铜钢铜复合水套 |
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| 申请号 | CN202311774943.5 | 申请日 | 2023-12-22 | 公开(公告)号 | CN117448506B | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 河北万丰冶金备件有限公司; | 发明人 | 胡卫欢; 闫丽峰; 刘东东; 马腾; 李渊; 赵冬火; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及一种 铜 钢 铜复合 水 套，包括：爆炸复合的水套本体，水套本体呈长方体形状，包括位于两侧热面的第一铜层和第二铜层，以及位于第一铜层和第二铜层之间的钢层，钢层分别与第一铜层和第二铜层经爆炸复合相邻的区域形成过渡层；第一铜层和第二铜层内分别开设有多条水道；其中，水套本体的长度为2.5m‑5.5m；钢层的厚度为8‑30mm；第一铜层和第二铜层各自的厚度均为50mm‑100mm。通过双层爆炸复合技术使提高了水套的机械强度，水套整体的挠度 变形 小，而且两层铜层内部均开设有水道，换热效果极好，使用寿命长，可提升 冶炼 炉的运行指标和经济指标。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种铜钢铜复合水套，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 铜钢铜复合水套技术领域背景技术[0003] 但是，由于绿色节能降碳冶炼大环境下，冶炼炉越来越集成化、大型化，使用隔墙水套跨度也越来越大。隔墙水套的一面是千度以上的熔炼环境，另一面受高温烟气的冲刷，整个使用环境非常恶劣。所以，隔墙水套的跨度越大，且自身重力越大，高温下越容易易发生挠区变形，会在中间产生裂纹，甚至贯穿断裂，底部冲刷漏出铜管，端面铜管由于水套变形发生割管等现象。现有技术中，在结构上做T型或L型的隔墙水套能在一定程度缓解其变形，但是会大大增加水套重量，提高铸造和加工难度，提升成本。 [0004] 而且，隔墙水套在冶炼炉内起到隔离熔池区和烟气区的重要作用，它的使用寿命直接关系到修炉的周期，每次修炉更换水套约5‑8天，对于大型冶炼炉的经济损失是巨大的。 [0005] 因此，设计出一种强度高，挠度变形小，具有良好的换热效果，使用寿命长的隔墙水套是亟待解决的技术问题。发明内容 [0006] 针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种铜钢铜复合水套，通过双层爆炸复合技术使得水套的强度高，挠度变形小，而且内部开设有两套水道，换热效果良好。 [0007] 本申请的铜钢铜复合水套包括：爆炸复合的水套本体，所述水套本体呈长方体形状，包括位于两侧热面的第一铜层和第二铜层，以及位于所述第一铜层和所述第二铜层之间的钢层，所述钢层分别与所述第一铜层和所述第二铜层经爆炸复合相邻的区域形成过渡层；所述第一铜层和所述第二铜层内分别开设有多条水道； 所述水道的两端分别设有用于冷却水进入的进水管和流出的出水管；其中，所述水套本体的长度为2.5m‑5.5m；所述钢层的厚度为8‑30mm；所述第一铜层和所述第二铜层各自的厚度均为50mm‑100mm。 [0009] 根据本申请的实施例，可选地，所述铜钢铜复合水套在常温下的变形量是相同长度、相同厚度的纯铜水套变形量的0.5‑0.7倍。 [0010] 根据本申请的实施例，可选地，所述第一铜层和所述第二铜层的外表面沿垂直于所述水套本体长度方向上分别开设有燕尾槽，所述燕尾槽的槽深为5‑25mm，槽宽为20‑50mm，槽体间隔60‑100mm。 [0012] 根据本申请的实施例，可选地，所述水道孔形包括单一孔或者多联孔，其中，所述多联孔包括2个或2个以上的相互部分重叠的圆孔构成。 [0013] 根据本申请的实施例，可选地，当所述水道孔形为两联孔时，所述两联孔的两个圆孔的圆心共线；或者，当所述水道的孔形为多联孔时，所述多联孔的多个圆孔的圆心中至少有两个圆心共线。 [0014] 根据本申请的实施例，可选地，在所述水道的管道壁上加工有预定形状的纹理，用于延长所述水道的截面的周长。 [0016] 根据本申请的实施例，可选地，所述水道的管道壁孔型加工有预定形状的换热部，所述预定形状的换热部沿所述水道的轴向长度方向延长。 [0017] 本申请提出的铜钢铜复合水套，通过双层爆炸复合技术使得钢层的两侧表面均复合有一层铜层，提高了水套的机械强度，水套整体的挠度变形小，而且两层铜层内部均开设有水道，水道的孔形多样，换热效果极好，使用寿命长，可以大大提升隔墙水套冶炼炉的各项运行指标和经济指标。附图说明 [0018] 下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中： [0019] 图1是本申请一个实施例的铜钢铜复合水套的整体结构示意图； [0020] 图2是图1的M向示意图； [0021] 图3是图1中E向示意图； [0022] 图4是本申请一个实施例的铜钢铜复合水套铜层、过渡层以及钢层的微观结构示意图； [0023] 图5是图4中A、B、C三点对应的纳米压痕强度测试数据图； [0024] 图6是本申请一个实施例的铜钢铜复合水套在高炉内的使用状态示意图； [0025] 图7是本申请一个实施例的铜钢铜复合水套的水道的孔形示意图； [0026] 图8是本申请另一个实施例的铜钢铜复合水套的水道的孔形示意图。 [0027] 附图标记： [0028] 100、铜钢铜复合水套；110、水套本体；111、第一铜层；112、第二铜层；113、钢层；114、过渡层；120、水道；131、进水管；132、出水管；150、燕尾槽。 具体实施方式[0029] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0030] 在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。 [0031] 如图1至图6所示，本申请的铜钢铜复合水套100包括：爆炸复合的水套本体110，所述水套本体110呈长方体形状，包括位于两侧热面的第一铜层111和第二铜层112，以及位于所述第一铜层111和所述第二铜层112之间的钢层113，经爆炸复合后，如图4所示，所述钢层113分别与所述第一铜层111和所述第二铜层112相邻的区域形成有过渡层114。 [0032] 继续参见图1并结合图4及图5所示，本申请实施例中的铜钢铜复合水套，采用双重爆炸复合技术，首先将一层铜板与一层钢板进行爆炸复合，再用一层铜板与第一次爆炸复合所得的铜钢复合板进行第二次爆炸复合，制作成由两层铜层之间夹住一层钢层的铜钢铜复合水套本体。爆炸复合制成的铜钢复合板具有结合强度高、耐腐蚀性能好、适用范围广和工艺简单等诸多的优点，为高炉设备领域提供了一种具有优异性能的新型复合材料。通过爆炸复合技术生产的水套，铜层与钢层之间的结合强度更高。参见图4所示，第一铜层111与钢层113在爆炸复合之后紧密融合在一起，铜铁两层相融形成了一层过渡层114，图5中分别测试了第一铜层111、钢层113、过渡层114的纳米压痕强度，其中图4中A点取自第一铜层，B点取自钢层，C点取自过渡层，第一铜层111测试所得的纳米压痕强度为3.790GPa；钢层113测试所得的纳米压痕强度为9.011GPa；而过渡层114测试所得的纳米压痕强度为15.707GPa，过渡层的纳米压痕强度高于铜层也高于钢层，说明本申请实施例中的水套本体的铜层与钢层结合强度好，过渡层的性能更优越，同时，水套本体的抗热震变形能力优异。 