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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum kleinstückigen Erstarren von bei der Metallerzeugung anfallenden flüssigen Schlacken, insbesondere von in Elektroöfen bei der Eisen- und Stahlerzeugung und anderen Öfen bei der Metallerzeugung entstehenden Schlacken, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei der Herstellung von flüssigem Metall, insbesondere jedoch von flüssigem Eisen in Elektroöfen, entstehen als Beiprodukte Schlacken, deren Hauptbestandteile FeO, CaO, Al2O3 und MgO sowie andere Stoffe sind. Die Schlackebildner sind notwendig, um hochwertige Erzeugnisse zu gewährleisten. Beim Abstich eines Elektroofens sind die Schlacken ca. 1.600°C heiß und enthalten somit eine erhebliche thermische Energie.
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Die in einem Stahlwerk anfallenden Schlacken werden üblicherweise vom Elektroofen in einen Kübel oder in eine Pfanne abgestochen und dann in ein Schlackenbeet gegossen. Ein Schlackenbeet ist eine Erdmulde, in welcher Schlacke frei abkühlen und erstarren kann. Allerdings geht der Wärmeinhalt der Schlacke hierbei komplett verloren. Während des Abkühlens wird die Schlacke häufig mit Wasser bespritzt, um die Wärme besser abzuleiten.
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Die Schlacke selbst ist ein schlechter Wärmeleiter. Sie kühlt langsam ab und es bleiben nicht alle Bestandteile in der Schlacke gebunden. Die hierdurch verursachten Ausscheidungen gefährden das Grundwasser zum Teil in einem erheblichen Umfang.
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Aus diesem Grund wird das Abgießen von Schlacke in ein Schlackenbeet in der Zukunft nur noch dann möglich sein, wenn entsprechend umfangreiche Vorkehrungen zum Schutz des Grundwassers getroffen oder die Schlacken aufwändig entsorgt werden.
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Vor einer Weiterverwendung der Schlacke, zum Beispiel als Bauhilfsstoff, insbesondere im Straßenbau, muss die Schlacke in geeignete Kornfraktionen gebrochen werden, um sie verarbeiten zu können. Auch für diese Anwendung gilt, dass wegen der bei der langsamen Erstarrung freigesetzten Ausscheidungen die derart erzeugte Schlacke aufgrund verschärfter Umweltbestimmungen nur noch eingeschränkt eingesetzt werden kann.
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Es sind zwar verschiedene Ansätze bekannt geworden, um die Schlacke abzukühlen. Entsprechend diesen Vorschlägen kann die Schlacke verdüst beziehungsweise auf rotierende Teller, Bänder oder Walzen vergossen werden. Allen diesen Verfahren ist indessen gemeinsam, dass sie keine Rückgewinnung der in der Schlacke enthaltenen thermischen Energie erlauben und vielmehr häufig mit einem hohen Energieverbrauch verbunden sind.
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In der Praxis unterscheidet man außerdem zwischen einer sogenannten ”nassen Abkühlung”, wenn die Schlacke zur Abkühlung direkt mit Wasser in Kontakt kommt, und einer ”trockenen Abkühlung”, bei welcher die heiße Schlacke nicht direkt mit Wasser in Berührung kommt, sondern der Wärmeaustausch über ein Zwischenmedium erfolgt. Die Verfahren der ”nassen Abkühlung” haben den Nachteil, dass die anfallenden Abwässer aufwändig aufbereitet werden müssen.
