DE10014359A1 - Copper or copper alloy cooling plate used as a component of a wall of a metallurgical furnace has coolant channels and a coating on the side facing the inside of the oven - Google Patents

Copper or copper alloy cooling plate used as a component of a wall of a metallurgical furnace has coolant channels and a coating on the side facing the inside of the oven

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Abstract

Cooling plate consists of copper or a copper alloy and has coolant channels. The side of the cooling plate facing the inside of the oven has a coating having a lower heat conductivity than the copper base material. Preferred Features: The coating has a heat conductivity lower than 320, preferably less than 10 W/(m.k). The coating is made from a material based on zirconium oxide containing yttrium oxide as an additive.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlplatte als Bestandteil der Ofenwand eines metallurgischen Ofens, insbesondere eines Schmelz- oder Schachtofens, welche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und von Kühlmittelkanälen durchzogen ist.The invention relates to a cooling plate as part of the furnace wall metallurgical furnace, in particular a melting furnace or shaft furnace, which consists of Copper or a copper alloy exists and is penetrated by coolant channels.

In metallurgischen Öfen werden die Ofenwände in einigen Ofenzonen aus wassergekühlten Kühlplatten aufgebaut, die bis vor einigen Jahren noch aus Grauguß oder Stahl bestanden. Diese Materialien besitzen eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit. Wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeiten als Grauguß oder Stahl besitzen Kupfer oder Kupferlegierungen. Aus Kupfer gefertigte Kühlplatten weisen im Inneren beispielsweise durch mechanisches Tiefbohren erzeugte Kühlmittelkanäle auf, die im wesentlichen parallel zur Ofenwand verlaufen.In metallurgical furnaces, the furnace walls are removed in some furnace zones water-cooled cooling plates built up until a few years ago Cast iron or steel existed. These materials are relatively low Thermal conductivity. Much better thermal conductivity than gray cast iron or steel have copper or copper alloys. Cooling plates made of copper show in Inside, for example, coolant channels generated by mechanical deep drilling which run essentially parallel to the furnace wall.

Die hohe thermische Beanspruchung der dem Ofeninnenraum zugewandten Kühlplattenseite führt dazu, daß sich die Kühlplatten in ihren metallografischen und geometrischen Eigenschaften verändern.The high thermal stress on the furnace interior Cooling plate side leads to the fact that the cooling plates in their metallographic and change geometric properties.

Folgende Eigenschaftsänderungen treten hierbei auf:
The following property changes occur:

  • - lokal verringerte Härte,- locally reduced hardness,
  • - lokal veränderte Korngröße oder Gefügestruktur,- locally changed grain size or structure,
  • - makroskopisch sichtbare Formänderung durch Kriechvorgänge im Material, die durch die unsymmetrische thermische Ausdehnung verursacht wird.- Macroscopically visible change in shape due to creeping processes in the material is caused by the asymmetrical thermal expansion.

Aufgrund der Ofenbetriebsweise ergibt sich, daß die thermische Beanspruchung der Kühlplatten in der Regel zeitlich nicht konstant ist. Diese wechselnde thermische Beanspruchung führt zu zeitlich wechselnden Temperaturprofilen innerhalb der Kühlplattenwand und entsprechend zu wechselnden Verläufen der inneren Spannungen im Material der Kühlplatten.Due to the furnace operation, it follows that the thermal stress on the Cooling plates are usually not constant over time. This changing thermal Stress leads to changing temperature profiles within the Cooling plate wall and changes in the course of the inner Tensions in the material of the cooling plates.

Diese wechselnden Beanspruchungen sind mit der Gefahr einer Werkstoffermüdung (z. B. Materialversagen durch Rißbildung) verbunden, was den Ofenbetrieb gefährden kann. Diese Gefahr wird noch dadurch verschärft, daß neben der wechselnden thermischen Beanspruchung auch die oben beschriebenen Änderungen der Materialeigenschaften ablaufen.These changing loads are associated with the risk of material fatigue (e.g. material failure due to cracking) connected to the furnace operation can endanger. This danger is exacerbated by the fact that in addition to the changing thermal stress also those described above Changes in material properties are taking place.

