DE2162893A1

DE2162893A1 - Boden für einen Schachtofen und Verfahren zum Kühlen desselben

Info

Publication number: DE2162893A1
Application number: DE19712162893
Authority: DE
Inventors: Jacobus van Santpoort; Hoogendoorn Bastiaan Martinus Heemskerk; Laar (Niederlande); Etzel, Karl Wilhelm Friedrich, 6230 Frankfurt
Original assignee: KONINKLIJKE HOOGOVENS EN STAAL
Current assignee: KONINKLIJKE HOOGOVENS EN STAAL
Priority date: 1970-12-18
Filing date: 1971-12-17
Publication date: 1972-07-13
Also published as: US3752638A; FR2118177B1; IT943292B; BE776848A; NL148939B; LU64474A1; FR2118177A1; NL7018539A; DE2162893B2; BR7108396D0; CA952310A; DE2162893C3; ZA718323B; AU3704271A; GB1349036A; JPS5113441B1

Description

Patentanwalt Patentanwälte

Dr. phil. Gerhard Henkel Dr. rer. nat. Wolf-Dieter Henkel

D-757 Baden-Baden Balg Dipl.-Ing. Ralf M. Kern

. rer. nat. Lothar Feiler

90

Telegr.-Adr.:Elllp«>ldBad.n-Bad.n ^D"

Eduard-Schmld-Str. 2 -| Tel.: (0811) 663197

Talegr.-Adr.t Ellipsoid München

Koninklijke Nederlandsche τβίβχ:

Hoogovens en Staalfabrieken

Ijmuiden, Wiederlande

Boden für einen Schachtofen und Verfahren zum Kühlen desselben

Die Erfindung betrifft in erster Linie einen' Sohachtofenboden, insbesondere für einen Hochofen für die Roheisenerzeugung, mit flüssiggekühltem Mantel und luftkühlung an seiner Unterseite, wobei sein Boden eine waagerechte Schicht eines feuerfesten Materials mit einem Wärmeleit-Koeffizienten^ , der unter Betriebsbedingungen höher als 20 kcal/m«h»°0 ist, aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Kühlen eines solchen Schaohtofenbodens und auf einen mit einem solchen Boden ausgestatteten Schachtofen.

Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen benutzte Ausdruck "Flüssigkühlung" soll sich nicht nur auf Sprühkühlung beziehen, sondern auch Verdampfungskühlung und Kühlung durch Konvektion einschließen.

Im folgenden ist die Erfindung speziell in Verbindung mit einem Hochofen für die Roheisenerzeugung beschrieben, obgleich die Erfindung gleichermaßen auch auf die Böden

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anderer Schachtöfen, wie z.B. Kupolofen und dgl. anwendbar ist.

Hochofenböden sind infolge des· unmittelbar auf ihnen angesammelten Roheisens ständig einer starken thermischen Belastung ausgesetzt, wobei die Temperatur im Bereich des Abstichlochs etwa 1400 - 1500°ö beträgt. Der Schachtofenboden muß gegen solche Temperaturen beständig sein, besitzt aber andererseits die Aufgabe, einen wesentlichen Teil des Aufbaus des Hochofens und seines Inhalts zu tragen,

Um den Erfordernissen seiner Tragfunktion Rechnung zu bragen, muß der Schachtofenboden an den Bereichen, welche praktisch den Aufbau tragen, ausreichend niedrige Temperatur besitzen.

Bei Hochofenböden besteht eine Schwierigkeit darin, daß sie allmählich durch die Roheisenschmelze angegriffen werden. Es kann festgestellt werden, daß das flüssige Roheisen gegenüber den meisten für den Schachtofenböden verwendeten feuerfesten Stoffen (z.B. Kohlenstoffsteine) dazu neigt, in den Boden bis zu einer solchen Tiefe einzudringen, in welcher die Temperatur dieses Bodenmaterials ungefähr der Erstarrungstemperatur des Ckohlenstoffgesättigten^ Roheisens von etwa 1120 - 114O⁰C entspricht. Die oberhalb dieser Temperatuiy~gelegene Zone wird allmählich angegriffen und zersetzt, so daß sich die genannte Temperaturgrenze nach unten verschiebt, "bis wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.

In dem auf diese Weise entstandenen Raum, der sogenannten Ofensau oder dem Salamander, besteht über seine Höhe hinweg ein Temperaturgefälle und er ist von oben bis unten

sowie mit flüssigem und teilweise festem Roheisen/zum Teil häufig auch mit Kokskörpern gefüllt.

