Kühlelement

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlelement (1) als austauschbarer Bestandteil einer inneren Verkleidung eines Lichtbogenofens, das aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung besteht und von Kühlmittelkanälen (4) durchzogen ist. Zur Vermeidung von thermisch bedingten Verformungen des Kühlelements (1) durch Gefügeveränderungen ist die dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandte Seite (2) des Kühlelements (1) mittels sich in Richtung auf die Kühlmittelkanäle (4) erstreckender gitterartig angeordneter Nuten (3, 3a) in eine Vielzahl von Flächensegmenten (15) unterteilt. In dem Kühlelement (1) auftretende Spannungen wirken sich aufgrund der durch die Nuten (3, 3a) gebildeten Zwischenräume nicht auf benachbarte Flächensegmente (15) aus.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Kühlelement als austauschbarer Bestandteil einer inneren Verkleidung eines Lichtbogenofens.

[0002] Aus der DE 29 07 511 C1 ist ein Kühlelement für Schachtöfen bekannt, das aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung besteht und aus einem geschmiedeten oder gewalzten Rohblock gefertigt ist. Im Inneren des Kühlelements sind in der Gebrauchslage vertikal verlaufende Kühlmittelkanäle angeordnet, die durch mechanisches Tiefbohren eingebracht sind. Auf der dem Inneren eines Schachtofens zugekehrten Seite des Kühlelements sind horizontal verlaufende Nuten zur Lagefixierung von feuerfestem Material eingearbeitet.

[0003] In der Praxis hat sich beim Einsatz ähnlicher Kühlelemente in einem Lichtbogenofen gezeigt, daß sich die Kühlelemente verformen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in einem Lichtbogenofen höhere Temperaturen als in einem Schachtofen herrschen und bedingt durch die Schmelzzyklen starke Temperaturschwankungen auftreten.

[0004] Während der Schmelzphase des Lichtbogenofens dehnt sich das Kühlelement thermisch bedingt aus, wobei die dem Ofeninneren zugewandte Seite des Kühlelements wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt ist als die rückwärtige Seite. Bei höheren Temperaturen treten Änderungen des Gefüges und der Werkstoffeigenschaften ein, wobei die Diffusion im Bereich der energiereichen Großwinkelkorngrenzen erleichtert wird. Die dadurch entstehende höhere Leerstellendichte in Korngrenznähe ermöglicht das Klettern von Versetzungen und bildet so die Voraussetzung für ausgeprägte plastische Verformungen, sogenanntes Kriechen. Das Ausmaß der Verformungen hängt von der thermischen Belastung ab, und ist daher auf der dem Ofeninneren zugewandten Seite des Kühlelements größer.

[0005] Fällt die Temperatur nach dem Schmelzvorgang, schrumpft das Kühlelement demnach auf der dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandten Seite stärker als auf der außen liegenden Seite. Dies führt zu einer zum Ofeninneren gerichteten Krümmung des Kühlelements, die mit zunehmender Anzahl der Schmelzvorgänge und den damit einhergehenden Temperaturwechseln zunimmt. In der Praxis ergibt sich dann die Problematik, daß beim Beschicken eines Lichtbogenofens Metallteile auf die vorstehenden Kanten der verbogenen Kühlelemente prallen, was zu erheblichen Beschädigungen der Kühlelemente führen kann.

[0006] Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Kühlelement als austauschbaren Bestandteil einer inneren Verkleidung eines Lichtbogenofens zu schaffen, das über alle Betriebssituationen hinweg eine deutlich verbesserte Formbeständigkeit aufweist.

[0007] Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, die dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandte Seite des Kühlelements mittels sich in Richtung auf die Kühlmittelkanäle erstreckender gitterartig angeordneter Nuten in eine Vielzahl von Flächensegmenten zu unterteilen.

[0008] Auf diese Weise ist es möglich, die durch Kriechen bedingte Krümmung des Kühlelements zu verringern. Die einzelnen Flächensegmente ziehen sich beim Abkühlvorgang durch die Gefügeveränderung weiterhin lateral zusammen, allerdings sind diese Längenänderungen lokal auf das jeweilige Flächensegment begrenzt. Sie werden nicht auf das benachbarte Flächensegment übertragen.

