專利名稱：用于冶金爐的冷卻板及制造該冷卻板的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于冶金爐的冷卻板及制造該冷卻板的方法。
背景技術(shù)：
冷卻板，也稱為“立冷壁(staves)”已在鼓風(fēng)爐中應(yīng)用了數(shù)百年。這些冷卻板設(shè)置在爐護板(furnace armour)內(nèi)側(cè)并具有與爐的冷卻系統(tǒng)相連的內(nèi)部冷卻劑管道。面對爐內(nèi)部的冷卻板的表面可襯有耐火材料。
可以用多種各不相同的方法制造這類冷卻板。
第一種方法是，用于鑄造冷卻板體的鑄模設(shè)有一個或多個用于形成內(nèi)部冷卻劑管道的砂芯。然后將液態(tài)鑄鐵澆注到鑄模中。該方法的缺點是很難清除冷卻管道的鑄砂，和/或鑄鐵的冷卻管道經(jīng)常被成型得不合適，并且冷卻管道常常不夠堅固。
為了克服上述缺點，有人曾建議在鑄模中設(shè)置預(yù)成型鋼管，并將液態(tài)鑄鐵澆注到鋼管周圍。但是，這些冷卻板仍不能令人滿意。實際上，由于碳從鑄鐵滲到鋼管內(nèi)，所以鋼管變脆，并可能出現(xiàn)裂紋。冷卻管與冷卻板體之間的接觸也可能造成冷卻板體內(nèi)的裂紋，而造成裂紋的最可能的原因是兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同。
為了避免在鋼制冷卻管和冷卻板體中出現(xiàn)這種裂紋，DE-A-2128827號文件建議設(shè)置具有金屬氧化涂層的預(yù)成型鋼管，以防止鑄鐵和鋼管之間滲碳和冶金接合。事實上，正如上面提到的，由于這些層不能防止?jié)B碳，所以DE-A-2128827提供一種代替現(xiàn)有冷卻板的替代物，其中鋼管涂覆有石墨或鋁，或覆以銅或錫。當(dāng)然，還有一種建議是在鋼管上涂覆金屬氧化物涂層，這種建議也不能令人滿意。鑄造的結(jié)果使涂層消失，并在鋼管和冷卻板體之間形成小的空氣間隙，從而使管和板體能獨立地擴張。遺憾的是，由于小空氣間隙有隔熱效果，所以這些冷卻板都具有傳熱系數(shù)低的缺陷。
US 4,150,818號文件涉及一種用于冶金爐的冷卻板，它包括鑄造冷卻板體，其中的鋼制冷卻管的涂層為兩層的復(fù)合層，即與鋼管接觸的金屬層和在其上面的穩(wěn)定的金屬氧化層。金屬層由從鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)和銀(Ag)組成的組中選取的金屬構(gòu)成，可以選擇單獨的一種金屬或包括兩種或更多種金屬。金屬層的厚度在40至100μm的范圍內(nèi)，金屬氧化層的厚度在30至100μm的范圍內(nèi)，兩層的最大總厚度為200μm。盡管金屬層確實避免了鋼管滲碳，但特別是由于有對于熱傳導(dǎo)有不良影響的氧化層，所以這種冷卻的立冷壁仍不能令人滿意。
現(xiàn)已研制出了替代鑄鐵冷卻板的銅冷卻板。迄今，已有人建議了許多用于銅“立冷壁”的制造方法。
起初是通過澆注到鑄模內(nèi)的方法生產(chǎn)銅冷卻板，由鑄模內(nèi)的砂芯形成內(nèi)部冷卻劑管道。然而，這種方法在實踐中被證明不是有效的，因為鑄銅板常常具有空腔和氣孔，這對冷卻板的使用壽命具有極大的負(fù)面影響，并且很難從冷卻管道上清除鑄砂，和/或成型的銅制冷卻管道不合適。
