專利名稱：高溫冶金反應(yīng)設(shè)備冷卻元件及其制造技術(shù)
本發(fā)明涉及制造用于高溫冶金反應(yīng)設(shè)備的冷卻元件，所述元件具有至少一個流道，而此種元件則是通過連鑄即泥漿澆注制造的。為了提高元件的傳熱能力，此冷卻流道壁的表面積相對于流道的圓形或卵形橫剖面加大了，但未增大此流道的直徑或長度。本發(fā)明還涉及由此方法制成的這種元件。
高溫冶金工藝中反應(yīng)設(shè)備的耐火材料是由水冷冷卻元件保護(hù)，冷卻的結(jié)果使得到達(dá)耐火材料表面的熱經(jīng)此冷卻元件傳遞給水，這樣與未經(jīng)冷卻的反應(yīng)設(shè)備比較，能顯著減少爐襯的蝕損。蝕損的減少是由于冷卻效應(yīng)導(dǎo)致形成所謂的自生爐襯，它固定到熱穩(wěn)定爐襯的表面上并且是由爐渣與從熔融相沉淀出的其他物質(zhì)形成。
通常，冷卻元件是由兩種方法制造首先，這種元件可以由砂型鑄造制備，在此將高導(dǎo)熱材料例如銅制的冷卻管設(shè)置到砂形成的模具中，并在圍繞上述冷卻管的澆鑄中由空氣或水冷卻。圍繞上述管鑄造的元件也采用高導(dǎo)熱材料，而最好是銅。此種制造方法描述于例如英國專利no.1386645中。這種方法的問題之一是用作冷卻通道的上述管與環(huán)繞它的澆鑄材料結(jié)合不勻，這種管道中的某些可能完全離開圍繞它澆鑄的元件，而此管道的一部分則可能完全熔融而與此元件熔合。要是在冷卻管道與圍繞它的澆鑄元件的其余部分之間未形成金屬鍵合，就不會有效地傳熱。而要是管道完全熔融，則將阻止冷卻水的流動。這種澆鑄材料的澆鑄性質(zhì)例如可以通過將磷與銅混合，改進(jìn)管道與澆鑄材料間形成的金屬鍵合而加以改進(jìn)，但在這種情形下，即使是添加少量的磷也會顯著減弱銅的傳熱性質(zhì)(熱導(dǎo)率)。這種方法值得指出的一個優(yōu)點(diǎn)是制造費(fèi)用較低且與尺寸無關(guān)。
另一種所用的制造方法是把通道形的玻璃管道置入冷卻元件模具中，此模具在澆鑄形成元件內(nèi)的通道后便加以破碎。
美國專利4382585描述了另一種制造冷卻元件常用的方法，根據(jù)這種方法，冷卻元件例如是由軋銅板通過于其中機(jī)加工出必要的通道而制成。這種方法制成的元件的優(yōu)點(diǎn)是具有致密、結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)和從此元件到致冷物質(zhì)如水的良好傳熱性。它的缺點(diǎn)是尺寸(大小)受限和高成本。
先有技術(shù)中的一種周知的已用來為高溫冶金設(shè)備制造冷卻元件的方法是通過芯棒，例如由連鑄即泥漿澆注來澆注出空心型材。這種元件是由高熱導(dǎo)性的金屬如銅制成。此方法的優(yōu)點(diǎn)是能獲得致密的鑄件結(jié)構(gòu)與良好的表面質(zhì)量，而鑄件的冷卻通道能讓熱從此元件良好地傳給致冷物質(zhì)，從而不會發(fā)生種種妨礙傳熱的影響，更確切地說，來自反應(yīng)設(shè)備的熱到達(dá)冷卻元件時是不會受到任何過火的傳熱阻力而可直接傳輸?shù)嚼鋮s通道的表面再傳給冷卻水的。冷卻通道的橫剖面一般是圓形或卵形的，而芯棒則具有光滑的表面。這種冷卻通道已陳述于美國專利5772955中。
然而，為了提高冷卻元件的傳熱能力，最好還是加大元件的傳熱表面積。正如后面的說明將證明的，根據(jù)本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)上述目的時是通過增大這種冷卻流體通道的壁面面積而不增大其直徑或增加長度。冷卻元件流道壁面面積的增加是通過在澆鑄中于此通道壁上形成槽，或是在澆鑄之后于通道中機(jī)加工出槽或螺紋，使得此通道的橫剖面基本上仍保持圓形或卵形而實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果在同等的熱量下，在水與通道壁之間只需要較小的溫差，同時有更低的冷卻元件溫度。本發(fā)明還涉及到由這種方法制造的冷卻元件。本發(fā)明的基本特征將闡明于后附的權(quán)利要求書中。
