улучшенные система и способ охлаждения печи

Формула изобретения

1. Система охлаждения для распределения и сбора хладагента на основе текучей среды в металлургической емкости, используемой при обработке расплавленных материалов, содержащая распределительную систему, включающую в себя впускной разветвленный трубопровод, множество коллекторов, присоединенных к впускному разветвленному трубопроводу, и множество распределительных диспергаторов, установленных вдоль каждого коллектора, собирающую систему, включающую в себя собирающий разветвленный трубопровод, установленный для обеспечения сбора хладагента на основе текучей среды, при этом распределительные диспергаторы позиционированы для обеспечения направления хладагента на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу и для использования большей части кинетической энергии хладагента на основе текучей среды для его направления к собирающему разветвленному трубопроводу.

2. Система по п.1, в которой первый коллектор и второй коллектор присоединены, по существу, к противоположным сторонам впускного разветвленного трубопровода.

3. Система по п.2, в которой второй коллектор установлен в вертикальном направлении ниже первого коллектора.

4. Система по п.1, в которой металлургическая емкость включает в себя область высокого нагрева, а впускной разветвленный трубопровод расположен на расстоянии от области высокого нагрева.

5. Система по п.1, в которой за счет позиционирования большей части распределительных диспергаторов и использования большей части кинетической энергии хладагента на основе текучей среды обеспечено направление предварительно выпущенного хладагента на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу.

6. Металлургическая емкость, используемая при обработке расплавленных материалов, содержащая внутреннюю пластину, включающую в себя внутреннюю поверхность, внешнюю пластину, расположенную на расстоянии от внутренней пластины с образованием, по существу, замкнутого пространства, распределительную систему, установленную внутри замкнутого пространства для распределения получающего кинетическую энергию хладагента на основе текучей среды по внутренней пластине, причем распределительная система включает в себя впускной разветвленный трубопровод, множество коллекторов, присоединенных к впускному разветвленному трубопроводу, и множество распределительных диспергаторов, установленных вдоль каждого коллектора, собирающую систему, включающую в себя собирающий разветвленный трубопровод для сбора хладагента на основе текучей среды, при этом распределительные диспергаторы позиционированы по направлению к собирающему разветвленному трубопроводу так, чтобы использовать большую часть кинетической энергии хладагента на основе текучей среды для его направления к собирающему разветвленному трубопроводу.

7. Емкость по п.6, которая дополнительно включает в себя линию пересечения между каждым распределительным диспергатором и внутренней поверхностью пластины, при этом распределительные диспергаторы позиционированы так, чтобы направлять хладагент на основе текучей среды для пересечения внутренней поверхности пластины под косым углом по линии пересечения.

8. Емкость по п.7, в которой косой угол представляет собой тупой угол, измеренный от линии пересечения к собирающему разветвленному трубопроводу.

9. Емкость по п.6, в которой распределительная система распределяет хладагент на основе текучей среды по внутренней пластине в количестве, достаточном для поддерживания внутренней пластины при предварительно определенной температуре.

10. Емкость по п.6, в которой за счет позиционирования распределительных диспергаторов и использования большей части кинетической энергии хладагента на основе текучей среды обеспечено направление предварительно выпущенного хладагента на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу.

11. Емкость по п.6, в которой собирающий разветвленный трубопровод установлен по периферии вокруг распределительной системы в вертикальном направлении ниже большей части распределительной системы, а внутренняя поверхность пластины установлена под наклоном к собирающему разветвленному трубопроводу.

12. Емкость по п.6, в которой первый коллектор и второй коллектор присоединены к впускному разветвленному трубопроводу, по существу, в противоположной ориентации.

13. Емкость по п.6, в которой впускной разветвленный трубопровод установлен между первым коллектором и вторым коллектором.

14. Емкость по п.6, в которой впускной разветвленный трубопровод установлен, по существу, в середине образованного в ней замкнутого пространства.

15. Металлургическая емкость, используемая при обработке расплавленных материалов, содержащая ближайшую пластину, включающую в себя внутреннюю поверхность, отдаленную от центра пластину, расположенную на расстоянии от ближайшей пластины с образованием, по существу, замкнутого пространства, распределительную систему, установленную внутри замкнутого пространства таким образом, чтобы распределять получающий кинетическую энергию хладагент на основе текучей среды по ближайшей пластине, причем распределительная система включает в себя множество подводящих патрубков и множество распределительных диспергаторов, установленных вдоль подводящих патрубков, собирающую систему, включающую в себя собирающий разветвленный трубопровод для сбора хладагента на основе текучей среды, при этом распределительные диспергаторы установлены так, чтобы направлять хладагент на основе текучей среды по линии пересечения, которая пересекает внутреннюю поверхность пластины под тупым углом, измеренным от линии пересечения к собирающему разветвленному трубопроводу.

16. Емкость по п.15, в которой за счет позиционирования распределительных диспергаторов обеспечено использование большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте на основе текучей среды, для направления хладагента на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу.

17. Емкость по п.16, в которой за счет позиционирования распределительных диспергаторов и использования большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте на основе текучей среды, обеспечено направление предварительно выпущенного хладагента на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу.

