耐磨复合材料、其在用于冶金炉的冷却元件中的应用及其制
造方法
[0002] 本申请要求于2016年2月18日提交的美国临时申请No.62/296,944的优先权和权益，该申请的内容通过引用结合到本文中。
技术领域
[0003] 本
发明大体上涉及用于冶金炉的冷却元件，例如用于
高炉的冷却壁(stave coolers)和
风口冷却器，并且具体地涉及具有设置有一层复合材料的工作面的冷却元件，该复合材料层包括排布在热导金属基体中的耐磨颗粒。
背景技术
[0004] 各种类型的冶金炉被用于生产金属。该工艺通常涉及高温，其产品为熔融金属和工艺副产品(一般为炉渣和气体)。炉壁可以衬有冷却元件，其通常包括
铜或
铸铁，并且可以包括用于冷却剂(通常为
水)循环的内部流动通道。例如，高炉的壁通常衬有水冷的冷却元件，例如冷却壁和/或风口冷却器。
[0005] 冷却壁受到由于与存在于炉内的
磨料、热量
接触而导致的磨损。例如，在高炉中，冷却壁与向下下降的进料
炉料接触，该进料炉料包括
焦炭、石灰石
助熔剂和铁
矿石。下降的炉料是热的，包含各种尺寸、重量和形状的颗粒，并且其硬度高于通常用于制造冷却壁的材料的硬度。因此，冷却壁往往会磨损，并且磨损的冷却壁通常停止工作，这意味着没有冷却发生，该冷却壁彻底恶化。这会导致
炉壳过热，其进而可能导致壳体破裂。
[0006] 风口冷却器由于夹带气体的
碳基固体而内壁受到
腐蚀；由于与未燃烧的碳基固体和熔融金属滴接触而外壁受到磨蚀与腐蚀。因此，风口冷却器是极易磨损的，而导致漏水。磨损的风口冷却器停止工作并必须更换，因为损坏的风口降低了炉的生产率并扭曲了热空气喷射的周向对称性。这导致了生产损失和通过其他风口的吞吐量增加，这增加了故障的可能性并可能导致由于生产损失引起的经济损失。
[0007] 已经作出改进冷却壁的磨损性能的尝试。例如，提出了用旋转
摩擦焊接的方式将耐磨元件附连在铜壁的工作面上，或在工作面上沉积
耐磨涂层。
[0008] 还提出了在冷却器的整个体积中分散硬化颗粒(例如在JP 2001-102715 A中)。然而，由于硬化颗粒的成本相对较高，这种方法可能是不经济的，因为它将大多数耐磨颗粒放在冷却器不受磨损的区域中。另外，由于颗粒小并分散在整个冷却元件中，很难对它们是否以足够浓度存在于工作面进行无损评估。
[0009] 还提出了在
铸造冷却壁之前在模子的底部插入耐磨材料(WO 79/00431 Al)。建议的材料包括硬集料，诸如
烧结的(cemented)碳化钨或不锈
钢多孔金属网(stainless steel expanded-metal mesh)。
[0010] 然而，仅将耐磨材料放置在模子的底部不保证它能以足够的浓度可靠地
定位于冷却器的工作面，使得生产跨整个工作面上都具有一致
耐磨性的冷却元件是困难的。虽然这对板式冷却器是可接受的，其可以很容易地从高炉的外部替换，但这对冷却壁是不可接受的，冷却壁无法在不长时间停工的情况下替换。
[0011] 仍然需要具有改进的磨损性能的炉冷却元件，以改进炉操作的效率并且最小化停工时间，同时保持冷却元件的低成本和制造性。
发明内容
[0012] 在一个方面，本发明为冶金炉提供了一种冷却元件。该冷却元件具有包括第一金属的主体，该主体具有至少一个表面，沿该至少一个表面设有
面层。该面层包括复合材料，其中，复合材料包括排布在第二金属的基体中的耐磨颗粒，该耐磨颗粒的硬度大于第一金属的硬度并大于第二金属的硬度。
[0013] 在另一个方面，本发明提供了制造本文所公开的冷却元件的方法。该方法包括：(a)提供所述耐磨颗粒的工程构造；(b)将所述耐磨颗粒的工程构造置于模具型腔内，并使该工程构造位于限定冷却器的面层的模具型腔的区域中；以及(c)将熔融金属导入模具型腔内，其中，该熔融金属包括冷却元件的主体的第一金属和复合材料的第二金属。
附图说明
[0014] 现参照附图仅通过
实施例描述本发明，其中：
[0015] 图1示出了高炉的结构；
[0016] 图2是根据第一实施方式的冷却壁(stave cooler)的
正面立体图；
[0017] 图2A至图2H说明了图2所示的各种面层构造，图2A至图2H中每个都包括圆圈区域的特写，以更好地示出耐磨颗粒的形状；
[0018] 图3是根据第二实施方式的冷却壁的正面立体图；
[0019] 图4是风口冷却器的正面立体图；
[0020] 图5-1至5-8说明了各种形状的耐磨颗粒；
[0021] 图6是示出在复合材料中球形耐磨颗粒的正方区域堆积和六方区域堆积的说明图；和
[0022] 图7说明了用于图2所示的冷却壁的面层构造的一个替代的实施方式，包括圆圈区域的特写，以更好地示出颗粒的形状。
具体实施方式
[0023] 图1是示出常规高炉的说明图。高炉建造成具有钢壳10的高层结构，并围绕着包括
耐火砖和冷却元件的
内衬的形式。
