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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Wandpaneel für Schmelzöfen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1.
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Zur
Gewinnung von Metallen, insbesondere von Edelmetallen, aus Gestein
und/oder Erz werden Lichtbogenöfen
und Niederschacht-Lichtbogenöfen eingesetzt.
Moderne Ausführungen
dieser Öfen
weisen wassergekühlte
Seitenwände
aus Kupfer auf, an denen die Schlacke bzw. das geschmolzene Metall eine
erstarrte Schutzschicht (frozen lining) bildet. Diese Schutzschicht
verhindert, daß flüssiges Schmelzgut
die metallenen, wassergekühlten
Seitenwände
unmittelbar berührt.
Für den
Aufbau solcher Ofen-Seitenwände
wird eine Mehr- oder Vielzahl von Wandpaneelen der vorgenannten
Art verwendet.
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Obwohl über den
einen oder die mehreren Kühlkanäle in der
Plattenwandung derartiger Wandpaneele eine intensive Wasserkühlung vorgenommen
wird, kommt es trotz der erstarrten Schutzschicht an der zur Schmelze
hin liegenden Innenseite der Wandpaneele zu Korrosion und zum Abtrag
des Metalls. Dies wird hervorgerufen durch eine teilweise Zerstörung der
erstarrten Schutzschicht wie auch durch die Anwesenheit von chemischen
Substanzen im Schmelz gut. Die Erosion an den metallenen Wandpaneelen
führt dann
zu erheblichen Problemen, wenn das Metall, wie das Kupfer, soweit
abgetragen ist, daß die
in den Plattenwandungen der Paneele angeordneten Kühlwasserkanäle angegriffen werden.
In diesem Fall tritt Wasser in die bis zu 1700°C heiße Metallschmelze ein, Dampf-
und Wasserstoffexplosionen sind die Folgen, welche nicht nur enorme
Anlagenschäden
und Produktionsausfälle verursachen,
sondern auch für
das Bedienungspersonal höchst
gefährlich
sind.
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Um
das geschilderte Problem zu beherrschen, werden in die Plattenwandung
der Paneele Sensoren in Gestalt von Mantelthermoelementen eingelassen,
wie es aus dem Dokument
EP
1 069 389 A1 bekannt ist. Diese Thermoelemente sind in orthogonal
von außen
her in die die Paneele bildenden Metallplatten eingebrachten Bohrungen
angeordnet. Wenn auch über
die Dicke der Plattenwandung gesehen die Thermoelemente in unterschiedlichen
Tiefen angeordnet werden, ist der Erfolg der damit ausgeführten Meßmethode
unzureichend, denn ein Thermoelement mißt nur punktuell, und es können nicht
unendlich viele dieser Meßelemente
in den Metallwandungen der Paneele vorgesehen werden. Darüberhinaus
ist es nicht möglich,
die Thermoelemente unmittelbar vor den Kühlkanälen in Richtung zur Platteninnenseite
hin anzuordnen, weil beim Einbringen der Bohrungen die in den Plattenwandungen angeordneten
Kühlkanäle nicht
beschädigt
werden dürfen.
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Eine
andere Möglichkeit
ist, die Lebensdauer der Wandpaneele nach statistischen Methoden
festzulegen. Jedoch führen
Abweichungen in der Zusammensetzung des zu schmelzenden Gesteins oder
bereits stochastische Störungen
im Produktionsablauf zu abnormem Verschleiß, weswegen man auch auf diese
Weise die geschilderten Probleme nicht zuverlässig in den Griff bekommen
kann.
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Bei
Feuerfestauskleidungen von Schmelzöfen ist es aus dem Dokument
DE 102 36 033 A1 bekannt,
zwischen der äußeren Ofenwandung
und der darauf innenseitig angeordneten feuerfesten Auskleidung
Lichtleitfasern anzuordnen, um eine Temperaturüberwachung im Hinblick auf
Schmelzendurchbrücke
durch die feuerfeste Auskleidung hindurch anhand der faseroptischen
Rückstreumessung
vornehmen zu können.
