Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für metallurgische Öfen, insbesondere Schachtöfen, beispielsweise Hochöfen, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Kühlelemente werden verwendet, um die Wand des Ofens, beispielsweise eines Hochofens vor Überhitzung zu schützen, ebenso wie vor abrasivem Verschleiß, thermomechanischen und thermochemischen Angriffen. Der Einbau von Kühlelementen am Inneren der Ofenwand reduziert oder verhindert gar solche Angriffe.
Es sind punktuell wirkende Kühlelemente bekannt, z. B. zylindrische oder ovale Kühlrohre. Es zählen sogenannte Kühlkästen oder Kühlplatten ebenso zum Stand der Technik, wie flächendeckende Kühlelemente, sogenannte Staves, die aus verschiedenen metallischen Werkstoffen, vorzugsweise Stahl, Grauguss und Kupfer bestehen. Auch sind Kombinationen aus punktuellen und flächendeckenden Kühlelementen bekannt.
Zum Schutz der Kühlelementoberflächen sind Schutzschichten vorgesehen. Diese dienen als Verschleiß- bzw. Anfahrschutz. Sie bestehen aus feuerfesten, ungeformten und geformten keramischen Materialien in unterschiedlichen Dicken bis circa 250 mm.
Ferner sind Einsätze in Aufnahmen, die auf der dem Ofeninneren zugewandten Heißseite der Kühlplatte angeordnet sind, bekannt. Die Aufnahmen sind zumeist Nuten mit einer Hinterschneidung. In der Regel sind es schwalbenschwanzähnliche Nuten, die sowohl ungeformte als auch geformte, feuerfeste Werkstoffe, Grafit, Stahl, Stahlguss oder Graugussarten aufnehmen.
Bei metallurgischen Prozessen besteht ein hoher Kostendruck bedingt durch wechselnde Rohstoffqualitäten und somit den Bedarf an flexiblen, prozess- und verfahrenstechnischen Betriebsweisen der metallurgischen Öfen, um zu wettbewerbsfähigen Gestehungspreisen pro Tonne erschmolzenen Roheisens zu kommen. Daher werden zukünftig Schachtöfen mit weiter steigenden spezifischen Leistungen einerseits, und/oder abnehmender Erz,- Koks- und Möllerqualität andererseits, betrieben. Diese Betriebsbedingungen sind nicht förderlich für die bisher bekannten Kühlelemente, insbesondere nicht für die flächendeckend eingesetzten ungeschützten Staves aus Kupfer im kohäsiven Bereich von Schachtöfen, denn sie werden verstärktem Verschleiß ausgesetzt.
Stark mittengängige Betriebsweisen eines Hochofens zur Erzielung höherer spezifischer Leistungen führen beispielsweise zu Temperaturdefiziten an der inneren Hochofenperipherie, d. h. an den Kühlelementen aus Kupfer. Dies führt zum Vordringen von teilweise unreduzierten Erzen und Möllerstoffen an die Wand des Schachtofens bis in den kohäsiven Bereich z. B. von Hochöfen. Damit geht eine signifikante Steigerung des Verschleißes einher, bedingt durch Abrieb an den Kühlelementen.
Die eigentliche Aufgabe der Kühlelemente, nämlich das Anfrieren einer Verschleißschutzschicht durch hohe Wärmeleitfähigkeit von > 300W/mK, ist bei teilweise unreduzierten Möllerstoffen an der Kühlelement-Heißseite im Bereich der kohäsiven Zone eines Hochofens nicht mehr möglich. Aufgrund der nur geringen Abriebfestigkeit von gegossenen oder gewalzten Kühlelementen aus Kupfer kann es bereits früh zu einem voreilenden Verschleiß der Kühlplatten kommen, mit der Folge, dass kühlmittelführende Kanäle Leckagen erleiden.
Bemühungen durch Variation der Einsätze in den Aufnahmen von Kühlelementen, sowohl in der Geometrie als auch in der Werkstoffwahl, sind bisher erfolglos geblieben. Beispielsweise wurden Einsätze aus Grafit, Stahl, Stahl- und Grauguss oder feuerfesten, grobkeramisch amorphen, ungeformten und geformten Erzeugnissen der unterschiedlichen Rohstoffe verwendet.
