[发明专利]具有限定气体媒介的冷却通道的耐火砖的熔炉

说明书

技术领域

本发明涉及适用于冶金加工的熔炉，具体地涉及熔炉，其具有耐火砖侧壁、或耐火砖、炉膛或顶部、以及气体媒介冷却系统。

背景

用于冶金加工的熔炉通常具有坩埚(crucible)，该坩埚由耐火衬组成，所述耐火衬包括砖、构件或整体耐火材料，具有邻接的外壳或一些其他的耐火衬支撑设备。所述熔炉具有熔融金属浴或冰铜浴，通常其具有上覆的炉渣层。

由于冶金加工中所产生的许多炉渣的侵袭性，需要进行冷却来将炉渣层冻结在容器的内表面上以维持稳定的侧壁。如Voermann等人在Furnace Cooling Design for Modern High Intensity Pyrometallurgical processes(记录于Copper99-Cobre99International Conference，Phoenix，AZ，U.S.A.)中所讨论的，容器中的加工条件决定了对冷却的需求。为了保持坩埚衬的平衡，冷却系统的除热容量必须与加工过程施加的过程热通量(process heat flux)相匹配。

在实践中，在不同的冶金熔炉中具有多种热通量。热通量取决于加工的强度以及内容物是炉渣还是金属。热通量通常可以在以下范围内变化：从低值约5kW/m²(其可以通过自然空气冷却而移除)至超过2500kW/m²(其需要强力的强制水冷)。通常，对于较低范围内的热通量(约15kW/m²以下)，可以使用熔炉壳板的强制空气冷却。对于高于约15kW/m²的热通量，通常选用一些类型的水冷来避免熔炉壳板和结构元件的过热。

由于熔炉内部的熔融材料接触冷却系统中的水时爆炸的潜在风险，期望尽可能避免使用水作为冷却媒介。为此，期望使用一种不用水作为冷却液的熔炉冷却系统。尽管常用的空气冷却系统不能与水冷系统的除热容量相比，但它们具有更宽的操作温度范围，因此在需要可调整的除热速率的冷却应用中具有显著优势。

多种熔炉冷却系统是已知的，其中气体媒介被用作冷却流。例如，美国专利5,230,617(Klein等人)公开了一种冷却装置，其中多个金属护罩包围一个圆柱形熔炉。各个护罩形成一个中空的冷却室，空气通过所述冷却室循环，进入所述冷却室的水被雾化以增强冷却效果。然而，在系统中引入水蒸汽将使冷却空气供应系统变得复杂，并且产生会影响材料选择的腐蚀问题。这两个问题均会增加复杂度和成本。

Allen，Jr.等人的美国专利1,674,422公开了一种空气冷却熔炉壁，其中铸造吊架(cast hanger)支撑被空气流通空间所分隔的耐火壁。Potocnik等人的美国专利3,315,950公开了一种用于熔炉的加热室壁，其中所述壁具有内部空间，空气可以通过该内部空间循环。美国专利3,777,043(O’Neill)公开了一种环形空气循环通路，该通路在耐火熔炉壁内形成。美国专利4,199,652(Longenecker)公开了J形通路，该通路在熔炉的耐火侧壁和金属外壳之间形成。美国专利6,251,237(Bos)公开了用于Hall-Heroult铝电解槽的局部喷嘴，其直接向外壳以可变流速喷射。

在上文所述的O’Neill的专利中，以及在美国专利1,751,008(LaFrance)中，更改了耐火熔炉侧壁的结构以提供增加的表面积来增强冷却。在La France中，这是通过在组成耐火壁的块体的外表面上形成竖直的凸条和通道而实现的。在O’Neill中，可以使用具有不同长度的砖，以“弯路”的形式来制成环形冷却通道。虽然这些工艺可以有助于增加除热容量，但仍极难以将空气均匀地分布在壁上，随着由于砖结构的移位和活动而导致的熔炉老化，这个问题会恶化。并且，在许多熔炉中，向壳板后面的砖结构添加空气可能并不可行，这是因为空气会与熔炉产物例如CO气体、金属等反应。对于一些应用而言，这一方法的价值有限，因为它未能提供足够的冷却容量。

因此，已知的用于冶金熔炉的气体媒介冷却装置通常提供的冷却不足和/或过分复杂，需要具有特殊构造的熔炉侧壁。这些系统也较为昂贵，并且不能实际地适用于现有的熔炉装置。

发明概述

以下概述是为了向读者介绍下文中更详细的说明，并不意在定义或限定所保护的主题。