AT412724B - Verfahren und vorrichtung zum ausgleich der im schmelzraum und im kühlwassersystem herrschenden drücke bei einer sonderschmelzanlage - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich der im Schmelzraum und im Kühlwassersystem herrschenden Drücke bei einer Sonderschmelzanlage, z. B. bei einer Druck-Elektroschlackenumschmelzanlage (DESU) mit Kupferkokille oder einem Druck-Induktionsofen mit Induktionsspule und Kühlwassersystem, das als geschlossener separater Druckkreislauf ausgebildet ist. 



   Bei einem bekannten Verfahren und einer Vorrichtung zum Betreiben einer DruckElektroschlacke-Umschmelzanlage (DE 37 21 945) geht man so vor, dass der Druck des zur Kühlung verwendeten Wassers so hoch gehalten wird, dass er den Gasdruck innerhalb der Anlage um nicht mehr als 5 bar über- oder unterschreitet. Das Wasser wird in einem geschlossenen Druckwasser-Kreislauf bewegt. Die über die Kokille an das Kühlwasser abgegebene Wärme wird durch einen Wärmetauscher zur Rückkühlung geleitet. Bei Abfall des Kühlwasserdruckes wird einerseits überschüssiges Wasser und andererseits Gas abgelassen. Zu diesem Zweck wird im Druckwasserkreislauf auf der Gasseite ein Verschlussorgan geöffnet und bei einem vorgegebenen Druck automatisch geschlossen.

   Die Betätigung des Verschlussorgans erfolgt dabei über den Kolben des Kolbenspeichers, wobei das Verschlussorgan federbelastet und der Schliessdruck durch die Federvorspannung einstellbar ist. Zur Kompensation von Kühlwasserverlusten des Kühlwassersystems sind eine Leckwasserpumpe und eine Leckwasserzuleitung vorgesehen, wobei der Kolben des Kolbenspeichers in Mittelstellung gehalten wird. 



   Ein Nachteil des vorbekannten Verfahrens ist es, dass der Kühlwasserdruck in einem zu grossen Bereich gehalten wird und zwar +/- 5 bar. 



   Ein weiterer Nachteil des vorbekannten Verfahrens ist die begrenzte Möglichkeit, gegen einen Druckanstieg im Kühlwasserraum oder im Schmelzraum zu wirken, was in der Praxis zu gefährlichen Situationen oder sogar Notfällen führen könnte. In der Druckschrift DE 37 21 945 ist nur eine Gegenwirkung im Falle eines Druckabfalls vorgesehen. 



   Ein weiterer Nachteil der vorbekannten Vorrichtung besteht in der direkten Verbindung zwischen dem Schmelzraum der Anlage und dem druckkompensierenden Kolbenspeicher. Die direkte Verbindung führt erfahrungsgemäss zum Verschmutzen und zur Korrosion des Innenraums des Kolbenspeichers infolge des Übertritts aggressiver Gase und Verschmutzungen aus dem Schmelzraum. Die Verschmutzung führt zur Verschlechterung der Gleiteigenschaften der Innenwand des Kolbenspeichers und der Gleitfläche des Kolbens und der mit diesem verbundenen Kolbenstange. 



  Die Folge hiervon ist eine Verschlechterung der Systemfunktion durch ruckartige Bewegungsabläufe des Kolbens. Der Druck auf den beiden Kokillenwandseiten wird nicht mehr dynamisch ausgeglichen, sondern ändert sich stossartig, was auch zu stossartigen mechanischen Belastungen der Kokillenwand führt. Derartige stossartige Belastungen gilt es jedoch unbedingt zu vermeiden, da sonst ein Verzug des Kupfertiegels im Schmelzbereich erfolgen kann, insbesondere wenn aufgrund der Arbeitsbedingungen beim Umschmelzen die Temperatur des Schlackebades sehr hoch wird und damit die Innenwandtemperatur des Kupfers auf Werte ansteigt, bei welchen die Streckgrenze des Kupfers nurmehr gering ist. Bei Temperaturen von über 200 C kommt es zu einem unzulässigen Ausbauchen des Kupfertiegels, was schlimmstenfalls zum Hängenbleiben des Blockes in der Kokille führen kann. 



