在生铁冶炼电弧炉中，预还原的铁和其它金属氧化物被熔化并 被还原，以生产铁合金。在工作期间，炉内的熔化金属(即生铁) 的熔池的温度通常在1450℃至1550℃之间。为了确保均匀的熔池 温度，并为了使加入的材料快速熔化，电弧能量需要快速扩散到整 个熔池中。在前述类型的生铁冶炼炉中，这中快速扩散通过强烈搅 拌熔池(例如，借助于通过多孔塞的氮注入)而得以实现。
电炉钢生产领域中公知的是，耐火材料劣化最为显著的一个区 域是，和熔化金属的熔池与熔池顶部上的炉渣层之间的界面相邻的 区域。该临界区域中耐火材料的劣化是由于各种化学、热和机械效 应所致。不考虑这些效应的话，已发现耐火材料劣化随着耐火炉衬 尤其是它的热表面(即，耐火材料与熔化金属池或炉渣层相接触的 位置处)的温度增加而加剧。由于耐火炉衬的劣化是重要的成本因 素，所以已进行各种尝试来提供一种用于冷却上述临界区域内的耐 火炉衬的冷却布置。
另外，除了成本因素，还存在与耐火炉衬的腐蚀相关的重大安 全隐患。实际上，如果由于耐火炉衬的局部过度腐蚀而使熔化金属 与炉壳直接接触，则可能发生熔化金属泄漏，尤其是在临界区域内 发生泄漏。对于具有强烈搅拌且过热熔池的生铁熔炉来说，尤其知 道会有这样的危险，但不排出其它情况也会出现这样的危险。为了 避免在耐火炉衬具有局部缺陷的情况下可能发生熔化金属泄漏，期 望在熔化金属与炉壳接触时或与炉壳接触之前固化该熔化金属。由 于熔化金属(即，生铁)的熔池是被强烈搅拌的并被过度加热了大 约300℃(生铁的熔化温度为大约1190℃)，所以难以借助前述 类型炉内的冷却装置使熔化金属固化。
在本领域中通常公认的是，耐火炉衬的内部强制水冷却(这在 鼓风炉中是公知的)并不是用于电弧炉的可行方案。事实上，冷却 液体引入到电弧炉的炽热内部，预示了爆炸的重大危险。这个问题 可以通过外部喷射冷却炉壳来克服，例如，这公布于例如EP0 044 512中。通过从外部冷却炉壳，实现了耐火炉衬的温度降低。但是， 当情况是耐火炉衬在临界区域内过度劣化时，仍然存在熔化金属泄 漏的危险。US 3 777 043中公开了一种方法，其中，气态冷却剂通 过通道而循环，所述通道穿过耐火炉衬的上述临界区域。除了气体 型冷却剂的效率有限之外，该方案还需要昂贵地安装冷却通道和气 体冷却剂线路，并且还必须在耐火炉衬中进行较大改动。US 3 849 587中公开了一种不同的方法。在该方法中，具有较高导热性的固 体冷却件穿过炉壳而设置并设置到耐火炉衬中。这些杆状件的长 度、横截面积、间距、和材料被选择成，从耐火炉衬中传导足够的 热量。冷却件可以在炉壳外部例如通过强制水冷却而被冷却。虽然 通过这种方法实现了耐火炉衬的冷却，但是，该方法具有的缺陷是， 在耐火炉衬内产生了相当大的温度梯度，并且由于炉衬被冷却件穿 过而降低了炉衬的结构强度。WO 95/22732提出了一种差不多的的 方法，其中，温度梯度的问题通过增加冷却元件并减小它们的横截 面而解决。但是，在该方法中，炉衬的结构强度也被降低，并且耐 火炉衬的安装和维修变得更加困难。从JP 52 048503中得知一种可 替换方法，其目的在于防止由冷却作用造成的对耐火砖的损坏。在 JP 52 048503的一个实施例中，通过立即向这些耐火砖上喷水，来 冷却位于电弧炉炉膛中的耐火砖。这种方法的一个缺点是，当耐火 材料过度磨损时，熔化金属泄漏的危险就非常大了。

本发明的目的在于提供一种电弧炉，该电弧炉具有减少或克服 了上述问题的改进冷却布置。