[0024] 高炉根据逆流交换原理运转。包括焦炭、石灰石助熔剂和铁矿石柱6的进料炉料从炉的顶部加入，并被从位于该炉的较低部分的风口冷却器1向上流动经过多孔的进料炉料的热气体还原。下降的进料炉料在炉口区5处预加热，然后通过两个
氧还原区，即氧化铁或“炉身”4的还原区，和氧化亚铁或“炉腰”3的还原区。然后，该炉料通过风口冷却器1所在的熔融区或“炉腹”2下降到炉底9。然后，熔融金属(
生铁)和炉渣从钻开口8和钻开口7放出。
[0025] 图1示出了位于该炉较低的“炉腹”区域2的多个风口冷却器1。风口冷却器1彼此接近地周向间隔开，形成一个圆环，其间隔通常是对称的。风口冷却器1充当进入该炉的热空气喷射器的保护壳，从而延长经由持续的轴对称
燃料喷射的高炉的工作寿命。
[0026] 冷却壁(stave cooler)一般彼此相邻地位于高炉的炉腰3、炉身4和炉口5，以形成该炉的冷却的内表面。冷却壁通过累积炉料积聚充当炉壳10的热防护介质，从而保持炉壁的结构完整性并防止破裂。冷却通常涉及在嵌于壁体内的冷却通道内流动的
冷却液(通常是水)之间的
对流热交换。
[0027] 根据第一实施方式的冷却元件包括冷却壁12，其具有如图2所示的一般结构。该冷却壁12包括主体14，该主体由第一金属组成,其中,主体14设有一个或多个内部腔室，其限定了一个或多个内部冷却剂流动通道16(参见图2中的剖开口)，该流动通道16通过多个冷却剂
导管18与位于炉外的冷却剂循环系统(未示出)互通,该多个冷却剂导管18具有足够贯穿炉壳10的长度(图1)。
[0028] 冷却壁12的主体14具有至少一个表面20，沿其设有面层22。在图2所示的实施方式中，表面20包括冷却壁12的工作面24，也称为“热面”，其朝向炉的内部并被暴露以接触下降的进料炉料柱6(图1)。示出的图2的冷却壁12的工作面24具有波状结构，其由沿着工作面24交替排布的多个水平肋26和多个水平谷28限定。这个波状结构有助于在工作面24保持进料炉料的保护层。
[0029] 尽管图2以用于高炉的冷却壁12的形式示出了冷却元件，但应当理解的是，本文公开的实施方式通常适用于冶金炉中由于与硬的磨料颗粒材料接触而受到磨损的各种构造的冷却元件。
[0030] 图3说明了根据第二实施方式的冷却元件的一般结构，其包括冷却壁12’，其中与结合先前描述的实施方式使用的附图标记类似的附图标记在适当处用来指示类似的特征。
[0031] 冷却壁12’包括由第一金属组成的主体14，其中主体14设有一个或多个内部腔室，其限定了一个或多个内部冷却剂流动通道16(参见图3中的剖开口)，该流动通道16通过多个冷却剂导管18与位于炉外的冷却剂循环系统(未示出)互通，该多个冷却剂导管18具有足够贯穿炉壳10的长度(图1)。
[0032] 冷却壁12’的主体14具有至少一个表面20，沿其设有面层22。在图3所示的实施方式中，表面20包括冷却壁12’的工作面24，也称为“热面”，其朝向炉的内部并被暴露以接触下降的进料炉料柱6。与图2中所示的冷却壁12相比，示出的图2的冷却壁12’的工作面24具有相对较小的高度或深度的基本平坦的水平表面。因此，在本实施方式中，基本上冷却壁12’的整个工作面24都被暴露以接触下降的进料炉料柱6(图1)。
[0033] 图4说明了根据第三实施方式的冷却元件的一般结构，其包括风口冷却器42，其中与结合先前描述的实施方式使用的附图标记类似的附图标记在适当处用来指示类似的特征。
[0034] 风口冷却器42可以包括主体44，该主体包括两端开口的截圆锥的形式的空心壳。主体44包括限定主体44的截圆锥形状的
侧壁50，该侧壁50具有外表面51和内表面60。封闭在侧壁50内、在外表面51和内表面60之间的是一个或多个内部冷却剂流动通道46(参见图4中的剖开口)，该流动通道46通过多个冷却剂导管48与位于炉外的冷却剂循环系统(未示出)互通，该多个冷却剂导管48具有足够贯穿炉壳10的长度(图1)。
[0035] 如图4所示，外面层52被设置在侧壁50的部分外表面51上，该外面层52被设置在风口冷却器42的第一工作面54上。第一工作面54在冷却器42的外表面上并且面向上。在第一工作面54上应用外面层52是为了减少冷却器42的朝上部分上的磨损磨蚀和腐蚀，该磨损磨蚀和腐蚀是由与炉内下降的进料炉料接触、与未燃烧的碳基固体和熔融金属滴接触导致的。
[0036] 外面层52也被设置在风口冷却器42的面向内的端表面58上，其限定了第二工作面59。端表面58包括围绕中央开口的侧壁50的环形端表面，风口冷却器42通过该中央开口将空气喷射进炉的炉腹2(图1)中。端表面58也被暴露以接触下降的进料炉料、未燃烧的碳基固体和熔融金属滴。
[0037] 侧壁50的内表面60限定了冷却元件42的第三工作面62，在其上方设有内面层64，以减少沿侧壁50的内表面60的磨损，该磨损是由于含有夹带的磨料固体——诸如碳基固体——的热空气气浪的磨蚀效果。
