專利名稱：無焦沖天爐水冷爐柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及鑄造生產(chǎn)中所用的鑄鐵熔化爐的一種水冷件，更具體地說，涉及無焦沖天爐爐膛內(nèi)支撐金屬與非金屬爐料的水冷爐柵。
背景技術(shù)：
無焦沖天爐是一種新型的鑄鐵熔化爐，包括燃?xì)鉀_天爐、燃油沖天爐等，是一種具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)越性的鑄鐵新型熔煉豎爐。無焦沖天爐水冷爐柵，將爐膛分隔為上下兩個(gè)部分，爐柵以上為固態(tài)爐料，爐柵以下為一定容積的燃燒空間。燃?xì)饣蛘呷加彤a(chǎn)生的高溫爐氣穿過爐柵向上運(yùn)動， 加熱金屬爐料、使固態(tài)金屬熔化為液態(tài)，金屬液在重力作用下穿過爐柵落到爐底。水冷爐柵長期經(jīng)受高溫爐氣、高溫鐵液和渣液的侵蝕，同時(shí)承受著固態(tài)爐料產(chǎn)生的彎曲和沖擊應(yīng)力，服役環(huán)境特別惡劣。無焦沖天爐目前現(xiàn)有的水冷爐柵，為一組水平排列焊接于爐體的金屬圓管，循環(huán)冷卻水經(jīng)過管內(nèi)，吸收爐柵積聚的熱量，實(shí)現(xiàn)對爐柵的冷卻與保護(hù)。無焦沖天爐現(xiàn)有的水冷爐柵的結(jié)構(gòu)，來源于金屬連續(xù)熱處理爐爐底所用的水冷爐排。無焦沖天爐水冷爐柵，長期工作于高溫和高應(yīng)力狀態(tài)，其服役環(huán)境的惡劣性遠(yuǎn)超過了金屬熱處理爐的爐底。無焦沖天爐水冷爐柵在滿足高溫環(huán)境中的復(fù)雜應(yīng)力要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)該具有抗鐵液熔蝕的特性，同時(shí)應(yīng)盡量降低對無焦沖天爐的冷卻效應(yīng)，而且必須性能可靠、服役壽命長，拆換方便。無焦沖天爐現(xiàn)有的水冷爐柵存在著五方面的局限性，其一，水冷爐柵直接焊接在爐體之上，存在著難以拆換的局限性。其二，水冷爐柵中冷卻水流道的截面為圓形，在循環(huán)冷卻水流量一定的條件下，冷卻水流速低、流道中容易產(chǎn)生水垢，可靠性低、壽命短；如果希望提高冷卻強(qiáng)度，則需要大幅度增加冷卻水的流量，導(dǎo)致冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)動力消耗大幅度增加。其三，水冷爐柵為空心鋼管，其抗彎曲變形的能力較低，容易發(fā)生彎曲變形；同時(shí)由于其上表面與爐料直接接觸，在爐料壓力和爐內(nèi)高溫的綜合作用下，其上表面容易發(fā)生塌陷變形。其四，水冷爐柵的外表面的金屬材料導(dǎo)熱性很強(qiáng)，對無焦沖天爐存在強(qiáng)烈的冷卻作用，不利于提高無焦沖天爐的熔煉溫度。其五，爐柵外表面的金屬材料容易被高溫鐵液熔蝕、或者與鐵液產(chǎn)生粘連。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服無焦沖天爐現(xiàn)有水冷爐柵存在的局限性，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提出的水冷爐柵，其基本結(jié)構(gòu)由金屬材料組成，包括外套管、芯棒、流道隔板、端部聯(lián)結(jié)法蘭等，其工作部分的外表面敷設(shè)有一定厚度的耐火材料層，耐火材料層中可以包裹用于加強(qiáng)耐火材料的金屬筋。本發(fā)明提出的水冷爐柵其外套管為圓形截面，位于爐柵最外層。芯棒位于外套管中，其截面形狀為實(shí)心圓或空心管。外套管與芯棒之間設(shè)置一定形狀的流道隔板，將外套管與芯棒之間的冷卻水流道空間分隔為數(shù)個(gè)水力學(xué)半徑很小的流道；流道隔板的形狀可以是直線形，也可以是螺旋線形。聯(lián)結(jié)法蘭位于爐柵的一端或兩端，通過螺栓實(shí)現(xiàn)爐柵與爐體的聯(lián)結(jié)，使?fàn)t柵具備容易拆換的優(yōu)越性。爐柵表面敷設(shè)一定厚度的耐火材料，在外套管和高溫鐵液之間形成隔離層，防止高溫鐵液直接作用于外套管，有一定的隔熱作用，可以降低水冷爐柵對無焦沖天爐的冷卻效應(yīng)。