GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Rostelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
[0002] Die Erfindung betrifft ein Rostelement, insbesondere einen einteiligen oder modularen
Roststab, für einen Vorschubrost einer Großfeuerungsanlage. Derartige Roststäbe sind
beispielsweise aus dem
DE 201 11 804 U1 und in modularer Bauweise aus dem
DE 20 2011 005 341 U1 sowie der
DE 10 2001 100 369 A1 der Anmelderin bekannt, die durch Inbezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen werden.
[0003] Einer sehr hohen Beanspruchung ist insbesondere der stirnseitige Abschnitt des bekannten
Roststabs ausgesetzt. Dieser kontaktiert das Verbrennungsgut mittels Vorschub und
weist Düsenlöcher für die Luftzuführung zum Verbrennungsgut auf. Die Düsenlöcher neigen
dazu, aufzubrennen. Sind die Düsenlöcher aufgebrannt, muss das Bauteil vollständig
erneuert werden.
[0004] Zwar ist es aus bekannt, einen modularen Roststab einzusetzen, bei dem nur das Vorschubelement
erneuert werden muss. Allerdings ist dies dennoch mit einem Stillstand der Verbrennungsanlage
und mit Wartungsaufwand verbunden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rostelement nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, insbesondere einen Roststab oder einen Teil davon, beispielsweise
ein Element eines modularen Roststabs, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 9 zu schaffen, um bei einfacher Herstellung eine längere
Lebensdauer sicherzustellen.
[0006] Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 9 gelöst.
[0007] Demnach wird ein Rostelement für einen Vorschubrost einer Verbrennungs-Großfeuerungsanlage,
wobei das Rostelement eine mit Durchströmöffnungen für Luft und/oder Gase durchsetzte
stirnseitige Schiebefläche aufweist, geschaffen, bei dem ein eine Öffnung umfassender
hochtemperaturbeständiger Keramikeinsatz unter allseitiger Umfassung stirnseitig im
Rostelement eingegossen ist.
[0008] Zweckmäßigerweise kann der Keramikeinsatz ein Verankerungselement, insbesondere einen
Vorsprung und/oder eine Hinterschneidung, zur Verankerung im Rostelement aufweisen.
Damit ist ein sicherer Halt auch dann noch gewährleistet, wenn stirnseitig der Guss
ausgebrannt ist.
[0009] So wird ein insbesondere balkenförmiger Keramikeinsatz mit mehreren Düsenöffnungen
in die Form für das Rostelement eingebracht und umgossen. Es werden in einem Schritt
mehrere Düsenlöcher ausgebildet und der Keramikeinsatz wird durch allseitiges Umgießen
fest verankert. Der grundsätzlich bruchempfindliche Keramikeinsatz muss nicht gesondert
gehandhabt werden und ist auch nicht nach außen exponiert, berührt insbesondere nicht
das Verbrennungsgut, wodurch das Bruchrisiko erheblich sinkt.
[0010] Bei breiteren Rostelementen können mehrere zueinander benachbarte Keramikeinsätze
vorgesehen sein, um auf einfache Weise eine Vielzahl von Düsenlöchern zu schaffen.
[0011] Die benachbarten Keramikeinsätze können individuell zueinander beabstandet sein.
[0012] Die Öffnung im Keramikeinsatz zur stirnseitigen Schiebefläche kann sowohl konisch
als auch zylindrisch ausgebildet sein.
[0013] Das Rostelement kann dabei ein einteiliger Roststab oder ein Teil davon, z.B. vorderes
Rostelement eines modularen Roststabs, sein.
[0014] Es kann eine Öffnung im Keramikelement vorgesehen sein, oder mehrere Öffnungen.
[0015] Die Erfindung schafft einzelne Komponenten eines Rostes sowie die Belegung einen
kompletten Rostes, bestehend aus dem erfindungsgemäßen Rostelement.
[0016] Denkbar sind auch andere Formgebungen der Keramiken für Anwendungen in anderen Gusskomponenten.
[0017] Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Rostelements.
[0018] Die Herausforderungen in der Fertigung von Gussteilen bestehen darin, dass drei Fertigungsstufen
gleichermaßen sorgsam durchlaufen werden müssen. Die Stufen sind:
- (1) vor dem Gießverfahren (der Festlegung von Geometrien, dem Modellbau, den Kemkästen,
der Auswahl des Werkstoffes mit dessen spezifischen Eigenschaften),
- (2) dem tatsächlichen Gießen (technisches Equipment, Gießverfahren, Formen und Formsand,
den Fähigkeiten des Gießers)
- (3) sowie die Folgeschritte nach der Erstellung (z.B. Putzen, Bearbeitung, Schweißen,
Zusammenbau von Komponenten, Veredelung).
