МЕДНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ ПЛИТА С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ВСТАВКАМИ ДЛЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
COPPER REFRIGERATING PLATE WITH WEAR-RESISTANT INSERTS FOR BLAST FURNACE

Настоящее изобретение относится к доменным печам, точнее к холодильным плитам (или холодильникам), встроенным в доменные печи.
Как известно специалистам в данной области, доменная печь, как правило, содержит внутреннюю стенку, частично покрытую холодильными плитами (или холодильниками).
В некоторых вариантах реализации эти холодильные плиты (или холодильники) содержат внутреннюю (или горячую) поверхность, содержащую ребра, расположенные параллельно друг другу и разделенные канавками, также расположенными параллельно друг другу. Эти ребра и канавки служат для крепления огнеупорной футеровки (кирпичей или торкрет-бетона) или аккреционного слоя внутри доменной печи.
Если для обеспечения хорошей теплопроводности тело охлаждающей плиты выполняется из меди или медного сплава, вышеупомянутые ребра подвергаются сильной эрозии, поскольку медь не является износостойким материалом.
Для избежания такой ранней эрозии можно повысить жесткость ребер, поместив в канавки стальные элементы, прилегающие к боковым стенкам ребер и основанию канавки, как это описано в патентном документе EP 2285991. Такие стальные элементы обеспечивают хорошую защиту ребер и позволяют холодильникам свободно расширяться и деформироваться, поскольку они термически совместимы с деформациями холодильников. Однако они не охлаждаются должным образом и могут быть разрушены горячим газом.
Таким образом, задача изобретения заключается в решении вышеуказанных проблем.
В связи с этим, объектом изобретения является холодильная плита (или холодильник), предназначенная для применения в доменной печи и содержащая медное тело с внутренней поверхностью, содержащей параллельные друг другу ребра, имеющие первые противоположные концы и разделенные канавками, имеющими вторые противоположные концы.
Эта холодильная плита (или холодильник) отличается тем, что по меньшей мере одно из ее ребер содержит по меньшей мере одно гнездо, расположенное между его первыми концами и содержащее по меньшей мере одну вставку, выполненную из износостойкого материала, который локально повышает износостойкость данного ребра.
Холодильная плита (или холодильник) согласно настоящему изобретению может также содержать следующие необязательные признаки, рассматриваемые по отдельности или во всех возможных технических комбинациях:
- износостойкий материал может быть выбран из группы, включающей в себя металл и керамику;
в качестве износостойкого металла может использоваться износостойкая сталь или износостойкий чугун;
в качестве износостойкой керамики может использоваться карбид кремния, экструдированный карбид кремния или другой огнеупорный материал с хорошей сопротивляемостью растрескиванию и высокой твердостью;
- в первом варианте осуществления изобретения каждое гнездо может представлять собой паз, содержащий вставку;
- во втором варианте осуществления изобретения каждое гнездо может представлять собой резьбовое отверстие, в которое ввинчен винт, образующий вставку;
- по меньшей мере одна из канавок может содержать по меньшей мере часть многослойного выступа, проходящего между ее вторыми концами и содержащего по меньшей мере один слой из износостойкого материала, локально повышающий износостойкость соседних ребер;
- многослойный выступ может содержать первый слой, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, и второй слой, выполненный из износостойкого материала и расположенный сверху первого слоя;
• в качестве материала первого слоя может использоваться материал, выбираемый из группы, включающей в себя медь с высокой проводимостью и медный сплав;
• каждый многослойный выступ может быть связан с одной канавкой;
◦ многослойный выступ может дополнительно содержать третий слой, расположенный между первым и вторым слоями и выполненный из материала, твердость которого позволяет увеличить твердость многослойного выступа;
▪ третий слой может быть выполнен из керамики с хорошей сопротивляемостью растрескиванию и высокой твердостью, такой как SiC или экструдированный SiC;
• в одном из возможных вариантов первый и второй слои каждого многослойного выступа могут быть связаны с двумя соседними канавками соответственно;
◦ первый слой каждого многослойного выступа может содержать паз, проходящий между вторыми концами и содержащий другую вставку, выполненную из материала, твердость которого позволяет повысить твердость данного первого слоя;
▪ другая вставка может быть выполнена из керамики или износостойкой и/или жаропрочной стали;
- внутренняя поверхность медного тела может содержать ребра, имеющие по меньшей мере две разные высоты;
- канавки могут иметь форму "ласточкиного хвоста" в поперечном сечении.
