Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer für Hochöfen, Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen, sowie Anwendung des Verfahrens

Abstract

 Es wird ein Wärmetauscher und insbesondere Winderhitzer für Hochöfen mit Feuerfestauskleidung, Isolierschicht und Stahlmantel beschrieben, dessen Isolierschicht so ausgelegt ist, dass eine Stahlmanteltemperatur von 20 bis 60°C einstellbar ist und der Stahlmantel aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt im Bereich von 0,01 bis 2 Gew.% gebildet ist. Der Winderhitzer weist eine hohe Lebensdauer und eine geringe Neigung zur Nitrat-Spannungsrisskorrosion des Mantelbleches auf, weshalb er sich zum Einsatz in Verfahren zur Temperaturregelung von Gas und Wind für den Hochofen besonders eignet. Das Verfahren ist auf Winderhitzer mit aussen- oder innenliegendem Brennschacht bzw. Gitterschacht und nachgeschaltete Sammelleitungen anwendbar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer für Hochöfen, Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen, sowie die Anwendung des Verfahrens.

[0002] Wärmeaustauscher und insbesondere Winderhitzer für Hochöfen mit einer feuerfesten Auskleidung, einer innenliegenden Isolierschicht und einem daraufliegenden Stahlmantel bzw. -panzer sind bekannt. In Wärmetauschern der genannten.Art soll Luft bzw. Gas mit Spitzenerwärmungstemperaturen über 1000°C transportiert werden. Nachfolgend soll der Gegenstand der Erfindung am Beispiel eines Winderhitzers für den Hochofenbetrieb exemplarisch dargestellt werden.

[0003] Im Innenraum von Winderhitzern wird auf maximal 4 bar komprimierte Luft beim Durchgang durch einen feuerfesten Besatz, der auf Temperaturen von bis zu 1500°C aufgeheizt wurde, erwärmt. Die Luft erreicht bei diesem Vorgang annähernd die Temperatur der Feuerfestauskleidung. Der Stickstoffanteil der Luft setzt sich bei Temperaturen oberhalb von 1300°C merklich mit dem Sauerstoffanteil zu Stickoxiden um. Da es sich bei Feuerfestauskleidung und Isolierschicht um gasdurchlässige Systeme handelt, gelangt die im Innenraum des Winderhitzers vorliegende Gasmischung von Wasserdampf, Stickoxiden und nicht umgesetzter Luft bis hin zum Stahlmantel, an dem Temperaturen in der Nähe des Taupunktes des Gasgemisches vorliegen können. Wird der Taupunkt der Gasmischung am Stahlmantel unterschritten, was im praktischen Einsatz an allen Abschnitten des Winderhitzers auftreten kann, so bildet sich ein Kondensat, das hohe Anteile an Nitrat-und/oder Nitritionen aufweist.

[0004] Aus der bisherigen Korrosionsforschung ist bekannt, dass zugspannungsbelastete Baustahlkonstruktionen bei Anwesenheit von nitrathaltigen Elektrolyten, insbesondere bei saurem pH-Wert, zur Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion neigen. Gerade grosstechnische geschweisste Anlagen, wie Winderhitzer, sind bei innenseitig vorhandenen Nitratkondensaten aufgrund der hohen Schweisseigenspannung und der zyklischen Betriebsart des Winderhitzers in Gas- und Heizphase durch die Spannungsrisskorrosion besonders gefährdet.

[0005] Die durch die Spannungsrisskorrosion verursachten Schäden sind nicht auf bestimmte Winderhitzerbauarten beschränkt und der Schadensablauf ist in vielen Fällen da_T durch charakterisiert, dass die Risserscheinungen nach den ersten Ortungen sehr schnell fortschreiten und Anzahl der Risse und Risstiefe nach kurzer Zeit zum Sanieren der Anlage zwingen. Auf eine lange Inkubationsperiode folgt in der Regel eine kurze Rissperiode.

