内部耐火冷却器 本发明涉及用于熔炉的耐火墙衬层。特别地，本发明涉及用于耐火墙衬层的冷却结构。
在高温下运行的熔炉用于多种不同的工艺中，包括金属的熔融工艺。大多数熔炉的结构都为由金属材料通常为钢制成的外壳。外壳衬有一层耐火砖以将外壳与炉内极高的温度隔开并且还可防止炉内所装的非常热的材料接触外壳。耐火层应具有较长的寿命以使更换炉衬时所需的停炉时间最短。
耐火层通常由几乎完全不与炉内的物质起反应的材料制成。尽管如此，耐火层的腐蚀和损坏仍时有发生，并且已经发现衬层的腐蚀和损坏速率是随着衬层的热面(即暴露于熔炉内部的衬层表面)温度增加而增加的。因此，为了延长耐火层的寿命已作了大量努力来降低衬层热面的温度。
一种推荐用来降低热面温度地结构包括安装在耐火层中的水—冷却回路。当水流过冷却回路时，从耐火层中吸取热量而起到降低衬层热面温度的作用。虽然这种结构能令人满意地减少衬层的温度，但它们牵涉到使用在衬层中的冷却水回路。冷却回路中水的任何泄漏都具有渗入熔炉的可能性并会引起耐火层的爆炸和水合作用。这显然是极其危险的情况并且普遍认为应该避免使用具有内部水—冷却回路的耐火层。
另一种已在工业上采用的措施包括在衬层中放置在炉壁方向具有高热导率的固体冷却件。固体冷却件的外部保持在耐火层的外侧。位于熔炉外部的冷却件部分由一水冷却回路冷却。因此，一旦水—冷却回路发生泄漏，水也不会进入并与炉内的物质接触，这就避免了水合作用的发生并且减少了爆炸的危险。固体冷却件一般相互间隔开半米。这使得在耐火层中产生较大的温度梯度。衬层中的高温面积比较低温处损耗得快得多，并且衬层的损耗是非常不均匀的。而且，在衬层中的较大的温度梯度在耐火层中形成较大的热应力。
英国专利第1,585,155号揭示了一种具有复合层的电弧炉，并且包括面朝熔炉内部的耐火材料制成的暴露的内层。还设有背对内层的耐火材料制成的外层，并且该耐火材料外层是与内层热接触的。外层由具有比内层高的导热性能的材料制成。外层可与炉壳接触，它将热分散到周围空间或通常分散到风冷或水冷介质中。耐火层的复合结构起到增加流过侧壁衬层的热量的作用从而减轻耐火层的损耗程度。这种结构具有需要在炉中安装复合耐火壁的缺点。而且，虽然耐火层的外层被描述成由高传导性能的耐火材料制成，但这种耐火材料的传导性还是相对较低并且某种程度上限制了可从炉中除去的热量。复合衬层还比较贵，并且可能发生反应。
一种解决高温熔炉中耐火层腐蚀和渗透现象的方案描述在转让给了Hatch集团有限公司(Hatch Associates Limited)的美国专利第3,849,587号中。该专利揭示了通过在衬层中放置沿炉壁方向具有高导热性能的固体冷却件来保护在高温下运行的熔炉的耐火层，固体冷却件的外部保持在耐火层的外侧。嵌入衬层的冷却件在位于熔炉衬层中的那部分基本上不配备水—冷却通道，这可避免水渗漏到炉中。位于熔炉外侧的冷却件部分则一般由一水冷回路冷却。冷却件的长度、横截面积、间隔和材料的选择都考虑到避免使冷却材料熔化并且能将足够的热量引出衬层以减少衬层的腐蚀。
插入衬层中的冷却件最好由铜制成。在此专利中描述的冷却件为直径较大、一般大约4inches(100mm)，并且相互间隔开较大的距离。这导致形成一贯穿耐火层热面的温度梯度，并产生由这种温度梯度所致的损耗不均匀和热应力
本发明提供一种耐火层，它克服了或至少改善了上述已有技术的一个或多个缺陷。
