-
Die Erfindung betrifft ein metallurgisches Schmelzgefäß.
-
Metallurgische Schmelzgefäße dienen
zum Erschmelzen metallhaltiger Stoffe und deren Behandlung.
-
Metallurgische Schmelzgefäße können damit
zum einen beispielsweise sowohl Öfen
zum Erschmelzen von Metallen sein, zum Beispiel Elektroschmelzöfen. Zum
anderen können
sie beispielsweise auch Behandlungsgefäße zum Behandeln von Metallschmelzen
sein, beispielsweise Schmelzgefäße für den Metall-Strangguss,
wie beispielsweise Gießpfannen,
Tundish (Zwischengefäß) oder
Tiegel.
-
Metallurgische Schmelzgefäße weisen
einen äußeren Stahlmantel
auf, im folgenden Stahlgefäß genannt.
Dieses Stahlgefäß weist
seitliche Wandungen und einen Boden auf. Stahlgefäße wie beispielsweise
Gießpfannen
oder Tiegel sind nach oben offen. Elektroschmelzöfen können oben geschlossen sein.
-
Auf ihrer Innenseite weisen metallurgische Schmelzgefäße ein feuerfestes
Material auf. Durch dieses feuerfeste Material wird das Stahlgefäß gegenüber den
(aggressiven und heißen)
Metallschmelzen geschützt.
-
Grundsätzlich haben sich entsprechende metallurgische
Schmelzgefäße bewährt.
-
Probleme treten jedoch insbesondere
im Bereich der Schlackenzone, also dem Bereich der Metallschmelze
auf, an dem das Metallbad in den Schlackenbereich übergeht.
In diesem Bereich wird das feuerfeste Material stärker durch
die Metallschmelze beansprucht als in den anderen Bereichen und
ist hier damit einem erhöhten
Verschleiß unterworfen. Ist
das feuerfeste Material in diesem Bereich des metallurgischen Schmelzgefäßes zu stark
verschlissen, kann das gesamte Schmelzgefäß zunächst nicht weiter verwendet
werden, obwohl der überwiegende
Anteil des feuerfesten Materials (außerhalb des verschlissenen
Bereichs) noch weitgehend intakt ist.
-
Aus dem Stand der Technik sind metallurgische
Schmelzgefäße bekannt,
bei denen die Wärmeabfuhr
im stark beanspruchten Bereich (also im Übergangsbereich von Metallbad
zu Schlacke) erhöht wird.
Dadurch kommt es an der der Metallschmelze zugewandten Seite (Heißseite)
des feuerfesten Materials zu festen Anbackungen (in der Regel eine Schicht
aus erstarrter Schlacke; auch als „Kruste", „Schutzschicht" oder „Ansatz" bezeichnet). Durch diese
Anbackungen wird das dahinter liegende, feuerfeste Material vor
einem Verschleiß geschützt.
-
Eine Kühlung des feuerfesten Materials
kann auch an sogenannten „hot
spots" gewünscht sein, also
an den Stellen des feuerfesten Materials eins elektrischen Lichtbogenofens,
die in der Nähe
der Elektroden liegen.
-
Die Erhöhung der Wärmeabfuhr im stark beanspruchten
Bereich wird heutzutage üblicherweise dadurch
erreicht, dass man in diesen Bereichen wasserdurchflossene Kühlkästen an
den Schmelzgefäßen anordnet,
durch die diese Bereiche der Schmelzgefäße gekühlt werden.
-
Das Prinzip dieser Kühlkästen wird
beispielsweise in WO 95/22732 A1 beschrieben. Demnach weist der
metallische Stahlmantel des Schmelzgefäßes an den stark beanspruchten
Bereichen eine Durchbrechung auf. Im Bereich der Durchbrechung wird
der Stahlmantel durch eine Kupferplatte ersetzt. Die Kupferplatte
weist Finger auf, die sich in das Innere des feuerfesten Materials
erstrecken. Von außen
her werden die Kupferplatten mit Wasser beaufschlagt und dadurch
gekühlt.
-
Nachteilig bei dieser Art der Kühlung ist
insbesondere, dass der Stahlmantel durchbrochen werden muss. Bestehende
Schmelzgefäße mit einem durchgehenden
Stahlmantel müssen
daher aufwendig umgebaut werden. Nach seinem Umbau ist der Stahlmantel
nur für
ein konkretes, speziell auf die Öffnung
im Stahlmantel abgestimmtes Kühlaggregat verwendbar.