本發(fā)明與現(xiàn)有的水冷爐柵相比，除了外表面敷設(shè)耐火材料、端部設(shè)置聯(lián)接法蘭外，更重要的是提出了水冷爐柵新型的冷卻水流道結(jié)構(gòu)外套管中設(shè)置的芯棒，首先將外套管內(nèi)的圓截面流道改變?yōu)榄h(huán)形或偏心環(huán)形流道，縮小了冷卻水的過流斷面積；同時(shí)通過在外套管與芯棒之間設(shè)置的流道隔板，進(jìn)一步縮小了冷卻水的過流斷面積。按照流體力學(xué)和傳熱學(xué)的理論，提高冷卻水的流速，有利于提高熱交換效率、降低流道結(jié)垢傾向，因此本發(fā)明可克服現(xiàn)有水冷爐柵的內(nèi)部結(jié)垢問題，可大幅度提高水冷爐柵的壽命，提高其可靠性。本發(fā)明與現(xiàn)有的水冷爐柵相比，由于流道隔板對外套管產(chǎn)生的支持作用，可以防止外套管迎著重力、背離地面的上表面產(chǎn)生塌陷、變形，同時(shí)可以讓芯棒分擔(dān)外套管所受到的部分爐料壓力，爐柵的抗彎曲變形能力可以得到大幅度提高。本發(fā)明的有益效果為通過對現(xiàn)有水冷爐柵的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，爐柵的抗彎曲變形能力、 抗表面塌陷能力、冷卻水流道的抗結(jié)垢能力得到了提高，同時(shí)減弱了水冷爐柵對無焦沖天爐的冷卻效應(yīng)、防止了高溫鐵液對爐柵表面的熔蝕，克服了現(xiàn)有爐柵的一系列局限性。


下面結(jié)合附圖和三個(gè)具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖2是圖I的A向視圖，說明了爐柵聯(lián)接法蘭的結(jié)構(gòu)。圖3是圖I的B-B截面剖視圖。圖4為圖I所示實(shí)施例的流道展平圖，其中的箭頭表示了冷卻水在流道中的流動路徑。圖5是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖6是圖5的C-C截面向視圖。圖7是本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖，表示了芯棒偏心設(shè)置的水冷爐柵的結(jié)構(gòu)。圖8是圖7的D-D剖視圖，其中，芯棒偏離外套管幾何中心的偏心距為e。在圖I到圖8中，I.冷卻水進(jìn)口，2.聯(lián)接法蘭，3.外套管，4.芯棒，5.圓鋼筋，6.耐火材料層，7.冷卻水出口，8.流道隔板。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及的水冷爐柵由冷卻水進(jìn)口⑴、聯(lián)接法蘭(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圓鋼筋(5)、耐火材料層￠)、冷卻水出口(7)、流道隔板(8)等幾部分組成。本發(fā)明有多種具體實(shí)施方式
，現(xiàn)舉例說明如下。實(shí)施例I圖I所示的水冷爐柵為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例的一端設(shè)有與爐體聯(lián)接的聯(lián)接法蘭(2)，圖2表示了該水冷爐柵聯(lián)接法蘭(2)上螺栓孔的分布狀況。該實(shí)施例中的數(shù)個(gè)圓鋼筋(5)的軸線為直線形，平行于水冷爐柵的軸線，均勻分布于耐火材料層(6)中，通過螺紋和螺母與水冷爐柵聯(lián)接為一體。平行于水冷爐柵軸線布置的數(shù)個(gè)圓鋼筋(5)，提高了耐火材料層(6)在爐料沖擊作用下的抗散落能力，提高了水冷爐柵的剛度和抗彎曲能力。圖3表示了該實(shí)施例中外套管(3)、芯棒⑷、圓鋼筋(5)、耐火材料層(6)、流道隔板(8)幾者之間的聯(lián)接與配合關(guān)系。其中，芯棒(4)的與外套管(3)的軸線相互重合，流道隔板(8)與外套管(3)的內(nèi)表面緊密相接。流道隔板(8)對外套管(3)的支持作用，提高了水冷爐柵的抗塌陷與抗變形能力，同時(shí)可以將外套管(3)所受到的爐料壓力部分傳遞給芯棒(4)，提高了水冷爐柵的強(qiáng)度和剛度性能。在該實(shí)施例中，芯棒⑷上的三個(gè)道流道隔板⑶為直線形，將外套管⑶與芯棒 (4)之間的環(huán)形空間分隔成為三個(gè)水力學(xué)半徑更小的、與水冷爐柵軸線相平行的流道。圖4為該實(shí)施例的流道展平圖，說明了流道隔板(8)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，詳細(xì)描述了冷卻水在流道隔板(8)的強(qiáng)制作用下，從冷卻水進(jìn)口(I)流動到冷卻水出口(7)的運(yùn)動路線。