ФУТЕРОВКА СТЕНКИ ПЕЧИ И СПОСОБ ФУТЕРОВКИ СТЕНКИ ПЕЧИ

Футеровка стенки печи (10), включает огнеупорный слой (14), имеющий горячую лицевую или огневую поверхность (16), открытую во внутреннюю полость печи. Множество элементов из высокотепло-проводного материала (18), такого, как медные стержни или проволоки, проходят от наружного кожуха (12) печи в огнеупорную футеровку (14). Элементы (18) обеспечивают непрерывный путь отвода тепла к наружному кожуху (12) печи. Водяная рубашка (22) отбирает тепло от наружного кожуха. Элементы (18) рассредоточены в огнеупорной футеровке (14) для обеспечения достижения, по существу, однородной температуры по огневой поверхности печи в окрестности элементов. Футеровка стенки может быть выполнена путем закрепления ряда элементов к внутренней стенке наружного кожуха и нанесения огнеупорного материала на внутреннюю стенку.

Настоящее изобретение относится к огнеупорной футеровке стенок, используемой в печах. В частности, настоящее изобретение относится к охлаждающим устройствам для огнеупорной футеровки стенок.
Печи, работающие при высоких температурах, используются во многих различных процессах, включая плавление металлов. Большинство печей сконструировано таким образом, что имеют наружный кожух, изготовленный из металличе-ского материала, обычно из стали. Наружный кожух футерован слоем огнеупорных кирпичей для изоляции наружного кожуха от экстремальных температур в полости печи, а также для предотвращения контактирования очень горячих материалов, находящихся в печи, с наружным кожухом.Огнеупорная футеровка должна иметь большой срок службы для того, чтобы свести к минимума время, связанное с перефутеровкой печи.
Огнеупорные футеровки обычно изготавливают из материалов, которые фактически не реагируют с содержимым печи. Однако эрозия и разрушение огнеупорных футеровок все же имеют место, и установлено, что скорость эрозии и разрушения футеровок возрастает при увеличении температуры горячей лицевой поверхности футе-ровки (т.е. лицевой поверхности футеровки, обращенной во внутреннюю полость печи). Поэтому было осуществлено множество попыток снизить температуру горячей лицевой поверхности футеровки для того, чтобы увеличить срок службы огнеупорной футеровки.
Одна из конструкций, предложенных для использования с тем, чтобы снизить температуру горячей лицевой поверхности включает установку водоохлаждаемого контура в огнеупорной футе-ровке. Когда вода течет через охлаждающий кон-тур, она отбирает тепло от огнеупорной футеров-ки и снижает температуру горячей лицевой по-верхности футеровки. Хотя такие установки дей-ствуют с удовлетворительным понижением темпе-ратуры футеровки, они включают применение водоохлаждаемых контуров внутри футеровки. Любая протечка воды из охлаждающего контура имеет потенциальную возможность просочиться в печь и вызвать взрывы и гидратацию огнеупора. Совершенно очевидно, что такая ситуация являет-ся чрезвычайно опасной, и в настоящее время считают, что такого внутреннего водоохлаждения огнеупорных футеровок следует избегать.
Другой подход, который был использован в промышленности, включает помещение массив-ных монолитных охлаждающих элементов с вы-сокой теплопроводностью сквозь стенку печи и футеровку. Наружная часть массивных охлажда-ющих элементов остается снаружи огнеупорной футеровки. Участки охлаждающих элементов, расположенные снаружи печи, охлаждаются во-доохлаждаемым контуром. Соответственно, если происходит протечка в водоохлаждаемом конту-ре, вода не может войти в соприкосновение с горя-чим содержимым печи, что исключает гидратацию и снижает опасность взрыва. Массивные монолитные охлаждающие элементы обычно распо-ложены с интервалом примерно в полметра друг от друга. Это приводит к возникновению больших температурных градиентов в огнеупорной футеровке. Зоны высокой температуры в футеровке изнашиваются намного быстрее, чем зона с отно-сительно более низкой температурой, и износ футеровки является очень неравномерным. Кроме того, большие температурные градиенты в футеровке задают большие температурные напряжения в огнеупорной футеровке.
