爐窯冷卻專(zhuān)利技術(shù)綜述

馬英

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

關(guān)鍵詞：爐膛 爐料 冷卻 水套 風(fēng)機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK175文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

1前言

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

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

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

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

2窯爐冷卻專(zhuān)利技術(shù)的整體情況

2.1 爐窯冷卻技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

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

2.2 主要國(guó)家專(zhuān)利申請(qǐng)情況和申請(qǐng)人分布

經(jīng)過(guò)梳理發(fā)現(xiàn)該技術(shù)領(lǐng)域中專(zhuān)利申請(qǐng)量的分布相對(duì)較集中，主要涉及幾個(gè)工業(yè)大國(guó)，諸如中國(guó)、美國(guó)、日本、德國(guó)等，并且排名第一的中國(guó)的申請(qǐng)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，這與改革開(kāi)放后，國(guó)內(nèi)大力發(fā)展工業(yè)建設(shè)有很大的關(guān)系。

研究起步較早的美國(guó)申請(qǐng)人可追溯到40年代的Midland-Ross Corporation，70年代后，國(guó)內(nèi)對(duì)于窯爐冷卻技術(shù)也從開(kāi)始的萌芽到最后的迅猛發(fā)展，尤其是近幾年，國(guó)內(nèi)對(duì)于該技術(shù)的研發(fā)保持持續(xù)的熱度，該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量遠(yuǎn)超國(guó)外。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，約85%的申請(qǐng)來(lái)自企業(yè)，而僅有10%的申請(qǐng)來(lái)自高校及科研院所，而個(gè)人申請(qǐng)只占極少數(shù)，這與大窯爐領(lǐng)域中的企業(yè)申請(qǐng)多的總體趨勢(shì)相同。

2.3 主要技術(shù)分支

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

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

3 窯爐冷卻專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展總體趨勢(shì)分析

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

對(duì)于爐料冷卻，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，由于燒結(jié)加工過(guò)程中物料需要快速冷卻，故物料冷卻研究的較早，且部分研究主要集中在國(guó)外，而物料冷卻技術(shù)也一直沒(méi)有突破，這是因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)的風(fēng)冷即能滿足要求，且在專(zhuān)利技術(shù)篩選中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制窯爐爐內(nèi)氣氛可以較好的控制物料溫度，故物料通過(guò)不同區(qū)域溫度控制下的區(qū)段即可達(dá)到所要求溫度；而在窯爐生產(chǎn)中，燃料溫度需要得到嚴(yán)格控制，故在燃料溫度過(guò)高時(shí)依然需要將其溫度降至所需溫度，故存在少數(shù)專(zhuān)利涉及燃料冷卻。

參考文獻(xiàn)

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