Schachtofen, insbesondere mit Gasdruck betriebener Hochofen

Abstract

 Bei einem Schachtofen, insbesondere bei einem mit Gasdruck betriebenen Hochofen zur Erzeugung von Roheisen sind in den Mantel (1) des Ofens Kühlelemente (10) mit kreisförmigem Querschnitt versetzt zueinander eingesetzt. Um die weniger gekühlten Bereiche zwischen den Kühlelementen flächenmäßig auf ein Minimum zu beschränken und unter Vermeidung übermäßiger Wärmeabfuhr möglichst gleichmäßig zu kühlen, sind die Kühlelemente (10) an den Knotenpunkten eines aus im wesentlichen gleichseitigen Dreiecken gebildeten, den Mantel (1) einhüllenden Netzes angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Schachtofen, in dessen Mantel Kühlelemente mit kreisförmigem Querschnitt versetzt zueinander eingesetzt sind. Hochöfen zur Roheisenerschmelzung weisen einen den Innenraum umgrenzenden Mantel auf, der aus einem Stahlmantel, der die notwendige mechanische Festigkeit gewährleistet, und einer Innenauskleidung aus feuerfestem Material gebildet ist. Da im Inneren moderner Hochöfen Uberdruck herrscht, stellen solche Hochöfen Druckgefäße dar, die es erforderlich machen, den Stahlmantel möglichst kühl unter einer maximalen Temperatur von 180°C zu halten. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, das feuerfeste Material zu kühlen, da die Isolierung durch das feuerfeste Material wegen der im Inneren des Hochofens herrschenden hohen Temperaturen - die bei modernen Hochöfen bis zu 2200°C betragen - nur unzureichend ist.

[0002] Die feuerfeste Auskleidung unterliegt mechanischen und chemischen Verschleißvorgängen, wobei in erster Linie zu nennen sind die Verschlackung durch teilreduzierten Möller und Schlacken, Oxidation durch freien Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf, Ablagerung von Kohlenstoff, Zinkoxid und Zerstörung durch Alkalien. Da der Verschleiß chemischer Natur temperaturabhängig vor sich geht, wobei hohe Temperaturen den Verschleiß begünstigen, kommt der Einhaltung einer möglichst tiefen Temperatur für die feuerfes. Auskleidung große Bedeutung zu. Insbesondere soll die hochofeninnenseitige Oberflächentemperatur des Mauerwer kes möglichst tief abgesenkt werden.

[0003] Eine Forderung, die im Gegensatz zur Einhaltung einer möglichst tiefen Temperatur für die feuerfeste Auskleidung steht, besteht darin, möglichst wenig Wärme dem Hochofen durch das Kühlsystem zu entziehen, da die entzogene Wärme dem Hochofen zur Aufrechterhaltung des Hochofenprozesses wieder zugeführt werden muß.

[0004] Es ist bekannt, in die Ausmauerung kühlmitteldurchflossene Kühlelemente mit rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt einzusetzen, wobei sich die Kühlelemente in vom Stahlmantel her in Richtung radial zur Achse des Hochofens angeordnete Ausnehmungen der Ausmauerung erstrecken. Die Anordnung solcher, eine gute Kühlwirkung nur in einem beschränkten Abstand erreichender Kühlelemente an der Wandfläche des Hochofens ist bisher jedoch mehr oder weniger willkürlich getroffen worden. Wegen der nur stark örtlichen "Punktkühlung" der Kühlelemente bleiben zwischen unmittelbar benachbarten Kühlelementen relativ große, weniger und ungleichmäßig gekühlte Ausmauerungsbereiche bestehen, ieren hochofeninnenseitige Wandtemperatur sehr hoch liegt. Diese Bereicheunterliegen daher einem verstärkten, durch chemische Einwirkungen bedingten Verschleiß. Praktisch ist es nicht möglich, durch erhöhte Kühlwirkung mit den üblichen Kühlsystemen die Wandtemperatur entscheidend zu senken. außerdem würden durch den vermehrten Wärmemengenentzug ein höherer Energieverlust auftreten und erhöhte Herstellungs- kosten des Roheisens entstehen.

[0005] Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, einen 3chachtofen zu schaffen, bei dem die weniger gekühlten Bereiche zwischen den Kühlelementen flächenmäßig ein Minimum einnehmen und möglichst gleichmäßig gekühlt werden, wobei jedoch eine übermäßige Wärmeabfuhr vermieden wird.

