DE10119034A1

DE10119034A1 - Kühlelement zur Kühlung eines metallurgischen Ofens

Info

Publication number: DE10119034A1
Application number: DE10119034A
Authority: DE
Inventors: Luciano Ambrosi; Peter Heinrich
Original assignee: SMS Demag AG
Current assignee: SMS Siemag AG
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2002-10-24
Also published as: ZA200308040B; EP1381817B1; CN1518657A; PT1381817E; WO2002084192A1; RU2003133461A; EP1381817A1; CN100342194C; ATE295521T1; ES2242855T3; DE50203089D1; RU2281974C2

Abstract

Um ein Kühlelement zur Kühlung eines metallurgischen Ofens, wobei der Ofenpanzer (113, 213, 313) des Ofens an seiner zum Ofeninnenraum (O¶i¶) hinweisenden Seite mit Feuerfest-Material (114, 214, 314) zugestellt ist, das einen Kühlteil (2, 102, 202, 302) und einen durch Wärmeleitung gekühlten Heißteil (4, 104, 204, 304), aufweist, das im Betriebszustand sofort eine Schutzschicht gegen weitere Schlackenerosion ("freeze-line") ausbildet, besteht der gesamte Heißteil nur aus einer - dünnen - Platte (5, 105, 205, 305), der kaltseitig ein separater Kühlteil (2, 102, 202, 302) in Form eines Rohres zugeordnet ist. Zudem werden entsprechende Kühlsysteme und ein Schmelzofen vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement zur Kühlung eines metallurgischen Ofens, insbesondere der Schlacken- und/oder der Metallzone dieses Ofens, wobei der Ofenpanzer des Ofens an seiner zum Ofeninnenraum weisenden Seite mit Feu erfest-Material zugestellt ist, und das Kühlelement einen mit Kühlmittel durchflos senen Kühlteil, der einen Kühlmittelzulauf- und ablauf aufweist, sowie einen durch Wärmeleitung gekühlten Heißteil umfaßt, wobei der Heißteil des Kühlelementes im eingebauten Zustand bündig mit der in den Ofeninnenraum zeigenden Stirnseite des Feuertest-Materials abschließt. Zudem betrifft die Erfindung ein System zur Kühlung eines metallurgischen Ofens, welches aus mindestens einem dieser Kühlelemente besteht, sowie einen mit einem solchen System ausgerüsteten Schmelzofen.

Solche metallurgischen Öfen finden Einsatz bei der Herstellung von Nichteisen metallen und Roheisen. Hierzu werden runde oder rechteckige Öfen eingesetzt, bei denen die erforderliche Energie über selbstbackende Elektroden vom Söder berg-Typ eingebracht wird. In vielen Fällen beginnt der Schmelzvorgang durch Einbringen der Energie über einen frei brennenden Lichtbogen, der nach Bildung einer Schaumschlacke in diese eintaucht. Wenn die Elektroden in die leitfähige, flüssige Schlacke eintauchen, wird die abgestrahlte Energie vollständig durch Wi derstandserwärmung der Schlacke an das Metallbad übertragen. In anderen Fäl len wird nur ein Teil der Energie mittels der Widerstandserwärmung der Schlacke in das Metallbad eingebracht. Die Energieübertragung wird durch kleine Lichtbö gen erreicht, die sich zwischen der Elektrode und der sich umgebenden Möller säule bilden ("brush arcing"). In beiden Fällen existiert eine heiße, flüssige Schlac ke von etwa 1.400 bis 1.700°C, die aufgrund thermischer und magnetischer Ef fekte im Ofengefäß zirkuliert. Die thermische Zirkulation wird insbesondere durch Auftriebskräfte aufgrund von Dichteänderungen durch Abkühlung an der Ofen wand angeregt.

Durch diese Zirkulation der Schlacke hin zur Ofenwand kommt es an der Ofen wand - und auch aufgrund des chemischen Angriffs durch die Schlacke - zu ei nem besonders hohen Verschleiß des Feuerfest-Materials, mit dem der Schmelz ofen ausgekleidet ist. Dieser Verschleiß kommt erst dann zum Stillstand, wenn bei gegebener Wärmebelastung die Ofenwand aus Feuerfest-Material so gut gekühlt ist, daß sich auf ihrer Heißseite- d. h. der zum Ofeninneren weisenden Seite - eine Kruste aus erstarrter Schlacke bildet. Eine solche Kruste ist unter dem Begriff "freeze line" bekannt. Diese erstarrte Schlackenschicht schützt das Feuerfest- Material vor weiterer Schlackenerosion bzw. -korrosion und ist somit eine er wünschte Schutzschicht. Je höher die Schmelzleistung des Ofens und damit die abzuführenden Wärmeströme sind, desto dünner ist allerdings die verbleibende Restwandstärke des Feuerfest-Materials.

