DD140281A5 - Gekuehlter lichtbogenofenmantel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gekühlten Liohtbogenofenmantel für die Verwendung an elektrischen Lichtbogenöfen zur Herstellung von Sonderstählen*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Lichtbogenofen bekannt₉ bei denen das Ofengefäß im wesentlichen aus einem zylindrischen Mantel» einem nach unten gewö'lbten_s als Wanne fungierenden Boden und einem nach oben gewölbten Deckel besteht,, Im Mantel befindet sich eine Beschickungsöffnung und_? meist auf der gegenüber« liegenden Seite hiervon^ eine Ausgußöffnung mit Tülle„ während im Deckel die notwendigen Öffnungen für die Elektroden vorgesehen sind* Das Ofengefäß ist auf Rollkörpern gelagert und kann durch Kippen entleert werden» Zum Abfangen der hohen thermischen Belastung sind die Innenwandungen des Ofens mit einer mehr oder minder dicken feuerfesten Auskleidung belegt«

Es hat sich gezeigt» daß bei den in diesen Lichtbogenöfen naturgemäß auftretenden sehr hohen Temperaturen der seitliche Ofenmantel, bestehend aus einem Metallpanzer mit feuerfester Auskleidung den hohen thermischen Belastungen nur knapp gewachsen ist_s indem der Metallpanzer sich nach außen auswölben kann und die Auskleidung nur eine Lebensdauer von 80 bis 100 Chargen* deh« Arbeitsprozessen erreicht und demzufolge häufig erneuert werden muß_e Diese Erneuerung der

20 9 878 -2- 6.4.1979

54 717/17

Auskleidung verursacht beachtliche Kosten sowie eine Produktivitätsminderung als Folge des zeitweiligen Ofenstillstands· "

Man ist deshalb dazu übergegangen, die Ofenseitenwand mit einer Kühlung auszustatten, indem man in dieser Wand Kühlkästen vorgesehen hat, wie es in ähnlicher ?/eise vom Hochofenbetrieb her bekannt ist. Diese Kühlkästen oder Kühlelemente für Lichtbogenöfen können als tragende Bestandteile der Ofenseitenwand ausgeführt und in der Weise angeordnet sein, daß eine Vielzahl von vorzugsweise kreisbogenförmig gekrümmten, nebeneinander liegenden Kühlelementen einen Gürtel bilden, welcher in diesem Bereich als Seitenwand des Ofens fungiert· Dieser Gürtel aus Kühlelementen kann innen und gegebenenfalls nach außen mit einem feuerfesten Belag versehen werden·

Die Kühlelemente selbst sind flache, gekrümmte Hohlkästen von etwa 200 bis 250 mm Dicke und einem meist oben angeordneten Wassereintritt und einem unten liegenden Wasseraustritt* Dem durchströmenden Kühlwasser wird eine serpentinenartige Strömungsbewegung vermittelt indem im Innern des Kühlelementes versetzt angeordnete waagerechte Stege vorgesehen sind, welche zusammen mit den Kühlkastenaußenwänden Strömungskanäle bilden· Durch den Einsatz dieser Kühlkästen ist es zwar gelungen, die Lebensdauer des Ofenmantels wesentlich zu erhöhen, jedoch weist diese Lösung mehrere erhebliche Mängel auf·

Aus fertigungstechnischen Gründen sind obengenannte Stege nur an einzelnen Stellen ihrer Schmalseiten mit dem Kühlelementgehäuse verschweißt· Hierdurch bleiben zwischen großen Abschnitten dieser Stegschmalseiten und den Gehäuseaußenwänden mehr oder minder breite Spalten offen, durch

* -3- 6.4.1979

54 717/17

durch, welche Schleichwasser hindurchtritt, wodurch der Kühleffekt herabgesetzt und der Wasserverbrauch erhöht wird.