[0038] 以上所讨论的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的主体14、主体44由第一金属组成，该第一金属有足够的热导率和足够高的熔点以允许其在冶金炉中使用。该第一金属可以包括通常在冶金炉的冷却元件中使用的任何金属，包括：
铸铁；钢，包括
不锈钢；铜；和铜的
合金，包括铜-镍合金，诸如蒙乃尔(MonelTM)合金。主体14、主体44可以通过在砂铸模具中或者在永久
石墨模具中铸造而形成，并且可以在铸造后进行一个或多个机加工操作。
主体内的冷却剂流动通道16、冷却剂流动通道46可以在铸造期间或之后形成。
[0039] 下表1比较了冷却元件的第一金属的硬度与炉进料炉料的各种组分的硬度。从表1中可以看出，炉料组分的硬度一般比金属的更大。如果对冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的工作面24、工作面54、工作面59不加以保护，则主体14、主体44的第一金属将在工作面24、工作面54、工作面59、工作面62处磨损，通过以下两种机制中的至少一种：直接磨蚀；和气体驱动的颗粒流(blasting)/腐蚀。直接磨蚀是由向下移动的进料炉料颗粒导致的，具体地由炉料与在冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的外表面上的工作面24、工作面54、工作面59中的至少一个之间的直接的摩擦滑动接触导致的。气体驱动的腐蚀是由从风口冷却器1向上流动的气体驱动的颗粒流导致的。当通过一个小的通道时，气体达到高的速度并携带会冲刷外部的工作面24、工作面54、工作面59的进料炉料的小颗粒。此外，风口冷却器
42的第三(内部的)工作面62被携带小磨料颗粒如喷射焦炭，流经风口冷却器42的空心内部的高速气体刮擦和磨损。
[0040] 表1-进料炉料组成与第一金属的硬度值对比
[0041]
[0042]
[0043] 在本文公开的冷却壁12、冷却壁12’中，主体14的第一金属由沿主体14的至少一个表面20设置的面层22保护，其中该至少一个表面20可以包括冷却元件12、冷却元件12’的工作面24的部分或全部。例如，在一些实施方式中，该至少一个表面20可以限于水平肋26的竖直面，其部分地限定了图2所示的冷却壁12中的工作面24。在图3所示的冷却壁12’中，该至少一个表面20可以包括冷却壁12’的整个工作面24，沿该至少一个表面设置面层22。
[0044] 在风口冷却器42中，沿位于主体44的外表面的第一工作面54、第二工作面58的部分或全部设置外面层52。沿侧壁50的内表面60的至少一部分设置内面层64，其限定了第三工作面62。
[0045] 面层22、面层52、面层64由复合材料组成，其中该复合材料包括在第二金属基体中排布的耐磨颗粒。耐磨颗粒具有的硬度比构成主体14、主体44的第一金属的硬度更大，并且理想地可以具有至少约6.5的莫氏硬度，从表1中可以看出，其等于或大于进料炉料组分的最大硬度。
[0046] 例如，面层22、面层52、面层64的耐磨颗粒可以由选自陶瓷——包含碳化物、氮化物、
硼化物和/或氧化物——的一种或多种耐磨材料组成。可掺入到该复合材料的碳化物的具体实例包括碳化钨、碳化铌、碳化铬和碳化
硅。可掺入到该复合材料的氮化物的具体实例包括氮化
铝和氮化硅。可掺入到该复合材料的氧化物的具体实例包括氧化铝和氧化
钛。可掺入到该复合材料的
硼化物的具体实例包括硼化硅。
[0047] 以上列出的耐磨颗粒和材料具有高强度和超过6.5的莫氏硬度。例如，上面列出的每个碳化物具有8-9的莫氏硬度。以上列出的耐磨颗粒和材料至少与在冶金炉中通常遇到的任何材料——包括高炉中的进料炉料组分——一样硬。此外，所列出的耐磨颗粒和材料的至少一些——如碳化钨，具有相对高的热导率，这将在下面更详细地讨论。
[0048] 构成面层22、面层52、面层64的基体的第二金属可以任选地在成分上与构成冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的主体14、主体44的第一金属相同。例如，第二金属可以包括：铸铁；钢，包括不锈钢；铜；和铜的合金，包括铜-镍合金，如蒙乃尔TM合金。
[0049] 在实施方式中，构成面层22、面层52、面层64的基体的第二金属包括铜含量不低于96重量百分比的高
铜合金。
发明人已经发现出于多种原因纯铜是合适的基体材料。例如，高铜合金具有高韧性，其使复合材料抗拉伸和剪切，并抵抗热
变形。此外，高铜合金与许多材料冶金相容，并且铜被人熟知。最后，高铜合金以合理的成本具有优异的热传导性能。因此，当考虑到成本、可制造性、韧性和热导率时，发明人发现高铜合金是一种有效的基体材料。