Mangels wasserdurchflossener Kühlkanäle kommt
es auf eine vorbestimmte Lage der linienförmig sich erstreckenden Lichtleitfasern entlang
der Ofenwandung nicht an.
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Ein ähnliches
System zur Erkennung von Wanddurchbrüchen bei Schmelzöfen mittels
Lichtleitern, die axial, wendelförmig,
einfach oder gekreuzt flächig
auf die Außenhaut
eines keramischen Tiegels aufgebracht werden, ergibt sich aus dem
Dokument
DD 240 947
A1 .
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Das
Dokument JP 06-185870 A beschreibt den Aufbau einer Wandung vornehmlich
für einen
Induktionsschmelzofen, und bei dieser Wandung handelt es sich um
eine doppelt hohle Wandung. Dadurch ist eine erste zur Schmelze
hin liegende Kammer gebildet, in der sich ein vorzugsweise in ein
ein zu kühlendes
Schmelzenbindemittel eingebetteter Temperatursensor befindet. Eine
zweite von der Schmelze abliegende Kammer ist in der Wandung vorhanden,
die von Kühlwasser
durchströmt
wird. Dringt Schmelze in die erste innere Kammer ein und kann darin
die Schmelzenpenetration nicht mehr gestoppt werden, wird dies über den
Temperatursensor signalisiert, um den Schmelzofen rechtzeitig außer Betrieb
setzen zu können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallenes Wandpa neel
für einen
Schmelzofen mit erhöhter
Sicherheit zu schaffen, indem der zumindest eine Sensor zur Erfassung
des Verschleißzustandes
so ausgebildet und angeordnet ist, daß der Fortschritt des Materialabtrags
von der Platteninnenseite des Paneels her zuverlässig signalisiert werden kann,
noch bevor er den Kühlkanal
in der Plattenwandung erreicht.
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Diese
Aufgabe wird nach der Erfindung bei einem Wandpaneel der eingangs
genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Für die Erfindung
ist wesentlich, daß der
von der Platteninnenseite des Wandpaneels her gesehen jeweils vor
dem Kühlkanal
angeordnete Liniensensor einen sicheren Schutz vor dem Zusammentreffen
der Schmelze mit dem Kühlwasser
gewährleistet.
Denn der Liniensensor ist exakt vor dem Kühlwasserkanal entweder entlang
einer dem Verlauf des Kühlkanals folgenden
Linie oder bandförmigen,
zur Platteninnseite parallelen Fläche so angeordnet, daß er den Werkstoffabtrag
bzw. die gefährlich
nahegekommene Schmelze sicher erkennt und signalisiert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
noch näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt durch ein Wandpaneel für einen Schmelzofen im unverschlissenen Ausgangszustand,
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2 einen
Vertikalschnitt durch ein Wandpaneel entsprechend dem von 1 bei
Erreichen der Verschleißgrenze,
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3 eine
perspektivische Wiedergabe der Kühlkanalanordnung
für die
Wandpaneele nach den 1 oder 2,
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4 einen
vergrößerten Querschnitt
durch die Plattenwandung eines Wandpaneels gemäß den 1 oder 2 mit
einer Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung,
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5 eine
schematische Ansicht der Anordnung der Sensoreinrichtung mit Auswerteinheit
für ein
Wandpaneel entsprechend der Ausführung
nach 4 und
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6 in
vergrößerter,
perspektivischer Darstellung einen Abschnitt eines Kühlkanals
mit benachbart angeordnetem Sensor für ein Wandpaneel in der 4 entsprechenden
Ausführung.
