FI109937B

FI109937B - Menetelmä metallurgisen reaktorin sulatilan komposiitti-jäähdytyselementin valmistamiseksi ja menetelmällä valmistettu komposiittijäähdytyselementti

Info

Publication number: FI109937B
Application number: FI991191A
Authority: FI
Inventors: Risto Saarinen; Ilkka V Kojo; Ari Jokilaakso
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2002-10-31
Also published as: PE20010329A1; FI991191A0; EP1200632B1; EP1200632A1; KR20020001893A; PL196439B1; PT1200632E; WO2000073514A1; CA2374956A1; EA003002B1; PL351875A1; ZA200109323B; CN1354801A; JP2003500626A; DE60017260T2; AU4571100A; TR200103378T2; YU83501A; BG64511B1; AU776737B2

Description

109937

MENETELMÄ METALLURGISEN REAKTORIN SULATILAN KOMPOSIITTI-JÄÄHDYTYSELEMENTIN VALMISTAMISEKSI JA MENETELMÄLLÄ VALMISTETTU KOMPOSIITTIJÄÄHDYTYSELEMENTTI

5 Keksintö kohdistuu menetelmään valmistaa metallurgisen reaktorin sulatilaan tuleva komposiittijäähdytyselementti, jolloin elementti on valmistettu liittämällä keraamisen vuorauksen osat toisiinsa kuparivalun avulla ja muodostamalla samalla vuorauksen taakse kuparilaatta, joka varustetaan jäähdytysvesikanavilla. Keksintö kohdistuu myös menetelmän avulla 10 valmistettuun komposiittijäähdytyselementtiin.

Vesijäähdytteisillä jäähdytyselementeillä suojataan pyrometallurgisissa prosesseissa reaktorien muurauksia siten, että jäähdytyksen vaikutuksesta muurauksen pintaan tuleva lämpö siirtyy jäähdytyselementin kautta veteen, 15 jolloin vuorauksen kuluminen pienenee olennaisesti verrattuna reaktoriin, jota ei ole jäähdytetty. Kulumisen pienenemisen aiheuttaa jäähdytyksen aikaansaama, tulenkestävän vuorauksen pintaan kiinteytyvä ns. autogee-ninen vuoraus, joka muodostuu kuonasta ja muista sulafaaseista : . erkautuvista aineista.

·:··: 20 ·:··: Perinteiseseti jäähdytyselementtejä valmistetaan kolmella tavalla:

Ensinnäkin elementit voidaan valmistaa hiekkavalulla, missä hiekkaan v *’ kaavattuun muottiin asetetaan lämpöä hyvin johtavasta materiaalista kuten kuparista tehty jäähdytysputkisto, jota putkiston ympärille tapahtuvan valun v : 25 aikana jäähdytetään joko ilmalla tai vedellä. Putkiston ympärille valettava elementti on myös hyvin lämpöä johtavaa materiaalia, edullisesti kuparia.

| Tällaista valmistustapaa on kuvattu esimerkiksi GB patentissa 1386645.

Menetelmän ongelmana on virtauskanavana toimivan putkiston epätasainen : kiinnittyminen ympäröivään valumateriaaliin, sillä osa putkista voi olla 30 kokonaan irti ympärille valetusta elementistä ja osa putkesta voi olla kokonaan sulanut ja siten sulautunut elementtiin. Jos jäähdytysputken ja 2 109937 ympärille valetun muun elementin välille ei muodostu metallista sidosta, lämmönsiirto ei ole tehokasta. Jos taas putkisto sulaa kokonaan, se estää jäähdytysveden kulun. Menetelmän etuina voidaan mainita verraten halpa valmistuskustannus ja riippumattomuus dimensioista.

5

Toinen, edellisen tyyppinen jäähdytyselementtien valmistusmenetelmä on hiekkavalulla valmistetut elementit, joissa jäähdytysputkisto on jotain muuta materialla kuin kuparia. Putkiston ympärille valetaan hiekkapedillä kuparia, jolloin ylikuumentamalla valettava kupari saadaan aikaan hyvä kontakti 10 kuparin ja putkiston välille, mutta yleensä ko. putken lämmönjohtavuus on vain luokkaa 5 - 10% puhtaan kuparin lämmönjohtavuudesta. Varsinkin dynaamisissa tilanteissa tämä heikentää elementtien jäähdytyskykyä.

