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Schachtofen, insbesondere Kupolofen für Heißwindbetrieb, mit luftgekühlter
Ofenwand im Bereich der Schmelzzone Die Erfindung betrifft einen Schachtofen, insbesondere
Kupolofen, der mit Heißwind betrieben und dessen Ofenrand im Bereich der Schmelzzone
durch Luft gekühlt wird.
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Es ist eine Notwendigkeit, die Schmelzzone langzeitig betriebener
Schachtöfen zu kühlen. Für diesen Zweck sind dementsprechend die verschiedensten
Arten von Kühlsystemen bekanntgeworden. Die meisten Schmelzzonenkühlungen werden
mit Wasser oder Dampf als Kühlmittel betrieben. Ferner wurde bereits vorgeschlagen,
Luft als Kühlmittel zu verwenden, wobei z. B. die Luft durch im Ofenmauerwerk verlegte
Rohre oder gußeiserne hohle Formstücke, die versetzt angeordnet wurden und so zickzackförmige
Kanäle bildeten, geleitet wurde. Das gemeinsame Merkmal der bisher vorgeschlagenen,
mit Luft betriebenen Ofenwandkühlungen ist eine Vielzahl von Unstetigkeitsstellen
im Verlauf der Luftkanäle. Der Erfolg solcher Vorrichtungen war so gering, daß sie
sich in der Praxis zur Kühlung von hochbelasteten Schmelzzonenwänden bisher nicht
durchsetzen konnten. Der Grund hierfür ist unter anderem darin zu sehen, daß insbesondere
den konstruktiven Gesichtspunkten in Verbindung mit den wärmetechnischen Einflüssen
nicht genügend Beachtung geschenkt wurde. Wegen der hohen Temperatur der ofenseitigen
Fläche der Schmelzzonenwand ist eine intensive Kühlung erforderlich, die bei gasförrnigen
Kühlmitteln bekanntlich große Strömungsgeschwindigkeiten verlangt, was bei Vorhandensein
von Unstetigkeitsstellen große Druckverluste zur Folge hat.
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Die Erfindung strebt eine Schmelzzonenkühlung an, die die Nachteile
der bekannten mit Luft betriebenen Kühlvorrichtungen vermeidet.
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Nach der Erfindung wird zunächst die zur Erzielung einer dünnen Schlackenschicht
erforderliche Luftkühlung der Schmelzzone dadurch bewirkt, daß die Luft durch gußeiserne,
den Ofenschacht bildende und in einer Schraubenlinie verlaufende Segmente geleitet
wird und die erhitzte Luft anschließend als Heißwind oder Heißwindanteil in den
Ofen geblasen wird.
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An der aus den gußeisernen Segmenten gebildeten Ofeninnenwand herrscht
im Bereich der Schmelzzone eine große Wärmeübergangszahl. Aus Festigkeitsgründen
darf die Wandtemperatur der gußeisernen Segmente eine bestimmte Temperatur, die
wesentlich unter der Ofeninnentemperatur liegt, nicht unterschreiten. In den Luftkanälen
muß daher bei tragbarem Druckverlust durch die Strömung der Luft eine große Wärmeübergangszahl
hervorgerufen werden. Mit Unstetigkeitsstellen durch zickzackförmige Strömungsführung
lassen sich nur örtlich begrenzte hohe Wärmeübergangszahlen erzielen, wobei bekanntlich
sehr große Druckverluste entstehen. Abgesehen vom relativ kleinen Wandreibungsverlust
ist der Druckverlust von Strömungen nur auf Unstetigkeitsstellen in der Strömungsführung
zurückzuführen. Erfindungsgemäß erfolgt die Luftführung in schraubenlinienförmigen
Kanälen. Die Schraubenlinie hat keine Unstetigkeitsstellen und ergibt daher bei
den zur intensiven Kühlung der gußeisernen Segmente erforderlichen hohen Luftgeschwindigkeiten
