一种新型热面结构的铜冷却壁的制作方法

本发明涉及高炉的炉体冷却设备，具体涉及一种新型热面结构的铜冷却壁。

背景技术：

1、高炉炉墙（包括炉壳、冷却设备、耐火材料或自凝结渣皮等）是影响高炉长寿的关键因素之一。高炉炉墙的使用寿命是由炉体冷却系统、耐火材料（或自凝结渣皮）和高炉冶炼过程相互作用的结果，其中高炉的炉腹、炉腰和炉身下部处于高温和熔融区，工况温度可达1200℃以上。在高温煤气流冲击、液态渣铁侵蚀、炉料磨损、碱金属及锌的化学侵蚀等众多破坏因素的长期综合作用下，该区域的冷却设备容易处于过热状态。因此，延长高炉寿命的根本出路是建立一个在高炉冶炼条件下的合理结构、无过热的冷却体系。

2、现代高炉的冷却壁经数十年的改进和完善，从早期的铸铁冷却壁发展到如今的铜冷却壁，铜冷却壁的作用主要有：（1）得益于铜的高导热性能，能够提供足够强度的冷却，及时将壁体上的高炉热量通过冷却水带走，保证炉体不出现过热；（2）为高炉炉型内衬的耐火材料（或自凝结渣皮）提供支撑和冷却。高炉开炉后的初期，主要是通过耐火砖或喷涂不定型耐火材料形成炉型内衬；在高炉使用过程中，耐火材料容易出现受侵蚀和破损情况，当耐火材料受侵蚀和破损到一定程度后，必须依靠在冷却壁热面形成稳定的自保护性的渣皮来维持长期的炉型内衬。

3、随着铜冷却壁的大规模和长时间使用，大部分高炉的铜冷却壁都能平稳运行，少数高炉的铜冷却壁未达到预期使用寿命，造成铜冷却壁损坏的原因可能是某一个因素或多个因素相互作用所造成的综合结果。铜冷却壁损坏的主要特征之一就是出现热面局部磨损，随着铜冷却壁的热面不断受到磨损和侵蚀等，最终造成铜冷却壁的损坏。局部磨损以物料磨损为主，煤气流携粉尘冲刷为辅，冲刷方向可能是从上往下，也可能是有多个方向（例如煤气流携粉尘还可能从下往上冲刷）。在炉身中下部、炉腰和炉腹使用的铜冷却壁，历来的热面结构均为燕尾槽结构，随着铜冷却壁的热面不断受到磨损和侵蚀，燕尾槽结构会被磨平而无法顺利挂住渣皮，甚至出现热面破损而漏水的现象，造成铜冷却壁的损坏。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种新型热面结构的铜冷却壁，这种铜冷却壁所具备的热面结构能够提升铜冷却壁本体热面的耐磨性能和挂渣能力，能更有效地保护铜冷却壁本体。采用的技术方案如下：

2、一种新型热面结构的铜冷却壁，包括铜冷却壁本体，铜冷却壁本体中设有至少一个冷却水通道，其特征在于：所述铜冷却壁本体的热面上具有点阵式分布或分散式分布的若干个凸起铜块，凸起铜块与铜冷却壁本体为整体结构；其中至少一个凸起铜块上安装有对该凸起铜块形成全包围或半包围保护的钢铁材质保护件。

3、上述铜冷却壁本体的热面，是指工作时铜冷却壁本体朝向高炉炉腔的一面；铜冷却壁本体的冷面，是指工作时铜冷却壁本体背向高炉炉腔的一面。凸起铜块、钢铁材质保护件等构成热面结构，能够提升铜冷却壁本体热面的耐磨性能和挂渣能力，能更有效地保护铜冷却壁本体。凸起铜块与铜冷却壁本体为整体结构，是指凸起铜块与铜冷却壁本体连成一个整体，无需通过连接结构将凸起铜块与铜冷却壁本体连接。

