CN109719384A - 一种新型耐磨铜冷却壁及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型耐磨铜冷却壁，包括铜冷却壁本体，其特征是：还包括至少一个耐磨板，耐磨板贴合在所述铜冷却壁本体的热面上，每个耐磨板通过至少一个搅拌摩擦焊焊缝与铜冷却壁本体连接。本发明还提供上述新型耐磨铜冷却壁的一种制造方法。这种新型耐磨铜冷却壁中铜冷却壁本体与耐磨板之间的结合强度高，无气隙热阻，导热性能好，延长了耐磨板的使用寿命，起到保护铜冷却壁热面的作用。

Description

一种新型耐磨铜冷却壁及其制造方法

技术领域

本发明涉及冶金电炉设备技术领域，特别涉及一种新型耐磨铜冷却壁。

背景技术

铜冷却设备（如铜冷却壁）应用比较广泛，一般应用于高炉、电弧炉、矿热炉等高温炉体，通常高炉炉体的工作温度很高，局部温度能达到1600℃以上。而常规高炉采用的铜冷却壁，是通过导热和对流等换热的方式，带走多余热量，形成渣皮，延长高炉的使用寿命。然而在高炉的工作过程中，铜冷却壁的热面经常受到炉料和铁水的冲刷，造成铜冷却壁热面的磨损。如图10所示，目前，为了保护铜冷却壁01的热面，一般采用在铜冷却壁01热面的槽顶、槽底或者两者兼具的位置上，增加耐磨板02，通过螺柱03或螺钉04将耐磨板02锁紧在铜冷却壁01的热面上。但是从铜冷却壁01的加工工艺上看，加工铜冷却壁01热面的螺纹孔，拧紧螺柱03或者螺钉04等工序的工作量大；从铜冷却壁01的使用角度上看，耐磨板02、螺柱03或螺钉04与铜冷却壁01间均不存在冶金结合，存在一定的气隙热阻，散热不良，随着铜冷却壁01热面的温度上升，螺柱03或螺钉04和耐磨板02的变形加大，且强度、硬度和耐磨性能降低，从而加速磨损。当高炉的局部温度高到超过螺柱03或螺钉04的熔点时，螺柱03或螺钉04就会失效，并且进一步增加耐磨板02与铜冷却壁01热面之间的气隙热阻，甚至起不到保护铜冷却壁01热面的作用。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种新型耐磨铜冷却壁，这种新型耐磨铜冷却壁中铜冷却壁本体与耐磨板之间的结合强度高，无气隙热阻，导热性能好，延长了耐磨板的使用寿命，起到保护铜冷却壁热面的作用。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种新型耐磨铜冷却壁，包括铜冷却壁本体，其特征是：还包括至少一个耐磨板，耐磨板贴合在所述铜冷却壁本体的热面上，每个耐磨板通过至少一个搅拌摩擦焊焊缝与铜冷却壁本体连接。

通常，铜冷却壁本体朝向高炉炉腔的一面为热面，背向高炉炉腔的一面为冷面。

上述耐磨板处于铜冷却壁本体的热面上，采用搅拌摩擦焊的工艺形成搅拌摩擦焊焊缝，将耐磨板和铜冷却壁本体的热面焊接在一起，实现耐磨板与铜冷却壁本体贴合面的冶金结合（冶金结合是指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合），其结合强度高，无气隙热阻，导热性能好，延长了耐磨板的使用寿命，起到保护铜冷却壁热面不被烧损的作用。

上述耐磨板的材质为铸铁、钢（如不锈钢）或者铜合金（如铜锆合金、铜铬合金、铜银合金、铜锌合金或者铜锡合金）。

上述铜冷却壁本体的材质为紫铜或者铜合金（如铜银合金、铜锆合金或者铜铬合金）。

作为本发明的优选方案，所述搅拌摩擦焊焊缝为点状或条状。

作为本发明的优选方案，所述铜冷却壁本体的热面上均布有多个挂渣槽，所述耐磨板的形状加工成与挂渣槽相匹配，耐磨板通过搅拌摩擦焊焊缝与相应挂渣槽的槽底连接。上述挂渣槽使得铜冷却壁本体的热面上易于形成渣皮，能够更好的保护铜冷却壁。上述挂渣槽可以为直槽或燕尾槽。

作为本发明进一步的优选方案，所述耐磨板贴合在相邻两个所述挂渣槽之间的所述铜冷却壁本体热面上。

本发明还提供上述新型耐磨铜冷却壁的一种制造方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）使铜冷却壁本体的热面朝上，将耐磨板放置在铜冷却壁本体的热面上，并将铜冷却壁本体及其上的耐磨板紧固在机床上；