[0009] Kriechspannungen wirken sich aufgrund der durch die Nuten gebildeten Zwischenräume nicht auf benachbarte Flächensegmente aus. Somit werden Eigenspannungen in dem Kühlelement wirkungsvoll reduziert, wodurch ein Krümmen weitgehend unterdrückt werden kann.

[0010] Wesentlich bei der Erfindung ist es, daß sich der Werkstoff nicht auch am Grund der eingebrachten Nuten zusammenzieht. Hierzu ist es erforderlich, daß am Nutgrund die Grenztemperatur für die Schrumpfungserscheinungen von etwa 140 °C nicht überschritten wird. Diese Voraussetzung wird dadurch erfüllt, daß der Nutgrund nahe an den im Inneren des Kühlelements angeordneten Kühlmittelkanälen liegt.

[0011] Je nach thermischer Beanspruchung können die Flächensegmente unterschiedlich groß sein. Die Nuten können hierbei eine beliebige Richtungsorientierung besitzen.

[0012] In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist nach Anspruch 2 vorgesehen, daß das Kühlelement sich kreuzende Kolonnen von jeweils parallel zueinander verlaufenden Nuten aufweist.

[0013] In der Weiterbildung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 können die von den Nuten begrenzten Flächensegmente aber auch rechteckig oder rautenförmig sein.

[0014] Ferner ist eine vieleckige, insbesondere sechseckige, Konfiguration denkbar.

[0015] Es ergeben sich in erster Linie fertigungstechnische Vorteile, wenn die Nuten, wie nach Anspruch 5 vorgesehen, mechanisch eingearbeitet und vorzugsweise eingefräst sind. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Scheibenfräsers, durch den Nuten gezielter Kontur erzeugt werden können.

[0016] Da die Kühlelemente oberhalb der Schmelze nicht durch Schamotte abgedeckt sind, lagern sich Schlackespritzer auf jedem Kühlelement an. Im Laufe des Schmelzprozesses bildet sich aus den Schlackespritzern eine Schlackeschicht, die das Kühlelement zusätzlich gegenüber den im Inneren eines Lichtbogenofens herrschenden Temperaturen abschirmt. Die eingebrachten Nuten tragen somit ergänzend zu einer verbesserten Schlackeablagerung bei. Insbesondere wenn die Nuten an ihren Nutmündungen eine geringere Breite als am Nutgrund aufweisen (Anspruch 6), kann die Schlackeschicht gut an dem Kühlelement haften.

[0017] Nach den Merkmalen des Anspruchs 7 ist das Kühlelement aus einem Rohblock aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung geschmiedet oder gewalzt. Das Gefüge von gewalztem oder geschmiedetem Kupfer oder Kupferlegierungen ist dichter und homogener als das von gegossenen Kupferplatten. Weiterhin besitzen geschmiedete oder gewalzte Kupferplatten eine höhere Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit als gegossene Kupferplatten. Darüber hinaus ist mit dem erfindungsgemäßen Kühlelement eine verbesserte Kühlung möglich, da durch die eingebrachten Nuten die Oberfläche der dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandten Seite des Kühlelements vergrößert ist.

[0018] Nach dem Schmieden oder Walzen des Rohblocks werden die Nuten und die Kühlmittelkanäle in die Kupferplatte zur Bildung des Kühlelements eingebracht.

[0019] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

ein erfindungsgemäßes Kühlelement im Vertikalschnitt durch einen Kühlmittelkanal;

Figur 2

das Kühlelement gemäß Figur 1 in der Frontalansicht;

Figur 3

eine weitere Ausführungsform eines Kühlelements in der Frontalansicht und

Figur 4

den Ausschnitt IV der Figur 1 in vergrößertem Maßstab gemäß einer weiteren Ausführungsform.

[0020] Die Figuren 1 und 2 zeigen ein plattenartiges Kühlelement 1, das ein austauschbarer Bestandteil einer inneren Verkleidung eines nicht näher dargestellten Lichtbogenofens ist. Das Kühlelement 1 ist innerhalb des Lichtbogenofens oberhalb der Metallschmelze angeordnet.

