用于在火法冶金工藝容器中使用的熱交換元件的制作方法
【專利摘要】一種火法冶金容器，用于通過對溶解于熔融鹽浴中的含金屬的材料進行電解還原來生產金屬，槽包括殼體11以及位于殼體內部上的襯里12、13，襯里包括底部陰極襯里13和側壁襯里12，所述底部陰極襯里13和側壁襯里12中的至少一者包括定位在襯里中用于引導流體從中穿過的多個流體管路16、22、31、41，穿過襯里中的管路的流體流具有由三維方向性流，所述三維方向性流由插入到管路中的三維形狀提供或者由包括通過布置成三維形狀的彎曲區段結合的多個直形段的管路提供，所述三維形狀為管路的三維形狀或插入到管路中的三維形狀。管路中的3-D形狀或管路的3-D形狀形成為使得在流體中形成、中斷或改造二次流，從而在流體中賦予更強的平流。
【專利說明】用于在火法冶金工藝容器中使用的熱交換元件
【技術領域】
[0001]本發明涉及在火法冶金工藝應用中使用的工藝容器，并且特別涉及一種熱交換器布置，該熱交換器布置可包含在這些容器的耐熱襯里中，用于控制通過該容器的襯里的熱流以及回收穿過該襯里的廢熱。
【背景技術】
[0002]金屬及其礦石的火法冶金處理是在高溫(通常超過100°C并且通常大大超過900°C)下進行的。由于高的工藝溫度以及工藝材料的通常的侵蝕性，這樣的火法冶金工藝容器通常加襯有相對厚的耐熱材料層，該耐熱材料層除了別的目的之外用于使該工藝與環境條件隔離。在這樣的溫度下的化學工藝意味著，僅僅為了實現并維持該工藝溫度就需要消耗相當量的能量。加熱該容器所消耗的能量僅用來提供工藝環境，并且最終作為廢熱流失至周圍環境。
[0003]盡管在本申請中做出的概念和權利要求主要限于鋁還原工藝方面，然而本發明同樣適用于從各種火法冶金工藝中捕集廢熱。這些工藝在性質上可為連續性的或者成批次的；由于提供用于它們所包含的工藝的高溫環境而導致廢熱通過容器襯里逸出是它們之間必然的共同要素。本發明涉及容器耐熱襯里內工藝廢熱的捕集，并且不特別涉及熱收集的時間范圍。
[0004]使用所謂的霍爾-赫魯特類型的典型電解槽的鋁的現代化商業冶煉是極為能量密集型的工藝。這些槽的實際運行通常需要12-14兆瓦-時數量級的電力來生產一噸金屬鋁，其中僅有40%左右的電力用在將氧化鋁還原成金屬鋁的工藝中。還原過程是在高溫下連續運行的，并且進入槽中的其余電力轉化為熱并且最終從槽中廢棄至環境。
[0005]鋁還原工藝不僅僅依賴于連續的高溫；它在化學上也是苛刻的，使還原容器承受高溫化學反應-除了其他高度活性的化學物質之外包括氟化物-這對于可用于對還原容器進行加襯的大多數高溫耐 熱材料來說是特別不利的。出于該目的，對于本領域技術人員來說眾所周知的是，必須在還原容器的耐熱襯里的內表面上保持并控制凍結襯里，以在冶煉操作過程中保護這些耐熱襯里。Bayer在US2007/0187230中教導，可通過在還原容器的側襯里中增設冷卻通道而在構建上利于該凍結襯里的形成和控制，其中在這些通道中流通的空氣選擇性地去除來自襯里的熱。
[0006]在還原槽的熱襯里中循環的空氣將自然地通過對流而被加熱，并且包含在這樣的空氣中的熱可用于各種目的，包括對氧化鋁進料流進行預熱以用于該工藝(如Eyvind和Holmberg在W083/1631中所教導的)，或用在發電中，如Holman在W02006/031123和Aune等人在W001/94667中所教導的。在本公開中，涉及最多的是用于發電的廢熱收集。
