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Verfahren zur Verhinderung bzw. Verminderung des Verschleißes von
feuerfesten Auskleidungen in metallurgischen Öfen und feuerfeste Auskleidung zur
Durchführung dieses Verfahrens Das Vordringen von Höchsttemperaturen in die metallurgische
Technik stellt immer höhere Anforderungen an die feuerfesten Baustoffe, so daß sie
bald den an sie gestellten Anforderungen nicht mehr nachkommen können.
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Neben der Temperaturbeanspruchung wird ein wesentlicher Verschleißanteil
durch aggressive gasförmige und flüssige Bestandteile der Schmelze gebildet, indem
diese in die feuerfeste Zustellung eindiffundieren und mit der Grundmasse niedrigschmelzende
Eutektika bilden, die dann abschmelzen oder bei Temperaturwechsel den Stein zersprengen.
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Man hat bereits mehrfach versucht, die Haltbarkeit der feuerfesten
Auskleidung eines metallurgischen Ofens durch Anordnung und Einbau von Kühlelementen
und/oder durch eine zweckentsprechende Verbesserung der aerodynamischen Strömungsverhältnisse
im Ofenraum zu erhöhen. Als Beispiele seien genannt: Wasserberieselung von Gestellen
von Hochöfen und Heißwindkupolöfen, Wasser- und Heißdampfkühlelemente an Zügen und
Türen von Siemens-Martin-Öfen einerseits und Strömungsführung in Boelens-SM-Öfen
und im Sauerstoffherdofen andererseits. Zur Kennzeichnung des Standes der Technik
sei vorerst noch folgender Hinweis gegeben: Bekanntlich besteht zwischen Ofenraumtemperatur,
Steinart und Steinstärke eine Wechselbeziehung, so daß eine minimale, im folgenden
als »äquiresistent« definierte Wandstärke der feuerfesten Zustellung sich einstellen
würde, wenn der chemische Angriff der Ofengase und der Schlacke auf die feuerfeste
Zustellung unbedeutend bliebe. Diese Wandstärke würde dann auch während einer längeren
Dauer aufrechterhalten bleiben. Diese äquiresistente Wanddicke würde sich dann einstellen,
wenn eine ursprünglich stärkere Wand auf das Maß abschmilzt, bei dem ein Gleichgewichtszustand
an abströmender Wärme zwischen Innenraum und Außentemperatur innerhalb der Wandung
sich eingestellt hat, sofern die genannten aggressiven gasförmigen und flüssigen
Medien auf den Vorgang ohne Einfluß bleiben. Bei dieser äquiresistenten Wanddicke
hätte sich also ein Gleichgewichtszustand im örtlichen Wandungssystem zwischen der
vorhandenen Innen- und Außentemperatur infolge der Wärmeabflußfähigkeit der Gesamtwandung
eingestellt.
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Daraus folgt, daß man die Wanddicke der feuerfesten Zustellung weder
beliebig verstärken noch durch eingelegte Isolierschichten schützen kann, da dann
notwendigerweise durch überhitzung der Innenseite der Zustellung dort ein beschleunigtes
Abschmelzen der feuerfesten Wandung die Folge wäre.
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Aus dem gleichen Grund mußte die in der deutschen Patentschrift 61537
vorgeschlagene Maßnahme, einen mit Preßluft beschickten Zwischenraum zwischen Blechmantel
und Ausmauerung des Gestells eines Kupolofens anzuordnen, versagen, da hier dieser
Zwischenraum wie eine Isolierschicht wirkt, d. h. den Wärmeabfluß nach außen behindert,
und die Preßluft wegen ihrer geringen spezifischen Wärme den Ofenmantel nicht ausreichend
kühlen konnte.
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Wenn man im Gegensatz hierzu mit Erfolg die Lebensdauer eines bereits
zum Teil abgeschmolzenen SM-Ofengewölbes dadurch kurzzeitig verlängern konnte, indem
man Preßluft auf die bereits rotwarm gewordenen Stellen aufblies, so lag das daran,
daß hier nicht so sehr die Preßluft als Kühlmittel als vielmehr die in ihr mitgeführten
Wasser- und Öltröpfchen wirksam waren.