18. Металлургическая емкость, используемая при обработке расплавленных материалов, содержащая внутреннюю пластину, включающую в себя область более высокой температуры, распределительную систему, установленную в непосредственной близости от внутренней пластины так, чтобы распределять получающий кинетическую энергию хладагент на основе текучей среды по внутренней пластине, причем распределительная система включает в себя по меньшей мере один подводящий патрубок и множество распределительных диспергаторов, присоединенных по меньшей мере к одному подводящему патрубку в плоскости присоединения, собирающую систему, включающую в себя собирающий разветвленный трубопровод, установленный таким образом, чтобы собирать хладагент на основе текучей среды, при этом распределительные диспергаторы позиционированы под острым углом от плоскости присоединения к собирающему разветвленному трубопроводу для направления хладагента на основе текучей среды по линии пересечения, причем позиционирование распределительных диспергаторов обеспечивает использование большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте на основе текучей среды, для управления потоком хладагента на основе текучей среды из области более высокой температуры внутренней пластины.

19. Емкость по п.18, которая дополнительно включает линию пересечения между распределительными диспергаторами и внутренней пластиной, причем линия пересечения пересекает внутреннюю поверхность под тупым углом, измеренным от линии пересечения по направлению к собирающему разветвленному трубопроводу к поверхности внутренней пластины.

20. Емкость по п.18, в которой распределительная система распределяет хладагент на основе текучей среды по внутренней пластине в количестве, достаточном для поддерживания внутренней пластины при предварительно определенной температуре.

21. Емкость по п.18, в которой за счет позиционирования распределительных диспергаторов и использования большей части кинетической энергии хладагента на основе текучей среды обеспечено направление предварительно выпущенного хладагента на основе текучей среды из области высокой температуры внутренней пластины.

22. Способ управления потоком хладагента на основе текучей среды от точки распределения к точке сбора для охлаждения термически нагруженной поверхности, используемой при обработке расплавленных материалов металлургической емкости по одному из пп.6-14, 15-17 и 18-21, включающий направление большей части текучей среды так, чтобы ударять по упомянутой поверхности под тупым углом, измеренным в направлении к точке сбора в металлургической емкости.

23. Способ по п.22, который дополнительно включает в себя использование большей части кинетической энергии хладагента на основе текучей среды для направления предварительно распределенного хладагента на основе текучей среды к точке сбора в металлургической емкости.

24. Способ управления потоком хладагента на основе текучей среды от точки распределения к точке сбора для охлаждения термически нагруженной поверхности, используемой при обработке расплавленных материалов металлургической емкости по одному из пп.6-14, 15-17 и 18-21, включающий использование большей части кинетической энергии хладагента на основе текучей среды для направления предварительно распределенного хладагента на основе текучей среды к точке сбора в металлургической емкости.

25. Способ по п.24, в котором направляют большую часть текучей среды так, чтобы ударять по упомянутой поверхности под тупым углом при измерении в направлении точки сбора.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к улучшенному охлаждению металлургических емкостей, используемых при обработке расплавленных материалов. Данное изобретение находит конкретное применение при охлаждении разбрызгиванием элементов герметизации сводов, боковых стен и трубопроводов для горячих газов металлургических емкостей, используемых для обработки расплавленных материалов. Более конкретно, но не в качестве ограничения, данное изобретение относится к охлаждению разбрызгиванием жидкости (то есть воды) термически нагруженных поверхностей конструкций печей, включающих в том числе дуговые электропечи.

Предшествующий уровень техники

Специалистам в данной области техники понятно, что металлургические емкости используют при обработке расплавленных материалов для размещения расплавленного материала по меньшей мере во время этапа нагрева при этой обработке. Эти металлургические емкости предназначены для обработки таких расплавленных материалов, как сталь и шлак. Также эти обычные металлургические емкости снабжаются системой охлаждения, используемой для регулирования температуры металлургических емкостей.

Например, системы печей типов, раскрытых в патентах США № 4,715,042, 4,813,055, 4,815,096 и 4,849,987, которые могут упоминаться как системы электропечей с распылительным охлаждением (Spray-Cooled ), представляют собой типы этих обычных металлургических емкостей (5). Системы Spray-Cooled используют основанный на текучей среде хладагент для охлаждения разбрызгиванием различных поверхностей, или элементов герметизации, печи для рассеивания теплоты, производимой в печи во время обработки материалов. Эти поверхности могут быть такими элементами конструкции, как своды и боковые стены. Эти поверхности обычно являются унитарными, причем боковые стены включают в себя в общем цилиндрическую или овальную форму, а своды обычно включают в себя в общем коническую форму. Системы Spray-Cooled можно использовать для охлаждения других компонентов, таких как металлические трубопроводы, используемые для транспортирования нагретых газов из печи.

На фиг.1-3а показана типичная емкость (5) электропечи с системой Spray-Cooled , которая используется для производства стали. Фиг.1-3 иллюстрируют на видах сбоку, сверху и с торца соответственно дуговую электропечь с системой Spray-Cooled . Круглый охлаждаемый водой свод 10 печи показан поддерживаемым мачтовой конструкцией 14 печи в слегка поднятом положении прямо над ободом 13 основания 12 дуговой электропечи. Как показано на фиг.1 и 2, свод 10 представляет собой унитарный, или составляющий одно целое, неразъемный компонент герметизации в форме усеченного конуса, который прикрепляют цепями, тросами или другими деталями 53 элемента для подъема свода к плечам 18 и 20 мачты, продолжающимся горизонтально и распространяющимся от опоры 22 мачты. Опора 22 мачты способна поворачиваться вокруг точки 24 на верхнем участке вертикальной стойки 16 мачты для горизонтального отвода свода 10 в сторону, чтобы открывать верхнюю часть основания 12 печи во время загрузки или заполнения печи и в другие соответствующие периоды времени во время или после функционирования печи.