Der Werkstoff und die Schweißnähte der Elemente sind wegen des großen Wärmegefälles zwischen ihrer ofenseitigen und ihrer nach außen zeigenden Wandung einer sehr großen Beanspruchung ausgesetzt« Auch sind diese Kühlelemente aufgrund ihres geometrischen Aufbaus mit großflächigen, flachen Begrenzungewänden wegen Yerformungsgefahr nicht für den Betrieb mit höheren Wasserdrücken geeignet, wodurch ihre apezifische Kühlwirkung in verhältnismäßig engen Grenzen bleibt»¹ Des weiteren weist das Innere dieser Kühlkasten zahlreiche tote Winkel, besonders im Bereich der Wasserumleitung um die freien Stegenden auf, wodurch Wirbel- und Dampfblasenbildung begünstigt werden« Daraus resultieren Örtliche WärmeStauungen sowie eine Vergrößerung der Strömungswiderstände_e Die hohen Herstellungskosten sind ein weiterer gravierender Nachteil dieser bekannten Kühlkasten«

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu vermeiden und eine Mantelkonstruktion für Industrieöfen zu schaffen, welche bei günstigen Herstellungskosten eine wirksame Kühlung gestattets indem die Strömungsverhältnisse für daß Kühlmedium optimiert werden»

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die geometrische Ausgestaltung der Kühleinrichtung im Hinblick auf eine maximale mechanische Festigkeit zugestalten.»

Diese Aufgabe wird durch einen Lichtbogenofenmantel,gelöst, der gekennzeichnet ist durch eine Mehrzahl von über den

209 878 -⁴- 6.4.1979

54 717/17

Ofenumfang verteilten plattenförmigen Rohrsegmenten, bestehend aus einer Rohr-an-Rohr-Konstruktion von einzelnen, im wesentlichen zylindrischen miteinander verschweißten Rohren zur serpentinenartigen Führung eines Kühlmittels, welche in einer feuerfesten Auskleidung eingebettet sind»

J Jedes einzelne Rohrsegment weist einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt auf und die Segmente sind zylindrisch gekrümmt· Die Kühlmittel führenden Rohre sind senkrecht oder auch waagerecht angeordnet· Bine Bestiftung an den Rohrsegmenten aus wärmebeständigem Material ist als Mauerverankerung vorgesehen·

Die Rohrsegmente sind in Ofenpanzersegmente montiert und bilden mit diesen eine bauliche Einheit·

Die feuerfeste Auskleidung ist ausgehend von den Rohrsegmenten nach dem Ofeninneren hin dicker, als zwischen den Λ Rohrsegmenten selbst und dem Ofenpanzer,

Das feuerfeste Material weist zur Ofenwanne und zum Ofendeckel hin einen vergrößerten Übergang auf·

Abgebogene Kühlrohre reichen in die im Querschnitt vergrößerten Übergänge hinein· .

Rohrsegmente und Ofenpanzersegmente bilden eine Einheit und sind einzeln in die Ofenseitenwand montier- und demontierbar·

Ein Wärmeaustauscher ist zwecks Rückgewinnung der vom Kühlmittel abgeführten Wärmeenergie vorgesehen,'

-5- 6.4.1979

54 717/17

Ausführungsbeispie1

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen zeigern

Fig» 1 j einen Schnitt durch die schematische Darstellung eines Lichtbogenofens mit Kühleinrichtung für den Ofenmantel;

2 : eine Draufsicht auf einen Querschnitt durch den ' Ofen nach Pig« 1 $

3 ί die Ansicht eines Rohrsegmentes zur Kühleinrichtung nach den Fige 1 und 2|

Fig« 4 ί einen Querschnitt durch ein Rohr des Rohrsegmentes nach Figur 3 mit Bestiftung?