[0006] Es wurden bereits eine Reihe von Massnahmen zur Vermeidung der Schäden ergriffen und am erfolgversprechendsten erschienen bisher eine Aussenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung am Mantelblech oder das Einbringen von abdichtenden Folien oder Anstrichen an der Mantelinnenseite zu sein. Die Aussenisolierung als bisher wirksamstes Mittel gegen Spannungsrisskorrosion hatte jedoch zur Folge, dass die Kondensation der nitrathaltigen Gasphase erst in Bereichen der nachgeschalteten Systeme erfolgte. Die Spannungsrisskorrosion kann mit dieser Methode also nicht vermieden, sondern nur örtlich verlagert werden.

[0007] Bei allen bisher getroffenen Massnahmen zur Vermeidung der Spannungsrisskorrosion ging man von der einseitigen Beeinflussung des Mechanismus der Spannungsrisskorrosion aus. Zum einen wurde versucht, den Elektrolyten aus dem Korrosionssystem zu entfernen (Abdichten durch Folien oder Anstriche und Aussenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung), zum anderen wurde versucht, Baustähle zu entwickeln, die aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung eine genügende Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion aufweisen. Der zuletzt beschriebene Weg wurde in der DE-OS 29 07 152 eingeschlagen. Durch die Erhöhung von Chrom- und Molybdängehalten und gleichzeitige Absenkung des Kohlenstoffgehaltes unter Werte von 0,05 % wurde hierbei versucht, die Beständigkeit von Baustählen gegenüber Spannungsrisskorrosion zu erhöhen. Die labortechnische Überprüfung dieser Speziallegierungen auf ihre Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit wurde nach dem damaligen Stand der Technik in einer 60 %-igen Kalzium-Nitrat-Lösung mit Zusatz von Ammoniumnitrat in einem statischen Korrosionsversuch durchgeführt. Heutige Erkenntnisse in der Korrosionsprüfung zeigen jedoch, dass weder das Korrosionsmedium noch die-eingesetzte mechanische Prüfmethode dem praktischen Belastungsfall im betrieblichen Einsatz entsprechen, so dass bei der Prüfung der im Patent aufgeführten Legierungen keine für die Praxis brauchbaren Ergebnisse erzielt wurden. In der DE-OS 29 07 152 sind Standzeiten bis zum Eintreten der Spannungsrisskorrosion von zweieinhalb Jahren für die Konstruktion aus diesen Speziallegierungen angegeben, was für die Betreiber von Winderhitzeranlagen nicht akzeptable Zeiten sind. In diesem Bereich sind vielmehr mittlere Lebensdauern der Aggregate von mindestens 10 bis 15 Jahren erwünscht.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscher und insbesondere Winderhitzer der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass sie unter Vermeidung bzw. Abmilderung interkristalliner Spannungskorrosion am Mantelblech und unter Erhöhung der bisherigen Lebensdauer betrieben werden können. Nach einem weiteren Aspekt dieser Aufgabe soll ein Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen geschaffen werden, wobei dieses Verfahren auf den erfindungsgemäss bereitzustellenden Wärmetauscher beliebiger Konstruktion anwendbar ist.

[0009] Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass durch einen komplexen Eingriff in die massgeblichen Einflussgrössen der Spannungsrisskorrosion die entsprechende Anfälligkeit des Wärmetauschers vermindert werden kann. Dies wird erfindungsgemäss durch die Schaffung eines Wärmetauschers und insbesondere Winderhitzers für Hochöfen der eingangs genannten Art erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Isolierschicht so ausgelegt ist, dass unter den Bedingungen des Betriebes des Wärmetauschers eine Stahlmanteltemperatur von 20 bis 60°C einstellbar ist, und dass der Stahlmantel aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt im Bereich von 0,01 bis 2 Gew.% gebildet ist.

[0010] Das erfindungsgemässe Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen zeichnet sich dadurch vorteilhaft aus, dass man das Gas bzw. den Wind in an sich bekannter Weise durch einen Winderhitzer führt, der eine feuerfeste Auskleidung, eine zwischenliegende Isolierschicht und ein Mantelblech aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt von 0,01 bis 2 Gew.% aufweist, wobei die Dimensionierung der Isolierschicht und die Betriebsbedingungen, z.B. auch des Durchflusses des gasförmigen Mediums so aufeinander abgestimmt sind, dass die Temperatur des Mantelbleches unter 60°C liegt.