首先，本发明提供了一种用于熔炉的壁衬，该熔炉具有一个外壳和与外壳连接的外部冷却源，所述壁衬包括一靠近外壳的耐火层，该耐火层具有一在熔炉运行过程中暴露在高温下的热面，耐火层包括多个高热传导率材料制成的元件，这些元件延伸进朝向热面的耐火层，每个元件具有从位于靠近热面的元件末端至熔炉外壳的连续的热传导通道，元件散布在耐火层中以在元件附近形成一横贯熔炉热面的基本上均匀的温度。
所谓“基本上均匀的温度”，是指横贯热面的温度变化不会超过100℃。较佳地，横贯热面的温度变化不超过50℃。
多个元件可以存在于基本上全部壁衬中以获得所希望的横贯热面的均匀的温度。另外，多个元件可如此布置在壁衬中，以使它们较集中于可能成为熔炉中的过热点处。同样地，熔炉的较冷部分可有较少量的元件，并且元件可能不伸出熔炉的全部。当熔炉的构造和运行在不存在多个元件时将产生显著的过热和过冷点的情况下尤其如此，应当理解，在熔炉的较冷区域中可能不需要由多个元件来提供进一步的热提取。
本发明的熔炉衬层可用来保证贯穿元件附近的熔炉热面达到基本上均匀的温度。或者，衬层可设计成以保证贯穿熔炉的整个热面上获得基本上均匀的温度。由于防止了在热面上形成不希望的温度梯度，这是比较有利的。在任一种情况下，基本上均匀的温度可低于一个温度，在该温度下耐火层的破坏和/或腐蚀将达到一个不能接受的高速率。应当认识到当不存在多个元件时熔炉内有显著的过热和过冷点时，元件仅在或靠近可能成为过热点处需要。
较佳地，高热传导率材料可是金属或金属合金。铜尤佳。
在本发明的一个较佳实施例中，多个由高热传导率材料制成的元件伸入朝向热面的耐火层中，但不足以伸到热面。这使得元件的末端与热面被一耐火层隔开，从而减少经过壁的热辐射并且使元件与熔炉运行过程中热面所经受的非常高的温度隔绝。这可保护元件并减少剥蚀的可能性和对元件的热损坏。
高热传导率材料制成的多个元件从熔炉的外壳内壁上伸出并进入耐火层以提供一从更靠近热面的元件末端至外壳的连续的热传导通道。热量沿着元件被传导到外壳。一个外部冷却回路可与外壳结合以从熔炉壁上除去热量。因此，多个元件有助于从熔炉中除去热量并且能使耐火层的热面保持在一具有长的使用寿命的温度下。多个元件散布在耐火层中，使得热面有元件的部位附近有基本上均匀的温度。这可避免在熔炉中形成过热点，减少耐火层中的热应力并在热面上形成稳定的状态。就此而言，应当注意到美国专利3,849,587号中所描述的采用在衬层中互相隔开较大距离的相对较大的冷却体的熔炉是不能获得这些所期望的情况的。
高热传导率材料制成的元件可形成为金属线或金属杆，优选材料为铜。杆或线的直径可为几分之一毫米至25mm。更大的直径是不足取的，因为此时很难在贯穿耐火层的热面上保持一基本上均匀的温度的同时，又从熔炉中除去所需的热量。
另外，元件还可通过在耐火砖中注入熔融金属并使熔融金属固化而制成的。当用熔融金属注入耐火砖时，熔融金属沿着耐火砖的孔流入砖中。一旦熔融金属固化，即形成从砖的一面伸入砖中的金属固体，并且当砖用来铺衬熔炉时，这些金属固体起到多个高热传导率材料制成的元件的作用。应当认识到经受金属注入的砖表面将成为靠近熔炉外壳的内壁放置的砖的表面。熔融金属还应当仅仅注入经过砖的部分通道以保证耐火层保持在金属和熔炉的热面之间。
本发明的壁衬可以冷却耐火层而不需要衬层的内部冷却。多个元件将热量传导至熔炉的外壳并可由外部冷却回路将热量从外壳去除。外部冷却回路可以是风冷或自然对流冷却结构，或者较佳地为水冷回路。例如，外壳可以包在一个水套中，当然其它的水冷回路也可采用。
多个元件具有一个通到外壳的连续的导热通道。它们也使来自耐火层的热传递的接触阻力最小。与某些已有技术中所描述的复合层相比，可获得更有效的热传递，因为本发明的壁衬呈现更佳的总体热传导性能。