[0007]在出于發電的目的進行廢熱回收的考慮中，重要的是應當認識到，在收集及發電工藝的開展方面，整個系統的效率和安全性是極為重要。在W001/94667中，Aune等人提議使用基于金屬(諸如鈉)的液相至氣相相變的蒸發冷卻。盡管鈉提供良好的傳熱性能，然而它是昂貴的并且在與液態鋁直接接觸的情況下會發生劇烈液-氣相變的風險。在液態鈉與空氣接觸(正如在包含液態鈉的管道系統在使用中損壞的情況下會發生的)的情況下，它還帶來了火災的風險。此外，W001/94667教導，蒸發冷卻裝置有益地利用多個閉環熱交換器，每一個閉環熱交換器均存在傳熱流體的溫度下降，由此對熱回收系統的整體效率產生不利影響。
[0008]Holman在W02006/031123中教導，空氣呈現為用于電解槽的更切實的冷卻介質，因為它的工作不需要維護密集型的閉環系統。然而，在W02006/031123中，該公開主要旨在電解槽的冷卻，使去除的熱經過渦輪增壓器布置以回收所包含的能量中的一部分。并沒有在考慮工藝的熱回收部分的效率方面做出嘗試。
[0009]Siljan在W02004/083489中教導，可將簡單的模制技術應用于還原槽襯里部件的制造中以提供傳熱流體可流經的耐熱板。盡管提及將空氣作為合適的傳熱流體，然而也提及可將特殊用途的氣體和液體作為適當的介質。W02004/083489中披露的模制裝置限于平面的主幾何形狀，例如筆直管段或蛇管，其中管的幾何形狀形成在燒結耐熱材料的雙部件夾層結構。還披露的是，這些管的橫截面可形成為包含在管路系統的軸線方向上延伸的突起，用以增加熱可傳遞經過的表面積。W02004/083489中并沒有提及使傳熱流體(諸如空氣)流經這些通道所需的能量。盡管通道的基本幾何形狀和形成這些幾何形狀的手段對于本領域技術人員是熟知的，然而它們在可用在電解槽的襯里中的耐熱板方面的應用體現了W02004/083489的主要相關內容。
[0010]熱交換器的系統效率可根據增加到流經熱交換器的傳熱流體或從該傳熱流體中去除的熱來描述，并且必須包括由于流體與熱交換器部件之間的摩擦而導致的能量消散的測量。最佳的效率涉及使傳熱流體的熱含量(通常由其溫度表示)和流速最大，而同時使能量消散(如通過例如流經熱交換器的流體的壓力降來測量的)最小。[0011]在熱交換器構造(例如用在電解容器的襯里中的主熱交換器)中，熱通過與流體通道的熱邊界的直接接觸而增加到所包含的流體中，并且通過擴散與對流過程和/或平流(advection)過程的組合而分布在流體中。在靠近流體通道表面的熱邊界層中以擴散傳熱過程為主，該擴散傳熱過程實際上顯著依賴于流動的流體與通道邊界之間的大的溫差。這樣的擴散傳熱在靜止的或運動的流體中發生。平流和對流的傳熱過程涉及由含熱介質的運動導致的熱輸送，并且積極地用于使熱后的流體與流體的較冷部分混合，由此有助于熱整體傳入或傳出傳熱介質。通常，在其所包含的流體中的較大程度的混合(或平流)有益于熱交換器的熱效率。
[0012]盡管在由明確限定的通道或管組成的熱交換器中占主導地位的流體運動顯然是沿著這些通道的軸線方向，然而會導致橫向于主通道軸線的平面中的附加運動的持續二次流可由于將大尺度的三維形狀引入這些通道中而產生。這些三維形狀在形式上(單獨地或者彼此組合地)可為插入到通道中的螺旋形(從通道邊界突起的螺旋形狀)，或者在更大尺度上可涉及螺旋形或者用于這些通道自身的螺旋形或其他三維的彎曲或截面幾何形狀。由如在本發明中披露的三維形狀所導致的混合顯著增加到通道中的熱傳遞，從而與使用由Siljan在W02004/083489中披露的二維幾何形狀的熱交換器相比提高了這些通道安裝于其中的熱交換器的熱效率。
[0013]可通過在焙燒或燒結時保持模制形狀的簡單模制的部件將三維彎曲通道制造成對電解容器加襯的耐熱材料。然而，如在本發明中所描述的三維幾何形狀排除了如由Siljan在W02004/083489中教導的雙部件組件的使用。然而，可使用三部件組件來形成所關注的最規則幾何形狀，其中，每個部件均使用陶瓷水泥或其他結合材料而模制并結合成完整的組件。
