專利名稱：冷卻元件及用于制造冷卻元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的冷卻元件。本發(fā)明還涉及一種用于制造冷卻元件的方法。
在工業(yè)用爐，比如閃速熔煉爐、鼓風(fēng)爐和電爐中，使用通常由銅制成的大型冷卻元件。它們?cè)跇O端的工況下使用，其中銅承受由于爐內(nèi)氣氛或者甚至由于與熔融的材料接觸而造成的強(qiáng)烈的腐蝕應(yīng)力。例如，在SO2氣氛中，銅的腐蝕是由于氧化和硫化反應(yīng)造成的，在最壞的情況下，這可能導(dǎo)致被腐蝕表面數(shù)十毫米的材料損失。
本發(fā)明的目的是提供一種可以克服現(xiàn)有技術(shù)中的已知問題的冷卻元件。因此，本發(fā)明的目的還是提供一種具有比現(xiàn)有技術(shù)中已知冷卻元件更長(zhǎng)的工作壽命的冷卻元件。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于制造比現(xiàn)有技術(shù)中已知冷卻元件更耐久的冷卻元件。
本發(fā)明的思想是在主要由銅制成的冷卻元件表面上通過擴(kuò)散焊接頭連接一具有更好耐腐蝕性的鋼制表面。
本發(fā)明的特征在于所附權(quán)利要求中具體限定的內(nèi)容。
本發(fā)明具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。通過擴(kuò)散焊接頭加裝表面層的方法能使連接處具有優(yōu)良的熱傳遞性能。所提出的連接方法能使表面層在低于銅熔點(diǎn)的數(shù)百度溫度下連接到冷卻元件殼體上。根據(jù)本發(fā)明的冷卻元件具有比現(xiàn)有技術(shù)的冷卻元件明顯更好的耐腐蝕性。因此在更換之前的工作壽命比現(xiàn)有技術(shù)的明顯延長(zhǎng)。
在本申請(qǐng)中，術(shù)語銅指的是，除由銅制成的物體外，還指基本上含有至少50％的銅的含銅合金材料。在本申請(qǐng)中，術(shù)語不銹鋼主要指的是奧氏體合金鋼，比如不銹鋼和耐酸鋼。
下面參照附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明。


圖1以剖面的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的冷卻元件，圖2以簡(jiǎn)化的剖面形式示出了根據(jù)本發(fā)明的方法在加熱之前的連接形式，圖3以簡(jiǎn)化的剖面形式示出了根據(jù)本發(fā)明的方法在加熱之前的另一種連接形式，圖4以簡(jiǎn)化的剖面形式示出了根據(jù)本發(fā)明的方法在加熱之前的第三種連接形式。
圖1示出了尤其使用于熔爐的冷卻元件的剖面圖。該元件包含主要由銅或銅合金制成的殼體1，且殼體上設(shè)有用于冷卻介質(zhì)循環(huán)的冷卻通道系統(tǒng)6。根據(jù)本發(fā)明，至少在冷卻元件殼體1的部分表面上通過擴(kuò)散焊接頭設(shè)置耐腐蝕表面層2。所述表面層2由鋼，尤其是精煉鋼制成。通常這種鋼例如是耐酸鋼。表面層2僅加裝在冷卻元件殼體1的部分表面上。圖1中所示冷卻元件是閃速熔煉爐的冷卻元件。當(dāng)然，這種冷卻元件也可以用于其他類型的熔爐，尤其是制造或精煉金屬時(shí)使用的熔爐。冷卻元件的形狀和尺寸取決于每種情況下的具體使用目的。根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例是，該元件是一種冷卻元件，尤其是用于導(dǎo)電熔煉(conducting melt)時(shí)的所謂槽式元件。在這種情況下，表面層可以例如設(shè)置在接觸熔化物的部分表面上。
根據(jù)本發(fā)明的方法，表面層2通過擴(kuò)散焊接頭連接于元件殼體1上。在表面層2和殼體1的連接表面之間，在形成接頭之前至少放置一中間層3、4、5。所采用的表面層2是鋼，尤其是精煉鋼。
圖2以剖面的形式示出了本發(fā)明的連接方法在熱處理之前的一實(shí)施例。基本上由銅制成的殼體1和由精煉鋼例如奧氏體不銹鋼制成的表面層2連接在一起。在兩物體之間的連接處，設(shè)有中間層3、4。第一中間層3靠著表面層2放置，該中間層主要用于防止鎳從鋼中流失，且通常主要含鎳(Ni)。此外，當(dāng)形成接頭時(shí)，有利的是至少使用第二中間層4，即所謂的活化層，在該示例的情況下例如是錫(Sn)。錫用作活化劑，降低形成接頭所需的溫度。
