DE19751356C2

DE19751356C2 - Kühlelemente für Schachtöfen

Info

Publication number: DE19751356C2
Application number: DE19751356A
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrich
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: BR9804728A; CA2254281A1; ZA9810483B; CN1080314C; ATE244772T1; JPH11217609A; ES2203870T3; KR19990045327A; AU753713B2; TW410266B; UA49885C2; RU2210705C2; EP0918092B1; US6257326B1; EP0918092A1; DE19751356A1; CN1225395A; AU9243498A; DE59808968D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für mit einer feuerfesten Auskleidung verse hene Schachtöfen, insbesondere Hochöfen, bestehend aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung mit im Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen, wobei das Kühlelement mit seitlichen Stegen versehen ist.

Kühlsysteme für den Panzer von Schachtöfen, insbesondere Hochöfen, sind in "Stahl und Eisen", 106 (1986), Nr. 5, Seiten 205-210, ausführlich beschrieben. Neben der Kühlung mit sogenannten Kühlkästen hat sich in den letzten Jahren die Kühlung mit Kühlplatten, sogenannten Staves, aus Gusseisen und Kupfer immer stärker durchgesetzt.

Aus der DE 39 25 280 ist eine Kühlplatte aus Grauguss bekannt, bei der die Kühl kanäle durch Kühlrohre gebildet wurden, die in den Gusskörper eingegossen wa ren. Nachteilig ist hierbei, daß zur Vermeidung der Aufkohlung eine Beschichtung der Kühlrohre erforderlich ist, die den Wärmefluss von der Heißseite der Kühlplatte oder der Staves durch den Stavekörper und die Rohrwand zum Kühlwasser hin behindert. Derartige Staves erreichten daher oft hohe Temperaturen, bei denen ein Perlit-Zerfall eintritt (< 760°C); es bildeten sich Risse im Gusskörper, und schon nach relativ kurzer Betriebszeit wird der Gusswerkstoff vor den Kühlrohren abgetragen.

Es wurde versucht, eine längere Haltbarkeit dieser Gusseisen-Staves dadurch zu erreichen, indem man eine Vielzahl von Kühlrohren eingoss und diese teilweise auch in unterschiedlichen Ebenen parallel zur Heißseite anordnete. Dadurch wur den die Grauguss-Staves zwar sehr viel komplizierter und teurer, ihre Haltbarkeit hat sich jedoch nicht in gleichem Maße erhöht.

Eine wesentliche Verbesserung stellten die sogenannten Kupfer-Staves dar, die aus der DE 29 07 511 bekannt sind und aus gewalztem Kupfermaterial hergestellt sind, wobei die Kühlkanäle durch Tieflochbohrung parallel zur Heißseite einge bracht werden. Hierdurch wird ein ungestörter, durch keine Rohrbeschichtung be hinderter Wärmefluss erreicht. Derartige Kupfer-Staves sind an ihrer Heißseite deutlich kälter als Staves aus Grauguss, so daß sich dort - anders als bei Grau guss-Staves - eine stabile Kruste aus Möllermaterial bildet, die als Isolierung wirkt. So kommt es, daß Kupfer-Staves trotz der hohen Wärmeleitfähigkeit dieses Materials aus einem Hochofen weniger Wärme abführen als Grauguss-Staves. Ein weiterer Vorteil der Kupfer-Staves ist es, daß diese konstruktiv dünner (ca. 150 mm) ausgeführt werden können als Grauguss-Staves (ca. 250 mm). Bei einem gegebenen Hochofenprofil erhöht sich das Nutzvolumen bei Verwendung von Kupfer-Staves erheblich.

Der ausschlaggebende Vorteil der Kupfer-Staves gegenüber Staves aus Gussei sen ist jedoch, daß sie aufgrund der Materialeigenschaften keine Rissbildung zei gen und daß ihr Oberflächenverschleiß extrem gering ist. Bei einem über 10 Jahre gehenden Langzeitversuch wurde ein Materialverlust von nur 3-4 mm beobach tet. Hieraus ergibt sich bei 50 mm Rippenhöhe eine rechnerische Lebensdauer von rd. 150 Jahren, die weit über der des zugehörigen Hochofens liegt.