[0011] Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere der Einsatz von chromfreiem Baustahl mit dem angeführten Molybdängehalt vorteilhaft, der unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit gegenüber interkristalliner Nitrat-Spannungsrisskorrosion aufweist. Hierbei kann es, je nach Art des herangezogenen Stahls, vorteilhaft sein, wenn dieser keinen Anteil an Vanadin enthält.

[0012] Da hohe Mantelblechtemperaturen zu einem beschleunigten Ablauf der Spannungsrisskorrosion führen, wenh es in bestimmten Bereichen des Winderhitzers zur Unterschreitung der Taupunkttemperatur gekommen ist, wird gemäss der Erfindung ein sinnvoller Einfluss auf die Temperatur eventuell vorhandenen Korrosionsmediums ausgeübt. Versuche haben gezeigt, dass eine Absenkung der Temperatur des Korrosionsmediums im dynamischen Korrosionsversuch auf 40°C die Beständigkeit der Mantelblechwerkstoffe erheblich erhöht. Deshalb soll die Mantelblechtemperatur durch eine zusätzliche Innenisolierung von den bisher üblichen 80 bis über 160°C auf mindestens 60°C, vorzugsweise 50 bis 30°_C, und insbesondere günstig um etwa 40°C, gesenkt werden.

[0013] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass je nach Anwendungszweck zwei unterschiedliche Stahlgruppen für die Mantelbleche des Winderhitzers verwendet werden, die sich im wesentlichen durch den _Legierungsgehalt an Kohlenstoff, Molybdän und durch die mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Die eine Stahlgruppe enthält z.B. folgende Bestandteile: 0,005 bis 0,2 % Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5 % Silizium, 0,1 bis 2,0 % Mangan, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, 0,1 bis 2,0 % Molybdän und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. Diese Stähle besitzen eine Bruchverlängerung von etwa 30 % und sollten speziell für den Aufbau und die Konstruktion neuer Anlagen oder selbsttragender Doppelmäntel herangezogen werden. Als Beispiele für Stähle dieser Gruppen seien die Stähle 15Mo3 und 16Mo5 genannt.

[0014] Die andere geeignete Stahlgruppe enthält z.B. folgende Bestandteile und zeichnet sich durch eine Bruchverlängerung von 3.40 % aus: 0,005 bis 0,1 % Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,4 % Mangan, 0,01 bis 0,15 % Molybdän, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, höchstens 0,007 % Stickstoff, höchstens 0,2 % Titan und der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen. Diese Legierung ist vorzugsweise für Reparaturen geeignet, bei denen der alte Stahlmantel die Tragkonstruktion übernimmt und höhere Festigkeiten des _Repa- raturwerkstoffes nicht erforderlich sind (% bedeuten jeweils Gew.%).

[0015] Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer, sind im Betrieb einer zyklischen Belastung ausgesetzt. Die vom System einerseits und von der Verarbeitung des Werkstoffes andererseits im Bauwerk herrschenden Spannungen sind dadurch gekennzeichnet, dass das System bei Druckbelastung bzw. Druckentlastung eine Spannungs- bzw. Dehnungsänderung erfährt, wobei die Grösse der Dehnungsgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung für den Mechanismus des Korrosionsprozesses ist. So werden in Hochtemperatur- _Winderhitzern, die mit maximal 4 bar Druck gefahren werden, Dehngeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 10-⁶ bis 10^-8 s gemessen. Diese Dehngeschwindigkeiten sind vom System vorgegeben, eine Änderung von aussen ist nicht möglich, sieht man davon ab, dass die Druckschwankungen und damit die Dehnungsamplituden verringert werden können. Diese zyklische Belastung überlagert im Bauteil eine.statische Grundeigenspannung, die als wesentliche Ursache die im Schweissnahtbereich auftretenden Eigenspannungen hat. Erfindungsgemäss wird daher angestrebt, die Schweisseigenspannungen im Werkstoff so niedrig wie möglich zu halten, indem bei artgleicher Schweissung eine Mehrlagen-Vergütungsschweissung dergestalt durchgeführt wird, dass das nach dem Schweissen entstehende Gefüge keine grossen Härteunterschiede zwischen Grundwerkstoff und Schweissnahtbereich aufweist und damit eigenspannungsarm ist.

