[发明专利]高温冶金反应设备冷却元件及其制造

说明书

本发明涉及制造用于高温冶金反应设备的冷却元件，所述元件具有至少一个流道，而此种元件则是通过连铸即泥浆浇注制造的。为了提高元件的传热能力，此冷却流道壁的表面积相对于流道的圆形或卵形横剖面加大了，但未增大此流道的直径或长度。本发明还涉及由此方法制成的这种元件。

高温冶金工艺中反应设备的耐火材料是由水冷冷却元件保护，冷却的结果使得到达耐火材料表面的热经此冷却元件传递给水，这样与未经冷却的反应设备比较，能显著减少炉衬的蚀损。蚀损的减少是由于冷却效应导致形成所谓的自生炉衬，它固定到热稳定炉衬的表面上并且是由炉渣与从熔融相沉淀出的其他物质形成。

通常，冷却元件是由两种方法制造：首先，这种元件可以由砂型铸造制备，在此将高导热材料例如铜制的冷却管设置到砂形成的模具中，并在围绕上述冷却管的浇铸中由空气或水冷却。围绕上述管铸造的元件也采用高导热材料，而最好是铜。此种制造方法描述于例如英国专利no.1386645中。这种方法的问题之一是用作冷却通道的上述管与环绕它的浇铸材料结合不匀，这种管道中的某些可能完全离开围绕它浇铸的元件，而此管道的一部分则可能完全熔融而与此元件熔合。要是在冷却管道与围绕它的浇铸元件的其余部分之间未形成金属键合，就不会有效地传热。而要是管道完全熔融，则将阻止冷却水的流动。这种浇铸材料的浇铸性质例如可以通过将磷与铜混合，改进管道与浇铸材料间形成的金属键合而加以改进，但在这种情形下，即使是添加少量的磷也会显著减弱铜的传热性质(热导率)。这种方法值得指出的一个优点是制造费用较低且与尺寸无关。

另一种所用的制造方法是把通道形的玻璃管道置入冷却元件模具中，此模具在浇铸形成元件内的通道后便加以破碎。

美国专利4382585描述了另一种制造冷却元件常用的方法，根据这种方法，冷却元件例如是由轧铜板通过于其中机加工出必要的通道而制成。这种方法制成的元件的优点是具有致密、结实的结构和从此元件到致冷物质如水的良好传热性。它的缺点是尺寸(大小)受限和高成本。

先有技术中的一种周知的已用来为高温冶金设备制造冷却元件的方法是通过芯棒，例如由连铸即泥浆浇注来浇注出空心型材。这种元件是由高热导性的金属如铜制成。此方法的优点是能获得致密的铸件结构与良好的表面质量，而铸件的冷却通道能让热从此元件良好地传给致冷物质，从而不会发生种种妨碍传热的影响，更确切地说，来自反应设备的热到达冷却元件时是不会受到任何过火的传热阻力而可直接传输到冷却通道的表面再传给冷却水的。冷却通道的横剖面一般是圆形或卵形的，而芯棒则具有光滑的表面。这种冷却通道已陈述于美国专利5772955中。

然而，为了提高冷却元件的传热能力，最好还是加大元件的传热表面积。正如后面的说明将证明的，根据本发明来实现上述目的时是通过增大这种冷却流体通道的壁面面积而不增大其直径或增加长度。冷却元件流道壁面面积的增加是通过在浇铸中于此通道壁上形成槽，或是在浇铸之后于通道中机加工出槽或螺纹，使得此通道的横剖面基本上仍保持圆形或卵形而实现的。结果在同等的热量下，在水与通道壁之间只需要较小的温差，同时有更低的冷却元件温度。本发明还涉及到由这种方法制造的冷却元件。本发明的基本特征将阐明于后附的权利要求书中。

此冷却元件接收热量的能力能够由下式表示：

Q＝a×A×ΔT，其中

Q＝所传输的热量[W]

a＝通道壁与水之间的传热系数[W/Km²]

A＝传热表面积[m²]

ΔT＝通道壁与水之间的温度差[K]

传热系数理论上可由式Nu＝aD/λ确定。

λ＝水的热导率[W/mK]

D＝水力直径[m]

或Nu＝0.023×Re^0.8Pr^0.4，

其中

Re＝wDρ/η

W＝速度[m/s]

D＝通道的水力直径[m]

ρ＝水的密度[Kg/m³]

η＝动态粘度

Pr＝Prandt数[]

于是，据以上所述，通过影响温差、传热系数或传热表面积，就能影响传送给冷却元件的热量。

壁与通道间的温差受到水在100℃沸腾事实的限制，常压下的传热性质由于沸腾而显著变坏。实际工作中，最好是在尽可能最低的通道壁的温度下工作。

通过改变流速，即通过影响Reynolds数，能显著地影响传热系数。但这会受到由于通道中流速加大而增加压力损耗的限制，这使得泵唧冷水的费用增加，而在超过某种限度后也会显著增加泵的投资费用。