GB-A-1571789號建議在用鑄模澆鑄冷卻板時，用預(yù)成型的銅或優(yōu)質(zhì)鋼制成的金屬管盤管來取代砂芯。盤管在鑄模中被整體地澆鑄成冷卻板體并形成螺旋冷卻劑管道。該方法在實踐中也被證明不是有效的，這主要是由于這種方法不能有效地防止銅中出現(xiàn)空腔和氣孔。
從DE-A-2907511中得知冷卻板可用鍛制或軋制銅錠制造冷卻板。冷卻劑管道是用機械鉆孔方法在軋制銅錠上鉆出的盲孔。這些冷卻板可避免上述鑄造缺陷，特別是，可有效消除板內(nèi)的空腔和氣孔。但遺憾的是，由于鉆制冷卻管道工序復(fù)雜、耗費時間且昂貴，所以這種冷卻板的生產(chǎn)成本較高。
WO-98/30345提出借助于連續(xù)鑄模進行冷卻板的預(yù)成型澆鑄，其中將棒型件插入鑄造管中生產(chǎn)出沿連續(xù)澆鑄的方向延伸的管道，這些管道構(gòu)成最終的冷卻板中的冷卻劑管道。
盡管銅冷卻板的導(dǎo)熱性一般都比鑄鐵冷卻板的導(dǎo)熱性好得多，但其耐磨性要比后者低得多。因此，暴露在危險的機械應(yīng)力的爐區(qū)的冷卻板不能采用銅冷卻板。此外，銅冷卻板比鑄鐵冷卻板貴得多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種冷卻板，這種冷卻板很容易制造并且還具有較好的耐磨性和較低的傳熱阻力。本發(fā)明的此目的可通過如權(quán)利要求1所述的冷卻板來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，用于冶金爐的冷卻板包括由黑色金屬制成的鑄造的冷卻板體和至少一根澆鑄在冷卻板體內(nèi)的鋼冷卻管。應(yīng)理解到，應(yīng)在冷卻板體內(nèi)的鋼冷卻管的外表面上設(shè)置一金屬套。該金屬套的厚度在毫米級范圍并用由銅、銅合金、鎳和鎳合金組成的組中選擇的金屬制成。
在本冷卻板中，鋼管受到較厚的金屬套保護，可以認(rèn)為，該套對滲碳起物理屏障的作用。換句話說，金屬套的厚度使通常為鑄鐵的液態(tài)黑色金屬中的碳不能進入鋼冷卻管。這與US 4,150,818的冷卻板有重大差別，在該專利文件中用鎳、鈷、錳或銀的金屬層并用總厚度小于200μm的金屬氧化層涂覆鋼管，所選擇的這些金屬不能形成金屬碳化物，即所述金屬層對滲碳起化學(xué)屏障作用。
此外，在本冷卻板中，沒有阻止鋼管與鑄鐵之間進行焊接的氧化層，這意味著可避免出現(xiàn)氣隙。事實上，金屬套起著中間層的作用，這就避免了在鋼冷卻管與鑄鐵體之間進行焊接，并可吸收張力和應(yīng)力。因此，金屬套與鋼管和鑄鐵體緊密接觸。由于銅、鎳和它們的合金具有較高的導(dǎo)熱性，所以這對于熱傳遞是相當(dāng)有利的。不同材料之間的緊密接觸和金屬套的高導(dǎo)熱性可確保從鑄鐵體向冷卻管進行增強的熱傳遞。
值得注意的是，用鑄造方法很容易制造這種冷卻板。按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于制造冶金爐的冷卻板的方法，它包括如下步驟-提供至少一根上面帶有金屬套的鋼冷卻管，該金屬套具有毫米級范圍的厚度并用從由銅、銅合金、鎳和鎳合金組成的組中選擇的金屬制成；-提供一用于澆鑄冷卻板體的鑄模；-在所述鑄模中設(shè)置至少一根帶所述金屬套的冷卻管；及-將液態(tài)黑色金屬澆鑄到所述至少一根帶所述金屬套的冷卻管周圍的鑄模中。