В патенте Великобритании № 1,585,155 описана дуговая печь, в которой предусмотрена со-ставная футеровка, которая включает открытый внутренний слой огнеупорного материала, обра-щенный во внутреннюю полость печи. Наружный слой огнеупорного материала закладывается на внутреннем слое, подпирая его, и этот наружный слой огнеупорного материала находится в тепло-вом контакте с внутренним слоем. Наружный слой выполнен из материала, имеющего более высокую теплопроводность, чем материал внутреннего слоя. Наружный слой может контактировать с кожухом печи, который рассеивает тепло в окружающую среду или, что обычнее, в среду с прину-дительным воздушным или водяным охлаждением. Составная конструкция огнеупорной футеровки обеспечивает увеличение теплового потока через боковую стенку футеровки, посредством чего снижает степень износа огнеупора. Эта конструкция страдает недостатком, требующим установки конструкции составной огнеупорной стенки. Более того, хотя описанный наружный слой огнеупорной футеровки изготовлен из высокотеплопровод-ного огнеупорного материала, теплопроводность такого огнеупорного материала все же относи-тельно низкая, и это ограничивает количество тепла, которое может быть отведено от печи. Со-ставные футеровки также являются дорогостоя-щими и могут быть реактивными.
Еще одно решение проблемы эрозии и прони-цаемости огнеупорных футеровок при высокой температуре в печи описано в патенте США № 3,849,587 на имя Наtch Associates Limited. В этом патенте описаны защитные огнеупорные футеров-ки печей, работающих при высоких температурах, включающие пропущенные сквозь стенку и обрат-но в футеровку массивные охлаждающие элемен-ты. Наружные участки массивных охлаждающих элементов остаются снаружи огнеупорной футе-ровки. Охлаждающие элементы, встроенные в футеровку, по существу, лишены водоохлаждае-мых каналов в участках, расположенных в футе-ровке печи,что исключает протечки воды в печь. Участки водоохлаждаемых элементов, располо-женные снаружи печи, обычно охлаждаются во-доохлаждаемым контуром. Длина, поперечное сечение интервалы и материал охлаждающих элементов выбираются таким образом, чтобы исключить расплавление охлаждающих элемен-тов и отвести достаточно тепла от футеровки для ограничения эрозии футеровки.
Охлаждающие элементы, введенные в футе-ровку, обычно изотовлены из медио, охлаждаю-щие элементы, описанные в этом патенте, имеют большой диаметр, обычно, около 4 Дюймов (100 мм) в диаметре, и расположены на относительно большом расстоянии друг от друга. Это приводит к возникновению температурного градиента по горячей лицевой поверхности огнеупорной футе-ровки и сопутствующим неравномерному износу и термическим напряжениям, связанным с таким температурным градиентом.
Настоящее изобретение предусматривает ог-неупорную футеровку, которая преодолевает или, по крайней мере, смягчает один или более недо-статков вышеупомянутых решений уровня техни-ки.
В первом аспекте настоящего изобретения предусмотрена футеровка стенки печи, имеющей наружный кожух и источник внешнего охладителя с привязкой к кожуху, упомянутая футеровка стен-ки содержит огнеупорную футеровку примыкаю-щую к наружному кожуху, при этом лицевая горя-чая поверхность футеровки открыта и подвергает-ся воздействию высокой температуры в процессе работы печи, упомянутая огнеупорная футеровка включает множество элементов из высокотепло-проводного материала, элементы проходят в ог-неупорную футеровку в направлении к горячей лицевой поверхности, каждый элемент обеспечи-вает непрерывный путь теплоотвода от конца элемента, расположенного ближе к горячей лице-вой поверхности, к наружному кожуху печи, мно-жество элементов разбросаны с интервалом в огнеупорной футеровке для обеспечения, по суще-ству, однородной температуры по всей горячей лицевой или огневой поверхности печи в окрест-ности элементов в процессе работы печи.
Под термином “по существу, однородной температуры” понимают, что температура по горячей лицевой или огневой поверхности не от-личается более, чем на 100С. Предпочтительнее, температура по всей горячей лицевой или огневой поверхности не отличается более, чем на 50С.