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Es ist ferner eine Luftkühlung an Herdgewölben von Siemens-Martin-Öfen
bekanntgeworden, bei der Formsteine mit von Kühlluft durchströmten Kanälen angeordnet
wurden. Diese Kanäle liefen in der Hauptsache quer zur Ofenwandung. Man hatte auch
vorgeschlagen, über dem dem Ofeninneren zugewandten Gewölbe ein zweites Gewölbe
mit Zwischenraum
anzuordnen, mit Kühlrippen zu versehen und durch
den so gebildeten Zwischenraum Kühlluft zu leiten.
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Alle diese Vorschläge weisen den Nachteil auf, daß einmal große Kühlluftmengen
notwendig sind, um - wegen des Unterschiedes der spezifischen Wärme des feuerfesten
Materials und der der Kühlluft - überhaupt einen nennenswerten Kühleffekt hervorzubringen,
wobei ein etwaiger Vorteil durch den durch die Zwischenräume unterbrochenen natürlichen
Wärmeabfluß nach außen wieder größtenteils aufgehoben wird. Hierbei wird wie bei
jeder Art von Luftkühlung der auf die feuerfeste Wand auftreffende Preßluftstrahl
so weit expandieren, daß sein Enddruck nicht mehr ausreicht, die feuerfeste Wandung
diffusionsmäßig bis zur Oberfläche des Ofeninnenraumes zu durchdringen; auch läßt
bekanntlich die Gasdurchlässigkeit der feuerfesten Werkstoffe mit steigender Temperatur
nach, während die kinematische Zähigkeit der Luft mit steigender Temperatur zunimmt.
Zur diffusionsmäßigen Durchdringung der feuerfesten Wandung wäre also ein hoher
statischer Anfangsdruck der Preßluft erforderlich. Zum anderen bewirkt aber ein
im feuerfesten Stein angeordneter Kühlkanal eine örtlich ungleichmäßige Kühlung
im Wandungsquerschnitt und demzufolge eine örtlich ungleichmäßige Wärmeausdehnung
im Stein selbst. Dadurch wird, ähnlich wie beim Einbau wassergekühlter Rohre in
den Zügen des Siemens-Martin-Ofens, eine Störung der Wärmeausdehnung und eine Verminderung
der Temperaturwechselbeständigkeit der feuerfesten Steine hervorgerufen, was sich
in einem vorzeitigen Abplatzen oder Abschälen der feuerfesten Wandung auswirkt.
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Erfindungsgemäß kann man die Lebensdauer von feuerfesten Ausmauerungen
metallurgischer Öfen dadurch erhöhen, daß man den von der Ausmauerung und dem Ofenblechmantel
gebildeten Zwischenraum mit einem Körper erhöhter Wärmeleitfähigkeit und ausreichender
Gasdurchlässigkeit, z. B. einem netzförmigen Kupferdrahtgeflecht, satt ausfüllt,
also den Wärmeabfluß vom Ofenraum durch die feuerfeste Wandung nicht stört, sondern
fördert, und in diesen Zwischenraum ein inertes Gas oder Luft unter einem solchen
Druck einführt, daß das Gas oder die Luft durch die Poren der Ausmauerung dringen
kann, wodurch das Eindiffundieren von aggressiven oder schmelzflüssigen aus dem
Schmelzvorgang herrührenden Bestandteilen in die Ausmauerung verhindert oder gehemmt
wird. Gleichzeitig kann aber die bisher übliche Stärke der Ausmauerung bis nahe
auf die oben beschriebene »äquiresistente« Wandstärke vermindert werden, da ja der
chemische Angriff auf die Innenfläche der feuerfesten Wandung durch die vorgesehene
Gegendiffusion weitgehend aufgehalten ist.
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Wird aber örtlich der Durchfluß des von außen eingeleiteten Gases
oder der Luft durch Verglasung der feuerfesten Wandung unterbrochen, so muß der
statische Druck vom eingeleiteten Gas oder der Luft innerhalb der Wandung bis zur
verglasten Oberfläche auf seine volle Höhe ansteigen und so lange dem Eindiffundieren
aggressiver Gase aus dem Ofenraum Widerstand entgegensetzen, bis der angestaute
Druck die Poren wieder freilegt.