All diese Werkstoffe haben gegenüber Kupfer eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit und sind deshalb nicht in der Lage, eine Schutzschicht an der Oberfläche des Kühlelements anzufrieren. Eine Steigerung der Abriebfestigkeit durch verschiedene Einsätze in den Aufnahmen der Kühlplatte oder eine Veränderung der Beschichtung an den Kühlelementoberflächen für sich genommen hat sich als nicht zielführend herausgestellt. Speziell im unteren Bereich der kohäsiven Zone eines Schachtofens, der sogenannten Metallisierungszone, wo teilweise sehr hohe Prozess- und Betriebstemperaturen sowie hohe Wärmeströme mit überlagerten Temperatur- und Wärmestromwechsel herrschen, konnte die Abriebfestigkeit nicht hinreichend gesteigert werden.
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Zur Ofeninnenseite hin ist an dem feuerfesten Material ein weiterer feuerfester Werkstoff in nutförmigen Ausnehmungen angeordnet. Der Werkstoff kann Siliziumkarbid sein.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Kühlelement aufzuzeigen, welches die Fähigkeit besitzt, Schutzschichten anzufrieren und zu erhalten und gleichzeitig eine erhöhte Abriebfestigkeit besitzt.
Diese Aufgabe ist bei einem Kühlelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Kühlelement zeichnet sich dadurch aus, dass es wenigstens ein Profilbauteil umfasst, das in die Aufnahmen an der Heißseite der Kühlplatte form-, kraftschlüssig oder stoffschlüssig eingesetzt ist. Ein Profilbauteil besteht zumindest teilweise aus einer Hochleistungskeramik auf Basis nicht-oxidkeramischer Werkstoffe.
Die sogenannten hochleistungskeramischen Werkstoffe im Sinne der Erfindung sind Werkstoffe gemäß der Norm DIN ENV 12212 (wie z. B. Silizium infiltriertes, reaktionsgebundenes Siliziumcarbid, Kürzel SBSiC). Mit diesen Werkstoffen ist es möglich, die vorgenannte Aufgabe zu lösen. Insbesondere ist es möglich, dass der Betreiber eines metallurgischen Ofens, insbesondere eines Hochofens, nicht gezwungen wird, bewährte Betriebsweisen, z. B. mittengängige Fahrweisen mit höheren spezifischen Roheisenerzeugungsraten, zugunsten von höheren Standzeiten der Kühlelemente aufzugeben bzw. zu verändern.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kühlelemente in ihrem grundsätzlichen Aufbau ebenfalls nicht verändert werden müssen. Es kommen vielmehr neuartige Profilbauteile aus zumindest teilweise, insbesondere außenseitig, hochleistungskeramischen Werkstoffen zum Einsatz. Diese Werkstoffe können im Stranggussverfahren hergestellt werden. Vorzugsweise besitzen sie eine Wärmeleitzahl von mehr als 120 W/mK. Die Wärmeleitzahl liegt insbesondere in einem Bereich von 120 bis 150 W/mk. Zudem zeichnen sie sich durch hohe Feuerfestigkeit bis 1550° C aus. Gleichzeitig sind sie extrem temperaturwechselbeständig. Die Abriebfestigkeit liegt bevorzugt in einem Bereich < 0,5 cm3 (ASTM C 704).
Die Summe dieser Haupteigenschaften der Hochleistungskeramik ist erforderlich, um Kühlelemente aus Kupfer, insbesondere im Bereich der kohäsiven Zone von Schachtöfen, beispielsweise von Hochöfen, einerseits unempfindlich gegen abrasiven Verschleiß zu machen und andererseits, um die Fähigkeit zu erhalten, natürliche Schutzschichten als Selbstschutz aufgrund der hohen Wärmeleitzahlen anzufrieren.
Die besagten Profilbauteile aus zumindest teilweise hochleistungskeramischen Werkstoffen können nicht nur bei Kühlelementen aus gewalzten Werkstoffen, sondern auch bei gegossenen Kühlelementen zum Einsatz kommen.
Die hochleistungskeramischen Werkstoffe gehören zur Gruppe der nichtoxidkeramischen Werkstoffe auf SiC-Basis.
Bei den Profilbauteilen kann es sich um Voll- oder offene Profile handeln.
Vorzugsweise handelt es sich um Hohlprofile. Ein Hohlprofil im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein umfangsseitig geschlossenes Hohlprofil.