Solche Kupfer-Staves sind auch aus der DE 195 45 048 bekannt. Diese offenbart Kühlplatten für Schachtöfen aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung mit im Kühlkörper angeordneten Sackbohrungen für das Durchleiten von Kühlwasser sowie um den Kühlkörper herum angeordneten vertikalen Seitenflanschen.

Ein Nachteil der bekannten Kupfer-Staves ist es, daß diese immer noch relativ massiv ausgeführt und damit schwer und teuer sind. Der Bearbeitungsaufwand ist durch die allseitige mechanische Bearbeitung, das Einfräsen von Nuten, das Tieflochbohren sowie durch das Einschweißen der Rohranschlüsse erheblich. Das zerspante Material macht einen erheblichen Teil des Gesamtgewichts aus und wird nur zu deutlich geringerem Preis zurückgenommen. Ein weiterer Nachteil ist, daß beim Tieflochbohren über 2-3 m Tiefe bestimmte Kanaldurchmesser nicht unterschritten werden dürfen, da sonst die Gefahr besteht, daß der Bohrer ver läuft. Die so entstehenden Kühlkanäle sind größer als erforderlich; das gleiche gilt für die Kühlwassermenge, da eine Mindestgeschwindigkeit von rd. 1,5 m/sec er forderlich ist, um bei hoher thermischer Belastung sich an der Rohrwand evtl. bil dende Dampfblasen abzulösen. Somit sind die Kühlwasser-Aufheizraten unwirt schaftlich gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stabiles Kühlelement bereitzustel len, dessen Kühlungseffekt bei gleichzeitiger Reduzierung des Materials und Be arbeitungsaufwandes bei seiner Herstellung ansteigt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt in der Weise, wie es in Anspruch 1 angegeben ist, eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird in den zugeordneten Unteransprüchen 2-7 aufgeführt.

Eine alternative Lösung der Aufgabe erfolgt in der Weise, wie es in Anspruch 8 angegeben ist, eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Alternative ist in den zugeordneten Unteransprüchen 9-10 aufgeführt.

Im Gegensatz zu den bekannten Kupfer-Staves wird durch das erfindungsgemäße Kühlelement sowohl der Material- wie auch der Bearbeitungsaufwand erheblich gesenkt und dennoch ein stabiles, den rauhen Beanspruchungen im Hochofenbe trieb gewachsenes Kühlelement geschaffen, das sich mit geringem Montageauf wand montieren lässt und das eine Lebensdauer in mindestens gleicher Größen ordnung wie eine Hochofenanlage aufweist.

Durch geeignete, von der Kreisform abweichende Gestaltung des Strömungsquer schnitts für das Kühlwasser werden höhere Aufheizraten für das Kühlwasser er reicht, ohne deshalb die erforderliche Mindestgeschwindigkeit für das Kühlwasser zu unterschreiten, die notwendig ist, um bei hohen thermischen Belastungen an der Rohrwand sich bildende Dampfblasen abzulösen und fortzutransportieren.

Schließlich ist die Heißseite so gestaltet, daß sich mit geringem Aufwand eine Oberfläche ergibt, an der Krusten aus Möllermaterial gut haften können.

Die gestellte Aufgabe nach Anspruch 1 wird im einzelnen wie folgt gelöst.

Während ein konventionelles Cu-Kühlelement meist vier parallele Kühlkanäle auf weist die in einem Kupferblock parallel zur Heißseite verlaufen, besteht ein Küh lelement gemäß der Erfindung aus einer passend gewählten Länge eines strang gepressten Cu-Profils, welches einen oder mehrere runde oder von der Kreisform abweichende Kühlkanäle enthält. Durch entsprechende Rippen, die von dem oder den Kühlkanälen ausgehen, wird erreicht, daß das strangge presste Profil sowohl eine ausreichende Steifigkeit mitbringt, durch die es die rauhen Beanspruchungen des Hochofenbetriebes erträgt; dies bezieht sich insbesondere auf den oder die Befestigungsrippen, die am Kühlelement auf der dem Hochofenpanzer zugewandten Seite angeordnet sind. Sie dienen gleich falls zur Befestigung des Kühlelements am Hochofenpanzer. Die parallel zum Hochofenpanzer liegenden seitlichen Stege der Cu-Kühlelemente sorgen für einen flächendeckenden Schutz des Hochofenpanzers. Ihre Breite wird so festgelegt, daß sie sich mit dem entsprechenden Steg des Nachbarelements überlappen bzw. bündig abschließen. Hierdurch werden auch die Durchmesser- bzw. Umfangsun terschiede in konischen Teilen des Hochofenpanzers (Rast, Schacht) ausgeglichen. Die in das Ofeninnere ragenden Schlackenrippen an der Heißseite werden durch mechanische Nachbearbeitung so gestaltet, daß sie die Bildung und die stabile Haftung einer Schicht aus festen oder teigigen Möllerstoffen an der Heißseite der Cu-Kühlelemente erleichtern.