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Im Umfang der
DD-PS 127 999 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung kleinstückigen Schüttguts aus feuerflüssigen silikatischen Schmelzen der Eisen- und Stahlindustrie sowie der Buntmetallurgie bekannt, bei welchen eine solche Schmelze im zyklischen Rhythmus in einem Verhältnis Oberfläche zu Volumen von vorzugsweise 35:1 bis 60:1 auf eine geneigte Fläche vergossen wird. Hierbei gelangen ein Gießtisch mit einer mittig angeordneten Verteilereinrichtung sowie ein Kühlapparat zur Anwendung, welcher aus einer Tragkonstruktion mit mehreren Wärme leitenden Kühlsegmenten besteht. Die Neigung der kaskadenförmig angeordneten Kühlsegmente beträgt vorzugsweise 20° bis 35°. Die Silikatschmelze wird über die Verteilereinrichtung des Gießtisches auf die entsprechend der Viskosität der Silikatschmelze geneigten Kühlsegmente gegossen. Durch die jalousieartige Anordnung der Kühlsegmente sowie durch die abstrahlende Wärme wird zwischen den Kühlsegmenten ein Luftzug bewirkt, der zum raschen und vorwiegend glasigen Erstarren der Schlacke beiträgt. Nach Beendigung des Erstarrungsvorgangs wird durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der erstarrten Schlacke und den Kühlsegmenten ein selbsttätiges Zerspringen und Abgleiten der Schlacke bewirkt. Der Abbau innerer Spannungen führt dazu, dass die erstarrte Schlacke zersplittert und beim Auftreffen auf darunter liegende Kühlsegmente weiter zerkleinert wird. Das Abgleiten der zerkleinerten Schlacke kann beschleunigt werden, indem die Kühlsegmente gerüttelt, geklopft oder abgekippt werden. Zu diesem Zweck sind an der Tragkonstruktion oder an den Kühlsegmenten Rüttel-, Klopf- oder Vibrationsmechanismen vorgesehen.
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Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum kleinstückigen Erstarren von bei der Metallerzeugung anfallenden flüssigen Schlacken, insbesondere von in Elektroöfen bei der Eisen- und Stahlerzeugung und anderen Öfen bei der Metallerzeugung entstehenden Schlacken, zu schaffen, bei welcher die Umweltverträglichkeit der Schlacken deutlich verbessert wird und außerdem die in den Schlacken enthaltene thermische Energie in einem erheblichen Umfang nutzbar gemacht werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Grundgedankens sind Bestandteil der Ansprüche 2 bis 31.
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Zur schnellen Entziehung der Wärme aus der Schlacke wird diese jetzt in einem dünnen Film über das unter einem vergleichsweise geringen Neigungswinkel zur Horizontalen angeordnete Kühlsegment abgegossen. Das Kühlsegment besteht aus einem hochwärmeleitfähigen Material und ist damit ein hervorragender Wärmeleiter. Es weist mit einem Kühlfluid, vorzugsweise mit Kühlwasser, beaufschlagbare und in einen Fluidkreislauf integrierte Kühlkanäle auf, um seine Temperatur zu begrenzen. Ein wesentlicher Vorteil ist jedoch, dass jetzt das im Bereich des Kühlsegments erwärmte Kühlfluid genutzt werden kann, um die in ihm enthaltene thermische Energie in einer in den Fluidkreislauf integrierten Energieumwandlungseinheit in zum Beispiel Heißdampf umzuwandeln oder auch die Energie für die Erwärmung von Prozessmedien beziehungsweise für Heizsysteme zu nutzen.
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Von Vorteil ist ferner, dass durch das schnelle Abkühlen der Schlacke die gelösten Bestandteile in Lösung gehalten und nicht ausgeschieden werden. Hierdurch wird die Umweltverträglichkeit der Schlacke deutlich verbessert und eine Weiterverarbeitung ohne zusätzliche Aufbereitung möglich. Diese Weiterverarbeitung wird dadurch erleichtert, dass die Schlacke nach ihrem Auskristallisieren aufgrund des Einflusses der Schwingfördereinrichtung in kleinen Stücken anfällt, die dann unmittelbar für eine Weiterverarbeitung genutzt werden können.
