DE1121277B

DE1121277B - Device for cooling the melting and overheating zones of cupolae using cooling elements

Info

Publication number: DE1121277B
Application number: DEST7259A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing K Roesch; Otto-Josef Schleimer
Original assignee: STRICO GES fur METALLURG und
Current assignee: STRICO GES fur METALLURG und
Priority date: 1953-11-05
Filing date: 1953-11-05
Publication date: 1962-01-04

Description

Einrichtung zur Kühlung der Schmelz-und Überhitzungszone von Kupolöfen mittels Kühlelementen Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung bekannter Kühlelemente für Schmelz- und überhitzungszone von Kupolöfen dar, deren besonderes Ziel es ist, den Kühlmitteldurchlauf und den kühlseitigen Wärmeübergang zu verbessern und gleichzeitig nicht nur die Bereiche oberhalb der Heißwinddüsen, sondern diese selbst ohne besonderen Aufwand mit in den Bereich der Kühlung einzubeziehen.Device for cooling the melting and superheating zone of cupola furnaces by means of cooling elements The invention represents a further development of known cooling elements for the melting and superheating zone of cupolas, the particular aim of which is to to improve the coolant flow and the heat transfer on the cooling side and at the same time not only the areas above the hot air nozzles, but these themselves without any special ones Including effort in the area of cooling.

Es ist bekannt, die Schmelz- und Überhitzungszone durch in den Ofen eingebaute Kühlelemente derart zu kühlen, daß sich auf den ofenseitigen Kühlflächen der Kühlelemente eine dünne Schlackenschicht aufbaut. Die Dicke dieser Schlackenschicht ist abhängig vom örtlichen Wärmedurchfluß. Die chemische Zusammensetzung der Schlackenschicht ändert sich mit den Zuschlägen. Ein mit solchen Kühlelementen ausgerüsteter Ofen kann beliebig lange betrieben werden, da kein Futterverschleiß auftritt. Außerdem ist jede beliebige Schlackenführung (sauer, basisch oder neutral) möglich.It is known to pass through the melting and overheating zone in the furnace built-in cooling elements to cool in such a way that on the oven-side cooling surfaces the cooling elements build up a thin layer of slag. The thickness of this layer of slag depends on the local heat flow. The chemical composition of the slag layer changes with the surcharges. A furnace equipped with such cooling elements can be operated for as long as you like, as there is no wear and tear on the chuck. aside from that any slag flow (acidic, basic or neutral) is possible.

Solche Kühlelemente sind naturgemäß hoch belastet, besonders durch örtliche Überhitzungen. Für den örtlichen Wärmeübergang auf der Ofenseite gibt es vier Möglichkeiten: 1. Wärmeübergang durch die Gasströmung, 2. Wärmeübergang durch den anliegenden Bettkoks, 3. Wärmeübergang durch auftreffende Schlackentropfen, 4. Wärmeübergang durch auftreffende Eisentropfen.Such cooling elements are naturally highly stressed, especially by local overheating. For the local heat transfer on the furnace side there is four possibilities: 1. heat transfer through the gas flow, 2. heat transfer through the adjacent bed coke, 3rd heat transfer through impacting slag drops, 4. Heat transfer through hitting iron droplets.

Da die vier verschiedenartigen ofenseitigen Wärmeübergänge zeitlich stark veränderlich sind, treten große Materialspannungen auf, die sich aber auf die äußersten Materialschichten beschränken. Gefährlich werden diese Materialspannungen, wenn gleichzeitig auch auf der Kühlseite örtliche Überhitzungen auftreten, weil sich dann der Spannungszustand durch die ganze Wand ausbreitet, wodurch ein Überhitzungsbruch auftreten muß. Die Lebensdauer solcher Kühlelemente wird also durch die zweckmäßige Kühlmittelführung wesentlich verbessert.Because the four different types of heat transfer on the furnace side are temporal are highly variable, great material stresses occur, but they do occur constrain the outermost layers of material. These material tensions are dangerous, if at the same time local overheating occurs on the cooling side, because Then the state of tension spreads through the whole wall, causing an overheating fracture must occur. The service life of such cooling elements is therefore the appropriate Significantly improved coolant flow.

