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Heißwindkupolofen Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heißwindkupolofen,
dessen Schmelzzone teilweise durch den aufzuheizenden Wind und teilweise durch Wärmeabstrahlung
zu kühlen ist, mit einem inneren Metallzylinder, welcher die Ofenwand der Schmelzzone
bildet und zur Wärmeabgabe an den an seinen Wandungsteilen vorbeiströmenden Wind
ausgebildet ist.
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Während eine künstliche Kühlung der Ofenwand im Bereich der Schmelzzone
von Kupolöfen zur Reduktion des Futterabbrandes auch bei nur kurzzeitig betriebenen
öfen erwünscht ist, stellt eine solche Kühlung für öfen mit langer Schmelzdauer,
insbesondere im Dauerbetrieb, eine unbedingte Notwendigkeit dar, und es sind deshalb
auch schon die verschiedensten Kühlsysteme vorgeschlagen und ausgeführt worden.
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Von der reinen Wasserkühlung mittels Wasserbad oder Berieselung eines
nackten, metallenen Schmelzmantels wurde infolge der hohen Wärmeverluste auf Heißkühlungen,
bei der die Verdampfungswärme des Wassers mitausgenutzt wird, übergegangen.
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Solche Anlagen können jedoch nur dort wirtschaftlich eingesetzt werden,
wo ein geeignetes Dampfnetz für den entsprechenden Verbundbetrieb zur Verfügung
steht.
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Auch die Kühlung der Ofenwand mit Luft wurde in neuerer Zeit verschiedentlich
angewendet, doch bietet eine solche reine Luftkühlung verschiedene Schwierigkeiten,
da einerseits große Luftmengen mit hohen Geschwindigkeiten eingesetzt werden müssen,
um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten und andererseits selten eine ausreichende
Betriebssicherheit besteht, da im Falle eines Ausbleibens des Luftstromes mit einer
Beschädigung des Ofenmantels zu rechnen ist.
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Gemäß einem älteren Recht ist bei einem Heißwindkupolofen mit futterloser
Schmelzzone, bei welchem der Schmelzzonenmantel aus metallischem Werkstoff besteht
und durch den Kupolofenwind gekühlt wird, um den Schmelzzonenmantel ein Ringspalt
gebildet, der derart mit der Windleitung einerseits und der Ofenwinddüse andererseits
verbunden ist, daß der Wind aus dem Ringspalt ohne Richtungsänderung in die Ofenwinddüse
strömt, wobei das untere Ende des Schmelzzonenmantels mit dem Ofenfutter eine kreisförmige
Ofenwinddüse bildet. Dieser Ofen besitzt vor allem zwei entscheidende Nachteile:
weil der Wind ohne Richtungsänderung strömt, ist dieWärmeübertragung schlecht, undferner
gibt die kreisförmigeOfenwinddüse zu schwerwiegenden Störungen Anlaß, da sie leicht
verstopft wird. Die vorliegende Erfindung bezweckt durch eine kombinierte Kühlung
die genannten wirtschaftlichen und technischen Nachteile der bisher vorgeschlagenen
und ausgeführten künst ' lichen Ofenwandkühlungen auszuschalten. Ferner schafft
die Erfindung einen Heißwindofen, bei dem die separate, teuere Rekuperatoranlage'zur
Winderhitzung wegfällt. Der erfindungsgemäße Heißwindkupolofen ist dadurch gekennzeichnet,
daß der innere Metallzylinder in seiner Wand Hohlräume für den durchströmenden Wind
aufweist, wobei für diese Hohlräume mindestens eine Zuleitung und mindestens eine
zu den seitlich in den Ofen mündenden Düsen führende Ableitung vorgesehen sind,
und durch einen äußeren, als Strahlungskühler ausgebildeten, um den inneren Metallzylinder
herum im Abstand angeordneten Metallzylinder, wobei die Hohlräume des inneren Metallzylinders
als einander benachbarte senkrechte Kanäle ausgebildet sind, deren obere und untere
Enden je durch einen Ringkanal miteinander verbunden sind, und die Zu- und
Ableitungen in je einen dieser Ringkanäle münden, und wobei der äußere Metallzylinder
in seiner Wand mindestens einen Hohlraum für ein durchströmendes Kühlmedium aufweist.