Электроды 15 показаны проходящими через проем 32 от положения над сводом 10. Во время функционирования печи электроды 15 опускают во внутреннюю часть печи через расположенные треугольником отверстия для электродов в проеме 32 в центральном своде, чтобы обеспечивать производимое дуговым разрядом тепло для расплавления шихты. Выхлопное отверстие 19 обеспечивает возможность удаления отходящих газов из внутренней части печи во время функционирования.

Система печи смонтирована на опорах типа колонн или опорных роликов, установленных так, чтобы обеспечивать возможность наклона основания 12 в любом направлении для сливания шлака и расплавленной стали. Система свода печи, как показано на фиг.1 и 2, смонтирована так, чтобы использоваться как левосторонняя система, посредством чего мачта 14 может поднимать унитарный, неразъемный свод 10 и поворачивать его в горизонтальном направлении против часовой стрелки (если смотреть сверху системы), освобождая обод 13 печи и внутреннюю часть печи. В качестве альтернативы система свода печи может быть смонтирована как правосторонняя система, при этом мачта 14 может поднимать свод 10 и поворачивать его в горизонтальном направлении по часовой стрелке.

Чтобы предотвращать чрезмерное выделение на нижней металлической поверхности 38 свода 10, когда она открыта для воздействия от внутренней части основы 12, в свод встроена система 98 охлаждения. Подобная система охлаждения боковой стены показана ссылочной позицией 100 и лучше всего видна на фиг.3 и 3а и предназначена для регулирования температуры боковой стены 138 печи. Боковая стена 138 печи выполнена в форме унитарной, неразъемной цилиндрической оболочки. Огнеупорная футеровка 101, установленная ниже системы 100 охлаждения боковой стены, содержит объем расплавленного материала 103. Системы 98 или 100 охлаждения используют хладагент на основе текучей среды, такой как вода или другая подходящая жидкость, для охлаждения свода, боковой стены печи или другого элемента герметизации, поскольку температуры элементов герметизации повышаются из-за тепла, поступающего от расплавленного материала 103.

Системы 98 и 100 охлаждения, которые могут упоминаться как системы циркуляции хладагента, содержат систему подачи хладагента и систему сбора хладагента и могут также включать в себя систему рециркуляции хладагента. Впускной патрубок 26 и выпускные патрубки 28а и 28b для хладагента служат присоединительными патрубками для хладагента для иллюстрируемого свода 10 печи с левосторонней конфигурацией. Внешняя система циркуляции (не показана) использует подводящий патрубок 30 для хладагента, чтобы подавать хладагент в присоединительный патрубок 26 для хладагента и дренажные патрубки 36а и 36b для хладагента, для удаления хладагента из присоединительных патрубков 28а и 28b для хладагента свода 10, как показано на фиг.1-3.

Гибкий шланг 31 подачи хладагента присоединен к подводящему патрубку 30 для хладагента и к впускному патрубку 26 для хладагента на периферии свода 10 печи. Это присоединение выполнено с помощью соединительной детали, такой как быстроразъемное соединение. Как лучше всего показано на фиг.2, впускное отверстие 26 ведет во впускной разветвленный трубопровод 29, который установлен во внутренней части свода 10, не подверженной давлению. В качестве альтернативы участок системы охлаждения по окружности стенки емкости включает в себя впускной разветвленный трубопровод 29', который продолжается вокруг печи 13, как показано на фиг.3а.

Разветвление, направленное радиально наружу от трубопровода 29 патрубков 33, или коллекторов 33, в конфигурации, подобной спицам, обеспечивает доставку хладагента в различные секции внутренней части 23 свода. Вниз от различных точек на каждом коллекторе 33 выступает множество распределительных диспергаторов 34, или распылительных насадок 34, которые направляют хладагент к верхней стороне нижней панели 38 свода, или внутренней пластине 38. Распылительные насадки 34 направляют хладагент на основе текучей среды к нижней панели 38 свода в виде струй или мелких капелек. Нижняя панель 38 постепенно наклоняется вниз от центрального участка, или отверстия 32, свода к периферии.

После разбрызгивания на нижние панели 38 свода использованный хладагент отводится наружу по верхней части нижних панелей 38 свода и проходит через дренажные впускные отверстия или отверстия 51а, 51b и 51c в дренажной системе.

Показанная дренажная система включает в себя дренажный разветвленный трубопровод 49, который изготовлен из трубы прямоугольного поперечного сечения или подобной детали, разделенной на сегменты 47a и 47b. Аналогичная дренажная система (не показана) предусмотрена для основания 12 печи.

Как видно на фиг.2, дренажные отверстия 51а и 51b находятся на противоположных сторонах свода. Дренажный трубопровод включает в себя закрытый канал, продолжающийся вокруг внутренней части периферии свода. Дренажный трубопровод расположен около нижнего уровня нижних панелей 38 свода и может быть разделен по окружности перегородками или стенками 48 и 50. Стенки 48 и 50 разделяют дренажный разветвленный трубопровод на сегменты 47а и 47b. Сегмент 47а дренажного разветвленного трубопровода соединяет дренажные отверстия 51а, 51b и 51c с выпускным патрубком 28а для хладагента. Сегмент 47b дренажного трубопровода находится в связи с сегментом 47а через сгонную соединительную муфту 44 и соединяет дренажные отверстия 51а, 51b и 51c с выпускным патрубком 28b для хладагента. Гибкий дренажный шланг 37 для хладагента соединяет выпускное отверстие 28а с дренажным патрубком 36а для хладагента, тогда как гибкий дренажный шланг 35 для хладагента соединяет выпускное отверстие 28b и дренажный патрубок 36b для хладагента. Для соединения шлангов и патрубков можно использовать соединительные детали быстрого разъединения или другие соединительные муфты. Система сбора хладагента может использовать давление, такое как нагнетание насосом, для быстрого и эффективного удаления выпускаемого хладагента из свода 10 через дренажные патрубки 36а и 36b для хладагента.

