專利名稱：無焦沖天爐水冷爐柵的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鑄造生產中所用的鑄鐵熔化爐的一種水冷件，更具體地說，涉及無焦沖天爐爐膛內支撐金屬與非金屬爐料的水冷爐柵。
背景技術：
無焦沖天爐是一種新型的鑄鐵熔化爐，包括燃氣沖天爐、燃油沖天爐等，是一種具有節能環保優越性的鑄鐵新型熔煉豎爐。無焦沖天爐水冷爐柵，將爐膛分隔為上下兩個部分，爐柵以上為固態爐料，爐柵以下為一定容積的燃燒空間。燃氣或者燃油產生的高溫爐氣穿過爐柵向上運動，加熱金屬爐料、使固態金屬熔化為液態，金屬液在重力作用下穿過爐柵落到爐底。水冷爐柵長期經受高溫爐氣、高溫鐵液和渣液的侵蝕，同時承受著固態爐料產生的彎曲和沖擊應力，服役環境特別惡劣。無焦沖天爐目前現有的水冷爐柵，為一組水平排列焊接于爐體的金屬圓管，循環冷卻水經過管內，吸收爐柵積聚的熱量，實現對爐柵的冷卻與保護。無焦沖天爐現有的水冷爐柵的結構，來源于金屬連續熱處理爐爐底所用的水冷爐排。無焦沖天爐水冷爐柵，長期工作于高溫和高應力狀態，其服役環境的惡劣性遠超過了金屬熱處理爐的爐底。無焦沖天爐水冷爐柵在滿足高溫環境中的復雜應力要求的基礎上，應該具有抗鐵液熔蝕的特性，同時應盡量降低對無焦沖天爐的冷卻效應，而且必須性能可靠、服役壽命長，拆換方便。無焦沖天爐現有的水冷爐柵存在著五方面的局限性，其一，水冷爐柵直接焊接在爐體之上，存在著難以拆換的局限性。其二，水冷爐柵中的冷卻水流道截面為圓形，在循環冷卻水流量一定的條件下，冷卻水流速低、流道中容易產生水垢，可靠性低、壽命短；如果希望提高冷卻強度，則需要大幅度增加冷卻水的流量，導致冷卻水供應系統動力消耗大幅度增加。其三，水冷爐柵為空心鋼管，其抗彎曲變形的能力較低，容易發生彎曲變形；同時由于其上表面與爐料直接接觸，在爐料壓力和爐內高溫的綜合作用下，其上表面容易發生塌陷變形。其四，水冷爐柵的外表面材料為導熱性很強的金屬材料，對爐內存在強烈的冷卻作用，不利于提高無焦沖天爐的熔煉溫度。其五，爐柵外表面的金屬材料容易被高溫鐵液熔蝕、或者與鐵液產生粘連。
發明內容為了克服無焦沖天爐現有水冷爐柵存在的局限性，本實用新型所采用的技術方案是:本實用新型提出的水冷爐柵，其基本結構由金屬材料組成，包括外套管、芯棒、流道隔板、端部聯結法蘭等，其基本金屬結構的外表面敷設有一定厚度的耐火材料層，耐火材料層中可以包裹用于加強耐火材料的金屬筋。本實用新型提出的水冷爐柵其外套管為圓形截面，位于爐柵最外層。芯棒位于外套管中，其截面形狀為實心圓或空心管。外套管與芯棒之間設置一定形狀的流道隔板，將外套管與芯棒之間的冷卻水流道空間分隔為數個水力學半徑更小的流道；流道隔板的形狀可以是直線形，也可以是螺旋線形。聯結法蘭位于爐柵的一端或兩端，通過螺栓實現爐柵與爐體的聯結，使爐柵具備容易拆換的優越性。爐柵表面敷設的一定厚度的耐火材料，在外套管和高溫鐵液之間形成隔離層，防止高溫鐵液直接作用于外套管，有一定的隔熱作用，可以減弱水冷爐柵對爐內的冷卻效應。本實用新型與現有的水冷爐柵相比，除了外表面敷設耐火材料、端部設置聯接法蘭外，更重要的是提出了水冷爐柵新型的冷卻水流道結構:外套管中設置的芯棒，首先將外套管內的圓截面流道改變為環形或偏心環形流道，縮小了冷卻水的過流斷面積；同時通過在外套管與芯棒之間設置的流道隔板，進一步縮小了冷卻水的過流斷面積。