爐窯冷卻專利技術(shù)綜述

馬英

摘 要：本文介紹了工業(yè)爐窯冷卻裝置領域，涉及爐的冷卻和爐料冷卻，重點介紹了爐的冷卻。工業(yè)爐窯在生產(chǎn)過程中，爐體內(nèi)有加熱裝置，加熱裝置被保溫隔離裝置包圍，形成一個加工區(qū)域，而在該加工區(qū)域中，溫度高達幾千攝氏度，在長時間的熱傳導以及被加工物質(zhì)冷卻散熱工藝過程中，爐體溫度逐漸上升，為了保護外圍設備安全運行和人員安全，此時需要對爐體進行強制冷卻。而爐體冷卻需考慮漏水、沖刷、高溫、成本等因素的影響。本文分析了爐窯冷卻領域中爐冷卻的申請情況和冷卻技術(shù)分布情況，重點研究了爐襯的冷卻和爐膛的冷卻。

關(guān)鍵詞：爐膛 爐料 冷卻 水套 風機

中圖分類號：TK175文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

1前言

工業(yè)爐是一種用于高溫處理，以天然氣、油和電等燃料作為能源，直接或間接用于冶煉、催化生產(chǎn)特種化工品的設備。爐體在生產(chǎn)過程中高溫輻射散熱強，導致周邊環(huán)境溫度急劇升高，爐體及爐體配件由于高溫流體的侵蝕和機械磨損出現(xiàn)壽命縮短現(xiàn)象，同時，爐體的輻射散熱導致操作工人無法安全檢測爐內(nèi)加熱情況，故需要大量的冷卻介質(zhì)對其進行降溫 [1-3]。

爐體是一個大型工業(yè)設備，具有體積大，溫度高，操作復雜等特點，故涉及冷卻部件中不僅要考慮到與高溫環(huán)境密切相關(guān)的爐襯、爐膛和加熱管等，還有爐蓋、爐門、出料口、煙道、噴嘴等其他附屬部件的冷卻。

而爐體冷卻中爐襯又是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，故國內(nèi)外一直將爐襯冷卻作為爐體冷卻的一個熱點研究，而從冷卻方式上劃分，主要有氣態(tài)冷卻，液態(tài)冷卻，以及氣液結(jié)合冷卻。

窯爐連續(xù)燒結(jié)物料，若不進行有效冷卻，燒結(jié)后的制品容易發(fā)生破裂、變形，生產(chǎn)效率降低，故在燒結(jié)中采用冷卻技術(shù)使冷卻溫度分布最佳。故設置冷卻裝置均勻冷卻。

2窯爐冷卻專利技術(shù)的整體情況

2.1 爐窯冷卻技術(shù)專利申請量趨勢分析

爐窯冷卻技術(shù)是窯爐安全生產(chǎn)的主要技術(shù)之一，國外窯爐生產(chǎn)起源較早，最早可以追溯到上世紀40年代，而國內(nèi)窯爐生產(chǎn)盛行于上世紀80年代，窯爐冷卻技術(shù)也用運而生，尤其是在近10年內(nèi)，關(guān)于窯爐冷卻的專利數(shù)量激增，冷卻的技術(shù)手段也更加細致。

2.2 主要國家專利申請情況和申請人分布

經(jīng)過梳理發(fā)現(xiàn)該技術(shù)領域中專利申請量的分布相對較集中，主要涉及幾個工業(yè)大國，諸如中國、美國、日本、德國等，并且排名第一的中國的申請量是遠遠高于其他國家，這與改革開放后，國內(nèi)大力發(fā)展工業(yè)建設有很大的關(guān)系。

研究起步較早的美國申請人可追溯到40年代的Midland-Ross Corporation，70年代后，國內(nèi)對于窯爐冷卻技術(shù)也從開始的萌芽到最后的迅猛發(fā)展，尤其是近幾年，國內(nèi)對于該技術(shù)的研發(fā)保持持續(xù)的熱度，該領域的專利申請量遠超國外。通過對國內(nèi)申請人進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，約85%的申請來自企業(yè)，而僅有10%的申請來自高校及科研院所，而個人申請只占極少數(shù)，這與大窯爐領域中的企業(yè)申請多的總體趨勢相同。

2.3 主要技術(shù)分支

在爐的冷卻領域中，根據(jù)冷卻對象的不同，可以分為爐體的冷卻、爐料冷卻、爐體和爐料的結(jié)合。從冷卻方式上共有三種，即液態(tài)冷卻、氣態(tài)冷卻和氣液結(jié)合三種，液態(tài)冷卻有水冷、油冷、冷卻劑等冷卻工質(zhì)，氣態(tài)冷卻有風冷、蒸汽冷卻、氣氛冷卻等。