Figo' 5 ί einen Schnitt, in vergrößertem Maßstab, durch die Mantelkühlung nach Fig„ 1 mit feuerfestem Belag der Kühlelemente und Montageeinzelheitenj

Figo 6 j die Ansicht einer Umlenkkappe für zwei nebenein-» anderliegende Kühlrohre;

Fig. 7 ι eine Draufsicht auf zwei nebeneinanderliegende Rohrenden vor dem Aufsetzen der Umlenkkappe nach Figur 6 j

Fig* 8 ϊ die Ansicht eines Rohrsegmentes mit waagerechter Ausrichtung der Kühlrohre?

Fig* 8as eine Draufsicht auf das Rohrsegment nach Fig* 8j

Fig. 9 s einen Schnitt durch die schematische Darstellung eines Lichtbogenofens mit Kühlsegmenten in der An-

20 9 878 -6- 6.4.1979

54 717/17

Ordnung nach Figur 8 mit waagerechter Ausrichtung der Kühlrohre; -

Pig. 9a: die hälftige Draufsicht auf einen Querschnitt ' durch den Ofen nach Figur 9·

) In den Figuren sind gleiche !Peile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch den allgemeinen Aufbau eines elektrischen Lichtbogenofens mit einem nach unten gewölbten, als Wanne dienenden Boden 2 mit feuerfesten Auskleidung 4» einem nach oben gewölbten Deckel 6, ebenfalls mit feuerfester Auskleidung 8, Elektroden 10 und einer Abgasleitung 12. Die Beschickungsöffnung sowie die Ausgußöffnung mit Tülle sind einfachheitshalber nicht dargestellt. Der zylindrische Mantel 14 des Ofens ist mit erfindungsgemäßen Kühlelementen 16 in Rohrsegmentausführung bestückt.

j In Figur 2, welche eine Draufsicht auf den Querschnitt durch den Ofen nach Figur 1 darstellt, ist die gleichmäßige Verteilung einer geeigneten Anzahl von Rohrsegmenten 16 über den gesamten Ofenumfang zu erkennen. Wie aus dieser Figur 2 ersichtlich, können diese Rohrsegmente 16 zylindrisch gekrümmt ausgestaltet sein und sich damit der Mantelkrümmung des Ofens anpassen.

Die Figur 3 zeigt, in vergrößertem Maßstab, die Ansicht eines Rohrsegmentes 16 mit obenliegendem Kühlmitteleintritt 18 und untenliegendem Kühlmittelaustritt 20. Selbstverständlich können, falls dies als vorteilhaft erachtet wird, Ein- und Austritt vertauscht v/erden.

1 ~7~ 6.4.1979

54 717/17

Aus der Figur 3 geht hervor, daß die vorgeschlagenen Kühlelemente 16 aus flächig nebeneinander angeordneten, miteinander verschweißten Rohren 22 bestehen» welche jeweils paarweise mit aufgeschweißten Kappen 24 zur Kühlmittelumlenkung versehen sind« Wie sich aus der Ausrichtung der Rohre 22 in der bevorzugten Ausführung nach Figur 3 ergibt ₉ erfolgt die serpentlnenfb'riüige Kühlmittelführung in vertikaler Richtung*

In Figur 3 ist, ebenso wie in Figur 4 (Querschnitt durch ein Kühlrohr 22)_s eine Bestiftung 26 aus genügend warmfestem Material zur Verankerung der Rohrsegmente in einer feuerfesten Auskleidung 28 (Figur 1 und Figur 2) des Ofenmantels 14 dargestellt*