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleich der im Schmelzraum und im Kühlwassersystem herrschenden Drücke bei einer Sonderschmelzanlage, z. B. einer Druck-Elektroschlacken-Umschmelzanlage (DESU) mit Kupferkokille oder einem Druck-Induktionsofen mit Induktionsspule und Kühlwassersystem zu schaffen, bei dem der Druckausgleich in einem viel genaueren Bereich stattfindet, beispielsweise bei +/- 0,5 bar und bei dem keine stossartigen Druckänderungen auf beiden Kokillenwandseiten möglich sind. 



   Das Verfahren soll auch im Falle eines Druckanstiegs in einem der beiden Räume - Schmelzraum der Anlage und Kühlwasserraum der Kupferkokille oder Innenraum der Induktionsspule - so entgegenwirken, dass die Kupferwand der Kokille oder der Induktionsspule keine unzulässige mechanische Beanspruchung erfahren. 



   Die Vorrichtung zum Verfahren soll den dynamischen Druckausgleich an den beiden Wandseiten gewährleisten, wobei die Gleiteigenschaften der Innenwand des Kolbenspeichers und der Mantelfläche des Kolbens langfristig erhalten bleiben sollten. 



   Die Vorrichtung soll darüber hinaus leicht gewartet und instandgesetzt werden können. 



   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Druckdifferenz 

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 in einem Bereich von 0 bis +/- 0,5 bar gehalten wird, wobei das Gas vom Schmelzraum der Anlage zuerst in einem Zwischengefäss mit Hydraulikflüssigkeit und erst dann die Hydraulikflüssigkeit zu einem der beiden Räume eines Kolbenspeichers geführt wird, wobei einem Druckabfall oder Druckanstieg eines der beiden Medien entsprechend durch Ablassen von überschüssigem Gas oder durch zusätzliches Nachpumpen von Kühlwasser oder umgekehrt entgegengewirkt wird und die Richtung der Gegenwirkung bei einem Druckabfall oder Druckanstieg von der Höhe und der Geschwindigkeit des Druckabfalls / Druckanstiegs festgelegt wird. 



   Die Vorrichtung zum Verfahren besteht im wesentlichen aus einem durch einen Kolben in zwei volumenveränderliche Räume unterteilten Kolbenspeicher, bei dem der eine Raum über eine Rohrleitung und Regelarmaturen mit dem Kühlwasserkreislauf der Kokille oder der Induktionsspule verbunden ist. In diesem Kühlwasserkreislauf sind entsprechend ein Wärmeaustauscher, eine oder mehrere Umwälzpumpe/n vorgesehen, sowie eine zusätzliche Hochdruckwassernachfüllpumpe. 



   Erfindungsgemäss ist der andere Raum des Kolbenspeichers über eine andere Rohrleitung und Regelarmaturen an einen Zwischenbehälter angeschlossen, der seinerseits teilweise mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt ist, wobei der Zwischenbehälter über einer weiteren Rohrleitung mit Regel- und Absperrarmaturen mit dem Schmelzraum der DESU oder des DruckInduktionsofens verbunden ist und ein oder mehrere Druckaufnehmer in jeder der oben erwähnten Rohrleitungen angebracht sind, wobei der Kolbenspeicher entsprechend dem Auslegungsdruck der Anlage als ein Hydraulikzylinder mit durchgehender Kolbenstange oder als ein Pneumatikzylinder mit Magnetkolben ausgeführt sein kann und die Hochdruckwassernachfüllpumpe als eine Dosierpumpe ausgebildet ist. 



   Die Erfindung lässt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu ; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung rein schematisch dargestellt. 



   Eine Druck-Elektroschlacke-Umschmelzanlage besteht im Wesentlichen aus einem Druckgefäss 1, welches aus einem Kühltopf 2 und einer Ofenhaube 3 aufgebaut ist, die ihrerseits durch einen Bajonettverschluss 4 druck- und vakuumdicht verschliessbar sind. Der Kühltopf 2 nimmt eine nach unten durch eine Bodenplatte 5 verschlossene Kupferkokille 6 auf, in welcher ein Umschmelzblock 7 durch Abschmelzen der verzehrbaren Elektrode   8 in   der Schlacke 9 aufgebaut wird. 



   Die Ofenhaube 3 verfügt am oberen Ende über eine Druckdurchführung 10, durch welche eine als Hochstromzuleitung dienende Elektrodenstange 11 mit Hochstromanschluss 12 in das Anlageninnere reicht. Die Elektrodenstange 11 ist einerseits über Hochstromkabel 13 mit der Stromquelle 14 verbunden, andererseits über eine Hochstromklemme 15 mit der verzehrbaren Elektrode 8. 