Дополнительно предусмотрен второй набор присоединительных патрубков для хладагента, которые могут использоваться как главные присоединительные патрубки при правосторонней установке свода 10. Этот второй, или правосторонний, набор присоединительных патрубков для хладагента содержит впускное отверстие 40 для хладагента и выпускное отверстие 42 для хладагента. Левосторонние и правосторонние присоединительные патрубки для хладагента находятся на противоположных сторонах свода 10 относительно линии, проходящей через точку 24 поворота мачты и центр свода 10, и лежат в смежных квадрантах свода. Как и с левосторонним впускным патрубком 26 для хладагента, правосторонний впускной патрубок 40 для хладагента подсоединен к впускному разветвленному трубопроводу 29. Как и с левосторонним выпускным отверстием 28 для хладагента, правостороннее выпускное отверстие 42 для хладагента включает в себя отдельные выпускные патрубки 42а и 42b, которые связаны с отдельными сегментами 47а и 47b дренажного трубопровода для хладагента, которые разделены перегородкой 50.

Чтобы предотвращать вытекание хладагента через правосторонние присоединительные патрубки для хладагента во время установки свода 10 в системе в левосторонней конфигурации, индивидуальные впускные и выпускные отверстия для хладагента свода герметизируют или связывают по обходу. Например, поверх отверстия во впускном отверстии 40 для хладагента можно закреплять съемный колпачок 46, чтобы герметизировать это впускное отверстие 40. Дополнительно подсоединяют съемный U-образный трубопровод или сгонную соединительную муфту 44 и герметизируют отдельные отверстия 42а и 42b выпускных отверстий для хладагента, чтобы предотвращать утечку из свода. Сгонную соединительную муфту 44 также обеспечивают для непрерывности потока между сегментами 47а и 47b дренажного трубопровода вокруг перегородки 50. Там где хладагент находится под давлением, таком как давление всасывания, сгонная соединительная муфта 44 и колпачок 46 также предотвращают просачивание атмосферы в секции дренажного разветвленного трубопровода.

Во время функционирования свода, как показано на фиг.1-3а, хладагент может входить из системы циркуляции хладагента через патрубок 30, шланг 31 для хладагента и во впускное отверстие 26 для хладагента. Затем хладагент будет распределяться вокруг внутренней части свода посредством впускного разветвленного трубопровода 29, коллекторов 33 с соплами и насадок 34. Впускное отверстие 40 для хладагента, также связанное с впускным разветвленным трубопроводом 29, сохраняется для использования правосторонней установки и поэтому загерметизировано колпачком 46.

После разбрызгивания хладагента из насадок 34 на коллекторах 33 с соплами для охлаждения нижней части 38 свода хладагент собирается и принимается через дренажные отверстия 51а, 51b и 51c в дренажном трубопроводе, продолжающемся вокруг периферии свода 10, и выводится через выпускное отверстие 28 для хладагента. Как видно на фиг.2, хладагент, дренирующий через отверстия 51а, 51b и 51с в сегменте 47а дренажного разветвленного трубопровода, может выходить из свода прямо через выпускное отверстие 28а для хладагента, через выпускной шланг 37 и в дренажный выпускной патрубок 36а перед тем, как будет приниматься системой сбора хладагента.

Хладагент, проходящий через отверстия 51а, 51b и 51c в сегменте 47а дренажного разветвленного трубопровода, также может перемещаться через выпускное отверстие 42b для хладагента, через U-образное соединительное устройство 44 и обратно через выпускное отверстие 42а для хладагента в сегмент 47b разветвленного трубопровода, чтобы проходить вокруг перегородки 50. Затем хладагент может дренировать из сегмента 47b дренажного разветвленного трубопровода через выпускное отверстие 28b для хладагента, выпускной шланг 35 и через дренажный патрубок 36b к средству сбора хладагента. Правостороннее выпускное отверстие 42 для хладагента для прямого отвода хладагента из свода не используется, но образует часть дренажного контура с помощью использования U-образного соединительного устройства 44. При отводе от свода хладагент может либо выпускаться где-нибудь в другом месте, либо может рециркулировать обратно в свод после системы охлаждения. Левосторонние присоединительные патрубки 26 и 28 для хладагента установлены на своде 10 тесно примыкающими к местоположению мачтовой конструкции 14, чтобы снижать до минимума длину шлангов. Если рассматривать мачтовую конструкцию 14 как расположенную в положении на 6 часов, левосторонний присоединительный патрубок для хладагента расположен в положении на 7-8 часов.

Как было отмечено, во время обработки расплавленных материалов различные поверхности металлургических емкостей могут подвергаться воздействию высоких температур. При функционировании системы печи, как было описано выше, эти поверхности включают в себя внутреннюю пластину 38 металлического свода в форме усеченного конуса или внутреннюю пластину 138 унитарного элемента герметизации металлической боковой стены цилиндрической формы. Эти элементы герметизации могут подвергаться воздействию значительно увеличенных количеств тепловой энергии излучения, как обозначено ссылочной позицией 107, от дуги или пламени внутри печи. Это воздействие обычно происходит, когда электроды установлены над шихтой расплавленного металла или когда электроды начинают входить в завалку 109 лома.

