CN1406331A - 冷却元件及用于制造冷却元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种尤其用于熔炉的冷却元件，所述元件包含主要由铜制成的壳体(1)，位于所述壳体内用于冷却介质循环的通道系统(6)。至少在所述元件壳体(1)的部分表面上，通过扩散焊接头，设有一层耐腐蚀表面层(2)。本发明还涉及一种用于将所述表面层设置在所述冷却元件上的方法。

Description

冷却元件及用于制造冷却元件的方法
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的冷却元件。本发明还涉及一种用于制造冷却元件的方法。
在工业用炉，比如闪速熔炼炉、鼓风炉和电炉中，使用通常由铜制成的大型冷却元件。它们在极端的工况下使用，其中铜承受由于炉内气氛或者甚至由于与熔融的材料接触而造成的强烈的腐蚀应力。例如，在SO2气氛中，铜的腐蚀是由于氧化和硫化反应造成的，在最坏的情况下，这可能导致被腐蚀表面数十毫米的材料损失。
本发明的目的是提供一种可以克服现有技术中的已知问题的冷却元件。因此，本发明的目的还是提供一种具有比现有技术中已知冷却元件更长的工作寿命的冷却元件。本发明的另一目的是提供一种用于制造比现有技术中已知冷却元件更耐久的冷却元件。
本发明的思想是在主要由铜制成的冷却元件表面上通过扩散焊接头连接一具有更好耐腐蚀性的钢制表面。
本发明的特征在于所附权利要求中具体限定的内容。
本发明具有许多明显的优点。通过扩散焊接头加装表面层的方法能使连接处具有优良的热传递性能。所提出的连接方法能使表面层在低于铜熔点的数百度温度下连接到冷却元件壳体上。根据本发明的冷却元件具有比现有技术的冷却元件明显更好的耐腐蚀性。因此在更换之前的工作寿命比现有技术的明显延长。
在本申请中，术语铜指的是，除由铜制成的物体外，还指基本上含有至少50％的铜的含铜合金材料。在本申请中，术语不锈钢主要指的是奥氏体合金钢，比如不锈钢和耐酸钢。
下面参照附图详细解释本发明。
图1以剖面的形式示出了根据本发明的冷却元件，
图2以简化的剖面形式示出了根据本发明的方法在加热之前的连接形式，
图3以简化的剖面形式示出了根据本发明的方法在加热之前的另一种连接形式，
图4以简化的剖面形式示出了根据本发明的方法在加热之前的第三种连接形式。
图1示出了尤其使用于熔炉的冷却元件的剖面图。该元件包含主要由铜或铜合金制成的壳体1，且壳体上设有用于冷却介质循环的冷却通道系统6。根据本发明，至少在冷却元件壳体1的部分表面上通过扩散焊接头设置耐腐蚀表面层2。所述表面层2由钢，尤其是精炼钢制成。通常这种钢例如是耐酸钢。表面层2仅加装在冷却元件壳体1的部分表面上。图1中所示冷却元件是闪速熔炼炉的冷却元件。当然，这种冷却元件也可以用于其他类型的熔炉，尤其是制造或精炼金属时使用的熔炉。冷却元件的形状和尺寸取决于每种情况下的具体使用目的。根据本发明的一优选实施例是，该元件是一种冷却元件，尤其是用于导电熔炼(conducting melt)时的所谓槽式元件。在这种情况下，表面层可以例如设置在接触熔化物的部分表面上。
根据本发明的方法，表面层2通过扩散焊接头连接于元件壳体1上。在表面层2和壳体1的连接表面之间，在形成接头之前至少放置一中间层3、4、5。所采用的表面层2是钢，尤其是精炼钢。
图2以剖面的形式示出了本发明的连接方法在热处理之前的一实施例。基本上由铜制成的壳体1和由精炼钢例如奥氏体不锈钢制成的表面层2连接在一起。在两物体之间的连接处，设有中间层3、4。第一中间层3靠着表面层2放置，该中间层主要用于防止镍从钢中流失，且通常主要含镍(Ni)。此外，当形成接头时，有利的是至少使用第二中间层4，即所谓的活化层，在该示例的情况下例如是锡(Sn)。锡用作活化剂，降低形成接头所需的温度。
