冷却保护装置及具有其的冶金炉的制作方法

1.本发明涉及冶金领域，具体涉及一种冷却保护装置及具有其的冶金炉。


背景技术：

2.相关技术中，冶金炉惯用的冷却装置为铜水套，利用工业水作为冷却介质进行对流换热不发生相变，是对冶金炉在高热负荷区域进行冷却保护的一种优选装置，也是无相变传热效果近乎最好的传热元件。
3.在火法冶炼过程中，冶金炉工况复杂苛刻，炉内底部为液态熔池，熔池上方为高温烟气，炉内温度在1000℃以上。液态熔池对炉体的破坏能力远高于烟气，熔池区附近的炉体需承受高热负荷、机械冲击、高温侵蚀，是炉体最薄弱的环节，因此炉体冷却保护的重点应是熔池区炉体及其紧邻区域。
4.但是铜水套对炉体的冷却保护尤其是熔池区炉体往往存在如下不足：1.加工工序复杂，一块铜水套通常具备多个进出水点，且位于不同高度，而一套冶金炉往往由数百块水套构成，每一个水点对应一个炉壳开孔，过多的开孔会削弱炉体结构稳定性，也使炉壳加工难度大幅提高。此外各对水点通常相互独立，水道管路过于复杂，发生事故不易及时发现和检修。2.采用给水对流换热，生产实践中水套内最高水温不超过70℃，因不发生相变限制了其传热能力的进一步提升；对于热负荷极高的熔池区炉体，还要防止因热流密度过高导致铜水套内局部给水蒸干发生干烧，对给水流量、流速和均匀性要求很高。3.给水在铜水套内流动过程中温度在不断升高，因而铜水套不同位置势必存在一定温差，实践证明铜水套进出水温差较大，仅靠铜的导热性难以保证水套表面的均温性；熔池区炉体两侧热交换程度极高，炉体变形严重，铜水套表面的温差会使炉体膨胀不一致，导致变形进一步加剧。4.熔池区部位铜水套及炉体破坏风险相比烟气区高得多，一旦冷却水与高温熔池接触会产生剧烈的“放炮爆炸”安全事故。若铜水套发生泄漏，水套内大量冷却水会持续沿炉体流入紧邻的熔池区，难以及时控制且危险性极高。5.铜水套与炉体的传热面仅为单一表面，即与炉体贴合的水套面，换热面积受到限制，未充分利用水套多个外表面进行换热。
5.另一方面，在热管相关技术中，作为利用相变传热的元件，一定程度上其传热能力要优于无相变的铜水套。但受外形限制难以紧密排布在炉体的耐火材料层的外壁面上，往往需将热源设备开孔，将热管一端插入热源另一端暴露于热源外部，并配置独立的冷源对热管露出端冷却，系统复杂且占用空间大。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种冷却保护装置及具有其的冶金炉。
7.根据本发明实施例的冷却保护装置，包括：
8.热管，所述热管具有热管腔，所述热管腔内的气体压力为负压，所述热管腔内设有冷却工质，其中所述热管包括蒸发段和冷凝段；和
9.水冷夹套，所述水冷夹套具有水冷腔以及与所述水冷腔连通的进水口和出水口，所述水冷腔邻近所述冷凝段以便冷却所述冷凝段内的气态的冷却工质。
10.因此，根据本发明实施例的冷却保护装置具有对冶金炉高效冷却、多面换热，且无需在炉体上过多开孔，使得炉体稳固、不易变形，从而在冷却同时对冶金炉的寿命、安全、结构稳定起到保护作用的优点。
11.在一些实施例中，所述水冷夹套和所述热管相互独立地设置，所述水冷夹套与所述热管的所述冷凝段接触；
12.或者，所述水冷夹套和所述热管一体成型，所述水冷腔和所述热管腔相互隔绝。
13.在一些实施例中，所述水冷夹套位于所述蒸发段的上方，所述冷凝段位于所述蒸发段的上方，所述热管腔倾斜或竖直地设置在所述热管内；
14.可选地，所述热管腔为圆柱状或椭圆柱状。
15.在一些实施例中，所述水冷夹套在上下方向上的长度与所述蒸发段在上下方向上的长度比为1:(0.5
‑
2)。
16.在一些实施例中，所述热管腔与所述上下方向之间的夹角大于等于0
°
且小于等于60
°
。