Это высокотемпературное воздействие может подвергать термическому напряжению эти различные области и приводить к риску усталости и выхода из строя в таких областях, особенно по отношению к другим областям металлургической емкости. Дополнительно из-за конфигурации металлургических емкостей и нагревательных элементов, используемых в процессе, таких как электроды и сопутствующие кислородные фурмы, вариации в температуре поверхностей элементов герметизации печи являются обычными. По существу, самая горячая область поверхности свода металлургической емкости традиционно является ближайшей к центральному треугольному отверстию 32 свода 10.

Эти условия приводят к более высоким температурам и термическому напряжению в одном месте, или области, по сравнению с другими местами. Это обстоятельство может возникать вследствие относительного положения электродов печи, кислородных фурм или других неоднородных эксплуатационных режимов печи.

Чтобы увеличивать эксплуатационную долговечность различных участков металлургической емкости, в предшествующем уровне техники разработали систему охлаждения, как было описано выше. Обычный здравый смысл заключался в сосредоточивании охлаждающей мощности этих систем охлаждения на областях повышенной температуры. Кроме того, обычный здравый смысл состоял в подаче большего количества охлаждающей текучей среды, или хладагента, к областям повышенной температуры, или областям высокой тепловой нагрузки.

В предшествующем уровне техники, как показано на фиг.4, хладагент направляли прямо в область, требующую усиленного охлаждения. В случае сводов дуговых электропечей эта область часто представляет собой по существу вертикальный элемент герметизации, который продолжается вокруг центрального проема 32 и окружающих поверхностей.

Традиционно впускной трубопровод 29 установлен в непосредственной близости от центрального проема 32 и продолжается вокруг него во внутренней части свода 10 без повышенного давления. По существу, увеличивается трудность в направлении хладагента к областям высоких температур. Для такого расположения впускного трубопровода 29 обычно требуются распылительные насадки, установленные под впускным трубопроводом. Дополнительно для этих обычных систем требуются распылительные насадки, направленные вверх к проему 32.

При работе обычные системы охлаждения используют силу тяжести для удаления использованного хладагента вниз и наружу по верхней части нижних панелей 38 свода к собирающим системам. И наоборот, различные насадки специально направляют неиспользованный, свежий, или новый, хладагент вверх к отверстию и окружающим поверхностям. Результатом является направленное вверх разбрызгивание нового хладагента, прямо противодействующее направленной вниз силе тяжести, прикладываемой к использованному хладагенту. По существу, поскольку сила, используемая для направления нового хладагента вверх, противодействует гравитационному тяговому усилию, прикладываемому к использованному хладагенту, использованный хладагент имеет тенденцию сохраняться в областях более высокого нагрева или даже отбрасывается обратно вверх к областям более высокого нагрева.

В результате количество использованного хладагента увеличивается по глубине, или толщине, в областях более высокого нагрева и сохраняет тепло в областях более высокого нагрева. Дополнительно новый хладагент должным образом не может достигать областей более высокого нагрева из-за присутствия использованного хладагента. Это увеличение глубины использованного хладагента по областям более высокого нагрева в сочетании с неспособностью нового хладагента должным образом достигать областей более высокого нагрева значительно снижает охлаждающую способность обычных систем охлаждения. В результате в предшествующем уровне техники попытки охлаждать области более высокого нагрева посредством направления хладагента вверх к областям более высокого нагрева фактически снижали охлаждающую способность этих систем и не соответствовали техническим условиям адекватного охлаждения областей более высокого нагрева.

Поэтому необходима система охлаждения для металлургической емкости, которая разработана так, чтобы использовать должным образом энергию и конфигурацию металлургической емкости для увеличения охлаждающей способности системы охлаждения. Такая система охлаждения в настоящее время в технике отсутствует.

Раскрытие сущности изобретения

В данном описании раскрыта система охлаждения для распределения и сбора хладагента на основе текучей среды в металлургической емкости, используемой при обработке расплавленных материалов. Система охлаждения содержит распределительную систему, включающую в себя впускной разветвленный трубопровод, множество коллекторов, присоединенных к впускному разветвленному трубопроводу, и множество распределительных диспергаторов, установленных вдоль каждого коллектора. Также предложена собирающая система, включающая в себя собирающий разветвленный трубопровод, установленный так, чтобы собирать хладагент на основе текучей среды. Распределительные диспергаторы позиционированы для направления хладагента на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу и использования большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте, для направления хладагента к собирающему разветвленному трубопроводу.

В предпочтительном варианте осуществления первый и второй коллекторы предусмотрены по существу на противоположных сторонах впускного разветвленного трубопровода, а второй коллектор установлен в вертикальном направлении ниже первого коллектора.

Металлургическая емкость имеет область высокого нагрева, и впускной разветвленный трубопровод отнесен на расстояние от области высокого нагрева. Полный эффект заключается в том, что посредством позиционирования большей части распределительных диспергаторов и использования большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте, направляют предварительно выпущенный хладагент к собирающему разветвленному трубопроводу.

Также предложена металлургическая емкость, используемая при обработке расплавленных материалов. Металлургическая емкость содержит внутреннюю пластину, включающую в себя внутреннюю поверхность, внешнюю пластину, отнесенную на расстояние от внутренней пластины и определяющую по существу замкнутое пространство, распределительную систему и собирающую систему. Внутренняя пластина, внешняя пластина, отнесенная на расстояние по существу замкнутым пространством, распределительная система и собирающая система металлургической емкости могут содержать различные участки металлургической емкости, включая, но не ограничиваясь этим, верхнее строение, боковые стороны, нижнюю часть, трубопроводы и т.п.