   Darüber hinaus ist ein durch einen Kolben 16 in zwei volumenveränderliche Räume 17 und 18 unterteilter Kolbenspeicher 19 im Kühlwasserkreislauf 20 der Kupferkokille/Induktionsspule 6 vorgesehen. Im Kühlwasserkreislauf 20 sind entsprechend ein Wärmeaustauscher 24, eine oder mehrere Umwälzpumpe/n 25 vorgesehen, sowie auch eine zusätzliche Hochdruckwassernachfüllpumpe 26. Erfindungsgemäss ist der andere Raum 18 des Kolbenspeichers 19 über der Rohrleitung 27 und den Regelarmaturen 28,29 mit einem Zwischenbehälter 30 angeschlossen, der seinerseits teilweise mit einer hydraulischen Flüssigkeit 31 gefüllt ist. Der Zwischenbehälter 30 ist über eine weitere Hydraulikleitung 32 mit Regel- und Absperrarmaturen 33,34 mit dem Schmelzraum 35 der DESU oder des Druck-Induktionsofens verbunden.

   Jeweils ein oder mehrere Druckaufnehmer 36 sind in jeder der oben erwähnten Rohrleitungen angebracht. Der Kolbenspeicher 19 kann als ein Hydraulikzylinder mit durchgehender Kolbenstange 37 oder als ein Pneumatikzylinder mit Magnetkolben ausgeführt sein. Positionsschalter 38 sind entsprechend der Kolbenspeicherausführung entweder an einer zusätzlichen Schiene 39 parallel zu der Kolbenstange befestigt, oder direkt an der Wand 40 des Pneumatikzylinders. Die Hochdruckwassernachfüllpumpe 26 ist als eine Dosierpumpe ausgewählt worden. 



   Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun dadurch erreicht, dass der vom Druck im Schmelzraum 35 und vom Druck im Kühltopf 2 beaufschlagte Kolben 16 des Kolbenspeichers 19 ausschliesslich mittels Flüssigkeiten bewegt wird. Das in den Schmelzraum 35 eingeleitete Prozessgas wirkt primär über die Rohrleitung 32 auf das im Zwischenbehälter 30 befindliche Hydrauliköl 31 ein, das seinerseits über die Hydraulikleitung 27 den Druck im Speicherraum 17 entsprechend einstellt. Über zusätzliche Armaturen in den Rohrleitungen des Systems sind andere Funktionen vorgesehen, wie z. B. ein schneller Wechsel der Hydraulikflüssigkeit, das Entlüften des 

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 Rohrsystems oder die Erfassung von Drücken. 



   Die durchgehende Kolbenstange 37 oder der Magnetkolben 16 dient ausserdem der Betätigung von Positionsschaltern 38, so dass die extremen Bewegungen des Kolbens 16, insbesondere während der Übergangsprozesse, wie dem Befüllen der Anlage mit Prozessgas, erfasst und dem Steuerungssystem der Anlage weitergegeben werden. 



   Da im Schmelzraum 35 ein Gasdruck herrscht, der vom Atmosphärendruck verschieden ist, wird durch die erfindungsgemässe Vorrichtung der Druck des Kühlwassers dem Schmelzkesseldruck angeglichen, wobei gewährleistet ist, dass Kühlwasser und Prozessgas nicht in direkte Berührung miteinander gelangen. 



   Der druckübertragende Kolben 16 "schwimmt" zwischen zwei Flüssigkeiten, wodurch die Reibung zwischen Kolben 16 und Innenwand des Kolbenspeichers 19 minimal und gleichbleibend ist. 



  Infolge der minimierten Reibung zwischen Kolben 16 und Zylinderinnenwand arbeitet das System besonders feinfühlig. 



   Die Lebensdauer der Vorrichtung ist besonders hoch, da, keinerlei Korrosion und / oder Verschmutzung in der Ausgleichsvorrichtung zu erwarten ist. 

