[0001] Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für mit einer feuerfesten Auskleidung versehene
Schachtöfen, insbesondere Hochöfen, bestehend aus Kupfer oder einer niedriglegierten
Kupferlegierung mit im Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen.
[0002] 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.
[0003] Aus der DE 39 25 280 ist eine Kühlplatte aus Grauguß bekannt, bei der die Kühlkanäle
durch Kühlrohre gebildet wurden, die in den Gußkörper eingegossen waren. 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.
[0004] 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 wurden die Grauguß-Staves zwar sehr
viel komplizierter und teurer, ihre Haltbarkeit hat sich jedoch nicht in gleichem
Maße erhöht.
[0005] 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 eingebracht werden. Hierdurch
wird ein ungestörter, durch keine Rohrbeschichtung behinderter Wärmefluß erreicht.
Derartige Kupfer-Staves sind an ihrer Heißseite deutlich kälter als Staves aus Grauguß,
so daß sich dort - anders als bei Grauguß-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 daher erheblich.
[0006] Der ausschlaggebende Vorteil der Kupfer-Staves gegenüber Staves aus Gußeisen ist
jedoch, daß sie aufgrund der Materialeigenschaften keine Rißbildung zeigen und daß
ihr Oberflächenverschleiß extrem gering ist. Bei einem über 10 Jahre gehenden Langzeitversuch
wurde ein Materialverlust von nur 3 - 4 mm beobachtet. Hieraus ergibt sich bei 50
mm Rippenhöhe eine rechnerische Lebensdauer von rd. 150 Jahren, die weit über der
des zugehörigen Hochofens liegt.
[0007] 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 verläuft. Die so entstehenden Kühlkanäle sind größer
als erforderlich; das gleiche gilt für die Kühlwassermenge, da eine Mindestgeschwindigkeit
von rd. 1,5 m/sec erforderlich ist, um bei hoher thermischer Belastung sich an der
Rohrwand evtl. bildende Dampfblasen abzulösen. Somit sind die Kühlwasser-Aufheizraten
unwirtschaftlich gering.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, im Gegensatz zu den bekannten Kupfer-Staves sowohl
den Material- wie auch den Bearbeitungsaufwand erheblich zu senken und dennoch ein
stabiles, den rauhen Beanspruchungen im Hochofenbetrieb gewachsenes Kühlelement zu
schaffen, das sich mit geringem Montageaufwand montieren läßt und das eine Lebensdauer
in mindestens gleicher Größenordnung wie eine Hochofenanlage aufweist.
[0009] Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch geeignete, von der Kreisform
abweichende Gestaltung des Strömungsquerschnitts für das Kühlwasser zu höheren Aufheizraten
für das Kühlwasser zu gelangen, 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.
[0010] Schließlich wird die Heißseite so gestaltet, daß sich mit geringem Aufwand eine Oberfläche
ergibt, an der Krusten aus Möllermaterial gut haften können.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] Die gestellte Aufgabe nach Anspruch 1 wird im einzelnen wie folgt gelöst:
[0014] Während ein konventionelles Cu-Kühlelement meist vier parallele Kühlkanäle aufweist,
die in einem Kupferblock parallel zur Heißseite verlaufen, besteht ein Kühlelement
gemäß der Erfindung aus einer passend gewählten Länge eines stranggepreßten oder gewalzten
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 stranggepreßte oder gewalzte 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 gleichfalls
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. Umfangsunterschiede 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.
[0015] Die Cu-Kühlelemente können montagenah auf der Baustelle auf die richtige Länge 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. entfernt,
der verbleibende kreis- oder nicht-kreisförmige Kanalquerschnitt entsprechend umgebogen
und durch die entsprechende Durchtrittsöffnung im Hochofenanzer geführt. Über Zwischenrohrstücke
für den Kühlwasserdurchfluß 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.
[0016] In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden ebenfalls gewalzte oder
stranggepreßte Kupferprofile verwendet, wobei diese rechteckig gestaltet sind und
an den Seiten eine Nut und Feder für eine ineinander greifende Verbindung der Kühlelemente
aufweisen.
[0017] 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.
[0018] An den Kopfenden der Kühlelemente werden ähnliche stranggepreßte Profile in U-Form,
jedoch mit einem größeren Kühlkanalquerschnitt, vorgesetzt. Der Einund Austritt des
Kühlwassers erfolgt dann über ein Rohrstück jeweils am Ober- und Unterteil des zusammengesetzten
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.
[0019] Die Erfindung wird anhand von schematischen Ausführungszeichnungen näher erläutert.
[0020] 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 angeordneten 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.
[0021] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Kühlelement (1) aus einem stranggepreßten
oder gewalzten Profilabschnitt, das im Inneren ein oder mehrere runde oder von der
Kreisform abweichende länglich geformte Kühlkanäle (2) enthält.