Es wurde bereits vorgeschlagen, den Kühlraum solcher Kühlelemente durch Leitrippen derart zu unterteilen, daß der Kühlmittelweg verlängert und damit die Kühlmittelgeschwindigkeit vergrößert wird. Bei solchen Kühlelementen liegen die Leitrippen waagerecht und parallel zueinander, wobei die Kühlmittelführung entsprechend dem natürlichen Wärmeauftrieb von unten nach oben zickzackförmig erfolgt. Durch eine solche Leitrippenanordnung ist jedoch die Gefahr örtlicher Überhitzungen auf der Kühlseite nicht beseitigt, wie nachstehend gezeigt wird.It has already been proposed to use the cooling space of such cooling elements to be subdivided by guide ribs in such a way that the coolant path is extended and thus the coolant velocity is increased. In such cooling elements lie the guide ribs horizontally and parallel to each other, with the coolant routing accordingly the natural heat lift from bottom to top takes place in a zigzag shape. By However, such a guide rib arrangement is at risk of local overheating the cooling side is not eliminated as shown below.

Der Wärmeübergang zwischen der Wand des Kühlelementes und dem Kühlmittel erfolgt durch die Grenzschicht der Strömung. Die Dicke der Grenzschicht ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Durch die Unterteilung des Kühlraumes durch Leitrippen wird infolge der Geschwindigkeitserhöhung des Kühlmittels die Grenzschicht dünner und damit der Wärmeübergang besser, aber die äußerste die Wand berührende Haut des Kühlmittels haftet an der Wand und muß daher die Wandtemperatur annehmen. Obwohl nun diese Haut überhitzt ist, entstehen ohne weiteres noch keine Dampfblasen, weil die Oberflächenspannung eine Funktion des Dampfblasendurchmessers ist. Sie ist beim Dampfblasendurchmesser Null unendlich groß. Dampfblasen können aber an allen Unstetigkeitsstellen der Kühlfläche entstehen, also an rauben Stellen, Haarrissen, Lunkern und an den Begrenzungen der Leitrippen. Da nun diese Unstetigkeitsstellen ortsfest sind, bilden sich dort dünne Dampfschichten aus, die zu örtlicher Überhitzung führen.The heat transfer between the wall of the cooling element and the coolant occurs through the boundary layer of the flow. The thickness of the boundary layer is dependent on the flow velocity. By dividing the cold room with guide ribs the boundary layer becomes thinner as a result of the increase in the speed of the coolant and thus the heat transfer is better, but the outermost skin of the wall touching the Coolant adheres to the wall and must therefore take on the wall temperature. Even though Now that this skin is overheated, no steam bubbles are created without further ado, because surface tension is a function of vapor bubble diameter. She is with Vapor bubble diameter zero infinitely large. However, vapor bubbles can occur at all points of discontinuity the cooling surface arise, i.e. in rough places, hairline cracks, voids and on the Limitations of the guide ribs. Since these discontinuities are now stationary, form thin layers of vapor form there, which lead to local overheating.

Des weiteren ist bekannt, daß bei scharfen Umlenkungen, die keine Beschleunigung der Gesamtströmung bewirken, auf der Innenseite der Strömung Ablösung bzw. Hohlsog auftritt. An diesen Hohlsogstellen treten offensichtlich auch örtliche überhitzungen auf.It is also known that in the case of sharp deflections, none Acceleration of the overall flow effect on the inside the flow detachment or cavitation occurs. Obviously occur at these cavities local overheating.