[0016] Die notwendige und sinnvolle Kombination von Belastung, Werkstoff und Elektrolyt wird erfindungsgemäss weiterhin dadurch gelöst, dass das Feuerfestmaterial der Isolierschicht so angeordnet und bemessen wird, dass die Temperaturen des Mantelbleches höchstens 60°C, bevorzugt maximal 40°C, bei beliebiger Kuppeltemperatur und beliebiger Bauform des Ofens, des Kessels oder des Hochtemperatur-Windererhitzers beträgt. Zur.Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur des Mantelbleches bei z.B. höherer Umgebungstemperatur kann eine Wasserberieselungsanlage am Wärmetauscher.vorgesehen sein. Zur Verminderung der Wärmeeinwirkung durch Sonneneinstrahlung kann das Mantelblech erfindungsgemäss mit einer reflektierenden Schicht versehen sein.

[0017] Weiterhin wird erfindungsgemäss vorzugsweise angestrebt, die Isolierschicht zwischen Feuerfestmaterial und Mantelblech aus feuerfesten Steinen, insbesondere solchen mit hoher Beständigkeit gegen mässig saure Nitratelektrolyte auszubilden,

[0018] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus der Zeichnung und der zugehörigen Beschreibung entnommen werden. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer Schweissnaht und eine Tabelle mit Schweissdaten,

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Härteprofils im Schweissnahtbereich,

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Spannungsverlaufes im Mantelblech bei Druckänderungen im Winderhitzer,

_Fig. 4 _: eine grafische Darstellung des Einflusses des Molybdängehaltes der Mantelbleche auf die Standzeit,

Fig. 5 eine grafische Darstellung des Einflusses der Temperatur des Korrosionsmediums auf die Standzeit und

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemässen Winderhitzers.

[0019] Fig. 1 enthält Beispiele für gute und schlechte Schweissungen, die gegenüber interkristalliner Spannungsrisskorrosion zu schnellen Schäden führen können bzw. andererseits eine hohe Standzeit aufweisen. Im Falle des StE 36 mit einem Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und Schweissnaht von 120 MV trat deutlich interkristalline Spannungsrisskorrosion im Schweissnahtbereich auf.

[0020] Bei geschweissten Proben aus 15Mo3 und einer Vergleichsprobe aus Stahl ASt 41 werden maximal Härteunterschiede von 50 bis 60 MV gemessen, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Es wird erfindungsgemäss angestrebt, die Schweissung so auszuführen, dass ein Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und Schweissnahtbereich von 50 bis 60 MV nicht überschritten wird.

[0021] Der Belastungsablauf nach Fig. 3 ist derart, dass einer statischen Eigenspannungsgrundlast, die variabel ist, eine dynamische Oberlast überlagert wird. Diese Belastung ist vom System vorgegeben und kann nicht verändert werden. Für die erfindungsgemässe Systemauswahl ist es wesentlich, dass die Dehnrate des Systems beim Umschalten von Druck auf Entlastung bzw. umgekehrt, in der Grössen- .ordnung zwischen 10^-6 und 10 s liegt. Bei einem zyklischen Belastungsvorgang mit kritischen Dehngeschwindigkeiten wurde ein deutlicher Einfluss des Molybdängehaltes auf die Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrisskorrosion des Mantelbleches unter Bedingungen der dynamischen Belastung gefunden.

[0022] Den günstigen Einfluss von Molybdän auf die Standzeit der erfindungsgemässen Stähle bei konstanten Dehnraten von 3,3·10^-7 s^-1 für die Stähle H II, X67, 15Mo3 und 16Mo5 lässt Fig. 4 erkennen. Dabei wird die erfindungsgemässe Erhöhung der Standzeit mit steigendem Molybdängehalt deutlich sichtbar.