（2）将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机上，搅拌头包括搅拌探头和轴肩，搅拌头的搅拌探头朝下设置并且处于耐磨板的上方；在铜冷却壁本体的下方设置能够对铜冷却壁本体加热的辅助加热装置；

（3）启动搅拌摩擦焊机和辅助加热装置，带动搅拌头高速旋转，同时辅助加热装置对铜冷却壁本体加热；

（4）将高速旋转的搅拌头自上至下旋入耐磨板，搅拌探头穿透耐磨板后，搅拌探头下部旋入铜冷却壁本体的热面（通常在搅拌头的轴肩接触到耐磨板的上表面后，搅拌头不再下移），在此过程中，耐磨板及铜冷却壁本体与搅拌头接触的部分在搅拌头的摩擦下产生热量，受到搅拌头摩擦产生的热量和搅拌头搅拌力的共同作用下，耐磨板和铜冷却壁本体之间的材料受到热力耦合产生塑性流动和混合；

（5）退出搅拌头（使搅拌头上升至耐磨板的上方）或使搅拌头与铜冷却壁本体及其上的耐磨板相对移动（按需形成的焊缝的轨迹，使机床上的铜冷却壁本体及其上的耐磨板不发生移动，搅拌头在水平方向移动，或使搅拌头不发生移动，铜冷却壁本体及其上的耐磨板在机床上进行水平方向移动，如自左至右移动），受到热力耦合产生塑性流动的材料逐渐冷却凝固而形成搅拌摩擦焊焊缝，搅拌摩擦焊焊缝将耐磨板与铜冷却壁本体连接。

上述步骤（4）中，耐磨板产生的热量来自：（1）耐磨板与搅拌探头接触的部分在搅拌探头的摩擦下产生热量；（2）耐磨板上表面在搅拌头轴肩的摩擦下产生热量。铜冷却壁本体产生的热量来自：铜冷却壁本体与搅拌探头接触的部分在搅拌探头的摩擦下产生热量。

作为本发明的优选方案，所述辅助加热装置包括电磁感应线圈。当耐磨板的材质为不锈钢，常温下，不锈钢耐磨板在上、铜板在下的搅拌摩擦焊工艺的加工难度远高于不锈钢耐磨板在下、铜板在上的搅拌摩擦焊工艺，而且钢和铜的比热容接近（钢0.46×10³J/(kg·℃)，铜0.39×10³J/(kg·℃)），但是由于不锈钢耐磨板的厚度大约为20mm，而铜冷却壁本体的厚度大约为100mm，导致铜冷却壁本体的热容量远大于不锈钢耐磨板的热容量，另外在常温下进行搅拌摩擦焊工艺，可能导致耐磨板局部熔化时，铜冷却壁本体因散热太快还达不到产生塑性流动的温度（铜的热导率是钢的5倍），因而在铜冷却壁本体的下方增加电磁感应线圈，让高速变化的高频高压电流流过电磁感应线圈会产生高速变化的交变磁场，交变磁场产生的切割交变磁力线在铜冷却壁本体上形成涡流，涡流使铜冷却壁本体上的载流子高速无规则运动，载流子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热铜冷却壁本体的效果，解决了只有搅拌摩擦焊单一热源导致热量不足的问题。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4）中，所述搅拌头转速为800-2200r/min。

一种具体方案中，所述步骤（5）中，完成步骤（4）之后，使搅拌头上升至耐磨板的上方，形成的搅拌摩擦焊焊缝为点状。

另一种具体方案中，所述步骤（5）中，完成步骤（4）之后，按需形成的焊缝的轨迹，使机床上的铜冷却壁本体及其上的耐磨板不发生移动，搅拌头在水平方向移动（如自左至右移动），形成的搅拌摩擦焊焊缝为条状。

另一种具体方案中，所述步骤（5）中，完成步骤（4）之后，按需形成的焊缝的轨迹，使搅拌头不发生移动，铜冷却壁本体及其上的耐磨板在机床上进行水平方向移动（如自左至右移动），形成的搅拌摩擦焊焊缝为条状。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

这种新型耐磨铜冷却壁通过搅拌摩擦焊工艺将耐磨板和铜冷却壁本体相结合，消除了耐磨板下表面与铜冷却壁本体热面之间的间隙，消除了耐磨板下表面与铜冷却壁本体热面之间的气隙热阻，提高了耐磨板在高炉工况下的强度和硬度，保护了铜冷却壁本体的热面不被磨损，从而提高了铜冷却壁本体的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1中搅拌头高速旋转前的结构示意图；