[0021] In die dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandte Seite 2 des Kühlelements 1 sind im gleichmäßigen Abstand zueinander senkrecht zur Seite 2 Nuten 3 eingebracht. Die Nuten 3 erstrecken sich in Richtung auf im Inneren des Kühlelements 1 angeordnete Kühlmittelkanäle 4. Von diesen ist nur ein einzelner schematisch dargestellt. Der Kühlmittelkanal 4 ist durch eine vom in der Bildebene oberen Ende her in das Kühlelement 1 eingebrachte Sackbohrung 5 gebildet und von einem Stopfen 6 dicht verschlossen.

[0022] Auf der rückwärtigen Seite 7 des Kühlelements 1 sind im mittleren Höhenbereich Rohrstücke 8, 9 für die Kühlmittelzufuhr und -abfuhr plaziert. Die Rohrstücke 8, 9 stehen in nicht näher dargestellter Weise mit den Kühlmittelkanälen 4 in Verbindung.

[0023] Auf der rückwärtigen Seite 7 des Kühlelements 1 sind ferner im unteren und mittleren Höhenbereich hakenförmige Befestigungselemente 10 angeordnet, über die das Kühlelement 1 am Gerüst des Lichtbogenofens befestigt werden kann.

[0024] Die Nuten 3 haben in dem Beispiel gemäß Figur 1 eine konstante Breite. Es ist aber in einer Weiterbildung der Erfindung gemäß Figur 4 auch denkbar, daß die Nuten 3 an ihrem Nutgrund 11 breiter sind als an ihren Nutmündungen 12.

[0025] Figur 2 zeigt, daß in das Kühlelement 1 eine erste Kolonne 13 von parallel zueinander verlaufenden Nuten 3 gleichen Abstands eingebracht ist. Eine zweite Kolonne 14 ist von in der Bildebene vertikal verlaufenden parallelen Nuten 3a gebildet. Die Nuten 3 und 3a begrenzen Flächensegmente 15, die in diesem Ausführungsbeispiel quadratisch sind.

[0026] Im Rahmen der Ausführungsform der Figur 3 sind die Flächensegmente 16 des Kühlelements 1a rautenförmig und von äquidistanten parallelen Nuten 17, 17a gebildet.

Bezugszeichenaufstellung

[0027] 

1 -

Kühlelement

1a -

Kühlelement

2 -

Seite des Kühlelements 1

3 -

Nuten

3a -

Nuten

4 -

Kühlmittelkanäle

5 -

Sackbohrung

6 -

Stopfen v. 4

7 -

rückwärtige Seite des Kühlelements 1

8 -

Rohrstück

9 -

Rohrstück

10 -

Befestigungselemente

11 -

Nutgrund v. 3

12 -

Nutmündung v. 3

13 -

erste Kolonne

14 -

zweite Kolonne

15 -

Flächensegmente

16 -

Flächensegmente

17 -

Nuten

17a -

Nuten

Ansprüche

1. Kühlelement als austauschbarer Bestandteil einer inneren Verkleidung eines Lichtbogenofens, welches aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung besteht und von Kühlmittelkanälen (4) durchzogen ist, wobei die dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandte Seite (2) des Kühlelements (1) mittels sich in Richtung auf die Kühlmittelkanäle (4) erstreckender gitterartig angeordneter Nuten (3, 3a; 17, 17a) in eine Vielzahl von Flächensegmenten (15, 16) unterteilt ist.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, welches sich kreuzende Kolonnen (13, 14) von jeweils parallel zueinander verlaufenden Nuten (3, 3a; 17, 17a) aufweist.

3. Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Flächensegmente (15) rechteckig sind.

4. Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Flächensegmente (16) rautenförmig sind.

5. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Nuten (3, 3a; 17, 17a) mechanisch eingearbeitet, vorzugsweise eingefräst, sind.

6. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Nuten (3, 3a; 17, 17a) an ihren Nutmündungen (12) eine geringere Breite als am Nutgrund (11) aufweisen.

7. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches aus einem Rohblock aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung geschmiedet oder gewalzt und dann mit den Nuten (3, 3a; 17, 17a) sowie den Kühlmittelkanälen (4) versehen ist.

Zeichnung