为实现该目的，本发明提出了一种电弧炉，其包括外壳和内耐 火炉衬，并且该电弧炉在其工作期间包括熔化金属的熔池。熔化金 属的熔池具有最小和最大工作高度。根据本发明的重要方面，在最 小与最大工作高度之间的范围内，扁铜坯(copper slab)的环安装 于外壳，并且铜板与最小与最大工作高度之间的所述范围内的耐火 炉衬进行热传导接触。根据另一重要方面，铜板设置有喷射冷却装 置。本发明的生铁冶炼电弧炉包括外壳和内耐火炉衬，该电弧炉在 其工作期间包括熔化金属的熔池，且所述熔化金属的熔池具有最小 和最大工作高度，其中，在最小与最大工作高度之间的范围内，厚 度至少20mm的较厚铜板的环安装于外壳上，该铜板与所述最小与 所述最大工作高度之间的范围内的内耐火炉衬以热传导方式相接 触并交叠在设置在外壳中的后冷却孔上，并且所述铜板设置有喷射 冷却装置。铜板通常为平坦且较厚的实心材料件，即，不具有任何 腔，具体地说，不具有内部冷却通道。根据需要，铜板表面中的至 少一个表面可以是弯曲的，但是铜板的纵向截面通常是方形或矩形 的。铜板的高度通常超过最小与最大工作高度之间的垂直距离，并 且铜板被安装成使得所述工作高度位于铜板的有效冷却区域内。铜 板被安装于外壳内，在那里铜板构成内冷却环。铜板与熔化金属池 的最小与最大工作高度之间的临界区域内的耐火炉衬进行热传导 接触。热量通过铜板的喷射冷却而散发，从而确保了临界区域内的 耐火炉衬的温度显著降低，而不会产生由于液体进入炉内而引起的 爆炸危险。正如将要理解的，本发明等同地适用于交流电(AC)和 直流电(DC)电弧炉。
在优选实施例中，铜板是具有光滑的前表面和弯曲的后表面的 实心体，所述前表面与内耐火炉衬相接触，而所述后表面用于通过 喷射冷却装置而进行外后部冷却。分别面向炉的内侧和外侧的前表 面和后表面形成大致具有六面体或平行六面体形状的本体的较大 表面(除弯曲的后表面之外)。铜板被安装成使得其前表面和后表 面基本垂直。光滑的前表面使得与耐火炉衬的热传导接触效率较 高。光滑的前表面与耐火炉衬的外表面相配合(conjugate)，更具体 地说是与炉衬的耐火砖的通常平坦或弯曲的外表面相配合。正如将 要理解的，在构造期间以及维修期间，可以容易地将耐火砖布置成 毗邻于光滑的前表面，并且不需要对耐火砖进行切割或钻凿。弯曲 的后表面适合于通常圆柱形外炉壳的曲率。
有利地，外壳设置有用于每个铜板的相应的后冷却孔。单个后 冷却孔的尺寸均形成为使得铜板可以直接安装于外壳的剩余部分 以便与孔交叠。虽然可以设计用于多个铜板的较大孔，但是通过单 个后冷却孔可确保壳结构强度最小可能地被弱化并且易于密封。在 对现有电弧炉翻新改进的情况下，可以在设置后冷却孔之前安装用 于加固外钢壳的加固装置。
在优选实施例中，多个铜板相邻地安装于外壳的内部，以形成 基本上连续的环。通常，所述环仅需要在电弧炉的出渣口和出铁口 的位置处被中断。在仅有这些断点的情况下，使得由内冷却环覆盖 的外周缘最大。结合给定高度的铜板，耐火炉衬临界区域内的温度 梯度被减小。
温度传感器优选地连接于每个铜板，以便监控铜板的有效温 度，特别是在炉工作期间。温度信息使得可提前获得有关耐火炉衬 的条件的信息，而无需停工检查。在每个铜板上使用温度测量，可 以大体上建立与炉隔热状态(尤其是其余耐火炉衬的条件)有关的 圆周分布图(profile)。温度信息还可以用于电弧炉的过程控制，尤 其是冷却布置中。