图2是本发明实施例1中搅拌探头旋入耐磨板的结构示意图；

图3是本发明实施例1中搅拌探头穿透耐磨板的结构示意图；

图4是本发明实施例1中逐渐退出搅拌头的结构示意图；

图5是本发明实施例1的结构示意图；

图6是本发明实施例1中点状搅拌摩擦焊焊缝的结构示意图；

图7是本发明实施例1中耐磨板处于挂渣槽内的结构示意图；

图8是本发明实施例2的结构示意图；

图9是本发明实施例3中条状搅拌摩擦焊焊缝的结构示意图；

图10是本发明背景技术的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行具体描述。

实施例1

如图1-5所示，本实施例中的新型耐磨铜冷却壁，包括铜冷却壁本体1和多个耐磨板2，各耐磨板2均贴合在铜冷却壁本体1的热面上，每个耐磨板2通过一个搅拌摩擦焊焊缝3与铜冷却壁本体1连接。

通常，铜冷却壁本体1朝向高炉炉腔的一面为热面，背向高炉炉腔的一面为冷面。

上述耐磨板2的材质为不锈钢。

上述铜冷却壁本体1的材质为紫铜。

如图6所示，上述搅拌摩擦焊焊缝3为点状。

如图7所示，铜冷却壁本体1的热面上均布有多个挂渣槽11，耐磨板2的形状加工成与挂渣槽11相匹配，耐磨板2通过搅拌摩擦焊焊缝3与相应挂渣槽11的槽底连接。上述挂渣槽11使得铜冷却壁本体1的热面上易于形成渣皮，能够更好的保护铜冷却壁。上述挂渣槽11可以为直槽或燕尾槽。

上述耐磨板2处于铜冷却壁本体1的热面上，采用搅拌摩擦焊的工艺形成搅拌摩擦焊焊缝3，将耐磨板2和铜冷却壁本体1的热面焊接在一起，实现耐磨板2与铜冷却壁本体1贴合面的冶金结合（冶金结合是指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合），其结合强度高，无气隙热阻，导热性能好，延长了耐磨板2的使用寿命，起到保护铜冷却壁热面不被烧损的作用。

上述新型耐磨铜冷却壁的制造方法，包括下述步骤：

（1）使铜冷却壁本体1的热面朝上，将耐磨板2放置在铜冷却壁本体1的热面上，并将铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2紧固在机床上；

（2）将搅拌头4安装在搅拌摩擦焊机上，搅拌头4包括搅拌探头41和轴肩42，搅拌头4的搅拌探头41朝下设置并且处于耐磨板2的上方；在铜冷却壁本体1的下方设置能够对铜冷却壁本体1加热的辅助加热装置5；

（3）启动搅拌摩擦焊机和辅助加热装置5，带动搅拌头4高速旋转，同时辅助加热装置5对铜冷却壁本体1加热；

（4）将高速旋转的搅拌头4自上至下旋入耐磨板2，搅拌探头41穿透耐磨板2后，搅拌探头41下部旋入铜冷却壁本体1的热面（通常在搅拌头4的轴肩42接触到耐磨板2的上表面后，搅拌头4不再下移），在此过程中，耐磨板2及铜冷却壁本体1与搅拌头4接触的部分在搅拌头4的摩擦下产生热量，受到搅拌头4摩擦产生的热量和搅拌头4搅拌力的共同作用下，耐磨板2和铜冷却壁本体1之间的材料受到热力耦合产生塑性流动和混合；

（5）退出搅拌头4，使搅拌头4上升至耐磨板2的上方，受到热力耦合产生塑性流动的材料逐渐冷却凝固而形成搅拌摩擦焊焊缝3，搅拌摩擦焊焊缝3将耐磨板2与铜冷却壁本体1连接。

上述步骤（4）中，耐磨板2产生的热量来自：（1）耐磨板2与搅拌探头41接触的部分在搅拌探头41的摩擦下产生热量；（2）耐磨板2上表面在搅拌头4轴肩42的摩擦下产生热量。铜冷却壁本体1产生的热量来自：铜冷却壁本体1与搅拌探头41接触的部分在搅拌探头41的摩擦下产生热量。