[0019] Die Verbindung von zwei unterschiedlichen Materialien liegt fertigungstechnisch in
einer Grauzone des Gießens, also in Stufe 2. Erfindungsgemäß werden Guss und Keramik
vereint, die in den spezifischen Eigenschaften sehr unterschiedlich sind und maximal
auf einander abgestimmt sein müssen. Das Verfahren stellt den Gießer und das Material
vor maximale Anforderungen.
[0020] Es geht u.a. um die Standfestigkeit der ausgewählten Keramik während des Eingießens
des heißen Stahls in den Formkasten. Ebenso muss die Keramik den im Betrieb entstehenden
Einflüssen aus Stößen durch herabfallendes, schweres Brenngut oder herabfallende Ausmauerungen
standhalten. Die Feuerung wird durch den Betreiber (Fahrweise) individuell eingestellt
- und kann fallweise auch über der tatsächlichen Auslegung der Anlage liegen, wodurch
die Beanspruchung im Betrieb exponentiell steigt. Ebenso verursacht das in den Anlagen
unterschiedlich verwendete Brenngut (Beispiele sind Kampfmittel/Munition, Palmöl,
Kaffeesatz, Altholz, Hackschnitzel, Klärschlämme, Hausmüll, Tierkadaver, Papierrückstände,
Chemieabfälle, Kohle usw.) unterschiedliche Verschleißbilder auf der Brennbahn, dem
Kopf oder den Düsen des Roststabes. Alles zusammen beeinflusst dann den Luftdurchfluss
und die Kühlung des Stabes.
[0021] Ausschlaggebend für den betrieblichen Erfolg eines aus verschiedenen Materialien
verbundenen Teiles ist das Verschleißbild im Betrieb einer Anlage, die daraus entstehende
Standzeit sowie der Kosten-Nutzenaufwand im Einkauf. Die Fähigkeiten des Gießers sind
ausschlaggebend für die Qualität des Stabes und eine vernünftige Konstruktion entscheidet
über eine wirtschaftlich sinnvolle Serienfertigung. Zusammen genommen und optimal
abgestimmt führt dies zum erfolgreichen Einsatz in Verbrennungsanlagen.
[0022] Die Anmelderin hat aufgrund der o.g. Kemkompetenzen vor allem die Gießtechnik und
die Geometrie der Keramik iterativ zur Serienreife gebracht, mit dem Ziel, eine Kombination
aus Haltbarkeit und kostengünstiger, qualitativ hochwertiger Fertigung zu erzielen.
[0023] Das erfindungsgemäße macht es gießtechnisch möglich, die beiden Materialien formschlüssig
zu verbinden und diese Verbindung langfristig haltbar zu gestalten. Die Eigenschaften
des Gusses (Fließgeschwindigkeit, Gießtemperatur sowie Schwundmaß beim Erkalten der
jeweiligen Werkstoffe) sind zu beachten.
[0024] Der Erfolg dieses Prozesses liegt, neben dem Gießverfahren, auch in der Formgebung
der Keramik. Die erfindungsgemäße Keramikdüse ist vorzugsweise eine zylindrische Ringdüse.
Die Form ermöglicht eine beliebige Anordnung im Kopf des Roststabes. Die Form wurde
dem Schwundmaß des jeweiligen Werkstoffes angepasst und hält sowohl dem Druck des
Mediums während des Gießens, als auch dem Schrumpfen beim Erkalten stand. Während
des Betriebes werden die Roststäbe wieder erhitzt, wodurch erneut Druck auf die Keramik
ausgeübt wird.
[0025] Die charakteristische Schlagempfindlichkeit von Keramik bleibt jedoch weiter bestehen.
Daher ist es in der Produktion vorteilhaft, dass die Düse vollständig eingegossen
ist.
[0026] So bietet die Keramik keine Angriffsfläche gegenüber externen Kräften. Sie ist vollständig
umschlossen und geschützt.
[0027] Auch bei dem bekannten Problem des Schmiedefeuereffektes bei sich zusetzenden Düsen
brennt die Keramik im Stab nicht auf. Sie kann weder herausfallen noch ist sie Stößen
ausgesetzt.
[0028] So sieht das Verfahren zum Herstellen eines Rostelements vor, den Keramikeinsatz
vor dem Eingießen vorzubehandeln, insbesondere den Keramikeinsatz vor dem Eingießen
vorzuwärmen. Der Keramikeinsatz kann auch mit einem inerten Edelgas geflutet werden,
wodurch Wasser- und Sauerstoff verdrängt oder ersetzt wird.