按照流體力學和傳熱學的理論，提高冷卻水的流速，有利于提高熱交換效率、降低流道結垢傾向，因此本實用新型可克服現有水冷爐柵的內部結垢問題，可大幅度提高水冷爐柵的壽命，提高其可靠性。本實用新型與現有的水冷爐柵相比，由于流道隔板對外套管產生的支持作用，可以防止外套管迎著重力、背離地面的上表面產生塌陷、變形，同時可以讓芯棒分擔外套管所受到的部分爐料壓力，爐柵的抗彎曲能力可以得到提高。本實用新型的有益效果為:通過對現有水冷爐柵的結構改進，爐柵的抗彎曲變形能力、抗表面塌陷能力、冷卻水流道的抗結垢能力得到了提高，同時減弱了水冷爐柵對爐內的冷卻效應、防止了高溫鐵液對爐柵表面的熔蝕，克服了現有爐柵的一系列局限性。
以下結合附圖和三個具體實施例對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型一個實施例的結構圖。圖2是
圖1的A向視圖，表示了爐柵聯接法蘭的結構。圖3是
圖1的B-B截面剖視圖。圖4為
圖1所示實施例的流道展平圖，其中的箭頭表示了冷卻水在流道中的流動路徑。圖5是本實用新型另一個實施例的結構圖。圖6是圖5的C-C截面向視圖。圖7是本實用新型第三個實施例的結構圖，表示了芯棒偏心設置的水冷爐柵的結構。圖8是圖7的D-D剖視圖，其中，芯棒偏離外套管幾何中心的偏心距為e。在
圖1到圖8中，1.冷卻水進口，2.聯接法蘭，3.外套管，4.芯棒，5.圓鋼筋，6.耐火材料層，7.冷卻水出口，8.流道隔板。
具體實施方式
本實用新型涉及的水冷爐柵由冷卻水進口(I)、聯接法蘭(2)、外套管(3)、芯棒⑷、圓鋼筋(5)、耐火材料層(6)、冷卻水出口(7)、流道隔板⑶等幾部分組成。本實用新型有多種具體實施方式
，現舉例說明如下。[0024]實施例1
圖1所示的水冷爐柵為本實用新型的一個實施例。該實施例的一端設有與爐體聯接的聯接法蘭(2)，圖2表示了該水冷爐柵聯接法蘭(2)上螺栓孔的分布狀況。該實施例中的數個圓鋼筋(5)的軸線為直線形，平行于水冷爐柵的軸線，均勻分布于耐火材料層(6)中，通過螺紋和螺母與水冷爐柵聯接為一體。平行于水冷爐柵軸線布置的數個圓鋼筋(5)，提高了耐火材料層(6)在爐料沖擊作用下的抗散落能力，提高了水冷爐柵的剛度和抗彎曲能力。圖3表示了該實施例中外套管(3)、芯棒⑷、圓鋼筋(5)、耐火材料層(6)、流道隔板(8)幾者之間的聯接與配合關系。其中，芯棒(4)的與外套管(3)的軸線相互重合，流道隔板(8)與外套管(3)的內表面緊密相接。流道隔板(8)對外套管(3)的支持作用，提高了水冷爐柵的抗塌陷與抗變形能力，同時可以將外套管(3)所受到的爐料壓力部分傳遞給芯棒(4)，提高了水冷爐柵的強度和剛度性能。在該實施例中，芯棒⑷上的三個道流道隔板⑶為直線形，將外套管⑶與芯棒
(4)之間的環形空間分隔成為三個水力學半徑更小的、與水冷爐柵軸線相平行的流道。圖4為該實施例的流道展平圖，說明了流道隔板(8)的結構細節，詳細描述了冷卻水在流道隔板(8)的強制作用下，從冷卻水進口(I)流動到冷卻水出口(7)的運動路線。從冷卻水進口(I)進入爐柵的冷卻水，在流道隔板(8)的作用下，首先沿第一流道向前流動；當其到達第一流道的終點時，改變流動方向、沿第二流道折返向后流動；當其到達第二流道終點時，再折返向前流動到達冷卻水出口(7)。本實施例中的流道隔板(8)，成倍提高了冷卻水的流速，降低了冷卻水流道中生成水垢的可能性，提高了水冷爐柵的可靠性。在該實施例中，芯棒(4)為實心金屬材料，流道隔板⑶的數量為奇數三，冷卻水流道平行于水冷爐柵的軸線，冷卻水出口(7)與冷卻水進口(I)分別位于爐柵的兩端。進入爐柵的冷卻水在流道隔板(8)的作用下，經過兩次折返到達冷卻水出口。如果流道隔板