Figur 5 zeigt weitere Einzelheiten der Unterbringung der Rohrsegmente 16 im. Ofenmantel 14* Dieser besteht in der ge» zeigten Ausführung im wesentlichen aus einem tragenden Stahlblechpanzer 30 in umgekehrter L-Form, an welchem die Rohrsegmente 16 mittels Distanzeisen 32, an den Kühl« mittelein- und -austritten 18, 20 angebrachten Flanschen 34 und beispielsweise einer Verschraubung 36 befestigt sind· Der Mantelpanzer 30 besteht vorzugsweise ebenfalls aus einzelnen, zylindrisch gekrümmten Segmenten (nicht dargestellt) in der Weise, daß jeweils ein Panzersegment zusammen mit einem daran montierten Rohrsegment eine Baueinheit darstellt« Die solcherart gebildete Einheit Mantel/Rohrsegment wird mit feuerfestem Material 28 ausgegossen, wobei diese feuerfeste Armierung 28 zwecks günstigeren Verlaufs des Temperatur» gradienten von den RohrSegmenten 16 ausgehend vorzugsweise nach dem Ofeninnern hin dicker ist als in Richtung des Ofenpanzers 30«

20 9 878 -⁸- 6.4.1979 . 54 7Π/17

Es ist ebenfalls günstig, die feuerfeste Auskleidung 28 mit im Querschnitt verstärkten Übergangsabschnitten 38 und zur Ofenwanne 2, bzw· zum Ofendeckel 6 hin zu versehen» Da diese Übergangsabschnitte 38 und 40, insbesondere der Übergang 38 zur Ofenwanne 2 hin, erfahrungsgemäß einer hohen thermischen und erosiven Beanspruchung ausgesetzt sind, können einzelne, durch eine Umlenkkappe 24 miteinander verbundene Rohrpaarenden zum Ofeninnern hin abgebogen werden, wie dies bei 42, 44 (Figuren 1 und 5) angedeutet ist. Durch diese Maßnahme erfahren die gefährdeten Bereiche 38, 40, eine verstärkte Kühlung.

Figur 6 zeigt, in vergrößertem Maßstab, die an sich bekannten Umlenkkappen 24, welche jeweils zwei nebeneinanderliegende Rohrenden dicht verschweißt zwecks einer 180°-Umlenkung des Kühlmediums, z.B. Wasser oder Wasserdampf, miteinander verbinden.

Figur 7 zeigt die an sich bekannte Querschnittsform der Rohrenden, welche den im übrigen runden Rohren 22 durch Aufdornen vor dem Aufsetzen und Anschweißen der umlenkkappen vermittelt wird.

Die Figur 8 zeigt ein Rohrsegment 16 * mit waagerechter Ausrichtung der Kühlrohre 22', d.h. mit waagerechter Führung des Kühlmittels, und die Figur 8a die Draufsicht auf ein solches Rohrsegment 16» mit zylindrischer Krümmung entsprechend der Mantelkrümmung des Ofens.

Ergänzend sei bemerkt, daß als Kühlmittel neben Wasser und Wasserdampf (Sattdampf, Heißdampf) selbstverständlich auch andere, wie Inertgase, zum Beispiel Helium, Stickstoff, verwendet werden können.

6.4.1979

9Ü 9 87

Es sei auch besonders darauf hingewiesen, daß die Kühlung der Ofenwand d.en in Zeiten der Energieverknappung speziell wichtigen Vorteil bietet, daß die abgeführte Wärme.mittels Wärmetauscher oder dergleichen zum Teil rückgewinnbar ist und deshalb auch aus dieser Sicht die Kühlung dieser Elektroofenwände Bedeutung hat_s dies umso mehr, wenn sie in der beschriebenen günstigen Ausführung durchführbar ist.

Die Figuren 9 und 9a zeigen den Einbau von Rohrsegmenten mit waagerechter Ausrichtung der Kühlrohre 22' in einem Ofenmantel«.¹ Die bei dieser Rohrsegmentausführung sich ergebende horizontale Führung des Kühlmittels entspricht im wesentlichen derjenigen bei den weiter oben erwähnten Kühlkasten nach dem Stand der Technik, jedoch werden die diesen Kühlkasten inhärenten und aufgezeigten Mangel bei der vorgeschlagenen Bauart vermiedene