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Bs ist "besonders wichtig, daß der Salamander im Gleichgewichtszustand eine möglichst geringe Tiefe besitzt, da eine große Salamandertiefe nicht nur einen großen Materialverlust im ächachtofenboden mit sich bringt, sondern auch da.zu führt,.daß die Temperatur im Fundament bzw, in der Gründung des Bodens höher wird, was einen noch größeren Nachteil darstellt, weil es dann sogar möglich ist, daß hierdurch die Tragfunktion dieses Fundaments beeinträchtigt wird. Auch aus anderen, mit der Gewinnung von Roheisen zusammenhängenden G-ründen ist es unerwünscht, daß sich ein Salamander großer Tiefe bildet. Aus diesem Grund ist anzustreben, die Bodenkonstruktion derart auszulegen, daß der Salamander möglichst flach bleibt und die Temperatur im Fundament möglichst niedrig gehalten wird. Eine neuere Entwicklung besteht darin, daß der Boden mit vergleichsweise geringer Dicke ausgelegt ist und daß er längs seines Umfangs durch llüssigkühlung und an seiner Unterseite durch Luftkühlung gekühlt wird. In der Zeitschrift "Journal of the Iron and Steel Institute", September 1967, ist eine derartige Konstruktion beschrieben, die in ihrer Basis zum größten Teil aus Kohlenstoffsteinen aufgebaut ist. Bei dieser Konstruktion ruht der Boden auf einer Bodenplatte, deren Unterseite durch Luftumwälzung gekühlt wird, wobei auf dieser Stahlplatte eine dünne Graphitschicht mit einer Dicke von etwa 50 cm vorgesehen ist. Diese Graphitschicht soll einen guten thermischen Kontakt zwischen dem feuerfesten Bodenmaterial und der Stahlplatte gewährleisten. Bei dieser Konstruktion wird ein beträchtlicher Teil der gesamten Wärmemenge über die Unterseite des Bodens abgeführt. Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß der Boden vergleichsweise dünn sein kann und es zugleich möglich ist, den Salamander zu verkleinern.

Für Öfen mit sehr großen Durchmessern bietet diese Konstruktion jedoch keine zufriedenstellende Lösung. Es hat

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sich, gezeigt, daß bei solchen großen Konstruktionen nach r/ie vor die Fotwendigkeit "besteht, die Größe des Salamanders zusätzlich zu verkleinern oder daß die notwendige Wärmeableitung über die Unterseite des Bodens ein so beträchtliches Ausmaß annimmt, daß eine Luftkühlung dieser Unterseite unzureichend \¥ird. Will man dennoch die Temperatur der Bodenplatte auf etwa 100⁰C beschränken, so ist es nötig, für die Boden-Unterseite eine Wasserkühlung vorzusehen. Diese lösung bringt jedoch große Eisiken mit sieh, da bei einer Störung oder einem Ausfall dieser Wasserkühlanlage "für die Unterseite des Schachtofenbodens die Temperatur ' schnell auf unerwünschte bzw. unzulässige Werte ansteigt, wodurch eine beträchtliche Gefahr für einen Zusammenbruch des Schachtofenbodens hervorgerufen wird. Derartige Haenteile einer zu tief.gehenden Ofensau könnten dadurch überwunden werden, daß der gesamte Schachtofenboden aus einem besser wärmeleitenden Material gebildet wird? dabei bleibt jedoch der Nachteil bestehen bzw. wird die Gefahr dafür noch erhöht, daß der Betrieb eines Ofens mit einem derartigen Boden große Risiken aufwirft, und zwar insbesondere bei einem Ausfall der Wasserkühlung der Boden-Unterseite.

Im Hinblick auf die vorgenannten Schwierigkeiten und Fach- k teile bezweckt die Erfindung in erster Linie die Schaffung

einer Konstruktion, welche die.Kachteile der bekannten

wobei

Konstruktionen vermeidet und/die Ausmaße der Ofensau, insbesondere deren Höhe, dennoch gering gehalten

Diese Aufgabe wird bei einem Ofen-Boden eingangs umrissener Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf dem Boden befindliche Schicht an ihrer Ober- und Unterseite von einer oberen Schicht bzw. einer unteren Schicht eingeschlossen ist, die aus einem feuerfesten Material mit sehr viel niedri gerem Wärmeleitfähigkeit-s-Koeffizienten (A)- als demjenigen der dazwischen liegenden Snicht bestehen.