Es zählt zum Stand der Technik diese Nachteile dadurch zu verringern, daß durch konstruktive Änderungen, z. B. an den Kühlkanälen, die Kühlung der Ofenwand verbessert wird. Hierdurch wird das Innere des Ofens im Wandbereich stark abgekühlt und die thermische Belastung nimmt dabei ab.It is part of the prior art to reduce these disadvantages in that constructive changes, e.g. B. on the cooling channels, the cooling of the furnace wall is improved. This makes the inside of the stove strong in the wall area cooled and the thermal load decreases.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Kühlplatte bereitzustellen, die über alle Betriebssituationen hinweg eine deutlich verbesserte Formbeständigkeit aufweist, so daß längere Standzeiten möglich werden.Starting from the prior art, the invention is based on the object of a Provide cooling plate that is clear across all operating situations has improved dimensional stability, so that longer service life is possible become.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, die dem Inneren des Ofens zugewandte Seite der Kühlplatte mit mindestens einer Beschichtung zu versehen, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Kupfergrundmaterial.To achieve the object, the invention proposes the inside of the furnace to provide the facing side of the cooling plate with at least one coating, which has a lower thermal conductivity than the copper base material.

Auf diese Weise wird die Kühlwirkung der Kühlplatte auf das Ofeninnere verringert und es ergeben sich überraschenderweise Vorteile im Hinblick auf den Ofenbetrieb insgesamt. In this way, the cooling effect of the cooling plate on the inside of the furnace is reduced and surprisingly there are advantages in terms of furnace operation all in all.  

Kern der Erfindung ist also, die unerwünschten Veränderungen der Kühlplatten dadurch zu verringern, daß die thermische Belastung der Kühlplatten vermindert wird. Dazu werden die Kühlplatten mit einer geeigneten Beschichtung auf der Plattenseite versehen, die dem Ofeninnenraum zugewandt ist.The essence of the invention is, therefore, the undesirable changes in the cooling plates to reduce by reducing the thermal load on the cooling plates becomes. For this purpose, the cooling plates are coated with a suitable coating on the Provide plate side facing the furnace interior.

Diese Beschichtung kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein, wobei die einzelnen Schichten auch unterschiedliche Zusammensetzungen besitzen können.This coating can be constructed from one or more layers, wherein the individual layers also have different compositions can.

Die Beschichtung bzw. die Beschichtungen wird bzw. werden vorzugsweise durch ein thermisches Spritzverfahren, wie z. B. Plasma- oder Flammspritzen, aufgebracht.The coating or the coatings is or are preferably by a thermal spray process, such as. B. plasma or flame spraying applied.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine dieser Schichten die Funktion einer Isolier- oder Wärmedämmschicht erfüllt, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Kupfergrundmetall besitzt.It is advantageous if at least one of these layers functions as a Insulating or thermal insulation layer that has a lower thermal conductivity than has the copper base metal.

Erfindungsgemäß soll die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung weniger als 320 W/(m.K) betragen. Für den Fall, daß eine besonders starke Wärme­ dämmwirkung erwünscht ist, kann die Wärmeleitfähigkeit auch weniger als 10 W/(m. K) betragen.According to the invention, the thermal conductivity of the coating should be less than 320 W / (m.K). In the event that a particularly strong heat insulation effect is desired, the thermal conductivity can be less than 10 W / (m. K).

Die Wärmedämmschicht kann vorzugsweise entweder metallisch sein oder aus einer Metall-Nichtmetall-Verbindung bestehen. Andererseits kann die Wärmedämmschicht auch aus einer Mischung oder Kombination aus einem Metall und einer Metall- Nichtmetall-Verbindung zusammengesetzt sein.The thermal barrier coating can preferably either be metallic or from a Metal-non-metal connection exist. On the other hand, the thermal barrier coating also from a mixture or combination of a metal and a metal Be non-metal compound composed.

Zum Beispiel kann die Wärmedämmschicht aus einem Material auf Zirkonium-Oxid- Basis aufgebaut sein, wobei dieses zweckmäßigerweise Zusätze von Yttrium-Oxid enthält. For example, the thermal insulation layer made of a material on zirconium oxide Be built up base, this expediently additions of yttrium oxide contains.  

Als Grundschicht kann eine Beschichtung mit anderer Zusammensetzung verwendet werden, die die Haftung der eigentlichen Dämmschicht oder des Dämm­ schichtsystems auf dem Grundkörper verbessert, z. B. eine MCrAlY-Beschichtung, wobei "M" ein Metall, z. B. Fe, Ni oder Co oder eine Kombinationen dieser Elemente bedeutet.A coating with a different composition can be used as the base layer be the liability of the actual insulation layer or the insulation Layer system on the base body improved, for. B. an MCrAlY coating, where "M" is a metal, e.g. B. Fe, Ni or Co or a combination of these elements means.