辅助加热装置5包括电磁感应线圈。当耐磨板2的材质为不锈钢，常温下，不锈钢耐磨板2在上、铜板在下的搅拌摩擦焊工艺的加工难度远高于不锈钢耐磨板2在下、铜板在上的搅拌摩擦焊工艺，而且钢和铜的比热容接近（钢0.46×10³J/(kg·℃)，铜0.39×10³J/(kg·℃)），但是由于不锈钢耐磨板2的厚度大约为20mm，而铜冷却壁本体1的厚度大约为100mm，导致铜冷却壁本体1的热容量远大于不锈钢耐磨板2的热容量，另外在常温下进行搅拌摩擦焊工艺，可能导致耐磨板2局部熔化时，铜冷却壁本体1因散热太快还达不到铜冷却壁本体1的熔点反而没熔化（铜的热导率是钢的5倍），因而在铜冷却壁本体1的下方增加电磁感应线圈，让高速变化的高频高压电流流过电磁感应线圈会产生高速变化的交变磁场，交变磁场产生的切割交变磁力线在铜冷却壁本体1上形成涡流，涡流使铜冷却壁本体1上的载流子高速无规则运动，载流子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热铜冷却壁本体1的效果，解决了只有搅拌摩擦焊单一热源导致热量不足的问题。

步骤（4）中，搅拌头4转速为1500r/min。

步骤（5）中，完成步骤（4）之后，使搅拌头4上升至耐磨板2的上方，形成的搅拌摩擦焊焊缝3为点状。

实施例2

如图8所示，本实施例中的新型耐磨铜冷却壁与实施例1的区别在于：

耐磨板2贴合在相邻两个挂渣槽11之间的铜冷却壁本体1热面上。

实施例3

如图9所示，本实施例中的新型耐磨铜冷却壁与实施例1的区别在于：

上述搅拌摩擦焊焊缝3为条状。

上述新型耐磨铜冷却壁的制造方法，包括下述步骤：

（1）使铜冷却壁本体1的热面朝上，将耐磨板2放置在铜冷却壁本体1的热面上，并将铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2紧固在机床上；

（2）将搅拌头4安装在搅拌摩擦焊机上，搅拌头4包括搅拌探头41和轴肩42，搅拌头4的搅拌探头41朝下设置并且处于耐磨板2的上方；在铜冷却壁本体1的下方设置能够对铜冷却壁本体1加热的辅助加热装置5；

（3）启动搅拌摩擦焊机和辅助加热装置5，带动搅拌头4高速旋转，同时辅助加热装置5对铜冷却壁本体1加热；

（4）将高速旋转的搅拌头4自上至下旋入耐磨板2，搅拌探头41穿透耐磨板2后，搅拌探头41下部旋入铜冷却壁本体1的热面（通常在搅拌头4的轴肩42接触到耐磨板2的上表面后，搅拌头4不再下移），在此过程中，耐磨板2及铜冷却壁本体1与搅拌头4接触的部分在搅拌头4的摩擦下产生热量，受到搅拌头4摩擦产生的热量和搅拌头4搅拌力的共同作用下，耐磨板2和铜冷却壁本体1之间的材料受到热力耦合产生塑性流动和混合；

（5）使搅拌头4与铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2相对移动，按需形成的焊缝的轨迹，使机床上的铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2不发生移动，搅拌头4在水平方向自左至右移动，受到热力耦合产生塑性流动的材料逐渐冷却凝固而形成搅拌摩擦焊焊缝3，搅拌摩擦焊焊缝3将耐磨板2与铜冷却壁本体1连接。

步骤（4）中，搅拌头4转速为800r/min。

步骤（5）中，完成步骤（4）之后，按需形成的焊缝的轨迹，使机床上的铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2不发生移动，搅拌头4在水平方向自左至右移动，形成的搅拌摩擦焊焊缝3为条状。

实施例4

本实施例中的新型耐磨铜冷却壁与实施例3的区别在于：

上述新型耐磨铜冷却壁的制造方法，包括下述步骤：

（1）使铜冷却壁本体1的热面朝上，将耐磨板2放置在铜冷却壁本体1的热面上，并将铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2紧固在机床上；

（2）将搅拌头4安装在搅拌摩擦焊机上，搅拌头4包括搅拌探头41和轴肩42，搅拌头4的搅拌探头41朝下设置并且处于耐磨板2的上方；在铜冷却壁本体1的下方设置能够对铜冷却壁本体1加热的辅助加热装置5；

（3）启动搅拌摩擦焊机和辅助加热装置5，带动搅拌头4高速旋转，同时辅助加热装置5对铜冷却壁本体1加热；

（4）将高速旋转的搅拌头4自上至下旋入耐磨板2，搅拌探头41穿透耐磨板2后，搅拌探头41下部旋入铜冷却壁本体1的热面（通常在搅拌头4的轴肩42接触到耐磨板2的上表面后，搅拌头4不再下移），在此过程中，耐磨板2及铜冷却壁本体1与搅拌头4接触的部分在搅拌头4的摩擦下产生热量，受到搅拌头4摩擦产生的热量和搅拌头4搅拌力的共同作用下，耐磨板2和铜冷却壁本体1之间的材料受到热力耦合产生塑性流动和混合；