由于鋼管能很方便地澆鑄到冷卻板體內(nèi)，所以這種方法易于實施。對于加工來說，當(dāng)阻力較大并且要求不小于100μm或200μm的金屬層時(小于這一數(shù)值則非常容易損壞)，使用較厚的金屬套非常方便。因此，使用較厚的層可確保在生產(chǎn)時對鋼管進行適當(dāng)?shù)姆蟾?，并使加工簡化?br> 因此，由于有金屬套，該金屬套能確保從板體到冷卻管的傳熱增強，所以本方法適用于生產(chǎn)具有提高了導(dǎo)熱率的冷卻板。再者，所獲得的具有鐵基板體的冷卻板具有較好的耐磨性，因而提高了使用壽命，由此可降低冶金爐的維修費用。
值得一提的是，銅和銅合金特別適于制作金屬套。事實上，銅和銅合金與周圍的材料、即鋼和鑄鐵高度匹配，并具有較高的導(dǎo)熱性。此外，應(yīng)理解到，雖然銅的熔點(1083℃)比鑄鐵的鑄造溫度(通常在1200至1300℃之間)低，但使用較厚的銅套可避免其熔融在液態(tài)鑄鐵中。事實上，由于銅套較厚，所以它能快速吸收液態(tài)鑄鐵中的熱，然后在不引起銅被洗出(washedout)(即再熔化并分散在鑄鐵中)的情況下使其固化，因而，金屬套能用比周圍材料的熔點低的金屬或合金制成。
此外，銅和銅合金具有比鋼和鑄鐵更大的熱膨脹系數(shù)，因而在運行中，銅套被擠壓在鋼管和鑄鐵體之間。因此可確保在冷卻板內(nèi)的不同材料之間非常良好的接觸，從而可獲得良好的熱傳遞。
可進一步理解到，與上面提到DE-A-2128827號的不能防止鋼管滲碳的鍍銅冷卻管相比，本發(fā)明使用的較厚的銅套不僅能防止鋼冷卻管滲碳，而且還提供了能吸收鋼管與鑄鐵體之間的機械應(yīng)力的增強的熱傳遞層。實際上，這種冷卻板具有的“冷卻效應(yīng)”遠(yuǎn)大于(約兩至三倍)具有涂覆金屬氧化物的鋼管的傳統(tǒng)的鑄鐵立冷壁。
優(yōu)選金屬套的厚度至少為2mm，且不大于20mm，更優(yōu)選該厚度范圍為5至10mm，最好該厚度約為7mm。最好通過澆鑄的方式將金屬套設(shè)置在鋼管周圍，因為這種方式形成這種較厚金屬層更有利并更經(jīng)濟。
應(yīng)注意到，金屬套的最佳厚度取決于金屬或合金的制造材料及澆鑄條件。
例如，在具有由銅制厚金屬套包圍的鋼管的鑄鐵冷卻板的情況下，銅套必須有足夠的厚度，以吸收液態(tài)鑄鐵中的熱而不被洗出。此外，如果銅套太厚，則由于銅套的收縮，在銅套與鑄鐵體之間將出現(xiàn)間隙。再者，澆鑄的產(chǎn)物可能隨澆鑄的條件，如溫度、持續(xù)時間和液態(tài)鑄鐵的流動而改變。因此，當(dāng)確定金屬套的最佳厚度時，最好應(yīng)考慮到這些參數(shù)。
現(xiàn)在更具體地描述冷卻板體，該板體可由各種黑色金屬組成。當(dāng)然，所述黑色金屬最好從由鑄鐵、球墨鑄鐵、韌性鑄鐵和鋼組成的組中選擇。當(dāng)冷卻板由含碳量高的鑄鐵制成時，通過設(shè)置金屬套防止?jié)B碳則尤其重要。


現(xiàn)在將參照附圖，通過實例描述本發(fā)明。附圖中圖1是本發(fā)明的冷卻板的一優(yōu)選實施方式的剖視圖。
具體實施例方式