4、实际设计时，根据实际需要，可以在所有凸起铜块上都安装钢铁材质保护件，也可以只在一部分凸起铜块上安装钢铁材质保护件。

5、本发明在铜冷却壁本体的热面取消传统结构的燕尾槽、条形槽肋结构，代之以点阵式或分散式分布的若干凸起铜块并结合钢铁材质保护件，安装有钢铁材质保护件的凸起铜块和未安装钢铁材质保护件的凸起铜块共同组成热面结构。凸起铜块作为锚固作用和冷却作用的核心；安装有钢铁材质保护件的凸起铜块，对钢铁材质保护件起到定位作用并能够及时吸收钢铁材质保护件的热量（凸起铜块上的热量由铜冷却壁本体冷却水通道中流动的水带走）。未安装钢铁材质保护件的凸起铜块，则强化了热面的快速冷却和凝渣作用。钢铁材质保护件具有高强度和高耐磨性，能够有效抵挡高炉内物料和煤气流的冲刷；对自凝结渣皮具有更好的亲和力，从而起到牢固挂渣的作用；对凸起铜块起到良好的保护作用，可有效避免凸起铜块受磨损，确保凸起铜块能够发挥快速冷却作用。

6、通常，每个冷却水通道两端分别对应一个进出水管，进出水管处在铜冷却壁本体的冷面上，两进出水管分别与对应的冷却水通道的进水端、出水端连通。

7、上述铜冷却壁本体可由整体锻压铜板或整体轧制铜板构成，整体锻压铜板或整体轧制铜板的材料可以是铜或铜合金。通过机械加工（如铣削）的方式，通过去除铜冷却壁本体热面上处在凸起铜块周边的材料，在铜冷却壁本体的热面上形成点阵式或分散式分布的若干个凸起铜块；形成凸起铜块后在凸起铜块上安装钢铁材质保护件。例如，可在铜冷却壁本体的热面上先铣出横向凹槽，再加工纵向凹槽，形成阵列布置的凸起铜块。经过机械加工（如钻孔）在其上面形成孔道（必要时在孔道中安装水道堵头），这些孔道相互连通形成冷却水通道（根据设计的冷却水通道数量和布局，可连通形成一个或多个冷却水通道）；然后安装进出水管（可通过焊接将进出水管固定在铜冷却壁本体的冷面上），形成铜冷却壁本体的冷却系统。

8、上述铜冷却壁本体也可采用铜或铜合金铸造而成。通过设计合适的模具，在铸造铜冷却壁本体的同时铸造出与铜冷却壁本体连在一起的点阵式或分散式分布的若干个凸起铜块；形成凸起铜块后在凸起铜块上安装钢铁材质保护件。冷却水通道可由包埋在铜冷却壁本体中的铜管构成，铜管两端伸出至铜冷却壁本体冷面的部分分别构成一进出水管。铸造前在模具内预先放置弯曲好的铜管（根据设计的冷却水通道数量，将相应数量的铜管放置在所需位置），浇铸后铜冷却壁本体将铜管包埋（仅留出铜管两端处在铜冷却壁本体外面）；一个铜管在铜冷却壁本体内形成一条冷却水通道，铜管的两端伸出铜冷却壁本体冷面的部分作为进出水管。

9、上述铜冷却壁本体的热面上各凸起铜块可以尺寸相同，也可以铜冷却壁本体的热面上具有多种不同尺寸的凸起铜块（例如两种不同尺寸的凸起铜块）。优选方案中，上述铜冷却壁本体的热面上设有两种不同尺寸的凸起铜块，两种不同尺寸的凸起铜块在铜冷却壁本体的热面上交替排列。

10、优选方案中，上述凸起铜块在铜冷却壁本体的热面上排列成多行，同一行凸起铜块中各凸起铜块可横向排列（即自左至右依次排列），也可斜向排列（例如自左下向右上依次排列，或者自左上向右下依次排列）。

11、通常，上述钢铁材质保护件点阵式或分散式分布在铜冷却壁本体的热面上，由凸起铜块定位和冷却。钢铁材质保护件的排布方式可以与凸起铜块类似。铜冷却壁本体热面在安装钢铁材质保护件之后，其热面可以再喷涂、浇筑和捣筑耐火材料，也可以安装耐火砖。