此冷卻元件接收熱量的能力能夠由下式表示Q＝a×A×ΔT，其中Q＝所傳輸?shù)臒崃縖W]a＝通道壁與水之間的傳熱系數(shù)[W/Km2]A＝傳熱表面積[m2]ΔT＝通道壁與水之間的溫度差[K]
傳熱系數(shù)理論上可由式Nu＝aD/λ確定。
λ＝水的熱導(dǎo)率[W/mK]D＝水力直徑[m]或Nu＝0.023×Re^0.8Pr^0.4，其中Re＝wDρ/ηW＝速度[m/s]D＝通道的水力直徑[m]ρ＝水的密度[Kg/m3]η＝動態(tài)粘度Pr＝Prandt數(shù)[]于是，據(jù)以上所述，通過影響溫差、傳熱系數(shù)或傳熱表面積，就能影響傳送給冷卻元件的熱量。
壁與通道間的溫差受到水在100℃沸騰事實(shí)的限制，常壓下的傳熱性質(zhì)由于沸騰而顯著變壞。實(shí)際工作中，最好是在盡可能最低的通道壁的溫度下工作。
通過改變流速，即通過影響Reynolds數(shù)，能顯著地影響傳熱系數(shù)。但這會受到由于通道中流速加大而增加壓力損耗的限制，這使得泵唧冷水的費(fèi)用增加，而在超過某種限度后也會顯著增加泵的投資費(fèi)用。
傳統(tǒng)的方法中是通過加大冷卻通道的直徑和/或其長度來影響傳熱表面積的。但顯然，冷卻通道的直徑從經(jīng)濟(jì)上考慮是不能無限制地加大的，因?yàn)橥ǖ乐睆降脑黾右簿鸵龆酁閷?shí)現(xiàn)某種流率所需的水量，此外也要增加泵唧作業(yè)所需的能量。另一方面，通道直徑也受到冷卻元件實(shí)際尺寸的限制，出于盡可能減少投資費(fèi)用的目的，此冷卻元件最好制得盡可能地小與輕量。長度方面的另一種限制是冷卻元件本身的實(shí)際尺寸，即要配合到給定區(qū)域中的冷卻通道的大小。
當(dāng)需要加大這里提出的冷卻元件的傳熱面積時，則只需改變泥漿澆鑄冷卻元件水流通道的壁形，來實(shí)現(xiàn)根據(jù)每單位水流通道長度和相同水流橫剖面(在相同的水量下實(shí)現(xiàn)相同的流率)所計(jì)算的，較大的傳熱面積。為了這樣地加大此表面積，例如可以用下述方法在泥漿澆鑄冷卻元件的澆鑄過程中形成基本上圓形橫剖面的至少一個水流通道，并在澆鑄之后于此通道內(nèi)加工出螺紋。
在澆注的冷卻元件的泥漿澆注過程中形成基本上圓形橫剖面的至少一個水流通道，并在澆鑄之后于此通道內(nèi)加工出螺旋形凹槽。這種槽最好是用所謂可脹式心軸拉過此通道而形成。對于例如一端封閉的孔來開槽時，可通過將這種心軸外拉來進(jìn)行。對于通道中兩端敞開的孔，則可以將專門設(shè)計(jì)的工具推過或拉過此通道來實(shí)現(xiàn)。
增大所述表面積的最佳方法是在澆鑄中于冷卻元件內(nèi)形成一或多個最好是直槽式的水流通道。盡管進(jìn)行了這種開槽，但這種通道的剖面形狀仍然是圓形或卵形的。應(yīng)用這種方法，能避免澆鑄后的機(jī)械加工步驟。
在所有上述方法中，顯然在水流通道中應(yīng)有相對于澆鑄方向?yàn)闄M向的通道部件，而這些部件是由機(jī)加工例如由鉆削形成，同時將不屬于此通道的孔口加以堵塞。
已將本發(fā)明上述的增大傳熱面積方法的優(yōu)點(diǎn)借助于這里所給的例子與先有技術(shù)的方法進(jìn)行過比較。與此例子相聯(lián)系，存在有幾個用來闡明本發(fā)明的圖，其中

