矿热炉的新型炉盖的制作方法

本实用新型涉及矿热炉炉顶冷却设备，具体涉及一种矿热炉的新型炉盖。

背景技术：

矿热炉又称埋弧电炉，主要用于生产硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金、电石和黄磷等。根据国家环保以及淘汰落后产能的政策实施，“十二五”期间淘汰12500kva以下矿热炉，新建容量要求不低于25000kva，未来矿热炉大型化、大功率化、自动化将是主基调，发展空间较大。

水冷炉盖是矿热炉的重要部件之一，其寿命长短和故障发生率大小直接影响矿热炉生产的各项指标和总体效益。随着矿热炉大型化及环保的要求等，封闭式矿热炉也将逐步替代敞开式、半封闭式结构。传统的水冷炉盖基本上都是钢结构的形式，其中框架式和管式水冷炉盖常用于中小型矿热炉，分块空腔钢板式水冷炉盖开始用于较大型矿热炉上，但还是不能够满足大型化矿热炉的工艺要求。

传统的水冷炉盖的缺点如下：

（1）框架式水冷炉盖：框架式水冷炉盖由多个钢结构扇形水箱组合而成，水箱内含有多层隔板，隔板空间狭窄，其结构中焊接点和焊缝多，对工艺要求较为苛刻。一旦因工艺问题造成虚焊和漏焊，会引起水腔串水，造成炉盖内部冷却效果不佳，甚至炉盖因局部受热不均匀，其局部区域会出现水沸现象，当内部水汽压力远大于进水压力时，极易造成炉盖表面焊缝渗水，严重时会导致整个炉盖炸裂。

（2）管式水冷炉盖：管式水冷炉盖是由环形水冷圈和中心向四周辐射的钢管组成炉盖骨架，骨架的作用为支撑整个炉盖上水冷块的重量。虽然该结构的管式水冷炉盖冷却效果比较均匀，但由于钢管的焊缝较多，在高温环境下容易出现焊缝开裂或钢管破裂等导致漏水的情况，炉盖的使用寿命也得到很大的限制。

（3）分块空腔钢板式水冷炉盖：在一些50mva以上大型的密闭式矿热炉上，普通的框架式和管式水冷炉盖已经不能满足其使用要求，一些厂家开始尝试使用分块空腔钢板式水冷炉盖。炉盖三角区由多块不锈钢组焊的水冷盖板用连接板或螺栓连接而成，外沿由多块低碳钢组焊的水冷盖板用连接板或螺栓连接而成，水冷盖板下面焊有不锈钢锚固钉，浇铸耐火材料，相邻结构间设有绝缘。虽然从结构布局上比较合理，但毕竟主体材质还是钢结构，不锈钢在450-850℃区间容易产生晶间腐蚀，而炉内烟气温度大多处于800-1000℃，极端情况下可能达到1400℃，尽管不锈钢炉盖内部通水，底部有耐火材料保护，但不可避免会接触高温，在长时间运行之下，不锈钢会发生晶间腐蚀，出现裂纹且极难补焊，此类炉盖在大型矿热炉上大致服役2年左右。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种矿热炉的新型炉盖，这种新型炉盖冷却效果好，具有较长的使用寿命。采用的技术方案如下：

一种矿热炉的新型炉盖，包括炉盖板，其特征在于：所述炉盖板包括铜质炉盖板主体，铜质炉盖板主体的下表面构成炉盖板的热面；炉盖板中设有至少一个冷却通道，冷却通道的两端分别设有进水口和出水口。

一个炉盖可由一个炉盖板构成，也可由多个炉盖板拼接而成。

上述铜质炉盖板主体的材质可为铜或者铜合金。上述铜可为纯铜，铜合金可为铜锌合金、铜铬合金、铜银合金或者铜锆合金。炉盖板的热面部分（铜质炉盖板主体）的材料采用铜或者铜合金，由于铜或者铜合金导热系数较高，因此有利于炉盖板各处冷热均匀，减小热应力。可根据不同需求选择铜质炉盖板主体的材质，只需要冷却强度高则采用纯铜，需要兼顾机械强度高则采用铜锌合金、铜铬合金、铜银合金或者铜锆合金。纯铜的抗拉强度约为200mpa，硬度35-45hb；而采用铜锌合金、铜铬合金、铜银合金或铜锆合金，其抗拉强度达到400mpa以上，硬度达到60hb及以上，从而提高了耐磨性。

