專利名稱：一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化水冷壁裝置，涉及煉鐵高爐水冷壁冷卻強(qiáng) 化和水垢的在線清洗的裝置。它適應(yīng)于煉鐵高爐各種不同結(jié)構(gòu)的水冷器，例如鋼鐵水冷 壁、銅冷卻壁、冷卻模塊等等，尤其適合不是純水或軟水閉路循環(huán)冷卻的煉鐵高爐水冷 壁，特別是替代爐腰爐腹部位的銅水冷壁。
背景技術(shù)：
—座日產(chǎn)鐵水量5000 - 10000噸的高爐停爐的大修費(fèi)用約需6-10億元人民幣(周 渝生、曹傳根，銅冷卻壁在高爐上的安裝和使用[A]，寶鋼技術(shù)2001, 97—110)。因此， 現(xiàn)代煉鐵高爐都追求長壽的高效益。其基本途徑是強(qiáng)化水冷壁的冷卻效率，已經(jīng)獲得相 當(dāng)成功的主要技術(shù)是以下兩類一一是在大型煉鐵高爐水冷壁最容易損壞的爐腰和爐腹部位采用的高導(dǎo)熱性銅制冷 卻壁。由于銅冷卻壁冷卻能力強(qiáng)，熱面溫度低，能形成穩(wěn)定的隔熱渣皮層，其厚度在50 mm以上(顧德章，武漢鋼鐵研究設(shè)計(jì)院，高爐銅冷卻壁的設(shè)計(jì)及應(yīng)用探討，鋼鐵，2003， 22 (2) l—5)。熱面溫度通常低于80 。C，所以渣皮形成相當(dāng)快且具有良好的結(jié)構(gòu)完整 性。(李常性摘譯、有福校，高爐銅冷卻壁的需水量，武鋼技術(shù)，2001， (5) 57—59)。 銅水冷壁雖然壽命可以長達(dá)15年甚至更長，但是價(jià)格昂貴，是鑄鋼或球鐵水冷壁的十 倍左右，需要資金數(shù)千萬元。例如，2006年底新建的湘潭鋼鐵公司5號煉鐵高爐(2500 ms)的5-8段176塊銅冷卻壁的重量就是310噸。二是采用純水或軟水密閉循環(huán)二次冷卻防止水冷壁結(jié)垢技術(shù)(王大中，馬維國、趙 銳銳，高爐密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，工業(yè)用水與廢水，2000， v31n2pl6 18)。水垢 是影響水冷壁壽命的一個(gè)極其重要的因素。1 mm厚的水垢會使水冷壁的冷卻能力下降 80%左右，造成50 100 "U的溫升(胡源申，袁曉敏，黃達(dá)文，馬鋼300m3高爐灰鑄鐵 與球墨鑄鐵冷卻壁破損行為比較及長壽對策，鋼鐵，1999， 34 (增刊)276~ 2781)。 這種軟水密閉循環(huán)二次冷卻系統(tǒng)的防垢效果的確好，但是代價(jià)相當(dāng)高。不僅需要數(shù)千萬 元裝置建造費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用也相當(dāng)高，并且還存在二次循環(huán)水的水-水熱交換器的水垢問 題，又使進(jìn)入高爐水冷卻器的循環(huán)冷卻水的溫度較高，影響其冷卻效率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明專利針對銅冷卻壁和軟水密閉循環(huán)二次冷卻防止水冷壁結(jié)垢技術(shù)存在的重 大經(jīng)濟(jì)性問題，提出一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，既能夠以鑄鋼水冷壁替 代昂貴的銅水冷壁，又能夠直接采用工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)替代軟水密閉二次冷卻系統(tǒng)， 同樣有效地降低水冷壁熱面溫度，形成完整、穩(wěn)定的隔熱渣皮層，達(dá)到適應(yīng)高冶煉強(qiáng)度 和長壽命的目的，又可以節(jié)省大量的建造費(fèi)，大幅度地降低運(yùn)行費(fèi)，具有巨大的技術(shù)經(jīng) 濟(jì)優(yōu)越性。本發(fā)明專利的技術(shù)方案為 一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，由鑄鋼水 冷壁、進(jìn)水管線、回水管線、流態(tài)化液進(jìn)口管線、流態(tài)化液出口管線、三通閥、粒子、 粒子循環(huán)槽等組成。