-
Nachteilig ist ferner, dass das Kühlwasser
direkt mit einer Komponente des Schmelzgefäßes (den Kupferplatten) in
Kontakt steht, die nicht durch den Stahlmantel geschützt sind.
Auf Grund von Leckagen im Kühlwasserkreislauf
kann Wasser somit direkt in den Ofen gelangen, wodurch es zu den
gefürchteten Wasserdampfexplosionen
kommen kann.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
metallurgisches Schmelzgefäß zur Verfügung zu stellen,
dessen Stahlgefäß kühlbar ist
und das keines der vorgenannten Nachteile aufweist. Zur Konfektionierung
des Schmelzgefäßes sollen
mithin auch bestehende Schmelzgefäße verwendbar sein, ohne diese
im Bereich des Mantels teilweise zerstören zu müssen. Auch soll das neu zu
schaffende Schmelzgefäß sicher
arbeiten können.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Schmelzgefäß mit den
folgenden Merkmalen zur Verfügung
gestellt:
einem Stahlgefäß;
das
Stahlgefäß weist
auf seiner Innenseite ein feuerfestes Material auf, das einen freien
Innenraum umschließt;
zumindest
abschnittsweise sind zwischen dem feuerfesten Material und dem Stahlgefäß eine oder
mehrere Wärmeleitelemente
aus einem gut wärmeleitenden
Material angeordnet;
die Wärmeleitelemente
weisen sich in das feuerfeste Material hinein erstreckende Stege
auf, die beabstandet zum Innenraum enden;
die Wärmeleitelemente
stehen über
eine gut wärmeleitende
Zwischenschicht in Kontakt mit dem Stahlgefäß.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung
besteht darin, dass das Stahlgefäß nicht
durchbrochen sein muss, um die Wärmeleitelemente,
beispielsweise Kupferplatten, kühlen
zu können.
Vielmehr sind diese über
eine gut wärmeleitende
Zwischenschicht, die in Kontakt mit dem Stahlgefäß steht, kühlbar. Das Kühlmedium,
durch das die Wärmeleitelemente
kühlbar
sind, kühlt
die Wärmeleitelemente
mithin nicht unmittelbar; vielmehr kühlt das Kühlmedium das Stahlgefäß, das die
Kühlung
an die Zwischenschicht weitergibt, wobei diese wiederum die Wärmeleitelemente
kühlt.
-
Die Wärmeleitelemente sind damit
zum einen kühlbar
und zum anderen gleichzeitig im (durchgehenden) Stahlgefäß eingebettet.
-
Das feuerfeste Material, mit dem
das Stahlgefäß auf seiner
Innenseite ausgekleidet ist, kann ein beliebiges feuerfestes Material
sein. Beispielsweise kann das feuerfeste Material ein nichtmetallischer
keramischer Werkstoff sein. Unter "feuerfestem Material" können
gemäß üblicher
Festlegung solche nichtmetallischen keramischen Werkstoffe (einschließlich solcher,
die Anteile an Metallen enthalten) verstanden werden, die eine Feuerfestigkeit,
das heißt
einen Kegelfallpunkt, von wenigstens 1500°C haben. Die Art des feuerfesten Materials
ist ebenfalls beliebig; beispielsweise kann es aus geformten Erzeugnissen (Steinen)
und/oder ungeformten Erzeugnissen (Massen) bestehen. Das Material
kann auf einem beliebigen Werkstoff basieren. Der Werkstoff kann
auf wenigstens einem der folgenden Oxide basieren: SiO2, Al2O3, MgO, CaO, Cr2O3, TiO2 oder
ZrO2. Daneben kann das Material/der Werkstoff
beispielsweise kohlenstoffhaltige Anteile aufweisen.
-
Das feuerfeste Material kann bis
zum oberen Rand des Stahlgefäßes reichen
oder beanstandet zu diesem enden.
-
Der Innenraum, den das feuerfeste
Material umschließt,
dient zur Aufnahme der Metallschmelze.