Die Erfindung vermeidet diese Mängel durch Ausnutzung der neueren Erkenntnisse der Strömungslehre. Der Kühlraum der Kühlelemente wird ebenfalls durch Leitrippen unterteilt. Diese Leitrippen verlaufen jedoch erfindungsgemäß in Strömungsrichtung schräg nach oben, so daß Luft- und Dampfblasen leicht abströmen können. Infolge der Zickzackführung bilden dann je zwei Leitrippen mit den Wänden des Kühlelementes einen Diffusor. In diesem Diffusor tritt die Strömung mit großer Geschwindigkeit ein, um ihn mit kleiner Geschwindigkeit wieder zu verlassen. Die Verringerung der kinetischen Energie ergibt bekanntlich eine Steigerung des statischen Drukkes. Das Gefälle des statischen Druckes liegt so, daß die Grenzschicht der Hauptströmung entgegenfließen muß. An einer bestimmten Stelle in Nähe des Diffusoreintrittes verdickt sich die Grenzschicht durch die Aufstauung so stark, daß sie in Form von Wirbeln von der Hauptströmung fortgerissen wird. Die Grenzschicht wird also dauernd erneuert und kann sich daher nicht mehr überhitzen. Dadurch wird jede Dampfbildung auch an Unstetigkeitsstellen der Kühlfläche vermieden, besonders da gerade an Unstetigkeitsstellen die Wirbelbildung begünstigt ist. Die erfindungsgemäße Anordnung der Leitrippen vermeidet aber außerdem die Hohlsogbildung an den Leitrippenenden, weil die Umlenkung bei gleichzeitiger starker Beschleunigung der Gesamtströmung erfolgt.The invention avoids these shortcomings by taking advantage of the newer ones Knowledge of fluid mechanics. The cooling space of the cooling elements is also through Divided guide ribs. According to the invention, however, these guide ribs run in the direction of flow obliquely upwards so that air and vapor bubbles can easily escape. As a result the zigzag guide then each form two guide ribs with the walls of the cooling element a diffuser. In this diffuser the flow occurs with great speed to leave it again at low speed. Reducing the As is well known, kinetic energy results in an increase in static pressure. That The static pressure gradient is such that the boundary layer of the main flow must flow towards it. Thickened at a certain point near the diffuser inlet The boundary layer is so strong that it takes the form of eddies is swept away by the mainstream. The boundary layer is therefore constantly renewed and can therefore no longer overheat. This will also turn on any steam build-up Points of discontinuity of the cooling surface avoided, especially because of the points of discontinuity vortex formation is favored. The inventive arrangement of the guide ribs but also avoids cavitation at the ends of the guide ribs because the deflection takes place with simultaneous strong acceleration of the overall flow.

Obgleich im Dampfkesselbau das Schrägstellen von Räumen, aus denen Dampfblasen abströmen sollen, zum allgemeinen Stand der Technik gehört, hat man bisher nicht erkannt, daß man durch die erfindungsgemäße diffusorartige Anordnung von Leitrippen eine wirksame Verbesserung der Kühlung von stark beheizten Wänden, wie es bei Kupolöfen der Fall ist, erzielen kann.Although in steam boiler construction the inclination of rooms from which Steam bubbles should flow off, belongs to the general state of the art, one has so far not recognized that one by the diffuser-like arrangement according to the invention of guide ribs an effective improvement of the cooling of strongly heated walls, as is the case with cupolas.

Erfindungsgemäß sind die Kühlelemente derart ausgebildet und am Ofenumfang angeordnet, daß sie die Winddüsen nach oben und seitlich annähernd begrenzen, wodurch gleichzeitig eine ausreichende Kühlung der Winddüsen erreicht werden kann und die bisher bekannten, nicht unerheblichen Aufwand bedingenden Maßnahmen und störungsanfälligen Einrichtungen für eine besondere Düsenkühlung nicht mehr notwendig sind.According to the invention, the cooling elements are designed in this way and are located on the circumference of the furnace arranged that they limit the tuyeres upwards and laterally approximately, whereby at the same time sufficient cooling of the tuyeres can be achieved and the previously known, not inconsiderable effort-related measures and failure-prone Facilities for a special nozzle cooling are no longer necessary.

Die Zu- und Abläufe sind vorzugsweise am oberen Ende angeordnet.The inlets and outlets are preferably arranged at the upper end.

In der Zeichnung ist die Erfindung als Ausführungsbeispiel dargestellt.The invention is shown as an exemplary embodiment in the drawing.

Abb. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen mit Kühlelementen ausgerüsteten Kupolofen und Abb. 2 ein Kühlelement in vergrößertem Schnitt; Abb. 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie A-A der Abb. 2; Abb. 4 bis 6 zeigen schematisch besondere Kühlelementformen; Abb. 7 zeigt schematisch eine Teilabwicklung des Ofenmantels.Fig. 1 shows a vertical section through one with cooling elements equipped cupola furnace and Fig. 2 a cooling element in an enlarged section; Fig. Figure 3 shows a section along the line A-A of Figure 2; Fig. 4 to 6 show schematically special cooling element shapes; Fig. 7 schematically shows a partial development of the furnace shell.