其中，爐體的冷卻占總申請量的近80%，爐料冷卻占18%，其余為兩者冷卻結(jié)合。首先，通過篩選發(fā)現(xiàn)，爐體的冷卻中液態(tài)冷卻占絕大多數(shù)，這也是由于水具有比熱比較大，資源豐富，成本低等優(yōu)勢作為首選冷卻方式，在瀏覽中發(fā)現(xiàn)早前的冷卻方式有氣態(tài)冷卻，但由于氣冷效率低，故逐步被液態(tài)冷卻所替代，但隨著技術(shù)不斷改進，在爐體部分特殊區(qū)域并不能采用帶有水汽的水去快速冷卻，故將局部采用氣態(tài)冷卻，其余可采用液態(tài)冷卻的部分依然采用效率較高的液態(tài)冷卻。其次，爐料的冷卻主要是對爐體中燒結(jié)物料、加工工件等的冷卻，故采用液態(tài)冷卻和氣態(tài)冷卻的申請數(shù)量接近，例如，對于燒結(jié)球團的冷卻通常采用風冷，而冶煉金屬部件通常采用水冷，后期的申請中出現(xiàn)兩者的結(jié)合。最后，隨著技術(shù)不斷的改進，申請人發(fā)現(xiàn)爐料冷卻和爐體冷卻可以同時結(jié)合，故申請中出現(xiàn)其兩者的結(jié)合，而申請數(shù)量上并不多，且該種冷卻方式主要為氣態(tài)冷卻和液態(tài)冷卻。

3 窯爐冷卻專利技術(shù)發(fā)展總體趨勢分析

對于爐體冷卻，從發(fā)展趨勢來看，爐襯的冷卻數(shù)量最多，尤其是在近10年間，對于爐襯冷卻的專利申請更是居高不下，這與爐襯面積大，且容易被沖刷、侵蝕等因素有關(guān)，且爐襯的冷卻技術(shù)改進幾乎貫穿了整個窯爐冷卻各個階段；近幾年爐膛冷卻專利申請較多，這與工業(yè)窯爐的產(chǎn)量不斷增加，體積擴大有著密不可分的關(guān)系，在瀏覽文獻過程中，早前申請大多每種窯爐僅針對一種物質(zhì)進行冶煉或加工，而隨著窯爐體積增大，窯爐生產(chǎn)種類增加，故在生產(chǎn)完一種物料后急需將爐膛快速冷卻方便下一道工序，故爐膛的冷卻數(shù)量在近幾年申請數(shù)量激增；對于爐蓋和爐門的冷卻申請數(shù)量一直持平，爐門從單層爐蓋改進為雙層或多層爐門，爐蓋從簡單的噴射冷卻到后面的螺旋線型降溫盤管持續(xù)冷卻；對于爐殼外的冷卻主要采用冷卻水直接噴射爐殼外形成水膜快速降溫，隨著技術(shù)改進，最后在爐殼外設置散熱器，冷卻效果大幅提高；本文加熱管還包括電極、感應線圈等的加熱手段，其中，冷卻方式主要為液態(tài)冷卻和氣液結(jié)合，而美國公司Midland-Ross Corporation提出的順序噴入空氣、水、霧液體的冷卻方式較先進，既可保證加熱管的冷卻效率又不會對加熱裝置造成損害，國內(nèi)申請人在加熱管外設置夾套的冷卻方式較多，后面改進為加熱管和冷卻水管交替排列的方式；出料口主要為流槽、出料輥子的冷卻，主要采用噴淋降溫亦或是設置多個散熱孔和冷卻管進行降溫；其他配件主要為軸承座、燒嘴等附屬配件，其中在近幾年對于燒嘴的冷卻研究較多，采用緊急降溫水槍可實現(xiàn)其快速降溫。

對于爐料冷卻，從發(fā)展趨勢來看，由于燒結(jié)加工過程中物料需要快速冷卻，故物料冷卻研究的較早，且部分研究主要集中在國外，而物料冷卻技術(shù)也一直沒有突破，這是因為采用傳統(tǒng)的風冷即能滿足要求，且在專利技術(shù)篩選中發(fā)現(xiàn)，通過控制窯爐爐內(nèi)氣氛可以較好的控制物料溫度，故物料通過不同區(qū)域溫度控制下的區(qū)段即可達到所要求溫度；而在窯爐生產(chǎn)中，燃料溫度需要得到嚴格控制，故在燃料溫度過高時依然需要將其溫度降至所需溫度，故存在少數(shù)專利涉及燃料冷卻。

參考文獻

[1]吳懋林，王立民，劉述臨.高爐冷卻壁和爐襯的三維傳熱模型[J].鋼鐵，1995，30（3）： 6-11.

[2]PETER Heinrich，JORG Kapischke，F(xiàn)RANZ Reufer，et al. Optimised Blast Furnace Wall Cooling with CopperStavelets [J].MPT International，2001，24 （ 2） ：42 - 44.

[3]段峰，周俐，王建軍等.高爐冷卻壁冷卻水管管形研究[J].鋼鐵，2008，43 （2） ： 18-21