從冷卻水進(jìn)口(I)進(jìn)入爐柵的冷卻水，在流道隔板(8)的作用下，首先沿第一流道向前流動；當(dāng)其到達(dá)第一流道的終點(diǎn)時(shí)，改變流動方向、沿第二流道折返向后流動；當(dāng)其到達(dá)第二流道終點(diǎn)時(shí)，再折返向前流動到達(dá)冷卻水出口(7)。本實(shí)施例中的流道隔板(8)，成倍提高了冷卻水的流速，降低了冷卻水流道中生成水垢的可能性，提高了水冷爐柵的可靠性。在該實(shí)施例中，芯棒(4)為實(shí)心金屬材料，流道隔板⑶的數(shù)量為奇數(shù)三，冷卻水流道平行于水冷爐柵的軸線，冷卻水出口(7)與冷卻水進(jìn)口(I)分別位于爐柵的兩端。進(jìn)入爐柵的冷卻水在流道隔板(8)的作用下，經(jīng)過兩次折返到達(dá)冷卻水出口。如果流道隔板
(8)的數(shù)量為偶數(shù)，則冷卻水出口(7)與冷卻水進(jìn)口(I)在爐柵的同一端。如果芯棒(4)偏離外套管(3)的幾何中心，如果芯棒(4)是金屬管，如果流道隔板(8)的數(shù)量大于或小于3，如果流道隔板(8)形成的冷卻水流道與爐柵的軸線不平行、存在一定角度，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例2圖5所示的水冷爐柵為本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例的一端設(shè)有與爐體聯(lián)接的聯(lián)接法蘭(2)，圖6表示了該水冷爐柵聯(lián)接法蘭(2)上螺栓孔的分布狀況。該實(shí)施例中包裹在耐火材料層(6)中的多個(gè)圓鋼筋(5)的軸線呈“V”和“I”字形，焊接在外套管(3)表面，均勻分布在耐火材料層(6)中。圓鋼筋(5)提高了耐火材料層(6)在爐料沖擊作用下的抗散落能力。在本實(shí)施例中，芯棒(4)為空心管，其中心為冷卻水通道，冷卻水出口(7)與冷卻水進(jìn)口(I)在水冷爐柵的同一端。芯棒(4)與外套管(3)的軸線相互重合，流道隔板(8)為單頭螺旋，外套管(3)與芯棒(4)之間的冷卻水流道為螺旋形。冷卻水由冷卻水進(jìn)口(I)進(jìn)入爐柵，首先在螺旋形流道隔板(8)的強(qiáng)制作用下，以螺旋軌跡向前運(yùn)動；當(dāng)其向前到達(dá)螺旋形流道的終點(diǎn)時(shí)，通過芯棒(4)上設(shè)置的連通孔道進(jìn)入芯棒(4)中心的圓形流道、折返向后運(yùn)動，到達(dá)冷卻水出口(7)。該實(shí)施例中的流道隔板(8)為單頭螺旋面，如果減小其螺旋升角、縮小其導(dǎo)程，則可減小螺旋流道的過流斷面積，提高冷卻水的流速。如果本實(shí)施例中的芯棒(4)為實(shí)心金屬材料，由于芯棒(4)中心不存在冷卻水通道，則冷卻水出口(7)與冷卻水進(jìn)口⑴需要分別設(shè)置在水冷爐柵的兩端。
如果本實(shí)施例中的流道隔板⑶為多頭螺旋且適當(dāng)增加其螺旋升角，則可以在流道水力學(xué)直徑不變的基礎(chǔ)上，增加流道隔板(8)對外套管(3)的支持作用，提高外套管(3)的抗變形能力。如果本實(shí)施例中的芯棒⑷是實(shí)心金屬材料、如果流道隔板⑶為多頭螺旋、如果圓鋼筋(5)的軸線為其他形狀，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例3圖7所示的水冷爐柵為本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例展示了偏心型水冷爐柵的結(jié)構(gòu)，圖8表示了芯棒(4)的軸線平行偏離于外套管(3)軸線的狀態(tài)。該實(shí)施例中的數(shù)個(gè)圓鋼筋(5)的軸線為直線形，平行于水冷爐柵的軸線，均勻分布于耐火材料層出)中，通過過盈配合與水冷爐柵聯(lián)接為一體。
該實(shí)施例中流道隔板⑶的形狀為螺旋形，與實(shí)施例2相同。芯棒(4)為實(shí)心金屬材料，冷卻水出口(7)與冷卻水進(jìn)口(I)分別位于水冷爐柵的兩端。芯棒(4)軸線相對于外套管(3)的軸線迎著重力的方向、背離地面移動了一定距離。由于該實(shí)施例中芯棒(4)與外套管(3)的軸線不相重合，螺旋形流道的過流斷面積每經(jīng)過360°周期性變化一次。冷卻水流道在芯棒(4)水平方向的兩側(cè)尺寸大小相同，在背離地面的一線上尺寸最小、朝向地面的一線最大。當(dāng)一定量的冷卻水沿螺旋流道流經(jīng)外套管(3)背離地面的一線時(shí)，由于此一線處流道斷面積最小、流速最大，因此可對外套管