[0029] Vorzugsweise weist die der Keramikeinsatz eine geringe Wärmeausdehnung auf.
[0030] Vorzugsweise weist die Keramik des Keramikeinsatzes einen Aluminiumoxidgehalt von
25 Gew.-% bis 85 Gew.-% auf. Sie kann z.B. Cordierit enthalten oder im wesentlichen
aus Cordierit bestehen. Cordierit ist eine synthetisch hergestellte feuerfeste Keramik
mit geringer Wärmeleitung und -ausdehnung und eignet sich besonders für die Serienfertigung.
[0031] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen
Figuren. Einzelne Merkmale der Ansprüche oder der Ausführungsformen können mit anderen
Merkmalen anderer Ansprüche und Ausführungsformen kombiniert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0032]
Fig. 1(a) zeigt einen Roststab in Perspektivansicht.
Fig. 1(b), 1(c) und 1(d) zeigen den Roststab der Fig. 1(a) von unten, von der Seite
bzw. von vorne, jeweils in teilweisem Schnitt im Bereich des Keramikeinsatzes.
Fig. 2(a) zeigt ein Keramikelement in Perspektivansicht.
Fig. 2(b), 2(c), 2(d) und 2(e) zeigen das Keramikelement von vorne, in Durchsicht
von oben, im Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2(b), bzw. in Durchsicht von der
Seite.
Fig. 3(a), 3(b) illustrieren im Schnitt jeweils einen Keramikeinsatz mit einem Verankerungselement.
Fig. 4(a) zeigt ein vorderes Rostelement für einen modularen Roststab in Perspektivansicht.
Fig. 4(b), 4(c) und 4(d) zeigen das Rostelement der Fig. 4(a) von unten, von der Seite
bzw. von vorne, jeweils in teilweisem Schnitt im Bereich des Keramikeinsatzes.
Fig. 5 illustriert einen Keramikeinsatz mit Flansch im Schnitt.
Fig. 6(a), 6(b) illustrieren einen weiteren Keramikeinsatz mit Flansch von vorne bzw.
von der Seite.
Fig. 7, 8 und 9 illustrieren jeweils einen weiteren Keramikeinsatz.
Fig. 10 illustriert einen eingesetzten Kermikeinsatz.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
[0033] Das in Fig. 1(a) dargestellte Rostelement 1 für einen Vorschubrost einer Verbrennungs-
oder Großfeuerungsanlage weist eine Oberseite 2 auf, die eine Brennfläche und eine
Schiebefläche für Brenngut umfasst. Vorgeschoben wird Brenngut durch ein im Vorschubrost
auf der Schiebefläche fachüblich aufliegendes baugleiches Rostelement 1 mittels der
stirnseitigen Schiebefläche 3, die hier beispielhaft von zwei Sätzen mit jeweils vier
Durchströmöffnungen 4 für Luft und/oder Gase durchsetzt ist
[0034] Der Teilschnitt in den Fig. 1(b), 1(c) und 1(d) zeigt zwei hier jeweils vier Öffnungen
umfassende hochtemperaturbeständige Keramikeinsätze 5, die unter allseitiger Umfassung
stirnseitig im Rostelement 1 eingegossen sind. Die Öffnungen 6 der Keramikeinsätze
5 fluchten dabei mit Öffnungen 7 in der stirnseitigen Schiebefläche 3 des Roststabs
1 unter Ausbildung der Durchströmöffnungen 4.
[0035] Ein Keramikeinsatz 5 ist in Fig. 2 dargestellt. Er kann insbesondere wie dargestellt
stab- oder balkenförmig sein und weist mehrere beabstandete Öffnungen 5 auf. Bei der
Herstellung eines Rostelements wird der Keramikeinsatz 5 in die Gussform eingesetzt,
ggf. unter Verwendung eines Halteelements, und umgossen. Dabei werden in einem Schritt
mehrere Düsenlöcher ausgebildet und der Keramikeinsatz 5 wird durch allseitiges Umgießen
fest verankert. Der grundsätzlich bruchempfindliche Keramikeinsatz 5 muss nicht gesondert
gehandhabt werden und ist auch nicht nach außen exponiert, berührt insbesondere nicht
das Verbrennungsgut, wodurch das Bruchrisiko erheblich sinkt.
[0036] Als besonders zweckmäßig haben sich Rostelemente mit - wie beispielhaft dargestellt
- vier Öffnungen im Keramikeinsatz 5 herausgestellt. Es können jedoch mehr Öffnungen
vorgesehen sein, insbesondere sechs, sieben oder acht.