优选上述铜质炉盖板主体采用轧制、锻造或者压延加工而成的铜板或铜合金板，其材质致密，无气孔、疏松、裂纹等缺陷。

一种优选方案中，上述炉盖板还包括加强板，加强板的下表面与铜质炉盖板主体的上表面连接在一起；加强板的上表面构成炉盖板的冷面。优选上述加强板为钢板或铸铁板。采用钢板、铸铁板等高强度材料连接在铜质炉盖板主体上，能够增强整个炉盖板的机械强度，与导热性能好的铜质炉盖板主体结合，使炉盖板不仅具有优良的冷却强度，而且具有较高的机械强度，提高炉盖板的抗变形能力。

上述加强板与铜质炉盖板主体之间的连接，采用的连接工艺可以为分子间结合连接（如铸、锻、焊等工艺）、非分子间结合连接（如机械连接、粘接），或者以上两种连接工艺相结合。

另一种优选方案中，上述炉盖板整体由铜质炉盖板主体构成，铜质炉盖板主体的上表面构成炉盖板的冷面。这种情况下，通常采用铜锌合金、铜铬合金、铜银合金或者铜锆合金等铜合金制作炉盖板，这样能够较好地兼顾到冷却强度和机械强度两方面的要求。

更优选方案中，上述铜质炉盖板主体的上表面上固定安装有加强框架。加强框架用于增强炉盖板的机械强度，与导热性能好的铜质炉盖板结合，使炉盖板不仅具有优良的冷却强度，而且具有较高的机械强度，提高炉盖板的抗变形能力。上述加强框架可由多个框条连接而成。框条的走向可为横向、纵向或者斜向。上述加强框架的材质可为钢或铸铁。

通常，上述冷却通道两端的进水口和出水口均处于炉盖板的上表面（即炉盖板的冷面）上。进水口处安装有进水管，出水口处安装有出水管。

上述炉盖板中冷却通道可以设有一个或多个。在设有多个冷却通道的情况下，冷却通道之间可以串联（通过水管串联）或者是并联。通常情况下，增加冷却通道的数量，有利于提高炉盖的可靠性。

当设有多个冷却通道时，各冷却通道相互独立进行冷却工作。冷却通道可以布置在同一层，如单层双冷却通道。冷却通道也可以布置成上下两层，例如双层双冷却通道。由于各冷却通道相互独立进行冷却工作，当极端情况下（如短时间停止供水导致其中一部分冷却通道局部烧损），在恢复供水后，仍有一部分冷却通道能够正常工作，从而延缓因一个冷却通道断水而导致更加严重的烧损。

冷却通道在接近炉盖板热面的区域，可采用以下方式提高其冷却强度：（1）减少冷却通道的通流面积，以提高冷却水流速（通过改变冷却通道不同部位的通流面积，可改变通流速度，相应改变冷却强度）；或（2）在冷却通道内设置扰流结构，以减少边界层，提高冷却强度。

在冷却通道靠近热面的区域，可通过机加工或者增材制造的方式，形成扰流结构。

在冷却通道靠近热面的区域，也可通过在冷却通道内壁采用分子间或非分子间的连接工艺将扰流件固定，形成扰流结构，同时改变了冷却通道的通流面积。

在保证刀具可达性的情况下，冷却通道的截面形状可为圆形、半圆型、矩形、梯形、三角形、椭圆形、半圆与方孔组合、多圆孔相交等各种形状，实现不同位置、不同应用部位对冷却强度的需求。

一种优选方案中，上述冷却通道由多个直线形通道段组成，各直线形通道段依次通过导水槽首尾连通，形成冷却通道。这种情况下，可采用钻孔加工方式在炉盖板中钻孔（通常在铜质炉盖板主体中钻孔，或者在铜质炉盖板主体与加强板的交接处钻孔；孔型可为单圆孔，或多圆孔相交形成的复合孔），形成各直线形通道段，各直线形通道段通常开口于炉盖板的侧面；然后在炉盖板的侧面上加工出导水槽，导水槽将相邻两直线形通道段的相邻端连通；再在炉盖板的侧面上焊接封堵盖板，将导水槽的槽口密封。此外，也可采用钻孔加工方式在炉盖板中钻盲孔，形成的直线形通道段有一端处在炉盖板内部，再在炉盖板的上表面上加工出导水槽（该导水槽可呈直线状或曲线状），将该直线形通道段处在炉盖板内部的一端与其他直线形通道段连通，再在炉盖板的上表面上焊接封堵盖板，将导水槽的槽口密封。必要时设置堵头以改变水流方向。铜质炉盖板主体通常采用轧制、锻造或者压延加工而成的铜板或铜合金板，其材质致密，无气孔、疏松和裂纹等缺陷。通常采用氩弧焊（可以焊接所有对接焊缝）、搅拌摩擦焊（可以焊接所有对接焊缝和穿透性搭接焊接）的方式，将封堵盖板连接到炉盖板。