[0014]因此，本發明的目的是提供一種裝置，通過該裝置可將穿過用于生產鋁的電解容器的襯里的熱從襯里中最有效地抽取出來，用以控制容器內凍結襯里的形成，并且用以回收穿過容器耐熱材料的廢熱中的顯著的一部分，以用于轉換為電能或對鋁還原工藝可用的其他形式。
[0015]本說明書中對任何現有技術的提及并非且不應當被理解為承認或以任何形式暗指該現有技術形成任意領域的公知常識的一部分，或者可合理預見該現有技術對于本領域技術人員而言是確定的、被理解的并且被視為是相關的。
【發明內容】
[0016]根據本發明的一個方面，提供了一種用于通過對含金屬的材料進行電解還原來生產金屬的火法冶金容器，所述容器包括
[0017]殼體，以及
[0018]位于該殼體內部上的襯里，該襯里包括
[0019]底部陰極襯里和側壁襯里，所述底部陰極襯里和側壁襯里中的至少一者包括定位在該襯里中用于引導流體在其中穿過的多個流體管路，穿過襯里內的管道的流體流具有三維方向性流，所述三維方向性流由插入到管路中的三維形狀或者包括由布置成三維形狀的彎曲區段結合的多個直形區段的管路來提供。
[0020]幾何形狀變化的目的在于連續形成、中斷或改造管路中的二次流，使得在流體中產生更強的平流。
[0021]在另一個方面，本發明提供一種用于通過對含金屬的材料進行熱還原或其他方式的還原來生產金屬的火法冶金容器，所述槽包括
[0022]殼體，以及
[0023]位于所述殼體內部上的襯里，該襯里包括
[0024]耐熱襯里，包括定位在該襯里內用于引導流體在其中穿過的多個流體管路，穿過所述襯里內管路的流體流具有三維方向性流，所述三維方向性流由插入到管路中的三維形狀或者包括由布置成三維形狀的彎曲區段結合的多個直形區段的管路來提供。
[0025]如上所述，3-D形狀的幾何形狀變化的目的在于連續形成、中斷或改造二次流，使得在流中產生更強的平流。
[0026]在上述任一個方面的一個優選形式中，為了提供3-d方向性流，襯里中的管路具有三維方向變化。優選地，該方向變化由為三維彎曲形狀的管路提供，該管路包括由多個彎曲區段結合的直形區段。
[0027]在另一個優選形式中，管路在二維平面中對準，三維形狀插入到這些二維管路中。提供3-D方向性流的一種優選的插入物的3-d形狀具有的高度和長度沿著管路長度而變化。優選地，插入物為插入到通道中的螺旋插入物或從通道邊界突起的螺旋形狀。
[0028]該火法冶金容器可為用于通過對溶解于熔融鹽浴中的含金屬的材料(例如鋁的氧化物，稱為氧化鋁)進行電解還原來生產金屬的電解槽(electrolytic cell)。流體管路在、容器的側壁襯里和/或底部陰極襯里內延伸，該容器的側壁襯里和/或底部陰極襯里具有諸如泵或風扇的裝置，這樣的裝置會使流體流經管路。這些管路以及流經這些管路的流體可被認為是熱交換器。
[0029]在本發明的上下文中，容器的側壁為槽的長側壁和端壁。
[0030]在本發明的另一個方面，提供一種操作用于通過對含金屬的材料進行熱還原或其他方式的還原來生產金屬的火法冶金容器的方法，所述槽包括殼體以及位于殼體內部上的襯里，所述方法包括以下步驟:
[0031]在槽中的由含金屬的材料和耐熱材料形成的浴槽中對含金屬的材料進行還原；
[0032]通過使冷卻劑的流穿過定位在襯里中用于引導流體通過的多個流體管路而在槽的襯里上形成耐熱材料的凍結襯里或凸緣，穿過襯里內管道的流體流具有由三維方向性流，所述三維方向性流由插入到管路中的三維形狀或者包括由布置成三維形狀的彎曲區段結合的多個直形區段來提供，該3-D形狀具有形狀上的變化以連續形成、中斷或改造二次流，使得在管路內的流體中產生更強的平流。