在一个实施例中，多个元件可以与外壳构成一体。在另一个实施例中，多个元件可安装或附加到外壳上。
本发明的壁衬可以对现有的熔炉改造以装入或者也可设计成新熔炉的一部分。在对现有熔炉改造的情况下，多个元件可插入熔炉上所钻孔中并且进入耐火层，虽然这可能削弱熔炉结构。较佳地，壁衬在更换耐火层的同时安装。衬层可在采用注入金属的耐火砖来铺衬熔炉的时候或采用事先装有杆或线的耐火砖的时候安装。
本发明还能使熔炉装有耐火层，而根本不使用耐火砖。
另一方面，本发明提供一种用于采用耐火层铺衬熔炉的方法，所述熔炉包括一个外壳，该方法包括：
将一排高热传导率材料制成的元件安装到外壳的内壁上，并使该排元件与外壳热接触，并且
将含耐火成分的材料施加到外壳的内壁以在内壁上形成一覆层。
含耐火成分的材料可在一基本干燥的状态下或呈稀浆或浆糊状态下施加。
含耐火成分的材料可包括一种耐火材料和一种或多种其它成分以形成复合耐火层，或者含有耐火成分的材料仅含有一种纯耐火材料。
耐火层可以通过以任何所需的次序顺序施加含耐火成分的材料的单独衬层和非耐火的或耐火性能低的材料制成的衬层而形成复合层。
当使用稀浆状或浆糊状含耐火层材料时，必须将耐火层或浆糊状态耐火层以一系列步骤施加到内壁上，首先应施加第一层薄涂层并使其硬化，随后再施加一层或多层稀浆或浆糊状涂层。当需要厚耐火层时，这种步进式的制成耐火层的方式是必要的，可以理解如果仅施加一层涂层，将会遇到厚衬层的干燥和破裂等困难。
制成的耐火层应具有足以完全覆盖该排元件的厚度。这将在元件的端部和熔炉的热面之间形成绝热的耐火材料层，它将起到防止在熔炉的使用过程中元件熔化的作用。
对于本技术领域的熟练人员而言，可以采用任何已知的适当方法将含耐火成分的材料施加到内壁上。例如，含耐火成分的材料可通过喷涂、喷射或涂抹的方式施加。应当理解本发明包括将含耐火成分的材料施加到熔炉的内壁上的各种方法。
当使用稀浆或浆糊状耐火材料时，该稀浆或浆糊状材料应充分厚或粘稠以在硬化过程中能够在内壁上保持住。通过常规性的试验将容易地建立起实现这一目的所需的稀浆或浆糊状物质的稠度。
元件排最好包括一排金属元件。在一个实施例中，元件排包括一铜线网，该网还有安装在网上的交错点处的铜线并基本上与网平面成直角延伸。当网固定到熔炉的壳体内壁上时，安装在网上的铜线一般地向内伸入熔炉中。在使用熔炉时，这些铜线起到冷却元件的作用，它们可提供从线的末端至与外壳接触的外部冷却源的连续传热通道，从而该冷却元件有助于将热量从熔炉中去除。
在另一种实施例中，将元件排安装到外壳内壁上的步骤包括将外壳内壁与元件排形成一体。元件排另外还可以通过将熔融金属浇铸到外壳内壁上而制成。
较佳地，元件排是这样设置的，使得在熔炉运行过程中元件附近的熔炉热面上获得基本上均匀的温度。
如果熔炉的耐火层的整个热面上基本均匀的温度是理想的或所要求的，则必须在整个壁衬上具有高热传导率材料制成的元件的非平均分布。例如，工作熔炉的已知过热点上的元件数量可以增加以在每平方米上与熔炉的较冷面积相比成比例地去除较大量的热量。
本发明的较佳实施例结合附图将作较详细地描述，其中：
图1示出了本发明的熔炉壁衬的横截面图；
图2示出了描述经过壁衬的温度曲线图；
图3示出了本发明的冷却元件形状的横截面图；
图4是一示意图，示出了用于加入了图3所示的冷却元件的工厂试验的配置情况；
图5是工厂试验中经冷却元件的温度曲线图；
图6是在工厂试验中热面传热系数相对时间的变化曲线图。