圖1是有關(guān)試驗(yàn)中所用冷卻元件的原理圖；圖2是所試驗(yàn)的冷卻元件的橫剖面型面；圖3a～3d表明冷卻元件內(nèi)不同測量點(diǎn)處的作為熔體溫度函數(shù)的溫度；圖4給出了據(jù)此熔體溫度函數(shù)所作的測量結(jié)果計(jì)算出的傳熱系數(shù)；圖5給出了標(biāo)準(zhǔn)化冷卻元件的在不同冷卻級下的冷卻水與通道壁的溫度差。
例由試驗(yàn)測試了與本發(fā)明有關(guān)的冷卻元件，這里所述的元件A、B、C與D浸于距底面約1cm深的熔融鉛中。冷卻元件A具有通常的光滑表面的通道，此元件用于比較測量中。冷卻水的數(shù)量及其加到此冷卻元件內(nèi)前后的溫度在這些試驗(yàn)中都經(jīng)過仔細(xì)測量。熔融鉛的溫度以及冷卻元件本身內(nèi)在七個不同測量點(diǎn)的溫度也都仔細(xì)測量過。
圖1示明了這些試驗(yàn)中所用的冷卻元件1，其中有水流通道2。此冷卻元件的尺寸如下高300mm、寬400mm、厚75mm。冷卻管或水流通道位于如圖1所示的元件1內(nèi)，使此圓管中水平部分的中心距元件底為87mm，而各個垂直件則距這種板狀冷卻元件的邊緣為50mm。管的水平部由鉆削形成，水平孔口的一端已堵塞(未詳示)。圖1也表明了溫度測量點(diǎn)T1～T7的位置。圖2示明了冷卻通道的表面形狀，而表1則包括有試驗(yàn)的冷卻元件通道的尺寸和計(jì)算的每米的傳熱表面以及相關(guān)的傳熱面積。
表1
圖3a～3d表明，在所有的冷卻水流率下，冷卻元件B、C與D的溫度都比根據(jù)冷卻元件A所作的參考用測量結(jié)果都低。但由于所述試驗(yàn)件的水流橫剖面積出于制造中的技術(shù)原因必定會出現(xiàn)不同的尺寸，因而不能直接根據(jù)圖3a～3d的結(jié)果比較傳熱效率。
于是這些試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化如下兩點(diǎn)之間穩(wěn)定的傳熱可以寫成Q＝S×λ×(T1－T2)，其中Q＝兩點(diǎn)間的熱傳輸量S＝形狀系數(shù)(取決于幾何結(jié)構(gòu))[m]λ＝介質(zhì)的導(dǎo)熱率[W/mK]
T1＝點(diǎn)1的溫度[K]T2＝點(diǎn)2的溫度[K]將上式應(yīng)用于試驗(yàn)結(jié)果，獲得以下各量Q＝傳輸給冷卻水的測出的熱功率λ＝銅的熱導(dǎo)率[W/mK]T1＝根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算的在元件底部的溫度[K]T2＝根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算的水通道壁的溫度[K]S＝埋入半無限部件中有限圓柱體的形狀系數(shù)(此圓柱體的長度為L，直徑為D)。而此形狀系數(shù)可以據(jù)式S＝2πL/1n(4z/D)，當(dāng)Z＞1.5D時確定，Z＝從圓柱體中心線測量的浸入深度[m]。
由上述方式測定的傳熱系數(shù)給出于圖4。根據(jù)多變量分析結(jié)果，在傳熱系數(shù)與水流率以及傳輸給水的熱量之間取得了極其良好的相關(guān)性。各個冷卻元件的回歸方程的傳熱系數(shù)給出于表2。
這樣，α[W/m2K]＝c＋a×v[m/s]＋b×Q[kW]表2
為使這些結(jié)果成為可比的，將水流通道的橫剖面積標(biāo)準(zhǔn)化，以使水的流量對應(yīng)于相同的流率。水流通道的尺寸與傳熱表面積已根據(jù)流量與流率標(biāo)準(zhǔn)化并給出于表3中。應(yīng)于表3所給尺寸于情形A′、B′、C′與D′以及上面測定的傳熱系數(shù)，所述通道壁與水在相對于流量標(biāo)準(zhǔn)化情形下的溫度差，作為水流率的函數(shù)，對于5、10、20與30kW熱量的情形，用式ΔT＝Q/(a×A)進(jìn)行了計(jì)算。
表3