[0033]如在本文中使用的，除非上下文中另有要求，否則術語“包括(comprise)”及其，諸如“包括(comprising)”、“包括(comprises)”和“包括(comprised)”,并不旨在排除其他添加物、部件、整體、或步驟。
[0034]通過以下參照附圖以實例的方式給出的描述，本發明的其他方面以及在前面段落中描述的方面的其他實施例將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為根據本發明的電解槽的截面圖；
[0036]圖2為電解槽的側板內的管路系統的第一實施例的軸測視圖，示出了位于管路的內表面上的三維凸脊；
[0037]圖3為本發明的第二實施例的軸測視圖，示出了位于電解槽的側板內的螺旋管路；
[0038]圖4為本發明的第三實施例的軸測視圖，示出了位于電解槽的側板內改進的螺旋
管路；
[0039]圖5為現有技術的管路的軸測視圖；以及
[0040]圖6 (a)、圖6 (b)和圖6 (C)為龐加萊(Poincare)截面，分別呈現直管、如在現有技術中披露的蛇管(Siljan在W02004/083489中披露并在圖5中示出)、以及在本文中披露的不規則螺管(圖4)的橫向速度擴展圖。
【具體實施方式】
[0041]應當理解的是，在本說明書中披露和限定的本發明可擴展至所提及的或者從文本部分和附圖部分顯而易見的的單個特征的兩個或更多個的所有可替換組合。所有這些不同的組合構成本發明的各個可替換方面 。
[0042]還應當進一步理解的是，盡管本發明的主要實施例是就直接應用于鋁冶金工藝及其裝備的方面來描述的，然而本發明類似地可應用于任何火法冶金工藝容器，其中被加熱的工藝材料容納在加襯有耐熱部件的容器內，通過這些耐熱部件使過量的熱從工藝中廢棄至環境。
[0043]在圖1中示出的電解容器的橫截面圖中，容器的結構由鋼制殼體(11)、耐熱側部襯里部件(12)、耐熱絕熱子陰極襯里部件(13)以及碳質陰極塊體(14)組成。襯里部件
(12)、(13)使用合適材料的多個塊體、磚形件和/或預制板來形成，以阻隔火法冶金工藝在其中運作的熱環境和化學環境。這些部件中的每一個均獨立地安裝，并且可通過陶瓷砂漿(mortar)、水泥或其他高溫密封和/或粘結性化合物結合至其相鄰的部件。
[0044]在電解槽中，側部襯里和底部襯里由耐熱材料制成，所述耐熱材料包括但不限于碳質材料以及通常由鋁、鈦、鎂、鋯或硅的氧化物、氮化物、碳化物或硼化物或者這些材料或化合物的組合制成的陶瓷。這些耐熱部件也可呈現為由基礎的耐熱材料制成的粘結或熔融復合材料的形式。對于鋁的電解，供考慮的材料通常為結合有氮化硅的碳化硅。
[0045]緊貼耐熱部件形成的凍結襯里(freeze lining)或凸緣(ledge) (15)為容器襯里的重要部分，因為其用于保護耐熱材料免受包含在容器中的液體的苛刻化學環境。該凍結襯里在工藝電解液通過與耐熱襯里部件的接觸而被冷卻至其液相線以下時形成；這些部件處于比工藝液體更低的溫度下，因為它們位于當容器工作時熱通過其離開該容器的導熱路徑上。
[0046]對火法冶金中的大多數耐熱應用而言常見的是，這些耐熱部件中的很多(諸如鋁電解槽的側部襯里)為矩形板的形式，其通常定位成靠近或接觸包含在槽內的熔融材料。出于對通過電解容器的側部的熱能的回收以及對容器內的凍結襯里的控制的考慮，這些板遇到的高溫表明它們將理想地適用于熱交換器應用。因此，本發明力圖在這些部件中設置管路，這些管路使這些板除了它們通常的包含作用外還能有效地用作熱交換器和熱控制裝置。這些管路的如將在鋁電解槽中使用的位置在圖1中示出。
[0047]當操作這種類型的電解容器時，有利的是能夠控制穿過耐熱襯里部件的熱，以控制凍結襯里的形成并且有助于回收來自工藝的廢熱。在本發明中，傳熱管(16)構建到特定的耐熱襯里部件中，用于以受控的方式從該襯里中去除熱，由此提供調節凍結襯里(15)的厚度的手段，并且在熱傳遞至流經管道的流體的過程中能夠在另一個位置以有用的形式(諸如電能)回收熱。