另一种优选方案中，上述冷却通道包括条形通水凹槽和槽盖板，条形通水凹槽设置在炉盖板上并且开口于炉盖板的上表面上，槽盖板将条形通水凹槽在炉盖板上表面上的开口封盖，槽盖板的边沿与炉盖板焊接。条形通水凹槽可通过普通机加工（如铣削）形成；可采用氩弧焊或者搅拌摩擦焊的方式进行槽盖板与炉盖板的连接，采用氩弧焊（可以焊接所有对接焊缝）或者搅拌摩擦焊（可以焊接所有对接焊缝和穿透性搭接焊接）的方式，可大大减少甚至消除了焊接缺陷（气孔、裂纹和夹杂）和间隙。条形通水凹槽的线路通常是弯曲的，可根据炉盖板的形状及需要重点冷却的部位，设置条形通水凹槽的线路（例如，在需要重点冷却的部位，条形通水凹槽排列较为密集）。焊接上槽盖板后，通常应使条形通水凹槽两侧的槽壁都与槽盖板焊接在一起并实现密封，以防止冷却通道漏水或串水。槽盖板可通过普通机加工（如铣削）或者增材制造的方式进行制造。

上述条形通水凹槽可由若干个大致相互平行的通水凹槽段依次首尾连通而成，在相邻两个通水凹槽段之间具有隔板，槽盖板的设置方式可以是：（1）当隔板与炉盖板的上表面平齐时，槽盖板的形状与条形通水凹槽的形状一致，槽盖板的边沿与条形通水凹槽的边沿（包括各隔板两侧边沿）焊接；或（2）当隔板低于炉盖板的上表面时（此时通常要求各隔板顶部的高度一致），采用一整片平板作为槽盖板，该槽盖板将条形通水凹槽所在区域整体覆盖，各隔板顶部均与槽盖板的下表面紧密接触，槽盖板的边沿与炉盖板的上表面焊接。

优选上述铜质炉盖板主体的下表面上设有至少一个凹槽。铜质炉盖板主体的下表面上可镶嵌耐火砖，耐火砖镶至凹槽中。

更优选方案中，上述铜质炉盖板主体的下表面上设有多个凹槽，所述凹槽为条形槽。优选上述条形槽为燕尾槽。条形槽既可以起到固定耐火材料的作用，又可增加铜质炉盖板主体与耐火材料的换热面积，有利于降低耐火材料的工作温度。采用燕尾槽的方式（适用于耐火砖），或燕尾槽与锚固件组合的方式（适用于捣打料），紧固耐火材料，增加耐火材料紧固的受力面积，安全系数更高。

本实用新型中铜质炉盖板主体的下表面构成炉盖板的热面，其导热系数较高，冷却效果好，且有利于炉盖板各处冷热均匀，减小热应力，因此具有较长的使用寿命。此外，本实用新型的结构较为简单，易于加工制造。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例1的结构示意图（俯视方向）；

图2是图1的a-a剖面图；

图3是本实用新型优选实施例1中冷却通道的截面形状示意图；

图4是本实用新型优选实施例2的结构示意图（俯视方向）；

图5是图4的b-b剖面图；

图6是本实用新型优选实施例2中冷却通道的截面形状示意图；

图7是本实用新型优选实施例3双层双冷却通道的结构示意图；

图8是本实用新型优选实施例4双层双冷却通道的结构示意图；

图9是本实用新型优选实施例5的结构示意图（俯视方向）；

图10是图9的c-c剖面图；

图11是本实用新型优选实施例6的结构示意图（俯视方向）；

图12是图11的d-d剖面图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，这种矿热炉的新型炉盖包括炉盖板，炉盖板包括铜质炉盖板主体1和加强板2，加强板2的下表面21与铜质炉盖板主体1的上表面12连接在一起，铜质炉盖板主体1的下表面11构成炉盖板的热面，加强板2的上表面22构成炉盖板的冷面。炉盖板中设有至少一个冷却通道3，冷却通道3的两端分别设有进水口31和出水口32。