17.在一些实施例中，所述水冷腔包括竖直段和水平段，所述竖直段和所述水平段中的每一者邻近所述冷凝段以便冷却所述冷凝段内的气态的冷却工质，所述水平段位于所述冷凝段的上方。
18.在一些实施例中，水冷夹套包括与所述竖直段相对的竖直部和与所述水平段相对的竖直部，所述冷凝段的侧面设有上端敞开的容纳槽，所述竖直部设在所述容纳槽内，所述水平部设在所述冷凝段的上表面上，所述竖直部的侧面与所述蒸发段的侧面在同一竖直面或同一弧面上。
19.在一些实施例中，所述热管腔内设有吸液芯，所述蒸发段和所述冷凝段在水平方向上相对设置。
20.本发明还提出了一种冶金炉，包括：
21.炉体，所述炉体由内至外依次包括耐火材料层和炉壳；和
22.冷却保护装置，所述冷却保护装置为上述权利要求1
‑
8中任一项所述的冷却保护装置，所述冷却保护装置设在所述耐火材料层和所述炉壳之间。
23.在一些实施例中，所述炉体沿上下方向分为熔池区和烟气区，所述熔池区位于所述烟气区的下方，所述蒸发段的至少一部分在上下方向上位于所述熔池区，所述竖直部在上下方向上位于所述烟气区内，所述蒸发段朝向所述耐火材料层的侧面与所述竖直部朝向所述耐火材料层的侧面在同一平面或同一弧面上，所述竖直部的侧面与所述蒸发段的侧面所在的平面或弧面与所述耐火材料层的外壁面贴合。
附图说明
24.图1是根据本发明实施例的冷却保护装置的示意图。
25.图2是根据本发明实施例的冷却保护装置的示意图。
26.图3是根据本发明实施例的冷却保护装置的示意图。
27.图4是根据本发明实施例的冶金炉的示意图。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.下面参考附图描述根据本发明实施例的冷却保护装置100。如图1
‑
图4所示，根据本发明实施例的冷却保护装置100包括热管20和水冷夹套10。
30.热管20具有热管腔21，热管腔21内的气体压力为负压，热管腔21内设有冷却工质。其中，热管20包括蒸发段22和冷凝段23。水冷夹套10具有水冷腔11以及与水冷腔11连通的进水口12和出水口13。水冷腔11邻近冷凝段23以便冷却冷凝段23内的气态的冷却工质。
31.相关技术中，冶金炉惯用的冷却保护装置为铜水套，利用给水对流进行换热。铜水套加工极为复杂，成本很高。一块铜水套往往具备多个进出水点，且位于不同高度上，而一套冶金炉往往由数百块水套构成，这就造成了要在炉体上大量开孔的困扰，成百上千的进出水开孔会对炉体结构的稳定性产生不利影响，使炉壳加工难度大幅提高。此外每对水点间通常相互独立，从而使水道管路过于复杂，一旦发生事故不易及时发现且不易维修。而且在铜水套内部，冷却水在流动中发生显热变化，温度势必升高，导致铜水套不同位置存在一定温差，温差会使耐火材料层的膨胀不一致，进而导致耐火材料层变形影响寿命。
32.根据本发明实施例的冷却保护装置100通过设置热管20和水冷夹套10，将冷却保护装置100的水冷夹套10的内壁面(远离进水口12和出水口13的面)和热管20的内壁面(远离进水口12和出水口13的面)与冶金炉200的耐火材料层202的外壁面贴合，从而使得水冷夹套10和热管20配合并分别可以对冶金炉200进行冷却。具体地，水冷夹套10内壁面与冶金炉200耐火材料层202的外壁面贴合并换热，水冷夹套10具有水冷腔11，冷却水从进水口12进入冷却腔11并与水冷夹套10换热后，冷却水从出水口13流出冷却腔11并带走水冷夹套10的热量，从而使得水冷夹套10可对冶金炉200的耐火材料层202冷却降温。