[0048]就在電解容器的熱流體內容物泄漏到襯里中的情況下以安全的方式操作該電解容器的方面而言，在管道中流動的液體在高溫下不能與可能的任何環境要素快速發生反應，并且在快速受熱時不能發生劇烈的(explosive)相變。空氣、其穩定的組分(例如氮氣)、或者某一范圍內的惰性氣體中的一種或氣體混合物均適于作為傳熱介質，盡管如此，其他流體可能也具有這些特性。泵、風扇、鼓風機或本領域技術人員熟知的其他動力裝置被用來驅使流體通過容器襯里中的管路。
[0049]該電解容器襯里及構建到襯里中的熱交換器管路可被認為是運行系統，其中能量從容器的液體內容物進入系統中、通過該換熱流體去除并且通過諸如風扇等的寄生能量流失至該系統。顯然，由于熱交換器管路中的低效率，穿過襯里的熱的一部分可能會繞過該管道并且不能被捕集，這同樣會影響系統的效率。就對容器凍結襯里的控制以及對換熱器流體中的能量的最終回收的方面而言，系統的效率(包括熱交換器裝置的寄生損耗)對其成功運行是至關重要的。
[0050]在本發明中，其系統效率通過在傳熱流體內引入有利的二次流來提高；所述二次流通過提供具有傳熱管道形狀的合適的三維幾何形狀而建立。三維管道的形狀，在提供改進傳熱的余地的同時還通常增大管道內的流體摩擦，由此通過增加對風扇或泵的要求而增大了寄生能量損耗。在傳熱流體中提供有益的二次流的幾何形狀包括處于管路(具有各種橫截面的管路或者改進的螺旋管)的內邊界中的螺旋凸脊，如圖2、圖3和圖4所示，然而這并不是排他性的。
[0051]眾所周知的是，與周圍環境處于不同溫度下的流經管路的流體會使熱從流體輸送至周圍環境或者從周圍環境輸送至流體，直到該流體處于與周圍環境相同的溫度下。在使這些管路成形為對流經它們的流體的方向性流賦予獨特的三維特性時，管路內的熱平流顯著加強，這帶來傳熱效率的提高。這種加強的傳熱產生于由管道的三維幾何結構對流動流體帶來的二次流。實際上，這種加強的傳熱效率轉變成傳熱流體的溫度變化的增大或轉變成熱交換器管路系統所需長度的減小。
[0052]在本發明的一個優選形式(在圖2中示出)中披露了一種管道形狀，其特點在于從管路(22)的壁的至少一部分上形成的螺旋突起(21)。這些突起用于在穿過管道的流體中引入螺旋二次流，由此改善對在管路中流動的流體的傳熱。這些凸脊的程度使得管路的相當一部分-通常大于5%、更優選地大于10%且通常小于50%、更優選地小于40%的主橫截面的管路尺寸-由于它們的存在而被中斷，由此對在穿過管路的流體的至少一部分引入旋轉二次流。
[0053]本實施例的管路系統的凸脊(ridge)的橫截面形狀為規則的幾何形狀，通常由形成為管路壁的一部分的直線形或曲線形區段或它們的組合而形成。這些凸脊的形狀和尺寸(特別是高度和長度)可有益地沿著管路的軸線改變，該形狀的變化有益地有助于管路內的熱平流。盡管在圖2中示出的突起具有三角形的橫截面，然而大量的多邊形和/或曲線形形狀中的任一種。
[0054]在本發明的該實施例中，管路的中心軸線布置成使得管路的整個周緣均包容在耐熱材料板內。該軸線可為直線形區段、曲線形區段或直線形和/或曲線形線段的組合，其最有利地接觸到穿過電解容器側襯里的熱。
[0055]在本發明的第二優選形式(在圖3中示出)中披露了一種螺旋管路形狀(31)。該螺旋管道形狀在流體中賦予呈兩個反向旋轉的旋渦(vortice)形式的二次運動，這兩個旋渦的旋轉軸線沿著螺旋的軸線。這些迪恩(Dean)旋渦的旋轉運動用來混合螺旋管道中的流體。