铜质炉盖板主体1的材质可为铜或者铜合金。上述铜可为纯铜，铜合金可为铜锌合金、铜铬合金、铜银合金或者铜锆合金。炉盖板的热面部分（铜质炉盖板主体）的材料采用铜或者铜合金，由于铜或者铜合金导热系数较高，因此有利于炉盖板各处冷热均匀，减小热应力。可根据不同需求选择铜质炉盖板主体1的材质，只需要冷却强度高则采用纯铜，需要兼顾机械强度高则采用铜锌合金、铜铬合金、铜银合金或者铜锆合金。

铜质炉盖板主体1可采用轧制、锻造或者压延加工而成的铜板或铜合金板。

加强板2可为钢板或铸铁板。采用钢板、铸铁板等高强度材料连接在铜质炉盖板主体1上，能够增强整个炉盖板的机械强度，与导热性能好的铜质炉盖板主体1结合，使炉盖板不仅具有优良的冷却强度，而且具有较高的机械强度，提高炉盖板的抗变形能力。

加强板2与铜质炉盖板主体1之间的连接，采用的连接工艺可以为分子间结合连接（如铸、锻、焊等工艺）、非分子间结合连接（如机械连接、粘接），或者以上两种连接工艺相结合。

冷却通道3两端的进水口31和出水口32均处于炉盖板的上表面（即加强板2的上表面）上。进水口31处安装有进水管4，出水口32处安装有出水管5。

参考图1，本实施例中，冷却通道3由多个直线形通道段33组成，各直线形通道段33依次通过导水槽34首尾连通，形成冷却通道3。这种情况下，可采用钻孔加工方式在炉盖板中钻孔（可在铜质炉盖板主体与加强板的交接处钻孔；孔型可为单圆孔，或多圆孔相交形成的复合孔），形成各直线形通道段33，各直线形通道段33开口于炉盖板的侧面；然后在炉盖板的侧面上加工出导水槽34，导水槽34将相邻两直线形通道段33的相邻端连通；再在炉盖板的侧面上焊接封堵盖板35，将导水槽34的槽口密封。必要时设置堵头以改变水流方向。可采用氩弧焊（可以焊接所有对接焊缝）、搅拌摩擦焊（可以焊接所有对接焊缝和穿透性搭接焊接）的方式，将封堵盖板35连接到炉盖板上。

参考图2，铜质炉盖板主体1的下表面11上设有多个凹槽13，凹槽13为条形槽（如燕尾槽）。铜质炉盖板主体1的下表面11上可镶嵌耐火砖，耐火砖镶至凹槽13中。

炉盖板中冷却通道3可以设有一个或多个。在设有多个冷却通道的情况下，冷却通道之间可以串联（通过水管串联）或者是并联。

参考图3，冷却通道3的截面形状可为圆形（如图3中c部分所示）、半圆型、矩形（如图3中a部分所示）、梯形（如图3中b部分所示）、三角形、椭圆形、半圆与方孔组合（如图3中f部分所示）、多圆孔相交形成的复合孔（如图3中d、e部分所示，其中d部分为两圆孔相交形成的复合孔，e部分为三圆孔相交形成的复合孔）等各种形状。

上述新型炉盖安装到矿热炉上时，铜质炉盖板主体1的下表面11（即炉盖板的热面）朝向炉腔，冷却水经进水管4、进水口31通入冷却通道3，冷却水在冷却通道3中流动的过程中对炉盖板进行冷却，吸热升温后的冷却水从出水口32、出水管5流出

实施例2

如图4和图5所示，这种矿热炉的新型炉盖包括炉盖板，炉盖板整体由铜质炉盖板主体1构成，铜质炉盖板主体1的下表面11构成炉盖板的热面，铜质炉盖板主体1的上表面12构成炉盖板的冷面。炉盖板中设有至少一个冷却通道3，冷却通道3的两端分别设有进水口31和出水口32。可采用铜锌合金、铜铬合金、铜银合金或者铜锆合金等铜合金制作炉盖板。

