DE19938917A1

DE19938917A1 - Kühlplatte

Info

Publication number: DE19938917A1
Application number: DE19938917A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rolf; Heinz Driemeier; Christof Dratner; Franz Keiser
Original assignee: KM Europa Metal AG
Current assignee: KM Europa Metal AG
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2001-02-22
Also published as: ATE265662T1; EP1077357A1; DE50006224D1; EP1077357B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlelement (1) für Schmelzöfen, das von durch mechanisches Tiefbohren eingebrachten Kühlmittelkanälen (2) durchzogen ist. Im Inneren des Kühlelements (1) sind zur Bildung eines durchgehenden Kanalstrangs in die Kühlmittelkanäle (2) wenigstens abschnittsweise Stopfen (8) eingegliedert, die den Kühlmittelkanälen (2) zugewandte konkave Umlenkflächen (12) besitzen. Die Umlenkflächen (12) sind kugelabschnittsförmig ausgebildet und tragen zur Verringerung des Strömungswiderstands im Inneren des Kühlelements (1) bei.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für Schmelzöfen, das von durch mechanisches Tiefbohren eingebrachten Kühlmittelkanälen durchzogen ist.

Derartige Kühlelemente sind austauschbare Bestandteile einer inneren Verkleidung eines Schmelzofens. Da die in den Schmelzöfen herrschende Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Kühlelemente liegt, ist eine Kühlung erforderlich, um ein Erweichen der Kühlelemente zu verhindern. Die Kühlelemente bestehen häufig aus Grauguß oder Stahl.

Es zählt zum Stand der Technik, Kühlrohre in gußeiserne Kühlelemente einzugießen. Hiermit ist der Nachteil verbunden, daß eine die Kühlrohre umgebende Oxidschicht oder ein Luftspalt den Wärmeübergang auf das Kühlmittel erschwert. Zudem be sitzen gußeiserne Kühlelemente eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit.

Wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeiten als Grauguß besitzen Kupfer und Kupfer legierungen. In diesem Zusammenhang offenbart die DE 29 07 511 C1 ein Kühl element für Schachtöfen, das aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung besteht und aus einem geschmiedeten oder gewalzten Rohblock gefertigt ist. Bei dieser Bauart befinden sich durch mechanisches Tiefbohren erzeugte Kühlmittelka näle im Inneren des Kühlelements, die in der Gebrauchslage vertikal verlaufen. Die in das Kühlelement eingebrachten Sackbohrungen werden durch Einlöten oder Ein schweißen von Gewindestopfen abgedichtet. Auf der Rückseite des Kühlelements befinden sich Zulaufbohrungen zu den Kühlmittelkanälen, in die für die Kühlmittelzufuhr bzw. Kühlmittelabfuhr erforderliche Stutzen geschweißt bzw. gelötet sind.

Um die Kühlflüssigkeit innerhalb des Kühlelements umleiten zu können, werden die Sackbohrungen zumeist in einem Winkel von 90° zueinander in das Kühlelement eingebracht. Durchdringt hierbei eine Querbohrung mehrere Längsbohrungen, sind zur kontrollierten Umleitung des Kühlmittelstroms Stopfen zwischen jeweils zwei Kreuzungsbereiche der Bohrungen einzusetzen. Diese Kreuzungsbereiche sind strömungstechnisch ungünstig.

In dem das Kühlelement durchsetzenden Kühlmittelstrang treten infolge von Schub spannungen im Kühlmittel Energieverluste längs des Stromfadens auf. Bei laminarer Strömung bewegen sich die Teilchen des Kühlmittels in parallelen Bahnen, während bei turbulenter Strömung zusätzliche Geschwindigkeiten in X-, Y- und Z-Richtung die Hauptströmung überlagern, was zu Wirbelbildungen führt. Während der Druckverlust bei laminarer Strömung linear mit der Geschwindigkeit zunimmt, nimmt dieser bei turbulenter Strömung quadratisch mit der Geschwindigkeit zu. Hierbei treten Verwirbelungen besonders an unstetigen Querschnittserweiterungen auf, z. B. in Kreuzungsbereichen der Kühlmittelkanäle. Mit zunehmender Strömungsgeschwin digkeit sind daher wesentlich leistungsfähigere Pumpen erforderlich.