水冷壁通過進(jìn)水管線、回水管線、流態(tài)化液進(jìn)口管線、流態(tài)化液出 口管線、三通閥與粒子循環(huán)槽連接形成供排水和流態(tài)化清洗系統(tǒng)。鑄鋼水冷壁由壁體、冷卻管、螺旋線、肋板、耐熱混凝土構(gòu)成。鑄鋼水冷壁的壁 體和冷卻管均為含碳量相近的低碳鋼或低碳合金鋼，兩者鑄造融合為無間隙的一體，消除 了球鐵水冷壁氣隙這一影響冷卻強(qiáng)度的最大熱阻項(xiàng)。冷卻管設(shè)置在很靠近熱面的一側(cè)，壁體熱面一側(cè)的厚度(包括冷卻管管壁)b,遠(yuǎn)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄，在15 30mm范圍。但 是，壁體冷面一側(cè)的厚度(包括冷卻管管壁)b2基本上與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣厚，目的是降低 壁體熱變形的拉應(yīng)力，提高壁體的熱疲勞壽命。冷卻管為優(yōu)質(zhì)低碳鋼制造， 一般為20 號鋼。冷卻管在壁體內(nèi)形成水冷壁的冷卻水流道。冷卻管可以是圓形截面，也可以是扁 圓形截面。冷卻管內(nèi)設(shè)置有不銹鋼鋼絲螺旋線。螺旋線螺距T在冷卻管內(nèi)徑di的(1.0 2.5)倍的范圍，螺旋線外徑比管內(nèi)徑小lmm 8mm。螺旋線的功能， 一是對流傳熱強(qiáng) 化，二是清洗時(shí)形成低流速的旋液流態(tài)化，不會在流道的水平段、或傾斜角不大的流道 內(nèi)發(fā)生粒子沉積堵塞。數(shù)根較大直徑的冷卻管等間距地排列在同一層圓錐面上，也可以 是數(shù)根較小直徑的冷卻管等間距地排列在另一層的圓錐面上。壁體的內(nèi)表面的水平截面 形狀為波形面，波谷波峰之間的深度b4在30mm 60mm范圍，波谷面結(jié)構(gòu)目的之一是 消除兩根冷卻管之間的熱面中心區(qū)溫度較高的現(xiàn)象，二是對邊緣氣流起雙向、多級節(jié)流 的抑制作用。壁體熱面一側(cè)設(shè)計(jì)有等間距排列的水平肋板，肋板的高度ba在50 100mm 范圍。肋板的作用有四， 一是為了使?jié)茶T的耐熱混凝土與壁體結(jié)合得更牢固；二是提高 壁體的冷卻能力；三是進(jìn)一步提高掛渣能力，增強(qiáng)渣皮抗外力脫落的能力；四是與波形 面結(jié)構(gòu)共同對邊緣氣流起雙向、多級節(jié)流的抑制作用。這種強(qiáng)化型鑄鋼水冷壁能夠替代銅冷卻壁的傳熱學(xué)依據(jù)，在于熱面一冷卻水流道 之間它具有與銅冷卻壁幾乎相同的冷卻強(qiáng)度。由傳熱學(xué)基本計(jì)算式可以得到冷卻強(qiáng)度為《=f=《厶7;-(丄+與+丄)厶7;。按此進(jìn)行計(jì)算比較表明最主要是這種強(qiáng)化水冷壁采用旋液流態(tài)化清洗的一次冷卻的有效傳熱溫差at;比二次冷卻系統(tǒng)的傳熱溫差A(yù)r 大得多， 一般要高鄰％以上，尤其在熱面形成渣皮以后幾乎要髙一倍。其次是由于強(qiáng)化型鑄鋼水冷壁的In比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大減薄(一般只需要20mm左右)，傳導(dǎo)熱阻(！)義可以縮小到銅水冷壁的三倍左右。其三是強(qiáng)化型鑄鋼水冷壁的螺旋線使冷卻流道內(nèi)的對 流傳熱強(qiáng)化幅度達(dá)到50%左右，使得銅水冷壁的對流傳熱熱阻(1)比這種強(qiáng)化水冷壁大l/3左右。三者綜合作用的計(jì)算結(jié)果比較表明，這種強(qiáng)化水冷壁的冷卻強(qiáng)度達(dá)到相 當(dāng)接近二次冷卻的銅水冷壁的水平。因此，在這種強(qiáng)化水冷壁的熱面同樣可以形成完整、 穩(wěn)定、厚度也差不多的渣皮隔熱層，并且肋板與波峰一波谷結(jié)構(gòu)的熱面具有更大的掛渣 能力和抗脫落能力及其抑制邊緣氣流沖刷磨損的能力，替代銅水冷壁的是切實(shí)可行的。 水冷壁通過進(jìn)水管線、回水管線、流態(tài)化液進(jìn)口管線、流態(tài)化液出口管線與粒子循 環(huán)槽連接。流態(tài)化液進(jìn)口管線、流態(tài)化液出口管線及其配送管的水平段管內(nèi)都設(shè)置有螺旋線。螺旋線螺距T在管內(nèi)直徑di的(1.8 2. 5)倍范圍。