圖1以剖視圖表示出本發(fā)明的冷卻板10的一優(yōu)選實施方式。冷卻板10包括由黑色金屬、優(yōu)選鑄鐵制成的冷卻板體12。冷卻板體12一般為平行六面體形狀，其前側(cè)和后側(cè)分別由附圖標(biāo)記14和16表示。冷卻板10的前側(cè)14有利地設(shè)有一組規(guī)定間隔的平行肋18，以便增大它的熱交換表面，從而可提高冷卻板10的冷卻效率。
附圖標(biāo)記20表示澆鑄在冷卻板體12內(nèi)的鋼冷卻管。盡管圖中未表示出，但冷卻板10包括多根這樣的冷卻管20。如所看到的那樣，冷卻管20具有一基本上平行于冷卻板10的前側(cè)14的直部分22。該直部分20通過從冷卻板體12的后側(cè)16伸出的彎曲部分24終止于兩端，以便將冷卻管20連接到例如鼓風(fēng)爐的冷卻回路中。
可理解到，在冷卻板體12內(nèi)冷卻管20具有包圍其外表面的金屬套26。在本實施方式中，金屬套26最好用銅或銅合金制造，其厚度在5至10mm的范圍內(nèi)。在澆鑄鑄鐵體的過程中，這種較厚的銅套26起防止碳從液態(tài)鑄鐵滲入鋼冷卻管20的物理屏障的作用。具有高導(dǎo)熱性的銅套26與鋼冷卻管20和鑄鐵體12緊密接觸。鑄鐵體12與鋼冷卻管20之間的良好導(dǎo)熱性及材料之間的緊密接觸可增強從鑄鐵體12向在鋼冷卻管20內(nèi)流動的冷卻流體的熱傳遞。此外，銅和銅合金的熱膨脹系數(shù)高于鋼和鑄鐵的熱膨脹系數(shù)，從而在冷卻板投入運行時，即在受到猛烈的加熱時，利用銅套的膨脹，可進一步確保冷卻板體與鋼管之間的良好接觸。可理解到，雖然銅的熔點(1083℃)比鑄鐵的澆鑄溫度(一般為1200至1300℃)低，但較厚的銅層具有吸收液態(tài)鑄鐵的熱的能力，然后在不引起銅被洗出、即再熔化和分散在鑄鐵體內(nèi)的情況下使其固化。
通過鑄造很容易制造這種冷卻板10。據(jù)此，冷卻板10的制造最好按下述方式進行。提供一具有冷卻板體12的尺寸的鑄模，并將裝有金屬套26的冷卻管20設(shè)置在鑄模內(nèi)。然后，將鑄鐵澆鑄到冷卻管周圍的鑄模內(nèi)，并使之在鑄模內(nèi)固化。再將所得到的冷卻板從鑄模中取出。
應(yīng)注意到，最好通過澆鑄的方式將金屬套設(shè)置在鋼管周圍，因為澆鑄形成較厚金屬層更有利且更經(jīng)濟。
按照測試和模擬，本發(fā)明的冷卻板10被證明具有“冷卻效應(yīng)”，該效應(yīng)遠(yuǎn)大于具有涂覆金屬氧化物的鋼管的傳統(tǒng)立冷壁的效應(yīng)(大約兩到三倍)。這種“冷卻效應(yīng)”是通過在暴露于相同熱源下分別測量冷卻板10和傳統(tǒng)的立冷壁熱側(cè)上的最熱點來確定的。具體而言，在傳統(tǒng)立冷壁的前側(cè)約為600至650℃，而本發(fā)明的冷卻板10的前側(cè)約為200至250℃。
實例按照上述方法制造冷卻板樣品。采用外徑為75mm、壁厚為10mm的冷卻管。鋼冷卻管設(shè)有7mm的厚銅層。將具有7mm厚的銅層的鋼冷卻管放置在鑄模內(nèi)并在鑄模內(nèi)澆鑄1250℃溫度的鑄鐵。固化后獲得200mm厚的冷卻板，這意味著銅套由約55mm的鑄鐵所覆蓋。
橫向切開冷卻板可有效地觀察到立冷壁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。切開后，可觀察到厚而均勻的銅套處在冷卻管周圍，在鑄鐵體和銅套之間沒有任何氣隙。在管/套的交界處，由于銅的收縮，所以總是處在緊密連接狀態(tài)。因此，銅套的兩交界處緊密接觸，并且鋼冷卻管相對于鑄鐵體不能移動。