可以通過單獨(dú)處理在表面層上形成第一中間層3。當(dāng)鎳用作第一中間層3時(shí)，可以例如通過電解而在表面層的表面上形成所述層。鍍鎳通常這樣進(jìn)行，即在不銹鋼表面上的鈍化層不阻礙不銹鋼和鎳之間連接表面上的物質(zhì)遷移。第一中間層3也可以以箔片的形式存在。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在需連接在一起的表面層2和冷卻元件殼體1的連接表面之間，在表面層2的連接表面上或與所述表面相對(duì)設(shè)有第一中間層3，而在殼體1的連接表面上或與所述表面相對(duì)設(shè)有第二中間層4，從而將包括中間層3、4的連接表面壓在一起，且在所述方法中，至少加熱連接區(qū)域。第一中間層3可主要含鎳(Ni)或鉻(Cr)，或者是其合金或混合物。第二中間層4包含熔點(diǎn)低于將被連接在一起的物體熔點(diǎn)的活化劑。第二中間層4主要包含銀(Ag)和/或錫(Sn)、或者其合金或混合物、銀和銅(Ag+Cu)、鋁和銅(Al+Cu)或錫和銅(Sn+Cu)。
當(dāng)加熱連接區(qū)域時(shí)，在將被連接在一起的物體表面上形成擴(kuò)散焊接頭；這一方面是由于鎳的擴(kuò)散，另一方面是由于銅和鋼的成分的擴(kuò)散導(dǎo)致的結(jié)果。擴(kuò)散焊接頭的形成及形成的結(jié)構(gòu)是通過非常薄的第二中間層4，即釬劑層活化的，或者通過位于鍍鎳表面層2和殼體1之間的連接表面上的多個(gè)中間層4、5活化的，其中第二中間層是所采用的制造條件和所希望的接頭必需的。
所采用的釬劑和中間層4、5構(gòu)成的擴(kuò)散活化劑可以是銀-銅合金和純錫或者是特定的夾層結(jié)構(gòu)。在600-850℃的溫度范圍內(nèi)得到機(jī)械強(qiáng)度高的接頭。熱處理時(shí)間的選擇可以這樣進(jìn)行，即避免在最終接頭中形成脆性的金屬間相。釬劑厚度，熱處理溫度和中間層的持續(xù)時(shí)間是這樣選擇的，即防止鎳從鋼中流失，結(jié)果在其表面上有鎳含量高的合金。低連接溫度的優(yōu)點(diǎn)是在連接區(qū)域產(chǎn)生的熱應(yīng)力最小。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的一優(yōu)選實(shí)施例。至少設(shè)有第二中間層4和第三中間層5，且第二中間層4的融化溫度低于第三中間層5。第三中間層5主要包含銀(Ag)或銀(Ag)和銅(Cu)，或者是其合金或混合物。在優(yōu)選實(shí)施例中，第三中間層包含Ag+Cu釬劑，有利的是箔片形式。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，第二中間層按重量百分比計(jì)含有Ag71％和Cu29％。有利的是釬劑具有與銅共晶的給定合金成分。對(duì)連接區(qū)域進(jìn)行單步加熱。根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例，第二中間層4在第三中間層5的表面上。通常(但不必須)至少中間層3、4、5之一以箔片形式置于連接區(qū)域。所采用的釬劑和中間層4、5形成的擴(kuò)散活化劑可以是銀-銅合金和錫，或者是純料形式，或者是特定的夾層結(jié)構(gòu)。在600-850℃的溫度范圍內(nèi)得到機(jī)械強(qiáng)度高的接頭。熱處理時(shí)間的選擇可以這樣進(jìn)行，即避免在最終接頭中形成脆性的金屬間相。釬劑厚度，熱處理溫度和中間層的持續(xù)時(shí)間是這樣選擇的，即防止鎳從鋼中流失，結(jié)果在其表面上有鎳含量高的合金。低連接溫度的優(yōu)點(diǎn)是在連接區(qū)域產(chǎn)生的熱應(yīng)力最小。
圖4示出了在加熱表面層和殼體接頭之前的根據(jù)本發(fā)明方法的另一實(shí)施例。在第三中間層5的兩表面上或與所述表面相對(duì)設(shè)有第二中間層4。在該實(shí)施例中，通常使用夾層箔片，其中該箔片的一面或兩面例如用錫進(jìn)行處理。
在所述方法中所用中間層的厚度是變化的。用作第一中間層3的Ni層的厚度通常為2-50μm。在電解之后，通常為2-10μm，為箔片時(shí)約20-50μm。用作第三中間層5的Ag和Ag+Cu箔片的厚度通常為10-500μm，最好是20-100μm。第二中間層4的厚度通常取決于第三中間層5的厚度，例如為第三中間層的厚度的10-50％。通過在50μm厚的Ag+Cu釬劑箔片表面上施加例如5-10μm的錫層，可以獲得非常高質(zhì)量的接頭。所述錫層可以例如通過將箔片形式的釬劑浸入融化的錫中而形成，且當(dāng)需要時(shí)，隨后對(duì)箔片進(jìn)行軋制而使其平滑。
選取用于表面層的材料可以是最適合類型的鋼。