螺旋線一般為不銹鋼鋼絲制造， 也可以是塑包金屬絲結(jié)構(gòu)。螺旋線的作用是在清洗時(shí)形成低流速的旋液流態(tài)化，粒子不 會在螺旋流道水平段內(nèi)沉積堵塞。循環(huán)槽分為上下兩室，采用連通閥連通。上室為粒子 沉降分離回收空間。下室為流態(tài)化清洗液的配制室，安裝有能夠自動控制流態(tài)化清洗液 粒子濃度的配沙管，配沙管的工作原理是通過文丘里的喉部減壓造成噴流孔出來的水與 沙相互混合和回沙孔的吸回來實(shí)現(xiàn)的。水冷壁借助裝置系統(tǒng)的三通閥來改變水冷壁的運(yùn)行狀態(tài)。平常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，借助三 通閥使水冷壁只與進(jìn)水管線和回水管線連通，而與流態(tài)化液進(jìn)口管線和流態(tài)化液出口管 線隔斷。當(dāng)某一塊水冷壁內(nèi)的冷卻管內(nèi)需要清洗水垢時(shí)，改變該塊水冷壁的進(jìn)出口管和 進(jìn)水管線上的三通閥，使水冷壁只與流態(tài)化液進(jìn)口管線和流態(tài)化液出口管線連通，而與 進(jìn)水管線和回水管線隔斷，進(jìn)行流態(tài)化清洗；流態(tài)化清洗的粒子回到循環(huán)槽的上室沉降 分離，清洗污水通過排污管排放。污垢清洗剛結(jié)束時(shí)先只改變該塊水冷壁的進(jìn)口管和進(jìn) 水管線上的三通閥，水冷壁通冷卻水，將冷卻管內(nèi)未來得及排出的粒子繼續(xù)回收；數(shù)分 鐘(一般只需要3分鐘左右)以后，再改變該塊水冷壁的出口管三通閥回到平常生產(chǎn)運(yùn) 行狀態(tài)，然后打開循環(huán)槽的連通閥將上室內(nèi)的粒子放到下室，最后關(guān)閉連通閥，使循環(huán) 槽回復(fù)到平常生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，以待下次清洗作業(yè)。


圖1是本發(fā)明的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置的冷卻水進(jìn)出及其流態(tài)化 粒子循環(huán)系統(tǒng)管線示意圖。圖3是本發(fā)明的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置的A-A剖面圖。 圖4是本發(fā)明的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置的配送管結(jié)構(gòu)示意閨。 圖中的1水冷壁2進(jìn)口三通閥3出口三通閥4回水管線5流態(tài)化液出口管線6 回沙管7循環(huán)槽8排污管9上室IO粒子11下室12連通閥13配沙管14進(jìn)水管三 通閥15進(jìn)水管線16流態(tài)化液進(jìn)口管線17回沙孔18文丘里喉部19噴流孔21壁 體22出口管23冷卻管24肋板25嫘旋線26進(jìn)口管27耐熱混凝土 28安裝孔具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖l、 2、 3說明本發(fā)明專利的具體實(shí)施方案一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置如圖2所示，由水冷壁1、進(jìn)水管線15、 回水管線4、流態(tài)化液進(jìn)口管線16、流態(tài)化液出口管線5、三通閥2、 3、 14、粒子IO、 循環(huán)槽7等組成。水冷壁1通過進(jìn)水管線15、回水管線4、流態(tài)化液進(jìn)口管線16、流態(tài) 化液出口管線5、三通閥2、 3、 14與循環(huán)槽7連接，形成供排水和流態(tài)化清洗系統(tǒng)。如圖1所示，水冷壁1由壁體21、冷卻管23、螺旋線25、肋板24、耐熱混凝土 27構(gòu)成。冷卻管23設(shè)置在很靠近熱面的一側(cè)，壁體21熱面一側(cè)的厚度(包括冷卻管管 壁)b!遠(yuǎn)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄，在15 30mm范圍。