Объектом настоящего изобретения является также доменная печь, содержащая по меньшей мере одну вышеописанную холодильную плиту.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более ясными после ознакомления подробным описанием приведенных ниже в качестве неограничивающих примеров нескольких возможных вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично показан вид в перспективе части первого варианта выполнения холодильной плиты согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 – поперечное сечение части второго варианта выполнения холодильной плиты согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 – поперечное сечение варианта выполнения холодильной плиты, показанной на фиг. 2;
на фиг. 4 – поперечное сечение части третьего варианта выполнения холодильной плиты согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5 – поперечное сечение части четвертого варианта выполнения холодильной плиты согласно настоящему изобретению;
на фиг. 6 – поперечное сечение части пятого варианта выполнения холодильной плиты согласно настоящему изобретению.
Настоящим изобретением предлагается холодильная плита (или холодильник) 1, которая может быть использована в доменной печи и обладает повышенной износостойкостью.
Возможный вариант выполнения холодильной плиты (или холодильника) 1 согласно настоящему изобретению показан на фиг. 1. Такая холодильная плита (или холодильник) 1 предназначена для установки на внутренней стенке доменной печи.
Как видно из чертежа, холодильная плита (или холодильник) 1 согласно настоящему изобретению содержит медное тело 2 с внутренней (или горячей) поверхностью 3, содержащей несколько ребер 4-j, проходящих параллельно друг другу. Эти ребра 4-j имеют два первых противоположных конца 6 и разделены канавками 5, имеющими два вторых противоположных конца 7. После установки холодильной плиты 1 на внутренней стенке доменной печи ребра 4-j и канавки 5 данной плиты расположены горизонтально. При этом медное тело 2 содержит наружную поверхность 14, расположенную противоположно его внутренней поверхности 3 и прикрепленную к внутренней стенке доменной печи. Таким образом, внутренняя поверхность 3 представляет собой поверхность медного тела, которая может находиться в контакте с очень горячим материалом и газом, находящимися внутри доменной печи.
Например, как показано на фиг. 3–6, канавки 5 могут иметь форму "ласточкиного хвоста" в поперечном сечении, что делается с целью оптимизации крепления генерируемого технологическим процессом аккреционного слоя 15, когда они не содержат возможного многослойного выступа 10 (описан ниже). Однако ребра 4-j и канавки 5 могут иметь и другие формы поперечного сечения. Таким образом, как показано на фиг. 1 и 2, они могут иметь, например, прямоугольную форму поперечного сечения.
Кроме того, как показано в неограничивающем примере на фиг. 1, внутренняя поверхность 3 медного тела 2 может содержать ребра 4-j, имеющие по меньшей мере две разные высоты h1 и h2. Такая конфигурация позволяет оптимизировать крепление огнеупорных кирпичей 15. В примере, показанном на фиг. 1, первые ребра 4-1 (j = 1) имеют первую высоту h1, а вторые ребра 4-2 (j = 2), расположенные между первыми ребрами 4-1, имеют вторую высоту h2, которая меньше первой высоты h1. Однако, как показано на фиг. 2–6, в других примерах осуществления изобретения медное тело 2 может содержать ребра 4-1 одинаковой высоты.
Кроме того, как показано на фиг. 2 и 3, медное тело 2, предпочтительно, содержит внутренние каналы 16, по которым протекает охлаждающая текучая среда.
Как показано на фиг. 1–6, по меньшей мере одно из ребер 4-j содержит по меньшей мере одно гнездо 8, расположенное между его первыми концами 6 и содержащее по меньшей мере одну вставку 9, выполненную из износостойкого материала, который локально повышает износостойкость ребра 4-j.
Благодаря реберным вставкам 9 износостойкость ребер 4-j может быть значительно повышена, что позволяет избежать ранней эрозии их материала (т.е. меди или медного сплава).
В неограничивающем примере, показанном на фиг. 1, только первые ребра 4-1 содержат по меньшей мере одно гнездо 8, содержащее по меньшей мере одну вставку 9. Это объясняется тем, что вторая высота h2 вторых ребер 4-2 слишком мала, чтобы в них можно было выполнить гнездо(а) 8.