33.热管20的蒸发段22可与冶金炉200的耐火材料层202的外壁面贴合并换热，蒸发段22内液态的冷却工质吸收冶金炉200的耐火材料层202的热量蒸发变成气态的冷却工质，气态的冷却工质传递到冷凝段23。水冷腔11邻近冷凝段23以便冷却冷凝段23内的气态的冷却工质，因此，冷凝段23内的气态的冷却工质通过与水冷腔11换热，冷凝段23内的气态的冷却工质将热量释放后冷凝为液态的冷却工质，并沿热管腔21内壁流回至蒸发段22，如此循环往复。水冷夹套10成为热管20的冷源，水冷腔11内的冷却水可带走热管20的热量，从而使得热管20可对冶金炉200进行冷却。热管20利用相变传热(换热系数高)，具有高效传热能力，因此，热管20无需在相邻炉体上设置进出水开孔即可快速传热，不会对炉体结构的稳定性产生不利影响。且相变传热是潜热的变化，介质温度不会发生改变，因而热管又有良好的等温性，即利用热管20传热不会使相邻熔池区炉体因存在温差从而使得耐火材料层202的膨胀不一致，进而导致耐火材料层202变形影响寿命。热管20将炉体201的热量传递输送至水冷夹套10的外壁面，即水冷夹套10内壁面对炉体201冷却的同时外壁面吸收炉体201通过热管20输送来的热量，改变了传统冷却元件只能与炉体201单面换热的形式。
34.因此，根据本发明实施例的冷却保护装置100具有对冶金炉200高效冷却、多面换热，且无需在炉体201上过多开孔，使得炉体201稳固、不易变形，从而在冷却同时对冶金炉200的寿命、安全、结构稳定起到保护作用的优点。
35.本发明还提出了一种冶金炉200，根据本发明实施例的冶金炉200包括炉体201和
冷却保护装置100。
36.炉体201由内至外依次包括耐火材料层202和炉壳203。冷却保护装置100为上述的冷却保护装置100，冷却保护装置100设在耐火材料层202和炉壳203之间。具体地，冷却保护装置100的内壁面与耐火材料层202的外壁面贴合。炉体201沿上下方向分为熔池区204和烟气区205，熔池区204位于烟气区205的下方。
37.热管20的蒸发段22可与冶金炉200的耐火材料层202的外壁面贴合并换热，蒸发段22内液态的冷却工质吸收冶金炉200的耐火材料层202的热量得到气态的冷却工质。气态的冷却工质传递到冷凝段23，水冷腔11邻近冷凝段23以便冷却冷凝段23内的气态的冷却工质，因此，水冷腔11可对冷凝段23内的气态的冷却工质冷却，即水冷夹套10成为热管20的冷源，水冷腔11内的冷却水可带走热管20的热量，从而使得热管20可对冶金炉200进行冷却。热管20利用相变传热(换热系数高)，具有高效传热能力，因此，热管20无需在炉体201上开孔即可快速传热，不会对炉体201结构的稳定性产生不利影响。且相变传热是潜热的变化，介质温度不会发生改变，因而热管20又有良好的等温性。即利用热管20传热不会因存在温差从而使得耐火材料层202的膨胀不一致，进而导致耐火材料层202变形影响寿命，可防止炉体201在高度方向上因温差大产生较大变形。熔池区204的炉体201和冷却保护装置100遭受破坏的风险相比于烟气区205的炉体201高得多，熔池区204发生风险的危害程度也比烟气区205高很多，由于与熔池区204相邻的热管20内部的冷却工质含量较低，即便发生泄露也仅是少量的冷却工质进入炉体201的熔池区204，而不会发生铜水套大量的给水持续漏入炉体201的熔池区204的情况，可以有效避免冶金行业危害最大的“漏水爆炸”安全问题和炉衬损坏的危险。当冷却工质为液态金属时，则可以彻底杜绝此类问题，在冷却的同时对炉体201的寿命、安全、结构稳定起到了保护作用。
38.因此，根据本发明实施例的冶金炉200具有冷却保护装置100可直接贴合在耐火材料层202的外壁面上，且无需在炉体201上过多开孔，使得炉体201稳固、不易变形，从而在冷却同时对冶金炉200的寿命、安全、结构稳定起到保护作用的优点。
