制造冶金炉用冷却壁的方法及所制造的冷却壁.pdf

本发明公开了一种制造冶金炉用冷却壁(10；10′；10″)的方法。该方法包括：提供金属板(12；12′；12″)，其具有面向炉的内部的内侧(16)和相对的外侧(18)；提供至少一个冷却剂管道(14)；和在冷却剂管道与金属板之间建立热传导接触。根据本发明，该方法包括：给冷却剂管道(14)提供平坦面(24)，以及将平坦面(24)从外部固定到金属板(12；12′；12″)的外侧(18)上，以便建立热传导接触。

1.  一种制造冶金炉用冷却壁(10；10′；10″)的方法，包括：
提供金属板(12；12′；12″)，所述金属板具有面向所述炉的内部的内侧(16)和相对的外侧(18)；
提供至少一个冷却剂管道(14)；以及
在所述冷却剂管道(14)与所述金属板之间建立热传导接触；
其特征在于：
给所述冷却剂管道(14)提供平坦面(24)；和
将所述平坦面(24)从外部固定到所述金属板(12；12′；12″)的所述外侧(18)上，以建立所述热传导接触。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，建立所述热传导接触的步骤包括：通过扩散连接工艺将所述平坦面(24)连接到所述外侧上。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩散连接工艺是扩散焊(DFW)工艺或扩散硬钎焊(DFB)工艺。

4.  根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，将所述平坦面(24)从外部固定到所述金属板(12，12′，12″)的步骤包括：将所述冷却剂管道(14)侧焊到所述外侧(18)，优选叠焊或点焊到所述外侧。

5.  根据权利要求4所述的方法，还包括使焊接的参数与所述冷却剂管道的管壁厚度相关联，以使所述管壁的内部不受所述焊接的影响。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
在所述金属板(12″)的所述外侧(18)上提供接收槽(32)，用于部分地埋入所述冷却剂管道(14)。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述提供金属板的步骤包括：提供具有弯曲侧横截面的金属板(12′)；或者，其中所述提供金属板的步骤包括：提供平坦金属板，且还包括将所述平坦金属板金属成形为具有弯曲侧横截面的金属板(12′)的步骤。

8.  根据权利要求1-5或7中任一项所述的方法，还包括：
提供整块的矩形铜板作为金属板(12，12′，12″)，其具有均匀的内侧(16)和均匀的外侧(18)，而且初始厚度在10-150mm的范围内，优选在25-100mm的范围内；
在所述内侧(16)中加工出锚定槽(20)，用于将耐火层锚固于所述内侧；以及
或者将所述冷却剂管道(14)的所述平坦面(24)直接固定到所述均匀外侧上，或者
在所述金属板(12″)的所述外侧(18)上提供接收槽(32)，用于部分地埋入所述冷却剂管道(14)并将所述冷却剂管道的所述平坦面(24)固定在所述接收槽(32)中。

9.  一种冶金炉用的冷却壁(10；10′；10″)，包括：
金属板(12；12′；12″)，所述金属板具有面向所述炉的内部的内侧(16)和相对的外侧(18)；和
至少冷却剂管道(14)，所述冷却剂管道与所述金属板(12；12′；12″)热传导接触；
其特征在于：
