具有限定氣體媒介的冷卻通道的耐火磚的熔爐的制作方法
【專利摘要】提供一種適用于冶金加工的熔爐，其包括至少一個(gè)由耐火磚與毗鄰耐火磚的外部殼板組成的部分，包括外部磚，所述外部磚的毗鄰于所述殼板的外表面限定氣體媒介冷卻通道，所述冷卻通道沿著耐火磚與殼板之間的耐火磚的外部延伸。所述熔爐還包括位于冷卻通道內(nèi)的冷卻板和位于磚的連續(xù)磚列之間的接合處。有利的是，所述冷卻板的導(dǎo)熱性至少是耐火襯——所述冷卻板嵌入耐火襯內(nèi)——的導(dǎo)熱性的五倍。合適的材料包括銅和基于銅的合金、黃銅、青銅、鑄鐵、鋁合金、銀、高溫鋼材、耐火金屬及其合金、石墨、碳化硅、以及氮化鋁。
【專利說明】具有限定氣體媒介的冷卻通道的耐火磚的熔爐
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及適用于冶金加工的熔爐，具體地涉及熔爐，其具有耐火磚側(cè)壁、或耐火磚、爐膛或頂部、以及氣體媒介冷卻系統(tǒng)。
[0002]直量
[0003]用于冶金加工的熔爐通常具有坩堝(crucible)，該坩堝由耐火襯組成，所述耐火襯包括磚、構(gòu)件或整體耐火材料，具有鄰接的外殼或一些其他的耐火襯支撐設(shè)備。所述熔爐具有熔融金屬浴或冰銅浴，通常其具有上覆的爐渣層。
[0004]由于冶金加工中所產(chǎn)生的許多爐渣的侵襲性，需要進(jìn)行冷卻來將爐渣層凍結(jié)在容器的內(nèi)表面上以維持穩(wěn)定的側(cè)壁。如Voermann等人在Furnace CoolingDesign for Modern High Intensity Pyrometallurgical processes (記錄于Copper99-Cobre99International Conference, Phoenix, AZ, U.S.A.)中所討論的，容器中的加工條件決定了對(duì)冷卻的需求。為了保持坩堝襯的平衡，冷卻系統(tǒng)的除熱容量必須與加工過程施加的過程熱通量(process heat flux)相匹配。
[0005]在實(shí)踐中，在不同的冶金熔爐中具有多種熱通量。熱通量取決于加工的強(qiáng)度以及內(nèi)容物是爐渣還是金屬。熱通量通?？梢栽谝韵路秶鷥?nèi)變化:從低值約5kW/m2(其可以通過自然空氣冷卻而移除)至超過2500kW/m2(其需要強(qiáng)力的強(qiáng)制水冷)。通常，對(duì)于較低范圍內(nèi)的熱通量(約15kW/m2以下)，可以使用熔爐殼板的強(qiáng)制空氣冷卻。對(duì)于高于約15kW/m2的熱通量，通常選用一些類型的水冷來避免熔爐殼板和結(jié)構(gòu)元件的過熱。
[0006]由于熔爐內(nèi)部的熔融材料接觸冷卻系統(tǒng)中的水時(shí)爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn)，期望盡可能避免使用水作為冷卻媒介。為此，期望使用一種不用水作為冷卻液的熔爐冷卻系統(tǒng)。盡管常用的空氣冷卻系統(tǒng)不能與水冷系統(tǒng)的除熱容量相比，但它們具有更寬的操作溫度范圍，因此在需要可調(diào)整的除熱速率的冷卻應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。
[0007]多種熔爐冷卻系統(tǒng)是已知的，其中氣體媒介被用作冷卻流。例如，美國專利5，230, 617 (Klein等人)公開了一種冷卻裝置,其中多個(gè)金屬護(hù)罩包圍一個(gè)圓柱形熔爐。各個(gè)護(hù)罩形成一個(gè)中空的冷卻室，空氣通過所述冷卻室循環(huán)，進(jìn)入所述冷卻室的水被霧化以增強(qiáng)冷卻效果。然而，在系統(tǒng)中引入水蒸汽將使冷卻空氣供應(yīng)系統(tǒng)變得復(fù)雜，并且產(chǎn)生會(huì)影響材料選擇的腐蝕問題。這兩個(gè)問題均會(huì)增加復(fù)雜度和成本。