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Claims (4)

1. Bezugszeichenliste Auflistung der Einzelteile 1 Druckgefäss 2 Kühltopf 3 Ofenhaube 4 Bajonettverschluss 5 Bodenplatte 6 Kupferkokille 7 Umschmelzblock 8 Elektrode 9 Schlacke 10 Druckdurchführung 11 Elektrodenstange 12 Hochstromanschluss 13 Hochstromkabel 14 Stromquelle 15 Hochstromklemme 16 Kolben 17 volumenveränderliche Raum 18 volumenveränderliche Raum 19 Kolbenspeicher 20 Kühlwasserkreislauf 21 22 23 24 Wärmetauscher 25 Umwälzpumpe 26 Hochdruckwasser- nachfüllpumpe 27 Rohrleitung 28 Regelarmatur 29 Regelarmatur 30 Zwischenbehälter 31 hydraulische Flüssigkeit 32 Hydraulikleitung 33 Regel- u. Absperrarmatur 34 Regel- u. Absperrarmatur 35 Schmelzraum 36 Druckaufnehmer 37 Kolbenstange 38 Positionsschalter 39 Schiene 40 Wand PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Ausgleich der im Schmelzraum und im Kühlwassersystem herrschenden Drücke bei einer Sonderschmelzanlage, z.

   B. einer Druck-Elektroschlackenum- schmelzanlage (DESU) mit Kupferkokille oder einem Druck-Induktionsofen mit Induktions- spule und Kühlwassersystem, bei dem der Druck des Kühlwassers des Kokillen / Indukti- onspulen-Kreislaufes an dem Druck des Prozessgases im Schmelzraum der Anlage ange- glichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz in einem Bereich von 0 bis +/- 0,5 bar gehalten wird, wobei das Gas vom Schmelzraum der Anlage zuerst zu einem Zwischengefäss mit Hydraulikflüssigkeit und erst dann die Hydraulikflüssigkeit zu einem der beiden Räume eines Kolbenspeichers geführt wird,

   wobei einem Druckabfall oder Druck- <Desc/Clms Page number 4> anstieg eines der beiden Medien entsprechend durch Ablassen von überschüssigem Gas oder durch zusätzliches Nachpumpen von Kühlwasser oder umgekehrt entgegengewirkt wird und die Richtung der Gegenwirkung bei einem Druckabfall oder Druckanstieg von der Höhe und der Geschwindigkeit des Druckabfalls / Druckanstiegs festgelegt wird.
2. 2. Vorrichtung zum Ausgleich der im Schmelzraum und im Kühlwassersystem herrschenden Drücke bei einer Sonderschmelzanlage, z. B. einer Druck-Elektroschlackenum- schmelzanlage (DESU) mit Kupferkokille oder einem Druck-Induktionsofen mit Induktions- spule und Kühlwassersystem, bei der ein durch einen Kolben in zwei volumenveränderli- che Räume unterteilter Kolbenspeicher im Kühlwasserkreislauf der Kupferkokille / Indukti- onsspule vorgesehen ist, wobei der eine Raum des Kolbenspeichers über einer Rohrlei- tung und Regelarmaturen mit dem Kühlwasserkreislauf der Kupferkokille / Induktionsspule verbunden ist und im Kühlwasserkreislauf entsprechend ein Wärmeaustauscher, eine oder mehrere Umwälzpumpe/n, sowie auch eine zusätzliche Hochdruckwassernachfüllpumpe vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Raum (18) des Kolbenspei- chers (19)

   über eine andere Rohrleitung (27) und Regelarmaturen (28,29) an einen Zwi- schenbehälter (30) angeschlossen ist, der seinerseits teilweise mit einer hydraulischen Flüssigkeit (31 ) gefüllt ist, wobei der Zwischenbehälter (30) über eine weitere Hydrauliklei- tung (32) mit Regel- und Absperrarmaturen (33,34) mit dem Schmelzraum (35) der DESU oder des Druck-Induktionsofens verbunden ist und ein oder mehrere Druckaufnehmer (36) jeweils in jeder der oben erwähnten Rohrleitungen angebracht sind, wobei der Kolbenspei- cher (19) entsprechend dem Auslegungsdruck der Anlage als ein Hydraulikzylinder mit durchgehender Kolbenstange (37) oder als ein Pneumatikzylinder mit Magnetkolben und die Hochdruckwassernachfüllpumpe (26) als eine Dosierpumpe ausgeführt sein können.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (32) zwi- schen dem Behälter (30) und der Ofenhaube (3) oberhalb des mit Flüssigkeit gefüllten Raumes des Behälters (30) in diesen einmündet und der Kolbenspeicher (19) in einer Ebene unterhalb der Ebene des Behälters (30) angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben- stange (37) des Kolbenspeichers (19) sich durch beide Stirnwände des Kolbenspeichers hindurch erstreckt und mit Endschaltern (38) zusammenwirkt über die Ventile (28,29, 33, 34) in den mit dem Behälter (30) verbundenen Rohrleitungen betätigbar sind.