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Das Auffangen der Schlacke kann am geodätisch unteren Ende des Kühlsegments erfolgen. Zu diesem Zweck kann mindestens ein, insbesondere austauschbarer, Aufnahmebehälter zum Abtransport der Schlacke vorgesehen sein.
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Sind am geodätisch unteren Ende des Kühlsegments eine Magnettrommel mit einem Abstreifer sowie zwei unterhalb der Magnettrommel angeordnete Aufnahmebehälter vorgesehen, wird die Wirtschaftlichkeit der Anordnung insofern erhöht, als ein erheblicher Anteil des Eisens zurückgewonnen und wieder eingeschmolzen werden kann.
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Der Wärmetausch zwischen dem Kühlsegment und dem Kühlfluid ist dann sehr intensiv, wenn das Material des Kühlsegments eine Wärmeleitfähigkeit von über 250 W/m·k aufweist.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Material des Kühlsegments eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 350 W/m·k und 370 W/m·k aufweist.
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Vorzugsweise besteht das Kühlsegment aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
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Es ist zweckmäßig, dass die Kühlkanäle mindestens im Boden des Kühlsegments vorgesehen sind. Auch die Seitenwände des rinnenartigen Kühlsegments können gegebenenfalls mit Kühlkanälen versehen sein.
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Die Kühlkanäle sind insbesondere in Querrichtung des Kühlsegments eingebracht. In diesem Fall ist eine schlangenlinienförmige Führung des Kühlfluids in den Kühlkanälen von Vorteil.
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Denkbar ist auch ein Einbringen der Kühlkanäle in Längsrichtung des Kühlsegments oder in einer kombinierten Konfiguration.
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Die Kühlkanäle können in das Kühlsegment gebohrt, insbesondere tiefgebohrt, sein.
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Vorstellbar ist ferner, dass die Kühlkanäle in das Kühlsegment gefräst sind.
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Des Weiteren können die Kühlkanäle durch eine Rohranordnung gebildet sein, die in das Kühlsegment eingegossen ist.
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Auch können die Kühlkanäle in Richtung zur mit Schlacke beschickbaren Gießfläche des Kühlsegments mit variablem Abstand angeordnet sein. Damit kann ebenfalls der unterschiedlichen thermischen Belastung des Kühlsegments in den verschiedenen Längenabschnitten Rechnung getragen werden.
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Um die Geschwindigkeit des Kühlfluids lokal zu erhöhen, können die Kühlkanäle in thermisch höher beanspruchten Bereichen des Kühlsegments mit Verdrängungskörpern versehen sein.
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Zur Erhöhung des Verschleißwiderstands kann es darüber hinaus sinnvoll sein, dass das Kühlsegment auf seiner Gießfläche zumindest bereichsweise beschichtet ist. Hierbei kann es sich vorzugsweise um eine Ni- oder NiCo-Beschichtung handeln.
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Auch kann das Kühlsegment auf seiner Gießfläche zumindest partiell mit einer Textur versehen sein.
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Zur Reduzierung von Materialspannungen kann das Kühlsegment auf seiner der Gießfläche abgewandten Unterseite Dehnfugen aufweisen.
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Das Kühlsegment kann einstückig ausgebildet sein.
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Vorstellbar ist aber auch, dass das Kühlsegment mehrteilig ausgebildet ist. So können zum Beispiel der Boden aus einem Teil und die Seitenwände aus weiteren Teilen bestehen, die dann untereinander und mit dem Boden gefügt werden.
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Eine Förderleistung der erfindungsgemäßen Anordnung von ca. 1,5 bis 3,5 Tonnen pro Meter und Stunde kann insbesondere dann erreicht werden, wenn das Kühlsegment eine Länge zwischen 2.000 mm und 12.000 mm, vorzugsweise etwa 8.000 mm aufweist. Die Breite des Kühlsegments sollte dann ungefähr 2.000 bis 3.000 mm betragen bei einer Dichte der Schlacke von ca. 3,0 kg/dm3.