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Der V&gleich von Wärmebilanzen ausgeführter Heißwindkupolöfen
mit wassergekühlter Schmelzzone zeigt, daß die durch die Kühlung abgeführte Wärmemenge
meist größer ist als zur Aufheizung des Windes nötig wäre. Bei rein luftgekühlten
Kppolöfen muß deshalb aus Sicherheitsgründen mit einem
Luftübers
' chuß gearbeitet werden, was sich sowohl in der Anschaffung als auch im
Betrieb verteuernd auf die Anlage auswirkt, speziell auch ün Hinblick darauf, daß
mit höheren Drücken als normal gearbeitet werden -muß, um die für den Wärmeübergang
notwendigen Windgeschwindigkeiten zu erreichen. Darüber hinaus sind dadurch auch
komplizierte Windmeß- und Regelapparaturen erforderlich.
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Im Gegensatz dazu braucht bei der vorliegenden Erfindung die Gebläseanlage
nur für die Ofenwindmenge ausgelegt zu werden, und da (wie später gezeigt wird)
der Innenmantel ohne Gefährdung mit hohen Temperaturen betrieben werden kann, läßt
sich die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Gebläseleistung auf ein notwendiges
Minimum beschränken.
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Man benutzt also den Luftstrom, mit welchem man die Schmelzzone kühlt,
als heißen Ofenwind, wobei man ihn, falls er durch die Kühlung der Schmelzzone nicht
genügend aufgeheizt werden sollte, noch durch außerhalb des Ofens liegende Mittel,
wie etwa einen durch die Ofenabgase beheizten üblichen Rekuperator, zusätzlich erwärmen
kann.
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An Hand der Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführuiigsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Heißwindkupolofens beschrieben.
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# F i g. 1 zeigt einen senkrechten Schniti durch die Schmelzzone
und den oben und unten daran anschließenden Ofenteil; F i g. 2 zeigt einen
Querschnitt längs, der Linie 2-2 der Fig. 1;
F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt
durch den als Va--riante ausgebildeten, an die Schmelzzone oben anschließenden Ofenteil;
F i g. 4 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der F i g. 3.
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Der Innenmantel 1 ist mit achsparaUelen Hohlräumen 2 versehen,
durch die der Ofenwind geblasen wird. Der obere und untere Teil des Mantels ist
als Ringkamnier 8, 9 ausgebildet. Beim dargestellten Ofen wird der Wind durch
den Einblasstutzen 6 zugeführt und verläßt die obere Ringkammer gegen einen
Dreiweghahn 4, mit dem er entweder durch die Düsen 5 in den Ofen eingeleitet
wird, oder im Falle von kurzzeitigen Schmelzunterbrechungen über den Stutzen
7 ins Freie abgeblasen werden kann, ohne daß die Kühlung beeinträchtigt wird.
Der Strahlungskühler 3 besteht aus einem doppelwandigen, zylindrischen Mantel,
dessen Hohlraum 10 von Kühlwasser durchflossen ist, das durch einen Stutzen
11 eingeführt und durch einen Stutzen 12 abgeleitet wird. Durch einen einstellbaren
Thermostaten im Kühlwasserablaufstutzen kann die Temperatur des Ofenmantels automatisch
konstant gehalten werden.
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Der Herd des Ofens ist in der herkömmlichen Weise ausgebildet und
mit feuerfestem Material ausgekleidet. Der Ofenschacht über der Schmelzzone kann
entweder gemäß F i g. 1 ausgebildet und mit feuerfestem Material ausgekleidet
werden; Versuche haben jedoch gezeigt, daß es möglich ist, den oberen Teil gemäß
F i g. 3 und 4 durch ein kleines Zusatzgebläse ebenfalls mit Luft zu kühlen.
Dabei wird Luft durch einen Stutzen 15 in einen Hchlraum. 16
geblasen,
welcher von einem Metallzylinder 17 und der oberen Ofenwand 13 gebildet
ist. Die so erwärmte Luft kann entweder zu Heizzwecken verwertet oder aber ins Freie
geblasen werden, und man erhält durch dieses System einen Kupolofen, der mit Ausnahme
des Herdes keinerlei Ausmauerung mehr benötigt.
