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Die Erfindung betrifft ein zylindrisches Gefäß zum Transport von flüssigem Roheisen auf Schienen. Wichtigster Gesichtspunkt bei der Gestaltung der Gefäßabmessungen ist zum Erreichen einer optimalen Füllmenge unter anderem die Abstimmung zwischen dem äußeren Gefäßdurchmesser und dem Abstand der Gefäßauflage von Fahrgestell zu Fahrgestell, damit beim Befahren von engen Radien das zu beachtende Lichtraumprofil nicht überschritten wird. Entsprechend kommen Fahrgestelle mit kurvengängigen Drehgestellen zur Anwendung. Der Gefäßbereich, der den Bereich der Fahrgestelle überdeckt, wird zum Erreichen der maximalen Füllmenge mit genutzt, entsprechend ergeben sich dem Verlauf der Fahrwerke angepasste Gefäßendbereiche.
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4 zeigt den Stand der Technik, einen sogenannten Torpedo-Pfannenwagen der gegenwärtig genutzten Ausführungen. Auf zwei Fahrwerken liegt ein einteiliges aus mehreren Baueinheiten zusammengeschweißtes Gefäß, deren Endbereiche eine den Fahrwerken angepasste kegelige Struktur aufweisen. In Gefäßmitte ist zum Einfüllen und Ausgießen des flüssigen Roheisens eine Öffnung angeordnet, die sogenannte „Schnauze”. Zum sicheren Einfüllen und Ausgießen des Roheisens ist das Gefäß drehbar um die Längsachse auf den Fahrwerken gelagert. Es ist mit feuerfesten Steinen ausgemauert, das flüssige Roheisen hat eine Temperatur von ca. 1400–max. 1600 Grad C.
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Das Gewicht einer neuen Ausmauerung beträgt beispielsweise für das in 4 dargestellte Fahrzeug ca. 70 Tonnen, im verschlissenen Zustand sind es immerhin noch ca. 40 Tonnen. Das Roheisen-Füllgewicht beträgt entsprechend dem Zustand der Ausmauerung ca. 180–220 Tonnen.
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Zur Ausmauerung werden in der Regel trapezförmige großvolumige Steine genutzt, die in das waagerecht stehende Gefäß durch die oben stehende relativ kleine Schnauze eingebracht werden. Der Weitertransport im Gefäß ist ebenso mühsam und zeitaufwendig wie das Ausbrechen der verschlissenen Ausmauerung, welches bei nach unten gerichteter Schnauze erfolgt. Sämtliche Arbeiten erfolgen für das ausführende Personal in einer stets anstrengenden Körperhaltung unter räumlich beengten Verhältnissen. Entlastende Hilfsmittel sind so gut wie nicht zu nutzen.
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Für das Einsetzen der Steine in die obere Hälfte des Gefäßes sind Stützschablonen erforderlich, wobei jeweils der letzte Stein in einer Ausmauerungsschicht, der sogenannte Firststein, waagerecht eingepasst werden muss. Jede Neuzustellung der Ausmauerung ist gleichbleibend zeitaufwendig und kostenintensiv.
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Überlegungen des Erfinders, dem die schweißtreibenden Arbeiten von verschiedenen Seiten zugetragen wurden, führten in Verbindung mit Berechnungsnachweisen und Finite-Element-Spannungs-/Verformungsanalysen dazu, dass anstelle der in waagerechter Lage des Gefäßes einzubringenden Ausmauerung eine vorteilhafte Methode zu nutzen ist, wie sie beispielsweise an Konvertergefäßen in der Stahlerzeugung zur Ausführung gelangt. In diesem Fall werden die Gefäße senkrecht stehend ausgemauert. Die feuerfesten Steine werden mit einem Kran eingebracht, sämtliche Arbeiten sind körperschonend im Stehen durchzuführen, ferner sind Stützschablonen nicht erforderlich. Zudem ist das Ausbrechen der verschlissenen Ausmauerung in der senkrechten Lage der Gefäße bedeutend einfacher, vor allem liegen keine beengten Raumverhältnisse und durch dichten Staub beeinflusste schlechte Luftverhältnisse vor.