Распределительная система установлена внутри замкнутого пространства, чтобы распределять получающий кинетическую энергию хладагент на основе текучей среды по внутренней пластине. Распределительная система включает в себя подводящие патрубки для переноса хладагента. Подводящие патрубки могут включать в себя впускной разветвленный трубопровод, множество коллекторов, присоединенных к впускному разветвленному трубопроводу, и множество распределительных диспергаторов, установленных вдоль каждого коллектора. Впускной разветвленный трубопровод установлен между первым и вторым коллектором и установлен по существу в середине замкнутого пространства.

Собирающая система включает в себя собирающий разветвленный трубопровод для сбора хладагента на основе текучей среды. Собирающий разветвленный трубопровод установлен по периферии вокруг распределительной системы и в вертикальном направлении установлен ниже большей части распределительной системы, тогда как внутренняя поверхность установлена под наклоном к собирающему разветвленному трубопроводу. Распределительные диспергаторы позиционированы по направлению к собирающему разветвленному трубопроводу, чтобы использовать большую часть кинетической энергии, содержащейся в хладагенте на основе текучей среды, для направления хладагента на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу.

Предпочтительно линия пересечения продолжается между каждым распределительным диспергатором и внутренней поверхностью. Распределительные диспергаторы позиционированы так, чтобы направлять хладагент на основе текучей среды для пересечения внутренней поверхности под косым углом по линии пересечения. Косой угол предпочтительно представляет собой тупой угол при измерении от линии пересечения к собирающему разветвленному трубопроводу. Дополнительно распределительная система распределяет хладагент на основе текучей среды по внутренней пластине в количестве, достаточном для поддерживания пластины при предварительно определенной температуре.

Также предложен способ управления потоком хладагента на основе текучей среды от точки распределения до точки сбора для охлаждения термически нагруженной поверхности металлургической емкости, используемой при обработке расплавленных материалов. Способ содержит направление потока текучей среды так, чтобы ударять по нагреваемой поверхности под тупым углом при измерении в направлении к точке сбора в металлургической емкости. Дополнительно способ включает в себя использование большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте на основе текучей среды, для направления предварительно распределенного хладагента на основе текучей среды к точке сбора.

Также предложена система охлаждения разбрызгиванием для дуговой электропечи, содержащей расплавленный материал. Система охлаждения разбрызгиванием обеспечивает возможность улучшенной защиты охлаждением в подвергаемых термическому напряжению секциях различных элементов герметизации печи. Система охлаждения разбрызгиванием разбрызгивает хладагент по направлению к стенкам различных секций, чтобы оказывать воздействие на стенки секции, одновременно используя кинетическую энергию, содержащуюся в хладагенте, чтобы быстро удалить хладагент из подвергаемых термическому напряжению областей. Это принудительное перемещение хладагента снижает накопление нежелательного использованного хладагента и увеличивает до максимума коэффициент теплопередачи между внутренней поверхностью и хладагентом. Струи хладагента направляются таким образом, что кинетическая энергия направляет использованный хладагент по направлению к выпуску хладагента. Более предпочтительно струи хладагента направляются таким образом, что по меньшей мере 70% кинетической энергии в хладагенте направлены к выпуску хладагента. В системе охлаждения разбрызгиванием участки элементов транспортирования, которые переносят хладагент, перемещены из областей повышенного термического напряжения. Обычно хладагент направляют из подвергаемой термическому напряжению области под углом, предпочтительно располагающимся в диапазоне между 20 градусами и 45 градусами, от перпендикуляра относительно поверхности, по которой ударяет хладагент.

Поэтому общая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении улучшенной системы охлаждения для металлургической емкости.

Другая цель настоящего изобретения состоит в улучшении системы охлаждения дуговой электропечи, используемой для обработки расплавленного металла.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в улучшении охлаждения подвергаемых термическому напряжению областей металлургической емкости, используемой при обработке расплавленного материала.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в улучшении охлаждения печи посредством специального управления углом удара хладагента по нагреваемой поверхности в металлургической емкости.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в управлении силой удара хладагента по поверхности, чтобы предохранять накопление использованного хладагента в подвергаемой термическому напряжению области.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в использовании кинетической энергии, содержащейся в текучей среде, для управления перемещением этой текучей среды.

Другая цель настоящего изобретения состоит в снижении до минимума накопления использованного хладагента, используемого во время охлаждения верхней части металлургической емкости, которая используется при обработке расплавленного материала.

Другая цель настоящего изобретения состоит в увеличении до максимума коэффициента теплопередачи между внутренней поверхностью и хладагентом, используемым для охлаждения металлургической емкости, содержащей расплавленный материал.

Другие и дополнительные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники после прочтения следующего раскрытия со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - вид сбоку типичной электропечи, показывающий емкость печи, свод печи в поднятом положении над емкостью печи и мачтовую опорную конструкцию для свода.

Фиг.2 - вид в плане сверху, частично с вырезом и частично в разрезе, свода печи с системой Spray-Cooled по фиг.1.

Фиг.3 - вид с торца, частично в разрезе, установки электропечи по фиг.1, также показывающий снабженный огнеупорной футеровкой участок емкости печи, содержащий расплавленный металл, и компоненты охлаждения разбрызгиванием боковой стены печи.

Фиг.3а - увеличенный частичный вид участка в разрезе по фиг.3.