[0008]Allen, Jr.等人的美國專利1，674，422公開了一種空氣冷卻熔爐壁，其中鑄造吊架(cast hanger)支撐被空氣流通空間所分隔的耐火壁。Potocnik等人的美國專利3，315，950公開了一種用于熔爐的加熱室壁，其中所述壁具有內(nèi)部空間，空氣可以通過該內(nèi)部空間循環(huán)。美國專利3，777，043 (O’Neill)公開了一種環(huán)形空氣循環(huán)通路，該通路在耐火熔爐壁內(nèi)形成。美國專利4，199，652 (Longenecker)公開了 J形通路，該通路在熔爐的耐火側(cè)壁和金屬外殼之間形成。美國專利6，251，237 (Bos)公開了用于Hall-Heroult鋁電解槽的局部噴嘴，其直接向外殼以可變流速噴射。
[0009]在上文所述的O’Neill的專利中，以及在美國專利1，751，008 (LaFrance)中，更改了耐火熔爐側(cè)壁的結(jié)構(gòu)以提供增加的表面積來增強(qiáng)冷卻。在La France中，這是通過在組成耐火壁的塊體的外表面上形成豎直的凸條和通道而實(shí)現(xiàn)的。在O’ Neill中，可以使用具有不同長度的磚，以“彎路”的形式來制成環(huán)形冷卻通道。雖然這些工藝可以有助于增加除熱容量，但仍極難以將空氣均勻地分布在壁上，隨著由于磚結(jié)構(gòu)的移位和活動(dòng)而導(dǎo)致的熔爐老化，這個(gè)問題會(huì)惡化。并且，在許多熔爐中，向殼板后面的磚結(jié)構(gòu)添加空氣可能并不可行，這是因?yàn)榭諝鈺?huì)與熔爐產(chǎn)物例如CO氣體、金屬等反應(yīng)。對(duì)于一些應(yīng)用而言，這一方法的價(jià)值有限，因?yàn)樗茨芴峁┳銐虻睦鋮s容量。
[0010]因此，已知的用于冶金熔爐的氣體媒介冷卻裝置通常提供的冷卻不足和/或過分復(fù)雜，需要具有特殊構(gòu)造的熔爐側(cè)壁。這些系統(tǒng)也較為昂貴，并且不能實(shí)際地適用于現(xiàn)有的熔爐裝置。
[0011]發(fā)明概沭
[0012]以下概述是為了向讀者介紹下文中更詳細(xì)的說明，并不意在定義或限定所保護(hù)的主題。
[0013]根據(jù)本發(fā)明主題的第一方面，提供一種適用于冶金加工的熔爐，其包括至少一個(gè)由耐火磚與毗鄰該耐火磚的外部殼板組成的部分，包括外部磚，所述外部磚的毗鄰于殼板的外表面限定氣體媒介冷卻通道，所述冷卻通道沿著耐火磚與殼板之間的耐火磚的外部延伸。所述熔爐還包括位于冷卻通道內(nèi)的冷卻板和位于連續(xù)磚列之間的接合處。有利的是，所述冷卻板的導(dǎo)熱性至少是耐火襯——所述冷卻板嵌入耐火襯內(nèi)——的導(dǎo)熱性的五倍。合適的材料包括銅和基于銅的合金、黃銅、青銅、鑄鐵、鋁合金、銀、高溫鋼材、耐火金屬及其合金、石墨、碳化硅、以及氮化鋁。
[0014]有利地，所述氣體媒介冷卻通道與耐火磚部分的連續(xù)磚列之間的接合處對(duì)齊。更有利地，所述通道由沿著連續(xù)外部磚列的各自相鄰的頂部和底部部分的互補(bǔ)的凹陷(recess)而限定。在一些實(shí)例中，耐火磚部分是熔爐的側(cè)壁。
[0015]在某些實(shí)施方案中，夕卜部磚的外表面是錐形的(tapered),從而連續(xù)外部磚列共同地限定在側(cè)壁和殼板之間的具有大體上為三角形的截面的氣體媒介冷卻通道。在一些實(shí)施方案中，所述氣體冷卻媒介為空氣。在另一些實(shí)施方案中，所述氣體可以為氮?dú)?、二氧化碳、氬氣或其結(jié)合，或其他的合適氣體。
[0016]在一些實(shí)施方案中，熔爐還在外部殼板上包含入口，氣體冷卻媒介可以通過所述入口進(jìn)入所述通道；并包含出口，氣體通過所述出口從冷卻通道排出。在一些實(shí)例中，熔爐包括一個(gè)風(fēng)扇，用于將氣體吹進(jìn)入口并通入冷卻通道。
[0017]根據(jù)本發(fā)明主題的另一方面，提供一組耐火磚，其用在冶金熔爐的耐火側(cè)壁的外部，所述冶金熔爐具有毗鄰于該側(cè)壁并且支撐該側(cè)壁的外殼板；每塊磚都具有一個(gè)外表面，該外表面朝向Btt鄰的外殼板，所述磚的外表面具有的輪廓為:當(dāng)它們用在耐火側(cè)壁的外部時(shí)，它們限定在所述側(cè)壁與所述殼板之間、大體上沿著所述側(cè)壁的外部延伸的氣體媒介冷卻通道。