В качестве износостойкого материала для вставки 9 может использоваться, например, металл или керамика. Таким износостойким металлом может быть, например, сталь или чугун, предпочтительно жаростойкого класса (например, жаростойкая сталь, такая как GX40CrSi13, химический состав которой включает следующие компоненты (в процентах по весу): 0,3% ≤ C ≤ 0,5%, 1% ≤ Si ≤ 2,5%, 12 ≤ Cr ≤ 14%, Mn ≤ 1%, Ni ≤ 1%, P ≤ 0,04%, S ≤ 0,03% и Mo ≤ 0,5%), или износостойкая сталь, способная работать при высоких температурах. В качестве износостойкой керамики может использоваться, например, карбид кремния (SiC), экструдированный карбид кремния (с более высокой теплопроводностью) или другой огнеупорный материал с хорошей сопротивляемостью растрескиванию и высокой твердостью.
Если по меньшей мере одно ребро 4-j содержит по меньшей мере одно гнездо 8, каждое гнездо 8 может быть выполнено в виде паза, содержащего по меньшей мере одну вставку 9. Именно такой пример показан на фиг. 1–3. Важно отметить, что ребро 4-j может содержать только один паз 8, проходящий между его первыми концами 6, возможно от первого конца 6 до противоположного конца (как показано), или по меньшей мере два паза 8, проходящих между его первыми концами 6, предпочтительно вдоль одной и той же оси. Кроме того, каждый паз 8 может содержать одну или несколько вставок 9, установленных одна за другой. Каждый паз 8 может быть выполнен посредством механической обработки, например, с помощью перового сверла.
В не показанном варианте каждое гнездо 8 может представлять собой резьбовое отверстие, в которое ввинчивается винт, образующий вставку 9. Следует отметить, что ребро 4-j может содержать только одно резьбовое отверстие 8, выполненное между его первыми концами 6, или по меньшей мере два резьбовых отверстия 8, выполненных между его первыми концами 6, предпочтительно вдоль одной и той же оси. Каждое резьбовое отверстие 8 может быть выполнено посредством механической обработки, например, с помощью перового сверла. Предпочтительно, отверстия 8 и, следовательно, винты 9 размещены перед охлаждающими каналами 16 с целью защиты винтов 9 и уменьшения их количества. В этом случае винты 9 не только хорошо соединены с медью с помощью резьбы, но и хорошо охлаждаются.
Кроме того, как показано на фиг. 4–6, по меньшей мере одна из канавок 5 медного тела 2 может содержать по меньшей мере часть многослойного выступа 10, проходящего между ее вторыми концами 7 и содержащего по меньшей мере один слой 12 из износостойкого материала, локально повышающий износостойкость соседних ребер 4-j.
Таким образом, в последнем варианте одно или несколько ребер 4-j содержит(ат) по меньшей мере одно гнездо 8, расположенное между его/их первыми концами 6 и содержащее по меньшей мере одну вставку 9, выполненную из износостойкого материала, при этом одна или несколько канавок 5 содержит(ат) по меньшей мере часть многослойного выступа 10, проходящего между ее вторыми концами 7 и содержащего по меньшей мере один слой 12, выполненный из износостойкого материала.
Благодаря многослойным выступам 10 (расположенным в канавках 5), скорость и давление спускающейся шихты на холодильную плиту ощутимо снижаются, что позволяет избежать ранней эрозии ее материала (т.е. меди или медного сплава) и тела холодильной плиты. Иными словами, выступы позволяют создавать область малых перемещений материала с целью минимизации износа.
В качестве износостойкого материала каждого слоя 12, предпочтительно, используется такой же материал, что и материал вставки 9. Таким образом, в качестве этого материала может применяться металл или керамика, как было указано выше для вставки 9.
Если по меньшей мере одна канавка 5 содержит по меньшей мере часть многослойного выступа 10, многослойный выступ 10 может содержать первый слой 11, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, и второй слой 12, выполненный из износостойкого материала, расположенный сверху указанного первого слоя 11. Именно такой вариант исполнения показан на фиг. 4–6. В отличие от предыдущего варианта осуществления изобретения (показанного на фиг. 1–3), данный вариант осуществления изобретения позволяет модифицировать обычную холодильную плиту без какой-либо механической обработки.
Первый слой 11, имеющий высокую теплопроводность, расположен в нижней части многослойного выступа 10, чтобы он выполнял функцию теплового экрана, поскольку тепловая нагрузка поступает главным образом от поднимающихся вверх горячих газовых потоков. Например, в качестве материала этого первого слоя 11 может использоваться медь с высокой проводимостью или медный сплав. Второй слой 12 выполнен из износостойкого материала и расположен сверху первого слоя 11 с целью защиты от ранней эрозии. Как уже указывалось выше, этот второй слой 12 может быть выполнен из износостойкой стали, чугуна или керамики.