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Aufgrund dieser Konstruktion dee Schachtofenbodens ist es erfindungsgemäß möglich, seine Kühlung in der Weise zu realisieren, daß die Boden-Unterseite im Betrieb auf an sich bekannte Weise, vorzugsweise durch Luftkühlung, auf eine Temperatur von unter etwa 15O⁰C gekühlt gehalten wird, wobei ein Boden angewandt wird, bei welchem die Dicke der oberen und der unteren Schicht in Abhängigkeit von ihren Wärmeleitfähigkeitseigenschaften gewählt ist und nur 20 60$ der Wärmeabfuhr der den hohen Wärmeleitfähigkeits-Koeffizienten besitzenden Zwischenschicht auf die untere Schicht übertragen wird.

Die feuerfeste obere Schicht besitzt in erster Linie die Aufgabe, die unter ihr befindliche Zwischenschicht zu schützen, und zwar deshalb, weil die letztgenannte Schicht aus einem Material besteht, das normalerweise wesentlich teurer ist als übliche feuerfeste Stoffe.

Als zweckmäßiges Material für die thermisch hoch leitfähige Zwischenschicht wird erfindungsgemäß Graphit mit einem Wärmeleit-Koeffizienten von 60 - 100 kcal/m«h· C bevorzugt. Durch Bedecken der G-raphitschicht mit einer billigeren Schicht aus einem thermisch besser isolierenden Material wird die Temperatur der Graphitschicht auf einen Punkt unter der Schmelztemperatur des Roheisen» gesenkt, wodurch verhindert wird, daß die Ofensau in die G-raphitschicht eindringen kann.

Die unterste Schicht, die wiederum aus einem geringer wärmeleitfähigen Material besteht, begrenzt den Wärmefluß zur und durch die bodenseitige Stahlplatte. Die Restwärme wird dabei zum Rand der Graphitschicht abgeleitet, wo die Temperatur durch Flüssigkühlung niedrig gehalten wird.

Infolge der guten Wärmeableitung durch die Graphitβchieht kann bei Anwendung der Erfindung ein Wärmegefälle von der

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Oberseite zur Unterseite erzielt werden, das an jeder Stelle des Sehaehtofenbodens praktisch gleich ist, und zwar nach der bisherigen Art-, nach der der Wärmefluß durch die Graphit schicht hauptsächlich zur Unterseite des Bodens abgeführt wird. Wegen der guten und gleichmäßigen Wärmeableitung kann daher eine sehr flache und insbesondere.sehr dünne Ofensau gewährleistet werden.

Ein bedeutsamer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zudem darin, k daß selbst bei sehr großen öfen eine Luftkühlung der Boden-Unterseite möglich wird. Die mit einer Wasserkühlung dieses Bereichs verbundenen beträchtlichen Hisiken werden umgangen.

Zudem hat es sieh gezeigt, daß bei Verringerung der Kühlleistung, selbst bei einem Totalausfall der Luftkühlung, die Temperatur der bodenseitigen Stahlplatte nur sehr langsam ansteigt und einen Wert von 200⁰C erst nach sehr langer Zeit erreicht, wodurch die Möglichkeit besteht, die Luftkühlanlage instandzusetzen und erneut einzuschalten, bevor die Bodentemperatur zu stark angestiegen ist.

P In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß eine Wasserkühlung längs des Rands bzw. Umfangs des Schaehtofenbodens wesentlich geringere Eisiken aufwirft als eine Wasserkühlung der gesamten Boden-Unterseite. Bei einem Ausfall der Kuh-_# lung längs deB Bands bzw. Umfangs ist es jederzeit möglich, diesen Bereich einfach dadurch su kühlen, daß Wasser von Hand aufgesprüht bzw. aufgespritzt wird.

Es wurde bereits vorgesehlagen (US-PS 2 673 083), im Boden eines Schachtofens eine waagerechte Graphitschicht anzuordnen, um die Wärme seitwärts zu einer in der Nähe des Boden-Umfangs vorgesehenen Wasserkühlanlage abzuleiten. In diesem Pail ist jedoch die Graphitschicht von einer massiven,

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aus feuerfestem Stoff bestehenden Konstruktion umschlossen_s wobei keine Kühlung der Unterseite Torgesehen ist. Infolgedessen wird die färme praktisch ausschließlich in Seitwärtsrichtung abgeführt, woraus sich ein verhältnismäßig tiefes Profil der isothermischen flächen im Ofen-Boden ergibt. In diesen Fällen hat es sich als erforderlich erwiesen, die flraphitschicht zum Schutz mit einer dicken Beckschicht au bedecken, wobei außerdem eine tiefere Ofensau vorhanden ist. Im allgemeinen läßt sich diesbezüglich sagen, daß für die modernen, sehr großen Öfen üodenkonstruktionen ohne

z,u Kühlung der Unterseite schwer und mithin/aufwendig werden, un entscheidende Vorteile zu bieten.