可以通过单独处理在表面层上形成第一中间层3。当镍用作第一中间层3时，可以例如通过电解而在表面层的表面上形成所述层。镀镍通常这样进行，即在不锈钢表面上的钝化层不阻碍不锈钢和镍之间连接表面上的物质迁移。第一中间层3也可以以箔片的形式存在。
在根据本发明的方法中，在需连接在一起的表面层2和冷却元件壳体1的连接表面之间，在表面层2的连接表面上或与所述表面相对设有第一中间层3，而在壳体1的连接表面上或与所述表面相对设有第二中间层4，从而将包括中间层3、4的连接表面压在一起，且在所述方法中，至少加热连接区域。第一中间层3可主要含镍(Ni)或铬(Cr)，或者是其合金或混合物。第二中间层4包含熔点低于将被连接在一起的物体熔点的活化剂。第二中间层4主要包含银(Ag)和/或锡(Sn)、或者其合金或混合物、银和铜(Ag+Cu)、铝和铜(Al+Cu)或锡和铜(Sn+Cu)。
当加热连接区域时，在将被连接在一起的物体表面上形成扩散焊接头；这一方面是由于镍的扩散，另一方面是由于铜和钢的成分的扩散导致的结果。扩散焊接头的形成及形成的结构是通过非常薄的第二中间层4，即钎剂层活化的，或者通过位于镀镍表面层2和壳体1之间的连接表面上的多个中间层4、5活化的，其中第二中间层是所采用的制造条件和所希望的接头必需的。
所采用的钎剂和中间层4、5构成的扩散活化剂可以是银-铜合金和纯锡或者是特定的夹层结构。在600-850℃的温度范围内得到机械强度高的接头。热处理时间的选择可以这样进行，即避免在最终接头中形成脆性的金属间相。钎剂厚度，热处理温度和中间层的持续时间是这样选择的，即防止镍从钢中流失，结果在其表面上有镍含量高的合金。低连接温度的优点是在连接区域产生的热应力最小。
图3示出了根据本发明的方法的一优选实施例。至少设有第二中间层4和第三中间层5，且第二中间层4的融化温度低于第三中间层5。第三中间层5主要包含银(Ag)或银(Ag)和铜(Cu)，或者是其合金或混合物。在优选实施例中，第三中间层包含Ag+Cu钎剂，有利的是箔片形式。根据优选实施例，第二中间层按重量百分比计含有Ag71％和Cu29％。有利的是钎剂具有与铜共晶的给定合金成分。对连接区域进行单步加热。根据本发明的方法的优选实施例，第二中间层4在第三中间层5的表面上。通常(但不必须)至少中间层3、4、5之一以箔片形式置于连接区域。所采用的钎剂和中间层4、5形成的扩散活化剂可以是银-铜合金和锡，或者是纯料形式，或者是特定的夹层结构。在600-850℃的温度范围内得到机械强度高的接头。热处理时间的选择可以这样进行，即避免在最终接头中形成脆性的金属间相。钎剂厚度，热处理温度和中间层的持续时间是这样选择的，即防止镍从钢中流失，结果在其表面上有镍含量高的合金。低连接温度的优点是在连接区域产生的热应力最小。
图4示出了在加热表面层和壳体接头之前的根据本发明方法的另一实施例。在第三中间层5的两表面上或与所述表面相对设有第二中间层4。在该实施例中，通常使用夹层箔片，其中该箔片的一面或两面例如用锡进行处理。
在所述方法中所用中间层的厚度是变化的。用作第一中间层3的Ni层的厚度通常为2-50μm。在电解之后，通常为2-10μm，为箔片时约20-50μm。用作第三中间层5的Ag和Ag+Cu箔片的厚度通常为10-500μm，最好是20-100μm。第二中间层4的厚度通常取决于第三中间层5的厚度，例如为第三中间层的厚度的10-50％。通过在50μm厚的Ag+Cu钎剂箔片表面上施加例如5-10μm的锡层，可以获得非常高质量的接头。所述锡层可以例如通过将箔片形式的钎剂浸入融化的锡中而形成，且当需要时，随后对箔片进行轧制而使其平滑。