Кроме того, например, как показано на фиг. 4 и 5, каждый многослойный выступ 10 может быть связан с одной канавкой 5. Иными словами, часть каждого многослойного выступа 10 расположена в одной канавке 5, а остальная часть этого многослойного выступа 10 выходит за пределы данной одной канавки 5.
В этом случае каждый многослойный выступ 10 может дополнительно содержать третий слой 13, расположенный между первым 11 и вторым 12 слоями и выполненный из керамического материала очень высокой твердости для повышения износостойкости всего выступа.
В примере, показанном на фиг. 4, каждый третий слой 13 контактирует с частью внутренней поверхности 3, являющейся основанием соответствующей канавки 5, в то время как в примере, изображенном на фиг. 5, каждый третий слой 13 отделен выступающей частью нижележащего первого слоя 11 от части внутренней поверхности 3, являющейся основанием соответствующей канавки 5. Вариант, показанный на фиг. 4, может устанавливаться в холодильник спереди, в то время как альтернативный вариант, изображенный на фиг. 5, может устанавливаться в канавку только сбоку. Преимущество последнего варианта заключается в более высокой стабильности узла в случае разлома хрупкого керамического элемента.
Например, каждый третий слой 13 может быть выполнен из керамики высокой твердости, такой как SiC или экструдированный SiC. Здесь может быть использована керамика, потому что она расположена между двумя прилегающими металлическими элементами и, таким образом, защищена от воздействия падающего материала, а также не зависит от изгиба холодильной плиты, который может быть обусловлен ее тепловым расширением.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 6, первый 11 и второй 12 слои каждого многослойного выступа 10 могут быть связаны с двумя соседними канавками 5 соответственно. Иными словами, часть первого слоя 11 многослойного выступа 10 расположена в первой канавке 5, в то время как остальная часть этого первого слоя 11 выходит за пределы данной первой канавки 5, при этом часть второго слоя 12 данного многослойного выступа 10 расположена во второй канавке 5, расположенной рядом с первой канавкой 5, в то время как остальная часть данного второго слоя 12 выходит за пределы данной второй канавки 5. Таким образом, первый слой 11 в нижней части воспринимает тепловую нагрузку и передает ее на медное тело 2, а верхний, второй слой 12 защищает соответствующий первый слой 11 от износа.
В этом случае, как показано в неограничивающем примере на фиг. 6, первый слой 11 каждого многослойного выступа 10 может содержать паз 17, проходящий между вторыми концами 7 и содержащий другую вставку 18. Эта другая вставка 18, вставленная в первый слой 11, выполнена из материала высокой твердости и служит для повышения твердости данного первого слоя 11. Например, как показано в неограничивающем примере на фиг. 6, поверхность первого слоя 11, в которой предусмотрен (или выполнен путем механической обработки) паз 17, может быть выполнена наклонной, чтобы направлять горячий газ наружу и помогать тепловым потокам плавно заходить в "карманы", выполненные в выступах 10.
Кроме того, как показано на фиг. 6, каждый другой паз 17 и, следовательно, соответствующая другая вставка 18 могут иметь форму "ласточкиного хвоста" в поперечном сечении.
Как и в предыдущих примерах, каждая другая вставка 18 может быть выполнена из керамики, такой как SiC, или из стали (износостойкой, жаропрочной или обладающей обоими этими свойствами). Могут использоваться и другие способы повышения твердости слоя 11. Например, каждый паз 17 может представлять собой резьбовое отверстие, в которое ввинчивается винт, образующий вставку 18.
Следует отметить, что в случае, когда холодильная плита 1 содержит также многослойные выступы 10, канавки 5, в которых расположены данные многослойные выступы 10, могут зависеть от формы и/или размеров доменной печи. Например, в варианте, показанном на фиг. 4 и 5, многослойный выступ 10 может располагаться в каждой третьей канавке 5. Однако в других примерах многослойный выступ 10 может быть расположен в каждой второй, четвертой или даже пятой канавке 5.
Как показано на фиг. 4–6, в случае если холодильная плита 1 содержит многослойные выступы 10, ребра 4-j, образующие канавки 5, содержащие данные многослойные выступы 10 или в которые вставлены данные многослойные выступы 10, не должны обязательно содержать гнездо(а) 8, содержащие вставку(и) 9, поскольку они уже защищены этими многослойными выступами 10. Таким образом, предпочтительно, чтобы только ребра 4-j, расположенные не рядом с многослойными выступами 10, имели гнездо(а) 8, содержащие вставку(и) 9.