[0006] Die Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlelemente an den Knotenpunkten eines aus im wesentlichen gleichseitigen Dreiecken gebildeten, den Mantel einhüllenden Netzes angeordnet sind.

[0007] Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Hochofen im Längsschnitt in schematischer Darstellung, wobei die Schnittebene durch die Hochofenachse gelegt ist. Fig. 2 stellt die Anordnung der Kühlelemente in Ansicht in Richtung des Pfeiles II der Fig. 1 in schematischer Darstellung dar. Fig. 3 veranschaulicht einen Schnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 5 durch zwei benachbarte Kühlelemente ebenfalls in schematischer Darstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zum Mantel des Hochofens gelegt ist. In Fig. 4 ist ein Schnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 5 gezeigt; Fig. 5 gibt eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches der Fig. 2 wieder.

[0008] Mit 1 ist ein Mantel des Hochofens bezeichnet, der aus einem Stahlmantel 2 und aus einer zum Innenraum des Hochofens hin angeordneten feuerfesten Auskleidung 3 gebildet ist. Der Hochofenmantel ist aus kegeligen Flächen und Zylinderflächen zusammengesetzt. Der kegelförmige Schacht ist mit 4, der zylindrische Kohlensack mit 5 und die ebenfalls kegelförmige Rast mit 6 bezeichnet. Das Gestell 7 ist wieder von einem zylindrischen Mantel umgeben. Die Ebene, in der die Blasform angeordnet ist, ist mit 8 und die Abstichebene mit 9 bezeichnet.

[0009] Zur Kühlung des Mantels sind Kühlelemente 10 mit einem kreisförmigen Querschnitt vorgesehen, welche Löcher 11 des Stahlmantels 2 durchsetzen und von außen in zum Innenraum hin geschlossene Ausnehmungen des feuerfesten Mauerwerkes 3 eingesetzt sind. Die Kühlelemente sind untereinander durch Kühlmittelleitungen 12 leitungsmäßig verbunden.

[0010] Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Kühlelemente an den Knotenpunkten eines Netzes angeordnet, wobei die einander kreuzenden, untereinander parallelen Netzlinien 13, 14 und 15 miteinander Winkel von 60° einschließen und-lauter gleichseitige Dreiecke mit der allgemein mit "a" bezeichneten Seitenlänge begrenzen. Zur besseren Übersichtlichkeit ist die Darstellung des Netzes in Fig. 2 nicht gekrümmt, sondern in eine Ebene ausgebreitet gezeigt, wobei Verzerrungen, die sich durch die kegelförmigen Mantelflächen des Schachtes bzw. der Rast ergeben, zwecks besserer Übersichtlichkeit vernachlässigt wurden. Dies kann ohne größeren Fehler gemacht werden, da die Kegelöffnungswinkel des Schachtes bzw. der Rast klein sind. Tatsächlich sind die von den Netzlinien 13, 14, 15 gebildeten Dreiecke nicht exakt gleichseitig.

[0011] Wie weiters aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Kühlelemente 10 nicht gleichmäßig über die gesamte Mantelfläche des Hochofens verteilt, sondern je nach Temperatur im Innenraum des Hochofens in voneinander unterschiedlichen Abständen angeordnet. Am Oberteil des Schachtes 4 sind die Abstände 16 (= Seitenlänge der gleichseitigen Dreiecke) und im Unterteil des Schachtes 4 die Abstände 17 zwischen den Kühlelementen vorgesehen, wogegen die Kühlelemente im Kohlensack im kleineren Abstand 18 voneinander.angeordnet sind, die Kühlelemente in der Rast den Abstand 19 aufweisen und schließlich die Kühlelemente im oberen Teil des Gestells den Abstand 20 voneinander einnehmen.

[0012] Die Seitenlängen 16 bis 20 der gleichseitigen Dreiecke des Netzes lassen sich nach der Gleichung

errechnen,

[0013] wobei d den Durchmesser des Kühlrohres, A die Wärmeleitzahl und K eine Größe ist, die von der abzuführenden Wärmemenge abhängt. Der Wert K wird für die verschiedenen Bereiche des Hochofens gemäß Tabelle 1 gewählt. In dieser Tabelle ist auch die für λ maßgebende Temperatur für jede Zone des Hochofens angegeben.