(8)的數量為偶數，則冷卻水出口(7)與冷卻水進口(I)在爐柵的同一端。如果芯棒(4)偏離外套管(3)的幾何中心，如果芯棒(4)是金屬管，如果流道隔板(8)的數量大于或小于3，如果流道隔板(8)形成的冷卻水流道與爐柵的軸線不平行、存在一定角度，均屬于本實用新型的保護范圍。實施例2圖5所示的水冷爐柵為本實用新型的另外一個實施例。該實施例的一端設有與爐體聯接的聯接法蘭(2)，圖6表示了該水冷爐柵聯接法蘭(2)上螺栓孔的分布狀況。該實施例中包裹在耐火材料層(6)中的多個圓鋼筋(5)的軸線呈“V”和“I”字形，焊接在外套管(3)表面，均勻分布在耐火材料層(6)中。圓鋼筋(5)提高了耐火材料層(6)在爐料沖擊作用下的抗散落能力。在本實施例中，芯棒(4)為空心管，其中心為冷卻水通道，冷卻水出口(7)與冷卻水進口(I)在水冷爐柵的同一端。芯棒(4)與外套管(3)的軸線相互重合，流道隔板(8)為單頭螺旋，外套管(3)與芯棒(4)之間的冷卻水流道為螺旋形。冷卻水由冷卻水進口(I)進入爐柵，首先在螺旋形流道隔板(8)的強制作用下，以螺旋軌跡向前運動；當其向前到達螺旋形流道的終點時，通過芯棒(4)上設置的連通孔道進入芯棒(4)中心的圓形流道、折返向后運動， 到達冷卻水出口(7)。[0034]該實施例中的流道隔板(8)為單頭螺旋面，如果減小其螺旋升角、縮小其導程，則可減小螺旋流道的過流斷面積，提高冷卻水的流速。如果本實施例中的芯棒(4)為實心金屬材料，由于芯棒(4)中心不存在冷卻水通道，則冷卻水出口(7)與冷卻水進口⑴需要分別設置在水冷爐柵的兩端。如果本實施例中的流道隔板⑶為多頭螺旋且適當增加其螺旋升角，則可以在流道水力學直徑不變的基礎上，增加流道隔板(8)對外套管(3)的支持作用，提高外套管(3)的抗變形能力。如果本實施例中的芯棒⑷是實心金屬材料、如果流道隔板⑶為多頭螺旋、如果圓鋼筋(5)的軸線為其他形狀，均屬于本實用新型的保護范圍。實施例3圖7所示的水冷爐柵為本實用新型的第三個實施例。該實施例展示了偏心型水冷爐柵的結構，圖8表示了芯棒(4)的軸線平行偏離于外套管(3)軸線的狀態。該實施例中的數個圓鋼筋(5)的軸線為直線形，平行于水冷爐柵的軸線，均勻分布于耐火材料層出)中，通過過盈配合與水冷爐柵聯接為一體。該實施例中流道隔板⑶的形狀為螺旋形，與實施例2相同。芯棒(4)為實心金屬材料，冷卻水出口(7)與冷卻水進口(I)分別位于水冷爐柵的兩端。芯棒(4)軸線相對于外套管(3)的軸線迎著重力的方向、背離地面移動了一定距離。由于該實施例中芯棒(4)與外套管(3)的軸線不相重合，螺旋形流道的過流斷面積每經過360°周期性變化一次。冷卻水流道在芯棒(4)水平方向的兩側尺寸大小相同，在背離地面的一線上尺寸最小、朝向地面的一線最大。當一定量的冷卻水沿螺旋流道流經外套管(3)背離地面的一線時，由于此一線處流道斷面積最小、流速最大，因此可對外套管