Фиг.4 - частичный вид вертикальной проекции свода 10, показывающий типичное поперечное сечение по предшествующему уровню техники с насадками 34, направленными вверх обычно под углом 17 градусов от перпендикуляра.

Фиг.5 - частичный вид в поперечном разрезе свода металлургической емкости, включающего в себя улучшенную систему охлаждения.

Фиг.6 - детализированный частичный вид в поперечном разрезе секции свода и системы охлаждения, установленной в нем.

Фиг.7 - детализированный вид одного из показанных распределительных диспергаторов, распределяющих текучую среду по существу в конической форме.

Фиг.8 - дополнительный детализированный вид в поперечном разрезе распределительной системы, показывающий используемый хладагент, направляемый к собирающему разветвленному трубопроводу.

Обращаясь теперь в общем к фиг.5-8, отметим, что верхнее строение металлургической емкости, используемой при обработке расплавленных материалов, в общем показано и обозначено ссылочной позицией (201). Верхнее строение показано для иллюстративных целей, но основные признаки изобретения в этом раскрытии можно применять к другим участкам металлургической емкости, таким как боковые стены, трубопроводы или другая область или секция, подвергаемая нагреванию и требующая охлаждения.

Верхнее строение (201) содержит внутреннюю пластину (238), имеющую внутреннюю поверхность (239), внешнюю пластину (211), отнесенную на расстояние от внутренней пластины (238), чтобы образовывать по существу замкнутое пространство (205). Верхнее строение (201) также содержит систему (200) охлаждения, включающую в себя распределительную систему (204) и собирающую систему (206). Распределительная система (204) установлена внутри замкнутого пространства (205), чтобы распределять получающий кинетическую энергию хладагент (202) на основе текучей среды по внутренней пластине (238). Внутренняя пластина (238) также может упоминаться как нижняя пластина (238) или пластина (238) основания, тогда как внешняя пластина (211) также может упоминаться как верхняя пластина (211).

Система (200) охлаждения предназначена для распределения и сбора хладагента (202) на основе текучей среды в металлургической емкости (5), используемой при обработке расплавленных материалов. Система охлаждения содержит распределительную систему (204) и собирающую систему (206). Распределительная система (204) включает в себя множество подводящих патрубков (208) и множество распределительных диспергаторов (210). Подводящие патрубки (208) могут включать в себя множество коллекторов, таких как первый коллектор (212) и второй коллектор (214), присоединенных к впускному разветвленному трубопроводу (216). Распределительные диспергаторы (210) могут быть установлены вдоль подводящих патрубков (208) и, более конкретно, вдоль коллекторов (212 и 214). Собирающая система (206) включает в себя собирающий разветвленный трубопровод (218), установленный так, чтобы собирать хладагент (202). Распределительные диспергаторы (210) позиционированы так, чтобы направлять хладагент (202) к собирающему разветвленному трубопроводу (218) и использовать большую часть кинетической энергии, содержащейся в хладагенте (202), для направления хладагента (202) к собирающему разветвленному трубопроводу (218). Распределительные диспергаторы (210), которые также могут упоминаться как распылительные насадки (210), также могут описываться как позиционируемые по направлению к собирающему разветвленному трубопроводу (206), чтобы использовать большую часть кинетической энергии, содержащейся в хладагенте (202), для направления хладагента к собирающему разветвленному трубопроводу (218).

Позиционирование распределительных диспергаторов (210) и использование большей части кинетической энергии хладагента (202) обеспечивают направление предварительно выпущенного хладагента (203) на основе текучей среды к собирающему разветвленному трубопроводу (218). Распределительная система (204) включает в себя распределительные диспергаторы (210), установленные так, чтобы подавать хладагент (202) на основе текучей среды в область (220) высокого нагрева, которая также может упоминаться как область (220) высокой температуры. Однако распределительная система (204) сконфигурирована таким образом, чтобы использовать кинетическую энергию хладагента (202) на основе текучей среды для направления хладагента (202) на основе текучей среды и предварительно выпущенного хладагента (203) на основе текучей среды из областей (220) высокой температуры. По существу, распределительная система (204) позиционирована так, чтобы снижать до минимума накопление предварительно выпущенного хладагента (203) и увеличивать до максимума коэффициент теплопередачи между внутренней пластиной (238) и хладагентом (202 и 203), способствуя охлаждению верхнего строения (201).

В предпочтительном варианте осуществления распределительные диспергаторы (210) позиционированы для направления хладагента (202) таким образом, чтобы он пересекал внутреннюю поверхность (239) под косым углом (224) по линии пересечения (222). Линия пересечения (222) представляет собой линию, проходящую от каждого распределительного диспергатора (210) к внутренней поверхности (239). Линия пересечения (222) предпочтительно является центральной линией области распространения хладагента (202) на основе текучей среды от распределительных диспергаторов (210), как видно на фиг.7. Косой угол (224) представляет собой тупой угол при измерении от линии пересечения (222) к собирающему разветвленному трубопроводу (218), как видно на фиг.5 и 6.

Предпочтительно первый коллектор (212) и второй коллектор (214) закреплены по существу на противоположных сторонах впускного разветвленного трубопровода (216). По существу, впускной разветвленный трубопровод (216) установлен между первым коллектором (212) и вторым коллектором (214). Дополнительно второй коллектор (214) установлен в вертикальном направлении ниже первого коллектора (212). Предпочтительно впускной разветвленный трубопровод (216) установлен по существу в середине замкнутого пространства (205). Первой коллектор (212) и второй коллектор (214) могут упоминаться как присоединенные к впускному разветвленному трубопроводу (216) по существу в противоположной ориентации.