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Sinnvoll ist es ferner, dass die Schlacke mit einer Schichtdicke zwischen 5 mm und 40 mm dem Kühlsegment kontinuierlich zugeführt wird. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke zwischen 10 mm und 15 mm.
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Der Neigungswinkel des Kühlsegments beträgt maximal 10° zur Horizontalen. Ein typischer Neigungswinkel beträgt maximal 3° zur Horizontalen.
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Der Betriebsdruck des Kühlfluids im Fluidkreislauf ist zwischen 2 bar und 16 bar eingestellt, vorzugsweise ca. 5 bar, um im Rücklauf des Fluidkreislaufs eine Temperatur von rund 200°C zu gewährleisten.
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Um den unterschiedlichen Temperaturen von Kühlsegment und Schwingfördereinrichtung Rechnung zu tragen, ist das Kühlsegment über Dehnschrauben mit einem Rahmen der Schwingfördereinrichtung verbunden.
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Die Frequenz der Schwingfördereinrichtung liegt vorzugsweise zwischen 1 Hz und 50 Hz, insbesondere zwischen 10 Hz und 20 Hz. Diese Frequenz vermeidet Anhaftungen und sorgt zusätzlich dafür, dass erstarrte Schlackenteile in kleine Fraktionen gebrochen werden.
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Obwohl die Anordnung eines einzigen Kühlsegments genügt, kann es in bestimmten betrieblichen Situationen zur Erhöhung der Gießleistung durchaus sinnvoll sein, dass die Kühlkanäle mehrerer Kühlsegmente in den Fluidkreislauf integriert sind. In diesem Fall können die Kühlsegmente bevorzugt nebeneinander angeordnet sein.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Perspektive eine Anordnung zum kleinstückigen Erstarren von bei der Metallerzeugung in einem Elektroofen anfallenden flüssigen Schlacken;
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2 die Anordnung der 1 in schematischer Seitenansicht mit einem Fluidkreislauf;
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3 eine Stirnansicht auf ein Kühlsegment der Anordnung der 1 und 2;
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4 in der Perspektive ein auf einer Schwingfördereinrichtung montiertes Kühlsegment gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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5 in der Perspektive den Boden des Kühlsegments der 4 mit einem erweiterten Fluidkreislauf;
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6 in der Perspektive ein auf einer Schwingfördereinrichtung montiertes Kühlsegment zusammen mit einer Magnettrommel und Aufnahmebehältern;
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7 eine schematische Darstellung des Abstands der Kühlkanäle zur Gießfläche eines Kühlsegments;
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8 ein perspektivischer Querschnitt durch das Kühlsegment der 4 im Bereich eines Kühlkanals;
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9 ein perspektivischer Querschnitt durch das Kühlsegment der 4 im Bereich einer Dehnfuge und
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10 eine perspektivische Ansicht auf das Kühlsegment der 4, in Richtung des Pfeils X gesehen.
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In der 1 ist mit 1 ein Schlackenkübel bezeichnet, mit dessen Hilfe beispielsweise in einem nicht näher dargestellten Elektroofen zur Stahlerzeugung anfallende flüssige Schlacke S auf ein rinnenartiges Kühlsegment 2 als Bestandteil einer Anordnung A zum kleinstückigen Erstarren der Schlacke S abgegossen wird.
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Das Kühlsegment 2 ist unter einem Neigungswinkel α von maximal 10° zur Horizontalen H angeordnet (siehe auch 2). Seine Länge L beträgt zwischen 2.000 mm und 12.000 mm. Die Breite B des Kühlsegments 2 ist zwischen 2.000 und 3.000 mm bemessen (3).