[0037] Wird das Keramikelement 5 zu lang, steigt die Bruchgefahr bei der Handhabung und
beim Betrieb. Bei breiteren Rostelementen können daher zwei oder mehr zueinander benachbarte
Keramikeinsätze vorgesehen sein, um auf einfache Weise eine Vielzahl von Düsenlöchern
zu schaffen, siehe Fig. 1(b), 1(c), 1(d).
[0038] Dabei können die benachbarten Keramikeinsätze 5 ineinander eingreifen, um so eine
zuverlässige Positionierung bei der Herstellung zu gewährleisten. Hierzu kann einenends
eine Nut 8 und anderenends eine Feder 9 vorgesehen sein, vgl. Fig. 2(a).
[0039] Benachbarte Keramikeinsätze 5 können jedoch, wie in Fig. 1 dargestellt, auch zueinander
beabstandet sein.
[0040] Zweckmäßigerweise verjüngen sich die Öffnungen im Keramikeinsatz 5 zur stirnseitigen
Schiebefläche hin konisch, um einen den Verbrennungsprozess begünstigenden Düseneffekt
zu erzeugen. So sind die schiebeflächenseitigen Öffnungen 6 vorzugsweise kleineren
Durchmessers als die innenseitigen Öffnungen 6b, vgl. Fig. 2(b) - 2(d), 1(b), 1(c),
[0041] Zweckmäßigerweise kann der Keramikeinsatz 5 ein Verankerungselement 10 oder mehrere,
insbesondere einen Vorsprung und/oder eine Hinterschneidung, zur Verankerung im Rostelement
1 aufweisen, vgl. Fig. 3(a). Damit ist ein sicherer Halt auch dann noch gewährleistet,
wenn stirnseitig der Guss ausgebrannt ist. Zweckmäßigerweise ist das Verankerungselement
10 ring- und/oder wulstförmig den Keramikeinsatz umlaufend ausgestaltet, siehe Fig.
3(b) oder Fig. 8, dort beispielhaft für einen düsenförmigen Keramikeinsatz 5. Das
Verankerungselement 10 kann auch pyramidenförmig ausgestaltet sein, siehe Fig. 9.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Verankerungselement einen gestuften, insbesondere
zickzackförmigen Querschnitt auf, siehe in Fig. 7 am Beispiel eines quaderförmigen
Keramikeinsatzes 5, der hier mit Flanschabschnitten 12 illustriert ist, die ebenfalls
als Verankerungselement dienen können oder bündig mit dem Rostelement abschließen
oder außen anliegen oder gegenüber der Stirnfläche zurückversetzt sein können.
[0042] Das Rostelement 1 kann dabei ein einstückiger Roststab wie in Fig. 1 oder ein Teil
davon, z.B. vorderes Rostelement 11 eines modularen Roststabs, sein, vgl. Fig. 4.
[0043] In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform weist der hochtemperaturbeständige
Keramikeinsatz 5 an einem Mündungsende (oder wie dargestellt ggf. beiden Mündungsenden)
der Öffnungen 6, 6b einen sich quer zur Achse der Öffnungen 6, 6b erstreckenden Flanschabschnitt
12 auf, welcher an der stirnseitigen Schiebefläche 3 des Gusskörpers anliegt. Hierdurch
wird die Stirnfläche stärker gegen Verschleiß geschützt; allerdings besteht höhere
Bruchgefahr, da der Keramikkörper 5 mit dem vorzuschiebenden Verbrennungsgut in Kontakt
gerät.
[0044] Der Flanschabschnitt 12 kann insbesondere ringförmig sein und sich um eine Öffnung
6, 6b herum erstrecken. Es kann auch für jede Öffnung 6, 6b ein ringförmiger Flanschabschnitt
12 vorgesehen sein.
[0045] Zudem oder alternativ dazu können mehrere beispielsweise gerade und/oder beabstandete
Flanschabschnitte 12 benachbart zueinander vorgesehen sein, vgl. Fig. 6(a), 6(b).
[0046] Zweckmäßigerweise sind wie beispielhaft illustriert an beiden Mündungsenden Flanschabschnitte
12 vorgesehen, so dass der Keramikeinsatz 5 gegen beiderseitiges Herausfallen gesichert
ist.