[0022] Das Kühlelement (1) ist mit seitlichen Stegen (3) versehen, auf der auf der von der
Hochofenwand (9) abgewandten Seite und in vertikaler Richtung durchlaufenden Schlackenrippen
(4) angeordnet. Auf der der Hochofenwand (9) zugewandten Seite ist eine Befestigungsrippe
(5) angeordnet.
[0023] Das Kühlelement (1) wird mittels Bolzen (7) in Bohrungen (6) des Befestigungselements
(8), der Hochofenwand (9) und der Befestigungsrippe (5) befestigt, der Zwischenraum
zwischen Kühlelement (1) und Hochofenwand (9) ist mit einer feuerfesten Hinterfüllung
(10) ausgefüllt.
[0024] 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 Öffnungen (19)
der Hochofenwand (9) geführt. Die oberen und unteren Stege (3) und die Schlackenrippen
(4) verlaufen weiterhin vertikal und bilden durch Aussparungen (18) 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 Befestigungselement (8) geführt ist.
[0025] 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 Befestigungselement
(8) der Hochofenwand (9) zugewandten Seite ist eine längliche Befestigungsrippe (5)
vorgesehen.
[0026] Durch eine Bohrung (6) in (5) und (8) wird ein Bolzen (7) geschoben, um das Kühlelement
an der Hochofenwand zu befestigen.
[0027] Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere, alternative 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.
[0028] Das Kühlelement (1) wird mittels Befestigungselementen (14) an den Hochofenpanzer
(9) befestigt. Zwischen Kühlelement (1) und Hochofenpanzer (9) wird eine ff-Hinterfüllung
(10) eingebracht.
[0029] 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.
[0030] Durch versetzt angeordnete Aussparungen (18) in den Deckel (15, 17) wird eine überlappende
Verlegung der Kühlelemente (1) am Hochofenpanzer (9) erreicht.
[0031] Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein montagegerechtes Kühlelement (1), das aus
einem rechteckigen Kühlelement (11) mit Nut, einem rechteckigen Kühlelement (13) mit
Feder sowie einem oberen und unteren Deckel (15, 17), jeweils mit einem Rohrstück
(16), und einer Aussparung (18) besteht.
[0032] 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).
[0033] 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).
Bezugsziffernliste:
[0034]
- 1
- Kühlelement
- 2
- ovaler Kühlkanal
- 3
- seitliche Stege
- 4
- Schlackenrippen
- 5
- Befestigungsrippen
- 6
- Bohrung in 5 und 8
- 7
- Bolzen
- 8
- Befestigungselement
- 9
- Hochofenpanzer
- 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
- Nut/Aussparung
- 19
- Öffnungen in 9
1. Kühlelement für mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen Schachtöfen, insbesondere
Hochöfen, bestehend aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung mit im
Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das Kühlelement (1) aus einem stranggepreßten oder aus einem gewalzten Profilabschnitt
besteht,
- daß das Kühlelement (1) im Inneren ein oder mehrere runde oder von der Kreisform
abweichende Kühlkanäle (2) enthält,
- daß das Kühlelement (1) mit seitlichen Stegen (3) versehen ist,
- daß das Kühlelement (1) auf der von der Hochofenwand (9) abgewandten Seite in vertikaler
Richtung mit mindestens einer durchlaufenden Schlackenrippe (4) und
- daß das Kühlelement (1) auf der der Hochofenwand (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 Kühlkanal (2) in
Richtung Hochofenwand (9) um 90° gebogen und
- daß die oberen und unteren Enden des Kühlelementes (1) von den seitlichen Stegen
(3) getrennt werden.
3. Kühlelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (1) auf der von der Hochofenwand (9) abgewandten Seite in vertikaler
Richtung mit zwei oder einer Vielzahl parallel verlaufender 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 - 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Befestigungsrippen (5) der Kühlelemente (1) an Befestigungselementen (8) der
Hochofenwand (9) mittels Bolzen (7) angebracht und die Stege (3) in der Aussparung
(18) der Kühlelemente (1) überlappend angeordnet werden.
7. Kühlelement nach den Ansprüchen 1 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Befestigungsrippen (5) der Kühlelemente (1) an Befestigungselementen (8) der
Hochofenwand (9) mittels Bolzen (7) angebracht und die Stege (3) der Kühlelemente
(1) bündig angeordnet werden.
8. Kühlelement für mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen Schachtöfen, insbesondere
Hochöfen, bestehend aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung mit im
Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das Kühlelement (1) aus einem stranggepreßten rechteckigen Profilabschnitt mit
Nut (11) und einem stranggepreßten rechteckigen Profilabschnitt mit Feder (13) besteht,
- daß in den Profilabschnitten (11, 13) Kühlkanäle (12) angeordnet sind,
- daß die Profilabschnitte (11, 13) mit einem oberen Deckel (15) und mit 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 Kühlelementes (1) verbunden
sind.
9. Kühlelement nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (1) mittels Befestigungselementen (14) am Hochofenpanzer (9) befestigt
wird.
10. Kühlelement nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der obere Deckel (15) und der untere Deckel (17) mit je einer Aussparung (18)
versehen ist.