有利地，铜板的宽度小于或等于1m。现今，尤其是在具有被 强烈搅拌和/或过度加热的熔池的类型的电弧炉中，耐火材料劣化 相对来说是难以预知的。在炉的周圆上设置足够数量的均具有专用 温度传感器的铜板，这确保了对炉外周上的任何局部温度升高的可 靠检测。事实上，这种温度升高表示了耐火材料劣化以及进而即将 要发生的熔化金属泄漏。由于耐火材料的劣化是难以预知的，所以 在不具有本文所述的冷却环的炉中，可能发生炉壳的局部加热(其 被称为“热点”)。直到今日，这种“热点”仍经常导致熔化金属泄 漏和相关的危险后果。对温度升高的检测使得可建立早期预警系 统，以避免可能发生的事故。而且，由于可以较好地查找检测到的 温度升高的位置，因此可以有效地且以有的放矢地进行诸如维修措 施(例如耐火炉衬的喷补(gunning)或“喷浆”(shotcreting))的 预防措施。
为了收集喷射冷却流体，并且为了确保例如由烟道灰对冷却流 体的污染最小，每个所述铜板优选地设置有冷却箱。在需要闭合循 环冷却回路的情况下，在铜板的后表面上使用闭合箱是特别有利 的。冷却箱可以是可打开的，以便实现检测和维修的目的。冷却箱 优选地安装于所述铜板，以便伸出到所述外壳的外部。该布置使得 可从炉的外部很容易接近铜板的后表面和相关喷射冷却装置，例如 以便实现检测或维修的目的。
有益地，喷射冷却喷口可拆卸地安装于所述冷却箱的后盖。因 而，冷却箱提供保护壳体和用于喷射冷却喷口的安装结构的双重功 能。为了确保喷射冷却流体的自由流出，冷却箱优选包括排放连接 件和空气进入部。
有利地，铜板具有20至80mm的厚度，优选50至60mm。 可以注意到，例如在前表面或后表面已被加工成呈现某一曲率的情 况下，该厚度指标表示最大壁厚的点。在为了安全和结构原因使厚 度最大化与为了有效的热传递而使厚度最小化之间折衷地选择该 范围。事实上，较薄的板有利于获得理想的最小热阻，而较厚的板 有利于获得同样理想的最大瞬间热吸收容量，例如为了使熔化金属 (具体地说，(被过度加热的)生铁)固化。
通过铜板可获得较高的冷却效率，所述铜板由具有超过外壳至 少5倍的导热系数的纯铜或铜合金制成。
上述实施例特别适用于具有被强烈搅拌和/或过度加热的熔 池的类型的生铁冶炼电弧炉。在这种炉中，由于这些类型的炉中所 固有的热负荷，所以耐火材料的腐蚀以及熔化金属(即熔化后的生 铁)泄漏的相关危险格外突出。事实上，如上所述的铜板的环能够 经受这些炉中的不利条件。
正如本领域技术人员可以理解的，如上所述的具有铜板环的冷 却布置可以被改型用于几乎所有现有电弧炉中，而无需对其进行过 多的改动。具体地说，内冷却环的安装仅需要对耐火炉衬的结构进 行较小的改动即可。
附图说明
通过以下结合附图的非限定性实施例的描述，本发明的其它细 节和优点可以变得显而易见，附图中：
图1是电弧炉的水平截面图，其示出了内冷却环；
图2是在工作期间的图1的电弧炉的一部分的局部垂直截面 图；
图3是放大垂直截面图，其示出了设置有喷射冷却装置的铜板。
图4是根据图3的设置有喷射冷却装置的铜板的立体图。
图5是根据图2的局部垂直截面图，其示出了第一类型的耐火 炉衬缺陷。
图6是根据图2的局部垂直截面图，其示出了第二类型的耐火 炉衬缺陷。
图7是图1的电弧炉在不安装内冷却环的情况下的立体侧视 图。

图1示出了电弧炉的水平截面图，电弧炉整体上用参考标号10 来表示。由焊接的钢板制成的圆柱形外炉壳12在内部衬有耐火材 料。图1的截面穿过用于排放熔化金属的出铁口14，并且该截面还 示了炉渣门16，该炉渣门用于排放在工作期间形成于熔化金属的熔 池顶部上的炉渣。
如图1所示，多个铜板(copper slab)20、20’安装于外壳12 的内部。每个铜板20、20’均设置有冷却箱22。铜板20、20’相邻 安装，以便形成基本上连续的内冷却环，该内冷却环用圆形箭头23 表示。在电弧炉10工作期间内，内冷却环23均匀地冷却耐火炉衬 (图1中未示出)的特定区域。可以注意到，由于结构原因，内冷 却环23被出铁口14和炉渣门16中断。除了其形状特别适于炉渣 门16位置处情况的铜板20’之外，铜板20一般具有相同的构造。 铜板20’朝向炉渣门16切向地延长，从而逐渐接近炉渣门。