[0018]附圖簡沭
[0019]為了更充分地理解所要求保護(hù)的主題，參照附圖，其中:
[0020]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的冶金熔爐的側(cè)視圖；
[0021]圖2是沿著圖1的I1-1I線獲得的截面?zhèn)纫晥D；
[0022]圖3是圖2中圓圈III表明的部分的詳細(xì)側(cè)視圖；[0023]圖5是另一個(gè)實(shí)施方案的詳細(xì)側(cè)視圖；
[0024]圖6是圖1熔爐外部一部分的詳細(xì)等比例側(cè)視圖；
[0025]圖7a是另一個(gè)實(shí)施方案的部分切去的示意等比例視圖；
[0026]圖7b是圖7a實(shí)施方案的截面圖；
[0027]圖8a是另一個(gè)實(shí)施方案的部分切去的示意等比例視圖；
[0028]圖8b是圖8b實(shí)施方案的截面圖；
[0029]圖8c是圖8a和8b實(shí)施方案一部分的詳圖；
[0030]圖9是另一個(gè)實(shí)施方案的等比例視圖；
[0031]圖10是另一個(gè)實(shí)施方案的側(cè)視圖；
[0032]圖11是另一個(gè)實(shí)施方案的側(cè)視圖；
[0033]圖12是另一個(gè)實(shí)施方案的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]在以下的說明中，陳述了具體的細(xì)節(jié)來為所要求保護(hù)的主題提供實(shí)例。然而，下文所述的實(shí)施方案并不意在定義或限定所要求保護(hù)的主題。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，在所要求保護(hù)的主題范圍內(nèi)的具體實(shí)施方案的多種變型也是可行的。
[0035]如附圖所示，熔爐12具有矩形的側(cè)壁14，該側(cè)壁14在熔爐12的頂部15和底部16之間延伸，其底部16包括爐膛18和基底20。爐膛18和側(cè)壁14均由耐火材料形成，優(yōu)選由耐火磚30形成。圍繞著熔爐的耐火側(cè)壁、爐膛和基底的是結(jié)構(gòu)金屬殼22，其具有與側(cè)壁14、爐膛18和基底20接觸的內(nèi)表面24，以及與支撐柱28接觸的相對(duì)的外表面26。
[0036]側(cè)壁14的耐火磚30有兩種類型:規(guī)則磚32 (其為常規(guī)的矩形棱柱形或長方體形)，以及特殊形狀的通道磚34，其具有錐形的外部邊緣36。在圖3和圖4的實(shí)施方案中，連續(xù)的通道磚34磚列的鄰近的錐形邊緣36與殼22 —起限定了大體上為楔形的水平冷卻通道40。使用鼓風(fēng)機(jī)(未示出)將氣體冷卻媒介如空氣引入入口 60，該入口 60連通冷卻通道40。氣體冷卻媒介水平地通過冷卻通道40，從側(cè)壁14吸收熱量，并隨后通過出口 62排出。
[0037]在圖3所示的實(shí)施方案中，銅冷卻板50被夾在連續(xù)的通道磚34磚列之間，并向外延伸到冷卻通道40。通道磚34比規(guī)則磚32稍短以容納冷卻板50，同時(shí)保持通道磚34和規(guī)則磚32在相同路徑中對(duì)齊。冷卻板50通過將熱量向外傳導(dǎo)至冷卻通道40——熱量在這里通過對(duì)流傳輸并移除一而增強(qiáng)了側(cè)壁14的冷卻。
[0038]在圖5的實(shí)施方案中，類似的水平冷卻通道40a由殼22與通道磚34a的外表面的槽壁36a —起限定。
[0039]有多種可能的入口和出口構(gòu)造可以應(yīng)用在循環(huán)熔爐的氣體媒介冷卻系統(tǒng)中。例如，可以在壁的一端提供一個(gè)或多個(gè)入口，并且可以在壁的另一端提供一個(gè)或多個(gè)出口，使得氣體媒介循環(huán)路徑62和64水平地沿著入口和出口之間的壁延伸。或者，每個(gè)壁端都可以具有一個(gè)或多個(gè)入口，氣體媒介朝向位于壁兩端之間的中間位置的一個(gè)或多個(gè)出口流動(dòng)。應(yīng)理解其他的入口/出口構(gòu)造也是可行的。