所述冷却剂管道(14)具有平坦面(24)，所述平坦面从外部固定到所述金属板(12；12′；12″)的所述外侧(18)上，用于建立所述热传导接触。

10.  根据权利要求9所述的冷却壁，还包括：
扩散层(30)，所述扩散层连接所述平坦面(24)与所述外侧(18)，以建立所述热传导接触。

11.  根据权利要求10所述的冷却壁，其中，
所述扩散层通过扩散焊(DFW)工艺或扩散硬钎焊(DFB)工艺提供。

12.  一种装备有冷却系统的冶金炉，所述冷却系统包括至少一个根据权利要求9-11中任一项所述的冷却壁。

制造冶金炉用冷却壁的方法及所制造的冷却壁
技术领域
本发明通常涉及用于鼓风炉冶金炉(例如鼓风炉)鼓风炉的冷却设备领域。更准确地，本发明涉及一种制造冷却壁的方法，以及使用这种方法制造的冷却壁。
背景技术
冷却壁已经在鼓风炉中使用了数十年。冷却壁被设置在炉内介于炉身与耐火炉衬之间，用于冷却耐火炉衬，并用于保护炉身不受炉内相当高的处理温度的影响。在非常普通的设计中，冷却壁包括厚重的金属板，其内具有多个延伸穿过金属板并与金属板成一体的内冷却剂通道。连接到内通道的连接管端被设置在冷却壁后侧上，并以密封的方式穿过炉身被引出。通过从炉身引出的这些连接管端，许多冷却壁的冷却通道被连续地连接到炉子的冷却水循环系统中。
直到几年前，鼓风炉中的大多数冷却壁还是铸铁立冷壁。制造这种铸铁立冷壁有不同的方法。根据第一种方法，用于铸造厚重冷却壁主体的模具具有一个或多个砂芯，用于形成内冷却剂通道。液态铸铁随后被浇入到模具中。这种方法的缺点是型砂不容易从冷却通道中清除和/或铸铁内的冷却通道经常不能适当地成形或不够密封。为避免上述缺点，已建议在模具中设置预成型钢管，并在钢管周围浇注液态铸铁。但是，事实证明具有钢管的这些铸铁立冷壁也不能令人满意。事实上，由于浇注过程中碳从铸铁到钢管的扩散，导致钢管会变脆并可能产生裂纹。为防止碳扩散，钢管一般涂有涂层。这种涂层大幅度降低了冷却壁主体与钢管之间的热传递。
作为铸铁立冷壁的替代，研发了铜冷却壁。
已经提出了铜冷却壁的不同制造方法。最初，人们尝试也通过在模具中铸造而制造冷却壁，通过铸型中的砂芯来形成内冷却剂通道。但是，在实践中这种方法被证明不很有效，因为铸铜板主体经常有空洞和砂眼，其对板体的寿命具有极不利的影响。型砂很难从通道中清除，且通道也经常不能适当地成形。
从DE 2 907 511中可知一种用锻造或轧制的扁铜坯制成的冷却板。冷却剂通道是通过对轧制扁铜坯进行深钻孔而形成的盲孔。该盲孔通过焊接堵塞物而被密封。然后，从板体的后部钻出通向盲孔的连接孔。此后，用于冷却剂输送或冷却剂返回的连接管端被插入到这些连接孔中并被焊接到冷却壁主体上。通过这些冷却板，与铸造相关的上述缺点可以避免。尤其是，板体中的空洞和砂眼实际上都被排除了。但以上制造方法在人力和材料上都相对昂贵。而且，由于冷却壁所遭受的大量机械应力和热应力，导致不同的焊接接头在流体密封上是危险的。此外，由于通道与冷却壁主体成一体，在冷却剂与炉体内部之间只有一层分隔物，即，如果冷却壁主体裂开，则冷却剂会泄漏。然而冷却剂流体泄漏到炉中会导致爆炸的巨大风险，因此应该不惜任何代价加以避免。
US 4 071 230中提出了一种类似冷却壁的冷却装置的替代设计。这种装置包括位于炉身内侧上用于保护炉身的金属板；以及多条冷却剂管道，该冷却剂管道与板相连，并通过它们的连接管端与炉身连接。金属板在垂直方向要比水平方向的宽度长，并且为了吸收热膨胀，金属板包括多个单独的金属块，每块金属块水平方向的宽度大于垂直方向的长。而且，每块金属块在面对炉身的侧部上都设有一组用于容纳管道的圆形截面的凹槽。圆槽衬有一层导热体。每个单独块还包括用于将该块固定到管道上的装置。而管道又具有焊接到其上的紧固件，用于将冷却装置连接到炉身。尽管根据US 4071 230的冷却壁避免了在炉身内部的冷却剂管道上使用焊接接头，但制造这种冷却壁的材料和人力成本仍然很高。