参见图1，熔炉壁10包括外壳12。外壳一般由钢制成。熔炉包括耐火层14。热面16暴露于熔炉中所产生的高温中。壁衬包括多个与外壳12热接触的铜杆或铜线18并且伸入耐火层14。从图1中可见，铜杆18不是刚好伸过耐火层14，而是其另一端与热面16有一些距离。这保证了在铜杆18的端部和热面16之间有一层耐火层，并且该层耐火材料层将杆与熔炉中的高温隔绝，从而防止了杆的老化和对杆的热损坏。
在熔炉的工作过程中，热量从热面16经耐火层14传递到铜杆18。杆与外壳12热接触并且起到快速将热量传递到壳体上的作用。流过冷却套22的冷却水20随后将热量从外壳上去除。
铜杆18散布在耐火层中以在热面上形成基本上均匀的热量梯度。杆最好布置得使热量沿炉壁基本上是一维传递。这使热面冷却得非常均匀，有效地消除由已有技术引起的会造成热面不均匀损耗的壁过热点现象。一维的热量传递已知是更为有效的，例如去除相同的热通量可采用传导性能稍低的传导材料。
使用壁衬的目的在于将热面的耐火温度减少到一特定的温度(或者在该温度时腐蚀反应终止或者发生工艺材料的凝固)。冷却器必须设计得能实现这一目的同时又使熔炉的热量损失最小(经过壁的热通量)。经过图1中壁的热通量Q(W/m2)可通过以下公式计算：Q=Tf-TcRTOT]]>其中Tt是熔炉温度(℃)，Tc是冷却剂温度(℃)，RTor是壁截面的总的热阻力(m2K/W)。因此，为了控制耐火温度和热通量，壁面的热阻力必须改变。总的热阻力是各种材料层的传导阻力和热面和冷面处的对流阻力的总和。不过，对流阻力或者是不可改变的或者是不显著的，这样热流仅由实际元件的传导阻力值控制。热传导阻力RCOND(m2K/W)由以下公式给出：RCOND=Lλ]]>其中L是衬层的厚度(m)，(是材料的热传导率(W/mK)。图1中通过改变材料层的热传导率和厚度，即可使耐火温度和热通量得以控制。整个壁面上的温度分布通过采用公式1分别考虑各种热阻力可容易地计算出。如前所述，当采用均匀的高传导率材料时由于产生一维传热，元件是最有效的并且设计流程也是最精确的。尽管如此，该方法仍可用于非均质的壁衬，并仍具有较好的精确度。
基于上述流程，在一实验研究中已采用了一种热阻力模型来预测如图1所示形式的耐火冷却器中的温度分布。实验和模型结果示出在图2中，其中铜杆直径为20mm，间隔60mm。模型产生了一具有合理精度的温度分布预测和热通量预测(实验为24.0kw/m2，模型21.2kw/m2)，从而显示了这一元件设计方法的有效性。
因此，本发明还提供一相对简单的但仍不失精确性的设计流程，已有技术的设计是不可能做到的。
图3示出了本发明的冷却元件30的横截面图。元件由与铜杆34铸成一体的铜基板32构成以形成元件主体。一个外部水套36栓固到基板32上，例如通过带帽螺钉38。一聚四氟乙烯垫圈40用来在基板32和水套36之间提供一流体密封，并防止水从水流通道42中漏出。耐火层44浇铸在杆34的周围以形成壁。如图3中所见，耐火层44从基板32延伸出，并以稍稍超出铜杆34的端部。
这种冷却元件设计的主要特征是外部水套、紧密隔开的铜杆和利用可铸造的耐火层以形成壁。外部水套有效地避免了有害的水漏入熔炉的可能。相邻铜杆(60mm)之间的小节距应能显著地减少垂直于热面方向的温度梯度，而这种温度梯度在传统的冷却元件中是明显的。这将产生一均匀得多的冷却壁，并由此再产生较为均匀的热面损耗。使用可铸造的耐火层将减少通常会由于在耐火砖之间存在的空气间隙而产生的热阻力。所有这些因素都将有助于形成一更有效的冷却系统。
