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Die Erfindung betrifft ein korrosionsbeständiges Rohr, insbesondere für einen Vorwärmofen für Einsatzgas für die Direktreduktion von Eisen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Stahlherstellung. Üblich ist das sogenannte Hochofenverfahren. Dabei wird zuerst Roheisen aus Eisenerz mit Hilfe von Koks hergestellt. Danach wird durch weitere Verfahren aus dem Roheisen der Stahl hergestellt, dazu wird in der Regel zusätzlich noch Schrott eingesetzt.
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Die Eisenherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mittels eines Hochofens. Das Eisenerz wird als Stückerz, Pellets oder Sinter zusammen mit den Reduktionsmittel (Koks) und weiteren Bestandteilen (Kalkstein, Schlackenbildner, usw.) zum sogenannten Möller vermischt und anschließend chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem sogenannten Wind, reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion notwendige Wärme und Kohlenstoffmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenerz reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.
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Da das Roheisen noch sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, das sogenannte Frischen, wird der Kohlenstoff oxidiert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigtem und unberuhigt vergossenem Stahl. Unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silicium. Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Steigerungen (Materialendmischungen, z. B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätseinbußen verbunden.
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Ein neueres Verfahren ist die Direktreduktion:
Die Nachteile des Hochofens sind die Anforderungen an die Einsatzmaterialien und der hohe Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, sodass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO2-Ausstoß stellt eine starke Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen, die Hochofenroute abzulösen. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletherstellung in Drehrohröfen, sowie die Corex-, Midrex- und Finex-Verfahren.
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Am weitesten verbreitet sind bisher das Midrex- bzw. HYL-Direktreduktionsverfahren, die Eisenschwamm bzw. Hot Briquetted Iron (HBI) als festes Einsatzmaterial erzeugen. Dieses direktreduzierte Eisen (DRI), auch sogenannter Eisenschwamm, wird durch Direktreduktion von Eisenerz (in der Form von Stücken, Pellets oder Feinerz) durch ein reduzierendes Gas aus Erdgas oder Kohle hergestellt. Das reduzierende Gas ist eine Mischung, die im Wesentlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, welche reduzierend wirken.
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DRI wird erfolgreich in vielen Teilen der Erde eingesetzt, da es eine Erdgas- oder eine kohlenbasierte Technologie ist. Eisenerz wird im festen Zustand bei 800 bis 1050°C reduziert, wobei dieses entweder durch reduzierendes Gas (H2 und CO) oder Kohle erfolgt. Die Investitions- und die Betriebskosten von Direktreduktionsanlagen sind niedrig im Vergleich zu integrierten Stahlanlagen und eignen sich eher für viele Entwicklungsländer, wo der Nachschub an geeignetem Koks beschränkt ist.
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Der Direktreduktionsprozess ist prinzipiell mehr energieeffizient als der Hochofeneffekt, weil er etwas niedrigere Temperaturen benötigt. Das Reduktionsgas kann neben H2 und CO auch CO2, CH4, H2O, N2 und H2S enthalten. Es muss vor dem Einblasen in den eigentlichen Schachtofen – in dem die Direktreduktion stattfindet – auf Temperaturen um 800–1100°C erhitzt werden. Dies erfolgt in Vorwärmöfen, die Rohrschlangen zum Führen des Reduktionsgases durch den beheizten Ofenbereich und Sammelrohre außerhalb des beheizten Ofenbereichs enthalten.
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Beim Vorwärmen werden Temperaturbereiche von 450 bis 850°C durchlaufen, bei denen das sogenannte Metal dusting, auf Deutsch gibt es hier das schöne Wort Metallpulverzerfallskorrosion, auftritt. Wikipedia schreibt zum Metal dusting, dass es eine katastrophale Form der Korrosion ist, die auftritt, wenn empfindliche Materialien einer Umgebung mit hoher Kohlenstoffaktivität ausgesetzt werden. Die Korrosion selbst zeigt sich in einer Umwandlung von massivem Metall zu Metallpulver. Der vermutete Effekt ist die Ablagerung von Kohlenstoff- oder Graphitschichten auf der Oberfläche des Metalls, üblicherweise von Kohlenmonoxid in der Dampfphase. Diese Graphitschichten werden dann vermutlich metastabile M3C-Verbindungen bilden (wobei M das Metall ist), welche von der Oberfläche weg wandern. Wie auch immer, in manchen Fällen werden keine M3C-Verbindungen beobachtet, was ein Anzeichen für einen direkten Transfer von Metallatomen in den Graphitschicht sein könnte.
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Die Temperaturen, bei denen normalerweise das Metal dusting auftritt, sind relativ hoch (450 bis 850°C). Aus einem allgemeinen Verständnis der Chemie kann abgeleitet werden, dass bei niedrigeren Temperaturen die Reaktionsrate, um metastabile M3C-Verbindungen zu bilden, zu niedrig ist, um signifikant zu sein und dass bei viel höheren Temperaturen die Graphitschicht unstabil ist, so dass eine CO-Deposition nicht oder nicht in entsprechendem Umfang erfolgt.