另一种类似冷却壁的冷却装置的设计在US 4 559 011中提出。这种冷却装置包括多个隔开的冷却管，该冷却管设置在框架中，并通过用金属垫板(metallic tie plate)焊接而相互连接。这些相互连接的管道和垫板由金属框架环绕。为补偿热膨胀，垫板、散热片和框架的壁具有胀槽或膨胀间隙。每一个垫板或管道可在面对炉内部的侧部上设置散热片。框架在面对炉内部的侧部上填充有耐火材料，以便于保护整个冷却装置。除了与制造根据US 4 559 011的壁式冷却器有关的高昂人工成本外，它们的使用需要承担冷却剂泄漏到炉内的一定风险。事实上，一旦耐火材料失效，不再覆盖管道，冷却管道就会遭受炉内气体和装入料(炉料)引起的磨料磨蚀，并因此泄漏。
在GB 2 377 008中描述了另一种用于鼓风炉的类似冷却壁的冷却板的设计。这种冷却板包括金属背板，多个金属冷却管道被固定在金属背板的面对炉内的侧部上。每个管道具有至少一个凸出的散热片，该散热片与管道整体形成。背板优选地由钢制成，而具有整体散热片的管道优选地由铜制成。管道可通过连接衬垫(interfacing pad)(例如由铝青铜材料制成的)被固定到板上。尽管比先前设计需要更少的部件和组装步骤，但由于需要定制的管道，冷却板仍然很贵。此外，对于根据GB 2 377 008的冷却板，冷却管道可能也会面临遭受磨料磨蚀并引起泄漏的危险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造冶金炉用冷却壁的方法，其成本低并能提供可靠的冷却壁。
为实现该目的，根据本发明的制造冶金炉用冷却壁的方法包括：提供一种金属板，该金属板具有面向炉内部的内侧以及相对的外侧；提供至少一个冷却剂管道；以及在冷却剂管道与金属板之间建立热传导接触。根据本发明的一个重要方面，该方法还包括：提供具有平坦面的冷却剂管道；以及从外部将该平坦面固定到金属板的外侧上以便建立热传导接触。
与传统冷却壁中使用的厚板相比，由于使用了一个或多个外部冷却剂管道，所需的板厚能大幅降低。因此，实现了原材料成本和冷却壁重量的极大降低。而且，保护冷却剂管道不受炉内影响，尤其不受装入料(炉料)的潜在影响。借助冷却剂管道的平坦面，保证了足够的热传递界表面，因此保证了足够的热传递。
在优选实施例中，建立热传导接触的步骤包括，通过扩散连接工艺将平坦面连接到外侧。通过在管道与板之间形成扩散层(即，材料连续性)，增加了这两个部件之间的热传导以及因此增加了整个冷却效率。减少了板与管道之间所需的热传递表面。优选的扩散连接工艺是扩散焊(DFW)工艺或扩散硬钎焊(DFB)工艺。
将平坦面从外部固定到金属板上的步骤有利地包括，将冷却剂管道侧焊(优选叠焊或者点焊)到外侧。在后面的实施例中，更优选地，该方法还包括，使焊接参数和冷却剂管道的管壁厚度相关联，从而使管壁的内部免受焊接的不利影响。将管道焊接到板上以获得坚固耐用的机械固定被认为是扩散连接的补充，以增强热传导接触，但在扩散接头也能提供足够的机械固定的情况下，可省去该焊接步骤。
本方法可有利地包括：在金属板的外侧上提供接收槽，用来部分地埋入冷却剂管道。而且，本方法可以包括：在提供金属板的步骤中，提供具有弯曲侧横截面的金属板。可替换地，当提供金属板的步骤包括提供平坦金属板时，该方法还可以包括将平坦金属板金属成型为具有弯曲侧横截面的金属板的步骤。