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Die Überlegungen erforderten jedoch ein komplettes Umdenken, da das gegenwärtig genutzte aus mehreren Einzelsegmenten zusammengeschweißte Gefäß allein schon wegen der gesamten Gefäßlänge nicht senkrecht stehend zu bearbeiten ist. Dagegen ergeben sich bei einem beispielsweise aus drei Segmenten geteilten Gefäß Baulängen, die vorteilhaft in die senkrechte Lage zu positionieren und zu bearbeiten sind.
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Eine Nutzung von Flanschverbindungen zum Verbinden von Einzelsegmenten zu einem Gesamtgefäß scheidet jedoch aus, da die erforderliche Sicherheit durch den Relaxationseinfluss der Schrauben in den Flanschverbindungen infolge der bei jedem Schienenstoß auftretenden dynamischen Belastungen nicht dauerhaft zu erreichen ist. Zudem erfordern Flanschverbindungen eine relativ große radial nach außen gerichtete Flanschblatthöhe zur Anordnung der Schrauben, so dass diese zu kleineren Gefäßaußendurchmessern und somit zu reduzierten wirtschaftlich ungünstigen Füllmengen führen.
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Dagegen sind einzelne Gefäßsegmente durch die Teilanwendung einer bereits weltweit zur Anwendung gelangenden kraft- und formschlüssigen Verbindungsanordnung nach der
EP 0 775 863 B1 dauerhaft sicher miteinander zu verbinden, wobei der äußere Gefäßdurchmesser nicht verändert wird. Die Verspannung erfolgt mit keilförmigen Spannelementen, die zwischen ihren Verspannflächen und ihrer Verspannachse einen Winkel aufweisen, der nicht größer ist als der Haftreibungswinkel der reibschlüssig zusammenwirkenden Materialien. Sämtliche Belastungen werden ausschließlich durch Haftreibung der miteinander verspannten Bauteile übertragen, hohe Kerbwirkungszahlen aufweisende Schrauben sind an der Übertragung von Betriebsbelastungen nicht beteiligt. Folglich tritt Schraubenrelaxation nicht auf. Relativ kleine Schrauben, mit denen zuvor der verspannte Zustand erzeugt wurde, verhindern einen Übergang von der Haft- zur Gleitreibung.
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Zum Herausfinden von möglichen Schwachstellen dieser Verbindungsanordnung wurden anfangs Tests an einer umgestalteten 325 bar Verbindung eines Röhrenreaktors durchgeführt, indem der Probedruck von 488 bar bis zum Versagen der Verbindung heraufgesetzt werden sollte. Der Test mußte jedoch bei mehr als dem 5-fachen des Betriebsdrucks, bei 1750 bar abgebrochen werden, da nicht die Verbindung, sondern die aus hochlegiertem Stahl bestehenden Rohrkörper mit einer Wandstärke von 25 mm kurz vor dem Zerbersten standen. Die zusammenwirkenden Bauteile der kraft- und formschlüssigen Verbindung wiesen dagegen keine Beschädigungen auf. Herauszustellen ist vor allem, dass ein vergleichbarer Test mit einer klassischen Flanschverbindung bereits bei einem rechnerisch ermittelten Probedruck von ca. 690 bar infolge Schraubenlängung versagen würde.
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Als weiteres Beispiel zum sicheren Verbinden der Gefäß-Einzelsegmente zu einem kompletten Gefäß ist auch der Deckelverschluss eines Erdgas-Kompressorgehäuses für eine 26 MW Gasturbinen-Kompressoreinheit (dD = 2060 mm/pProbe = 175 bar) zu werten, da die vom Deckel aufzunehmende Kraft während der mit Wasser durchgeführten Druckproben ca. 58.000 KN bzw. 5.800 Tonnen betrug. Obwohl bei 24 Spannelementen ca. 240 Tonnen von einem Element übertragen wurden, sind die (Spann-)Schrauben selbst nach mehrmaligem Öffnen und Verschließen der Gehäuse-/Deckelverbindung im Gewinde frei beweglich. Dieses zeigt in Übereinstimmung mit der Theorie, dass Schrauben im Gegensatz zu denen an konventionellen Flanschverbindungen keiner nennenswerten Belastung ausgesetzt sind und zur Übertragung von Betriebsbelastungen nicht herangezogen werden. Eine negative Beeinflussung des Verspannungszustands ist somit auch bei dynamisch auftretenden Belastungen ausgeschlossen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bei jeder Neuzustellung mit feuerfestem Material stets anfallenden hohen Kosten zu minimieren und die für die gesamten Arbeitsabläufe erschwerten Bedingungen für das ausführende Personal abzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 für das nachfolgend beschriebene zylindrische Gefäß zum Transport von flüssigem Roheisen auf Schienen gelöst.