[0050] 从上述描述可以看出，面层22、面层52、面层64的复合材料包括二种有明显不同的物理和化学性质的独立组分(即耐磨颗粒和第二金属)。当这些独立的组分组合在一起时，会为复合材料提供不同于每一个组分的特征，并优于任何适合制造用于冶金炉的冷却元件的单一材料。例如，复合材料可以具有不超过在相同条件下
灰铸铁的磨料磨损率的0.6倍的磨料磨损率(根据ASTM G 65确定)。
[0051] 有利地，复合材料所拥有的性能的组合包括比任何常规使用的冷却元件——包括铸铁冷却壁——所实现的更高的耐磨性，以及比铸铁更高的热导率。
[0052] 面层22、面层52、面层64的厚度是可变的，并且可以是从约3mm到约50mm，冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的主体14、主体44的剩余部分包括第一金属。由于耐磨颗粒可能比第一金属昂贵数倍，因此将耐磨颗粒限定在面层22、面层52、面层64中需要它们的地方是有利的。另外，因为该复合材料具有与第一金属相比较低的热导率，因此将其限定至冷却元件12、冷却元件52、冷却元件64的总厚度的一部分将最小化复合材料在冷却元件12、冷却元件52、冷却元件64的冷却性能上的影响。
[0053] 除颗粒和第二金属的成分之外，复合材料的总热导率和耐磨性将取决于颗粒和基体之间的相互作用，其取决于许多因素，现在说明如下。因此，面层22、面层52、面层64的复合材料可以被定制成具有适合于一系列应用的具体性能。
[0054] 就此而言，本文所描述的复合材料可以包括宏观复合材料，在其中，熔渗第二金属的基体的耐磨颗粒根据旨在产生最佳耐磨性而设计的基本上重复的工程构造排布。
[0055] 宏观复合材料的基本上重复的工程构造有单位体积，其被假设为具有边长“a”和体积a3的立方体形状。该立方体的边长限定了该重复工程构造的包络尺寸，并且可以为从约3mm到约50mm。边长“a”被限定为使得单个耐磨颗粒无论其形状和取向如何都将适配在重复工程构造的包络尺寸内。因此，宏观复合材料在本文被限定为包括耐磨颗粒，该耐磨颗粒具有从约3mm到约50mm的尺寸，例如从约3mm到约10mm的尺寸。在球形或基本上球形的颗粒的情况下，颗粒的尺寸被定义为颗粒直径。在所有颗粒的情况下，无论其形状如何，颗粒尺寸被定义为耐磨颗粒的最小包络尺寸。
[0056] 耐磨颗粒的相对大的尺寸允许它们被常规
超声波测试设备检测，用于铸铜冷却元件的
质量控制，因此允许
无损检测以评估在冷却壁12、冷却壁12’的工作面24和风口冷却器42的工作面54、工作面58、工作面62上存在的足够浓度的耐磨颗粒。
[0057] 现在下文将描述控制耐磨颗粒和基体之间的相互作用的因素。
[0058] 1.宏观复合材料单位体积内的耐磨颗粒的体堆积因子
[0059] 宏观复合材料单位体积内的耐磨颗粒的体堆积因子可以在0到100％之间变化，并3
且被定义为耐磨颗粒的体积V与单位体积a的比：
[0060] 体堆积因子＝V/a3。
[0061] 耐磨颗粒的更高的体堆积因子提供了耐磨颗粒对于基体的更高的比例。在基本上重复的宏观复合材料工程构造中，需要适当的体积平衡以达到足够的热导率和充足的耐磨性。就此而言，宏观复合材料中更高比例的耐磨颗粒提供了增强的耐磨性，因为在工作面24、工作面54、工作面58、工作面62和整个面层22、面层52、面层64上有更多的耐磨材料可用以抵抗磨蚀。相反地，宏观复合材料中更高比例的耐磨颗粒降低了宏观复合材料的热导率，因为耐磨颗粒与第一金属相比传导性较差。
[0062] 2.正面面堆积因子
[0063] 单位体积a3中的耐磨颗粒的正面面堆积因子可以在欧几里得平面上从0到100％之间变化，但是实际上来讲，其范围为约20-100％。正面面堆积因子被定义为耐磨颗粒的投影面积(P.A.)与单位体积的投影面积的比：
[0064] 面堆积因子＝P.A./a2。
[0065] 耐磨颗粒的更高的面堆积因子为宏观复合材料贡献了更高的耐磨性和更低的热导率。因此，在重复的宏观复合材料中，需要适当的面堆积因子以达到足够的热导率和充足的耐磨性。
[0066] 3.耐磨颗粒和基体之间的界面面积与宏观复合材料的体积的比
[0067] 耐磨颗粒和基体的第二金属之间的接触的界面面积或表面面积代表耐磨颗粒和基体之间的结合面积，并用S.A.来表示。更多的结合面积是有益的，因为在耐磨颗粒和基体之间有更多的面积用于热传导，并且因为有更多的面积来形成强大的冶金结合用于将耐磨颗粒保持在基体内。耐磨颗粒的形状与体积之间的关系受其表面面积与体积的比值控制：
[0068] 表面面积与体积的比＝S.A./a3
[0069] S.A.的值可以小至0，此时在集料与基体之间没有接触，并且实质上没有有充裕接触面积的上层边界。充分的冶金结合由于防止耐磨颗粒松动而用于耐磨颗粒的保持和增强的耐磨性。发明人已经发现，应该存在0.25a2的最小界面表面面积(S.A.)和/或0.1的最小3