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Auf diese Weise wird Preßluft als gasförmiger Stoff infolge der beschriebenen,
den Verschleiß verhindernden Wirkung gleichsam zum Mitträger der feuerfesten Wandung
von metallurgischen Öfen (ähnlich wie die Preßluft in Autoreifen), wobei durch die
Wandung ständig diffundierende Preßluft ständig ergänzt wird.
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A b b. 1 bis 4 zeigen Schnitte durch feuerfeste Ausmauerungen von
metallurgischen Öfen; A b b. 5 zeigt einen Laboratoriumsversuch zum Nachweis der
abweisenden Wirkung der entgegengerichtet eindiffundierenden Gase gegen den Angriff
der flüssigen Schlacke; A b b. 6 zeigt ein Beispiel der Zustellung eines Windfrischkonverters,
A b b. 7 die eines Rundofens für Stahlschmelzen, z. B. eines Elektroofens bzw. eines
Sauerstoff-Herdfrischofens.
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Zunächst sei an A b b. 5 die Wirksamkeit der Strömung eines gasförmigen
Mediums gegen den Angriff der Schlacke gezeigt: In einem Tammann-Ofen 13 wurde ein
zylindrischer Probekörper 10 aus Schamotte mit dem Durchmesser D und der
Höhe H und der zylindrischen Ausbohrung mit dem Durchmesser d und
der Höhe h
eingesetzt. Er war durch Auskittung 14 gegen die Innenwandung des
Tammann-Ofens 13 gegen die Zuführung eines gasförmigen Mediums - hier von erwärmtem
Stickstoff - undurchlässig gemacht. Der Stickstoff wurde durch das Rohr 4 zugeführt,
das in einen Stopfen 15 in den zylindrischen Innenraum des Tammann-Ofens eingekittet
war. Der Stickstoff konnte nur vom Hohlraum 16 durch die Poren des Probekörpers
10 hindurchdiffundieren.
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Es wurden zwei Versuche mit je einem Probekörper 10 aus poröser Schamotte
durchgeführt. Einmal wurde durch das Zuführungsrohr 4 reiner Stickstoff während
einer Erhitzung der Probe auf 1500° C eingeleitet. Bei einem sonst gleichen zweiten
Versuch wurde diese Zuführung unterlassen. Im ersten Fall blieb der Angriff der
verflüssigten Schlacke 17 auf den Probekörper unwesentlich. Der Probekörper blieb
fast vollständig erhalten. Dagegen hatte im zweiten Fall, also ohne Einleitung von
erwärmtem Stickstoff, die flüssige Schlacke nach kurzer Zeit den feuerfesten Stein
so angegriffen, daß die Schlacke in den Raum 16 auslief und ein Hohlrauen
18 übrigblieb.
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A b b. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen senkrechten Teilausschnitt
durch eine zylindrische Ofenwand, die aus einem Blechmantel 1 und einer aus feuerfesten
Steinen bestehenden Zustellung 2 gebildet ist. Zwischen beiden befindet sich erfindungsgemäß
ein mit Drahtgitternetzen 3 ausgefüllter Raum; in den von außen durch den Blechmantel
1 mittels des Stutzens 4 Preßluft eingeleitet wird. Wird also eine solche Zustellung
durch die Ofenheizung erwärmt, so sucht sich eine zylindrische Ofenwand auszudehnen,
indem sie dabei die Mauerfugen schließt und auch einen Druck auf das Drahtgitternetz
3 ausübt und es an den Blechmantel 1 satt anpreßt. Hierdurch wird aber die Wärmeableitfähigkeit
nach außen verstärkt. Das Drahtgitternetz 3 kann als Paket welliger Siebe ausgebildet
werden. Da die eingeleitete Preßluft oder das inerte Gas sich in dem Zwischenraum
zwischen Blechmantel 1 und der feuerfesten Zustellung 2 staut, der statische Druck
also erhalten bleibt, da nur ein geringer Teil in den Ofenraum diffundiert, kann
erfindungsgemäß im Gegensatz zu den nach dem bisherigen Stand der Technik bekanntgewordenen
Vorrichtungen hier von
einer Kühlwirkung der eingeleiteten Preßluft
keine Rede mehr sein. Die Wärmeableitung nach außen, also die Kühlung, besorgt das
Drahtgitternetz 3 so wirksam, daß die sonst übliche Dicke der feuerfesten Ausmauerung
von 11 auf l= vermindert werden kann.