US-patentissa 4,382,585 kuvataan kolmatta, paljon käytettyä jäähdytys-15 elementtien valmistustapaa, jonka mukaisesti elementti valmistetaan valssatusta tai taotusta kuparilaatasta koneistamalla siihen tarvittavat kanavat. Tällä tavalla valmistetun elementin etuina on tiivis, luja rakenne ja hyvä lämmönsiirto elementistä jäähdytysväliaineeseen kuten veteen. Haittoina on dimensionaaliset rajoitukset (koko) ja kallis hinta.

·:··: 20

Edellämainituilla tavoilla valmistettujen jäähdytyselementtien suurin heikkous on, että on vaikea saada aikaan asennusvaiheessa hyvää v ·' kontaktia suojattavan keraamisen uunivuorauksen (tulenkestävän vuorauksen) ja elementin välille, joten jäähdytyselementin keraamista v : 25 vuorausta suojaava vaikutus on suuresti riippuvainen asennuksen ► · · * onnistumisesta, ja useimmiten elementin jäähdyttäviä ominaisuuksia ei * pystytäkään täysin käyttämään hyväksi.

* » : Nyt on kehitetty menetelmä, jonka mukaisesti metallurgisen reaktorin '·''· 30 keraaminen vuoraus saatetaan kiinteään, metalliseen kontaktiin vuorauksen taakse tulevan jäähdytysvesiputkistolla varustetun kuparilaatan kanssa ja 3 109937 yhdessä nämä muodostavat komposiittijäähdytyselementin. Tämä tapahtuu parhaiten siten, että keraamisen vuorauksen muodostavat osat kuten tulenkestävät poltetut tiilet yhdistetään toisiinsa valamalla sulaa kuparia tiilten väliin ja samanaikaisesti valamalla keraamisten kappaleiden 5 muodostaman pintaosan taakse kuparilaatta. Takaosan laatta varustetaan jäähdytysvesikanavilla, edullisesti kaksoiskanavilla. Keksintö kohdistuu myös itse komposiittijäähdytyselementtiin, jonka pintaosa muodostuu keraamisista tiilistä, joiden väliin on valettu korkean lämmönjohtokyvyn omaavaa kuparia, ja pintaosan takana on samasta kuparista 10 samanaikaisesti valettu, jäähdytysvesikanavavilla varustettu kuparilaatta. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista vaatimuksista.

Käytännössä jäähdytyselementti muodostetaan siten, että kupari valetaan keraamisten poltettujen tiilten ympärille siten, että keraamisen muurauksen 15 pääosa muodostuu jo valun aikana ja on hyvin kontaktissa valetun kuparin kanssa. Kuparin suuren lämmönjohtavuuden vuoksi kuparisten saumojen muurausta suojaava vaikutus on tehokasta. Jotta lämpöä ei siirretä tarpeettomasti, tehdään tiilten väliin tulevat kupariset saumat mahdolli-simman ohuiksi, valmistusteknillisesti edullisesti 0,5 - 2 cm vahvuisiksi. ·:··: 20 Mikäli saumat ovat paksumpia, tuodaan uunin sisältä tarpeettomasti lämpöä :··: jäähdytykseen, ja kasvatetaan lämpöhäviöitä ja käyttökustannuksia tarpeet- ;tomasti. Edullisesti jäähdytyselementin pintaosassa (reaktorin sisäpuolelle v : tulevassa osassa) kuparin määrä keraamisen vuorauksen määrään nähden on korkeintaan 30% pinta-alasta eli liitosaineen määrän ei haluta tulevan • : : 25 liian massiiviseksi, koska uunin kokonaislämpöhäviöitä ei haluta lisätä, ' mutta kuitenkin suojata muurausta.

Keraamisena vuorauksen materiaalina eli tiilimateriaalina käytetään valuun : soveltuvia poltettuja tiiliä, joilla on perinteisesti hyvät ominaisuudet metal- ;t‘.j 30 lurgisia sulia vastaan. Kupari on laatua, jonka sähkönjohtavuus on korkea, 4 109937 edullisesti suurempi kuin 85% IACS, sillä kuparin sähkön- ja lämmönjohta-vuudella on suora riippuvuus.