In dem zu kühlenden Bereich des Ofenschachtes 1 ist die innere Ofenwand durch mit Haltestiften 2 für die sich bildende Schutzschicht 3 versehenen Kühlelemente 4 gebildet, die je für sich mit einem als Ringleitung ausgebildeten Kühlmittel-Zuflußrohr 5 und Kühlmittel-Abflußrohr 6 durch das Zulaufrohr 7 und das Ablaufrohr 8 in Verbindung stehen. Die Kühlelemente 4 bestehen aus einem einteiligen, vorzugsweise gegossenen Gehäuse 9, welches dem Schnittbild Abb. 2 entspricht, d. h. daß sowohl der die Kühlmittelzuflußkammer 10 bildende Steg 11 als auch die Leitrippen 12 mit dem Gehäuse 9 aus einem Stück gefertigt sind, während die Außenwand durch einen aufgeschweißten Deckel 13 gebildet wird. Eine feste bzw. dichte Verbindung des Steges 11 und der Leitrippen 12 mit dem Deckel 13 ist nicht erforderlich. Die auf der dem Ofeninneren zugekehrten Seite anzuordnenden Haltestifte 2 können beliebige Form (auch Rippen bzw. Teilrippen) haben und aufgeschweißt oder mit dem Gehäuse 9 gegossen sein. Die Anordnung der Kühlelemente um den Ofenschacht 1 ist aus Abb.7 ersichtlich. Dabei sind verschiedene Möglichkeiten für die Gestaltung und Anordnung der Kühlelemente angegeben, z. B. einseitig, 14, bzw. beiderseits (Abb. 5 und 6) erweiterte oder eingeschnürte Form 15. Auch ist bereits eine für viele Fälle ausreichende Kühlung der Winddüsen 16 zu erreichen, wenn man die in Abb. 7 rechts gezeigte Anordnung wählt, also nur normale längere und kürzere Kühlelemente verwendet.In the area of the furnace shaft 1 to be cooled, the inner furnace wall is formed by cooling elements 4 provided with retaining pins 2 for the protective layer 3 which is being formed, each of which is provided with a coolant inlet pipe 5 and coolant outlet pipe 6 through the inlet pipe 7 and in the form of a ring line the drain pipe 8 are in communication. The cooling elements 4 consist of a one-piece, preferably cast housing 9, which corresponds to the sectional view Fig. 2, ie that both the web 11 forming the coolant inflow chamber 10 and the guide ribs 12 with the housing 9 are made in one piece, while the outer wall is through a welded-on cover 13 is formed . A firm or tight connection of the web 11 and the guide ribs 12 with the cover 13 is not required. The retaining pins 2 to be arranged on the side facing the inside of the furnace can have any shape (including ribs or partial ribs) and can be welded on or cast with the housing 9. The arrangement of the cooling elements around the furnace shaft 1 can be seen in Figure 7. Various options for the design and arrangement of the cooling elements are given, e.g. B. on one side, 14, or on both sides (Fig. 5 and 6) expanded or constricted shape 15. Also sufficient cooling of the tuyeres 16 for many cases can be achieved if one chooses the arrangement shown in Fig. 7 on the right, that is only normal longer and shorter cooling elements are used.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Device for cooling the melting and overheating zone of cupolas by means of cooling elements, the cooling space of which is divided into one or more zigzag-shaped flow channels by guide ribs, characterized by slightly upwardly inclined, opposing guide ribs (12) which intermesh like a toothing so that by two opposite guide ribs with the walls of the cooling space (4, 14, 15) each have a diffuser is formed.

2. Device according to claim 1, characterized in that a coolant inflow chamber (10) is separated by one or more vertical webs.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the housing (4, 14, 15) including the guide ribs (12) and webs (11) are made in one piece and the outside is closed by a welded-on cover (13) is.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the coolant inlet and outlet (7, 8) is arranged at the upper end of the elements (4, 14, 15) .

5. Establishment according to one of claims 1 to 4, characterized in that individual elements are expanded on one side at their lower end (Fig. 4).

6. Setup after a of claims 1 to 4, characterized in that individual elements at their lower The ends are widened on both sides and the coolant inflow chamber is arranged centrally is (Fig. 5).

7. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the elements (4, 14, 15) are constricted on one side in the region of the nozzles (16) for the nozzle passage (Fig. 7). B. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the elements (4, 14, 15) are pulled down so far that they almost touch the tuyeres (16) on all sides, but at least on the sides and above (Fig. 7 ). Documents considered: German Patent No. 140 916; U.S. Patent No. 2,238,036; B. O san n: Textbook of Metallurgy, Vol. 1, 2nd Edition, 1923, p. 254, Figs. 140, 142, 143.