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Die 1 und 2 zeigen
den Aufbau eines Wandpaneels, welches im wesentlichen aus einer
Metallplatte 1 besteht, die eine über ihre Dickenrichtung sich
erstreckende Pattenwandung 2 aufweist. Die Plattenwandung 2 hat
eine Platteninnenseite 4, die in der Einbaulage zur Ofeninnenseite
hin angeordnet ist. An der gegenüberliegenden
Seite ist die Metallplatte 1 durch einstückig mit
der Plattenwandung 2 verbundene Stege 3 versteift,
die sich entlang dem Plattenrand und den längs- und querlaufenden Mittellinien
erstrecken. In der Plattenwandung 2 ist ein Kühlkanal 5 angeordnet,
der einen mäanderförmigen Verlauf
aufweisen kann, wie es in 3 veranschaulicht
ist. Weiter zeigt 3, daß der Kühlkanal 5 in zwei
oder mehrere Abschnitt 5.1, 5.2 untergliedert
sein kann, die je für
sich Anschlüsse 6.1, 6.2 für den Zulauf
und Ablauf von Kühlwasser
haben. Auf diese Weise erreicht man eine intensive Kühlung des gesamten
Wandpaneels, welches in bevorzugter Ausführung aus einer Kupferlegierung
besteht und dementsprechend eine hohe Wärmleitfähigkeit aufweist.
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Im
Unterschied zu 1 zeigt 2 ein identisch
aufgebautes Wandpaneel, bei dem durch Metallabtrag an der Platteninnenseite 4,
was durch "A" kenntlich gemacht
ist, die Verschleißgrenze
erreicht ist, wodurch das gesamte Wandpaneel unbrauchbar geworden
ist. Denn der Metallabtrag reicht bis nahe an den zumindest einen
Kühlkanal 5 heran, wobei
es zur Vermeidung von Schäden
besonders wichtig ist, daß die
Metallerosion die Wandung des Kühlkanals
noch nicht erreicht hat.
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Erreicht
der Materialabtrag an der Metallplatte 1 von der Platteninnenseite 4 her
eine kritische Grenze, wird durch zumindest einen Sensor 7 ein
Signal generiert, was im einzelnen aus den 4–6 hervorgeht.
Bei dem Sensor 7 handelt es sich um einen Liniensensor,
der exakt dem Verlauf des Kühlkanals 5 nachfolgt
und von der Platteninnenseite 4 der Metallplatte 1 her
gesehen vor dem vor dem Eindringen der Schmelze zu schützenden
Kühlkanal 5 angeordnet
ist. Der Sensor 7 hat zum Kühlkanal 5 hin einen
geringeren Abstand als zur Platteninnenseite 4 der Metallplatte 1,
soweit es den unverschlissenen Neuzustand betrifft. So steht zwischen dem
Sensor 7 und der Platteninnenseite 4 eine ausreichend
dicke Verschleißschicht
der Metallplatte 1 zur Verfügung, bei deren Abtrag erst
der Sensor 7 anspricht, was immer noch rechtzeitig ist,
bevor die Metallschmelze den Kühlkanal 5 erreichen
kann. In anderer Ausführung
kann der Sensor 7 auch weiter zur Platteninnenseite der
Metallplatte 1 hin angeordnet sein, so kann er sich in
der Mitte zwischen dem Kühlkanal 5 und
der Platteninnenseite 4 befinden.
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Der
Durchmesser des Liniensensors 7 ist wesentlich geringer
als der Durchmesser des Kühlkanals 5.
Deshalb ist der Liniensensor 7 vor demjenigen Querschnittsbereich
des Kühlkanals 5 angeordnet,
der der Platteninnenseite 4 der Metallplatte 1 am nächsten liegt.
Hat der Kühlkanal 5 wie
beim Ausführungsbeispiel
einen kreisrunden Querschnitt, ist der Liniensensor 7 dem
zur Platteninnenseite 4 hin liegenden Scheitelbereich des
Querschnittes des Kühlkanals 5 gegenüber angeordnet.
Des weiteren verläuft
der Liniensensor 7 exakt parallel zum Kühlkanal 5, folglich
hat er einen konstanten Abstand zum Kühlkanal 5 und folgt
genau dem Verlauf des Kühlkanals 5.
In anderer Ausführung
kann der Liniensensor 7 auch in Schlangenlinien, Mäanderform,
Spiralform oder Zickzackform angeordnet sein, also in Windungen
verlaufen, die sich zwischen Grenzen erstrecken, die wiederum dem
Verlauf des Kühlkanals 5 nachfolgen.