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Das neuartige Gefäß wird vorzugsweise aus drei einzeln hergestellten Baueinheiten erstellt, in dem an einem zylindrischen Mittelstück an jedem Ende ein zylindrisch oder ein kegelig ausgeführtes Endstück angesetzt und lösbar miteinander zu einem Gefäß kraft- und formschlüssig verspannt wird. Vor allem ist der mittlere Gefäßteil, der das größte Volumen des feuerfesten Materials aufweist, senkrecht stehend zu positionieren und zu bearbeiten. Zum Transport und Einbringen der gegenwärtig genutzten Steine sind Hebezeuge einsetzbar, Stützschablonen sind nicht erforderlich. Die Vorgehensweise bei den Endstücken ist entsprechend zu optimieren. Erst nach kompletter Fertigstellung der Einzelsegmente werden diese in die waagerechte Lage geschwenkt und kraft- und formschlüssig miteinander verspannt. Gegebenenfalls ergeben sich weitere bisher noch nicht angedachte Vorgehensweisen zum Aufbringen des feuerfesten Materials. Dieses könnte beispielsweise durch Aufspritzen erfolgen, wie es in anderen Industriebereichen bereits zur Anwendung gelangt.
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Dazu ist an den offenen Enden der Endstücke jeweils ein radial nach außen gerichteter Bund angeordnet. An den Enden des Mittelstücks ist ein verstärkt ausgeführter nicht mit feuerfestem Material ausgekleideter Bereich angeordnet, an dem jeweils ein Endstück mit seinem nach außen gerichteten Bund an einer Anlagefläche anliegt. Zudem ist in dem gleichen nicht mit feuerfestem Material ausgekleideten Bereich des Mittelstücks eine weitere Anlagefläche in einer umlaufenden Aussparung angeordnet. Zwischen dieser und dem jeweiligen Bund liegen die zuvor erwähnten keilförmigen Spannelemente gemäß der
EP 0 775 863 B1 . Mit dem Verspannen der Spannelemente in Richtung ihrer Verspannachse ist jeweils ein dauerhafter Kraft- und Formschluss zur Übertragung von Belastungen zwischen den einzelnen lösbar verspannten Bauteilen des Gefäßes gegeben.
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Die Sicherheit des gesamten Tragverhaltens der verspannten Bauteile zueinander wird zudem noch heraufgesetzt, in dem kurz vor dem Verspannen mit den Spannelementen der jeweils gesamte nicht mit feuerfestem Material ausgekleidete Endbereich des Mittelstücks auf eine rechnerisch zu ermittelnde Temperatur minimal erwärmt wird.
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Das hat zur Folge, dass sich während der Abkühlphase eine zusätzlich wirkende Stützkomponente durch den Abbau der zuvor erzeugten radialen und axialen Dehnungen auf sämtliche der zusammenwirkenden Bauteile und somit auf den Kraft- und Formschluss einstellt. Somit werden eventuell herstellungsbedingte minimalste Verwerfungen der Bauteile egalisiert und selbst ein geringstes Klaffen im Bereich der gegeneinander verspannten Stirnflächen beseitigt.
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Vor allem wird in den haupttragenden Bauteilen der Verbindungsanordnung eine vorgespannte Spannungssituation erzeugt, die auch durch auftretende Schwellbelastungen infolge von Schienenstößen nicht negativ zu beeinflussen ist.
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Gemäß Anspruch 2 ergeben sich Fertigungsvorteile durch nicht zu streng einzuhaltende Bauteiltoleranzen, in dem der jeweils nicht mit feuerfestem Material ausgekleidete Bereich des Mittelstücks anstelle der einen umlaufenden Aussparung mehrere Aussparungen mit je einer Fläche zur Anlage von jeweils einem Spannelemente aufweist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von schematischen Zeichnungen dargestellt und beschrieben. Es zeigen:
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1 Die Seitenansicht eines aus drei Segmenten verspannten Gefäßes, dargestellt ist nur ein Fahrgestell mit zwei 3-achsigen Drehgestellen. Die rechte Hälfte des Gefäßes ist im Schnitt dargestellt.