(3)背離地面的一線產生更強烈的冷卻作用。外套管(3)背離地面的一線迎著重力方向，受到的爐料壓力和沖擊力最大，也最容易受到鐵液和渣液的侵蝕，屬于水冷爐柵的最薄弱部分。偏心型水冷爐柵，提高了流經外套管(3)背離地面一線上冷卻水的流速，對于提高水冷爐柵的壽命和可靠性具有意義。該實施例其外部有明顯的安裝方位標記，務必保證爐柵中冷卻水流道最小的一線背離地面、向著重力方向。本實用新型有多種實施方式，以上實施例僅僅是為了說明本實用新型的內容而列舉的幾種具體結構， 涉及本實用新型的其他具體結構也屬于本發明的保護范圍。
權利要求1.無焦沖天爐水冷爐柵，可將爐膛分隔為上下兩部分，在高溫鐵液、渣液侵蝕和復雜的應力條件下長期可靠支撐爐膛上部的爐料，由冷卻水進口(1)、聯接法蘭(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圓鋼筋(5)、耐火材料層￠)、冷卻水出口(7)、流道隔板(8)等幾部分組成，其特征為:外套管(3)的表面敷設有一定厚度的耐火材料層￠)，耐火材料層￠)中包裹著多個圓鋼筋(5)，外套管(3)環繞在芯棒(4)外部，芯棒(4)位于外套管(3)的幾何中心或略偏離其幾何中心，流道隔板(8)將外套管(3)與芯棒(4)之間的冷卻水空間分隔為數個流道，進入爐柵的冷卻水順序流過流道隔板(8)限定的數個流道。
2.根據權利要求1所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為:流道隔板(8)的數量為一個或者多個。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為:流道隔板(8)的形狀為直線形或者螺旋形。
4.根據權利要求1所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為:芯棒(4)的軸線與外套管(3)的軸線相重合，或者背離地面、迎著重力方向偏離外套管(3)的軸線一定距離。
5.根據權利要求1所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為:芯棒(4)為實心圓形金屬材料或者空心圓管形金屬材料。
6.根據權利要求1所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為:圓鋼筋(5)的軸線為直線形，或者為“V”字形。
7.根據權利要求1或權利要求6所述的無焦沖天爐水冷爐柵，其特征為:耐火材料層(6)中均勻分布的多個圓鋼筋(5)通過螺紋和螺母、過盈配合或者焊接方式與水冷爐柵結合在一起。
專利摘要無焦沖天爐水冷爐柵。該爐柵由冷卻水進口(1)、聯接法蘭(2)、外套管(3)、芯棒(4)、圓鋼筋(5)、耐火材料層(6)、冷卻水出口(7)、流道隔板(8)等幾部分組成。其特征為外套管(3)的表面敷設有一定厚度的耐火材料層(6)，耐火材料層(6)中包裹著多個圓鋼筋(5)，外套管(3)環繞在芯棒(4)外部，芯棒(4)位于外套管(3)的幾何中心或略偏離其幾何中心，流道隔板(8)將外套管(3)與芯棒(4)之間的冷卻水空間分隔為數個流道，進入爐柵的冷卻水順序流過流道隔板(8)限定的數個流道。水冷爐柵可將無焦沖天爐的爐膛分隔為上下兩部分，在高溫鐵液、渣液侵蝕和復雜的應力條件下長期支撐爐膛上部的爐料。
文檔編號F27B1/24GK203011124SQ20122058114
公開日2013年6月19日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者張耀文, 張明 申請人:張耀文