[0040]當(dāng)應(yīng)用于矩形熔爐時(shí)，優(yōu)選地將一個(gè)單獨(dú)的覆蓋元件應(yīng)用到各個(gè)被冷卻的壁上，各個(gè)壁優(yōu)選具有至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口。應(yīng)理解，該冷卻系統(tǒng)也可以用于圓形或橢圓形的熔爐。
[0041]在圖7a和7b中，熔爐壁114包括多塊磚132、134，所述磚的排列方式為:在交替的連續(xù)磚列中，在磚134的邊緣和殼122的內(nèi)壁之間具有一個(gè)空隙，其限定了冷卻通道140。氣體冷卻媒介水平地沿著冷卻通道140通過，從側(cè)壁114吸收熱量，然后將其從出口排出。鑄入式的冷卻棒199延伸通過磚132并通入冷卻通道140。該鑄入式的棒199增強(qiáng)了冷卻。
[0042]在圖8a和8b中，類似于圖3的實(shí)施方案所示，磚234具有錐形邊緣236，限定了楔形通道40。銅冷卻板250夾在磚234的連續(xù)磚列中。在這種情況中，冷卻板250終結(jié)于指狀物299，所述指狀物299延伸入冷卻通道240以增強(qiáng)冷卻效果。
[0043]實(shí)施本發(fā)明的主題時(shí)，冷卻通道的形狀可以為環(huán)形、矩形、或任意能夠容易地形成為或切割出耐火磚或鑄造耐火材料的形狀。冷卻通道可以為水平取向、垂直取向或?qū)蔷€取向。
[0044]另一個(gè)實(shí)施方案示于圖9，其中將金屬冷卻媒介導(dǎo)管241插入由磚242形成的空腔中。傳導(dǎo)冷卻板243插入磚之間，并連接到冷卻媒介導(dǎo)管241。通過焊接、螺栓、楔形榫頭(dovetail) 244或夾子連接所述板，以保持熱接觸。有利的是，設(shè)計(jì)該連接處以使熱膨脹增加接觸壓。
[0045]另一個(gè)實(shí)施方案示于圖10，其中將金屬冷卻媒介導(dǎo)管245插入由磚形成的空腔中。傳導(dǎo)板246插入磚之間，并且被冷卻導(dǎo)管245夾緊。通過焊接、螺栓、夾子247施加夾緊力，或者通過形成冷卻媒介導(dǎo)管245以成為夾緊彈簧來施加夾緊力。有利的是，設(shè)計(jì)該連接處以使熱膨脹增加接觸壓。
[0046]另一個(gè)實(shí)施方案示于圖11，其中金屬冷卻媒介導(dǎo)管248插入由磚形成的空腔249中。傳導(dǎo)冷卻板250插入磚之間，并穿透導(dǎo)管248，從而與冷卻媒介直接接觸。通過螺栓、夾子251施加夾緊力，或者通過形成通道以成為夾緊彈簧來施加夾緊力。有利的是，設(shè)計(jì)該連接處以使熱膨脹增加接觸壓。
[0047]另一個(gè)實(shí)施方案示于圖12，其中冷卻媒介導(dǎo)管252插入位于襯里的冷表面253和熱表面254之間的中間點(diǎn)上的空腔中。傳導(dǎo)板255插入磚之間，并與導(dǎo)管252連接。板255通過螺栓、楔形榫頭256或夾子連接，以保持熱接觸。有利的是，設(shè)計(jì)該連接處以使熱膨脹增加接觸壓。
[0048]雖然氣體冷卻媒介通常是空氣，但在一些實(shí)施方案中，所述冷卻媒介可以為氮?dú)狻⒍趸蓟蛞环N惰性氣體，以防止對(duì)冷卻通道、傳導(dǎo)板的氧化，或防止加工容器中的不想要的反應(yīng)。
[0049]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在所要求保護(hù)的主題范圍內(nèi)的多種變型都是可行的。上文所述的實(shí)施方案僅意在說明，而非定義或限定。