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Wie die 1 bis 3 ferner zu erkennen geben, ist der Boden 3 des bei diesem Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildeten Kühlsegments 2 zwischen den Seitenwänden 4 mit in Längsrichtung eingebrachten Kühlkanälen 5 versehen. Die zum Beispiel tiefgebohrten Kühlkanäle 5 sind in nicht näher dargestellter Weise an einen vorzugsweise mit Kühlwasser beschickbaren Fluidkreislauf 6 angeschlossen, der mit einer Energieumwandlungseinheit 7 gekoppelt ist.
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Das Kühlsegment 2 besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit über 250 W/m·k.
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Außerdem ist das Kühlsegment 2 mit einer in der 4 näher veranschaulichten Schwingfördereinrichtung 8 verbunden. Die Schwingfördereinrichtung 8 unterliegt einer Frequenz zwischen 1 Hz und 50 Hz.
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Die Schlacke S wird vom Schlackekübel 1 auf das Kühlsegment 2 mit einer Leistung von 1,5 bis 3,5 Tonnen pro Meter und Stunde vergossen, und zwar mit einer Schichtdicke zwischen 5 mm und 40 mm. Hierbei wird eine Schlackendichte von ca. 3,0 kg/dm3 vorausgesetzt.
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Aufgrund des Wärmetauschs zwischen dem über den Fluidkreislauf 6 dem Kühlsegment 2 zugeführten Kühlfluid und der auf dem Kühlsegment 2 in Richtung zu einem Aufnahmebehälter 9 gleitenden Schlacke S wird diese abgekühlt. Das Kühlfluid nimmt dabei Wärme auf, welche dann in der Energieumwandlungseinheit 7 in eine andere Energieform umgewandelt wird.
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Durch den Einfluss der Schwingfördereinrichtung 8 zerbricht die Schlacke S nach dem Auskristallisieren in kleine Stücke, die dann mit Hilfe des örtlich verlagerbaren Aufnahmebehälters 9 direkt der Weiterverarbeitung zugeführt werden können.
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Aus den 4 und 5 ist die hier detaillierter veranschaulichte Schwingfördereinrichtung 8 in Verbindung mit dem Boden 3a eines Kühlsegments 2a gemäß einer weiteren Ausführungsform zu erkennen.
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Der Boden 3a ist in einen Rahmen 10 integriert, welcher einstückig ausgebildet ist und zwei Seitenwände 4 (wie bei 2) und eine Stirnwand 11 aufweist. An dem der Stirnwand 11 gegenüberliegenden Ende ist das Kühlsegment 2a zum Abführen der kleinstückig erstarrten Schlacke S in den Aufnahmebehälter 9 offen ausgebildet (entsprechend auch bei dem Kühlsegment 2).
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Die Schwingfördereinrichtung 8 umfasst in paralleler Nebeneinanderanordnung drei Doppel-T-Träger 12, welche über mehrere Schraubendruckfedern 13 an einer nur schematisch veranschaulichten Basis 14 elastisch abgestützt sind. Die Träger 12 werden von einem E-Motor 15 über Getriebe 16 in Längsschwingungen versetzt, wodurch auch das über den Boden 3a mit den Trägern 12 gekoppelte Kühlsegment 2a diesen Längsschwingungen (Vibrationen) ausgesetzt wird.
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Der Boden 3a des über aus der 10 erkennbare Dehnschrauben 19 mit den Trägern 12 oder einer nicht näher veranschaulichten Zwischenplatte verbundenen Kühlsegments 2a geht aus den 4 und 5 deutlicher hervor. Er weist auf der mit Schlacke S beschickbaren Gießfläche 17 eine Textur 18 auf. Stattdessen kann die Gießfläche 17 des Kühlsegments 2, 2a bei Bedarf auch eine Ni- oder NiCo-Beschichtung 18a aufweisen (In der 4 in schraffierter Form als Alternativen dargestellt).