但是，壁體21冷面一側(cè)的厚度(包括冷 卻管管壁)b2仍然與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣厚，目的是降低壁體21熱變形的拉應(yīng)力，提高壁體 21的熱疲勞壽命。冷卻管23為優(yōu)質(zhì)低碳鋼制造， 一般為20號鋼。冷卻管23在壁體21 內(nèi)形成水冷壁的冷卻水流道。冷卻管23可以是圓形截面，也可以是扁圓形截面。冷卻管23內(nèi)設(shè)置有不銹鋼鋼絲螺旋線25。螺旋線25的螺距T在冷卻管23內(nèi)徑dt的(1. 0~ 2.5)倍的范圍，螺旋線25外徑比冷卻管23內(nèi)徑小lmm 8mm。螺旋線25的功能，一 是對流傳熱強(qiáng)化，二是清洗時(shí)形成低流速的旋液流態(tài)化，不會在流道的水平段、或傾斜 角不大的流道內(nèi)發(fā)生粒子沉積堵塞。冷卻管23采用低碳鋼的無縫鋼管制造。壁體21釆 用含碳量0.18% 0.23%的鑄鋼或低碳合金鋼鑄造，直接澆鑄在冷卻管23外，兩者融 合成無縫隙的一體。壁體21熱面一側(cè)設(shè)計(jì)有等間距排列的水平肋板24，肋板24的高度 b3在50 100tmn范圍。肋板24的作用， 一是為了是澆鑄的耐熱混凝土與壁體結(jié)合的更 牢固，二是提高壁體的冷卻能力，三是進(jìn)一步提高掛渣能力，增強(qiáng)渣皮抗外力脫落的能 力；四是與波形面結(jié)構(gòu)共同對邊緣氣、流起雙向、多級節(jié)流的抑制作用。如圖3 (a) (b)所示，數(shù)根較大直徑的冷卻管23等間距地排列在同一圓錐面上， 也可以是數(shù)根較小直徑的冷卻管23等間距地排列在另一個(gè)圓錐層面上。壁體21的內(nèi)表 面的水平截面形狀為波形面，波谷波峰之間的深度b4在30mm 60mm范圍，波谷面結(jié) 構(gòu)目的之一是消除兩根冷卻管之間的中心區(qū)熱面溫度較高現(xiàn)象。波峰一波谷面的結(jié)構(gòu)與 肋板對邊緣氣流可以起雙向多級節(jié)流作用，有利于抑止邊緣氣流的發(fā)展和熱面的溫度穩(wěn) 定。水冷壁1通過進(jìn)水管線15、回水管線4、流態(tài)化液進(jìn)口管線16、流態(tài)化液出口管線 5與粒子10的循環(huán)槽7連接。流態(tài)化液進(jìn)口管線16、流態(tài)化液出口管線5及其配送管 13的水平段管內(nèi)都設(shè)置有螺旋線25。螺旋線25的螺距T在管內(nèi)直徑di的(l. 0 2. 5) 倍范圍。螺旋線25—般為不銹鋼鋼絲制造，也可以是塑包金屬絲結(jié)構(gòu)。螺旋線25的作 用只是在清洗時(shí)形成低流速的旋液流態(tài)化，粒子io不會在螺旋流道水平段內(nèi)沉積堵塞。 循環(huán)槽7分為上室9和下室11，采用連通閥12連通。上室9為粒子10的沉降分離回收 空間。下室11為流態(tài)化清洗液的配制室，安裝有能夠自動控制流態(tài)化清洗液粒子濃度 的配沙管13,配沙管13的工作原理是通過文丘里喉部18減壓造成噴流孔19出來的水 與沙相互混合和回沙孔17的吸回來實(shí)現(xiàn)的。水冷壁1借助三通閥2、 3、 14來改變其運(yùn)行狀態(tài)。平常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，借助三通閥2、 3使水冷壁1只與進(jìn)水管線15和回水管線4連通，而與流態(tài)化液進(jìn)口管線16和流態(tài)化 液出口管線5隔斷不通。當(dāng)某一塊水冷壁I內(nèi)的冷卻管23內(nèi)需要清洗水垢時(shí)，改變該 塊水冷壁1的進(jìn)出口管1S和進(jìn)水管線4上的三通閥2、 3，使水冷壁1只與流態(tài)化液進(jìn) 口管線16和流態(tài)化液出口管線5連通，而與進(jìn)水管線15和回水管線4隔斷不通，進(jìn)行 流態(tài)化清洗；流態(tài)化清洗的粒子10回到循環(huán)槽7的上室9沉降分離，清洗污水通過排 污管8排放。污垢清洗剛結(jié)束時(shí)，先只改變該塊水冷壁1的進(jìn)口管26和進(jìn)水管線上15 的三通閥14、 2,水冷壁1通冷卻水，將冷卻管23內(nèi)未來得及排出的粒子IO繼續(xù)回收； 數(shù)分鐘(一般只需要3分鐘左右)以后，再改變該塊水冷壁1的出口管22的三通閥3 回到平常生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，然后打開循環(huán)槽7的連通閥12將上室9內(nèi)的粒子10放到下室 11,最后關(guān)閉連通閥12，使循環(huán)槽7回復(fù)到的平常生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，以待下次清洗作業(yè)。