Höhere Schmelzleistungsdichten (kW/m² Herdfläche) treten insbesondere dann auf, wenn bei existierenden Öfen das Einbringen an elektrischer Leistung erhöht werden soll, um die Produktivität zu steigern, wenn aber aus Kostengründen die Herdfläche nicht entsprechend vergrößert werden soll. Neben dem Nachrüsten von bestehenden Öfen stellt sich das Problem ebenfalls bei neu zu bauenden Öfen, die im Verhältnis zu den bekannten Öfen eine höhere Leistungsdichte auf weisen sollen.

Um diese Schutzschicht (freeze-line) trotz hoher Wärmeströme zu erzeugen bzw. möglichst dick auszubilden, ist aus dem Konferenzbericht "Furnace Cooling De sign for Modern High-Intensity Pyrometallurgical Processes", der Copper 99-Cobre 99 International Conference, Vol. V, The Minerals, Metals & Materials Society, 1999 von N. Voermann, F. Ham, J. Merry, R. Veenstra und K. Hutchinson zu ent nehmen, gekühlte Kupferkörper in die Feuerfest-Ofenwand einzusetzen. Neben sogenannten "Fingern" und "Plattenkühlern" wird insbesondere der Einsatz soge nannter "waifle coolers" vorgeschlagen. Solche "waifle coolers" sind aus Kupfer mit eingegossenen Rohren hergestellte plattenförmige Körper, die auf ihrer Heiß seite mit schwalbenschwanzförmigen Nuten und Rippen versehen sind. In diese Nuten sind Steine aus Feuerfest-Material eingesetzt oder Feuerfest-Massen ein gestampft. Die Kühlwirkung der Rippen in den "waifle coolers" bewirkt, daß sich bei Direktkontakt des Feuerfest-Materials mit flüssiger Schlacke die gewünschte "freeze line" bildet. Während derartige "waifle coolers" vorteilhafterweise eine Tragfunktion übernehmen, weisen sie als Nachteil ein hohes Gewicht sowie die daraus resultierenden hohen Herstellungskosten auf.

"Finger" und "Plattenkühler" werden von D. Tisdale, D. Briand, R. Sriram und R. McMeekin, in "Upgrading Falconbridge's No. 2 furnace crucible", veröffentlicht in "Challenges in Process lntensification", Montreal PQ, Canada, Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, 1996 beschrieben. Unter Fingern werden Kupferrohre mit einem runden Querschnitt verstanden. Es erweist sich aber als schwierig, solche Rohre in die quaderförmigen Feuerfest-Steine einzubringen. Diesen Nachteil weisen die bekannten Plattenkühler nicht auf. Diese müssen je doch - wie auch die Finger - schwer und massiv ausgeführt werden, da ihre Ab messungen durch den Durchmesser der in ihnen verlaufenden Bohrungen für das Kühlwasser bestimmt sind, was die Herstellung kostenintensiv macht. Finger, Plattenkühler sowie die waifle coolers durchdringen im Neuzustand nicht die ge samte Dicke der Feuerfest-Ofenwand, sondern benötigen noch Mauerwerk vor ihrer ofenseitigen Stirnwand. Zudem bleiben sie ohne Verbindung zur äußeren Wand des Ofens, dem sogenannten Panzer, damit eine Zwängung durch unter schiedliche thermische Ausdehnungen des Feuerfest-Mauerwerks und des Pan zers vermieden wird.

Aus E. Granberg, G. Carlsson, "Development of a device for cooling of the safety zone in the electric arc furnace", vorgetragen und veröffentlicht bei dem 3^rd Euro pean Electric Steel Congress, 2.-4. Oktober 1989, Bournemouth, sind Kühlele mente für die Sicherheitszone in Elektroschmelzöfen zur Stahlherstellung bekannt, deren Wirkung auf dem Wärmetransport von der Heißseite im Inneren des Ofens zu einem Kühlmedium außerhalb des Ofenpanzers basiert. Das Kühlelement aus gegossenem Kupfer umfaßt ein wassergekühltes Verbindungsteil, an dem mehre re massive Plattenkühler kammartig angeordnet sind, die in das Ofeninnere ragen. Zwischen den Plattenkühlern ist Feuerfest-Material angeordnet. Das Verbin dungsteil ist außerhalb des Ofenpanzers angeordnet. Dicke und Mittenabstand der Plattenkühler können variiert werden. Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß bei ei ner Ausbildung mit dünnen Plattenkühlern die Belastung an der Heißseite sehr groß wird, verbunden mit der Gefahr des Oxidierens des Kupfers und einem Ver lust der Wärmeleitfähigkeit, während bei einer Ausbildung von dickeren Platten kühlern die Materialkosten steigen und eine unsymmetrische Kühlung die Folge ist.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Kühlelement sowie ein Kühlsystem für einen metallurgische Ofen bereitzustellen, das bei Vermeidung der oben genannten Nachteile eine Heißseite aufweist, die im Betriebszustand sofort eine freeze-line ausbildet. Zudem soll ein Ofen bereitgestellt werden, der bei Aus rüstung mit einem solchen System eine hohe mechanische Stabilität aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Kühlelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, Kühlsysteme mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 sowie einen Ofen mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 16 und 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterent wicklungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß der gesamte Heißteil als eine - einzige - Platte ausgebildet ist, und daß der Platte kaltseitig, d. h. an ihrer vom Ofeninne ren wegweisenden Seite, ein separater, mit Kühlmittelzu- und ablauf versehener - einziger - Kühlteil zugeordnet ist.