表面面积与体积的比(S.A./a)以达到宏观复合材料的充足性能。
[0070] 4.存在围绕耐磨颗粒的连续铜卷须
[0071] 在宏观复合材料内，大部分
传热由通过由所述第二金属组成的金属基体进行传导。因此，期望金属基体包括围绕耐磨颗粒的、“并联(平行)”面向面层22、面层52、面层64的工作面24、工作面54、工作面58、工作面62延伸的金属卷须(延伸物)。这些卷须可以改善宏观复合材料的冷却，从而防止熔融和所产生的复合物崩解。
[0072] 为了说明上述原理，可以用
电路和以并联和
串联连接的
电阻进行类比。以串联连接的电阻比以并联连接的电阻产生的
电流电阻更高。热量以类似的方式表现。因此，具有相对低的热阻率的金属卷须应该每个朝工作面24、工作面54、工作面58、工作面62在具有相对高的热阻率的耐磨颗粒之间连续地延伸，此外应该从工作面24、工作面54、工作面58、工作面62连续地延伸通过面层22、面层52、面层64的整个厚度。这类似于并联连接的电阻，其总电阻总体更低。在另一方面，如果金属卷须串联到在耐磨颗粒的层之间的工作面24、工作面54、工作面58、工作面62，则总热阻率是累加的，因此导致传热相对较差。
[0073] 5.耐磨颗粒的形状及其宏观复合材料中的相对空间取向
[0074] 耐磨颗粒的形状影响上面列出的每个因素。另外，耐磨颗粒的形状和取向影响工作面24、工作面54、工作面58、工作面62和其对立面(即进料炉料)之间的摩擦相互作用，如下所述。
[0075] 该工作面24、工作面54、工作面58、工作面62和其对立面之间更少的接触导致更少的摩擦，并因此导致在工作面24、工作面54、工作面58、工作面62上更少的磨损、微动、拉毛和腐蚀。就此而言，使用具有球形、圆柱形、弯曲的或其它偏转的形状的耐磨颗粒会产生有益的结果。当耐磨颗粒的形状和取向被优化后，其对立面会偏离工作面24、工作面54、工作面58、工作面62而不对其造成实质性损害。这减少了在工作面24、工作面54、工作面58、工作面62上磨蚀和腐蚀两者的概率。
[0076] 该耐磨颗粒应该在基体内适当地被锚定以抵抗由一个或多个运动诸如滑动、滚动、旋转等引起的剪切和弯曲
载荷。因此，建议位于工作面上的任何耐磨颗粒都应该以其全长或直径的至少0.25延伸到基体内。
[0077] 当考虑了材料选择和所有前述因素，并且选择了根据使用环境的最佳值时，本文所限定的宏观复合材料取得了良好的耐磨性和热传导性能值。宏观复合材料的耐磨性通过使用标准化ASTM G65测试的磨损率测量，并且复合材料的热导率以％IASC刻度和W/mK测量。铸铁和铜是选择用于冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的主体14、主体44的第一金属的两种最广泛使用的材料。下表2对完全由铸铁或铜构成的常规冷却壁和使用本文所描述的宏观复合材料制成的且具有包括铜的主体14、主体44的冷却壁的热导率和耐磨性进行了比较。表2清楚地表明，具有包括本文所限定的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42具有优于常规构造的冷却原件的热导率和耐磨性能。
[0078] 表2-宏观复合材料与第一金属的磨损率和热导率对比
[0079]
[0080] 为了说明上述因素对宏观复合材料的性能的影响，设计了宏观复合材料的几个样品。表3和图2，图2A至图2H，图5-1至图5-8和图7说明了这些实施例。为了说明的目的，图2示出了设置在冷却壁12的一些肋上的许多不同类型的宏观复合材料。具有这些各种宏观复合材料的肋在图2中标记为26-1至26-8。
[0081] 图2A至图2H更详细地说明了肋26-1至肋26-8中的每一个的面层22。图2A至图2H所示的每一个面层22说明了具有不同形状耐磨颗粒66的宏观复合材料的工程构造，其中这些附图的每一个中的耐磨颗粒66以基本上重复的工程构造排布。应当理解的是，颗粒66的基本上重复的工程构造被由第二金属组成的基体70熔渗。为了清楚起见，基体70没有在图2A至图2H中示出。
[0082] 图5-1至图5-8的每一个各说明了图2和图2A-2H所示的宏观复合材料中的一个的单位体积，也说明了形成上文提到的卷须68的第二金属的基体70的一部分。在图5-1至图5-8的每一个中，箭头74限定了一个主要方向，卷须68按此主要方向通过基体70延伸到面层22的表面20，其中一些卷须平行于表面20延伸，如图5-8所示。
[0083] 实施例1-球形耐磨颗粒
[0084] 球体，如图2、图2A和图5-1所示，具有有利的
摩擦学形状，因为本质上它有单一的接触切点而没有凹口和凹槽。因此，设置有包括掺入球形耐磨颗粒66的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42预期将在使用中具有低磨损率，这是由于进料炉料和冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的工作面24、工作面54、工作面58、工作面62之间的摩擦滑动接触减少。