本申请的铜钢铜复合水套具有两个铜钢间的过渡层，能够进一步提升水套的强度。需要说明的是，图4仅对第一铜层111和钢层113之间的过渡层114进行了说明，第二铜层112和钢层 113之间同样存在过渡层114，结构和特性与上述内容相似，在此不再赘述。 [0033] 铜钢爆炸复合板兼有了铜和钢的优点，即使在使用环境非常恶劣的高炉中，面对千度以上的熔炼环境以及高温烟气的冲刷也可以具有良好耐腐蚀性能；而且，与传统的复合材料制备方法相比，爆炸焊接工艺相对简单。通过适当的处理，可以实现大面积、大板幅的铜钢爆炸复合。这有助于降低水套的生产成本并提高生产效率。 [0034] 继续参加图6所示，本申请的铜钢铜复合水套100在使用时，可以通过支架（图中未示出）支起两侧完成安装，使得第一铜层面相高炉内的一侧反应环境，第二铜层面相高炉另一侧的反映环境，侧面朝上，进水管131和出水管132分别位于两侧。在一个铜钢铜复合水套100被支起之后，可以在其上再叠放多层铜钢铜复合水套100以逐渐垒积形成一面墙体，将高炉内环境不同的两部分区域隔开。在一些实施例中，可以根据高炉炉内的实际尺寸的需要调整水套本体的长度，可以如图6所示垒积为倒梯形的墙体与长方形的墙体的组合形式，上方的倒梯形的墙体结构设置的好处在于，能够有效减少长跨度的水套变形量变大的问题。由于水套的长度越长，其中间部位受重力的影响产生的变形量就越大，如果在跨度长的水套下面还有其他水套的支持，共同组合形成倒梯形结构，可以减少长跨度水套在垂直方向上的变形量。在其他一些实施例中，也可以通过吊起水套两端的方式使用本申请提出的复合水套，这种方式作为本领域内隔墙水套的常规使用方式，在此不再赘述。 [0035] 如图1至图8所示，所述第一铜层111和所述第二铜层112内分别开设有多条水道120；所述水道120的两端分别设有用于冷却水进入的进水管131和流出的出水管132。在第一铜层和第二铜层中分别开设水道的好处在于可以提升复合水套的换热效果。据实际使用及模拟分析，开设双层水道冷却效果优于纯铜水套。在一些实施例中，通过深孔钻孔开设水道加工方便，且换热效果好于埋管铸造的水道。 [0036] 其中，所述水套本体110的长度为2.5m‑5.5m。由于冶炼炉越来越大型化，使隔墙水套跨度也越来越大，但是跨度越大，且自身重力越大，高温下更易发生挠区变形，会在中间产生裂纹，甚至贯穿断裂，底部冲刷漏出铜管，端面铜管由于水套变形发生割管等现象。因此，隔墙水套的机械性能是能否作出长跨度隔墙水套的关键。行业内目前还无法作出5m的隔墙水套，本申请实施例的隔墙水套由于机械性能优异，经过测试可以做到5.5m左右的长跨度，能够适应大型冶炼炉。 [0037] 参考图1‑图3所示，在实际应用中根据不同的需要，所述钢层113的厚度可以在8‑30mm范围内；所述第一铜层111和所述第二铜层112各自的厚度可以在50mm‑100mm范围内。 三层铜钢铜复合板的中间厚度则可以是8‑30mm范围内的钢或不锈钢，可根据冶炼炉炉内反应环境指定材质，以提高水套的抗变形能力。在一些实施例中，两侧的铜层可以为轧制铜板。钢层的厚度虽然大大小于铜层的厚度，但是却对提升本申请铜钢铜复合水套的机械性能至关重要。铜层较厚，内部也可以开设出内径较大的水道，能够提升水套的换热能力，延长水套的使用寿命。 [0038] 常温下，分别对纯铜水套和本申请一个实施例的铜钢铜复合水套进行变形量模拟测试试验，所得的模拟结果显示出本申请的铜钢铜复合水套在常温下的变形量是的纯铜水套变形量的0.5‑0.7倍。 [0039] 在模拟实验中，采用了总长度相同、总厚度相同的纯铜水套和铜钢铜复合水套，其中两种水套的总长度为4500mm，总厚度为160mm。