[0023] Die Entstehung stabiler passiver Schichten bei Stählen steht in enger Beziehung zu der Stahlzusammensetzung, insbesondere dem Gehalt an Molybdän. Aus diesem Grund ist Molybdän der wesentliche Bestandteil des erfindungsgemässen Stahlbleches. Im Gegensatz zu dem Stahlblech nach der DE-OS 29 07 152, bei dem Chrom als wesentlicher Bestandteil angesehen wird, muss unter den vorgegebenen Bedingungen des Verfahrens durch dynamische und niederfrequente Belastung und konstante Dehngeschwindigkeit festgestellt werden, dass die Anwesenheit von Chrom negative Folgen für die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrisskorrosion hat. Derartige Stahlbleche weisen in Schweissnahtbereichen eine Chromverarmung auf, die durch Zusatz von Kohlenstoff und Stickstoff abbindenden Elementen, wie Niob, verhindert werden kann. Diese Massnahme der Chromabbindung und damit der Vermeidung einer Chromverarmung entfällt bei rein molybdärhaltigen Stählen.

[0024] .Der Einfluss der Temperatur wird aus Fig. 5 deutlich. Hier zeigt sich, dass bei Absenkung der Mantelblechtemperaturen auf Werte unter ca. 60°C bei ebenfalls dynamischer Beanspruchung Standzeiten erreicht werden, wie sie in neutralem Medium mit Glyzerin ebenfalls auftreten. Es liegt also in diesem Fall ein fast rein mechanisches Verhalten vor.

[0025] In Fig. 6 ist der schematische Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Winderhitzers gezeigt. Hierin bedeuten 1 den Stahlmantel, 2 die innenliegende Isolierschicht und 3 die feuerfeste Auskleidung (Innenseite).

Ansprüche

1. Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer für Hochöfen mit feuerfester Auskleidung, Isolierschicht und Stahlmantel, dadurch gekennzeichnet , dass die Isolierschicht so ausgelegt ist, dass unter den Bedingungen des Betriebes des Wärmetauschers eine Stahlmanteltemperatur von 20 bis 60°C einstellbar ist, und dass der Stahlmantel aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt im Bereich von 0,01 bis 2 Gew.% gebildet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der chromfreie Baustahl unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit gegenüber interkristalliner Nitrat-Spannungsrisskorrosion aufweist.

3. Wärmetauscher nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht so ausgelegt ist, dass eine Manteltemperatur im Bereich von 30 bis 50°C einstellbar ist.

4. Wärmetauscher nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der chromfreie Baustahl keinen Anteil an Vanadin aufweist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Mantelblech aus Stahl mit 0,005 bis 0,2 % Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5 % Silizium, 0,1 bis 2,0 % Mangan, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, 0,1 bis 2,0 % Molybdän und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen besteht.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Mantelblech aus Stahl mit 0,005 bis 0,1 % Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,4 % Mangan, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, 0,01 bis 0,15 % Molybdän, höchstens 0,007 % Stickstoff, höchstens 0,2 % Titan und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen besteht.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelblech bei artgleicher Schweissung im Schweissnahtbereich ohne spannungsfreies Glühen nach dem Schweissen bearbeitet ist.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Isolierschicht aus feuerfesten Steinen gebildet ist.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus feuerfesten Steinen mit hoher Beständigkeit gegen mässig saure Nitrat- bzw. Nitritelektrolyte gebildet ist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass das feuerfeste Material der Isolierschicht so angeordnet und bemessen ist, dass die Temperaturen des Mantelbleches höchstens 40°C betragen.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur des Mantelbleches eine Wasserberieselungsanlage am Wärmetauscher vorgesehen ist.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass zur Verminderung von Sonneneinstrahlung das Mantelblech mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.

13. Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen, dadurch gekennzeichnet , dass man das Gas bzw. den Wind in an sich bekannter Weise durch einen Winderhitzer führt, der eine feuerfeste Auskleidung, eine zwischenliegende Isolierschicht und ein Mantelblech aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt von 0,01 bis 2 Gew,% aufweist, wobei die Dimensionierung der Isolierschicht und die Bedingungen des Durchflusses des gasförmigen Mediums so aufeinander abgestimmt sind, dass die Temperatur des Mantelbleches unter 60°C liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die Temperatur des Mantelbleches unter 40°C gehalten wird.

15. Verfahren nach Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , dass die Temperatur des Mantelbleches durch eine zugeschaltete Wasserberieselung im gewünschten Bereich zusätzlich gesteuert wird.

16. Anwendung der Verfahren der Ansprüche 13 bis 15 auf Winderhitzer mit aussen- oder innenliegendem Brennschacht bzw. Gitterschacht und nachgeschaltete Sammelleitungen.

Zeichnung