Die Cu-Kühlelemente können montagenah auf der Haustelle auf die richtige Längs zugeschnitten und gebogen werden. Hierzu werden an den Ober- und Unterseiten der einzelnen Cu-Kühlelemente die seitlichen Stege durch Sägen, Trennschleifen oder Brennen getrennt bzw. ent fernt, der verbleibende kreis- oder nicht-kreisförmige Kanalquerschnitt entsprechend umgebogen und durch die entsprechende Durchtrittsöffnung im Hochofenanzer geführt. Über Zwischenrohrstücke für den Kühlwasser durchfluß werden die Kühlelemente an den Kühlkreislauf des Hochofens angeschlossen. Hierbei kann, um zu möglichst kleinen Durchmessern der Panzeröffnungen zu kommen, der im Hochofenpanzer und außerhalb liegende Kanalquerschnitt durch Kaltverformung wieder auf den runden Querschnitt gebracht werden. Zur Befestigung der Kühlelemente am Panzer erhalten die Kühlelemente Bohrungen in den zum Panzer hin verlaufenden Rippen; in diese Rippen greifen am Hochofenpanzer befestigte Tragelemente ein; die Verbindung zwischen den Rippen und den Tragelementen erfolgt beispielsweise durch eingeschobene gesicherte Paßstifte bzw. Bolzen. Nach der mechanischen Montage erfolgt in bekannter Weise eine Hinterfüllung der Cu-Kühlelemente mit einer niedrig wärmeleitfähigen Feuerfest-Masse.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden ebenfalls stranggepreßte Kupfer profile verwendet, wobei diese rechteckig gestaltet sind und an den Seiten eine Nut und Feder für eine ineinander greifende Verbindung der Kühlelemente aufweisen.

Durch das Aneinanderfügen mehrerer solcher Elemente wird ein zusammenhängender Kupferblock mit darin liegenden, rechteckigen Kühlkanälen gebildet. Durch diese Ausführung der Kühlelementseiten wird ein nahtloser Übergang der einzelnen Bauteile erreicht, der zum Ausgleich der Konizität im Hochofenschacht und der Hochofenrast herangezogen wird. Somit ist an allen Stellen ein fugenloser Hitzeschutz des Hochofenpanzers gewährleistet.

An den Kopfenden der Kühlelemente werden ähnliche stranggepreßte Profile in U-Form, jedoch mit einem größeren Kühlkanalquerschnitt, vorgesetzt. Der Ein- und Austritt des Kühlwassers erfolgt dann über ein Rohrstück jeweils am Ober- und Unterteil des zusammen gesetzten Kühlelements. Ein derartig hergestelltes Kühlelement erfordert zwar einen etwas größeren Material- und Fertigungsaufwand, bedingt durch das Aneinanderfügen der Kastenprofile sowie das Herstellen der Fuß- und Kopfstücke, es ist jedoch noch flacher als die Cu-Kühlelemente mit dem oder den Rohrquerschnitten sowie den angesetzten Rippen gestaltet und kann daher weitgehend der Krümmung der Ofenwand angepaßt werden. Die Befestigung an der Ofenwand kann konventionell über Sackbohrungen mit Gewinde im Kühlelement sowie durch den Ofenpanzer hindurchgehende Befestigungsschrauben erfolgen, die an der Außenseite durch aufgeschweißte Abdeckkappen gasdicht gemacht werden.