12、优选方案中，上述钢铁材质保护件安装到凸起铜块上之后，在铜冷却壁本体的热面上排列成多行，同一行中相邻两个钢铁材质保护件之间具有间隙。同一行钢铁材质保护件中各钢铁材质保护件可横向排列（即自左至右依次排列），也可斜向排列（例如自左下向右上依次排列，或者自左上向右下依次排列）。

13、一种更优选方案中，上述钢铁材质保护件在铜冷却壁本体的热面上排列成多行，各行钢铁材质保护件自上至下依次排列；同一行中各钢铁材质保护件自左至右依次排列，相邻两行的钢铁材质保护件在左右方向上的位置相互错开（即在相邻两行，其中一行中钢铁材质保护件的位置，与另一行中相邻两个钢铁材质保护件之间的空隙位置相对应）。常见铜冷却壁的热面磨损形式是纵向（即上下方向）的直线冲刷痕迹，这种优选的热面结构会使得热面形成交错排列的多个钢铁材质岛台，煤气流和炉料冲刷的时候，受各钢铁材质岛台的影响，会形成s型的不规则扰流，从而降低流速，减少对热面的冲刷损坏程度。

14、另一种更优选方案中，上述钢铁材质保护件在铜冷却壁本体的热面上排列成多行，各行钢铁材质保护件自上至下依次排列；同一行中各钢铁材质保护件自左至右依次排列，相邻两行的钢铁材质保护件在左右方向上的位置相互对准。例如，在各行钢铁材质保护件数量都相同的情况下，钢铁材质保护件在铜冷却壁本体的热面上排列成多行多列的矩阵。

15、另一种更优选方案中，上述凸起铜块在铜冷却壁本体的热面上排列成多行，相邻两行凸起铜块之间具有间隙；同一行中相邻两个凸起铜块之间具有间隙；每行凸起铜块中至少有一个凸起铜块上安装有钢铁材质保护件。每行凸起铜块中，可以仅有一部分凸起铜块上安装有钢铁材质保护件（钢铁材质保护件的数量及位置可根据设计需要灵活布置），也可以所有凸起铜块上都安装有钢铁材质保护件。同一行中各个凸起铜块的尺寸可以相同，也可以不同（例如凸起铜块有多种不同的横向尺寸）。更优选方案中，每一行凸起铜块中，有一部分凸起铜块上安装有钢铁材质保护件，安装有钢铁材质保护件的凸起铜块与没有安装钢铁材质保护件的凸起铜块交替排列。进行加工时，可在铜冷却壁本体的热面上先加工出并排的多个条形凹槽，相邻两条形凹槽之间形成条形凸起；然后根据位置及尺寸的设计要求，在条形凸起的长度方向上加工出多个凹槽（去除条形凸起在该部位的材料），形成所需的凸起铜块。上述条形凹槽的截面可以呈矩形或梯形。更优选方案中，上述钢铁材质保护件将对应的凸起铜块的各侧面及顶面包覆（凸起铜块的顶面是指安装到高炉后凸起铜块朝向炉腔的一面），这样，钢铁材质保护件向内突出的高度超出凸起段的顶面（例如超出10-60mm），从而形成多个钢铁材质岛台，钢铁材质岛台与凸起段高低错落，有利于降低煤气流或炉料的流速，减少对铜冷却壁本体热面的冲刷损坏程度。

16、通常，上述钢铁材质保护件上设有与凸起铜块相匹配的通孔、凹槽或缺口，在凸起铜块上安装钢铁材质保护件时，凸起铜块嵌入钢铁材质保护件上相应的通孔、凹槽或缺口中，对钢铁材质保护件进行定位和支撑。