Zur besseren Haftung der Beschichtung auf dem Grundmetall ist es darüber hinaus vorteilhaft, das Grundmetall vor der Beschichtung aufzurauhen.It is also for better adhesion of the coating to the base metal advantageous to roughen the base metal before coating.

Die Dicke der gesamten Beschichtung liegt vorteilhafterweise im Bereich von 0,1 bis 1,5 mm.The thickness of the entire coating is advantageously in the range from 0.1 to 1.5 mm.

Besondere Vorteile können sich je nach Anwendungsfall auch dadurch ergeben, daß unterschiedliche Anteile der ofenseitigen Kühlplattenoberfläche mit der Beschichtung bedeckt sind oder daß unterschiedliche Schichtdicken an unterschiedlichen Plattenbereichen verwendet werden:Depending on the application, special advantages can also result from the fact that different proportions of the cooling plate surface on the furnace side with the coating are covered or that different layer thicknesses at different Plate areas are used:

Wegen der vielfältigen Wechselwirkungen (Haftung, Abschmelzverhalten der Ofenschlacken, Abplatzverhalten der Ofenschlacke oder Beschichtung) der Beschichtungsmaterialien mit den unterschiedlichen Ofenschlacken, die bei unterschiedlichen Öfen innerhalb des Ofenraumes an die Kühlplattenoberfläche spritzt, kann es ferner vorteilhaft sein, daß bei einer profilierten Kühlplattenoberfläche insbesondere die weiter in den Ofenraum vorragenden Plattenbereiche eine dickere Beschichtung aufweisen als die weniger weit vorragenden Flanken der Nuten.Because of the diverse interactions (liability, melting behavior of the Furnace slag, flaking behavior of the furnace slag or coating) Coating materials with the different furnace slags, which at different furnaces within the furnace space to the cooling plate surface splashes, it may also be advantageous that with a profiled cooling plate surface in particular the thicker plate areas protruding further into the furnace chamber Have coating than the less protruding flanks of the grooves.

Claims (6)

1. Kühlplatte als Bestandteil der Ofenwand eines metallurgischen Ofens, insbesondere eines Schmelz- oder Schachtofens, welche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und von Kühlmittelkanälen durchzogen ist, wobei die dem Inneren des Ofens zugewandte Seite der Kühlplatte mit mindestens einer Beschichtung versehen ist, die eine geringere Wärme­ leitfähigkeit aufweist als das Kupfergrundmaterial.1. cooling plate as part of the furnace wall of a metallurgical furnace, in particular a melting or shaft furnace made of copper or consists of a copper alloy and is penetrated by coolant channels, the side of the cooling plate facing the interior of the furnace at least one coating is provided, which has a lower heat has conductivity than the copper base material. 2. Kühlplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die geringer als 320 W/(m.K), vorzugswei­ se geringer als 10 W/(m.K) ist.2. Cooling plate according to claim 1, characterized in that the coating has a thermal conductivity that is less than 320 W / (m.K), preferably two se is less than 10 W / (m.K). 3. Kühlplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung im Bereich von 0,1 bis 1,5 mm liegt.3. Cooling plate according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness the coating is in the range of 0.1 to 1.5 mm. 4. Kühlplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht ist.4. Cooling plate according to one of claims 1 to 3, characterized in that the respective coating by means of a thermal spray process is applied. 5. Kühlplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem Material auf Zirkonium-Oxid-Basis besteht, das vorzugsweise Yttrium-Oxid als Zusatz enthält. 5. Cooling plate according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coating is made of a zirconium oxide-based material that preferably contains yttrium oxide as an additive.   6. Kühlplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kupfergrundmaterial und der Beschichtung wenigstens eine Zwischenschicht zur Haftverbesserung angeordnet ist, die im wesentlichen aus MCrAlY besteht, wobei M ein Metall bedeutet, das vorzugsweise aus mindestens einem Element aus der Gruppe Fe, Ni oder Co ausgewählt ist.6. Cooling plate according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one between the copper base material and the coating Intermediate layer is arranged to improve adhesion, which is essentially consists of MCrAlY, where M denotes a metal, which preferably consists of at least one element from the group Fe, Ni or Co is selected.
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