(3)背離地面的一線產(chǎn)生更強(qiáng)烈的冷卻作用。外套管(3)背離地面的一線迎著重力方向，受到的爐料壓力和沖擊力最大，也最容易受到鐵液和渣液的侵蝕，屬于水冷爐柵的最薄弱部分。偏心型水冷爐柵，提高了流經(jīng)外套管(3)背離地面一線上冷卻水的流速，對于提高水冷爐柵的壽命和可靠性具有意義。該實(shí)施例其外部有明顯的安裝方位標(biāo)記，務(wù)必保證爐柵中冷卻水流道最小的一線背離地面、向著重力方向。本發(fā)明有多種實(shí)施方式，以上實(shí)施例僅僅是為了說明本發(fā)明的內(nèi)容而列舉的幾種具體結(jié)構(gòu)，涉及本發(fā)明的其他具體結(jié)構(gòu)也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.無焦沖天爐水冷爐柵，可將爐膛分隔為上下兩部分，在高溫鐵液、渣液侵蝕和復(fù)雜的應(yīng)力條件下長期可靠支撐爐膛上部的爐料，由冷卻水進(jìn)口(I)、聯(lián)接法蘭(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圓鋼筋(5)、耐火材料層￠)、冷卻水出口(7)、流道隔板(8)等幾部分組成，其特征為外套管(3)的表面敷設(shè)有一定厚度的耐火材料層￠)，耐火材料層￠)中包裹著多個(gè)圓鋼筋(5)，外套管(3)環(huán)繞在芯棒(4)外部，芯棒(4)位于外套管(3)的幾何中心或略偏離其幾何中心，流道隔板(8)將外套管(3)與芯棒(4)之間的冷卻水空間分隔為數(shù)個(gè)流道，進(jìn)入爐柵的冷卻水順序流過流道隔板(8)限定的數(shù)個(gè)流道。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為流道隔板(8)的數(shù)量為一個(gè)或者多個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I與權(quán)利要求2所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為流道隔板(8)的形狀為直線形或者螺旋形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為芯棒(4)的軸線與外套管(3)的軸線相重合，或者背離地面、迎著重力方向偏離外套管(3)的軸線一定距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為芯棒(4)為實(shí)心圓形金屬材料或者空心圓管形金屬材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為圓鋼筋(5)的軸線為直線形，或者為包括“V”字形、“ I ”字形在內(nèi)的其他形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求I與權(quán)利要求6所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為耐火材料層(6)中均勻分布的多個(gè)圓鋼筋(5)通過螺紋和螺母、過盈配合或者焊接方式與水冷爐柵結(jié)合在一起。
全文摘要
無焦沖天爐水冷爐柵。該爐柵由冷卻水進(jìn)口(1)、聯(lián)接法蘭(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圓鋼筋(5)、耐火材料層(6)、冷卻水出口(7)、流道隔板(8)等幾部分組成。其特征為外套管(3)的表面敷設(shè)有一定厚度的耐火材料層(6)，耐火材料層(6)中包裹著多個(gè)圓鋼筋(5)，外套管(3)環(huán)繞在芯棒(4)外部，芯棒(4)位于外套管(3)的幾何中心或略偏離其幾何中心，流道隔板(8)將外套管(3)與芯棒(4)之間的冷卻水空間分隔為數(shù)個(gè)流道，進(jìn)入爐柵的冷卻水順序流過流道隔板(8)限定的數(shù)個(gè)流道。水冷爐柵可將無焦沖天爐的爐膛分隔為上下兩部分，在高溫鐵液、渣液侵蝕和復(fù)雜的應(yīng)力條件下長期支撐爐膛上部的爐料。
文檔編號F27B1/10GK102889780SQ20121041758
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者張耀文, 張明 申請人:張耀文