nur geringe Druckverluste. Mit gegebener Pressung kann also in schraubenförmigen
Kanälen die höchste Strömungsgeschwindigkeit und damit die größte Wärmeübergangszahl
erzielt werden. In den schraubenförmigen Kanälen bildet sich infolge der Strömung
ein starkes Zentrifugalfeld aus, welches nach den neueren Ergebnissen der Strömungsforschung
derart auf die Grenzschicht einwirkt, daß diese intensiv und stetig von der äußersten
Linie an den Wänden entlang in Richtung zur Krümmungsachse wandert. Es ergeben sich
zwei Grenzschichtströme, die sich in der Krümmungsebene an einer Staulinie treffen
und dort in die Hauptströmung eindringen. Diese beiden gegenläufigen Zirkulationen
bewirken eine ständige Erneuerung der Grenzschicht. Da nun, wie heute bekannt ist,
der Wärmeübergang fast ausschließlich eine Funktion der Grenzschichterneuerung ist,
ist er durch die erfindungsgemäße Maßnahme ohne Erhöhung des Druckverlustes auf
einen Optimalwert gesteigert worden, durch den die betriebssichere Verwendung
der
Luftkühlung für hochbelastete Schmelzzonenwände erst ermöglicht wird.
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Es ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schraubenform der
Luftkanäle, daß bei gegebener Heizfläche diese durch die Wahl der Anzahl und der
Steigung der Kanäle so aufgeteilt werden kann, daß die günstigste Länge der Strömungswege
erzielt wird.
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Bei Aufstellung der Wärmebilanz für eine Vielzahl in Betrieb befindlicher
Heißwindkupolöfen, deren Schmelzzone mit Wasser gekühlt wird, stellte es sich immer
wieder heraus, daß der Kühlverlust fast genau der Wärmemenge entspricht, die zur
Winderhitzung erforderlich ist. Nachdem nunmehr die Kühlung der Schmelzzonemvand
durch Luft möglich ist, kann die erhitzte Luft als Ofenwind benutzt werden. wodurch
sich eine besondere Winderhitzeranlage erül)rigt.
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Die Wärmeströmungsverhältnisse in der Schnielzzonenwand werden durch
folgendes Beispiel näher erläutert: Nimmt man im Bereich der Kühlzone eine mittlere
Gastemperatur von l850° C und eine gasseitige Wärmeübergangszahl von 130 kcal/m2/h°
C an, fließt in einem 3 t/h-Kupolofen mit 0,75 m lichtem Durchmesser und einer zu
kühlenden Fläche von 3,6 m2, wenn die Schlacke eine Schmelztemperatur voll 1250°
C hat, eine Wärmemenge von 280 000 kcal/h durch die Schlackenschale, die sich durch
den Kühlvorgang an der Ofeninnenwand aufbaut. Diese Wärmemenge reicht aus, um 1700
m3 Wind von 10° C auf 510° C aufzuheizen. Die Windtemperatur bleibt konstant, solange
der Schlackenschmelzpunkt konstant gehalten wird, was durch die Zuschläge auf einfachste
Weise zu ermöglichen ist. Der Wärmefluß durch die Schlackenschale ist dann nämlich
immer proportional der jeweiligen Schmelzleistung und damit auch der Windmenge,
was zwangläufig eine konstante Windtemperatur ergibt. Eine teure und komplizierte
Windtemperaturregelung erübrigt sich somit. Die selbsttätig konstant bleibende Windtemperatur
bietet bekanntlich die einzige Gewähr für eine gleichbleibende Analyse des Schmelzergebnisses.
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Dieser Vorzug läßt sich durch kein bis jetzt bekanntes System erreichen,
denn infolge der Trägheit von Winderhitzeranlagen unterliegt jede Regelung der Windtemperatur
mehr oder weniger großen Schwankungen.