這些結(jié)果示明于圖5中。圖5表明，所有依據(jù)本發(fā)明制得的冷卻元件都能在水與冷卻通道壁間較小的溫度差下實(shí)現(xiàn)一定數(shù)量的傳熱效應(yīng)，這說明了本發(fā)明方法的有效性。例如冷卻本領(lǐng)為30kW而水流率為3m/s時，上述壁與水之間的誤差在不同情形下如下表所示。
表4
在將這些結(jié)果與傳熱表面比較時，可以看到，所需用來傳輸相同熱量的壁與水之間的溫度差同相對傳熱表面成反比。這表明本發(fā)明上述的改變表面面積能顯著地影響傳熱效率。
權(quán)利要求
1.制造高溫冶金反應(yīng)設(shè)備冷卻元件的方法，所述元件是由高導(dǎo)熱性金屬經(jīng)粉漿澆鑄(slip-cast)制成，并具有至少一個冷卻水流通道，其特征在于為了提高此冷卻元件的傳熱能力，在此冷卻元件內(nèi)水流通道的表面積增大但不增大液流通道的直徑或長度。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在此冷卻元件澆鑄過程中，由有槽的心軸于此冷卻元件內(nèi)形成基本為圓形或卵形橫剖面的冷卻水流通道。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在此冷卻元件澆鑄過程中，于其內(nèi)形成基本為圓形橫剖面的冷卻水流通道，并在澆鑄后于此通道內(nèi)機(jī)加工出螺紋。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在此冷卻元件澆鑄過程中，于其內(nèi)形成基本為圓形橫剖面的冷卻水流通道，并在澆鑄后于此通道內(nèi)機(jī)加工出螺旋形凹槽。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述螺旋形凹槽是由可脹心軸制成。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述高導(dǎo)熱性金屬是銅。
7.高溫冶金反應(yīng)設(shè)備冷卻元件，它由高導(dǎo)熱性金屬經(jīng)粉漿澆鑄制成且具有至少一個冷卻水流道，其特征在于，此液流通道的壁表面面積增大，但未增大此通道的直徑或加大其長度。
8.權(quán)利要求7所述的冷卻元件，其特征在于，所述液流通道由有槽心軸形成基本是圓形或卵形的橫剖面。
9.權(quán)利要求8所述的冷卻元件，其特征在于，所述基本是圓形或卵形橫剖面的液流通道中的槽是直槽。
10.權(quán)利要求7所述的冷卻元件，其特征在于，所述液流通道基本上呈圓形橫剖面并且是由心軸形成，同時在澆鑄后于此流道內(nèi)機(jī)加工出螺紋。
11.權(quán)利要求7所述的冷卻元件，其特征在于，所述液流通道基本上呈圓形橫剖面并且是由心軸形成，同時在澆鑄后于此流道內(nèi)機(jī)加工出螺線形槽。
12.權(quán)利要求11所述的冷卻元件，其特征在于，所述螺旋形槽是由可脹心軸形成。
13.權(quán)利要求7所述的冷卻元件，其特征在于，所述元件是由銅制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及由連鑄法制造的具有水流通道的高溫冶金反應(yīng)設(shè)備的冷卻元件。為了提高傳熱本領(lǐng),增大了傳統(tǒng)上有圓形或卵形橫剖面的此水流通道的表面積,但不增大其直徑或長度。本發(fā)明還涉及由此方法制成的冷卻元件。
文檔編號C21B7/00GK1331791SQ99814955
公開日2002年1月16日 申請日期1999年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月22日
發(fā)明者埃羅·胡格, 伊爾卡·科喬, 佩爾蒂·梅基寧, 拉伊莫·庫塔 申請人:奧托庫姆普聯(lián)合股份公司