在一优选实施例中，本方法还可以包括以下步骤：提供整块的矩形铜板作为金属板，其具有均匀的内侧和均匀的外侧，以及范围在10-150mm(优选为25-100mm)内的初始厚度；在内侧中加工出锚定槽，用于将耐火层锚固到内侧上；以及将冷却剂管道的平坦面直接固定到均匀外侧上或固定在接收槽内的步骤。
如应理解的，本发明还涉及用上述方法制造的冷却壁。应该理解的是，这种冷却壁尤其适于用在冶金炉(诸如鼓风炉)的冷却系统中。
附图说明
下面将参照附图并通过示例，描述制造冶金炉用冷却壁的优选方法，以及使用这些方法制造的优选冷却壁，其中：
图1是根据本发明的第一冷却壁的侧视图；
图2是根据图1的冷却壁的外侧的等距视图；
图3是根据图1中的III-III线截取的冷却壁的侧横截面视图；
图4是根据本发明第二实施例的冷却壁的侧横截面视图；
图5是根据本发明第三实施例的冷却壁的侧横截面视图。
在这些附图中，相似或相同的元件通篇都用相同的参考标号标记。从以下的详细描述中可以明白本发明的进一步的细节和优点。
具体实施方式
图1-3示出了即将被设置在冶金炉(尤其是鼓风炉)的炉身内侧上的成品冷却壁(一般用参考标号10来标记)鼓风炉。冷却壁10包括金属板12和一个或多个(如四个)冷却剂管道14。如图1和图3所示，金属板具有第一内侧16和相对的第二外侧18。当冷却壁10被安装到炉(未图示)内时，内侧16面对冶金炉的内部，而外侧18面对炉身。
如图1-3所示，金属板12由相当薄的平坦矩形板制成，该板具有的长度实际上超过其宽度，并且具有的厚度在10-150mm范围内，优选在25-100mm的范围内。在优选实施例中，金属板12的长度在400-4000mm的范围内选择，而宽度在100-1500mm的范围内。当安装在炉中时，金属板12的长度在垂直方向上延伸。尽管在图1和图2中示出了矩形金属板12，但当需要时，其形状也可以是纵向侧渐缩的梯形以适合炉身的锥度。金属板12优选由铜或铜合金制成。在内侧16上，沿着金属板12的横向方向上在金属板12中加工有多个平行的锚定槽20，从而形成锚定槽20和突起22的交替图案。锚定槽20和突起22具有通常为楔形的横截面，该楔形横截面被设计用来在安装完冷却壁10后增加冷却表面并将耐火层(或是耐火层磨损掉情况下的炉结层)锚固到内侧16上。
根据本发明，冷却壁10未设计成具有与板整体形成的用于冷却剂(一般为冷却水)的内通道，而是如图1-5所示的设计有从外部固定到金属板12的外侧18上的冷却剂管道14，其构成用于冷却剂的通道。与定制的“冷却壁”相反，已经发现冷却剂通道与金属板12之间的全部周缘的热接触不是必需的。冷却剂管道14由金属制成，优选由铜、铜合金或钢制造。此外，优选使用无缝冷却剂管道14，从而保证在炉内不存在焊接接头(而焊接接头对于管道密封是关键性的)。应该注意的是，第一优选的组合包括由铜制成的金属板12和由铜制成的无缝冷却剂管道14。第二优选组合包括由钢制成的金属板12和由钢制成的无缝冷却剂管道14。
关于冷却壁10的制造，需要在金属板12与冷却剂管道14之间建立有效的热传导接触。为了以简单、经济有效的方式建立这种热传导接触，该制造方法包括为每个冷却剂管道14都提供如图3所示的平坦面24的步骤。该步骤可通过任何适当的金属成型工艺来完成，该工艺例如锻造、轧制或冲压常规的最初为圆形的管子，而不排除其他工艺。
示例1：
最初的内管直径：65-75mm；
轧制后的平坦内通道高度：20-50mm。
示例2：
最初的内管直径：30-45mm；