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2 Eine im Schnitt dargestellte Teilansicht der verspannten Bauteile von einem Ende des Mittelteils mit einem kegeligen Endstück.
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3 Eine weitere im Schnitt dargestellte Teilansicht analog zu 2.
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Der gegenwärtige Stand der Technik ist in 4 dargestellt.
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1 zeigt in der Seitenansicht ein Gefäß, welches aus drei Segmenten, den beiden kegeligen Endstücken (2) und dem mittleren Bereich (3) zusammengesetzt und kraft- und formschlüssig zu einem Gefäß verspannt ist. Dargestellt ist eines der zwei 3-achsigen Drehgestelle. Der mittlere Gefäßbereich (3) zeigt eine nach oben gerichtete Einfüll-/Ausgussöffnung, die sogenannte Schnauze. Die rechte Hälfte des Gefäßes zeigt im Schnitt als Beispiel eine Ausmauerung (4). Der verkleinert abgebildete Verspannbereich ist in 2 und 3 vergrößert dargestellt.
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2 zeigt in einem Schnitt die Teilansicht der Verspannung zwischen dem Mittelteil (3) und einem der kegeligen Endstücke (2). Der Bereich (6) des Mittelteils (3) weist die Anlageflächen (7) und (8) auf. Zwischen diesen liegt an der Fläche (8) der Bund (5) des kegeligen Endstücks (2) sowie an der Anlagefläche (7) in der umlaufenden Ausdrehung liegen die Spannelemente (9) an. Mit diesen wird durch das Verspannen der Elemente in Richtung der Verspannachse (10) der Kraft- und Formschluss erzeugt.
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3 zeigt analog zur 2 in einem Schnitt ebenfalls die Teilansicht der Verspannung zwischen dem Mittelteil (3) und einem der kegeligen Endstücke (2) des Gefäßes. Im Gegensatz zur 2, in der der Kraft- und Formschluss durch das Hineinziehen der Spannelemente (9) in den Bereich (6) des Gehäusemittelteils (3) erzeugt wird, werden die Spannelemente (9) von einer an dem kegeligen Endstück (2) angeordneten Schulter in Richtung der Verspannachse (10) in den Bereich (6) des Gehäusemittelteils (3) hineingedrückt. Der Vorteil gegenüber der 2 ist dadurch gegeben, dass die Schraubenköpfe beim Einfüllen des flüssigen Roheisens in das Gefäß nicht durch Roheisen-Spritzer beschädigt oder zugesetzt werden können, wenn eine Schutzabdeckung gegebenenfalls nicht vorhanden ist.
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4 zeigt in der Komplettdarstellung ein einteiliges zusammengeschweißtes Gefäß auf zwei Fahrgestellen, die jeweils zwei 3-achsige Drehgestelle aufweisen. Dieses Fahrzeug, ein sogenannter Torpedo-Pfannenwagen, stellt den gegenwärtigen Stand der Technik dar. Die kegeligen Endstücke (2) sind zum Erreichen der maximalen Füllmenge der Kontur der nach innen liegenden Drehgestelle angepasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrgestell, bestehend aus zwei 3-achsigen Drehgestellen
- 2
- Kegelige oder zylindrische Endstücke des Gefäßes
- 3
- Mittlerer Bereich des Gefäßes zwischen den Endstücken (2)
- 4
- Feuerfestes Material auf der gesamten Innenfläche des Gefäßes
- 5
- Radial nach außen gerichteter Bund an den kegeligen oder zylindrischen Endstücken (2) im Bereich des Übergangs zum mittleren Gefäßbereich (3)
- 6
- Nicht mit feuerfestem Material (4) ausgekleideter Bereich an den Enden des mittleren Gefäßbereiches (3)
- 7
- Anlageflächen der keilförmigen Spannelemente (9)
- 8
- Anlageflächen an den Enden des mittleren Gefäßbereichs (3) für den nach außen gerichteten Bund (5) der kegeligen oder zylindrischen Endstücke (2)
- 9
- Keilförmiges Spannelement
- 10
- Verspannachse der Spannelemente (9)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0775863 B1 [0009, 0015]