Insoweit bildet der Liniensensor 7 ein flächiges Band,
welches von der Platteninnenseite 4 der Metallplatte 1 her
gesehen den Kühlkanal 5 abschattet
bzw. überdeckt.
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Wie
die 5 und 6 im einzelnen zeigen, wird
der jeweilige Kühlkanal 5 durch
ein Rohr 10 gebildet, welches in das Metall des Wandpaneels eingebettet,
insbesondere eingegossen ist. Dafür stehen besondere Metalllegierungen
zur Verfügung, die
beim Herstellen der Wandpaneele mit der in der Regel verwendeten
Kupferlegierung umgossen werden können. Der jeweilige Liniensensor 7 wird äquidistant
auf dem Rohr 10 fixiert, dazu dienen Distanzhalter 11,
die aus Metall bestehen und auf die Außenwandung des Rohres 10 aufgeschweißt werden
können.
In besonders zweckmäßiger Ausführung sind die
Distanzhalter 11 auf ihren vom Rohr 10 abgewandten
Seiten mit einer solchen Aufnahmevorrichtung versehen, in welche
der Liniensensor 7 eingerastet werden kann.
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Der
zumindest eine Liniensensor 7 ist an ein Meßsystem 8 angeschlossen,
also an eine Auswerteinheit, welche eine Zustandsänderung
des Liniensensors 7 infolge Temperatur oder bis zu ihm
vorgedrungener Schmelze in eine Warnanzeige oder ein Warnsignal umsetzt.
Der beim Ausführungsbeispiel angedeutete
Liniensensor 7 weist zwei Innenleiter und einen Außenleiter
auf, wofür
vier Leiteranschlüsse 9 zur
Verbindung mit dem Meßsystem 8 vorgesehen
sind. Zwischen diesen Leitern befindet sich ein Keramikmaterial,
dessen spezifischer Widerstand sich mit dem Erhöhen der Temperatur ändert. Diese Widerstandsveränderung
zwischen den Innenleitern einerseits oder den Innenleitern und dem
Außenleiter andererseits
wird von dem Meßsystem 8 ausgewertet
und in eine entsprechende Anzeige verwandelt. In dieser Ausführung erlaubt
es der Liniensensor 7, über
seine gesamte Länge
hinweg lokale Überhitzungen
zu erkennen.
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In
anderer Ausführung
kann der Liniensensor 7 nach Art einer Schmelzsicherung
aufgebaut sein und fungieren. So kann vorgesehen werden, daß der Liniensensor 7 bei
einer vorbestimmten Grenztemperatur unterbrochen wird, sei es durch Überhitzung
oder durch die vordringende Schmelze selbst. Auch in dieser Ausführung ist
der Liniensensor 7 in der Lage, eine an irgendeiner Stelle
seiner gesamten Länge
auftretende lokale Überhitzung
erkennbar zu machen, indem das Meßsystem auf den Bruch des Liniensensors 7 reagiert.
Es gibt weitere Ausführungsmöglichkeiten
für den
Liniensensor 7. So kann es sich bei dem Liniensensor 7 um
einen faseroptischen Sensor handeln, bei dem mittels des Raman-Effektes die Temperatur
ermittelt wird. Ein solcher Sensor 7 erlaubt es sogar,
entlang seiner gesamten Länge
diejenige Stelle zu orten, an der eine Überhitzung auftritt. So kann
mit einem derartigen Sensor 7 derjenige Bereich in der
Plattenwandung 2 lokalisiert werden, in dem am ehesten
ein Durchbruch der Schmelze zum Kühlkanal 5 hin bevorsteht.
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Für das Einbringen
des Liniensensors 7 in das Material der Metallplatte 1 können anstelle
dem erwähnten
Vergießen
andere Methoden angewandt werden. So kann der Liniensensor in in
das Metall der Plattenwandung 2 der Metallplatte eingearbeiteten Nuten
angeordnet werden, die in geeigneter Weise, beispielsweise durch
Verschweißen,
verschlossen werden.