Для обеспечения необходимой однородной температуры по всей горячей лицевой поверхно-сти, по существу, по всей футеровке стенки может быть расположено множество элементов. Альтер-нативно, в футеровке стенки множество элементов может располагаться таким образом, что они больше сконцентрированы в более горячих точках печи. Аналогично, в более холодных участках печи может быть расположено меньшее количе-ство элементов, возможно также, что элементы могут не проходить ко всем частям печи. Это, в частности, происходит в тех случаях, когда кон-струкция печи и ее работа, в отсутствие множе-ства элементов ведущая к явно выраженным горя-чим и холодным точкам печи, учитывает, что до-полнительный отвод тепла, обеспечиваемый мно-жеством элементов, может не потребоваться в более холодных зонах печи.
Футеровка печи настоящего изобретения мо-жет быть использована для гарантирования того, что, по горячей линевой или огневой поверхности печи в окрестности элементов обеспечивается, по существу, однородная температура. Альтернатив-но, футеровка может быть сконструирована для обеспечения того, что, по существу, однородная температура достигается по всей горячей лицевой или огневой поверхности печи. Это является пред-почтительным, когда необходимо предотвратить возникновение нежелательных градиентов темпе-ратуры на горячей лицевой или огневой поверхно-сти футеровки. В любом случае, по существу, однородная температура может быть ниже темпе-ратуры, при которой скорость разрушения и/или эрозии огнеупорной футеровки становится непри-емлемо высокой. Должно быть понятно, что в пе-чах, в которых в отстуствие множества элементов имеется тенденция к явно выраженным горячим и холодным точкам, элементы могут требоваться только в или вблизи более горячих точек.
Предпочтительнее, высокотеплопроводным материалом является металл или металлический сплав. Особенно предпочтительной является медь.
В предпочтительном варианте настоящего изобретения множество элементов из высоко-теплопроводного материала проходят в огне-упорную футеровку в направлении горячей лице-вой или огневой поверхности футеровки, но не на столько, чтобы достигнуть огневой поверхности футеровки. Вследствие этого концы элементов отделены от огневой поверхности огнеупорным слоем, который снижает тепловой поток через стенку и изолирует элементы от очень высоких температур, возникающих на огневой поверхности футеровки в процессе работы печи. Это защищает элементы и снижает возможность разрушения из-за термического повреждения элементов. Множе-ство элементов из высокотеплопроводный мате-риала проходят от внутренней стенки наружного кожуха печи в огнеупорную футеровку для обес-печения пути непрерывного отвода тепла от кон-цов элементов, находящихся ближе к огневой по-верхности футеровки, к наружному кожуху. Тепло направляется вдоль элементов к наружному ко-жуху. С наружным кожухом может быть связан внешний охлаждающий контур для отвода тепла от стенки печи. Таким образом, множество эле-ментов способствует отводу тепла от печи и обес-печивает возможность поддержания огневой по-верхности огнеупорной футеровки при температу-ре, обеспечивающей более продолжительный срок службы огнеупорной футеровки. Множество эле-ментов распределено по огнеупорной футеровке таким образом, что огневая поверхность имеет, по существу, однородную температуру в окрестности этих элементов. Это исключает возникновение горячих зон в печи, снижает возникновение терми-ческих напряжений в огнеупорном слое и создает стабильные условия на огневой поверхности. С этой точки зрения следует отметить, что печь, описанная в патенте США № 3,849,587, которая использует относительно крупные охлаждающие тела, размещенные с большим зазором в футеров-ке, неспособна обеспечить такие желательные условия.
Элементы из высокотеплопроводного мате-риала могут быть выполнены в виде металличе-ской проволоки или металлических стержней, при этом медь является предпочтительно выбранным металлом. Диаметр проволоки или стержней мо-жет находится в диапазоне от долей миллиметра до 25 мм. Большие диаметры не рекомендуются, поскольку возникают трудности в достижении необходимого теплооотвода от печи при сохране-нии в то же время, по существу, однородной тем-пературы на огневой поверхности огнеупорной футеровки.