[0047] Der Keramikeinsatz ist allseitig vom Guss umfasst und seine Öffnung(en) können bündig
mit der Stirnseite des Rostelements abschließen, ein- oder beidseitig gegenüber der
mindestens einen Mündungsöffnung zurückversetzt sein oder ein- oder beidseitig sich
gegenüber darüber hinaus erstrecken. Insbesondere kann der Keramikeinsatz gegenüber
der Stirnfläche zurückversetzt sein, und dabei kann es auch vorgesehen sein, dass
er gegenüber der der Stirnfläche 3 gegenüberliegenden Mündung, also nach innen, hervorsteht,
siehe Fig. 10.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0048]
- 1
- Rostelement
- 2
- Oberseite
- 3
- Schiebefläche
- 4
- Durchströmöffnung 4
- 5
- Keramikeinsatz
- 6
- Öffnung
- 7
- Öffnung
- 8
- Nut
- 9
- Feder
- 10
- Verankerungselement
- 11
- vorderes Rostelement modularen Roststabs
- 12
- Flanschabschnitt 12
1. Rastelement (1, 11) für einen Vorschubrost einer Verbrennungs- oder Großfeuerungsanlage,
wobei das Rostelement (1, 11) eine mit einer Durchströmöffnung (4) für Luft und/oder
Gase durchsetzte stirnseitige Schiebefläche (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Öffnung (6) umfassender hochtemperaturbeständiger Keramikeinsatz (5) unter
allseitiger Umfassung stirnseitig im Rostelement (1, 11) eingegossen ist.
2. Rostelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikeinsatz (5) düsenförmig ausgebildet ist.
3. Rostelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikeinsatz (5) ein Verankerungselement (10), insbesondere einen Vorsprung
und/oder eine Hinterschneidung, zur Verankerung im Rostelement (1, 11) aufweist.
4. Rostelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (6) des Keramikeinsatzes (5) mit einer Öffnung (7) in der stirnseitigen
Schiebefläche (3) des Rostselements (1, 11) unter Ausbildung der Durchströmöffnungen
(4) ein- oder beidseitig fluchtet oder dass der Keramikeinsatz zurückversetzt ist.
5. Rostelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei zueinander benachbarte Keramikeinsätze (5) vorgesehen sind, wobei
die benachbarten Keramikeinsätze (5) ineinander eingreifen können oder zueinander
beabstandet sein können; und/oder dass zwei, drei, vier oder fünf Öffnungen (6) im
Keramikeinsatz (5) vorgesehen sind; und/oder dass die Öffnungen (6) im Keramikeinsatz
sich zur stirnseitigen Schiebefläche (3) hin konisch verjüngen; und/oder dass es ein
Roststab (1) oder ein vorderes Rostelement (11) eines modularen Roststabs ist.
6. Rostelement (1, 11), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für einen
Vorschubrost einer Verbrennungs-Großfeuerungsanlage, wobei das Rostelement (1, 11)
einen Gusskörper mit einer mit Durchströmöffnungen (4) für Luft und/oder Gase durchsetzten
stirnseitigen Schiebefläche (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Öffnung (6) umfassender hochtemperaturbeständiger Keramikeinsatz (5) stirnseitig
im Rostelement (1, 11) eingegossen ist, die Öffnung (6) den Keramikeinsatz (5) durchsetzt
und der Keramikeinsatz (5) an einem Mündungsende der Öffnung (6) einen sich quer zur
Achse der Öffnung (6) erstreckenden Flanschabschnitt (12) aufweist, welcher an der
stirnseitigen Schiebefläche (3) des Gusskörpers anliegt oder im Gusskörper verankert
ist.
7. Rostelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Flanschabschnitt (12) vorgesehen ist, der sich um eine Öffnung (6)
herum erstreckt, oder dass mehrere beabstandete Flanschabschnitte (12) benachbart
zueinander vorgesehen sind, wobei an beiden Mündungsenden (6, 6b) ein Flanschabschnitt
(12) vorgesehen sein kann; und/oder dass der Keramikeinsatz (5) ein Verankerungselement
(10), insbesondere einen Vorsprung und/oder eine Hinterschneidung, zur Verankerung
im Rostelement (1, 11) aufweist; und/oder dass wenigstens zwei zueinander benachbarte
Keramikeinsätze (5) vorgesehen sind, die ineinander eingreifen oder zueinander beabstandet
sind; und/oder dass zwei, drei, vier oder fünf Öffnungen (6) im Keramikeinsatz (5)
vorgesehen sind; und/oder dass die Öffnung (6) im Keramikeinsatz (5) sich zur stirnseitigen
Schiebefläche (5) hin konisch verjüngt; und/oder dass es ein Roststab (1) oder ein
vorderes Rostelement (11) eines modularen Roststabs ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines Rostelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikeinsatz (5) vor dem Eingießen vorbehandelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikeinsatz (5) vor dem Eingießen vorgewärmt und/oder mit einem inerten Edelgas
geflutet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Keramik mit einem Aluminiumoxidgehalt von 25 Gew.-% bis 85 Gew.-% verwendet
wird.