（5）使搅拌头4与铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2相对移动，按需形成的焊缝的轨迹，使搅拌头4不发生移动，铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2在机床上进行水平方向自左至右移动，受到热力耦合产生塑性流动的材料逐渐冷却凝固而形成搅拌摩擦焊焊缝3，搅拌摩擦焊焊缝3将耐磨板2与铜冷却壁本体1连接。

步骤（4）中，搅拌头4转速为2200r/min。

步骤（5）中，完成步骤（4）之后，按需形成的焊缝的轨迹，使搅拌头4不发生移动，铜冷却壁本体1及其上的耐磨板2在机床上进行水平方向自左至右移动，形成的搅拌摩擦焊焊缝3为条状。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型耐磨铜冷却壁，包括铜冷却壁本体，其特征是：还包括至少一个耐磨板，耐磨板贴合在所述铜冷却壁本体的热面上，每个耐磨板通过至少一个搅拌摩擦焊焊缝与铜冷却壁本体连接。

2.如权利要求1所述的新型耐磨铜冷却壁，其特征是：所述搅拌摩擦焊焊缝为点状或条状。

3.如权利要求1所述的新型耐磨铜冷却壁，其特征是：所述铜冷却壁本体的热面上均布有多个挂渣槽，所述耐磨板的形状加工成与挂渣槽相匹配，耐磨板通过搅拌摩擦焊焊缝与相应挂渣槽的槽底连接。

4.如权利要求3所述的新型耐磨铜冷却壁，其特征是：所述耐磨板贴合在相邻两个所述挂渣槽之间的所述铜冷却壁本体热面上。

5.一种新型耐磨铜冷却壁的制造方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）使铜冷却壁本体的热面朝上，将耐磨板放置在铜冷却壁本体的热面上，并将铜冷却壁本体及其上的耐磨板紧固在机床上；

（2）将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机上，搅拌头包括搅拌探头和轴肩，搅拌头的搅拌探头朝下设置并且处于耐磨板的上方；在铜冷却壁本体的下方设置能够对铜冷却壁本体加热的辅助加热装置；

（3）启动搅拌摩擦焊机和辅助加热装置，带动搅拌头高速旋转，同时辅助加热装置对铜冷却壁本体加热；

（4）将高速旋转的搅拌头自上至下旋入耐磨板，搅拌探头穿透耐磨板后，搅拌探头下部旋入铜冷却壁本体的热面，在此过程中，耐磨板及铜冷却壁本体与搅拌头接触的部分在搅拌头的摩擦下产生热量，受到搅拌头摩擦产生的热量和搅拌头搅拌力的共同作用下，耐磨板和铜冷却壁本体之间的材料受到热力耦合产生塑性流动和混合；

（5）退出搅拌头或使搅拌头与铜冷却壁本体及其上的耐磨板相对移动，受到热力耦合产生塑性流动的材料逐渐冷却凝固而形成搅拌摩擦焊焊缝，搅拌摩擦焊焊缝将耐磨板与铜冷却壁本体连接。

6.如权利要求5所述的新型耐磨铜冷却壁的制造方法，其特征是：所述辅助加热装置包括电磁感应线圈。

7.如权利要求5所述的新型耐磨铜冷却壁的制造方法，其特征是：所述步骤（4）中，所述搅拌头转速为800-2200r/min。

8.如权利要求5所述的新型耐磨铜冷却壁的制造方法，其特征是：所述步骤（5）中，完成步骤（4）之后，使搅拌头上升至耐磨板的上方，形成的搅拌摩擦焊焊缝为点状。

9.如权利要求5所述的新型耐磨铜冷却壁的制造方法，其特征是：所述步骤（5）中，完成步骤（4）之后，按需形成的焊缝的轨迹，使机床上的铜冷却壁本体及其上的耐磨板不发生移动，搅拌头在水平方向移动，形成的搅拌摩擦焊焊缝为条状。

10.如权利要求5所述的新型耐磨铜冷却壁的制造方法，其特征是：所述步骤（5）中，完成步骤（4）之后，按需形成的焊缝的轨迹，使搅拌头不发生移动，铜冷却壁本体及其上的耐磨板在机床上进行水平方向移动，形成的搅拌摩擦焊焊缝为条状。