In Abkehr von den bekannten Lösungen wird ein Kühlelement aus einer einzigen Platte gebildet, an die ein separater und von anderen Kühlelementen unabhängi ger Kühlteil angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein günstiges Verhältnis der Flä che des Heißteils zur Fläche des Kühlteils erreicht, verbunden mit günstigen Kühl eigenschaften. Deswegen bildet sich im Betriebszustand unmittelbar auf der Heiß seite des Kühlelementes, d. h. auf der in Richtung Ofeninneres weisenden Stirn seite des Feuerfest-Materials sowie der Stirnseite der Platte, schnell eine Schutz schicht bzw. freeze-line aus.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlteil ein Rohr, wobei die Platte mit ihrer vom Ofeninneren wegweisenden Seite unlös bar an das Rohr parallel zur Rohrlängsachse angebracht ist. Die Verbindung wird über einen Vollanschluß, vorzugsweise durch Verschweißen, zur Gewährung ei nes guten Wärmetransportes erreicht. Vorteilhafterweise besteht das Kühlelement aus einer Kupferplatte und einem Kupferrohr und hierbei aus Teilen von Stan dardmaß, die lagerhaltig zur Verfügung stehen, was die Material- und vor allem die Bearbeitungskosten erheblich reduziert. Insgesamt wird auf diese Weise ein vielseitig einsetzbares, kostengünstiges und zuverlässiges Kühlelement geschaf fen. Von besonderem Vorteil ist auch, daß die verwendeten Bestandteile (Platte, Rohr) aufgrund ihrer Herstellungsart (Walzen, Strangpressen) keine grobkörnige Gußstruktur ausweisen, sondern ein gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge. Dies bedingt bessere Wärmeleitfähigkeitseigenschaften sowie eine geringere Neigung zur Rißbildung bzw. -ausbreitung.

Vorzugsweise ist die Platte im Sinne eines Blechs sehr dünn ausgebildet. Die Plattendicke umfaßt Bereiche von 10 bis 40 mm, vorzugsweise von 20 bis 40 mm. Um Verwerfungen der dünnen Platte bzw. des Blechs aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung über die Plattenfläche zu vermeiden, wird vorgeschla gen, die Platte bzw. das Blech senkrecht zur Längsachse des Kühlrohres zu schlitzen. Aufgrund der Auftrennung in einzelne unabhängige Plattenstreifen und zudem wegen der geringen Dicke wird eine flexible Anpassung an Ausdehnungs bewegungen des Feuerfest-Materials erreicht. Dies hat außerdem den besonde ren Vorteil, daß die Bildung isolierender Luftspalte zwischen dem Feuerfest- Material bzw. -Mauerwerk und der Platte vermieden wird.

Die Schlitzabstände sind vorzugsweise gleichmäßig eingebracht. Es empfehlen sich Abstände von ca. 100 bis 400 mm bei Schlitzbreiten von 2-5 mm.

Bei den vorgeschlagenen Kühlsystemen können sich folgende Typen ergeben:
Kühlsystem nach Typ I mit vertikal angeordneten Kühlelementen, deren Kühlteil bzw. Rohr außerhalb des Ofenpanzers angeordnet ist; Kühlsystem nach Typ II mit vertikal angeordneten Kühlelementen, deren Kühlteil bzw. Rohr innerhalb des Ofenpanzers angeordnet ist; Kühlsystem nach Typ III mit horizontal angeordneten Kühlelementen, deren Kühlteil bzw. Rohr außerhalb des Ofenpanzers angeordnet ist; Kühlsystem nach Typ IV mit horizontal angeordneten Kühlelementen, deren Kühlteil bzw. Rohr innerhalb des Ofenpanzers angeordnet ist.

In Abhängigkeit der Schmelzleistungsdichte und dem Abstand Elektrode zur Ofenwand werden die Kühlsysteme ausgelegt und zwar durch Wahl der Geome trie der Platten und/oder des Abstandes zwischen Heißseite und Kühlteil und/oder des Abstandes der Platten zueinander. Im Verhältnis zu bekannten Plattenkühlern ist die Platte des Heißteils dünn ausgebildet. Der Abstand zwischen Heißseite und Kühlteil, d. h. dem Rohr, ist relativ kurz. Vorzugsweise weist die Platte eine recht eckige Geometrie auf.