[0085] 图5-1说明了包括铜基体70和直径＝a的球形耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72。直径a限定了一个复合材料单胞的包络尺寸，并且该直径在3-50mm之间，例如3-10mm。这个尺寸的宏观复合材料的单位体积72导致材料具有表3中限定的性能。作为实例，图2说明了冷却元件12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-1)上的面层22包括包含铜基体70和图5-1的球形耐磨颗粒66的宏观复合材料。面层22可以包括以六方面堆积排布堆积的
单层球形耐磨颗粒66，如图2A和图6所示。应当理解的是，球形颗粒66可以替代地以如图6所示的正方面堆积排布堆积。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0086] 实施例2-垂直棒状耐磨颗粒
[0087] 纵向轴线垂直于工作面24、工作面54、工作面58、工作面62取向的圆柱形棒具有有利的形状，因为棒起到梁的作用，抵抗由于磨蚀的剪切载荷。因此，设置有包括掺入垂直于表面20取向的棒状耐磨颗粒66的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42预期将在使用中具有低磨损率。
[0088] 图5-2说明了包括铜基体70和圆柱形棒状耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72，圆柱形棒状耐磨颗粒具有直径＝a、长度＝a并且其取向垂直于单位体积72的正面，该单位体积的正面限定了面层22的表面20，其构成工作面24、工作面54、工作面58、工作面62的一部分。尺寸a限定了复合材料单胞的包络尺寸，并且其尺寸在3-50mm之间，例如3-10mm。这个尺寸的宏观复合材料的单位体积导致材料具有表3中限定的性能。图2说明了冷却元件
12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-2)上的面层22包括包含铜基体70和图5-2的圆柱形棒状耐磨颗粒66的宏观复合材料。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层
52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0089] 实施例3-平行棒状耐磨颗粒
[0090] 纵向轴线平行于工作面24、工作面54、工作面58、工作面62取向的圆柱形棒具有有利的摩擦学形状，因为在磨蚀期间，圆柱形棒的全长起到对立面(进料炉料)的导流板的作用。因此，设置有包括掺入平行于表面20取向的棒状耐磨颗粒66的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42预期将在使用中具有低磨损率，这是由于进料炉料和冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的工作面24、工作面54、工作面58、工作面62之间的摩擦滑动接触减少。
[0091] 图5-3说明了包括铜基体70和圆柱形棒状耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72，圆柱形棒状耐磨颗粒具有直径＝a、长度＝a并且其取向平行于单位体积72的正面，该单位体积的正面限定了面层22的表面20，其构成工作面24、工作面54、工作面58、工作面62的一部分。尺寸a限定了复合材料单胞72的包络尺寸，并且其尺寸在3-50mm之间，例如3-10mm。
这个尺寸的宏观复合材料的单位体积72导致材料具有表3中限定的性能。图2说明了冷却元件12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-3)上的面层22包括包含铜基体70和图5-3的圆柱形棒状耐磨颗粒66的宏观复合材料。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0092] 实施例4-垂直环状耐磨颗粒
[0093] 纵向轴线垂直于工作面24、工作面54、工作面58、工作面62取向的圆柱形环(即空心圆柱)具有有利的形状，因为该环起到梁的作用，抵抗由于磨蚀的剪切载荷。因此，设置有包括掺入垂直取向的环状耐磨颗粒66的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42预期将在使用中具有低磨损率。该环状具有内径，导致形成额外的金属基体的卷须68，以及耐磨颗粒66和金属基体70之间的额外的湿润(接触面积)。