从图2中可更加清楚看到，铜板20、20’以及它们相关喷射冷 却装置的结构。图2示出了电弧炉10下部中(即，炉膛中)的外 壳12的内耐火炉衬24。以本公知的方式，耐火炉衬24由耐火砖 26构成。耐火炉衬24防止外壳12受到熔化金属的熔池28和熔化 炉渣层30的影响，并防止熔化金属的熔池28和熔化炉渣层30中 的任一个发生泄漏。正如已知的，在工作期间，以32表示的熔化 金属水平高度可能在上部最大工作高度与下部最小工作高度之间 (由垂直范围34表示)变化。铜板20、20’设置在由该范围34所 给定的区域内，并且铜板20、20’的各上端和下端一定程度地伸出 到该范围34以上和以下。正如将要理解的，因为内冷却环23圆周 地在耐火炉衬24的基本整个外周上延伸，且在耐火炉衬的临界劣 化区域上竖直地延伸，所以保证了在范围34内或在该范围附近耐 火炉衬24的相对均匀的温度分布。因此，在该区域内显著减小了 由于耐火炉衬24内的竖直和切向温度梯度而导致的所有热应力。
图2所示的铜板20是由具有高导热系数(＞300W/Km)的铜 或铜合金制成的、不具有腔的实心体。铜板20具有较大的前表面 36和较大的后表面38，所述前表面与内耐火炉衬24相接触，而为 了进行铜板20的外后部冷却可以接近所述后表面。可以注意到， 铜板20的前表面36是光滑的，以便保证与耐火砖26的有效热传 导接触。在该实施例中，前表面36是平坦的，原因是耐火砖26具 有平坦的后侧面。但是，根据耐火砖26的形状(form)，也不排除 其它形状。实际上，在电弧炉10工作期间，耐火砖26与铜板20 之间的热传导接触由于热膨胀而增强。冷却箱22由任何适合的材 料制成，并且例如借助于焊接而密封地固定于后表面38。后表面 38的边界例如借助于螺栓而密封地固定于外壳12的内侧。如图2 所示，铜板20与设置于外壳12内的相应后冷却孔39交叠。后冷 却孔39提供通向铜板20的通道，以便铜板20的外部喷射冷却。
如图3最佳所示，喷射冷却喷口40固定于冷却箱22的可拆卸 后盖42上。在工作期间，喷射冷却喷口40将冷却流体喷射到铜板 20的后表面38上。喷射冷却喷口40的锥角为大约120°，从而使得 喷射遍及由冷却箱22覆盖的后表面38的整个部分，该部分形成铜 板20的有效冷却区域。冷却箱22内的任何过量冷却流体均通过排 放连接件44而被立即排出，从而使得在任何给定的时候冷却箱22 中都只有少量液态冷却液体。
如图4所示，可拆卸U形保持件43使得喷射冷却喷口40可从 其处于后盖42中的支撑座中收回。这使得可易于接近喷射冷却喷 口40，以便检测、维修或更换。后盖42可以借助于手旋螺钉45而 被容易地翻开，以便进入冷却箱22的内部，例如以便达到检测或 维修的目的。如图4所进一步示出的，铜板20的后表面38以适合 于圆柱形外壳12的曲率的方式而稍稍弯曲。弯曲的后表面38使得 通过保证对中间法兰垫(未示出)的均匀接触压力而将铜板20密 封地安装到外壳12的内侧。一特定实例中所选的铜板20的尺寸为： 高490mm、宽425mm、且最大深度(壁厚)60mm。但是，这些 尺寸依赖于各电弧炉的特征，并且应该被认为是纯粹示例性的。空 气进入部46设置于冷却箱22的后盖42中。空气进入部46保证了 冷却流体可自由排出冷却箱22，而不依赖于喷射冷却喷口40的操 作。在冷却箱22上提供对于温度传感器47的连接，用于测量铜板 20的温度。温度传感器47以热传导的方式安装于铜板20内的孔(未 示出)中，并且借助于保护套48而被保护免受冷却流体的影响。 可以注意到，除了宽度之外，铜板20’的结构和特征基本与上述的 铜板20一致。