Альтернативно, элементы могут быть выпол-нены в виде огнеупорных кирпечей, пропитанных расплавом металла, с последующим обеспечением затвердевания расплава металла. При пропитыва-нии огнеупорных кирпичей расплавом металла, последний проходит в кирпич по порам огнеупор-ного кирпича. После затвердевания расплава ме-талла образуются сплошные твердые металличе-ские тела, проходящие от одной лицевой поверх-ности кирпича внутрь кирпича, и эти сплошные металлические тела действуют как множество элементов из высокотеплопроводного материала при использовании этих кирпичей в футеровке печи. Понятно, что лицевая поверхность кирпичей, которая подвергается пропитыванию расплавом металла, должна быть лицевой поверхностью кирпича, который примыкает к внутренней стенке наружного кожуха печи. Расплав металла также должен пропитать только часть пути через кирпич для обеспечения того, что между металлом и огне-вой поверхностью печи останется огнеупорный слой.
Футеровка стенки согласно настоящему изобретению обеспечивает охлаждение огнеупор-ной футеровки без необходимости внутреннего охлаждения футеровки. Множество элементов отводит тепло к наружному кожуху печи, и от наружного кожуха тепло может отводиться внеш-ним охлаждающим контуром. Внешний охлажда-ющий контур может быть с принудительным или естественным воздушным охлаждением, или, что более предпочтительно, водоохлаждаемым кон-туром. Например, наружный кожух может иметь водяную рубашку, хотя также могут быть исполь-зованы любые другие водоохлаждающие устрой-ства.
Множество элементов обеспечивают непре-рывный путь для отвода тепла к наружному ко-жуху. Они также позволяют снизить до минимума контактное сопротивление передаче тепла от ог-неупорной футеровки. Может быть обеспечена более эффективная теплопередача, чем в состав-ных футеровках, описанных в некоторых доку-ментах уровня техники, поскольку футеровка стенки, согласно настоящему изобретению прояв-ляет более высокую общую полезную теплопро-водность.
В одном из вариантов множество элементов может быть выполнено как одно целое с наруж-ным кожухом. В другом варианте множество эле-ментов может быть закреплено или присоединено к наружному кожуху.
Футеровка стенки согласно настоящему изобретению может быть перемонтирована в су-ществующих печах или может быть сконструиро-вана как часть новых печей. В случае перефуте-ровки существующих печей множество элементов может быть введено в отверстия, просверленные через печь в огнеупорную футеровку, хотя это может ослабить конструкцию печи. Более препо-чтительно монтировать футеровку стенки в то же время, когда осуществляют замену существующей футеровки. Футеровка может быть смонтирована в то же время путем использования пропитанных металлом огнеупорных кирпичей в футеровку печи или путем использования огнеупорных кир-пичей, в которые ранее установлены стержни или проволока.
В другом аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ футеровки печи посредством стеновой футеровки, содержащей огнеупорную футеровку, имеющую множество элементов с высокой теплопроводностью, проходящих от наружного кожуха футеровки в огнеупорную фу-теровку, включающий:
а) расчет теплового потока через футеровку стен-ки, необходимого для достижения желаемой тем-пературы огневой поверхности футеровки стенки;
б) определение толщины футеровки стенки и теп-лопроводности футеровки стенки, необходимой для обеспечения теплового потока, рассчитанного в этапе (а);
в) определение позиций и интервалов между ними для множества упомянутых элементов в упомяну-той стеновой футеровке для обеспечения упомяну-той теплопроводности;
г) снабжение печи упомянутой стеновой футеров-кой, при этом упомянутые элементы находятся в тепловом контакте с наружным кожухом, причем упомянутая стеновая футеровка обеспечивает достижение, по существу, однородной температу-ры по огневой поверхности печи в процессе рабо-ты упомянутой печи.
Настоящее изобретение обеспечивает воз-можность установки в печь огнеупорной футеров-ки совсем без использования огнеупорных кирпи-чей.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ футеровки печи огнеупор-ной футеровкой, при этом упомянутая печь содер-жит наружный кожух, упомянутый способ вклю-чает закрепление ряда элементов из материала высокой теплопроводности к внутренней стенке наружного кожуха таким образом, чтобы ряд эле-ментов находился в тепловом контакте с наруж-ной стенкой кожуха; и приложение содержащего огнеупор материала к внутренней стенке наруж-ного кожуха с образованием покрытия на внут-ренней стенке.