Besondere Torteilhafte Ergebnisse lassen sich erfindungsgemäß erzielen, wenn 25 - 40$ der durch die Zwischenschicht mit hohem färmeleitfähigkeits-Koeffizienten fließenden ¥ärme zur unteren Schicht abgeführt werden und der Boden- ■ Tmfang auf einer temperatur von etwa 5O⁰O gehalten wird. Konstruktionsmäßig ist diese Bedingung durchaus realisierbar, wenn in der unteren Bodenschicht ein Material mit einem Wärmeleitfähigkeits-Koeffizienten von 2-5 kcal/m-h«°C verwendet wird. Infolge dieser niedrigen Wärmeleitfähigkeit braucht für diese untere Schicht nur eine dünne Lage angewandt zu werden. Gute Ergebnisse lassen sich erreichen, wenn in diesem Bereich amorphe Kohlenstoffsteine verwendet werden.

In der oberen Schicht können grundsätzlich Steine aus Kohlenstoff, Magnesit oder Schamotte (feuerfester Ton) verwendet werden, "fegen der sehr guten Beständigkeit gegen Angriffe wird die Verwendung eines Halbgraphitmaterials mit einem λ-Wert von 20 - 30 kcal/m-h·⁰G bevorzugt. Bin besonders vorteilhafter Sehachtofenboden wurde mit einer Konstrukifen erzielt, bei welcher typischerweise die drei Schichten von

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oben nach unten ;*-Werte von etwa 25, etwa 80 bzw» etwa 4 kcal/m«h»°0 und Dicken von etwa 60, 120 bzw. 60 cm be- ■ saßen.

Ebenfalls gute Ergebnisse werden erfindungsgemäß erzielt, wenn die Bodenkonstruktion außerdem mit einer oberen Snicht von einer Dicke von etwa 30 cm bedeckt ist, welche aus verschiedenen Schichten besteht, und zwar von oben nach unten gesehen, jeweils aus Magnesit (λ = 2 » 3), Kohlenstoff (Ti = etwa 5), Graphit (λ = etwa 80) und Kohlenstoff (> = 3 4) und diese Schichten entsprechende Dicken von etwa 35 cm, 60 cm, 120 cm bzw. 60 cm besitzen.

Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf die Schaohtofenboden-Konstruktion und das beschriebene Verfahren zum Kühlen derselben, sondern insbesondere auch auf Schachtöfen und insbesondere auf Hochöfen für die Roheisenerzeugung, die mit dem neuartigen Schachtofenboden ausgerüstet sind. Es hat sich herausgestellt, daß solche Öfen erfindungsgemäß insgesamt mit niedrigerem Gewicht hergestellt werden können und daß die Bodentemperatur einfacher zu regeln ist als bei anderen, vergleichbaren Öfen.

Bezüglich der Wahl des Wärmeleitfähigkeife-Koeffizienten und der Dicke der unteren Schicht, welche zusammen den thermischen Widerstand dieser Schicht bestimmen, ist folgendes zu bemerken: Wenn der thermische Widerstand höher ist (beispielsweise bei niedrigem λ -Wert), ist die Bodenplatte zwar kühler, doch ist auch die Ofensau tiefer. Bei niedrigem thermischen Widerstand der unteren Schicht wird mehr Wärme über diese Schicht abgeleitet und steigt die Temperatur der Boden-Platte unterhalb der unteren Schicht an, doch ist die Ofensau weniger tief und flach-scheibenförmiger. Duroh Änderung der Konstruktion der unteren Schicht in der Weise, daß 20 - 60$ des gesamten Wärmeflusses über die Zwischenschicht durch die untere Schicht hindurchgeleitet

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werden, werden Bedingungen geschaffen, bei welcher sowohl die Tiefe der Ofensau als auch die Temperatur der Bodenplatte innerhalb zulässiger Grenzen verbleiben.

Im folgenden ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine Boden-Konstruktion mit den Merkmalen der Erfindung veranschaulichto

Gemäß der Zeichnung ist um eine aus feuerfestem Material bestehende Boden-Konstruktion herum ein Stahlmantel 1 angeordnet, der in eine auf einer Anordnung aus Stahlträgern 3 ruhende Stahl-Bodenplatte 2 übergeht. Der Boden selbst ist aus drei Schichten 4, 5 und 6 aufgebaut. Die obere, eine Dicke von* ca. 60 cm besitzende Schicht 4 besteht aus Halbgraphit (semi-/graphite.' ), dessen Warmeleitfähigkeits-KöeTfffzient > etwa 20 kcal/m·h·⁰O beträgt. Die Schicht 5 ist etwa 120 cm dick und besteht aus Graphit mit einem "λ-Wert von etwa 90 kcal/m.h.°0.