[0094] 图5-4说明了包括铜基体70和圆柱形环状耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72，圆柱形环状耐磨颗粒具有直径＝a、长度＝a并且其取向垂直于单位体积72的正面，该单位体积的正面限定了面层22的表面20，其构成工作面24、工作面54、工作面58、工作面62的一部分。尺寸a限定了复合材料单胞72的包络尺寸，并且其尺寸在3-50mm之间，例如3-10mm。
这个尺寸的宏观复合材料的单位体积导致材料具有表3中限定的性能。图2说明了冷却元件
12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-4)上的面层22包括包含铜基体70和图5-4的圆柱形环状耐磨颗粒66的宏观复合材料。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层
52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0095] 实施例5-板状耐磨颗粒
[0096] 由单个片或彼此紧密接近的多个较小的片组成的板位于冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的工作面24、工作面54、工作面58、工作面62上，其具有全表面保护的优点，这限制了基体金属上的磨料攻击。彼此紧密接近的较小的片缓解了集料与基体之间接合处在
热膨胀系数存在大差别的情况下的热疲劳。因此，设置有包括掺入板状耐磨颗粒66的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42预期将在使用中具有低磨损率。
[0097] 图5-5说明了包括铜基体70和板状耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72，板状耐磨颗粒具有长度＝a的边，并且沿单位体积72的正面放置的面取向，该单位体积的正面限定了面层22的表面20，其构成工作面24、工作面54、工作面58、工作面62的一部分。尺寸a限定了复合材料单胞72的包络尺寸，并且其尺寸在3-50mm之间，例如3-10mm。这个尺寸的宏观复合材料的单位体积72导致材料具有表3中限定的性能。图2说明了冷却元件12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-5)上的面层22包括包含铜基体70和图5-5的板状耐磨颗粒66的宏观复合材料。单个或多个板状颗粒66可以沿工作面24设置。在说明的实施方式中，在水平肋26-5中设置了多个板状颗粒66，其中板状颗粒之间的空间限定了金属基体70的卷须68。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0099] 泡沫——具体地开孔泡沫——位于工作面24、工作面54、工作面58、工作面62上，由于其多孔性具有无限的界面面积、较轻的重量，强的结合，多个卷须和容易进行性能调整的优点。因此，设置有包括以泡沫66形式的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42会提供优越的耐磨性能并容易进行性能调整。
[0100] 图5-6说明了包括铜基体70和泡沫形式的耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72。尺寸a限定了复合材料单胞的包络尺寸，并且其尺寸在3-50mm之间，例如3-10mm。这个尺寸的宏观复合材料的单位体积导致材料具有表3中限定的性能。图2说明了冷却元件12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-6)上的面层22包括包含铜基体70和图5-6中泡沫形式的耐磨颗粒66的宏观复合材料。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0101] 实施例7-耐磨颗粒组成的网格
[0102] 位于工作面24、工作面54、工作面58、工作面62上的网格具有大的界面面积、轻的重量和由于变化的网格取向而有可变的摩擦性能的优点。因此，设置有包括网格66形式的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42会提供优越的耐磨性能。