铜质炉盖板主体1可采用轧制、锻造或者压延加工而成的铜板或铜合金板。

铜质炉盖板主体1的上表面上固定安装有加强框架6。加强框架6用于增强炉盖板的机械强度。加强框架6由多个框条61连接而成。加强框架6的材质可为钢或铸铁。

参考图5，铜质炉盖板主体1的下表面11上设有多个凹槽13，凹槽13为条形槽（如燕尾槽）。铜质炉盖板主体1的下表面11上可镶嵌耐火砖，耐火砖镶至凹槽中。

本实施例中，冷却通道3的加工方法与实施例1相同，不同的是本实施例在铜质炉盖板主体1中钻孔，形成各直线形通道段33。

参考图6，冷却通道3的截面形状可为圆形（如图6中c部分所示）、半圆型、矩形（如图6中a部分所示）、梯形（如图6中b部分所示）、三角形、椭圆形、半圆与方孔组合（如图6中f部分所示）、多圆孔相交形成的复合孔（如图6中d、e部分所示，其中d部分为两圆孔相交形成的复合孔，e部分为三圆孔相交形成的复合孔）等各种形状。

实施例3

如图7所示，本实施例是在实施例1基础上做进一步改进：炉盖板中设有两个冷却通道3，其中一冷却通道3-1设于铜质炉盖板主体1中，另一冷却通道3-2设于加强板2中，各冷却通道3-1、3-2相互独立进行冷却工作。冷却通道3-1、3-2布置成上下两层，为双层双冷却通道。

冷却通道在接近炉盖板热面的区域，在冷却通道3-1内设置扰流结构7，以减少边界层，提高冷却强度。可通过机加工或者增材制造的方式，也可通过在冷却通道内壁焊接或者螺栓连接扰流件，形成扰流结构。

实施例4

如图8所示，本实施例是在实施例2基础上做进一步改进：炉盖板中设有两个冷却通道3，其中一冷却通道3-2设于铜质炉盖板主体1上部中，另一冷却通道3-1设于铜质炉盖板主体1下部中，各冷却通道3-1、3-2相互独立进行冷却工作。冷却通道3-1、3-2布置成上下两层，为双层双冷却通道。

冷却通道在接近炉盖板热面的区域，在冷却通道3-1内设置扰流结构7，以减少边界层，提高冷却强度。可通过机加工或者增材制造的方式，也可通过在冷却通道内壁焊接或者螺栓连接扰流件，形成扰流结构。

实施例5

如图9和图10所示，本实施例与实施例2的不同在于，冷却通道3的设置方式不同，并省去加强框架6。本实施例中，冷却通道3包括条形通水凹槽36和槽盖板37，条形通水凹槽36设置在炉盖板（即铜质炉盖板主体1）上并且开口于炉盖板的上表面（即铜质炉盖板主体1的上表面12）上，槽盖板37将条形通水凹槽36在炉盖板上表面上的开口封盖，槽盖板37的边沿与炉盖板（即铜质炉盖板主体1）焊接。条形通水凹槽36可通过普通机加工（如铣削）形成；可采用氩弧焊或者搅拌摩擦焊的方式进行槽盖板37与炉盖板的连接，采用氩弧焊（可以焊接所有对接焊缝）或者搅拌摩擦焊（可以焊接所有对接焊缝和穿透性搭接焊接）的方式，可大大减少甚至消除了焊接缺陷（气孔、裂纹和夹杂）和间隙。条形通水凹槽36的线路是弯曲的，可根据炉盖板的形状及需要重点冷却的部位，设置条形通水凹槽的线路（例如，在需要重点冷却的部位，条形通水凹槽排列较为密集）。焊接上槽盖板37后，应使条形通水凹槽36两侧的槽壁都与槽盖板37焊接在一起并实现密封，以防止冷却通道漏水或串水。槽盖板可通过普通机加工（如铣削）或者增材制造的方式进行制造。

本实施例中，条形通水凹槽36由若干个通水凹槽段361依次首尾连通而成，在相邻两个通水凹槽段361之间具有隔板362，隔板362低于炉盖板的上表面（各隔板362顶部的高度一致），采用一整片平板作为槽盖板37，该槽盖板37将条形通水凹槽36所在区域整体覆盖，各隔板362顶部均与槽盖板37的下表面紧密接触，槽盖板37的边沿与炉盖板的上表面焊接。

本实施例的其余结构可参考实施例2进行设置。

实施例6

如图11和图12所示，本实施例与实施例5的不同在于：隔板362与炉盖板的上表面（即铜质炉盖板主体1的上表面12）平齐，槽盖板37的形状与条形通水凹槽36的形状一致，槽盖板37的边沿与条形通水凹槽36的边沿（包括各隔板362两侧边沿）焊接。