Die Erfindung wird anhand von schematischen Ausführungszeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Cu-Kühlelement mit Schlackenrippen,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Cu-Kühlelements mit Schlackenrippen,

Fig. 3 ein Längsschnitt eines Cu-Kühlelements mit Schlackenrippen,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Cu-Kühlelement aus rechteckigen Profilen,

Fig. 5 eine Seitenansicht von übereinander angeord neten Cu-Kühlelementen aus rechteckigen Profilen,

Fig. 6 einen Längsschnitt eines Cu-Kühlelements aus rechteckigen Profilen,

Fig. 7 eine Draufsicht auf den oberen Deckel des Cu-Kühlelements aus rechteckigen Profilen,

Fig. 8 eine Draufsicht auf den unteren Deckel des Cu-Kühlelements aus rechteckigen Profilen.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Kühlelement (1) aus einem strangge pressten Profilabschnitt, daß im Inneren ein oder mehrere runde oder von der Kreisform abweichende länglich geformte Kühlkanäle (2) enthält.

Das Kühlelement (1) ist mit seitlichen Stegen (3) versehen, auf der auf der von der Hochofenwand (9) abgewandten Seite und in vertikaler Richtung durchlaufen den Schlackenrippen (4) angeordnet. Auf der der Hochofenwand (9) zugewandten Seite ist eine Befestigungsrippe (5) angeordnet.

Das Kühlelement (1) wird mittels Bolzen (7) in Bohrungen (6) des Befestigungs elements (8), der Hochofenwand (9) und der Befestigungsrippe (5) befestigt, der Zwischenraum zwischen Kühlelement (1) und Hochofenwand (9) ist mit einer feu erfesten Hinterfüllung (10) ausgefüllt.

Entsprechend Fig. 2 sind die oberen und unteren Enden des Kühlelements (1) mit dem Kühlkanal (2) in Richtung Hochofenwand (9) um 90° gebogen und durch Öff nungen (19) der Hochofenwand (9) geführt. Die oberen und unteren Stege (3) und die Schlackenrippen (4) verlaufen weiterhin vertikal und bilden durch Aussparun gen (18) bzw. Nuten jeweils mit dem nächsten Kühlelement eine flächendeckende Anschlussverbindung. Die Befestigung an der Hochofenwand (8, 9) erfolgt durch einen Bolzen (7), der durch die Befestigungsrippe (5) und das Befestigungsele ment (8) geführt ist.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt des Kühlelements (1) mit dem ovalen Kühlkanal (2) Beidseitig des Kühlkanals (2) sind die Stege (3) angeordnet. Auf der dem Be festigungselement (8) der Hochofenwand (9) zugewandten Seite ist eine längliche Befestigungsrippe (5) vorgesehen.

Durch eine Bohrung (6) in (5) und (8) wird ein Bolzen (7) geschoben, um das Kühlelement an der Hochofenwand zu befestigen.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere, alter native Ausführungsform eines Kühlelements (1), das aus einem rechteckigen Kühlelement (11) mit Nut sowie aus einem rechteckigen Kühlelement (13) mit Feder besteht, in die jeweils ein Kühlkanal (12) eingearbeitet ist.

Das Kühlelement (1) wird mittels Befestigungselementen (14) an den Hochofenpanzer (9) befestigt. Zwischen Kühlelement (1) und Hochofenpanzer (9) wird eine ff-Hinterfüllung (10) eingebracht.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht von übereinander an dem Hochofenpanzer (9) befestigten Kühlelementen (1, 11, 12, 13). Das Kühlelement (1) wird jeweils durch einen oberen Deckel (15) und einen unteren Deckel (17) mit Rohrstücken (16) für die Kühlmittelzu- bzw. -Abfuhr druckfest abgedeckt.

Durch versetzt angeordnete Aussparungen (18) in den Deckeln (15, 17) wird eine überlappende Verlegung der Kühlelemente (1) am Hochofenpanzer (9) erreicht.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein montage gerechtes Kühlelement (1), das aus einem rechteckigen Kühlelement (11) mit Nut, einem rechteckigen Kühlele ment (13) mit Feder sowie einem oberen und unteren Deckel (15, 17), jeweils mit einem Rohrstück (16), und einer Aussparung (18) besteht.

Das Kühlwasser tritt über das Rohrstück (16) im unteren Deckel (17) ein und verläßt dieses nach Durchströmen der Kühlkanäle (12) über den oberen Deckel (15, 16).