實(shí)施例1耐酸鋼(AISI316)和銅(Cu)連接在一起。在鋼的連接表面上，設(shè)有作為第一中間層的厚度為7μm的鎳(Ni)層。作為擴(kuò)散活化劑和釬劑，使用具有共晶成分的Ag+Cu釬劑，按重量百分比計(jì)含有71％Ag和29％Cu。所述釬劑為厚度50μm的箔片形式，且在箔片表面上還形成一層厚度約為5-10μm的錫(Sn)層。需連接在一起的物體彼此鄰靠放置，使箔片位于連接表面之間。將所述物體壓在一起，將連接區(qū)域加熱到釬劑的熔化溫度之上，直到約800℃的溫度。保持時(shí)間約10分鐘。該示例的連接非常成功。結(jié)果是得到了類似冶金結(jié)合的緊密接頭。
權(quán)利要求
1.一種尤其用于熔爐的冷卻元件，所述元件包含主要由銅制成的殼體(1)，位于所述殼體內(nèi)用于冷卻介質(zhì)循環(huán)的通道系統(tǒng)(6)，其特征在于至少在所述元件殼體(1)的部分表面上，通過擴(kuò)散焊接頭，設(shè)有一層耐腐蝕表面層(2)。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻元件，其特征在于所述表面層(2)由鋼，尤其是精煉鋼制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的冷卻元件，其特征在于所述表面層(2)僅位于所述元件殼體(1)的部分表面上。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的冷卻元件，其特征在于所述冷卻元件是閃速熔煉爐的冷卻元件。
5.如權(quán)利要求1-3任一所述的冷卻元件，其特征在于該冷卻元件是尤其用于導(dǎo)電熔煉的所謂槽式冷卻元件。
6.一種用于將耐腐蝕表面層設(shè)置在主要由銅制成的冷卻元件上的方法，其特征在于該表面層(2)通過擴(kuò)散焊接頭連接于所述元件殼體(1)上。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在所述表面層(2)和殼體(1)的連接表面之間，在形成接頭之前至少設(shè)有一個(gè)中間層(3、4、5)。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于所采用的表面層(2)由鋼，尤其是精煉鋼制成。
9.如權(quán)利要求6-8任一所述的方法，其特征在于在被連接在一起的所述表面層(2)和所述冷卻元件殼體(1)的連接表面之間，在所述表面層(2)的連接表面上或與所述表面相對(duì)設(shè)置第一中間層(3)，且在所述殼體(1)的連接表面上或與所述表面相對(duì)設(shè)置第二中間層(4)，從而將包括中間層的連接表面壓在一起，且在該方法中至少對(duì)連接區(qū)域進(jìn)行加熱。
10.如權(quán)利要求6-9任一所述的方法，其特征在于第一中間層(3)主要包含鎳(Ni)或鉻(Cr)或者其合金或混合物。
11.如權(quán)利要求6-10任一所述的方法，其特征在于所述第二中間層(4)包含熔點(diǎn)低于被連接在一起的物體熔點(diǎn)的活化劑。
12.如權(quán)利要求6-11任一所述的方法，其特征在于所述第二中間層(4)主要包含銀(Ag)和/或錫(Sn)、或者其合金或混合物、銀和銅(Ag+Cu)、鋁和銅(Al+Cu)或錫和銅(Sn+Cu)。
13.如權(quán)利要求6-12任一所述的方法，其特征在于至少設(shè)有第二中間層(4)和第三中間層(5)，且第二中間層(4)的熔點(diǎn)低于第三中間層(50)的熔點(diǎn)。
14.如權(quán)利要求6-13任一所述的方法，其特征在于第三中間層主要包括銀(Ag)或銀(Ag)和銅(Cu)，或者其合金或混合物。
15.如權(quán)利要求6-14任一所述的方法，其特征在于對(duì)所述連接區(qū)域進(jìn)行單步加熱。
16.如權(quán)利要求6-15任一所述的方法，其特征在于所述第二中間層(4)位于第三中間層(5)的表面上。
17.如權(quán)利要求6-16任一所述的方法，其特征在于至少中間層(3、4、5)之一以箔片形式置于連接區(qū)域。
全文摘要
一種尤其用于熔爐的冷卻元件，所述元件包含主要由銅制成的殼體(1)，位于所述殼體內(nèi)用于冷卻介質(zhì)循環(huán)的通道系統(tǒng)(6)。至少在所述元件殼體(1)的部分表面上，通過擴(kuò)散焊接頭，設(shè)有一層耐腐蝕表面層(2)。本發(fā)明還涉及一種用于將所述表面層設(shè)置在所述冷卻元件上的方法。
文檔編號(hào)F27B1/24GK1406331SQ01805572
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2001年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月23日
發(fā)明者韋科·波爾維 申請(qǐng)人:奧托庫(kù)姆普聯(lián)合股份公司