Keraamisen vuorauksen taakse valetaan tiilten yhdistämisen yhteydessä 5 kuparinen laatta, johon työstetään jäähdytysvesikanavat. Kanavat tehdään kaksoisputkikanavina elementin takaosan muodostavaan kuparilaattaan esimerkiksi poraamalla siten, että laattaan porataan ensin ns. ulkoputki, jonka seinät voidaan profiloida lämmönsiirtopinnan kasvattamiseksi. Ulkoputken sisälle sijoitetaan tämän halkaisijaa pienempi sisäputki, jonka 10 kautta vesi syötetään elementtiin ja josta se sitten virtaa profiloidun ulkoputken kautta ulos. Ulkoputken profiloinnin avulla, kuten uria, rihloja, kierteitä tai vastaavia putken sisäpintaan tekemällä, voidaan seinämän lämmönsiirtopinta-ala kasvattaa jopa kaksinkertaiseksi sileään pintaan nähden.

15

Kanavat tehdään lämmönsiirtoelementtiin siten, että kanavien välillä on etäisyys, joka on enintään 0,5 - 1,5 kertaa kanavan halkaisija, ja on siis kiinteää osaa elementistä. Jos kanavat tehdään tiheämpään, ei enää saavuteta parantuneita ominaisuuksia, sillä tuolloin kanavien takaosan :··; 20 lämmönsiirtopinta tulee tehottomasti hyödynnetyksi ja samalla rakenne : · ·: heikkenee. Jos taas kanavointi suoritetaan edelläkuvattua harvemmin, lämmönsiirtopinnan maksimointi jätetään hyödyntämättä ja heikennetään v ; siten jäähdytyskapasiteettia.

: 25 Kuten edellä mainittiin, lämmönsiirtoelementtiin sijoitetaan kunkin poratun I t · putken sisään sisäputki, jonka kautta jäähdytysvesi johdetaan elementtiin. :.· l Sisäputkesta vesi virtaa edelleen ulkoputken ja sisäputken muodostamassa rengasmaisessa kanavassa ja poistetaan siitä kiertoon. Kaksoisputkiraken-: teen avulla saadaan aikaan virtauspoikkipinta-alan pienentyminen siten, 30 että tietyllä vesimäärällä saadaan aikaan korkeampi nopeus kuin jos käytettäisiin vain yhtä putkea. Suuremmalla virtausnopeudella on 5 109937 puolestaan merkittävä positiivinen vaikutus lämmönsiirtoon elementin ja veden välillä. Mikäli lämmönsiirtopinta optimoidaan käyttämällä perinteisiä sileitä putkia, ei tällaiseen lämmönsiirtopinta-alan lisäämiseen päästä, sillä vesimäärät tulevat kohtuuttoman suuriksi.

5 Lämmönsiirtoelementit yhdistetään toisiinsa tiiviisti muodostamalla elementtien sivut pontatuiksi tai limittäisiksi siten, että vierekkäisten elementtien rako muodostuu labyrinttimäiseksi.

10 Keksinnön mukaista lämmönsiirtoelementtiä kuvataan vielä oheisten kuvien avulla, jossa kuvassa 1 nähdään lämmönsiirtoelementti edestä katsottuna, kuvassa 2 lämmönsiirtoelementti sivustakatsottuna poikkileikkauksena, kuvassa 3 on toinen keksinnön mukainen lämmönsiirtoelementti sivusta-15 katsottuna poikkileikkauksena, ja kuva 4 esittää graafisesti lämpöhäviöitä keraamin pinnassa olevan kuparimäärän funktiona.

Kuvista 1 ja 2 nähdään, että lämmönsiirtoelementin 1 pintaosa eli reaktorin 20 sisäpuolelle tuleva seinä muodostuu keraamisesta vuorauksesta 2.

:*·: Keraaminen vuoraus puolestaan muodostuu esimerkiksi poltetuista tiilistä 3, v : jotka on liitetty toisiinsa valamalla kuparia liitosaineeksi 4 tiilien väliin siten, • · · v ·' että liitosaineen ja keraamin pinta-alasuhde on korkeintaan 30/70. Samalla kun tiilet liitetään toisiinsa muodostamaan yhtenäinen keraaminen vuoraus, · : 25 keraamisen vuorauksen taakse valetaan kuparilaatta 5, johon työstetään > I i '[ * tarvittavat jäähdytyskanavat 6. Jäähdytyselementtien liittämiseksi toisiinsa • « M · voidaan aina elementin toisen päädyn reuna tehdä ohuemmaksi, jolloin

• · I

elementit sijoitetaan limittäin vierekkäin. Toinen vaihtoehto on, että tiiviin kontaktin aikaansaamiseksi elementit varustetaan korvakkeilla ja •,' · j 30 syvennyksillä (ns. ponttiliitos), joita toisiinsa sovittamalla elementit saadaan tiiviiseen liitokseen.