Bei derartigen Kühlsystemen wird der vertikale bzw. horizontale Abstand der Kühlelemente zu ihrem nächst benachbarten Kühlelement entsprechend des oder eines Mehrfachen des Höhen- bzw. des Breitenformates von Feuerfest-Steinen als Feuerfest-Material bemessen. Dies hat bei der horizontalen Anordnung den Vorteil, daß die Anzahl der übereinander angeordneten Kühlelemente flexibel der Höhe der Schlackenzone bzw. der Metallzone angepaßt werden kann. Schneidar beiten an den Feuerfest-Steinen entfallen; der Montageaufwand sinkt.

Vorzugsweise wird vorgeschlagen, die Kühlelemente eines Kühlsystems wasser seitig in Serie hintereinanderzuschalten, wobei der Kühlmittelablauf eines Kühle lementes - ggf. über ein starres Verbindungsrohr oder flexible Verbindungsleitun gen - mit dem Kühlmittelzulauf eines benachbarten Kühlelementes verbunden ist. Die Anzahl der Kühlelemente, die in Serie hintereinander geschaltet werden kön nen, richtet sich nach der verfügbaren Kühlwasserqualität und/oder der zulässigen Maximaltemperatur des Kühlwassers.

Die Ofenkonstruktion, insbesondere die Ofenwand, soll erfindungsgemäß an die einzelnen Kühlsysteme und ihre Besonderheiten angepaßt sein. Für ein Kühlsy stem des Typs III wird ein runder oder ein rechteckiger Schmelzofen vorgeschla gen, dessen Ofenpanzer im Bereich der Kühlzone in Richtung Ofeninneres einge zogen ausgeformt ist und der Schottbleche zur Stützung des nun vorragenden oberen Bereichs des Ofenteils aufweist. Diese Ofenpanzerkonstruktion erreicht, daß die Schwächung seiner mechanischen Tragfähigkeit aufgrund der für die Kühlelemente notwendigen horizontalen Schlitzungen mit relativ geringem verti kalen Abstand kompensiert wird.

Bei horizontaler Anordnung werden in den Ofenpanzer Schlitze mit einer der hori zontalen Ausdehnung des Kühlelementes entsprechenden Länge eingebracht. Die Höhe der Schlitze wird hierbei vorteilhafterweise so gewählt, daß das jeweilige Kühlelement die unvermeidbare thermische Ausdehnung des Feuerfest-Materials mitmachen kann, ohne in dieser Bewegung durch die Schlitzober- bzw. Unter kante behindert zu werden. Es ergibt sich daher eine relativ große Höhe der Schlitze.

Bei dem Kühlsystem nach Typ IV müssen im Verhältnis zu Typ III nur kleinere Öffnungen und somit Schwachstellen in den Ofenpanzer für die Kühlmittelab- und -zuläufe des Kühlteils bzw. des Rohres eingebracht werden. Bei dieser Lösung wird die statische Tragfähigkeit des Ofenpanzers nur gering vermindert. Eine Er höhung der Tragfähigkeit ist aber noch durch die gegeneinander versetzte Anord nung der übereinander angeordneten Kühlelemente möglich.

Die Kühlsysteme des Typs I und II kommen insbesondere für Rundöfen in Frage. Die Geometrie der Platten, konkret ihre Länge, ist vorzugsweise an die Höhe der Schlackenzone angepaßt. Beim Typ I, bei der sich die Platte des Heißteils durch den Ofenpanzer erstreckt und sich das Kühlteil bzw. Rohr außerhalb des Ofen panzers befindet, kann ein durch die vertikalen Schlitze in seiner Stabilität ge schwächter Ofenpanzer zur Aufnahme der Ringspannungen aus der thermischen Ausdehnung des Feuerfest-Materials durch Rippen oder Ringe mechanisch ver stärkt werden, wobei gewährleistet ist, daß die vertikalen Schlitze im Ofenpanzer eine freie Bewegung der in das Feuerfest-Material integrierten Kühlelemente ins besondere nach oben zulassen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren dar gestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden. Dabei sind neben den oben aufgeführten Kombinationen von Merkmalen auch Merkmale al leine oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäß vorgeschla genen Kühlelements, das sich aus einer Platte und einem Rohr zusammen setzt;

Fig. 2 einen Querschnitt des Kühlelementes nach Fig. 1 längs der Linie A-A;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Ofenwand mit integriertem Kühlsystem des Typs III und eingeformten Ofenpanzer;

Fig. 4 einen Horizontalschnitt B-B durch eine Ofenwand mit einem Kühlsystem nach Fig. 3;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch eine Ofenwand mit integriertem Kühlsystem des Typs IV;

Fig. 6 einen Horizontalschnitt B-B durch eine Ofenwand mit einem Kühlsystem nach Fig. 5.