[0056]這些螺旋熱交換器管路定位在用作電解槽內的側部襯里部件的耐熱材料板的內部。流經這些管路的流體(優選地為諸如空氣)由于螺旋形幾何形狀的原因而新城特征性的二次流，這些二次流用于橫向穿過管路橫截面的流動流體同時與其沿著管路的軸線方向的運動混合，由此加強傳熱流體內的熱平流。
[0057]螺旋管路的橫截面形狀可為圓形、多邊形或者由直線形區段和曲線形區段組成的其他閉合形狀，并且在管路通道內可包含多種突起形式(諸如鰭片、卷、或其他表面不規則形狀)中的任一種，作為管路通道的內部結構的一部分。螺旋管路的橫截面形狀的尺寸或形式也可沿著其彎曲軸線的長度而變化，該形狀上的變化也可有助于加強螺旋管路內的熱平流。
[0058]在本發明的 該實施例中，該螺旋所圍繞的主中心軸線的位置構建成使得螺旋管路完全包含在耐熱板內并且不與螺旋的相鄰區段干涉。盡管最有可能的是，主中心軸線是直線形的并且在耐熱板安裝時豎直地位于耐熱板內，然而該主中心軸線可為將最有利于接觸穿過電解容器側襯里的熱的任何直線形或曲線形形狀。
[0059]該螺旋的彎曲路徑還用于使流體穩定地轉變成湍流，由此減少經由管路的壓降。盡管如在圖3中所示的螺旋管路的橫截面為圓形，然而該實施例可采用多種多邊形和/或曲線形的橫截面形狀中的任一種。
[0060]在本發明的第三優選實施例中，圖4公開了一種改進的螺旋管路(41)，其中，管路的主方向上的曲率連續地位于兩個相互正交的方向上。這種形狀的特點是隨著管路再次圍繞共同的主中心軸線整體形成而具有處于兩個不同方向上的曲率。在這種類型的彎曲管路中流動的流體由于主流動路徑的曲率的原因而在性質上再次保持分層，但是由于曲率的軸線方向的改變而無法形成與螺旋流動路徑相關聯的特征性的迪恩旋渦。取而代之的是，流動的流體產生不規則運動，其特點是由作用在橫向于主流動方向上的二次速度場而形成的隨機旋渦(swirl)和折流(fold)。這些旋渦和折流用于在管路中將處于其路徑中的流體徹底混合。盡管在圖4中示出的管路的橫截面為正方形，然而在限定改進的螺旋管路方面可采用多種多邊形和/或曲線形的橫截面形狀中的任一種。圖4的管路由布置成3-D布置的直線形區段和彎曲區段的組合而構成。所示彎曲區段為半圓和四分之一圓的轉向部(turn)，但本發明并非必然局限于90度和180度的彎曲區段。
[0061]在使用這種雙彎曲的幾何形狀方面發現的優點首先在于，它能夠將管路外周的更大的部分呈現至襯里面板的最熱的一側，由此使更多的表面積暴露至更高的溫度。這種雙彎曲還積極地中斷與具有單個曲率的螺旋相關聯的迪恩旋渦的規則的形成，并且取而代之形成大尺度的不規則二次流，該二次流與存在于更常規的分層流中的平流(即使該平流被輔以常見的二次流體系)相比對于更有效的熱平流而言是更顯著的。
[0062]盡管在圖4中示出的該實施例的橫截面的形狀為正方形，然而也可在該實施例中采用其他規則的形狀，諸如圓形、多邊形或由直線形區段或曲線形區段組成的其他封閉形狀。管路的橫截面形狀的尺寸或形式還可沿其彎曲軸線的長度而變化，該形狀上的變化也可有助于加強管路中的熱平流。
[0063]在本發明的優選形式中，穿過鋪設于如在本申請中披露的電解槽的襯里中的三維管路系統將通過與襯里部件的接觸而被加熱，該熱可被視為來自電解工藝的回收的廢熱。加熱后的空氣然而穿過能量回收模塊，通過熱電、熱磁、有機朗肯(Rankine)循環、或對于能量回收工藝中的熟練技術人員已知的其他手段將包含在空氣中能量轉換為電。
[0064]發明的實體化
[0065]本發明公開了一種裝置，該裝置通過對管路的路徑使用適當的三維幾何形狀以造成橫向混合流來提高在管路中流動的流體的傳熱能力。這些混合流的發展實質可通過如在圖6中所示的計算出的橫向管路流速的龐加萊截面。在這些截面中示出的速度只是作用在主管路內并與主管路流動方向正交的橫向分量。