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Der innere Ofenmantel kann grundsätzlich aus normalem oder legiertem,
gegossenem, gewalztem bder geschweißtem Eisen oder Stahl gefertigt sein und aus
einem oder mehreren zusammengesetzten Stücken bestehen. Zur Erhöhung der Haftbarkeit
der sich im Innern bildenden und erstarrenden, wärmeisolierenden Schlackenschicht
kann er zudem auf der Innenseite in bekannter Weise mit Stiften, Rippen od. dgl.
versehen werden. Seine Oberfläche kann auch ganz oder teilweise mit bekannten Verfahren
zur Erzielung bestimmter Eigenschaften behandelt werden (z. B. erhöhte Zunderfestigkeit,
bestimmte Strahlungseigenschaften usw.). Außer der Beeinflugsung der Wärmestrahlung
durch derartige Behandlungen der emittierenden und absorbierenden Flächen kann die
Wärmeübertragung zwischen den beiden Mänteln selbstverständlich auch zum Teil durch
Leitung und Konvektion erfolgen und durch entsprechende bauliche Maßnahmen im Strahlungsraum
14 (z. B. durch Verbindungsrippen, durch Evakuieren, durch zusätzliche Luftströmung)
gesteuert werden.
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Die Durchflußrichtungen der Kühlmedien können auch in entgegengesetzter.
Richtung als wie in der Zeichnung angegeben, verlaufen. Außerdem kann der Ofenwind
vor oder nach dem Durchfließen des Ofenmantels zwecks Erhöhung der Endtemperatur
zusätzlich erhitzt werden. Es ist beispielsweise denkbar, daß der Ofenwind zuerst
ganz oder teilweise zur Kühlung des Ofenoberteils gemäß F i g. 3 und 4 (im
Gleich- oder Gegenstrom zu den Ofenchargen) herangezogen und erst dermaßen vorgewärmt
durch den Ofenmantel geblasen wird.
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Die Ausnutzung der Wärmestrahlung zur zusätzlichen Kühlung des inneren
Ofenmantels bietet entscheidende Vorteile, da die abgestrahlte Wärmemenge mit der
vierten Potenz der absoluten Temperaturen anwächst und somit eine eventuelle schädliche
überhitzung des inneren Mantels praktisch ausgeschlossen ist, wie das folgende Beispiel
zeigt: Es handelt sich dabei um einen Kupolofen mit einem Durchmesser von
550 mm und einer Schmelzleistung von 2 t pro Stunde. Um die Ofenwindmenge
von 1740 m3/h von 701 C auf 500' C zu erhitzen, sind etwa 240
000 kcal/h erforderlich. Bei einer angenommenen Temperatur t2 des Kühlmantels
von 60' C und bei einer normalen Außentemperatur ti des inneren Mantels von
670' C ergibt sich eine Wärmeabfuhr durch Strahlung von etwa 47
000 kcal/h. Die gesamte abgeführte Wärmemenge (durch Wind und durch Strahlung)
beträgt folglich etwa 287 000 kcal. Sollte die Temperatur t. des inneren
Mantels auf 1000' C ansteigen, so wurden 148 000 kcal/h abgestrahlt.
Falls aus irgendeinem Grund die Windversorgung ausfallen sollte, so würde bei einer
Temperatur t,. des Kühlmantels von 300 C (die ohne weiteres praktisch erreicht
werden kann) die gesamte Wärmemenge von etwa 287 000 kcal/h abgestrahlt,
ohne daß die Innenmanteltemperatur t, 12000 C
überschreiten würde. Eine Gefahr
für das Durchbrennen des Mantels besteht also nicht da bei Ausfall des Ofenwindes
ja auch die Verbrennung und damit die Wärmeabgabe an den Innenmantel reduziert wird.
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Durch eine Regulierung der Kühlmanteltemperatur (diese Regulierung
kann beispielsweise automatisch
erfolgen) hat man es also in der
Hand, einerseits die Innentemperatur des Mantels bei kleinsten Wärmeverlusten einwandfrei
zu beherrschen und gleichzeitig die Windtemperatur zu regulieren.
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Bei einem erfindungsgemäßen Heißwindkupolofen ist es vorteilhaft,
wenn die Höhe der Schmelzzone 500 bis 2500 mm, der Durchmesser der
Schmelzzone 400 bis 1200 mm, die Dicke des inneren Metallzylinders
15 bis 60 mm und der Abstand zwischen der Außenwand des inneren Zylinders
und der Innenwand des äußeren Metallzylinders 5 bis 100 mm beträgt
und daß die Summe der Querschnitte der genannten senkrechten Kanäle 2 so groß ist,
daß die Geschwindigkeit der durchströmenden Luft 10 bis 150
m/Sek. für auf Normalbedingungen (0' C,
760 mm I-Ig) reduzierte Luft
beträgt.