Fig. 7 die Darstellung eines Kühlsystems nach dem Typ IV, wobei die übereinander liegenden Kühlelemente versetzt angeordnet sind;

Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch eine Ofenwand mit integriertem Kühlsystem nach Typ I.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Kühlelementes 1, welches sich aus einem mit Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, durchflossenen Kühlteil 2 in Form eines Rohres 3 mit einem Innendurchmesser d_i und einer Wandstärke d_w sowie einen nur durch Wärmeleitung gekühlten Heißteil 4 zusammensetzt. Der Heißteil 4, der also nicht von Kühlwasser durchflossen wird, besteht aus einer dünnen Platte 5 aus Kupfer, die im nachfolgenden als Kupferblech bezeichnet wird. Das Rohr 3 ist ebenfalls aus Kupfer gefertigt und entspricht einem Kupferrohr-Standardmaß bzw. Normmaß. Das Kupferblech ist mit seiner kaltseitigen Längsseite 6 an den Rohrmantel 7 parallel zur Rohrlängsachse geschweißt und ist, ausgehend von der Heißseite 8, mit Schlitzen 9 versehen, die sich bei der gezeigten Ausführungsform bis zur Schweißnaht 10 erstrecken. Die an der Heißseite 8 auftreffende Wärme vom Ofeninnenraum O_i wird mittels Wärmeleitung durch das Kupferblech an das Rohr 3 und hier an das das Rohr 3 durchfließende Kühlmittel abgegeben. Der ei nen ungestörten Wärmetransport ermöglichende Vollanschluß zwischen Kupfer blech und Rohr 3 - hier in Form der Schweißnaht 10 - wird auch in Fig. 2 deutlich. Das Kupferblech ist relativ dünn ausgebildet, vorzugsweise zwischen 20 bis 40 mm dünn. Vorteilhafterweise kommt ebenfalls Kupferblech eines Normmaßes zur Anwendung. In Kombination mit den Schlitzen 9 ergibt sich ein flexibles Kup ferblech, welches einen hohen Wärmetransport ermöglicht und gleichzeitig thermi sche Ausdehnungen des Feuerfest-Materials mitmachen kann.

Die Anordnung einer Vielzahl von Kühlelementen 101 zu einem Kühlsystem wird in Fig. 3 dargestellt. Bei dem hier gezeigten Kühlsystem des Typs III (11) sind die Kühlelemente 101 horizontal angeordnet, d. h. das als Kupferblech ausgebildete Heißteil 104 wird in die Ofenwand 112 so eingebaut, daß die Plattenebene sich senkrecht zur Längsachse des Ofens erstreckt.

Die Ofenwand 112 setzt sich aus dem Ofenpanzer 113 und Feuerfest-Material 114 zusammen, mit dem der Ofen auf seiner zum Ofeninneren O_i weisenden Seite zugestellt ist. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der Ofenpanzer 113 mit Feuerfest-Steinen 115 eines bestimmten Höhenmaßes H_F ausgemauert und im Übergang zu den Feuerfest-Steinen 115 mit Feuerfest-Stampfmasse 116 ausge füllt. Die einzelnen Kühlelemente 101 werden so in der Kühlzone angeordnet, daß die Heißseite 108 der dünnen Kupferplatte 105 bzw. des Kupferblechs, d. h. die unmittelbar der Ofenatmosphäre ausgesetzte Stirnseite, im eingebauten Zustand bündig mit der in den Ofeninnenraum O_i zeigenden Stirnseite 117 der Feuerfest- Steine 115 abschließt, d. h. es ist kein Feuerfest-Material vor der Stirnseite der Kupferplatten notwendig.

Die Kühlelemente 101 sind bei dieser Ausführungsform jeweils in einem Abstand von zwei Feuerfest-Steinen 115 übereinander angeordnet, wobei die Ausmaue rung jeweils von einem Steinanker 118 am Ofenpanzer 113 gehalten wird. Durch ihre Bauweise und die Anordnung zwischen den Feuerfest-Steinen sind die Küh lelemente weitgehend selbsttragend, was Befestigungselemente einspart.

Die jedem einzelnen Kupferblech zugeordneten Kupferrohre 103, die einen Kühl kanal 119 bilden, sind außerhalb des Ofenpanzers 113 angeordnet. Am Ende ei nes jeden Rohres 103 sind Rohrabschnitte 120, 121 bzw. Übergänge zu Kühlmit telzuläufen 122 bzw. Kühlmittelabläufen 123 vorgesehen, vgl. hierzu auch Fig. 4. Insgesamt bildet sich durch das günstige Verhältnis der Fläche des Heißteils 104 zur Fläche des Kühlteils 102 der einzelnen Kühlelemente 101 entlang der Heiß seite der Ausmauerung schnell eine Schutzschicht bzw. freeze-line 124 (es ist nur ein Abschnitt der freeze-line dargestellt) aus. Auf diese Weise ist die Restwand stärke der nicht durch Erosion angegriffenen Feuerfest-Steine 115 groß.