Der erhöhte Strömungswiderstand innerhalb tiefgebohrter Kühlelemente kann dazu führen, daß eine Pumpenanlage, die beim Einsatz von Kühlelementen mit eingegos senen Rohrschlangen ausreicht, bei der Installation von tiefgebohrten Kühlelementen gegen eine leistungsfähigere Pumpenanlage ausgetauscht werden muß.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Kühlelement für Schmelzöfen bereitzustellen, das hinsichtlich des Strömungswider stands innerhalb der Kühlmittelkanäle verbessert ist.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlelement besitzen die Stopfen den Kühlmittelka nälen zugewandte Umlenkflächen bestimmter Konfigurationen. Diese sind so ge staltet, daß die Querschnittsveränderung in dem Durchdringungsbereich zweier Kühlmittelkanäle verringert ist. Eine konkav ausgestaltete Umlenkfläche leitet die Strömung sanft um. Hierdurch wird eine abrupte Abbremsung des Kühlmittelstroms verhindert und es werden Reibungsverluste im Durchdringungsbereich vermindert.

Besonders vorteilhaft sind kugelabschnittsförmig ausgebildete Umlenkflächen (An spruch 2), da die durch mechanisches Tiefbohren eingebrachten Kühlmittelkanäle einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

Ein konstanter Querschnitt des Kanalstrangs ergibt sich insbesondere dann, wenn im Durchdringungsbereich zweier Kühlmittelkanäle der Radius der Umlenkflächen dem Durchmesser der Kühlmittelkanäle entspricht (Anspruch 3).

Die Vorteile der Erfindung sind gleichermaßen dann gegeben, wenn der Radius der Umlenkflächen dem Radius der Kühlmittelkanäle entspricht (Anspruch 4). Diese Ausführungsform hat fertigungstechnische Vorteile, da die Umlenkflächen besonders einfach mit einem geeigneten Kugelfräser hergestellt werden können.

Im Rahmen der Ausführungsform des Anspruchs 5 sind die Umlenkflächen zwischen zwei um 90° zueinander versetzten Übertrittsöffnungen angeordnet. Die Übertrittsöff nungen besitzen vorzugsweise den gleichen Durchmesser wie die angrenzenden Kühlmittelkanäle, um eine Veränderung des Querschnitts des Kanalstrangs zu ver meiden.

Der einen winkelförmigen Übertrittskanal aufweisende Stopfen ist im Außendurch messer demzufolge etwas größer als der Innendurchmesser der Kühlmittelkanäle. Bei dieser Ausführungsform kommen insbesondere die Merkmale des Anspruchs 4 zum Tragen, wobei durch die Übertrittsöffnungen ein Kugelfräser in den Stopfen ein geführt werden kann, der die Umlenkfläche formt. Der Radius der Umlenkfläche ist somit durch den Radius des Kugelfräsers bestimmt, der wiederum von dem Durch messer der Übertrittsöffnungen bzw. der Kühlmittelkanäle abhängig ist.

Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung auch Konfigurationen denkbar, bei denen die Übertrittsöffnungen nicht um 90° zueinander versetzt sind, sondern in ei nem beliebigen spitzeren oder stumpferen Winkel zueinander stehen.