-
Zur Kühlung des feuerfesten Materials
in dem Bereich, in dem (bei im Innenraum befindlicher Metallschmelze)
das Metallbad der Metallschmelze in den Schlackenbereich übergeht
(Übergangsbereich),
sind zumindest abschnittsweise zwischen dem feuerfesten Material
und dem Stahlgefäß eine oder
mehrere Wärmeleitelemente
aus einem gut wärmeleitenden
Material angeordnet. Da dieser Übergangsbereich
ringförmig
ist (entsprechend einem "Ring", den der Übergangsbereich
einer in einem Gefäß befindlichen
Flüssigkeit
zwischen Flüssigkeit
und Luft bildet), können
auch die Wärmeleitelemente
entlang dieses ringförmigen Übergangsbereichs
ringförmig
im Schmelzgefäß angeordnet
sein.
-
Die Konfektionierung und Anordnung
der Wärmeleitelemente
ist beliebig. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Wärmeleitelemente
nur in der Zone des feuerfesten Materials vorgesehen sind, bei der
sich bei im Innenraum befindlicher Metallschmelze der Übergangsbereich
befindet.
-
Es können mehrere oder nur ein Wärmeelement
vorgesehen sein.
-
Mehrere Wärmeleitelemente können beispielsweise
aus einzelnen "Platten" bestehen, die beispielsweise
mit aneinanderstoßenden
Kanten nebeneinandergelegt sind.
-
Soweit nur ein Wärmeleitelement vorgesehen ist,
kann dieses beispielsweise ringförmig
gestaltet sein. Dieser Ring ist dann selbstverständlich in der Zone des feuerfesten
Materials angeordnet, in der sich – bei im Schmelzgefäß befindlicher
Metallschmelze – der Übergangsbereich
befindet. Mit anderen Worten: Die Achse des ringförmigen Wärmeelementes
kann im wesentlichen koaxial zur Achse des Stahlgefäßes verlaufen.
-
Das Wärmeleitelement kann aus einem
beliebigen, jedoch gut wärmeleitendem
Material bestehen. Es kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung
bestehen, beispielsweise aus Kupfer, Messing, Magnesium oder deren
jeweiligen Legierungen.
-
"Gut
wärmeleitend" im anmeldungsgemäßen Sinne
ist ein Material, das zumindest eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, die über der
Wärmeleitfähigkeit üblicher
feuerfester, keramischer Produkte liegt. Da letztere eine Wärmeleitfähigkeit
von in der Regel nicht über
10 W/m·K
aufweisen, kann ein gut wärmeleitendes
Material im anmeldungsgemäßen Sinne
eine Wärmeleitfähigkeit
von zumindest über
10 W/m·K aufweisen,
also beispielsweise auch von über
55 W/m·K
(Untergrenze der Wärmeleitfähigkeit
von Messing) oder von über
70 W/m·K
(Untergrenze der Wärmeleitfähigkeit
von Magnesiumlegierungen) oder von 395 W/m·K (Wärmeleitfähigkeit von Kupfer).
-
Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitelemente
sollte grundsätzlich
so hoch sein, dass sie eine ausreichende Wärmeabfuhr von den, dem Innenraum
zugewandten Stellen des feuerfesten Materials gewährleisten,
an denen sich Anbackungen bilden sollen.
-
Um die Wärmeleitung zwischen den Wärmeleitelementen
und dem feuerfesten Material zu verbessern, weisen die Wärmeleitelemente
sich in das feuerfeste Material hinein erstreckende Stege auf, die
beanstandet zum Innenraum enden. Das feuerfeste Material kann seine
Wärme in
seinem Inneren damit an diese Stege abgeben, die die Wärme schneller
zum Wärmeleitelement
leiten als das feuerfeste Material.
-
Diese Stege können eine beliebige Form haben.
Sie können
beispielsweise stabförmige
Elemente mit beispielsweise rundem, eckigem oder kreisförmigem Querschnitt
sein; letztere sind damit nach Art von Rohren konfektioniert.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das
Stahlgefäß zumindest
im Bereich der Wärmeleitelemente
mit einer feuerfesten Masse ausgekleidet ist; diese kann um die
Stege gegossen werden, so dass diese dicht im feuerfesten Material
eingebettet sind.
-
Die Stege enden beabstandet zum Innenraum.
Da die Stege nicht in Kontakt mit der Metallschmelze treten dürfen, muss
das dem Wärmeelement
abgewandte Ende der Stege im feuerfesten Material enden, so dass
die Stege gegen die Metallschmelze durch das feuerfeste Material
geschützt sind.