选取用于表面层的材料可以是最适合类型的钢。
实施例1
耐酸钢(AISI316)和铜(Cu)连接在一起。在钢的连接表面上，设有作为第一中间层的厚度为7μm的镍(Ni)层。作为扩散活化剂和钎剂，使用具有共晶成分的Ag+Cu钎剂，按重量百分比计含有71％Ag和29％Cu。所述钎剂为厚度50μm的箔片形式，且在箔片表面上还形成一层厚度约为5-10μm的锡(Sn)层。需连接在一起的物体彼此邻靠放置，使箔片位于连接表面之间。将所述物体压在一起，将连接区域加热到钎剂的熔化温度之上，直到约800℃的温度。保持时间约10分钟。该示例的连接非常成功。结果是得到了类似冶金结合的紧密接头。

Claims (17)

1.一种尤其用于熔炉的冷却元件，所述元件包含主要由铜制成的壳体(1)，位于所述壳体内用于冷却介质循环的通道系统(6)，其特征在于至少在所述元件壳体(1)的部分表面上，通过扩散焊接头，设有一层耐腐蚀表面层(2)。
2.如权利要求1所述的冷却元件，其特征在于所述表面层(2)由钢，尤其是精炼钢制成。
3.如权利要求1或2所述的冷却元件，其特征在于所述表面层(2)仅位于所述元件壳体(1)的部分表面上。
4.如权利要求1-3任一所述的冷却元件，其特征在于所述冷却元件是闪速熔炼炉的冷却元件。
5.如权利要求1-3任一所述的冷却元件，其特征在于该冷却元件是尤其用于导电熔炼的所谓槽式冷却元件。
6.一种用于将耐腐蚀表面层设置在主要由铜制成的冷却元件上的方法，其特征在于该表面层(2)通过扩散焊接头连接于所述元件壳体(1)上。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于在所述表面层(2)和壳体(1)的连接表面之间，在形成接头之前至少设有一个中间层(3、4、5)。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所采用的表面层(2)由钢，尤其是精炼钢制成。
9.如权利要求6-8任一所述的方法，其特征在于在被连接在一起的所述表面层(2)和所述冷却元件壳体(1)的连接表面之间，在所述表面层(2)的连接表面上或与所述表面相对设置第一中间层(3)，且在所述壳体(1)的连接表面上或与所述表面相对设置第二中间层(4)，从而将包括中间层的连接表面压在一起，且在该方法中至少对连接区域进行加热。
10.如权利要求6-9任一所述的方法，其特征在于第一中间层(3)主要包含镍(Ni)或铬(Cr)或者其合金或混合物。
11.如权利要求6-10任一所述的方法，其特征在于所述第二中间层(4)包含熔点低于被连接在一起的物体熔点的活化剂。
12.如权利要求6-11任一所述的方法，其特征在于所述第二中间层(4)主要包含银(Ag)和/或锡(Sn)、或者其合金或混合物、银和铜(Ag+Cu)、铝和铜(Al+Cu)或锡和铜(Sn+Cu)。
13.如权利要求6-12任一所述的方法，其特征在于至少设有第二中间层(4)和第三中间层(5)，且第二中间层(4)的熔点低于第三中间层(50)的熔点。
14.如权利要求6-13任一所述的方法，其特征在于第三中间层主要包括银(Ag)或银(Ag)和铜(Cu)，或者其合金或混合物。
15.如权利要求6-14任一所述的方法，其特征在于对所述连接区域进行单步加热。
16.如权利要求6-15任一所述的方法，其特征在于所述第二中间层(4)位于第三中间层(5)的表面上。
17.如权利要求6-16任一所述的方法，其特征在于至少中间层(3、4、5)之一以箔片形式置于连接区域。
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