Nach Anspruch 6 sind zwei einander abgewandte Stirnseiten eines Stopfens von Umlenkflächen gebildet. Ein derartiger Stopfen kommt im Inneren eines Kühlele ments zum Einsatz, bei der die Kühlmittelkanäle beispielsweise mäanderförmig an geordnet sind. Fertigungsbedingt werden hierzu sich gegenseitig durchdringende Kühlmittelkanäle in das Kühlelement eingebracht. Zur Ausbildung der Mäanderform müssen einzelne Kühlmittelkanäle abschnittsweise durch Stopfen verschlossen werden. Die Länge der Stopfen ist hierbei durch den Abstand der Kreuzungspunkte der Kühlmittelkanäle vorgegeben.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 7 bilden zwei Umlenkflächen die Enden einer in einem Stopfen ausgeformten länglichen Mulde. Diese Ausführungsform kommt dann zum Einsatz, wenn die durch Tiefbohren eingebrachten Kühlmittelkanäle im Bereich einer Stirnseite des Kühlelements miteinander verbunden werden sollen. Hierzu wird in das Kühlelement eine an den Stopfen angepaßte Ausnehmung eingebracht sowie eine Aussparung zwischen den Kühlmittelkanälen, die zusammen mit der Mulde des Stopfens einen Überleitkanal für das Kühlmittel ausbildet. Dieser Überleitkanal besitzt vorzugsweise den gleichen Querschnitt wie die Kühlmittelkanäle. Hierzu ist die längliche Mulde zwischen ihren Enden zylinderabschnittsförmig gestaltet. Der Radius des zylindrischen Mittelabschnitts entspricht vorzugsweise dem Radius der Kühlmittelkanäle und dem Radius der Ausnehmung. Fertigungstechnisch kann die Ausnehmung besonders einfach mit einem Kugelfräser hergestellt werden, der gleichzeitig die Umlenkflächen an den Enden ausbildet und durch lineares Ver fahren zwischen den Enden den zylindrischen Mittelabschnitt des Stopfens formt.

Die Stopfen sind nach den Merkmalen des Anspruchs 8 festsitzend in die Kühlmit telkanäle eingepaßt. Sie können beispielsweise durch äußere Einwirkung (Material verpressung) in den Kühlmittelkanälen festgeklemmt werden. Es bieten sich auch Sicherungsringe an, die in einer außenseitigen Nut im Stopfen gehalten sind und fe dernd gegen die Wände der Kühlmittelkanäle drücken.

Nach Anspruch 9 sind die Stopfen in die Kühlmittelkanäle geschweißt, gelötet und/oder geschraubt. Die zusätzliche stoffschlüssige Verbindung der festsitzend in die Kühlmittelkanäle eingepaßten Stopfen sichert diese auch bei groben Betriebs bedingungen gegen Herausfallen und ermöglicht eine fluiddichte Festlegung ohne zusätzliche Dichtelemente.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 10 besteht das Kühlelement aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung. Vorzugsweise ist das Kühlelement aus einem Rohblock aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung geschmiedet oder gewalzt. Derartig hergestellte Kühlelemente weisen ein dichteres und homogeneres Gefüge auf als gegossene Kupferelemente und besitzen eine höhere Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, Pumpenanlagen mit geringerer Lei stung einzusetzen, wodurch der Installationsaufwand bei einem Wechsel von Kühl elementen aus Stahl oder Grauguß auf kupferne Kühlelemente erheblich reduziert werden kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch darge stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines mit einem Stopfen versehenen Kühlmit telkanals eines Kühlelements im Querschnitt im Bereich eines Stutzens;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine perspektivische Darstellung des Stopfens der Fig. 1;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines einen Kanalstrang ab schnittsweise verschließenden Stopfens im Querschnitt;

Fig. 4 ebenfalls im Querschnitt eine dritte Ausführungsform eines Stop fens im Verlauf eines Kanalstrangs;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung entlang der Linie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 in der Vergrößerung eine perspektivische Darstellung des Stop fens gemäß Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen Eckbereich eines Kühlelements 1 im Schnitt mit einem in Längs richtung des Kühlelements 1 verlaufenden Kühlmittelkanal 2. Das Kühlelement 1 ist von mehreren im einzelnen nicht dargestellten Kühlmittelkanälen 2 durchzogen, die einen durchgehenden Kanalstrang in dem Kühlelement 1 bilden.