借助于温度传感器47获得的温度测量使得，可以以铜板20、 20’有效温度的函数的方式来控制冷却效率。由于每个铜板20、20’ 均设置有专用温度传感器47，所以可以根据电弧炉10的圆周温度 分布而局部调节冷却效率。另外，可以根据当前工作条件而优化全 部冷却液体流。另外，温度测量使得在工作期间获得耐火炉衬24 的当前条件的(先验的)信息。用于上述目的的控制设备在自动控 制工程领域中是公知的，所以此处不再进行详述。
返回至图1和图2，在冶金学中公知的是，电弧炉(诸如10) 中的耐火炉衬(诸如24)的腐蚀最严重的区域之一是熔化金属的最 小与最大工作高度之间(由范围34表示)的区域。已公知的还有， 该腐蚀依赖于所述区域(由范围34表示)中的耐火炉衬(诸如24) 的温度。这还牵涉到裂缝的形成以及随后的金属渗透到耐火炉衬 (诸如24)内，这是导致耐火材料劣化的另一有害效果。当与已知 的炉壳自身的外部冷却(参见例如EP 0 044 512)相比较时，喷射 冷却后的铜板20、20’的内冷却环23确保了在范围34的所述临界 区域内的内耐火炉衬24的更有效冷却。事实上，当与由钢制成的 外壳12的导热系数(大约45-55W/Km)相比较时，由于铜板20 的较高导热系数(大约350-390W/Km)，在给定时间和表面内，可 以通过铜板20、20’散出的热量明显大于可以通过由钢制成的外壳 12散出的热量。如将要理解的，在没有产生其它已知类型的强制冷 却回路中隐含的爆炸危险的情况下实现了该改进。甚至在不大可能 发生的情况下(即，铜板20、20’之一破裂，即，热金属或炉渣泄 漏)，存留于冷却箱22内的少量液态冷却液体也能够立即蒸发，而 不会导致爆炸的危险。因此，通过图1和图2所示的冷却布置，避 免了冷却流体进入到熔化金属或炉渣内的这种众人皆知的任何危 险情况。另外，由于冷却环23几乎与外壳12的内侧沿竖直方向地 齐平，所以，在没有由于将冷却元件突出并穿过炉衬而引起耐火炉 衬24结构强度降低的情况下以及在不需要对炉衬进行较大改动的 情况下，实现了这种改进。
现在返回至图5和图6，下面将说明根据图2的耐火炉衬24 的两种缺陷以及在这些情况下的喷射冷却铜板20、20’的功能。
在图5中，例如，在电弧炉10工作了较长时间之后且没有对 耐火炉衬24进行维修的情况下，耐火炉衬24在范围34的区域中 的部分明显被腐蚀或磨损。如图5的耐火炉衬24中所示，由50表 示的腐蚀区域填充有来自炉渣层30的炉渣。由于借助于喷射冷却 后的铜板20、20’的有效冷却，包含在区域50中的炉渣可以被冷却 降至其熔点以下，以便在铜板20、20’前方的剩余耐火炉衬24’上固 化。结果，甚至在电弧炉10工作期间，图1的内冷却环23也可使 得范围34内的耐火炉衬24被热修补或维修。为了促进炉渣在区域 50内的固化，可以主动地干预熔化金属的与下炉渣水平高度相对应 的工作高度32，例如，在范围34内变化，从而进行“炉渣炉衬” 维修循环，以便用固化的炉渣层来覆盖剩余的耐火层24’。该过程 不但可以用于提供临时维修，而且还可以有助于显著延长耐火材料 翻修间隔。
