Verfahren zum Bau von Kühlern für metallurgische Öfen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bau von Kühlern für metallurgische Öfen, wobei diese Kühler die Fähigkeit einer intensiven Wärmeabfuhr von den Ofenwänden ausnutzen.

[0002] Es ist schon ein Verfahren zum Bau von Kühlern für metallurgische Öfen bekannt, bei dem im Kühlkastenkörper angebrachte Kühlwasserleitungen aus Stahl erst mit einer Schutzschicht aus keramischer Masse überzogen und dann mit zweckentsprechendem Grau- oder Stahlguß vergossen werden. Es ist auch ein Kühler bekannt, in welchem die Rohrschlange (Kühlwasserleitungen) mit keiner Schutzschicht überzogen ist..Die Anwendung der mit keramischer Masse überzogenen Rohre hat die Aufgabe, das Rohr vor Aufkohlung und Anschmelzung beim Vergießen der Form mit flüssigem Gußeisen zu schützen. Die Schicht aus keramischer Masse bewirkt, daß zwischen dem Körper und der Leitung eine Unstetigkeit entsteht, was in weiterer Folge die Wärmeströmung beträchtlich erschwert oder völlig unterbricht. Die Schicht schützt auch das Rohr aus kohlenstoffarmem Stahl vor Aufkohlung infolge Diffusion von Kohlenstoff aus dem Körper während des Betriebes. Die Aufkohlung verursacht eine Plastizitätsminderung der Kühlrohrleitungen. Die Plastizitätsminderung ist auf der Länge und dem Querschnitt der Kühlrohrleitung ungleichmäßig verteilt, was auf den Verlauf der Kohlenstoffdiffusion aus dem Körper zurückzuführen ist. Bei den Rohren, die auf ihrer Oberfläche nicht geschützt sind, kommt es während des Vergießens mit schmelzflüssigem Gußeisen oftmals zum Anschmelzen der Rohrwand, was zu einem örtlichen Festigkeits- oder sogar Stetigkeitsverlust, bzw. zu einer örtlichen Plastizitätsminderung des Rohres'führt. Die Rohrleitungen, die keine keramische Schutzschicht aufweisen, unterliegen darüber hinaus im Laufe des Einbettens in flüssiger Eisenlegierung vor allem in'Gußeisen, einer Aufkohlung, wobei dieser Effekt auch während des Betriebes des Kühlers vorkommt und zu einer Plastizitätsminderung der Kühlrohrleitungen führt.

[0003] Eine aufgekohlte Kühlrohrleitung bricht im'Betrieb infolge von Phasen- und Wärmespannungen, wodurch eine unberechenbare Gefährdung für die Arbeit eines Hochofens entsteht. Rohrbrüche sowie Stetigkeitsverluste werden durch örtlich begrenzte Aufkohlung und Anschmelzung und damit verbundenes örtliches Anwachsen des Spannungszustandes bewirkt.

[0004] Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die in gegenwärtig üblichen konstruktiven Lösungen und Bauverfahren von Kühlern für metallurgische Öfen bestehenden Nachteile zu vermeiden. Dieses Ziel wird durch Ausscheiden der nachteilig wirkenden Aufkohlung von kohlenstoffarmen Stahlrohrleitungen sowie der Anschmelz-Erscheinung bei Kühlrohrleitungen erreicht. Eine weitere wichtige Zielsetzung der Erfindung beruht auf einer wesentlichen Vergrößerung der Wärmeabfuhrfähigkeit der Kühlplatte.

[0005] Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß eine dünne Schicht aus Al-Fe-Legierung erzeugt wird, deren Gefüge auf eine feste Lösung von Al in α Fe sowie auf intermetallische Phasen innerhalb des Gleichgewichtsystems Al-Fe gestützt ist..Es ist nützlich, intermetallische Fe-Al-Verbindungen in eine feste Al-Lösung in α Fe vollkommen zu überführen oder wenigstens intermetallische Verbindungen von kleinem Al-Gehalt, wie z.B. FeAl oder FeAl₂, zu bilden. Eine Umwandlung von Al-reichen Fe-Al-Verbindungen, in erster Linie von FeAl₃-Phasen sowie von Fe₂Al₅ in eine feste Lösung mit einem niedrigen Al-Gehalt, wie EeAl₂ sowie FeAl oder Fe₃Al, kann durch einen entsprechend vorbereiteten Prozeß durchgeführt werden. Zu diesem Zweck können die im Formhohlraum angeordneten diffusionsaluminierten Kühlrohrleitungen in Gußeisen eingebettet werden, und der so gebildete Abguß wird dann in kontrollierter Weise abgekühlt. Oder es kann eine fertige Kühlplatte nachträglich wärmebehandelt werden, beziehungsweise können tauchaluminierte Kühlrohrleitungen einer Wärmevorbehandlung unterzogen werden.