[0066]在圖6中示出的龐加萊截面分別呈現直管、如Siljan在W02004/083489中披露并在圖5中示出的蛇管、以及在本文中披露的不規則螺管(圖4)的橫向速度擴展圖。在圖6a中示出的直管流中，邊界層之外的明顯的流是很少或不存在的。在圖6b中示出的用于蛇管的截面示出微弱橫向流的擴展，由于粘滯力和管路中彎曲部性質相反的原因，橫向流并未充分擴展。在圖6c中示出的對方形改進螺線管做出的龐加萊截面呈現出強烈擴展的橫向二次流，如在本發明中所披露的。
[0067]本發明的有效性可通過對流過呈現為電解槽側壁區段的構造的材料的組件的熱流數字地進行模擬來證實。對進入壁結構區段的熱流以及流經在本發明中公開的管路的空氣對該熱流的捕集的數字模擬使用計算流體動力學的計算機編碼FLUENT來進行。對于每個三維管路形狀，將管路對流經該材料的熱的捕集的效率與相同材料布置中的單個直圓管路的熱捕集效率進行比較。
[0068]以下的表1呈現在本專利中所披露的三個實施例與二維管路的幾何形狀在熱捕集效率和空氣溫度方面的比較。對于每一種情況，模制管路的主橫截面尺寸采用大約30mm，并且通過管路的空氣的質量流率為0.00175kg/sec。用于傳遞至沿著計算測試區段的350mm高度的管路內的空氣的可用總的熱輸入為367.52W。
[0069]表1
[0070]
【權利要求】
1.一種火法冶金容器，用于通過對溶解于熔融鹽浴中的含金屬的材料進行電解還原來生產金屬，所述槽包括 殼體，以及 位于所述殼體內部上的襯里，所述襯里包括 底部陰極襯里和側壁襯里，所述底部陰極襯里和側壁襯里中的至少一者包括定位在所述襯里內用于引導流體從中穿過的多個流體管路，穿過所述襯里內的所述管路的流體流具有三維方向性流，所述三維方向性流由插入到所述管路中的三維形狀提供或者由包括通過布置成三維形狀的彎曲區段而結合的多個直形區段的所述管路提供。
2.根據權利要求1所述的容器，其中，所述襯里中的所述管路的方向具有三維的變化。
3.根據權利要求2所述的容器，其中，所述襯里中的所述管路為螺旋形或其他三維彎曲的形狀。
4.根據權利要求1所述的容器，其中，所述管路在二維平面中對準并且三維形狀插入到這些二維管路中。
5.根據權利要求4所述的容器，其中，3-d形狀的高度和長度沿著所述管路的長度而變化。
6.根據權利要求5所述的容器，其中，插入物為插入到通道中的螺旋插入物或者為從所述通道的邊界突起的螺旋形狀。
7.—種火法冶金容器，用于通過對含有金屬的材料進行熱還原或其他方式的還原來生產金屬，所述槽包括 殼體，以及 位于所述殼體內部上的襯里，所述襯里包括 耐熱襯里，包括定位在所述襯里內用于引導流體從中穿過的多個流體管路，穿過所述襯里內的所述管路的流體流具有三維方向性流，所述三維方向性流由插入到所述管路中的三維形狀提供或者由包括通過布置成三維形狀的彎曲區段而結合的直形區段的所述管路提供。
8.根據權利要求7所述的容器，其中，所述襯里中的所述管路的方向具有三維的變化。
9.根據權利要求8所述的容器，其中，所述襯里中的所述管路為螺旋形或其他三維彎曲的形狀。
10.根據權利要求7所述的容器，其中，所述管路在二維平面中對準并且三維形狀插入到這些二維管路中。
11.根據權利要求10所述的容器，其中，3-d形狀的高度和長度沿著所述管路的長度而變化。
12.根據權利要求11所述的容器，其中，插入物為插入到通道中的螺旋插入物或者為從所述通道的邊界突起的螺旋形狀。
【文檔編號】C21B7/10GK103476969SQ201280017501
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年4月5日 優先權日:2011年4月8日
【發明者】英戈·拜爾, 布魯斯·林斯比奧姆斯特德 申請人:Bhp比利頓鋁技術有限公司