6 109937

Kuvasta 2 nähdään myös jäähdytysvesiputkistolle edullinen kaksoisputkitus, jolloin itse elementtiin työstetään esim. poraamalla reikä 7, joka toimii ulkoputkena, ja putken pinta profiloidaan halutusti suuren virtauspoikki-5 pinta-alan aikaansaamiseksi. Ulkoputken sisään sijoitetaan halkaisijaltaan ulkoputkea pienempi sisäputki 8, jonka kautta jäähdytysvesi syötetään elementtiin. Sisäputki ei ulotu ulkoputken pohjaan asti, vaan se on jätetty lyhyemmäksi, ja jäähdytysvesi virtaa sisäputken ympärille muodostuneessa rengasmaisessa tilassa takaisinpäin ja poistetaan samasta päästä mistä se 10 on syötetty poistoyhteen 9 kautta. Rengasmaisen tilan poikkipinta-ala on sama kuin sisäputken tai edullisesti pienempi, jolloin virtausnopeus ulkoputkessa kasvaa. Kun painehäviö kasvaa alueella, missä lämmönsiirto tapahtuu, tällä on myös paikallista veden kiehumista estävä vaikutus.

15 Joissakin tilanteissa voi olla edullista järjestää jäähdytyselementin jäähdytys muulla tavoin kuin edellä kuvattujen kaksoisputkien avulla, esimerkiksi valmistamalla putkisto normaalisti poraamalla ja tulppaamalla ilman kaksoisputkitusta. Tällöinkin on edullista, että etuseinässä kuparin ja * · keraamin suhde pysyy samana, 30/70.

·:·· 20 :··: Kuvassa 3 on esitetty toinen komposiittielementin valmistusvaihtoehto. Kun ‘T: metallurgisessa reaktorissa valmistetaan blisterkuparia, ei jäähdytys- ν' ·' elementin saumauksessa käytettävää kuparia haluta suoraan kontaktiin valmistettavan kuparin kanssa, koska niillä on olennaisesti sama • : : 25 sulamispiste. Jäähdytyksestä huolimatta joko elementin kupari voi hieman * » · sulaa tai blisteristä voi muodostua kiinteä kerros keraamisen vuorauksen ! päälle, ja tilannetta on vaikea kontrolloida. Tässä tapauksessa valu tehdään :.v edullisesti siten, että esimerkiksi tulenkestävästä teräksestä muodostetaan : kehikko, johon tiilet ladotaan. Kehikon korkeus on luokkaa 1 - 3 cm ja tämä V'j 30 tulee kontaktiin sekä keraamin (tiilen) että päälle valettavan kuparin kanssa.

7 109937 Näin kehikko 10 muodostaa valmiissa elementissä tiilten välisen saumauksen pintaosan, kuten kuvasta 3 nähdään.

Edullisesti kehikon eli valmiin elementin saumauksen pintaosan kuparia 5 vasten tuleva pinta on työstetty siten, että päälle valettava sula kupari asettuu koloihin, jotka voivat olla esimerkiksi evämäiset, ja niin lämmönsiirtopinta teräksen ja kuparin välillä kasvaa ja toisaalta kupari ja teräs sidotaan tiiviisti toisiinsa.

10 Kuvasta 4 nähdään, kuinka lämpöhäviöt (lämpövirta prosentteina kuluneen vuorauksen lämpövirrasta) muuttuvat reaktorin seinän läpi, kun lämmön-siirtoelementin kupariosuutta muutetaan. Lämpöhäviöt ehjän vuorauksen tapauksessa pienenevät lähes lineaarisesti, kun keraamisen vuorauksen osuus kasvaa ja kokonaislämpöhäviö laskee, kunnes kuparin osuus laskee 15 alle 10%:n, jolloin kulmakerroin muuttuu jyrkemmäksi.