[0050]例如，雖然上文中的實(shí)施方案涉及熔爐壁，但本發(fā)明的主題也可以應(yīng)用于由外殼固定的耐火磚組成的爐膛或頂部。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于冶金加工的熔爐，其包括: 爐膛、至少一個(gè)耐火側(cè)壁、以及毗鄰并支撐所述側(cè)壁的外部殼板； 所述側(cè)壁包括外部磚，所述外部磚具有毗鄰于所述殼板的外表面，所述外部磚中的至少一些具有成型的外表面以限定氣體媒介冷卻通道，所述冷卻通道在所述側(cè)壁與所述殼板之間沿著所述側(cè)壁的外部延伸， 其中所述通道與所述成型的外部磚的連續(xù)磚列之間的接合處對(duì)齊；和 冷卻板，位于所述氣體媒介冷卻通道內(nèi)，并延伸至所述成型的外部磚的連續(xù)磚列之間的接合處。
2.權(quán)利要求1的熔爐，其中所述通道由沿著所述成型的外部磚的連續(xù)磚列的各自相鄰的頂部和底部部分的互補(bǔ)的凹陷而限定。
3.權(quán)利要求2的熔爐，其中所述成型的外部磚具有錐形的外部邊緣，從而限定具有大體上為三角形的截面的氣體媒介冷卻通道。
4.權(quán)利要求3的熔爐，其中所述冷卻板由銅板制成。
5.權(quán)利要求3的熔爐，其中所述側(cè)壁還包括遠(yuǎn)離所述殼板的內(nèi)部磚，并且其中所述成型的通道磚比所述內(nèi)部磚短，從而在所述內(nèi)部磚與所述成型的通道磚的連續(xù)磚列中容納所述冷卻板。
6.權(quán)利要求3的熔爐，其在所述外部板上還包含入口和出口，氣體冷卻媒介可以通過所述入口進(jìn)入所述通道，氣體媒介可以通過所述出口從所述通道排出。
7.權(quán)利要求6的熔爐，其還包括一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，用于將氣體媒介引入所述入口并通過所述通道。
8.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的熔爐，其中所述氣體媒介為空氣。
9.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的熔爐，其在所述通道內(nèi)還包括金屬導(dǎo)管，所述導(dǎo)管含有所述氣體媒介，并且所述導(dǎo)管與所述冷卻板進(jìn)行熱接觸。
10.權(quán)利要求9的熔爐，其中所述導(dǎo)管與所述殼板連接。
11.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的熔爐，其中所述冷卻板由銅或銅合金、黃銅、青銅、鋁或鋁合金、耐火金屬、石墨、碳化娃、或氮化招制成。
12.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的熔爐，其中所述冷卻板通過螺栓、螺釘、楔形榫頭、粘合劑或焊接而連接于所述導(dǎo)管。
13.權(quán)利要求12的熔爐，其中所述冷卻板在所述導(dǎo)管內(nèi)延伸，從而與所述氣體冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱接觸。
14.權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)的熔爐，其中所述導(dǎo)管對(duì)所述冷卻板施加彈力。
15.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的熔爐，其中所述冷卻板具有保護(hù)性涂層，該涂層耐腐蝕、耐氧化和/或耐液體金屬/冰銅或爐渣的侵襲。
16.權(quán)利要求15的熔爐，其中所述涂層由鎳或鎳合金、鉻或鉻合金、鋁或鋁合金、硅、碳化硅、或其任意結(jié)合物制得。
17.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的熔爐，其中所述磚包含熱電偶，該熱電偶被鉆入不同的深度以監(jiān)測襯里的厚度和檢測儀器。
【文檔編號(hào)】F27D1/12GK103958993SQ201280058590
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年10月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月29日
【發(fā)明者】S·紹索爾, B·沃斯芒德, M·加斯特塞博斯基, F·斯托博, M·帕拉瓦尼, R·維恩斯特 申請(qǐng)人:哈茨有限公司