Derartige Hohlprofile lassen sich im Stranggussverfahren einfach und dabei auch materialsparend herstellen. Es ist daher möglich, Hohlprofile zu verwenden, die innenseitig zusätzlich mit einem feuerfesten Werkstoff versehen sind. Bei dem feuerfesten Werkstoff handelt es sich insbesondere um eine selbstfließende, amorph-keramische, ungeformte feuerfeste SiC-Masse, insbesondere der zementarmen Gruppe, sogenannte LCC-Betone (LCC = low cement castables).
Die Masse ist ebenfalls verschleißresistent und als selbstfließender Werkstoff leicht verarbeitbar, sodass Hohlräume innerhalb des Profilbauteils vollständig ausgegossen bzw. gefüllt werden können. Die Masse wird nach dem Vergießen ausgehärtet.
Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch möglich, mehrere Profile ineinandergeschachtelt anzuordnen. Sollte das äußere Hohlprofil beschädigt werden, tritt der verschleißfeste feuerfeste Werkstoff in Kontakt mit dem Inneren des Hochofens. Ein weiteres Profil innenseitig des äußeren Hohlprofils kann hier unterstützend wirken. Es kann die positiven Materialeigenschaften des äußeren Hohlprofils besitzen und insbesondere vor abrasivem Verschleiß schützen, aber gleichzeitig vorzugsweise die sehr hohe Wärmeleitzahl und besagte Feuerfestigkeit besitzen. In diesem Sinne können mehrere Profile ineinander geschachtelt angeordnet sein. Hierbei muss es sich nicht bei allen Profilen um Hohlprofile handeln. Denkbar ist aber, dass alle Profile, die ineinandergeschachtelt angeordnet sind, in ihrer Querschnittsfläche kongruent ausgebildet sind. Innere Profile können bevorzugt aus demselben Werkstoff hergestellt sein, wie das äußere Hohlprofil.
Selbstverständlich ist es möglich, dass es sich bei dem inneren Profil auch um ein Bauteil ohne Hohlstruktur handelt. Eine Hohlstruktur im Sinne der Erfindung bezieht sich auf eine umfangsseitig offene oder geschlossene Kontur. Selbstverständlich können auch U-förmig, Z-förmig, S-förmig oder in anderer Art und Weise mehrarmige Profile vorgesehen sein. Derartige, mit Armen versehene Profile können auch mit einem Hohlprofil kombiniert werden, beispielsweise indem ein kreisförmiger oder mehreckiger Kern als Hohlprofil ausgebildet ist, an den außenseitig quasi radial abstehende Arme angeordnet sind. Die Arme erstrecken sich dann in Richtung zu dem äußeren Hohlprofil. Auch die umgekehrte Anordnung ist denkbar, nämlich das Arme vom äußeren Hohlprofil zum Inneren des Hohlprofils ragen. Arme im Sinne der Erfindung sind Stege oder durchgehende Vorsprünge, wie sie mit dem Stranggussverfahren leicht hergestellt werden können. Die Wanddicke der Profile oder Hohlprofile kann über den Umfang eines Profils stark variieren. Die Erfindung ist mithin nicht auf eine bestimmte Profilgeomtrie beschränkt. Maßgeblich ist, dass das Profilbauteil insgesamt eine sehr hohe Wärmeleitzahl besitzt und vor abrasivem Verschleiß schützt.
Wenn mehrere ineinandergeschachtelte Profile vorhanden sind, ist vorgesehen, dass die Zwischenräume zwischen den Profilen und dem Hohlprofil durch einen feuerfesten Werkstoff gefüllt sind, so dass der gesamte von dem äußeren Hohlprofil umgebende Innenraum ausgefüllt ist.
Auch ein Spalt zwischen der Aufnahme und dem Profilbauteil kann mit dem feuerfesten Werkstoff gefüllt sein. Hierdurch wird der Wärmeübergang zwischen dem Profilbauteil und der Aufnahme zusätzlich verbessert.
Der feuerfeste Werkstoff in oder zwischen den Profilen ist insbesondere ein nicht-oxidkeramischer Werkstoff. Wie vorstehend beschrieben handelt es sich bei den feuerfesten Werkstoffen zum Ausfüllen von Spalten und Zwischenräumen um einen selbstfließenden, also gießfähigen, amorphkeramischen, ungeformten, feuerfesten SiC-Werkstoff, vorzugsweise der Gruppe LCC (low cement castable). Durch diesen Werkstoff werden die verschiedenen Profile miteinander verbunden und verankert.