[0006] Das Verfahren zum Bau von Kühlern der neuen Art beginnt mit dem Auftragen einer Aluminiumschicht auf die Außenfläche der Stahlrohrschlange im Diffusionsprozeß durch Tauchmetallisierung oder im Adhäsionsprozeß durch Spritzmetallisierung. Im Fall einer Al-Adhäsionsschicht ist die Rohrschlange in einer Temperatur von 850 bis 900°C zu glühen, wodurch Al in Fe-Grundmetall diffundiert. Anschliessend werden die Kühlrohrleitungen samt aufgetragener Aluminiumschicht mechanisch (z.B. durch Strahlen) bearbeitet, um Oxidfilm und sonstige Verunreinigungen zu beseitigen, und dann sorgfältig entfettet. So vorbereitete Kühlrohrleitung in Gestalt einer Schlange wird in den Hohlraum einer Sand- oder Maskenform, bzw. einer anderen Formart, die eine kontrollierte Abkühlung des Abgusses ermöglicht, angebracht. Wie bei üblichen Gießmethoden wird die Gießform zusammen mit der Rohrschlange getrocknet und nachgewärmt. Nach erfolgter Zusammensetzung der Gießform wird sie mit schmelzflüssigem Gußeisen von einer Temperatur im Bereich von 1350 bis 1500⁰C vergossen.

[0007] Nach dem Erstarren und Herausschlagen des Abgußes aus der Gießform wird er einer nachträglichen Wärmebehandlung durch Glühen in einer Temperatur von 800 bis 950°C unterzogen nur in dem Fall, wenn eine entsprechend dicke Schicht der festen Al-Lösung in Fe, bzw. der Fe-Al-Phasen von niedrigem Al-Gehalt nicht gebildet wurde. In Abhängigkeit von der Größe des Kühlers sowie von dem Gefüge und der Dicke der auf der Kühlrohrleitung früher gebildeten Al-Schicht wird die Glühzeit für eine Dauer von 1 bis 5 Stunden gewählt.

[0008] Der Vorteil des neuen Verfahrens zum Bau von Kühlern besteht darin, daß die Wärmeabfuhrintensität von den Wänden metallurgischer öfen wesentlich vergrößert und damit auch die Betriebsparamter verbessert werden. Diese Lösung steigert auch die Zuverlässigkeit der Kühlung und schaltet die Möglichkeit eines Bruches der Kühlplatte samt Kühlrohrleitungen aus,_wodurch kein Wasser an die Ofenwand gelangt.

Beispiel:

[0009] Die in Gestalt einer flachen Schlange gebildete Kühlrohrleitung aus Stahl wird nach bekannten für die Oberflächenbehandlung von Fe-C-Legierungen angewendeten Methoden zum Aluminieren im Tauchverfahren vorbereitet. Das Aluminieren wird in einem Bad aus Al oder Al-Legierungen, deren Anteil normalerweise 10 % nicht überschreitet, geführt. Die Zeit des Aluminierens "t" beträgt 240 bis 600 s bei einer Temperatur des Bades "T" von 670 bis 760°C. Nach dem Aluminieren wird der Kühlprozeß durchgeführt. Nach erfolgter Abkühlung werden aus der Oberfläche der Al-Schicht Oxide durch eine kombinierte mechanisch-chemische Behandlung entfernt. So vorbehandelte Rohrschlange wird in den Hohlraum einer Gießform eingeführt. Anschließend wird die Gießform aufgewärmt und nach vorhergehendem Aufeinandersetzen und Verklammern beider Formkästen, mit niedriglegiertem, wärmebeständigem Gußeisen bei 1450°C vergossen. Das Gußeisen kann bis 5 % Al, bis 3 % Si und bis 2 % Cr enthalten. Nach dem Erstarren des Gußeisens und Abkühlen der Gießform wird der Kühler zusammen mit der eingebetteten Rohrschlange, die mit dem Werkstoff des Körpers über eine Diffusionsschicht der festen Al-Fe-Lösung und der intermetallischen Al-Fe-Phasen verbunden ist, herausgenommen. Danach wird die Kühlplatte in einer Temperatur von 850°C zwei Stunden lang geglüht. Nach der Wärmebehandlung des Kühlers und Reinigung seiner Oberfläche ist er betriebsbereit. Der so hergestellte Kühler weist folgende Kenngrößen auf:

[0010] Eine hohe Wärmeabfuhrfähigkeit bis 100.000 kCal/m²h und eine Wärmebeständigkeit von 1200 bis 1300°C. Entsprechende Kenngrößen bisher bekannter Kühler betragen nur 25.000 bis 30.000 kCal/m²h und 900°C.

Ansprüche

1. Verfahren zum Bau von Kühlern für metallurgische öfen, bei dem die Kühlrohrleitungen auf ihrer Oberfläche mit einer Schutzschicht überzogen und in schmelzflüssigem Grau- oder Stahlguß eingebettet werden, um einen Kühlerkörper zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre beim Vergießen mit flüssigem Metall, bzw. während einer kontrollierten Kühlung des Abgusses und einer nachfolgenden Wärmebehandlung des erstarrten Abgusses, über eine Diffusionsschicht aus Fe-Al-Legierung miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht aus Fe-Al-Legierung, die die Rohrleitung und den Körper miteinander verbindet, eine Al-Lösung in Fe bildet, bzw. neben der Al-Lösung in Fe, intermetallische Phasen vom Typ FeAl₃, FeAl₂, FeAl oder Fe₃Al vorkommen.