Die sich aus den vorstehenden Ausführungen für den Fachmann ergebenden Vorteile des vorgeschlagenen Lichtbogenofenmantels können dahingehend zusammengefaßt werden* daß eine Kühlung mittels kostspieliger Kühlkasten mit unbefriedigender Kühlwirkung ersetzt wird durch ein preiswertes Rohrsystem mit günstigen Kühlmittelströmungsverhältnissen höchster Formsteifheit und Festigkeit bedingt durch die Rohrform» Es werden damit sowohl große Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels ohne nennenswerte Wirbelbildung als auch hohe Drücke möglich« Demzufolge wird mit dieser neuen Kühleinrichtung ein Maximum an Kühlwirkung mit kleinstem Aufwand erzielte Durch die beschriebene Unterteilung des Ofenmantels in Segmente, bestehend aus einer Kombination von Ofenpanzersegment und Kühlrohrsegment mit feuerfester Vergußmasse ist es in einfacher Weise möglich, einzelne, überholbedürftige oder defekt gewordene Elemente auszutauschen*

Claims (8)

1. 20 9 878 -10- 6.4.1979

   54 717/17

   Erfindungsanspruch

   1» Gekühlter Lichtbogenofenmantel, gekennzeichnet dadurch, daß eine Mehrzahl von über den Ofenumfang verteilten plattenförmigen Rohrsegmenten (16, 16»), bestehend aus einer Rohr~an-Rohr-Konstruktion von einzelnen, im wesentlichen zylindrischen miteinander verschweißten Rohren

   . (22, 22») zur serpentinenartigen Führung eines Kühlmittels angeordnet sind, welche in einer feuerfesten Auskleidung (28) eingebettet sind.
2. 2. Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß jedes einzelne Rohrsegment (16, 16») einen Kühlmitteleintritt (18, 18» oder 20, 20·) und einen Kühl-

   ) mittelaustritt (20, 20' oder 18, 18») aufweist.
3. 3. Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Rohrsegmente (16, 16») zylindrisch gekrümmt sind. ' ,
4. 4. Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kühlmittel führenden Rohre (22) senkrecht angeordnet sind.
5. 5. Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kühlmittel führenden Rohre (22») waagerecht angeordnet sind.

   -11- 6,4.1979

   54 717/17
6. 6. Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Rohrsegmente mit einer Bestiftung (26, 26^{) aus wärmebeständigem Material als Mauerverankerung versehen sind«

   7* Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach den Punkten 1 bis S₉ gekennzeichnet dadurch, daß die Rohrsegmente (16, 16 ^f) in Ofenpanzersegmenten (30) montiert sind und mit diesen eine bauliche Einheit bilden©·

   8» Gekühlter Lichtbogenmantel nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die feuerfeste Auskleidung (28) von den Rohrsegmenten (16, 16') ausgehend nach dem Ofeninnern hin dicker ist, als zwischen den Rohrsegmenten (16, 16·) und dem Ofenpanzer (30)©

   9e Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurchg daß das feuerfeste Material (28) einen im Querschnitt vergrößerten Übergang (33, 40) zur Ofenwanne (2) und zum Ofendeckel (6) hin aufweist,/
7. 10. Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 9» gekennzeichnet dadurchj daß abgebogene Kühlrohre (22) in die im Querschnitt vergrößerten Übergänge (38, 40) hineinreichen*

   11, Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach Punkt 7» gekennzeichnet dadurchs daß die eine bauliche Einheit bildenden Rohrsegmente (16, 16') und Ofenpanzersegmente (30) einzeln in der Ofenseitenwandung (14) montier- und demontierbar sind*

   20 9 878 -12- 6.4.1979

   54 717/17
8. 12. Gekühlter Lichtbogenofenmantel nach den Punkten 1 bis 11, gekennzeichnet durch Wärmeaustauscher zwecks Rückgewinnung der vom Kühlmittel abgeführten Wärmeenergie,

   BierzudLSeiten Zei Anungea