-
Die Stege und die Wärmeleitelemente
können
monolithisch ausgebildet sein, also aus "einem Stück" geformt (zum Beispiel einstöckig gegossen oder
miteinander verschweißt)
sein. Selbstverständlich
kann auch vorgesehen sein, die Stege mit den Wärmeleitelementen zu verbinden.
Der Aufbau der Wärmeleitelemente
beziehungsweise der Stege kann beispielsweise gemäß WO 95/22732
A1 erfolgen.
-
Die Wärmeleitelemente stehen über eine
gut wärmeleitende
Zwischenschicht in Kontakt mit dem Stahlgefäß. Zwar wäre es theoretisch auch möglich, die
Wärmeelemente
direkt mit dem Stahlgefäß zu kontaktieren.
Die Zwischenschicht bietet jedoch unter anderem dem Vorteil, dass
physikalische Differenzen (unterschiedliche Ausdehnungen aufgrund
unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten) oder
chemische Reaktionen (Grenzflächenreaktionen)
zwischen Stahlgefäß und Wärmeleitelementen kompensiert
werden können.
-
Auf jeden Fall handelt es sich bei
der Zwischenschicht um ein gut wärmeleitendes
Material (im anmeldungsgemäßen Sinne).
-
Die Zwischenschicht kann beispielsweise aus
einem feuerfesten Material bestehen, beispielsweise einer feuerfesten
keramischen Masse.
-
Es kann eine Zwischenschicht aus
einer kohlenstoffhaltigen, feuerfesten keramischen Masse vorgesehen
sein.
-
Um das Stahlgefäß zu kühlen, kann eine Kühleinrichtung
vorgesehen sein, durch die die Außenseite (also die dem Innenraum
abgewandte Seite des Stahlgefäßes) des
Stahlgefäßes kühlbar ist.
Um das feuerfeste Material insbesondere im Übergangsbereich kühlen zu
können
(siehe oben), kann eine Kühleinrichtung
vorgesehen sein, durch die die Außenseite des Stahlgefäßes an dem
Bereich kühlbar ist,
an dem die Wärmeleitelemente
angeordnet sind.
-
Im einfachsten Fall kann eine Kühleinrichtung
vorgesehen sein, durch die die zu kühlende Außenseite des Stahlgefäßes mit
einem Kühlmedium „berieselbar" (beispielsweise
besprüh-
oder bespritzbar) ist Die Kühleinrichtung
kann beispielsweise eine solche sein, durch die der Außenseite
des Stahlgefäßes Wasser
oder ein sonstiges Kühlmedium
zuführbar
ist.
-
Entsprechende Kühlanlagen sind beispielsweise
auch als sogenannte Kühlkästen bekannt. Eine
der jüngsten
Varianten dieser Kühlkästen ist
unter dem Akronym CFM's
(Composite Furnace Module Cooling Systems) bekannt; ein solches
System ist beispielsweise in WO 95/22732 A1 beschrieben.
-
Kühlanlagen
zur Kühlung
der Außenseite des
Stahlgefäßes sind
nach dem folgenden Prinzip konzipiert: Der zu kühlende Bereich des Stahlgefäßes wird
durch eines oder mehrere kastenförmige Elemente abgedeckt.
Dadurch wird im abzukühlenden
Bereich ein Freiraum geschaffen, der nach außen abgedichtet wird und nur über eine
Zulauföffnung
und eine Ablauföffnung
in Kontakt mit dem Außenraum
steht. Über
die Zulauföffnung
wird ein Kühlmedium
(zum Beispiel Wasser oder ein sonstiges Kühlfluid) in den Freiraum geleitet.
Im Freiraum strömt
das Kühlmedium
an der Oberfläche
des Stahlgefäßes vorbei
und nimmt Wärme
von diesem auf (beziehungsweise gibt Kälte an dieses ab). Das aufgewärmte Fluid
verlässt
den Freiraum durch die Ablauföffnung.
-
Gemäß den vorgemachten Ausführungen
ist das feuerfeste Material damit wie folgt kühlbar: Ein Kühlmedium
kühlt die
Außenseite
des Stahlgefäßes. Das
gekühlte
Stahlgefäß gibt die
Kälte an
die Zwischenschicht und diese wiederum die Kälte an die Wärmeleitelemente
weiter. Die Wärmeleitelemente und
deren Stege geben schließ1ich
die Kälte
an das feuerfeste Material weiter.