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Die Rohre (Rohrschlangen) im beheizten Bereich des Ofens werden deshalb aus einem Metall gebildet, das gegen Metal dusting nicht empfindlich ist, z. B. aus hochnickelhaltigen Legierungen. Solche Rohre sind jedoch relativ teuer. Insbesondere, wenn sie in großen Weiten (Durchmesser > 80 cm), wobei Verbindungs- und Sammelrohre auch bis zu 1,50 m Durchmesser haben können, hergestellt werden sollen, wie es für Überleitungs- und Sammelrohre üblich ist, die die einzelnen Rohrschlangen des beheizten Bereichs, miteinander verbinden, sich aber außerhalb der Heizzonen befinden.
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Aus der
US2011/0059335A ist ein korrosionsbeständiges zweilagiges Rohr bekannt, dessen korrosionsbeständige Lage aus einer Cu-Al-Legierung besteht und dessen tragende Lage aus einer Fe-, Ni- oder Cu-Legierung besteht. Von der Verwendung höherer Nickelanteile (> 20%) in der korrosionsbeständigen Schicht wird abgeraten (Abs. 48), da Nickel die Kohlebildung fördere (Abs. 49).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preisgünstigere Lösung vor allem für die größer dimensionierten Sammler- oder Verteilerrohre (im Weiteren und in den Ansprüchen nur Sammlerrohre genannt), die sich außerhalb der beheizten Ofenflächen befinden, vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von Rohren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgestaltungen der Erfindung und eine Anwendung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß sind die Sammelrohre mindestens zweilagig aufgebaut, wobei die korrosionsbeständige Lage – die mit den reduzierenden Gasen in Berührung kommt – aus einem Nickelwerkstoff mit mehr als 50% Nickel besteht und wobei die tragende Lage ein einfacherer und damit preisgünstigerer Stahl ist. Durch diese Doppelwandigkeit oder durch diese Verwendung zweier unterschiedlicher Werkstoffe wird einerseits das Metal dusting verhindert und andererseits ist der Preis für das Gesamtrohr noch akzeptabel, da die Stabilität und die Tragfähigkeit des Rohres von dem deutlich billigeren, einfacheren Stahl bereitgestellt wird, während die Korrosionsbeständigkeit durch eine relativ dünne zweite Lage erfolgt.
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In einer Ausführung der Erfindung besteht die korrosionsbeständige Lage der Rohre aus einem Metall mit einem Nickelanteil von mehr als 55% oder aus Chrom-Nickel Legierungen, wie Alloy 690 Alloy 693 oder Alloy 602.
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In einer bevorzugten Ausführung besteht die tragende Lage der Rohre aus einfacherem Stahl, z. B. aus niedrig-legiertem Stahl, Gr. P1, Gr, P11, Gr. P22 bis Gr. P91 sowie austinitischen Materialien. Die Dicken der korrosionsbeständigen Lagen liegen zwischen 1 und 4 mm, bevorzugt zwischen 1,5 und 3,5 oder zwischen 2 und 3 mm.
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Die Dicken der tragenden Lagen liegen bevorzugt zwischen 10 und 30 mm, wobei jedoch jeweils die Anforderungen an die Festigkeit den Ausschlag für die Auswahl der Materialstärke geben.
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Die Herstellung dieser Rohre erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein Blech der inneren Lage und ein Blech der äußeren Lage aufeinander gelegt werden. Diese Bleche werden dann eventuell fixiert, nach innen rund gebogen und über eine oder mehrere Längsschweißung/en miteinander verbunden. Bei richtiger Ausführung ”klemmt” die äußere Lage die innere fest ein und bildet den gewünschten Rohrverbund. Hierbei ist noch darauf zu achten, dass für die entsprechend nötigen einzusetzenden kleineren Rohrleitungen (Abzweige) entsprechend in die hergestellten plattierten größeren Sammlerrohre runde Ausschnitte eingebracht werden.
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Die Durchmesser der Sammelrohre liegen bevorzugt zwischen 500 und 2000 mm. Die korrosionsbeständige Lage ist sinnvollerweise dort angebracht, wo Kontakt zu den aggressiven Gasen besteht. Dies ist meist die Innenseite, kann aber auch die Außenseite sein.
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Eine Ausführung der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rohres mit 500 bis 2000 mm Durchmesser, weiches erfindungsgemäß an seiner Innenseite beschichtet ist. Das erfindungsgemäße Rohr besteht aus der tragenden Lage T, auf die an die Innenseite die korrosionsbeständige Lage K aufgebracht ist. In diesem Beispiel kann die tragende Lage aus einem einfacheren Stahl P1 bis P91 oder aus einem austinitischen Material hergestellt sein, wobei die Stärken zwischen 10 und 30 mm ausgesucht sein können, je nach Anforderung und Tragkraft. Die korrosionsbeständige Lage K ist hier eine 1–4 mm dicke Schicht, die aus einem hochwertigen Alloy 690, 693 oder 602 besteht und fest mit der tragenden Lage T verbunden ist. An dieser Stelle ist die Verbindung V mit einem kreuzenden Rohr (Abzweig A) gezeigt. Dieses Rohr besteht ebenfalls aus dem hochwertigeren Werkstoff Alloy 690, 693 oder 602 und weist eine Stärke zwischen 3 und 5 mm auf. Die Verbindung ist durch Schweißen hergestellt, wobei in Detail A gut zu erkennen ist, dass die Schweißung hier aus zwei Materialien besteht, wobei die Decklage – die dem korrosiven Medium zugewandte Seite der Verbindung – durch ein artgleiches Material wie das korrosionsbeständige Material der korrosionsbeständigen Lage K hergestellt wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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