图6示出了耐火炉衬24的更极端类型的缺陷。图6耐火炉衬 24中的由52表示的特定腐蚀区域水平地延伸至铜板20的前表面 36。在图6所示的不利情形下，该区域52填充有来自于熔化金属 的熔池28的熔化金属。可以理解的是，甚至是在这种不利情形下， 铜板20也可以防止熔化金属的泄漏。可以注意到，由于铜的较高 导热系数，在热传递期间，前表面36的温度仅稍稍高于后表面38 的温度。在图6所示的情形下，铜的较高导热系数和铜板20、20’ 的相对厚度(即热吸收容量)的组合效果使得铜板20前方的熔化 金属层固化。一旦形成，则该金属固化层就用作隔热层，该隔热层 防止铜板20被熔化。相反，在外壳12自身与熔化金属直接接触的 情形下，由于外钢壳12导热系数较差且较薄，所以很有可能发生 泄漏的危险。因此，即使耐火炉衬24被腐蚀掉一个或多个铜板20、 20’，内冷却环23也能不仅使得范围34的区域内的熔化炉渣固化， 而且使得熔化金属固化。这样，冷却环23还有助于电弧炉10的操 作安全性。
图7更详细地示出了电弧炉10的下部中的后冷却孔39。如图 7所示，加强肋70竖直地焊接于外壳12，并位于后冷却孔39之间。 上凸缘环72和下凸缘环74水平地焊接于外壳12，且分别位于后冷 却孔39的上方和下方。加强肋70还通过其相应的上端和下端而分 别固定于上凸缘环72和下凸缘环74。如将要理解的，加强肋70与 凸缘环72、74一起对由于后冷却孔39而被降低强度的外壳12提 供刚性结构加固。另外，可以注意到的是，虽然没有示出铜板20、 20’，但图7中示出了图1的截面位置AA’。
设置有可移动炉膛(即，其中，内部衬有耐火炉衬的下炉壳是 可移动的)的电弧炉是已知的。其中，例如，当需要整修耐火炉衬 时，所述电弧炉允许更换炉膛。显然，在炉膛的运输期间、在整修 之前的冷却期间、和/或在整修之后的预热期间，也应该能够借助于 冷却环23的冷却而进行冷却操作。如果在炉膛的运输期间还要确 保喷射冷却喷口40的供水和从排放连接件44中的被引导的排放， 则可能会阻碍运输，并且可能需要能够适合于运输路线的昂贵且复 杂的管道系统。因此，下面将描述两个增补冷却步骤，这些步骤将 在电弧炉10具有可移动炉膛(即，可移动下炉壳12)的情况下使 用，并且将利用根据本发明的冷却环23的优点。
第一种可能的方法包括下述方面。将共用排放管道关闭且断 开，所述共用排放管道形成连接排放连接件44的收集器(未示出) 的出口。结果，冷却箱22形成连通各容器的环。冷却箱22填充有 水。在这种情况下，向冷却箱22填充水并不表示具有安全隐患， 原因是可移动炉膛在运输之前清空了熔化金属。包含于填充后的冷 却箱22中的水量通常足以保证运输期间的冷却。可选地，例如， 在需要相当长的时间来运输的情况下，冷却箱22可以以蒸发冷却 模式的方式来工作。为此，一些冷却箱设置有低水平高度检测器、 高水平高度检测器和供水管道。当冷却箱中的水位下降至所述低水 平高度以下时，则通过一个或多个供水管道向冷却环23供应额外 的水，直至到达所述高水平高度。上述方法也可以在将炉膛从其整 修位置运输回到其操作位置期间使用。在冷却阶段期间(例如整修 之前)和加热或预热阶段期间(例如整修之后)，冷却环23可以以 如上所述的喷射冷却模式的方式来工作。
在第二种可能的方法中，在运输期间以及在冷却和预热阶段期 间，向冷却箱22填充水。如上所述，关掉一个或多个共用排放管 道，从而使得冷却箱22形成连通容器，并且向冷却箱22填充水。 除了低水平高度检测器和高水平高度检测器之外，一些冷却箱还设 置有用于测量冷却箱22内的水温的温度传感器。直径减小的辅助 供水管道和辅助排放管道被分别用来填充和清空所述连通冷却箱 22。在该第二种方法中，冷却箱中的水温被控制成具有某一范围(例 如，60°-80°)内的数值。当到达上界温度时，则排放冷却箱22中 的热水，直到水位到达低水平高度，优选地，所述低水平高度被设 定成恰在冷却箱22的高度的一半以下。向冷却箱22中添加冷水， 直至到达高水平高度，从而降低水温。由于冷却和预热期间的热负 荷明显小于工作期间的热负荷，所以可以理解，所需的供应和排放 流量相对较小。