-
Die Abfuhr der Wärme des feuerfesten Materials
an das Kühlmedium
erfolgt selbstverständlich genau
andersherum.
-
Selbstverständlich können sämtliche der vorgenannten Merkmale
des Schmelzgefäßes beliebig miteinander
kombiniert werden, auch soweit dies nicht ausdrücklich offenbart ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird nachstehend anhand der
-
1,
die stark schematisiert eine seitliche Schnittansicht durch einen
Abschnitt der Seitenwandung im Übergangsbereich
eines anmeldungsgemäßen Schmelzgefäßes zeigt,
näher erläutert.
-
Der Abschnitt der Seitenwandung des Schmelzgefäßes ist
insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
-
Der sichtbare Abschnitt des Stahlgefäßes 3 (Stahlmantels)
in Form einer sich vertikal erstreckenden Wand schließt das Schmelzgefäß nach außen (hier
nach links außen)
ab.
-
Innenseitig ist der Stahlmantel 3 teilweise durch
ein Zwischenelement 7 aus einer kohlenstoffhaltigen, feuerfesten
Masse bedeckt.
-
Ein Wärmeleitelement 5 aus
Kupfer bedeckt das Zwischenelement 7 innenseitig.
-
Vom Wärmeleitelement 5 erstrecken
sich senkrecht (hier nach rechts) rohrförmige Stege 11 aus
Kupfer weg und in das feuerfeste Material 9 hinein. Stege 11 und
Wärmeleitelement 5 sind
monolithisch ausgebildet.
-
Im dargestellten Abschnitt des Schmelzgefäßes 1 handelt
es sich bei dem feuerfesten Material 9 um eine monolithische
keramische Masse, die um die Stege 11 herum gegossen wurde.
Die dem Wärmeleitelement 5 abgewandten
Enden der Stege 11 enden mit Abstand zum Innenraum I des
Schmelzgefäßes im Inneren
der feuerfesten Masse 9.
-
An der Außenseite 3a des Stahlgefäßes 3 ist eine
Kühleinrichtung 13 zur
Kühlung
des Stahlgefäßes 3 angeordnet.
Bei der Kühleinrichtung 13 handelt es
sich um ein kastenförmiges
Element, das mit seiner offenen Seite der Außenwand 3a zugewandt
ist und mit den Rändern
der Öffnung
auf der Außenwand 3a aufliegt,
so dass durch die Kühleinrichtung 13 insgesamt
ein Freiraum 15 zwischen Außenwand 3a und der
Wandung der Kühleinrichtung 13 geschaffen
wird. Der Freiraum 15 steht nur über eine Zulauföffnung 17 und
eine Ablauföffnung 19 in
Kontakt mit der Umgebung.
-
Die Funktionsweise des dargestellten Schmelzgefäßes ist
wie folgt.
-
Im Betriebszustand befindet sich
eine Metallschmelze in Innenraum des Schmelzgefäßes. Die Metallschmelze weist
ein Metallbad M und eine Schlackenzone S auf (die Grenzflächen der
Schlackenzone sind durch horizontale Linien angedeutet).
-
In dem Bereich, in dem das Metallbad
M in die Schlackenzone S übergeht,
befindet sich der Übergangsbereich,
an dem das feuerfeste Material 9 besonders stark beansprucht
wird.
-
Zur Kühlung dieses Bereiches wird
ein Kühlmedium,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
Wasser, durch die Zulauföffnung 17 in
den Freiraum 15 der Kühleinrichtung 15 geleitet.
-
Durch das Kühlmedium wird das Stahlgefäß 3 im
Bereich der Kühleinrichtung 15 gekühlt. Das Stahlgefäß 3 überträgt die Kühlung auf
die Zwischenschicht 7, die die Kühlung wiederum auf das Wärmeleitelement 5 überträgt. Dieses
gibt die Kühlung
zum einen unmittelbar und zum andere durch die Stege 11 an
das feuerfeste Material 9 weiter. Dadurch wird das feuerfeste
Material 9 gekühlt, beziehungsweise
es gibt seine Wärme
(vice versa) über
die Stege 11, das Wärmeleitelement 5,
die Zwischenschicht 7 und das Stahlgefäß 3 an das Kühlmedium
ab. Das dadurch aufgewärmte
Kühlmedium
wird durch die Ablauföffnung 19 aus
dem Freiraum 15 aus der Kühleinrichtung ausgeleitet.