Normaalisti reaktorin seinien vuoraukset kuluvat lämpötilan ja sulan materiaalin tunkeutumisen yhteisvaikutuksena, jolloin eristys heikkenee ja lämpöhäviöt kasvavat. Vain taustaltaan jäähdytetyn vuorauksen (kuparia * ;-·· 20 0%) lämpötila nousee korkealle, jolloin sulan tunkeutuminen lisääntyy ja :·'· tuhoutuminen pääsee etenemään siten, että lopulta vain ohut tiilikerros pysyy stabiilina tasopintaisen kuparielementin pinnalla. Kun vuorauksen sisällä on kuparia, muurauksen lämpötila on oleellisesti matalampi ja sulan tunkeutuvuus vähenee. Tällaisessa tapauksessa lämpöhäviöt laskevat • : *’ 25 kuparin osuuden pienentyessä vuorauksessa tiettyyn rajaan saakka (20 - I ‘ 30% Cu), minkä jälkeen lämpöhäviöt pienentyvät jyrkästi, mutta kasvavat U l jälleen, kun kuparin osuus laskee alle kriittisen rajan (noin 5%). Kuvan 4 .·’ mukaisesti kuparia on oltava vuorauksessa korkeintaan 30% optimialueen : f’; ollessa 5 -15%.

; 30 i *

Claims

109937

1. Menetelmä metallurgisen reaktorin sulatilaan tulevan komposiittijäähdy-5 tyselementin valmistamiseksi, jolloin elementti muodostuu keraamisesta vuorauksesta ja sen taakse valettavasta kuparilaatasta, joka on varustettu jäähdytysvesikanavilla, tunnettu siitä, että jäähdytyselementin keraamisen vuorauksen osat sijoitetaan teräksestä valmistettuun kehikkoon, jonka jälkeen kehikko ja keraamisen vuorauksen osat yhdistetään toisiinsa ίο kuparivalun avulla, jolloin kehikko muodostaa elementin pintaosan saumauksen ja kupari sisempänä olevan saumauksen ja vuorauksen taakse tulevan kuparilaatan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 keraamisen vuorauksen osat ovat tulenkestäviä tiiliä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytysvesikanavat tehdään poraamalla. • · :··| 20

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ·:··· jäähdytysvesikanavien sisäpinta profiloidaan. • M • « I • · ·

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytysvesikanavat varustetaan sisäputkella. • * 25 • · ·

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elementin jäähdytysvesikanavat ovat toisistaan etäisyydellä, joka on 0,5 - • : 1,5 kertaa kanavan halkaisija. • a · • a · a a a a • a a a aa a a 109937

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytyselementin pintaosassa kuparin määrä on korkeintaan 30%.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 jäähdytyselementin pintaosassa keraamisten tiilten väliset kuparisaumat ovat 0,5 - 2 cm:n vahvuisia.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elementissä käytettävä kupari on kuparia, jonka sähkönjohtavuus on ίο vähintään 85% IACS.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tulenkestävästä teräksestä valmistetun kehikon paksuus on 1 - 3 cm.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kehikko on valettavan kuparin suuntaan muodostettu evämäiseksi. ti#;

12. Metallurgisen reaktorin sulatilaan tuleva komposiittijäähdytyselementti, • · jolloin elementti muodostuu keraamisesta vuorauksesta ja sen taakse • · 20 valettavasta kuparilaatasta, joka on varustettu jäähdytysvesikanavilla, • · tunnettu siitä, että jäähdytyselementin keraamisen vuorauksen osia toisiinsa sitova saumausaine on elementin pintaosassa muodostettu teräksestä, jonka takapuolella saumausaine muodostuu sinne valetusta kuparista, josta on valun yhteydessä muodostettu myös kuparilaatta 25 vuorauksen taakse. • t • I I I · » • · ·

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että keraamisen vuorauksen osat ovat tulenkestäviä tiiliä. : 30

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, • · · • * että elementin jäähdytysvesikanavat ovat toisistaan etäisyydellä, joka on 0,5 109937 ίο -1,5 kertaa kanavan halkaisija.

15. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että jäähdytysvesikanavat on tehty poraamalla. 5

16. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että jäähdytysvesikanavien sisäpinta on profiloitu.

17. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, ίο että jäähdytysvesikanavat on varustettu sisäputkella.

18. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että jäähdytyselementin pintaosassa kuparin määrä on korkeintaan 30%.

19. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että jäähdytyselementin pintaosassa keraamisten tiilten väliset kuparisaumat ovat 0,5 - 2 cm:n vahvuisia.

20: Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, :··· 20 että elementissä käytettävä kupari on kuparia, jonka sähkönjohtavuus on ·:··: vähintään 85% IACS.

• · · : 21. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että tulenkestävästä teräksestä muodostetun saumauksen pintaosan • * 25 paksuus on 1 - 3 cm. * · · • · ·

22. Patenttivaatimuksen 12 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että tulenkestävän teräksen kuparia vasten tuleva pinta on työstetty evämäiseksi. • · · · • · 30 „ 109937