17、上述钢铁材质保护件将凸起铜块的各侧面及顶面中的全部面或一部分面包覆。例如：（1）在凸起铜块呈六面体状的情况下，凸起铜块具有上侧面、下侧面、左侧面、右侧面和顶面，钢铁材质保护件可将凸起铜块的五个面都包覆，也可以仅将凸起铜块的上侧面、下侧面、左侧面和右侧面包覆，也可以仅将凸起铜块的上侧面、下侧面、左侧面和右侧面中的一部分面包覆（如仅包覆凸起铜块的上侧面、左侧面和右侧面，或仅包覆凸起铜块的下侧面、左侧面和右侧面，或仅包覆凸起铜块的上侧面和左侧面，等等），也可以将凸起铜块的顶面和一部分侧面包覆；（2）在凸起铜块呈圆柱状的情况下，凸起铜块具有圆柱侧面和圆形顶面，钢铁材质保护件可将凸起铜块的都圆柱侧面和圆形顶面包覆，也可以仅将凸起铜块的圆柱侧面包覆。其中，上述钢铁材质保护件将凸起铜块的各侧面及顶面中的全部面包覆，最有利于保护凸起铜块免受磨损。

18、通常，一个钢铁材质保护件对应一个凸起铜块。也可以一个钢铁材质保护件对应多个凸起铜块，即依靠多个凸起铜块共同对该钢铁材质保护件进行定位和支撑。也可以多个钢铁材质保护件对应一个凸起铜块，即多个钢铁材质保护件组合后固定在一个凸起铜块上。也可以多个钢铁材质保护件对应多个凸起铜块，即多个钢铁材质保护件组合后固定在多个凸起铜块上，依靠这多个凸起铜块共同对组合后的钢铁材质保护件进行定位和支撑。

19、优选方案中，上述钢铁材质保护件的材质为铸铁、铸钢、耐磨合金钢或不锈钢。钢铁材质保护件的材质是铸铁、铸钢、耐磨合金钢或不锈钢的情况下，其导热性远高于常规耐火材料（导热率：普通铸铁为31w/(m•k)、普通碳钢为45w/(m•k)、常规耐火材料sic为6.5w/(m•k)），钢铁材质保护件热面温度相应远低于耐火材料（约低400-450℃），温度越低越容易形成渣皮，更有利挂渣形成保护，而且，钢、铁材质的钢铁材质保护件更加亲和铁水，容易挂住形成稳定的渣皮层保护，同时有利于分割渣皮成小块，不易大面积脱落。一个钢铁材质保护件通常是由同一种材料制成的整体。

20、上述钢铁材质保护件的外形可以是圆形、方形或其他多边形（如正六边形、正八边形、棱形等）；钢铁材质保护件的外形也可以是其他任意形状，可以为对称结构或不对称结构。

21、上述钢铁材质保护件可以通过过盈配合、粘合、焊接、螺纹连接或螺栓锁固等形式固定在凸起铜块上，也可以采用多种不同形式的组合固定在凸台上。例如，采用沉头螺栓将钢铁材质保护件与铜冷却壁本体或凸起铜块连接，沉头螺栓可以根据实际情况选择不同的分布位置、不同的数量、不同的螺栓款式，以满足牢固要求。

22、本发明的铜冷却壁的热面结构与现有的燕尾槽热面结构完全不同，与现有技术相比，具有以下有益效果：

23、（1）钢铁材质保护件的韧性和耐压强度远高于常规耐火砖，不像耐火砖容易受到炉内热冲击和化学侵蚀等的影响而开裂损坏。钢铁材质保护件的硬度高于铜冷却壁本体（常见钢材20# 35# 40#的硬度hb为110-229，而纯铜材料的硬度hb为35-45），耐磨性能更优；

24、（2）既能发挥铜冷却壁热面凸起铜块的快速凝渣能力，又能利用钢铁材质保护件的铁渣亲和性，牢固挂渣，形成稳定的渣皮保护层；

25、（3）相比传统的铜冷却壁的燕尾槽热面结构，本发明的热面结构耗用铜材料可以减少30%-70%，从而降低钢铁厂用户的铜冷却壁采购成本，节省资金。