Материал, содержащий огнеупор, может прикладываться по существу, в сухом состоянии или в форме жидкого теста или шлама, или в виде пасты.
Огнеупорсодержащий материал может вклю-чать огнеупорный материал и один или более дополнительных компонентов, вследствие чего получают композитнную огнеупорную футеровку, или огнеупорсодержащий материал может содер-жать только чистый огнеупорный материал.
Огнеупорная футеровка может быть состав-ной футеровкой, образованной путем последова-тельного наложения в любом желаемом порядке раздельных слоев огнеупорсодержащего матери-ала и слоев неогнеупорного или слабо огнеупор-ного материала.
Если используют жидкое тесто или пасту ог-неупорсодержащего материала, может оказаться необходимым приложить огнеупор или пасту к внутренней стенке в несколько этапов, в первом из которых наносят тонкое покрытие и дают ему возможность затвердеть, и затем наносят одно или более дополнительных покрытий пасты или шла-ма. Такое поэтапное построение огнеупорнной футеровки может быть необходимым, когда тре-буются толстые футеровки, и понятно, что могут возникнуть трудности с сушкой и растрескивани-ем толстой футеровки, если она наносится в виде единственного слоя.
Законченная огнеупорная футеровка должна иметь толщину, достаточную для полного покры-тия ряда элементов. Это должен обеспечить слой изолирующего огнеупорного материала между концами элементов и огневой поверхностью печи, который будет предотвращать плавление элемен-тов в процессе работы печи.
Огнеупородержащий материал может нано-ситься на внутреннюю стенку любым известным специалистам способом. Например, огнеупорсо-держащий материал может наноситься путем раз-брызгивания, распыления или набрасывания ма-стерком. Должно быть понятно, что изобретение включает все способы нанесения огнеупорсодер-жащего материала на внутреннюю стенку печи.
Если используют шлам или пасту, они долж-ны быть достаточно толстыми или вязкими для того, чтобы иметь возможность оставаться на месте на внутренней стенке при затвердевании. Обычные опыты могут легко установить требуе-мую вязкость пасты или шлама для достижения этой цели.
Ряд элементов, предпочтительнее, содержит ряд металлических элементов. В одном из вариан-тов ряд элементов содержит медную проволочную сетку, имеющую дополнительные медные прово-локи, закрепленные в точках пересечения на сетке и проходящие, по существу, под прямыми углами к плоскости сетки. При закреплении сетки на внут-ренней стенке кожуха печи медные проволоки закрепленные на сетке, проходят обычно внутрь в печь. При работе печи эти медные проволоки служат в качестве охлаждающих элементов, кото-рые обеспечивают непрерывный путь отвода теп-ла от концов проволок к источнику наружного охладителя, который контактирует с наружным кожухом и охлаждающими элементами, способ-ствуя таким образом отводу тепла от печи.
В другом варианте этап закрепления ряда элементов к внутренней стенке кожуха включает выполнение ряда элементов как одно целое с внутренней стенкой наружного кожуха. Альтерна-тивно ряд элементов может быть выполнен по-средством заливки расплава металла на внутрен-нюю стенку наружного кожуxа.
Предпочтительнее, чтобы ряд элементов рас-полагался таким образом, чтобы обеспечить до-стижение, по существу, однородной температуры по огневой поверхности печи в окрестности эле-ментов в процессе работы печи.
Если желательна или необходима, по суще-ству, однородная температура по всей огневой поверхности огнеупорной футеровки печи, может оказаться необходимым иметь неравномерное распределение элементов из высокотеплопровод-ного материала по всей футеровке стенки. Напри-мер, количество элементов, помещенных в извест-ных горячих зонах работающей печи, может быть увеличено для отвода пропорционально большего количества тепла на квадратный метр в сравнении с более холодными участками печи.
Предпочтительные варианты настоящего изобретения далее будут описаны более подроб-но со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает поперечное сечение футе-ровки стенки печи в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 изображает график температурного профиля через футеровку стенки;
Фиг.3 является видом в поперечном сечении охлаждающего элемента, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.4 является схематической диаграммой питания опытной установки с встроенным охла-ждающим элементом с конструкцией согласно Фиг.3;
Фиг.5 является графиком температурного профиля через охлаждающий элемент опытной установки; и
Фиг.6 является графиком изменения со време-нем коэффициента теплопередачи огневой (горя-чей лицевой) поверхности установки в процессе испытаний.