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In den Boden 3a sind sich quer erstreckende Kühlkanäle 5a eingebracht, die im Bereich der Längsseiten 20 in Endkammern 21 und Umlenkkammern 22 münden. Während die Endkammern 21 an den Fluidkreislauf 6 mit der dann eingegliederten Energieumwandlungseinheit 7 angeschlossen sind, dienen die Umlenkkammern 22 der Richtungsumkehr des in den Kühlkanälen 5a strömenden Kühlfluids, so dass dieses einen weitgehend schlangenlinienförmigen Strömungsverlauf hat.
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Außerdem ist in der 5 ergänzend schematisch veranschaulicht, wie mehrere Kühlsegmente 2, 2a über den Fluidkreislauf 6 an die Energieumwandlungseinheit 7 angeschlossen werden können.
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Die Kühlkanäle 5, 5a können mit Verdrängungskörpern 28 versehen sein, um den verschiedenen thermischen Belastungen des Kühlsegments 2, 2a Rechnung zu tragen (In der 8 anhand eines Kühlsegments 2a beispielhaft dargestellt).
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Außerdem kann die Unterseite 23 des Kühlsegments 2, 2a mit aus der 9 näher dargestellten Dehnfugen 29 ausgerüstet werden.
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In der 7 ist schematisch dargestellt, dass der Abstand a der Kühlkanäle 5a, gekennzeichnet durch ihre Längsachsen, zur Gießfläche 17 in thermisch höher belasteten Bereichen 30, insbesondere im mittleren Längenabschnitt, geringer als der Abstand b der Kühlkanäle 5a in den thermisch weniger belasteten Endbereichen 31 bemessen ist.
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Bei dem in der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist am geodätisch unteren Ende des Kühlsegments 2a eine um eine horizontale Achse drehbare Magnettrommel 24 vorgesehen. Unterhalb der Magnettrommel 24 befinden sich in Nebeneinanderanordnung zwei Aufnahmebehälter 25, 26. Schlackenteile, die wenige oder keine Eisenanteile besitzen, gleiten über die Magnettrommel 24 in den Aufnahmebehälter 25 und werden in diesem gesammelt. Schlackenteile mit ferritischen Einschlüssen bleiben hingegen umfangsseitig der Magnettrommel 24 haften und werden erst durch einen Abstreifer 27 von der Magnettrommel 24 gelöst, so dass sie in den Aufnahmebehälter 26 fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schlackenkübel
- 2
- Kühlsegment
- 2a
- Kühlsegment
- 3
- Boden v. 2
- 3a
- Boden v. 2a
- 4
- Seitenwände v. 2
- 5
- Kühlkanäle in 2
- 5a
- Kühlkanäle in 2a
- 6
- Fluidkreislauf
- 7
- Energieumwandlungseinheit
- 8
- Schwingfördereinrichtung
- 9
- Aufnahmebehälter
- 10
- Rahmen v. 2a
- 11
- Stirnwand v. 2, 2a
- 12
- Träger
- 13
- Schraubendruckfedern
- 14
- Basis
- 15
- E-Motor
- 16
- Getriebe
- 17
- Gießfläche v. 2a
- 18
- Textur auf 3a
- 18a
- Beschichtung auf 3a
- 19
- Dehnschrauben
- 20
- Längsseiten v. 3a
- 21
- Endkammern
- 22
- Umlenkkammern
- 23
- Unterseite v. 2, 2a
- 24
- Magnettrommel
- 25
- Aufnahmebehälter
- 26
- Aufnahmebehälter
- 27
- Abstreifer
- 28
- Verdrängungskörper
- 29
- Dehnfugen
- 30
- mittlerer Längenbereich v. 2a
- 31
- endseitige Längenbereiche v. 2a
- A
- Anordnung
- B
- Breite v. 2, 2a
- H
- Horizontale
- L
- Länge v. 2, 2a
- S
- Schlacke
- X
- Ansichtsrichtung
- a
- Abstand 5a zu 17 in 30
- b
- Abstand 5a zu 17 in 31
- α
- Neigungswinkel v. 2, 2a
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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