權(quán)利要求
1.一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，由水冷壁(1)、進(jìn)水管線(15)、回水管線(4)、流態(tài)化液進(jìn)口管線(16)、流態(tài)化液出口管線(5)、粒子(10)、循環(huán)槽(7)等組成，其特征在于水冷壁(1)的壁體(21)和冷卻管(23)均為低碳鋼鑄造融合為無間隙的一體；冷卻管(23)設(shè)置在很靠近熱面的一側(cè)，壁體(21)熱面一側(cè)的厚度(包括冷卻管管壁)b1在15～30mm范圍；冷卻管(23)內(nèi)設(shè)置有不銹鋼鋼絲螺旋線(25)，螺旋線(25)的螺距T在冷卻管(23)內(nèi)徑di的(1.0～2.5)倍范圍，螺旋線(25)外徑比管內(nèi)徑小1mm～8mm；壁體(21)熱面一側(cè)設(shè)計(jì)有等間距排列的水平肋板(24)，肋板(24)的高度b3在50～100mm范圍；水冷壁(1)通過進(jìn)水管線(15)、回水管線(4)、流態(tài)化液進(jìn)口管線(16)、流態(tài)化液出口管線(5)與粒子(10)的循環(huán)槽(7)連接形成供排水和流態(tài)化清洗系統(tǒng)，這些管線的水平段管內(nèi)也設(shè)計(jì)有螺旋線(25)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，其特征在于壁 體(21)的熱面的水平截面形狀為波形，波谷波峰之間的深度b4在20mm 60mm范圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，其特征在于循 環(huán)槽(7)分為上室(9)和下室(11)，采用連通閥(12)控制連通隔斷；上室(9)為 粒子(10)的沉降分離回收空間；下室(11)為流態(tài)化清洗液的配制室，安裝有能夠自 動控制流態(tài)化清洗液粒子(10)濃度的配沙管(13),配沙管(13)由文丘里喉部(18)、 噴流孔(19)、回沙孔(17)組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，其特征在于冷 卻管(23)采用低碳鋼無縫鋼管制造，數(shù)根較大直徑的冷卻管(23〉 一般都是等間距地 排列在同一層的圓錐面上，也可以是數(shù)根較小直徑的冷卻管(23)分別等間距地排列在 另一層的圓錐面上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，其特征在于冷 卻管(23)可以是圓形截面，也可以是扁圓形截面。
全文摘要
一種煉鐵高爐旋液流態(tài)化強(qiáng)化水冷壁裝置，水冷壁的冷卻管設(shè)置在很靠近熱面的一側(cè)；熱面一側(cè)設(shè)計(jì)有等間距排列的水平肋板，肋板的高度b₃有50～100mm；熱面一側(cè)的水平截面形狀為波形，波谷波峰之間的深度b₄有30mm～60mm。冷卻管和流態(tài)化清洗液進(jìn)出管線的水平段內(nèi)設(shè)置螺旋線。水冷壁通過進(jìn)出管線、三通閥與粒子循環(huán)槽連接形成供排水和流態(tài)化清洗系統(tǒng)，切換操作簡便。這種冷卻強(qiáng)化的鑄鋼水冷壁，其冷卻強(qiáng)度與銅冷卻壁相當(dāng)接近，肋板與變形面結(jié)構(gòu)的掛渣能力和抗脫落能力強(qiáng)，又有抑制邊緣氣流的節(jié)流作用，能夠在熱面形成完整、穩(wěn)定的渣皮，達(dá)到與銅冷卻壁差不多一樣的長壽、節(jié)能水平。
文檔編號C21B7/10GK101302567SQ20071003490
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者俞天蘭, 俞天翔, 俞秀民, 劉桂英, 吳琦華, 吳金香, 彭德其, 支校衡, 偉 易, 李群松, 蔣少青 申請人:湖南工業(yè)大學(xué)