Der Kühlmittelkanal 2 ist durch mechanisches Tiefbohren vom Ende 3 des Kühlele ments 1 her in dieses eingebracht. Zur Speisung des Kanalstrangs mit einem Kühl mittel ist das Kühlelement 1 auf seiner dem Inneren eines Schmelzofens (nicht näher dargestellt) abgewandten Seite 4 mit einem Kühlmittelzulauf 5 versehen. Hierzu besitzt der Kühlmittelkanal 2 eine von der Seite 4 her eingebrachte Zulaufbohrung 6, in die ein Rohrstutzen 7 fest eingesetzt ist. Der Rohrstutzen 7 kann in die Zulaufboh rung 6 geschweißt oder gelötet sein. Durch die Zulaufbohrung 6 ist in den Kühlmit telkanal 2 ein Stopfen 8 eingesetzt. Der Stopfen 8 besitzt eine dem Kühlmittelkanal 2 zugewandte erste Übertrittsöffnung 9 und eine zweite Übertrittsöffnung 10, die um 90° versetzt dem Rohrstutzen 7 des Kühlmittelzulaufs 5 zugewandt ist. Kühlmittel kann somit über den Kühlmittelzulauf 5 und durch den Stopfen 8 in den Kühlmittelka nal 2 fließen. Der Stopfen 8 ist von dem Ende 3 des Kühlelements 1 her mit der Wand 11 des Kühlmittelkanals 2 verschweißt.

Zwischen den zueinander versetzten Übertrittsöffnungen 9, 10 besitzt der Stopfen 8 eine dem Kühlmittelkanal 2 und dem Kühlmittelzulauf 5 zugewandte Umlenkfläche 12. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß die Umlenkfläche 12 kugelabschnittsförmig aus gebildet ist. Der Radius R_U der Umlenkfläche 12 entspricht dem Radius R_K des Kühlmittelkanals 2. Der Radius R_D der Übertrittsöffnungen 9, 10 entspricht dem Ra dius R_K des Kühlmittelkanals 2 sowie des Kühlmittelzulaufs 5. Stopfen 8 und Rohr stutzen 7 besitzen den gleichen Außendurchmesser D_A, der auf den Durchmesser D_Z der Zulaufbohrung 6 abgestimmt ist.

In der Ausführungsform nach Anspruch 3 ist ein Stopfen 13 in einem horizontalen Kühlmittelkanal 14 im Innern des Kühlelements 1 angeordnet. Ein erster und ein zweiter vertikal verlaufender Kühlmittelkanal 15, 16 münden im parallelen Abstand zueinander in den horizontalen Kühlmittelkanal 14. Die Längsachsen der vertikalen Kühlmittelkanäle 15, 16 kreuzen sich in einem ersten Schnittpunkt SP₁ und einem zweiten Schnittpunkt SP₂ mit der Längsachse des horizontalen Kühlmittelkanals 14.

Der Stopfen 13 erstreckt sich zwischen diesen Schnittpunkten SP₁ und SP₂im hori zontalen Kühlmittelkanal 14. Hierbei sind seine einander abgewandten Stirnseiten als kugelabschnittsförmige Umlenkflächen 17 gestaltet. Der Radius R_U der Umlenkflä chen 17 entspricht dem Radius R_K der Kühlmittelkanäle 14, 15, 16. Durch die Um lenkflächen 17 wird ein Kühlmittel, wie von den Pfeilen PF angedeutet, von dem horizontalen Kühlmittelkanal 14 in den vertikalen Kühlmittelkanal 15 geleitet und von dem vertikalen Kühlmittelkanal 16 wieder in den horizontalen Kühlmittelkanal 14.

Die beiden Kühlmittelkanäle 15, 16 können am anderen Ende ebenfalls, wie anhand der Fig. 3 dargelegt, verbunden sein oder sie können gemäß Fig. 4 miteinander verbunden werden (nachfolgend noch näher erläutert).

Der Stopfen 13 ist durch ein in seinem mittleren Längenabschnitt angeordnetes ringförmiges Befestigungselement 18 örtlich fixiert. Das Befestigungselement 18 ver klemmt den Stopfen 13 mit der Wand 19 des horizontalen Kühlmittelkanals 14. Als Befestigungselement 18 eignet sich beispielsweise ein in einer Nut im Stopfen 13 gehaltener Sicherungsring.