Согласно Фиг.1 стенка 10 печи включает наружный кожух 12. Наружный кожух обычно изготовлен из стали. Печь содержит огнеупорную футеровку 14. Огневая или горячая лицевая по-верхность 16 подвержена воздействию высоких температур, возникающих внутри печи. Футеровка стенки содержит множество медных стержней или проволок 18н, находящихся в тепловом контакте с наружным кожухом 12 и проходящих в огнеупор-ную футеровку 14. Как видно из фиг.1, медные стержни 18 не проходят насквозь через огнеупор-ную футеровку 14, а скорее находятся на некото-ром расстоянии от огневой поверхности 16. Это гарантирует, что между концами медных стерж-ней 18 и огневой поверхностью 16 имеется слой огнеупорного материала и этот слой огнеупорно-го материала изолирует стержни от воздействия высоких температур в печи, предотвращая таким образом разрушение стержней вследствие терми-ческих повреждений.
В процессе работы печи тепло передается от огневой поверхности 16 через огнеупорную футе-ровку 14 к медным стержням 18. Стержни нахо-дятся в тепловом контакте с наружным кожухом 12 и служат для быстрой передачи тепла кожуху. Охлаждающая вода 20, которая течет через водя-ную рубашку 22, последовательно отбирает тепло от кожуха.
Медные стержни 18 распределены по огне-упорной футеровке для обеспечения достижения, по существу, однородного градиента температуры по огневой поверхности. Стержни, предпочти-тельнее, расположены таким образом, что созда-ется, по существу, линейная теплопередача через стенку. Это охлаждает огневую поверхность очень равномерно, эффективно исключая горячие зоны стенки, явно заметные в конструкциях, из-вестных из уровня техники и вызывающие нерав-номерный износ огневой поверхности. Показано также, что линейная теплопередача является бо-лее зффективной, т.е. для отвода того же самого теплового потока требуется материал с менее высокой теплопроводностью.
Задачей стеновой футеровки является сниже-ние температуры огнеупора на огневой поверхно-сти до определенной температуры (либо той, при которой прекращаются коррозионные реакции, либо той, при которой происходит замерзание материала процесса. Охладитель должен быть сконструирован таким образом, чтобы обеспечить получение этого результата, в то же время сводя к минимуму тепловые потери печи (тепловой поток через стенку). Тепловой поток Q (W/м2) через стенку фиг.1 можно рассчитать по формуле
, где
Тf - температура печи (С), Тс - температура охла-дителя (С) и RТОТ -суммарное тепловое сопротив-ление секции стенки (м2 К/W). Следовательно, для регулирования температур огнеупора и теплового потока тепловое сопротивление секции стенки должно быть изменяющимся. Общее или суммар-ное сопротивление секции стенки является суммой кондуктивного сопротивления каждого слоя мате-риала и конвективного сопротивления у горячей и холодной поверхностей. Однако конвективные сопротивления являются либо неизменяющимися, либо незначительными, так что тепловой поток может регулироваться только величиной кондук-тивного сопротивления действующего реального элемента. Тепловое кондуктивное сопротивление RCOND (м2 К/W) определяется как
, где
L - толщина слоя (м) и -теплопроводность мате-риала (W/мК). Изменение теплопроводности и толщины слоев материала на фиг.1 позволяет регулировать температуры огнеупора и тепловой поток. Температурный профиль через секцию стенки можно легко рассчитать путем раздельного рассмотрения каждого теплового сопротивления, используя уравнение 1. Как ранее упоминалось, элемент более эффективен и процедура конструи-рования наиболее точна, когда слой материала с единообразно высокой теплопроводностью ис-пользуют для получения линейной теплопередачи. Однако этот может еще применяться с обуслов-ленной точностью для негомогенных слоев стенки.