Распределительная система (204) распределяет хладагент (202) по внутренней пластине (238) в количестве, достаточном для поддерживания внутренней поверхности (239) при предварительно определенной температуре. Эта предварительно определенная температура представляет собой температуру, которая снижает термическое напряжение на различных поверхностях металлургической емкости (5). Эта предварительно определенная температура может быть определена как температура, которая изменяется в пределах предварительно определенного диапазона температур. Предпочтительно этот диапазон температур составляет от 40 до 300 градусов по Фаренгейту. Более предпочтительно этот диапазон температур составляет от 70 до 200 градусов по Фаренгейту. Наиболее предпочтительно этот диапазон температур составляет от 100 до 150 градусов по Фаренгейту.

Верхнее строение (201) металлургической емкости (5) включает в себя по меньшей мере одну область (220) высокой температуры, расположенную в непосредственной близости от отверстия (232) верхнего строения (201). Впускной разветвленный трубопровод (216) разнесен на расстояние от области (220) высокой температуры, чтобы облегчать позиционирование распределительных диспергаторов (210) для подачи хладагента (202) в область (220) высокой температуры с надлежащей траекторией. Переустановка впускного разветвленного трубопровода (216) обеспечивает возможность надлежащей направленной ориентации распределительных диспергаторов (210), чтобы способствовать уменьшению нагрева внутренней пластины (238).

Предпочтительно собирающий разветвленный трубопровод (218) установлен по периферии вокруг распределительной системы (204). Дополнительно собирающий разветвленный трубопровод (218) в вертикальном направлении установлен ниже большей части распределительной системы (204). Внутренняя поверхность (239) также наклонена к собирающему разветвленному трубопроводу (218). Более конкретно, внутренняя пластина (238) наклонена от отверстия (232) к собирающему разветвленному трубопроводу (218), чтобы способствовать гравитационному стеканию предварительно выпущенной жидкости (203) к собирающему разветвленному трубопроводу (218).

В качестве альтернативы распределительные диспергаторы (210) могут описываться как присоединенные по меньшей мере к одному подводящему патрубку (208) в плоскости (226) присоединения. По существу, каждый распределительный диспергатор (210) установлен под острым углом (228) при измерении от плоскости (226) присоединения к собирающему разветвленному трубопроводу (218). Каждый распределительный диспергатор (210) установлен под этим острым углом (228) для направления хладагента (202) по линии (222) пересечения и к собирающему разветвленному трубопроводу (218). Позиционирование распределительных диспергаторов (210) обеспечивает использование большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте (202) на основе текучей среды, чтобы управлять потоком хладагента (202) на основе текучей среды из области (220) более высокой температуры. Дополнительно позиционирование распределительных диспергаторов (210) и использование большей части кинетической энергии, содержащейся в хладагенте (202) на основе текучей среды, направляет предварительно выпущенную текучую среду (203) из области (220) высокой температуры. По существу, распределительная система (204) облегчает теплопередачу от внутренней пластины (238) к хладагенту (202). Дополнительно распределительная система (204) снижает до минимума сбор предварительно выпущенной текучей среды (203) и циркуляцию неиспользуемого хладагента (202) к области (220) высокой температуры.

Предпочтительно распылительные насадки (210) направляют хладагент (202) к нижним панелям (238) в конфигурации струи. Конфигурация струи является по существу конической по форме и содержит капельки хладагента (202). Область покрытия струей конической формы предпочтительно продолжается приблизительно на 55 градусов с обеих сторон от центральной линии (222) конфигурации при измерении от распределительной распылительной насадки.

Позиционирование и ориентация распылительных насадок предназначены для того, чтобы большая часть кинетической энергии хладагента (202) на основе текучей среды не приводила к обратным результатам для гравитационного потока использованного хладагента (203). По существу, ориентация распылительных насадок (210) направляет использованный хладагент (203) и неиспользованный хладагент (202) наружу к собирающему разветвленному трубопроводу (218) и из области (220) высокой температуры.

Напротив, как изображено на фиг.4, насадки (34) предшествующего уровня техники направлены вверх, обычно под углом приблизительно 17 градусов от линии, перпендикулярной нижней пластине (38), у отверстия (32). По существу, если насадки (34) предшествующего уровня техники имеют традиционную полную конусную конфигурацию струи, приблизительно 65% располагаемой кинетической энергии в хладагенте систем предшествующего уровня техники препятствуют или ограничивают гравитационный поток использованного хладагента, направляющийся к собирающему разветвленному трубопроводу.

И наоборот, распылительные насадки (210) в настоящем изобретении направлены вниз под углом, который больше нуля, при измерении от перпендикулярной линии вниз, от диспергатора к элементам (238 и 232) герметизации. Более предпочтительно этот угол составляет от 10 градусов до 75 градусов, и наиболее предпочтительно угол находится в диапазоне от 20 градусов до 45 градусов. По существу, обладающая признаками изобретения распределительная система (204) наиболее предпочтительно использует приблизительно 75% располагаемой кинетической энергии, чтобы направлять использованный хладагент (203) в направлении гравитационного потока хладагента (202 и 203) к собирающему разветвленному трубопроводу (218).

Таким образом, хотя были описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения новых и полезных улучшенных системы и способа охлаждения печи, не предполагается, чтобы такие ссылки рассматривались как ограничения для объема данного изобретения, за исключением того, что сформулировано в последующей формуле изобретения.

Все патенты и издания, описанные или обсуждавшиеся в данном описании, тем самым полностью включены в данное описание посредством ссылки.