Der feuerfeste, ungeformte Werkstoff kann auch aus einem Gemisch von recycelter Hochleistungskeramik, insbesondere RBSiC-Hochleistungskeramik und einer feuerfesten, nicht oxidkeramischen SiC-Masse bestehen, die insbesondere zementarm ist (Gruppe LLC).
Dahingegen besteht wenigstens eines der Profile vorzugsweise aus einem feuerfesten Werkstoff der Gruppe HA65. Dieser Werkstoff ist beispielsweise ein hochtonerdehaltiger, feuerfester Werkstoff mit mindestens 65 % Al2O3-Gehalt.
Das Profilbauteil, das mit der Aufnahme der Kühlplatte in Kontakt kommt, ist vorzugsweise trapezförmig im Querschnitt. Es kann dabei ein Stück aus dem Kühlelement vorstehen. Das äußere Profilbauteil kann in seinem aus der Aufnahme der Kühlplatte vorstehenden Bereich eine Hinterschneidung besitzen. Diese Hinterschneidung kann dazu dienen, eine formschlüssige Verankerung einer feuerfesten Verschleißschutzschicht zu schaffen. Diese kann werkseitig aufgetragen werden oder sich auch im laufenden Betrieb bilden, so dass auch für sich bildende, angefrorene Verschleißschutzschichten eine Verankerung bereitgestellt wird.
Zusätzlich können in den Aufnahmen abwechselnd andere Werkstoffe eingesetzt werden, wie beispielsweise vollkeramische Einsätze. Diese können abwechselnd mit den erfindungsgemäßen Profilbauteilen verwendet werden, wobei nicht zwingend die gleiche Subfolge von abwechselnden Profilbauteilen über das gesamte Kühlelement eingehalten werden muss. Die Subfolgen von Profilbauteilen und keramischen Einsätzen können variieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Auf der dem ofeninneren zugewandten Heißseite, das heißt in der Bildebene rechts, befinden sich auf der Kühlplatte 3a nutenförmige Aufnahmen 8, die jeweils von Stegen 9 begrenzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die nutenförmigen Aufnahmen 8 horizontal. Die nutenförmigen Aufnahmen 8 besitzen vorzugsweise einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt.
Die nutenförmigen Aufnahmen 8 dienen zur Aufnahme von Profilbauteilen 10a. Die Profilbauteile 10a sind im Stranggussverfahren hergestellt. Sie bestehen aus einer Hochleistungskeramik. Sie sind in ihrem Querschnitt an die Kontur der Aufnahme 8 angepasst und sind formschlüssig in der Aufnahme 8 gehalten. Die Profilbauteile 10a stehen ein kleines Stück über die Heißseite der Stege 9 vor, so dass die gegenüber den Profilbauteilen 10a zurückversetzte Oberfläche 11 der Kühlplatte 3a vor abrasivem Verschleiß geschützt wird.
Das Besondere an den Kühlelementen 1 a und 1 b der
Das Profilelement 10a besteht mithin aus zwei verschiedenen Werkstoffen. Das im Stranggussverfahren gefertigte Hohlprofil 12 aus hochleistungskeramischen Werkstoffen zeichnet sich durch extrem hohe Abriebfestigkeit und sehr hohe Wärmeleitzahlen von bis zu 150W/mK und zudem durch extrem hohe Feuerfestigkeiten bis 1550° C sowie hohe Temperaturwechselbeständigkeit aus. Es besteht aus einem hochleistungskeramischen Werkstoff, beispielsweise siliziuminfiltriertes, rekristallisiertes Siliziumnitrid.
Der feuerfeste Werkstoff 13 besteht aus einem im Verarbeitungszustand selbstfließenden, amorph-keramischen, ungeformten, feuerfesten Werkstoff. Diese SiC-Masse zählt zur Gruppe LCC (low cement castable). Dieser feuerfeste Werkstoff 13 kann auch genutzt werden, um weitere Profile, die innerhalb des äußeren Hohlprofils 12 angeordnet sind, zu verankern.
Die Ausführungsform der
Die Ausführungsform der
Selbstverständlich lassen sich auch alle anderen der vorstehend beschriebenen Profilbauteile auf diese Art und Weise zusätzlich an der Kühlplatte verankern, so dass eine kraftschlüssige, formschlüssige und auch stoffschlüssige Verankerung mit dem Kühlelement möglich ist. Alternativ kann jede der Verankerungsformen einzeln realisiert sein.
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