Da die Kupferrohre 103 der einzelnen Kühlelemente 101 außerhalb des Ofenpan zers 113 liegen, sind in den Ofenpanzer 113 entsprechende Öffnungen 125 bzw. Schlitze eingebracht, die etwas länger als die Kupferblechlänge sind und deren Höhe H_Ö nicht zu niedrig sein darf, damit das Kupferblech bei Bewegungen der Feuerfest-Steine 115 in der Schlitzöffnung 125 nicht behindert wird. Um die Schwächung des Ofenpanzers 113 aufgrund der Öffnung zu kompensieren, ist der Ofenpanzer 113 im Bereich der durch das Kühlsystem 11 gebildeten Kühlzone, die in etwa der Schlackenzone entsprechen kann, nach innen gewölbt ausgebildet (vgl. Fig. 3). Auf den Ofenpanzer 113 wirkende Kräfte von höher liegenden Teilen der Ofenkonstruktion 126 werden über Schottbleche 127 aufgefangen bzw. nach unten weitergeleitet.

Die sich unterhalb der Schlackenzone anschließende Metallzone kann ebenfalls mit einem derartigen Kühlsystem 11 ausgebildet sein oder - wie hier gezeigt - mit einer von außen auf den Ofenpanzer 113 wirkenden Rieselkühlung 128. Hierzu wird der Ofenpanzer 113 auf seiner vom Ofeninneren wegweisenden Seite so ummantelt, daß ein Zwischenraum 129 entsteht. Kühlwasser wird mittels eines Einspeiserohrs 130 so in den Zwischenraum 129 eingebracht, das es entlang der Außenseite des Ofenpanzers 113 herabrieselt.

Die Anordnung der oben erwähnten Schottbleche 127 wird insbesondere in Fig. 4 deutlich, die einen Horizontalschnitt durch das in Fig. 3 gezeigte Kühlsystem 11 in der Ofenwand 112 eines Schmelzofens längs der Linie B-B- zeigt. Die Länge der Kupferrohre 103, die Werte zwischen einem Meter und mehreren Metern anneh men kann, oder auch unterhalb von einem Meter, entspricht in etwa der Länge des Kupferblechs.

Der oben beschriebene Kühlsystemtyp III (11) mit außerhalb des Ofenpanzers liegenden Kupferrohren kommt insbesondere bei Schmelzöfen zum Einsatz, die mit Feuerfest-Material zugestellt sind, welches bei hohen Temperaturen mit Was ser reagiert, wie zum Beispiel Magnesiumoxid. Sofern eine Anordnung von kühl wasserleitenden Rohren innerhalb des Ofenpanzers akzeptiert werden kann, kommt ein Kühlelementsystem nach Typ IV (12) zum Einsatz, welches in Fig. 5 und 6 näher dargestellt ist. Fig. 5 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Ofenwand 212, während Fig. 6 einen Horizontalschnitt darstellt.

Die Kupferrohre 203 mit dem Kühlkanal 219 der Kühlelemente 201 sind innerhalb der Feuerfest-Stampfmasse 216 angeordnet, die sich zwischen dem Ofenpanzer 213 und den Feuerfest-Steinen 215 befindet. Ebenso wie bei dem Kühlsystem nach Typ III (11) sind die dünnen Platten 205 bzw. Kupferbleche zwischen einzel nen Feuerfest-Steinen 215 angeordnet. Der Ofenpanzer 213 wird mit Öffnungen 225 für den Durchtritt der beiden Rohrabschnitte 220, 221 für den jeweiligen Kühlmittelzulauf 222 und den jeweiligen Kühlmittelablauf 223 eines jeden Kupfer rohres 203 versehen. Obwohl bei diesem Kühlsystem 12 der Ofenpanzer 213 weit weniger geschwächt wird, können Schottbleche 227 zur Erhöhung der Stabilität vorgesehen werden (vgl. Fig. 6), die sich auf der Kaltseite des Ofenpanzers 213 im Ofengefäß 230 erstrecken.

