以其背对该炉室(Oi)的侧面不可脱开且平行于管纵轴线地被安装到所述管(3，103，203，303)上。
3.如权利要求2所述的冷却件，其特征在于，该板(5，105，205，305)通过一个总接头被安装到所述管(3，103，203，303)上。
4.如权利要求1-3之一所述的冷却件，其特征在于，该板(5，105，205，305)具有10-40毫米且最好是20-40毫米的厚度。
5.如权利要求2-4之一所述的冷却件，其特征在于，该板(5，105，205，305)具有垂直于所述管(3，103，203，303)的纵轴线延伸的缝(9，309)，这些缝从不与该管连接的板侧面起朝向管地开设于所述管中。
6.如权利要求5所述的冷却件，其特征在于，这些缝(9，309)的间距是一致的并且这些缝(9，309)一直延伸到所述管(3，103，203，303)。
7.如权利要求2-6之一所述的冷却件，其特征在于，所述管(3，103，203，303)具有从1米到多米的长度。
8.如权利要求1-7之一所述的冷却件，其特征在于，不仅构成所述热部的所述板(5，105，205，305)，而且构成该冷部的所述管(3，103，203，303)是由铜或另一种导热材料制成的。
9.一种冷却冶金炉的系统，它有至少一个如权利要求1-8之一所述的冷却件，其中该炉的铠壳(113，213)在其朝向炉室(Oi)的侧面上配备有耐火材料(114，214)，各所述的冷却件包括一个有冷却介质流过的且具有一个冷却介质入口(122，222)和一个冷却介质出口(123，223)的冷部(102，202)以及一个通过热传导被冷却的热部(104，204)，该冷却件的所述热部在装入状态下与该耐火材料(114，214)的朝向该炉室的正面(117)平齐地结束，其特征在于，所述的呈唯一一块板(105，205)形状的热部被安装到由炉子铠壳(113，213)和耐火材料(114，214)构成的炉壁(112)中，从而该板的平面垂直于该炉的纵轴线地延伸(水平布置)。
10.一种冷却冶金炉的系统，它有至少一个如权利要求1-8之一所述的冷却件，该炉的铠壳(313)在其朝向炉室(Oi)的侧面上配备有耐火材料(314)，其中各所述的冷却件包括一个有冷却介质流过的且具有一个冷却介质入口(322)和一个冷却介质出口(323)的冷部(302)以及一个通过热传导被冷却的热部(304)，该冷却件的所述热部在装入状态下与该耐火材料的朝向该炉室的正面平齐地结束，其特征在于，所述的呈唯一一块板(305)形状的热部被安装到由炉子铠壳(313)和耐火材料(314)构成的炉壁中，从而该板的平面平行于该炉的纵轴线地延伸(垂直布置)。
11.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述各冷却件(201)的、有冷却介质流过的该冷部(202)被安置在该炉子铠壳(213)的朝向该炉室(Oi)的侧面上。
12.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述的有冷却介质流过的冷部(102，302)被安置在该炉子铠壳(113，313)的朝向该炉室(Oi)的侧面上。
13.如权利要求9-12之一所述的系统，其特征在于，该板(105，205，305)的几何形状和/或在该热部(108)和该冷部(102)之间的距离和/或所述冷却件的所述板(105，205，305)之间的距离是按照熔炼功率密度设计的。
14.如权利要求9-13之一所述的系统，其特征在于，相邻冷却件(101，201，301)的这些板(105，205，305)之间的距离是按照作为耐火材料的耐火砖(115，215)的高度规格(HF)或宽度规格或其多倍值确定的。
15.如权利要求9-14之一所述的系统，其特征在于，一个冷却件的该冷却介质出口与一个相邻冷却件(201)的该冷却介质入口连通。
16.一种具有一个如权利要求9和12所述的、用于冷却渣区和/或金属区的并包括至少一个如权利要求1-8之一所述的冷却件的系统的熔炉，其特征在于，当水平布置构成一个冷却区的多层冷却件(101)时，并且当有冷却介质流过的该冷部(102)被安置在该炉子铠壳(113)的背对该炉室(Oi)的侧面上时，该炉子铠壳(113)是在该冷却区的区域里朝向该炉室(Oi)缩进地形成的，它借助一块结构板且尤其是借助壁板得到支承，以便继续在该冷却区上传递垂直力。
17.一种具有一个如权利要求10和12所述的、用于冷却渣区和/或金属区的并包括至少一个如权利要求1-8之一所述的冷却件的系统的熔炉，其特征在于，当垂直布置构成一冷却区的多个冷却件(301)时并且所述的有冷却介质流过的冷部被安置在该炉子铠壳(313)的背对该炉室(Oi)的侧面上时，该炉子铠壳(313)通过肋条(335a，b)或环得到加强。
18.如权利要求16或17所述的熔炉，其特征在于，该熔炉具有一个用于制造有色金属或生铁的圆形炉(OR)或矩形炉(ORe)，或者该熔炉具有一个用于炼钢的电弧炉。
全文摘要
本发明涉及一种用于冷却冶金炉的冷却件，其中该炉子的铠壳(113，213，313)在其朝向炉室(O
文档编号F27D9/00GK1518657SQ02812254
公开日2004年8月4日 申请日期2002年3月22日 优先权日2001年4月18日
发明者P·海因里希, L·阿姆布罗斯, P 海因里希, 凡悸匏 申请人:Sms迪马格股份公司