轧制后的平坦内通道高度：10-20mm。
如图3所示，尽管仅平坦面24是必需的，冷却剂管道14的两侧上都被压平。冷却剂管道14因此在其与金属板12接触的长度上具有椭圆形的横截面。由于该平坦面24，在平坦的冷却剂管道14管壁的大部分表面上实现了冷却剂管道14与金属板12的平坦外侧18之间的热界面。
如图1和2所示，冷却剂管道14在大约相当于金属板12长度的实际长度上是平坦的。而且，冷却剂管道14被弯曲以在金属板12的上边或下边具有连接部26。在冷却剂管道14固定到板12上以后，连接部26沿向外的方向从板12延伸。连接部26与金属板12成一定角度，该角度取决于冷却壁10的安装位置。冷却剂管道14的初始长度被选择为使得当安装冷却壁10时，连接部26从炉身中突出，以便允许将冷却剂管道14连接到炉子的冷却系统。为方便冷却壁10的垂直堆叠，没有将连接部26悬挂得超出金属板12的上边或下边之外。可注意到，冷却剂管道14的压平(flattening)还有助于弯曲连接部26。由于具有连续的均匀管壁，因此冷却剂管道14提供了在炉子内不存在任何(焊接)接头的通道，因此避免了与这些(焊接)接头的热磨损或机械磨损有关的问题。
如上所述，该制造方法还包括将每个冷却剂管道14的平坦面24从外部固定到金属板12之上，更精确地说是固定到金属板的外侧18上。如图1和2所示，冷却剂管道14以与金属板12平行且沿纵向的方式固定到金属板上，冷却剂管道14之间具有基本相等的间隔。通过借助于沿冷却剂管道14的长度且位于平坦面24的侧面的多个点焊缝或叠焊缝将冷却剂管道14焊接到金属板12上，可以实现机械地并永久地将冷却剂管道14固定到外侧18上的步骤。更准确地，点焊缝或叠焊缝位于金属板12与冷却剂管道14之间的接触面侧的交角处，如箭头27所示。通常，几个焊接缝就足够确保每个冷却剂管道14持久地固定到金属板12上。同时，将焊接参数和冷却剂管道14的壁厚两者选择为用以确保管壁的主要内部在叠焊缝或点焊缝的位置处不受影响。
为进一步提高金属板12与冷却剂管道14之间(即，平坦面24与外侧18之间)的热接触，该制造方法优选地包括通过扩散连接工艺在平坦面24与外侧18之间建立扩散层30的步骤。扩散层30提供金属板12与冷却剂管道14之间的材料连续性，由此保证了其接触面处的可靠的和高的导热性。换句话说，扩散层30意味着金属到金属的连接，借助于所用的工艺，该扩散层提供了母材之间的连续过渡，而无需辅助连接物质来形成接头。
取决于金属板12和冷却剂管道14的材料，在金属板12与冷却剂管道14之间可使用或可不使用填充材料来提供扩散层30。当各自的材料相同或相似时，可不使用填充材料。在后一种情况下，扩散连接工艺被称作扩散焊(DFW)。DFW是一种固相焊接工艺，其通过施加压力和高温而实现相邻面的接合。可在仅稍微高于待连接金属的熔化温度的一半的温度下实现成功的连接。因此，待连接金属部件的冶金特性基本保持不受该工艺的影响。在使用填充材料的情况下，该工艺通常称作扩散硬钎焊(DFB)。DFB通常被用于连接不同的材料。而且，DFB可优于DFW，因为与普通的扩散连接相比，DFB对接头表面准备的要求较低并且需要较低的压力。仍然需要注意的是，对于铜-铜组合(但也不排除钢-钢组合或其它组合)的冷却剂管道14和金属板10来说，通过DFB或DFW形成扩散层30被认为尤其有利。
成品冷却壁10′、10″的其他实施例分别如图4和图5所示。下面将只描述其与前述冷却壁10的主要差别及其制造方法。