39.在一些实施例中，水冷夹套10和热管20相互独立地设置，水冷夹套10和热管20分别生产后相互贴合，水冷夹套10与热管20的冷凝段23接触传热。水冷腔11邻近热管20的冷凝段23以便冷却冷凝段23内的气态的冷却工质，从而使得水冷夹套10成为热管20的冷源。或者，水冷夹套10和热管20一体成型，水冷腔11和热管腔21相互隔绝。水冷腔11和热管腔21通过壳体之间传热，水冷腔11邻近热管20的冷凝段23以便进一步加快冷却冷凝段23内的气态的冷却工质，从而使得水冷夹套10成为热管20的冷源并加快冷却冷凝段23内的气态的冷却工质。
40.如图1所示，在一些实施例中，水冷夹套10位于蒸发段22的上方，冷凝段23位于蒸发段22的上方，热管腔21倾斜或竖直地设置在热管20内。从而使得热管20可利用重力完成冷却工质的移动，降低热管20的制造成本和制造难度。具体地，蒸发段22液态的冷却工质受热蒸发为气态的冷却工质(蒸气)，气态的冷却工质沿热管腔21的流道快速上升至冷凝段23，在水冷夹套10的作用下，气态的冷却工质遇冷凝结为液态的冷却工质，受到重力作用沿热管腔21内壁回流至蒸发段22，而后遇热再次蒸发，如此循环往复从而将炉体的一部分热量通过水冷夹套10冷却。上下方向如图1中的箭头a所示。
41.可选地，热管腔21为圆柱状或椭圆柱状，热管腔21的横截面为圆形或椭圆形，以便
冷却工质可快速流动。
42.在一些实施例中，水冷夹套10在上下方向上的长度与蒸发段22在上下方向上的长度比为1:(0.5
‑
2)。例如，水冷夹套10设置在炉体内熔池的上方位置，水冷夹套10在上下方向上的占比较小，从而使得炉体耐火材料层202的大部分热量被热管20吸收，无需在热管20部位额外开水孔且水冷夹套10发生事故时对炉体损伤小、便于维修。从而使得炉体更加稳固，不易破坏炉体结构。
43.如图1所示，在一些实施例中，热管腔21与上下方向之间的夹角大于等于0
°
且小于等于60
°
。例如，热管腔21与上下方向之间的夹角为30
°
，热管腔21与上下方向之间的夹角使得热管腔21内的液态的冷却工质更加靠近炉体的耐火材料层202，从而便于蒸发段22与炉体换热。
44.在一些实施例中，热管腔21与上下方向之间的夹角为0
°
。即热管腔21的腔体可沿上下方向延伸。
45.如图1所示，在一些实施例中，水冷腔11包括竖直段14和水平段15。竖直段14和水平段15中的每一者邻近冷凝段23，以便冷却冷凝段23内的气态的冷却工质，水平段15位于冷凝段23的上方。例如，冷却保护装置100安装完成后，竖直段14可位于冷凝段23和炉体耐火材料层202的中间。来自炉体耐火材料层202的热量一部分与竖直段14的一个朝向耐火材料层202的侧面接触传递，来自炉体耐火材料层202的热量剩余部分通过热管20的冷凝段23传递给竖直段14的另一侧面(远离耐火材料层202的侧面)。从而使得竖直段14可多面传递热量，且水平段15也可与热管20的冷凝段23接触传热(水平段15的下端面与热管20的冷凝段23的上端面接触传热)，提高水冷夹套10传热效果。现有技术的水套不能在水平段15上传递热量，本技术设置热管20，所以在水平段15上可传递热量。
46.在一些实施例中，水冷夹套10包括与竖直段14相对的竖直部16和与水平段15相对的水平部17，冷凝段23的侧面设有上端敞开的容纳槽24。例如，容纳槽24的侧面(朝向耐火材料层202的侧面)为阶梯型。竖直部16设在容纳槽24内，水平部17设在冷凝段23的上表面上。竖直部16的朝向耐火材料层202的侧面(内壁面)与蒸发段22的朝向耐火材料层202的侧面(内壁面)在同一竖直面或同一弧面上，以便竖直部16的侧面(内壁面)与蒸发段22的侧面(内壁面)与炉体耐火材料层202的外表面贴合，竖直部16的侧面与蒸发段22的侧面为换热面，便于与炉体换热。