Im Rahmen der Ausführungsform der Fig. 4 bis 6 sind durch einen Stopfen 20 zwei parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle 21, 22 fluidleitend miteinander verbunden. Der Stopfen 20 erstreckt sich zwischen den Kühlmittelkanälen 21, 22 und ist von der Stirnseite 21 des Kühlelements 1 her in eine Nut eingesetzt. Er ist paßfe derartig gestaltet und endseitig abgerundet, wobei seine den Kühlmittelkanälen 21, 22 zugewandte Seite als längliche Mulde 24 ausgebildet ist mit einem zylindrisch ausgenommenen Mittelabschnitt 26 und endseitigen konkaven kugelab schnittsförmigen Umlenkflächen 25 (Fig. 6). Der Radius R_U der Umlenkflächen 25 entspricht wiederum dem Radius R_K der Kühlmittelkanäle 21, 22. Gleiches gilt für den Radius R_M des zylindrischen Mittelabschnitts 26 der Mulde 24. Um eine Quer schnittsverengung im Bereich des zylindrischen Mittelabschnitts 26 zu vermeiden, ist eine mit diesem korrespondierende zylindrische Ausnehmung 27 in dem Kühlelement 1 angeordnet. Zwischen den Kühlmittelkanälen 21, 22 ist hierdurch ein Überström kanal 28 gleichen Querschnitts gebildet.

Bezugszeichenaufstellung

1

Kühlelement

2

Kühlmittelkanal

3

Ende v.

1

4

Seite v.

1

5

Kühlmittelzulauf

6

Zulaufbohrung

7

Rohrstutzen

8

Stopfen

9

Übertrittsöffnung v.

8

10

Übertrittsöffnung v.

8

11

Wand v.

2

12

Umlenkfläche

13

Stopfen

14

horizontaler Kühlmittelkanal

15

vertikaler Kühlmittelkanal

16

vertikaler Kühlmittelkanal

17

Umlenkfläche v.

13

18

Befestigungselement v.

13

19

Wand v.

14

20

Stopfen

21

Kühlmittelkanal

22

Kühlmittelkanal

23

Stirnseite v.

1

24

Mulde v.

20

25

Umlenkfläche v.

20

26

Mittelabschnitt v.

20

27

Ausnehmung in

1

28

Überströmkanal
D_A

Außendurchmesser v.

7

,

8

D_Z

Innendurchmesser v.

6

PF Pfeil
R_D

Radius v.

9

,

10

R_K

Radius v.

2

,

14

,

15

,

16

,

21

,

22

R_U

Radius v.

12

,

17

,

25

R_M

Radius v.

26

SP₁

Schnittpunkt
SP₂

Schnittpunkt

Claims

1. Kühlelement für Schmelzöfen, das von durch mechanisches Tiefbohren einge brachten Kühlmittelkanälen (2, 14, 15, 16; 21, 22) durchzogen ist, in die zur Bil dung eines durchgehenden Kanalstrangs mit wenigstens einem Kühlmittelzu lauf (5) und mindestens einem Kühlmittelablauf abschnittsweise Stopfen (8; 13, 20) eingegliedert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfen (8; 13, 20) den Kühlmittelkanälen (2; 14, 15, 16; 21, 22) zugewandte konkave Umlenkflä chen (12; 17; 25) besitzen.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkflä chen (12; 17; 25) kugelabschnittsförmig ausgebildet sind.

3. Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ra dius (R_U) der Umlenkflächen (12; 17; 25) doppelt so groß ist wie der Radius (R_K) der Kühlmittelkanäle (2; 14, 15, 16; 21, 22).

4. Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ra dius (R_U) der Umlenkflächen (12; 17; 25) dem Radius (R_K) der Kühlmittelka näle (2; 14, 15, 16; 21, 22) entspricht.

5. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkflächen (12) zwischen zwei um 90° zueinander versetzten Übertrittsöffnungen (9, 10) angeordnet sind.

6. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkflächen (17) zwei einander abgewandte Stirnseiten eines Stopfens (13) bilden.

7. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Umlenkflächen (25) die Enden einer in einem Stopfen (20) ausge formten länglichen Mulde (24) bilden.

8. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfen (8; 13; 20) festsitzend in die Kühlmittelkanäle (2; 14; 21, 22) eingepaßt sind.

9. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfen (8; 13; 20) in die Kühlmittelkanäle (2; 14; 21, 22) geschweißt, gelötet und/oder geschraubt sind.

10. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung besteht.