Eine Erhöhung der Stabilität wird bei einem Kühlsystem des Typs IV (12) zudem durch eine versetzte Anordnung der übereinander angeordneten Lagen von Küh lelementen 201 erreicht, was mit Fig. 7 gezeigt wird. Fig. 7 zeigt - von der Kaltseite des Ofenpanzers gesehen - ein Kühlsystem des Typs IV (12) mit innen liegenden Kupferrohren 203 von übereinander horizontal angeordneten Kühlelementen 201 eines ersten, zweiten, dritten und vierten Niveaus. Über einen gemeinsamen Speisekanal 231 tritt Kühlwasser durch die Eintrittsrohrabschnitte 220, die durch jeweilige Öffnungen im Ofenpanzer ragen, in die Kupferrohre 203 der Kühlele mente 201 des ersten bzw. untersten Niveaus ein, um durch entsprechende Aus trittsrohrabschnitte 221 wieder auszutreten. Bei der hier gezeigten Ausführungs form tritt das Kühlwasser aber nicht sofort aus, sondern wird über innen liegende - ebenfalls in die Feuerfest-Stampfmasse eingebettete - Verbindungsrohre 232 zu den Eintrittsrohrabschnitten 220 des Kupferrohres 203 der Kühlelemente 201 des nächst höheren Niveaus transportiert. Dieser Kühlwassertransport wird solange weitergeführt, bis auch die Kupferrohre 203 der Kühlelemente 201 des vierten bzw. obersten Niveaus durchflossen sind und das Kühlwasser durch Austrittsrohr abschnitte 221 und Kühlwasserabläufe 223 in einen gemeinsamen Rücklaufkanal austritt, um von dort in ein Kühlwasser-Rückkühlsystem (nicht gezeigt) geführt zu werden.

Kühlsysteme nach dem Typ III (11) und IV (12) finden insbesondere bei Recht ecköfen Verwendung, während Kühlsysteme nach dem Typ I und II insbesondere bei Rundöfen Verwendung finden. Einen Vertikalschnitt von Kühlelementen eines Systems nach Typ I (13) zeigt Fig. 8. Bei diesem Typ eines Kühlsystems werden die Kühlelemente 301 so in der Ofenwand angeordnet, daß die Ebene der Platten 305 bzw. die Längsachse der Kupferrohre 303 parallel zur Ofenlängsachse ver läuft. Der Kühlteil 302 bzw. das Kupferrohr 303 eines jeden Kühlelementes 301 befindet sich außerhalb des Ofenpanzers 313. Die Länge der Kupferbleche ent spricht vorzugsweise der Höhe der Schlackenzone. Mit 309 sind die Schlitze des Kupferblechs bezeichnet. Zum Einbau der Kühlelemente 301 werden in den Ofen panzer 313 schmale, aber in vertikaler Richtung lange Öffnungen 325 bzw. Schlit ze eingebracht. Der Ofenpanzer 313 wird vorzugsweise durch Rippen oder Ringe 335a, b verstärkt.

Claims

1. Kühlelement zur Kühlung eines metallurgischen Ofens,
wobei der Ofenpanzer (113, 213, 313) des Ofens an seiner zum Ofeninnen raum (O_i) hinweisenden Seite mit Feuerfest-Material (114, 214, 314) zuge stellt ist, umfassend
einen mit Kühlmittel durchflossenen Kühlteil (2, 102, 202, 302), der einen Kühlmittelzulauf (122, 222, 322) und einen Kühlmittelablauf (123, 223, 323) aufweist,
sowie einen durch Wärmeleitung gekühlten Heißteil (4, 104, 204, 304),
wobei der Heißteil des Kühlelementes im eingebauten Zustand bündig mit der in den Ofeninnenraum (O_i) zeigenden Stirnseite (117) des Feuertest- Materials (114, 214, 314) abschließt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gesamte Heißteil als eine Platte (5, 105, 205, 305) ausgebildet ist,
und daß dieser Platte (5, 105, 205, 305) kaltseitig ein separater Kühlteil (2, 102, 202, 302) zugeordnet ist.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlteil ein Rohr (3, 103, 203, 303) ist und
daß die Platte (5, 105, 205, 305) mit ihrer vom Ofeninneren (0) wegwei senden Seite unlösbar an das Rohr (3, 103, 203, 303) parallel zur Rohr längsachse angebracht ist.

3. Kühlelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5, 105, 205, 305) an das Rohr (3, 103, 203, 303) mit einem Vollanschluß angebracht ist.

4. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5, 105, 205, 305) eine Dicke von 10 bis 40 mm, vorzugswei se 20 bis 40 mm, aufweist.

5. Kühlelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5, 105, 205, 305) senkrecht zur Längsachse des Rohres (3, 103, 203, 303) verlaufende Schlitze (9, 309) aufweist, die, ausgehend von der nicht mit dem Rohr verbundenen Plattenseite, in Richtung Rohr in die Platte eingebracht sind.

6. Kühlelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Schlitze (9, 309) gleichmäßig sind und die Schlitze (9, 309) sich bis zum Rohr (3, 103, 203, 303) erstrecken.

7. Kühlelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3, 103, 203, 303) eine Länge von einem Meter bis zu mehre ren Metern aufweist.

8. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die den Heißteil bildende Platte (5, 105, 205, 305) als auch das den Kühlteil bildende Rohr (3, 103, 203, 303) aus Kupfer oder einem ande ren wärmeleitendem Material gefertigt sind.