铜钢铜复合水套中，两侧的铜层分别为70mm，中间的铜层为20mm所得到的模拟图在长度方向上分别显示出两种水套的侧面，并用十个不同的区块表示出水套的总变形量的多少，各个区块的具体变形量如下表所示。 [0040] [0041] 由上表可知，其中，以0变形为起点，分别位于各个水套的两端，从两端逐渐向水套的中间位置处，变形量逐渐加大，区块1靠近水套两端而区块9处于水套的正中间区段，该区段的变形量最大，由于水套处于横置的位置，从变形量的分布情况可以看出，造成水套产生形变的最主要的因素为其自身重力。需要说明的是，各个区块的长短并非等距，是按照该区段的变形量大小过渡形成，因此不同的水套的区块长短距离会有所区别。 [0042] 在如上表所示的变形量模拟试验中各个区块的变形数据可知，常温环境下，纯铜水套的变形量的最大值为0.64676mm。而同等条件下，相同长度、相同厚度的铜钢铜复合水套的变形量的最大值仅为0.43984mm，位于水套正中间区段的区块9的长度最长，大约占到铜钢铜复合水套总长的1/4。经计算即可得出，同等条件下铜钢铜复合水套的变形量是纯铜水套变形量的0.68倍。可见，本申请的铜钢铜复合水套的挠区变形量更小，使用寿命更长。 [0043] 参加图2、图3及图7所示，所述第一铜层111和所述第二铜层112的外表面沿垂直于所述水套本体长度方向上分别开设有燕尾槽150，所述燕尾槽150的槽深在5‑25mm范围内，槽宽在20‑50mm范围内，槽体间隔在60‑100mm范围内。如图7所示，燕尾槽150的深度不触及到铜层内开设的水道120，即：不与和水道120发生干涉，其作用是利于挂渣，能够耐磨耐冲刷耐腐蚀，利于挂渣形成渣皮以耐高温，保护水套，提高水套的使用寿命；同时，燕尾槽也可增大铜层的换热面积，增强换热，降低水套温度，从而减少水套因温度过高而发生的挠曲变形量。 [0044] 根据本申请的实施例，可选地，所述水道120孔形可以包括如图7所示的单一孔或者如图8所示的多联孔，其中，所述多联孔包括2个或2个以上的相互部分重叠的圆孔构成。为了确保冷却水流向大体的一致性，如图8中，水道120的孔形为两联孔时，所述两联孔的两个圆孔的圆心共线；当所述水道120的孔形为多联孔例如三联孔时，三个孔的圆心共线，在其他实施例中，也可以开设四联孔和五联孔等多联孔形，多联孔的多个圆孔的圆心中至少有两个圆心共线。多连孔可以适当减少铜厚，减少贵重金属铜用量，减轻自重，减少水套挠曲变形。 [0045] 在一些实施例中，还可以在所述水道120的管道壁上加工有预定形状的纹理，用于延长所述水道的截面的周长。所述预定形状的纹理包括在所述管道壁上分布的螺纹形，所述螺纹形为沿所述水道的长度方向延伸的单螺纹形或多螺纹形，以引导冷却水螺旋流出，增加换热面积。 [0046] 参考图8所示，根据本申请的实施例，可选地，所述水道120的管道壁孔型开可以加工有预定形状的换热部，比如：图8中所示的水道120外轮廓上的凸齿，所述预定形状的换热部沿所述水道的轴向长度方向延长。具体的孔形无需做限定，能够符合现场环境即可，除常用的凸齿孔形和螺纹状孔形之外，还可以开设其他异形水道，增强换热。 [0047] 本申请提出的铜钢铜复合水套，通过双层爆炸复合技术使得钢层的两侧表面均复合有一层铜层，提高了水套的机械强度，水套整体的挠度变形小，而且两层铜层内部均开设有水道，换热效果好，还可以根据实际需求开设多种孔形，减少铜层的重量。本申请提出的铜钢铜复合水套使用寿命长，可以大大提升隔墙水套冶炼炉的各项运行指标和经济指标。 [0048] 上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。 |
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