權(quán)利要求
1.一種用于冶金爐的冷卻板(10)，包括一用黑色金屬制成的鑄造的冷卻板體(12)；及至少一根澆鑄在所述冷卻板體(12)內(nèi)的鋼冷卻管道(20)；其特征在于在所述冷卻板體(12)中的所述鋼冷卻管道(20)的外表面上的金屬套(26)的厚度在毫米級范圍，所述金屬套(26)用由從銅、銅合金、鎳和鎳合金組成的組中選擇的金屬制成。
2.按照權(quán)利要求1所述的冷卻板，其特征在于，所述金屬套(26)的厚度至少為2mm。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的冷卻板，其特征在于，所述金屬套(26)的厚度不大于20mm。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的冷卻板，其特征在于，所述金屬套(26)的厚度范圍在5至10mm之間，優(yōu)選約為7mm。
5.按照上面任一項權(quán)利要求所述的冷卻板，其特征在于，所述冷卻板體(12)用由鑄鐵、球墨鑄鐵、韌性鑄鐵和鋼組成的組中選擇的黑色金屬制成。
6.一種用于制造冶金爐的冷卻板的方法，包括如下步驟提供至少一根鋼冷卻管(20)；提供一用于澆鑄冷卻板體(12)的鑄模；在所述鑄模中設(shè)置所述至少一根冷卻管(20)；及將液態(tài)黑色金屬澆鑄到所述至少一根冷卻管(20)周圍的所述鑄模中；其特征在于所述至少一根鋼冷卻管(20)的外表面具有一金屬套，該套的厚度在毫米級范圍，該套用由銅、銅合金、鎳和鎳合金組成的組中選擇的金屬制成。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述金屬套(26)的厚度至少為2mm。
8.按照權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述金屬套(26)的厚度不大于20mm。
9.按照權(quán)利要求6、7或8所述的方法，其特征在于，所述金屬套(26)的厚度范圍在5和10mm之間，優(yōu)選約為7mm。
10.按照權(quán)利要求6至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述液態(tài)黑色金屬從由鑄鐵、球墨鑄鐵、韌性鑄鐵和鋼組成的組中選取。
11.按照權(quán)利要求6至10中任一頂所述的方法，其特征在于，所述金屬套(26)通過澆鑄方式設(shè)置在所述鋼冷卻管(20)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于冶金爐的冷卻板(10)，它包括用黑色金屬制成的鑄鐵冷卻板體(12)和至少一根澆鑄在冷卻板體(12)內(nèi)的鋼冷卻管道(20)。在冷卻板體(12)中的鋼冷卻管道(20)的外表面上的金屬套(26)厚度在毫米級范圍，金屬套(26)用由銅、銅合金、鎳和鎳合金組成的組中選擇的金屬制成。
文檔編號F27D9/00GK1615371SQ02827130
公開日2005年5月11日 申請日期2002年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月16日
發(fā)明者吉里·茲拉馬爾, 蓋伊·西倫, 喬治斯·拉塞爾 申請人:保爾·沃特公司