图4中示出的冷却壁10′具有弯曲的侧横截面。更准确地，图4中的金属板12′在侧向上是弯曲的。金属板12′的曲率半径优选为恒定的，并适合于其安装位置处的圆形炉身的半径，以减小炉身与金属板12′外侧18之间的间隙。因此，增加了炉子的有效内部容积。为了使冷却壁10′具有弯曲形状，其制造工艺可包括使初始的平坦金属板经受任何适当的金属成型工艺(如冲压)，以提供弯曲的金属板12′。可替换地，也可提供一种最初就如同制成品那样弯曲的金属板。应当理解，与现有技术中的冷却壁相比，由于金属板12′厚度的减小，因此初始平坦板的弯曲(不依赖于所使用的工艺)变得更容易。在制造过程中，通常只有在金属板12′被弯曲后，冷却剂管道14才会被固定到外侧18上。
图5示出了冷却壁10″的另一实施例。与先前的实施例相比，金属板12″设有用于每个冷却剂管道14的相应接收槽32。每个接收槽32基本在金属板12″的外侧18的整个长度上且至少在冷却剂管道14与金属板12″之间接触部的长度上沿纵向延伸。由于接收槽32的存在，当冷却壁10″的压平冷却剂管道14被固定到外侧18上时，该冷却剂管道部分地陷入(即，嵌入)到金属板12″中。如图5所示，接收槽32具有基本为矩形的横截面，该横截面与冷却剂管道14的具有平坦面24的部分的横截面相配合。接收槽32优选地具有与冷却剂管道14的横截面相符的光滑的圆形内边。与其他形状(例如半圆横截面)相比较，在制造冷却壁10″的过程中例如使用传统的铣刀可容易地将这种接收槽32加工到金属板12″内。接收槽32使得热传递面增加到冷却剂管道14外表面的大约一半，并改善了冷却剂管道14相对于金属板12″的机械固定。另外，炉身与金属板12″的外侧18之间的间隙可进一步减小。
尽管未图示，但具有图3、图4和图5中的组合特征(即，扩散层、板的弯曲侧横截面和接收槽)的冷却壁被认为是最优选的实施例。
图4中的冷却壁10′和图5中的冷却壁10″的其他方面以及它们各自的制造方法与上述的图1-3中所述的那些相同或相似。
尽管未图示，金属板12通常设置有任何适当的连接装置，用于将冷却壁10连接到炉身。
最后，还要概括一下上述方法的一些优点：
-与现有技术相比，需要相对少的组装步骤；
-为了在冷却剂管道14与平坦外侧之间建立热传导接触，如果需要的话，只需要对金属板12、12′、12″(尤其是对其平外侧18)进行简单且要求不严格的加工即可；
-建立热传导接触不需要金属板12、12′、12″的金属成型；
-由于最小化的金属切削，因此使用上述方法只产生极少量的金属废料(碎片)；
-不需要定制的管道，可以使用易获得的标准管道；
-与现有技术的冷却壁比较，由于冷却剂管道14的光滑弯曲而降低了冷却剂管道中的水压损失；
-由于具有弯曲的金属板12′，最优化了鼓风炉中有效内部容积；
-与具有整体形成的(铸造)通道的冷却壁相比，用作冷却剂通道的独立冷却剂管道14在冷却剂与炉内部之间提供了额外的隔离层(额外的屏障)，因此，在金属板12、12′、12″产生裂纹的情况下，降低了泄漏风险。
由于金属板12、12′、12″由单个部件制造，即，其作为冷却壁10的整块部件：
-金属板为冷却剂管道提供了更好的保护；
-金属板在其内侧16处提供了温度基本一致的表面，因此减少了与温度梯度有关的耐火材料的磨损；
-可以以低成本获得。
另外，由于冷却壁10既不包括深钻孔或铸孔(cast-in holes)，也不包括从内部穿过现有技术冷却壁而插入的管道，因此，与现有技术的冷却壁相比，制造冷却壁10所使用的金属板12、12′、12″的厚度大大减小。这种厚度的减小使得：
-极大的节省了原材料成本；并且
-降低了用以支撑冷却壁10的炉身上的重量。