炉窑冷却专利技术综述

马英

摘 要：本文介绍了工业炉窑冷却装置领域，涉及炉的冷却和炉料冷却，重点介绍了炉的冷却。工业炉窑在生产过程中，炉体内有加热装置，加热装置被保温隔离装置包围，形成一个加工区域，而在该加工区域中，温度高达几千摄氏度，在长时间的热传导以及被加工物质冷却散热工艺过程中，炉体温度逐渐上升，为了保护外围设备安全运行和人员安全，此时需要对炉体进行强制冷却。而炉体冷却需考虑漏水、冲刷、高温、成本等因素的影响。本文分析了炉窑冷却领域中炉冷却的申请情况和冷却技术分布情况，重点研究了炉衬的冷却和炉膛的冷却。

关键词：炉膛 炉料 冷却 水套 风机

中图分类号：TK175文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

1前言

工业炉是一种用于高温处理，以天然气、油和电等燃料作为能源，直接或间接用于冶炼、催化生产特种化工品的设备。炉体在生产过程中高温辐射散热强，导致周边环境温度急剧升高，炉体及炉体配件由于高温流体的侵蚀和机械磨损出现寿命缩短现象，同时，炉体的辐射散热导致操作工人无法安全检测炉内加热情况，故需要大量的冷却介质对其进行降温 [1-3]。

炉体是一个大型工业设备，具有体积大，温度高，操作复杂等特点，故涉及冷却部件中不仅要考虑到与高温环境密切相关的炉衬、炉膛和加热管等，还有炉盖、炉门、出料口、烟道、喷嘴等其他附属部件的冷却。

而炉体冷却中炉衬又是至关重要的一个环节，故国内外一直将炉衬冷却作为炉体冷却的一个热点研究，而从冷却方式上划分，主要有气态冷却，液态冷却，以及气液结合冷却。

窑炉连续烧结物料，若不进行有效冷却，烧结后的制品容易发生破裂、变形，生产效率降低，故在烧结中采用冷却技术使冷却温度分布最佳。故设置冷却装置均匀冷却。

2窑炉冷却专利技术的整体情况

2.1 炉窑冷却技术专利申请量趋势分析

炉窑冷却技术是窑炉安全生产的主要技术之一，国外窑炉生产起源较早，最早可以追溯到上世纪40年代，而国内窑炉生产盛行于上世纪80年代，窑炉冷却技术也用运而生，尤其是在近10年内，关于窑炉冷却的专利数量激增，冷却的技术手段也更加细致。

2.2 主要国家专利申请情况和申请人分布

经过梳理发现该技术领域中专利申请量的分布相对较集中，主要涉及几个工业大国，诸如中国、美国、日本、德国等，并且排名第一的中国的申请量是远远高于其他国家，这与改革开放后，国内大力发展工业建设有很大的关系。

研究起步较早的美国申请人可追溯到40年代的Midland-Ross Corporation，70年代后，国内对于窑炉冷却技术也从开始的萌芽到最后的迅猛发展，尤其是近几年，国内对于该技术的研发保持持续的热度，该领域的专利申请量远超国外。通过对国内申请人进行统计分析发现，约85%的申请来自企业，而仅有10%的申请来自高校及科研院所，而个人申请只占极少数，这与大窑炉领域中的企业申请多的总体趋势相同。

2.3 主要技术分支

在炉的冷却领域中，根据冷却对象的不同，可以分为炉体的冷却、炉料冷却、炉体和炉料的结合。从冷却方式上共有三种，即液态冷却、气态冷却和气液结合三种，液态冷却有水冷、油冷、冷却剂等冷却工质，气态冷却有风冷、蒸汽冷却、气氛冷却等。

其中，炉体的冷却占总申请量的近80%，炉料冷却占18%，其余为两者冷却结合。首先，通过筛选发现，炉体的冷却中液态冷却占绝大多数，这也是由于水具有比热比较大，资源丰富，成本低等优势作为首选冷却方式，在浏览中发现早前的冷却方式有气态冷却，但由于气冷效率低，故逐步被液态冷却所替代，但随着技术不断改进，在炉体部分特殊区域并不能采用带有水汽的水去快速冷却，故将局部采用气态冷却，其余可采用液态冷却的部分依然采用效率较高的液态冷却。其次，炉料的冷却主要是对炉体中烧结物料、加工工件等的冷却，故采用液态冷却和气态冷却的申请数量接近，例如，对于烧结球团的冷却通常采用风冷，而冶炼金属部件通常采用水冷，后期的申请中出现两者的结合。最后，随着技术不断的改进，申请人发现炉料冷却和炉体冷却可以同时结合，故申请中出现其两者的结合，而申请数量上并不多，且该种冷却方式主要为气态冷却和液态冷却。

3 窑炉冷却专利技术发展总体趋势分析

对于炉体冷却，从发展趋势来看，炉衬的冷却数量最多，尤其是在近10年间，对于炉衬冷却的专利申请更是居高不下，这与炉衬面积大，且容易被冲刷、侵蚀等因素有关，且炉衬的冷却技术改进几乎贯穿了整个窑炉冷却各个阶段；近几年炉膛冷却专利申请较多，这与工业窑炉的产量不断增加，体积扩大有着密不可分的关系，在浏览文献过程中，早前申请大多每种窑炉仅针对一种物质进行冶炼或加工，而随着窑炉体积增大，窑炉生产种类增加，故在生产完一种物料后急需将炉膛快速冷却方便下一道工序，故炉膛的冷却数量在近几年申请数量激增；对于炉盖和炉门的冷却申请数量一直持平，炉门从单层炉盖改进为双层或多层炉门，炉盖从简单的喷射冷却到后面的螺旋线型降温盘管持续冷却；对于炉壳外的冷却主要采用冷却水直接喷射炉壳外形成水膜快速降温，随着技术改进，最后在炉壳外设置散热器，冷却效果大幅提高；本文加热管还包括电极、感应线圈等的加热手段，其中，冷却方式主要为液态冷却和气液结合，而美国公司Midland-Ross Corporation提出的顺序喷入空气、水、雾液体的冷却方式较先进，既可保证加热管的冷却效率又不会对加热装置造成损害，国内申请人在加热管外设置夹套的冷却方式较多，后面改进为加热管和冷却水管交替排列的方式；出料口主要为流槽、出料辊子的冷却，主要采用喷淋降温亦或是设置多个散热孔和冷却管进行降温；其他配件主要为轴承座、烧嘴等附属配件，其中在近几年对于烧嘴的冷却研究较多，采用紧急降温水枪可实现其快速降温。

对于炉料冷却，从发展趋势来看，由于烧结加工过程中物料需要快速冷却，故物料冷却研究的较早，且部分研究主要集中在国外，而物料冷却技术也一直没有突破，这是因为采用传统的风冷即能满足要求，且在专利技术筛选中发现，通过控制窑炉炉内气氛可以较好的控制物料温度，故物料通过不同区域温度控制下的区段即可达到所要求温度；而在窑炉生产中，燃料温度需要得到严格控制，故在燃料温度过高时依然需要将其温度降至所需温度，故存在少数专利涉及燃料冷却。

参考文献

[1]吴懋林，王立民，刘述临.高炉冷却壁和炉衬的三维传热模型[J].钢铁，1995，30（3）： 6-11.

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

[3]段峰，周俐，王建军等.高炉冷却壁冷却水管管形研究[J].钢铁，2008，43 （2） ： 18-21