47.在一些实施例中，热管20和水冷夹套10的接触面为相互贴合的齿形面。例如，热管20的内壁面的一部分和水冷夹套10外壁面为相互贴合的齿形面。从而可以增加热管20和水冷夹套10的接触面积，以便增加换热效果。
48.如图1至图3所示，在一些实施例中，水冷腔11内设有折流板18，折流板18将水冷腔11分隔为u型的水道，水道的一端为进水口12，水道的另一端为出水口13。或者，折流板18将水冷腔11分隔为多个依次连通的u型的水道，进水口12和出水口13分别设在多个依次连通的u型的水道的两端。
49.在一些实施例中，热管20内可设置多个热管腔21，，以便提高换热效果。热管20内的冷却工质为水、液态金属和有机液态中的一种。
50.在一些实施例中，热管腔21内设有吸液芯，蒸发段22和冷凝段23在水平方向上相对设置。热管腔21内设有吸液芯，因此，液态的冷却工质无需依靠重力来完成从冷凝段23到
蒸发段22的流动，例如，水冷夹套10、蒸发段22和冷凝段23在同一水平高度上。以便蒸发段22和冷凝段23可水平设置在炉体耐火材料层202等待外表面上，使得根据本发明实施例的冷却保护装置100可适应炉体的各个位置的耐火材料层202的外壁面，适用范围广。
51.在一些实施例中，竖直部16在上下方向上位于烟气区205内，即竖直部16对炉体201的烟气区205进行换热。具体地，竖直部16朝向耐火材料层202的侧面(内壁面)与烟气区205的耐火材料层202的外壁面贴合。
52.蒸发段22的至少一部分在上下方向上位于熔池区204内，即蒸发段22的至少一部分对炉体201的熔池区204进行换热。具体地，蒸发段22朝向耐火材料层202的侧面(内壁面)与熔池区204的耐火材料层202的外壁面贴合。炉体201的熔池区204两侧热交换程度极高，破坏风险相比烟气区205高得多，因此蒸发段22的至少一部分在上下方向上位于熔池区204内可利用热管20相变传热(换热系数高)，具有高效传热能力，使得热管20无需在炉体上开进出水孔即可快速传热，不会对炉体结构的稳定性产生不利影响。且相变传热是潜热的变化，介质温度不会发生改变，因而热管又有良好的等温性。即利用热管20传热不会因存在温差从而使得耐火材料层202的膨胀不一致，进而导致耐火材料层202变形影响寿命。同时，热管20内冷却工质较少，在热管20发生泄漏时对炉体201的熔池区204的影响较小，避免了给水持续漏入炉体201的熔池区204发生“放炮爆炸”的安全问题。即在冷却的同时对冶金炉200的寿命、安全、结构稳定起到了保护作用。因此，蒸发段22的至少一部分在上下方向上位于熔池区204内，使得热管20可对炉体201的熔池区204起到冷却和保护的作用。如图4所示，在一些实施例中，竖直部16的侧面与蒸发段22的侧面在同一平面或同一弧面上，耐火材料层202的外壁面为平面或弧面，竖直部16的朝向耐火材料层202的侧面(内壁面)与蒸发段22的朝向耐火材料层202的侧面(内壁面)所在的平面或弧面与耐火材料层202的外壁面贴合。从而便于冷却保护装置100与耐火材料层202换热，提高冷却保护装置100的冷却效果，保证了炉体201的稳定性。
53.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
54.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
55.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
57.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。