9. System zur Kühlung eines metallurgischen Ofens mit mindestens einem Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei der Ofenpanzer (113, 213) des Ofens an seiner zum Ofeninnenraum (O_i) hinweisenden Seite mit Feuerfest-Material (114, 214) zugestellt ist, und
wobei das jeweilige Kühlelement einen mit Kühlmittel durchflossenen Kühl teil (102, 202), der einen Kühlmittelzulauf (122, 222) und einen Kühlmitte lablauf (123, 223) aufweist, sowie einen durch Wärmeleitung gekühlten Heißteil (104, 204) umfaßt und wobei der Heißteil des Kühlelementes im eingebauten Zustand bündig mit der in den Ofeninnenraum zeigenden Stirnseite (117) des Feuerfest-Materials (114, 214) abschließt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das als eine einzige Platte (105, 205) ausgebildete Heißteil in die aus Ofenpanzer (113, 213) und Feuerfest-Material (114, 214) gebildete Ofen wand (112) so eingebaut wird, daß die Plattenebene sich senkrecht zur Längsachse des Ofens erstreckt (horizontale Anordnung).

10. System zur Kühlung eines metallurgischen Ofens mit mindestens einem Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Ofenpanzer (313) des Ofens an seiner zum Ofeninnenraum (O_i) hinweisenden Seite mit Feuerfest-Material (314) zugestellt ist, und wobei das jeweilige Kühlelement einen mit Kühlmittel durchflossenen Kühlteil (302), der einen Kühlmittelzulauf (322) und einen Kühlmittelablauf (323) aufweist, sowie einen durch Wärmeleitung gekühlten Heißteil (304) umfaßt und wobei der Heißteil des Kühlelementes im eingebauten Zustand bündig mit der in den Ofeninnenraum zeigenden Stirnseite des Feuerfest-Materials abschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das als eine einzige Platte (305) ausgebildete Heißteil in die aus Ofen panzer (314) und Feuerfest-Material (314) gebildete Ofenwand so einge baut wird, daß die Plattenebene sich parallel zur Längsachse des Ofens er streckt (vertikale Anordnung).

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Kühlmittel durchflossene Kühlteil (202) des jeweiligen Kühlele mentes (201) an der zum Ofeninneren (O_i) hinweisenden Seite des Ofen panzers (213) angeordnet ist.

12. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Kühlmittel durchflossene Kühlteil (102, 302) an der vom Ofeninneren (O_i) wegweisenden Seite des Ofenpanzers (113, 313) ange ordnet ist.

13. System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Platten (105, 205, 305) und/oder der Abstand zwi schen Heißseite (108) und Kühlteil (102) und/oder der Abstand der Platten (105, 205, 305) zueinander der Kühlelemente entsprechend der Schmelzleistungsdichte ausgelegt sind.

14. System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Platten (105, 205, 305) von benachbarten Kühlele menten (101, 201, 301) entsprechend des oder eines Mehrfachen des Hö hen- (H_F) bzw. des Breitenformates von Feuertest-Steinen (115, 215) als Feuerfest-Material bemessen ist.

15. System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelablauf eines Kühlelementes mit dem Kühlmittelzulauf ei nes benachbarten Kühlelementes (201) verbunden ist.

16. Schmelzofen mit einem System nach den Ansprüchen 9 und 12 zur Küh lung der Schlacken- und/oder Metallzone mit mindestens einem Kühlele ment nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß bei horizontaler Anordnung mehrerer Lagen von Kühlelementen (101), die eine Kühlzone bilden, und bei einer Anordnung des mit Kühlmittel durchflossenen Kühlteils (102) an der vom Ofeninneren (O_i) wegweisenden Seite des Ofenpanzers (113) der Ofenpanzer (113) im Bereich dieser Kühlzone in Richtung Ofeninnen raum (O_i) eingezogen ausgeformt ist und
daß er mittels einer Blechkonstruktion, insbesondere mittels Schottblechen (127), zur Weiterleitung von Vertikalkräften oberhalb der Kühlzone gestützt ist.

17. Schmelzofen mit einem System nach den Ansprüche 10 und 12 zur Küh lung der Schlacken- und/oder Metallzone mit mindestens einem Kühlele ment nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß bei vertikaler Anordnung mehrerer Kühlelemente (301), die eine Kühl zone bilden,
und bei einer Anordnung des mit Kühlmittel durchflossenen Kühlteils (302) an der vom Ofeninneren (O_i) wegweisenden Seite des Ofenpanzers (313) der Ofenpanzer (313) durch Rippen (335a, b) oder Ringe verstärkt ist.

18. Schmelzofen nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch einen Rundofen (O_R) oder Rechteckofen (O_Re) zur Herstellung von Nichtei senmetallen oder von Roheisen oder durch einen Lichtbogenofen zur Her stellung von Stahl.