Модель теплового сопротивления, основан-ная на вышеприведенной процедуре, использова-лась в экспериментальном исследовании для про-гнозирования распределения температуры через огнеупорный охладитель, имеющий форму, изоб-раженную на фиг.1. На фиг.2 приведены экспери-ментальные и модельные результаты для случая, когда медные стержни имели диаметр 20 мм и были расположены на расстоянии 60 мм друг от друга. Модель обеспечила получение прогнози-руемых с приемлемой точностью температурного профиля и теплового потока (экспериментальный 24,0 кватт/м2; модельный прогноз 21,2 кватт/м2), показав тем самым пригодность этого подхода к конструированию элемента.
Следовательно, настоящее изобретение так-же обеспечивает относительно простую и не-смотря на это строгую процедуру конструирова-ния, которая недоступна для конструирования известных конструкций.
На фиг.3 изображено поперечное сечение охлаждающего элемента 30 согласно настоящему изобретению. Элемент содержит медную плиту основания 32, отлитую как одно целое с медными стержнями 34 для образования основного тела элемента. К плите основания 32 болтами закреп-лена наружная водяная рубашка 36, например, посредством крепежных винтов 38. Для обеспече-ния влагонепроницаемого уплотнения между пли-той основания 32 и водяной рубашкой 36 и предотвращения протечек воды из канала для протекания воды 42 используют политет-рафторэтиленовую прокладку 40. Вокруг стерж-ней 34 залит огнеупор 44 с образованием стенки. Как видно из фиг.3, огнеупор 44 проходит от пли-ты основания 32 немного за концы медных стерж-ней 34.
Основными признаками этой конструкции охлаждающего элемента являются водяная ру-башка, размещенные с небольшим зазором медные стержни и использование отличаемого огнеупора для образования стенки. Наружная водяная ру-башка эффективно исключает возможность по-вреждающих протечек воды в печь. Небольшой шаг между смежными стержнями (60 мм) должен сильно снижать температурные градиенты, пер-пендикулярные огневой поверхности, очевидные в известных конструкциях охлаждающих элемен-тов. Это должно привести к намного более равно-мерному охлаждению стенки, что, в конечном счете, приводит к более равномерному износу огневой поверхности. Использование литейного огнеупора должно снизить тепловые сопротивле-ния благодаря воздушным зазорам, которые обычно имеются между огнеупорными кирпичами. Все эти факторы должны способствовать более эффективной системе охлаждения.
Заводские испытания охлаждающего злемен-та проводили, используя охлаждающий элемент, изображенный на фиг.3. Установка, используемая в заводских испытаниях, показана на фиг.4. Охла-ждающий элемент 30 был установлен в своде 50 отстойника печи. Свод подвержен воздействию самых спокойных и умеренных условий в печи (т.е. относительно низкие температуры и отсут-ствие заплескивания шлака), и, как предполагают, является наиболее пригодным для проведения этих испытаний. Охлаждающий элемент подвеши-вали на опорных балках (не показаны) посред-ством опорных кронштейнов 52, 54, и лицевая поверхность охлаждающего элемента была рас-положена впотай с огневой поверхностью 56 печи. Охлаждающий элемент был соединен с впуском воды 58, включающим ротаметр или поплавковый расходомер 60 для измерения расхода воды и клапан или вентиль 62 для регулирования расхода воды. Охлаждающая вода удалялась из охлажда-ющего элемента через трубопровод для выпуска воды 64. Погружные термопары К типа 65, 66 были соединены с водяной рубашкой для измере-ния температуры воды на входе и на выходе, со-ответственно. Для измерения температурного профиля внутри охлаждающего элемента в охла-ждающем элементе 30 было помещено 24 термо-пары. Выводы этих термопар (показанные схема-тически 68) были соединены с регистратором-самописцем данных хода процесса 70, который записывал показания каждые пять минут.