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A b b. 2 zeigt den gleichen Schnitt durch eine feuerfeste Wandzustellung
wie A b b. 1, aber mit dem Unterschied, daß die feuerfeste Zustellung nicht aus
Einzelsteinen, sondern aus einer Stampfmasse 2' hergestellt ist. Zwischen Stampfmasse
2' und dem Drahtgitternetz 3 wird ein Blechsieb 5 angeordnet, welches die Verstopfung
des Drahtgitternetzes 3 beim Einstampfen der feuerfesten Masse verhindern soll.
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A b b. 3 zeigt die gleiche Anordnung wie A b b. 2. Hier wird in die
Stampfmasse 2' vor das Sieb 5 ein Drahtgeflecht 6 eingestampft, das dazu dient,
die Wärmeableitfähigkeit nach außen zu fördern. Diese wird erfindungsgemäß auch
dadurch verstärkt, daß man das Drahtgitternetz 3 und das Sieb 5 und/oder 6 aus Kupfer
herstellt. Die Dicke der feuerfesten Wand ist hier von h auf 12' vermindert.
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A b b. 4 zeigt die gleiche Anordnung wie A b b. 3, nur besitzt das
Sieb 5 nach dem Herdraum gerichtete, an das Sieb 5 angeheftete Drahtstifte 7, die
eine ähnliche wärmeableitende Wirkung haben wie Kühlrippen. An Stelle der kurzen
Drahtstifte 7 können ähnlich wirkende kühlrippenartige Körper eingestampft werden.
Durch die hierbei bewirkte verstärkte Wärmeableitung kann die Wandstärke von
11
auf 1.," vermindert werden.
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A b b. 5 und 6 zeigen Beispiele für die Anwendung der Erfindung. Diese
bezieht sich einmal auf zylindrische Wandungen von Windfrischkonvertern und Elektroöfen,
zum anderen auf Ofengewölbe aller Arten von metallurgischen Öfen. Wie A b b. 6 zeigt,
kann nach der Erfindung der Innendurchmesser 22 auf den Innendurchmesser 21 vergrößert
werden. Das gleiche gilt von A b b. 7.
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Zweckmäßigerweise kann man den Diffusionsdurchsatz des gasförmigen
Mediums dadurch erhöhen, daß man das feuerfeste Material bei der Herstellung weniger
dicht brennt, also gasdurchlässiger macht. Auf diese Weise läßt sich bei gasdurchlässigerem
Material die jeweilige Dicke der Ausmauerung einer Ofenwandung nach dem Grundsatz
anpassen, je durchlässiger eine Zustellung für ein gasförmiges Medium unter entsprechendem
statischem Druck ist, um so dicker kann sie gehalten werden (und umgekehrt); je
weniger sie dafür gasdurchlässig ist, um so dünner muß sie gehalten werden, um praktisch
die gleiche Gasmenge durchzulassen und demzufolge auch eine annähernd gleiche Haltbarkeit
der feuerfesten Zustellung zu erzielen.
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Um die Wärmeableitbarkeit nach außen zu verstärkten, wird man entweder
die Dicke des Kupferdrahtnetzes 3 in A b b. 3 vergrößern oder/und den bisher üblicherweise
aus Stahlblech hergestellten Außenmantel 1 in A b b. 1 bis 4 aus Kupferblech
herstellen.
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Das Verfahren der Erfindung findet sinngemäß auf solche Gefäße Anwendung,
deren Wandung bei der Durchführung chemischer Reaktionen der Einwirkung aggressiver
gasförmiger und/oder flüssiger Stoffe ausgesetzt ist, wobei also der Schutz der
Gefäßwandung durch Gegendiffusion von nicht aggressiven Gasen erzielt wird.