采用图3所示的冷却元件进行冷却元件设计的工厂试验。用于工厂试验的装置示出在图4中。冷却元件30装在熔炉的沉淀床顶部50上。顶部暴露于经受最轻度的熔炉状况(即相对较低温度和没有熔渣清洗)并且被认为是对这种试验是最合适的。冷却元件30由支撑梁(未示出)通过支撑托架52，54而悬出并且冷却元件的表面位于与熔炉的热面56齐平处。冷却元件30配有水入口管道58，它包括用于测量水流速度的转子流速仪60和用于控制水流速度的阀62。冷却水从冷却元件经冷却水出口管道64排出。K型浸润式热电偶65、66连接到水套上以分别测量入水口和出水口的温度。二十四个热电偶放置在冷却元件30中以测量冷却元件中的温度分布。这些热电偶的输出(示意地示为68)连接到每五分钟记录读数的数据记录仪70上。
已经发现这种新的冷却元件在该工厂试验中的工作是成功的。图5示出了在稳定的熔炉工作过程中记录的经过元件从热面向冷面的样品温度曲线。图5中所示的有两个单独的曲线(铜和耐火层)。铜的曲线是由冷面起，穿过铜杆的中心进入耐火层，并通过杆的端部到热面而取得的。耐火层的曲线经耐火层向相邻杆之间的中间通道到热面。经过固体的铜板(0至80mm)的温度梯度非常低，仅0.2℃/mm。经过铜杆(80至300mm)温度梯度增加到0.7℃/mm。由于杆的端部的温度仅达216℃，该梯度仍然是相对较低的。杆端的低温显示出外部水套能够有效地冷却内部铜杆。经过杆的温度梯度是线形的，显示出沿着杆的热传递很大程度上是一一维传热过程。在邻近杆的耐火层中，温度与离冷面距离达25mm处的铜的温度类似。但是，朝向铜杆端部(离开冷面225至305mm处)，耐火层温度显著地高于相同深度处的铜的温度。这表明存在多维热传递以及在铜和耐火层之间的元件存在温度梯度。这些梯度都是由于铜和耐火层之间的传导率的较大差别而发生在杆端部的不均匀冷却(不是一维的)所致。因为如前所讨论的较高的耐火温度可引起损耗增大，所以希望使这些不均匀的温度梯度最小。尽管如此，元件段的剩余部分上的温度，并且最重要的是在热面上的温度在两条曲线中是合理地相类似的。这表明新的元件设计在冷却除杆端部周围区域以外的所有区域时是相当均匀的。
在图5中经耐火层由铜杆端部至热面(305至330mm)的温度梯度比经铜杆和耐火层(80至305mm)的高得多。这种梯度近似呈线性，其范围从铜杆之间的耐火层的11℃/mm至沿铜杆路线的17℃/mm，其时热面温度达到752℃。靠近热面的高温度梯度表明由于耐火层具有较低的热传导率，使其以小的厚度(25mm)而得到较大的绝热效率。热面上的这种耐火层保护铜杆与熔炉中的高温隔开并限制经过元件的热通量。
在工厂试验过程中在冷却元件的热面上建立冷冻处理材料制成的附加层。附加层引入一额外的热阻力，它显著地减少通过冷却水排去的热量。热面热传递系数被类似地受到影响(如图6所示)，因为附加层的热阻力一起用于计算热传递系数。在图6中的某些变化是由于熔炉的无规律运行以及附加层的瞬态的特性；但是，通过热传递系数的递减仍可清楚地看到设立附加层的效果。热传递系数从起先的约50～60W/m2K跌至几乎为零。热面温度(在元件端部)也因为附加层的隔绝效果从700℃减少到100℃以下。通过将较大的K型热电偶在元件边上向下推并经过附加层，估计附加层的厚度为250mm。任何附加层的范围和稳定性不仅取决于冷却程度而且取决于熔炉内部状况和需处理的材料的特点。附加层的建立有助于提供耐火保护。
本技术领域中的熟练人员可以理解，除了这些具体的描述之外，还可对本发明作出变化和变型。应该理解，本发明包含落在其精神和构思范围中所有这些变化和变型。