Установлено, что новый охлаждающий эле-мент успешно работал в заводских испытаниях. На фиг.5 показан образец температурного профи-ля элемента от огневой поверхности к холодной поверхности, записанный в течение периода ста-бильной работы печи. На фиг.5 показаны два раз-дельных профиля (для меди и для огнеупора). Медный профиль начинается от холодного торца, проходит через центр медного стержня в огнеупор за конец стержня к горячей лицевой (огневой) по-верхности. Профиль огнеупора проходит через огнеупор, посредине между смежными стержнями у огневой поверхности. В массивной медной плите существует очень низкий градиент температуры, около 0,2С /мм. Температурный градиент возрас-тает до 0,7С /мм по медному стержню (от 30 до 300 мм). Этот все еще относительно низкий гради-ент к концу стержня достигает только 216С. Низ-кие температуры у конца стержня показали, что наружная водяная рубашка способна зффективно охлаждать внутренние медные стержни. Градиент температуры по стержням является линейным, означая, что теплопередача вдоль стержней явля-ется в большой степени линейной. Температуры в огнеупоре,примыкающем к стержням, сходны с температурами меди вплоть до расстояния около 25 мм от холодного торца. Однако к концам мед-ных стержней (от 225 до 305 мм от холодного торца) температуры огнеупоров значительно вы-ше чем температуры меди на этой же глубине. Это указывает на наличие многомерной теплопереда-чи и градиентов температуры в элементе между медью и огнеупорам. Эти градиенты являются следствием неравномерного охлаждения (не ли-нейного, которое происходит у концов стержней вследствие большого различия в теплопроводно-сти меди и огнеупора. Желательно минимизиро-вать эти неравномерные градиенты температуры, поскольку более высокие температуры огнеупора могут вызвать повышенный износ, как было об-суждено ранее. Однако температуры всех осталь-ных участков элемента, и наиболее важно, на огневой поверхности, являются в достаточной степени сходными с обоими температурными профилями. Это означает, что новая конструкция элемента является эффективной для охлаждения стенки совершенно равномерно на всех участках, удаленных от зоны вокруг концов стержней.
Градиент температуры по огнеупору от кон-цов медных стержней к огневой поверхности (от 305 до 330 мм) на фиг.7 намного выше, чем через медные стержни и огнеупор (от 80 до 305 мм). Этот градиент является приблизительно линейным и в пределах от 11 С/ мм для огнеупора между медными стержнями до 17 С/ мм для огнеупора вдоль линии медного стержня при температере огневой поверхности, достигающей 752 С. Высо-кий градиент температуры вблизи огневой по-верхности показывает большой изолирующий эффект, который огнеупор малой толщины (25 мм) имеет вследствие его низкой теплопроводности. Этот слой огнеупора на огневой поверхности за-щищает медные стержни от воздействия высоких температур в печи и ограничивает тепловой поток через элемент.
Слой настыли из застывшего материала про-цесса образовался в процессе заводских испыта-ний на огневой поверхности охлаждающего эле-мента. Слой настыли вводит дополнительное теп-ловое сопротивление, которое значительно сни-жает количество отбираемого охлаждающей во-дой тепла. На коэффициент теплопередачи огне-вой поверхности было оказано такое же вредное воздействие (как видно из фиг.6), вследствие того, что тепловое сопротивление настыли было вклю-чено в расчетный коээфициент теплопередачи. Некоторые изменения, видимые на фиг.6, происхо-дили вследствие неровной работы печи и пере-ходной природы слоя настыли; однако воздей-ствие образования настыли явно видно из посте-пенного уменьшения коэффициента теплопереда-чи. Коэффициент теплопередачи падает от перво-начального значения от примерно 50-60 W/м2 К фактически до нуля. Температура огневой поверх-ности у конца элемента также снижалась от 700 С до ниже 100 С вследствие изолирующего дей-ствия слоя настыли. Толщину слоя настыли оце-нивали в 250 мм путем вталкивания термопары К-типа вниз через настыль к элементу. Протяжен-ность и стабильность слоя настыли зависит не только от степени охлаждения, но также и от внутренних условий в печи и характеристик мате-риала процесса. Настраивание настыли способ-ствует обеспечению защиты огнеупора.
Специалистам должно быть понятно, что в изобретение могут быть внесены изменения и мо-дификации, отличающиеся от описанных выше. Понятно, что настоящее изобретение охватывает все такие изменения и модификации, которые под-падают в сферу применения и дух изобретения.

US 4097679 A (Sancyo special steel Co., LTD) June 27, 1978.
RU 2001113 C1 (Занцев Владимир Константинович и др.) 15.10.93.
RU 2001114 С1 (Занцев Владимир Константинович и др.) 15.10.93.