[0103] 图5-7说明了包括铜基体70和网格形式的耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72。尺寸a限定了复合材料单胞72的包络尺寸，并且其尺寸在3-50mm之间，例如3-10mm。这个尺寸的宏观复合材料的单位体积导致材料具有表3中限定的性能。图2说明了冷却元件12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-7)上的面层22包括包含铜基体70和图5-
7中网格形式的耐磨颗粒66的宏观复合材料。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0104] 实施例8-平行珠状耐磨颗粒
[0105] 纵向轴线平行于工作面24、工作面54、工作面58、工作面62取向的圆柱形珠(空心圆柱形棒)具有有利的摩擦学形状，因为在磨蚀期间，圆柱形珠的全长起到对立面(进料炉料)的导流板的作用。因此，设置有包括掺入平行于工作面24、工作面54、工作面58、工作面62取向的珠状耐磨颗粒66的宏观复合材料的面层22、面层52、面层64的冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42预期将在使用中具有低磨损率，这是由于进料炉料和冷却元件12、冷却元件12’、冷却元件42的工作面24、工作面54、工作面58、工作面62之间的摩擦滑动接触减少。该珠状具有内径，导致形成额外的金属基体的卷须68，以及耐磨颗粒66和金属基体70之间的额外的润湿(接触面积)。
[0106] 图5-8说明了包括铜基体70和圆柱形珠状耐磨颗粒66的宏观复合材料的单位体积72，圆柱形珠状耐磨颗粒具有直径＝a、长度＝a并且其取向平行于单位体积72的正面，该单位体积的正面限定了面层22的表面20，其构成工作面24、工作面54、工作面58、工作面62的一部分。尺寸a限定了复合材料单胞72的包络尺寸，并且其尺寸在3-50mm之间，例如3-10mm。
这个尺寸的宏观复合材料的单位体积72导致材料具有表3中限定的性能。图2说明了冷却元件12，其中示出的水平肋26中的一个(在图2中标记为26-8)上的面层22包括包含铜基体70和图5-3的圆柱形珠状耐磨颗粒66的宏观复合材料。冷却元件12’、冷却元件42的面层22、面层52、面层64可以有相同或类似的组成和结构。
[0107] 表3-实施例
[0108]
[0109]
[0110]
[0111] 如上所述，面层22、面层52、面层64的厚度(或深度)可以是从约3mm到约50mm。为了提供足够的厚度，面层22、面层52、面层64可以在面层22、面层52、面层64中包括单层或多层的耐磨颗粒，一个堆积在另一个之上。
[0112] 根据另一方面，提供了一种通过使用冷却元件的阴模经济地生产本文所述的冷却元件的方法，将耐磨颗粒的工程构造定位在模具型腔内，并将熔融金属导入模具型腔内。
[0113] 模具可以是传统的砂铸模具，或永久石墨模具。使用永久性模具是有利的，因为它允许多次重复使用模具，并可能产生有更好的尺寸公差的铸件。永久性模具的这些特点分别降低了模具制造成本和加工成本，从而降低了冷却元件的生产成本。
[0114] 耐磨颗粒在工程构造中的定位可以在现场完成或通过使用定位在模具中的集料的预制组件完成。后者是有利的，因为它允许更好的制造和质量控制、金属与耐磨颗粒的结合、热导率，并减少铸造准备时间。
[0115] 尽管图2以用于高炉的冷却壁的形式示出了冷却元件12，该冷却壁具有多个平坦的水平肋26和多个水平谷28的波状结构，但应当理解的是，本文公开的实施方式通常适用于冶金炉中由于与硬的磨料颗粒材料接触而受到磨损的各种构造、尺寸和形状的冷却元件12。例如，如图3所示，冷却壁12’的面层22/工作面24有一个宽广的水平的表面，但具有很小的高度或深度。因此，冷却壁12’的整个工作面24被暴露以接触下降的进料炉料柱6(图1)。
[0116] 尽管图4以用于高炉的风口冷却器42的形式示出了冷却元件，该风口冷却器具有带有第一工作面54的截圆锥结构，但应当理解的是，本文公开的实施方式通常适用于各种构造、尺寸和形状的冷却元件42，该冷却元件由于风口冷却器的内外壁通过焦炭或其它已注入风口冷却器的燃料的磨蚀和腐蚀，以及由于与含有矿石炉料(烧结物、颗粒、
块状矿石)的交替层和焦炭的炉料直接接触导致的磨蚀和腐蚀而受到磨损。
[0117] 图7示出了包括铜基体70和平行延伸至面层22的表面20的圆柱形棒状耐磨颗粒66的宏观复合材料——如上文所述参考图2(肋26-3)、图2C和图5-3——的变体。在图7的实施方式中，棒状颗粒66为空心的，具有用于冷却剂流动的内部通道76。棒状颗粒66的端部相对于中心部分呈90度的
角度，以便围绕在冷却壁12的边缘来连接到冷却剂
歧管和冷却剂导管18。因此该实施方式提供水冷却到冷却器的工作面。
[0118] 尽管本发明已经结合某些实施方式进行了描述，但不限于此。相反地，本发明包括可能落入所附
权利要求书的范围内的所有实施方式。