[0014] Aus Fig. 3 läßt sich der Temperaturverlauf über die Auskleidung 3 zwischen den Kühlelementen 10 entlang des kürzesten.Abstandes a (= Seitenlänge der gleichschenkeligen Dreiecke) dieser Kühlelemente entnehmen. Jede Isothermenfläche verläuft in der feuerfesten Auskleidung 3 bei der Stirnfläche 21 des Kühlelementes parallel zu dieser Stirnfläche, wendet sich dann in Richtung zum Stahlmantel 2 und nähert sich genau in der Mitte (bei 22).

[0015] zwischen zwei benachbarten Kühlelementen 10 dem Stahlmantel 2 maximal und entfernt sich sodann wieder. Der Abstand der 100°C-Isothermenfläche vom Stahlmantel 2 ist in der Mitte 22 zwischen den Kühlelementen 10 mit 23 bezeichnet.

[0016] Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß sich die Isothermenflächen infolge des größeren Abstandes der Kühlelemente entlang der Schnittfläche IV-IV - der Abstand beträgt 2·a·√1/3-an den Stellen 24 dem Stahlmantel mehr nähern als bei den Stellen 22 gemäß Fig. 3; so ist der mit 25 bezeichnete Abstand der 100°C-Isothermenfläche zum Stahlmantel geringer als der mit 23 bezeichnete Abstand bei 22 der Fig. 3.

[0017] In Fig. 5 ist die maximale Annäherung der Isothermenflächen an den Stahlmantel 2 mit strichpunktierten Linien 26 eingezeichnet. Die Stellen 24, bei denen sich die Isothermenflächen dem Stahlmantel am nächsten nähern, liegen im Schnittpunkt der Höhen der gleichseitigen Dreiecke, an deren Eckpunkten jeweils ein Kühlelement 10 mit seiner Mittelachse 27 angeordnet ist.

[0018] Infolge der geometrisch "dichtesten Packung" der Kühlelemente 10 an dem Hochofenmantel - mit Einhaltung eines gewissen Minimalachsabstandes.a bzw. 16, 17, 18, 19 und 20 - nach der Art einer dichtesten Kugelpackung in einer Ebene (bei der jede Kugel von sechs weiteren, die erste Kugel berührenden Kugeln umgeben ist) ergibt sich, daß der Abstand der Stellen 24 von den Kühlelementen ein Minimum dessen darstellt, was überhaupt realisierbar ist. Dieser Abstand beträgt a·√1/3. Daraus folgt, daß auch die Annäherung der Isothermenflächen an den Stahlmantel 2 an den Stellen 24 ein Minimum dessen beträgt, was allein durch die geometrische Anordnung der Kühlelemente am Hochofenmantel erreicht werden kann, und daß der Unterschied zwischen der Annäherung der Isothermenflächen an den Stellen 22 und den Stellen 24 ebenfalls ein Minimum darstellt. Die Kühlung der zwischen den Kühlelementen liegenden, in weitester Entfernung von den Kühlelementen stehenden Mantelteile erfolgt daher mit größtmöglicher Gleichmäßigkeit.

[0019] Bei jeder anderen geometrischen Anordnung der Kühlelemente, beispielsweise bei einer Anordnung nach der Art eines Schachbrettes, würden sich, gleiche Minimalabstände a zwischen den Kühlelementen und.gleiche.Kühlbedingungen vorausgesetzt, größere Annäherungen der Isothermenflächen an den Stahlmantel bzw. größere Unterschiede zwischen den maximalen Annäherungen der Isothermenflächen zum Stahlmantel an den zwischen den Kühlelementen liegenden, von den Kühlelementen jedoch am weitest entfernt liegenden Stellen ergeben.

Ansprüche

Schachtofen, insbesondere mit Gasdruck betriebener Hochofen zur Erzeugung von Roheisen, in dessen Mantel Kühlelemente mit kreisförmigem Querschnitt versetzt zueinander eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (10) an den Knotenpunkten eines aus im wesentlichen gleichseitigen Dreiecken gebildeten, den Mantel (1) einhüllenden Netzes (13, 14, 15) angeordnet sind.

Zeichnung