Fig. 7 und 8 zeigen jeweils eine Draufsicht auf den oberen Deckel (15) sowie den unteren Deckel (17) mit den Rohrstücken (16) und Segmenten des Kühlelements (11) mit Nut und (13) mit Feder einschließlich der beiden Kühlkanäle (12).

Bezugszeichenliste

1

Kühlelement

2

ovaler Kühlkanal

3

seitliche Stege

4

Schlackenrippen

5

Befestigungsrippen

6

Bohrung in

5

und

8

7

Bolzen

8

Befestigungselement

9

Schachtofenwand, insbesondere Hochofenwand

10

feuerfeste Hinterfüllung

11

Kühlelement, rechteckig mit Nut

12

Kühlkanal

13

Kühlelement, rechteckig mit Feder

14

Befestigungselement

15

oberer Deckel

16

Rohrstücke

17

unterer Deckel

18

Aussparung

19

Öffnungen in

9

Claims

1. Kühlelement für mit einer feuerfesten Auskleidung versehene Schachtöfen, insbesondere Hochöfen, bestehend aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung mit im Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen, wobei das Kühlelement mit seitlichen Stegen (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement aus einem stranggepressten Profilabschnitt besteht
daß das Kühlelement (1) im Inneren mindestens einen von der Kreisform abweichenden Kühlkanal (2) für hohe Aufheizraten des Kühlwassers ohne Unterschreitung der Mindestgeschwindigkeit für das Kühlwasser enthält,
daß das Kühlelement (1) auf der von der Schachtofenwand (9) abge wandten Seite in vertikaler Richtung mit mindestens einer durchlaufenden Schlackenrippe (4) und
daß das Kühlelement (1) auf der der Schachtofenwand (9) zugewandten Seite mit mindestens einer Befestigungsrippe (5) ausgerüstet ist.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die oberen und unteren Enden des Kühlelementes (1) mit dem Kühl kanal (2) in Richtung Schachtofenwand (9) um 90° gebogen und
daß die oberen und unteren Enden des Kühlelementes (1) von den seitli chen Stegen (3) getrennt sind.

3. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (1) auf der von der Schachtofenwand (9) abgewand ten Seite in vertikaler Richtung mit zwei oder einer Vielzahl parallel verlau fender Schlackenrippen (4) ausgerüstet ist.

4. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Befestigungsrippe (5) mindestens eine Bohrung (6) eingebracht ist.

5. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Stege (3) eine Aussparung (18) eingearbeitet ist.

6. Kühlelement nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege (3) in der Aussparung (18) benachbarter Kühlelemente (1) für eine flächendeckende Anschlussverbindung der Kühlelemente über lappend anordnenbar sind, und
daß die Befestigungsrippen (5) der Kühlelemente (1) so ausgebildet sind, daß sie an Befestigungselementen (8) der Schachtofenwand (9) mittels Bolzen (7) anbringbar sind.

7. Kühlelement nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege (3) benachbarter Kühlelemente (1) bündig anordnenbar sind und
daß die Befestigungsrippen (5) der Kühlelemente (1) so ausgebildet sind, daß sie an Befestigungselementen (8) der Schachtofenwand (9) mittels Bolzen (7) anbringbar sind.

8. Kühlelement für mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen Schachöfen, insbesondere Hochöfen, bestehend aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung mit im Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (1) aus einem stranggepressten rechteckigen Pro filabschnitt (11) mit Nut an einer Seite und einem stranggepressten recht eckigen Profilabschnitt (13) mit Feder an einer Seite für eine ineinander greifende Verbindung von Kühlelementen besteht,
daß in den Profilabschnitten (11, 13) Kühlkanäle (12) angeordnet sind,
daß die Profilabschnitte (11, 13) mit einem oberen Deckel (15) und einem unteren Deckel (17) verschließbar sind und
daß in den oberen Deckel (15) und in den unteren Deckel (17) seitlich je ein Rohrstück (16) eingesetzt ist, die mit den Kühlkanälen (12) des Küh lelementes (1) verbunden sind.

9. Kühlelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es so ausgebildet ist, dass es mittels Befestigungselementen (14) an der Schachtofenwand (9) befestigbar ist.

10. Kühlelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Deckel (15) und der untere Deckel (17) mit je einer Ausspa rung (18) zur überlappenden Verlegung der Kühlelemente an der Schach tofenwand (9) versehen ist.