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Die Zeichnung bringt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Ofenschacht
1 wird nach innen und vornehmlich im Bereich der Schmelzzone durch Bußeiserne Segmente
2 gebildet. Die Segmente 2 sind vom Ofenmauerwerk 3 umgeben, haben U-förmigen Querschnitt
und sind so gestaltet, daß sie im zusammengebauten Zustand mit ihrer offenen Seite
nach unten ein gewundenes Kanalsystem ergeben, welches voll der Winddiisenebene
aufwärts führt. Das obere Ende der Kanäle mündet in den Bußeisernen Abdeckstücken
4, die mit dem Windkanal 5 verbunden sind. Die untersten der Segmente2 können als
Winddüsen6 ausgeführt sein. Da man die Möglichkeit haben muß, den Ofenbetrieb. d.
h. den Winddurchsatz zu regulieren, wobei jedoch der Kühlmitteldurchgang nicht oder
nicht wesentlich geändert werden darf. sind die Düsen 6 mit Absperrorganen 7 ausgerüstet,
welche die ganze oder teilweise Umlenkung des Heißwindes bzw. den Abschluß einzelner
oder aller Düsen 6 ermöglichen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schmelzzonenkühlung ist eine besondere Abdichtung
der Kanalfugen nicht erforderlich, da die sich beim Ofenbetrieb einstellende Schlackenschicht
diese Aufgabe übernimmt. Das feste Haften der Schlackenschale kann dadurch 1i,#
günstigt werden, daß die zum Ofeninnern gerichteten Flächen der Segmente 2 in grundsätzlich
für solche Zwecke bekannter Weise mit 'Tadeln. Rippen od. dgl. ausgerüstet werden.
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Die Wahl von Gußeisen für die Segmente ist vorteilhaft, da Gußeisen
hohe Temperaturbelastungen aushält, ohne teigig zu werden. Nach einer gewissen Betriebszeit
können verbrauchte Segmente eingeschmolzen und durch im eigenen Betrieb hergestellte
neue Stücke auf billigste Weise ersetzt werden.
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In Fällen, in denen eine überhöhte Windtemperatur verlangt wird, kann
der dem Windkanal s zugeführte Wind bereits in einem kleineren Winderhitzer od.
dgl. auf z. B. 500° C vorerhitzt werden, wobei nach der Erfindung dann als untere
Segmente 2 solche aus legiertem Guß oder einem geeigneten keramischen Material verwendet
werden. Auf diese Weise sind dann ohne besonderen baulichen Aufwand unter Umständen
Windtemperaturen von über 1000° C zu erreichen. Berücksichtigt man, daß es zur Zeit
noch Schwierigkeiten bereitet, in rekuperativen Kupolofenwinderhitzern Windtemperaturen
von 700° C zu erzeugen, kommt der Erfindung eine ganz besondere Bedeutung zu.
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Die im Ausführungsbeispiel behandelte Anlage kann statt im beschriebenen
Gegenstrom. natürlich auch entsprechend abgewandelt im Gleichstrom betrieben sein.
In solchen Fällen kann es, besonders wenn die Gesamtanlage mehrere Öfen umfaßt,
zweckmäßig sein, den Kaltwind zunächst in dem Kühlsystem des Ofens zu erhitzen,
um ihn dann in einem gemeinsamen metallischen oder keramischen Rekuperator bzw.
Regenerator, der von den Ofenabgasen beaufschlagt sein kann, auf die gewünschte
Endtemperatur zu bringen.
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Um luftseitige Verzunderung und die dadurch eintretende Minderung
des Wärmeüberganges zu vermeiden, kann die entsprechende Oberfläche der Segmente
mit einer zunderfesten Schicht versehen werden.
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In Fällen, in denen das erhitzte Kühlmittel zeitweise nicht oder nicht
ganz zum Schmelzbetrieb benötigt wird, kann es in an sich bekannter Weise ebenso
wie Gasüberschüsse einem Wärmeverwerter zugeleitet werden.