Die Schicht 6 besitzt eine Dicke von ca. 60 cm und besteht aus Kohlenstoffsteinen mit einem > -Wert von etwa 4 kcal/ m»h»°C. Die genannten ^ -Werte beziehen sich auf die Werte unter Betriebsbedingungen und -temperatur. Der Ofendurchmesser beträgt im Ofenhera etwa 13m. Der Stahleantel 1 wird mittels einer durch Sprührohre 7 angedeuteten Wassersprühkühlung auf etwa 60⁰O gekühlt. Ein nicht dargestelltes Gebläse mit einer Leistung von 100 PS dient zur Luftkühlung der Bodenplatte, indem es deren Temperatur auf weniger als 10O⁰O hält. Die über die Schicht 5 abgeleitete Gesamt-Wärmemenge Q_Q wird in zwei Komponenten aufgeteilte Der Wärmefluß Q₁ durch die Bodenplatte 2 beträgt etwa 200 000 koal/h, während die über den Mantelteil der Schicht 5 abgeführte Wärmemenge Q₂ etwa 240 OOOkcal/h beträgt. Im Bereich des Abstiohlochs 8 beträgt die im Inneren des Ofens herrschende Temperatur etwa 1400 - 1500⁰O. In der Mitte des Bodens reicht die Isotherme für 11OO⁰O nicht zur Oberseite

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der Schicht 4, was ein sicheres Anzeichen dafür ist, daß sich keine Ofensau bilden kann und der Boden nicht angegriffen wird. ,

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können auch gute Ergebnisse durch Ersatz der oberen Halb- bzw. Hartgraphit-Schicht durch eine Kohlenstoffschicht derselben Dicke und mit einem λ-Wert von 5 kcal/m-h«°0 erzielt werden, die mit einer 30 cm,gegebenenfalls auch 40 cm dicken Schicht aus Magnesit mit einem λ -Wert von 2-3 kcal/m»h. G bedeckt ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Schachtofenboden, insbesondere für einen Hochofen

für die Roheisenerzeugung., mit flüssiggekühltem Mantel und Luftkühlung an seiner Unterseite, wobei sein Boden eine waagerechte Schicht' eines feuerfesten Materials mit einem Wärmeleit-Koe^fizientenTi , der unter Betriebsbedingungen höher «i-e* als 20 kcal/m»h«°G ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dsm Boden befindliche Schicht (5) an ihrer Ober- und Unter» seite von einer oberen Schicht (4) bzw. einer unteren Schicht ((?) eingeschlossen ist, die aus einem feuerfesten Material mit sehr viel" niedrigerem Wäriaeleitfähigkeits-Koeffizienten (^) als demjenigen der dazwischen liegenden Schicht (5) bestehen,

2. Schachtofenboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht (5) mit hohem Wärme leitfähigkeits-Koeffizienten λ aus Graphit mit einem Pl-Wert von_50, vorzugsweise 60 - 100 kcal/m«h«°G besteht.

3. Schachtofenboden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (6) aus einem feuerfesten Material mit einem ^-Wert von 1-10, vorzugsweise von 2-5 kcal/m·h·⁰O, vorzugsweise aus "Kohlenstoffsteinen, besteht.

4. Schachtofenboden nach einem der Ansprüche Ibis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schicht (4) aus einem feuerfestem Material mit einem λ-Wert von 10 bis 50, vorzugsweise 20 - 30 kcal/m.h.⁰G, vorzugsweise aus Halbgraphit (semi-graphite), besteht.

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5. Sohachtofenboden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Schichten, jeweils von oben nach unten gesehen, 7\ -Werte von etwa 25, 80 bzw. 4- kcal/m.h.⁰C und Dicken von etwa 60, 120 bzw. . 60 cm besitzen.

6. Schachtofenboden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schicht (4) durch eine Deckschicht abgeschirmt ist und daß die verschiedenen Schichten, jeweils von oben nach unten gesehen, aus Magnesit, Kohlenstoff, Graphit bzw. Kohlenstoff bestehen und eine Dicke von etwa 35, 60, 120 bzw. 60 cm besitzen.

7. Verfahren zum Kühlen eines Schachtofenbodens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Boden-Unterseite im Betrieb auf an sich bekannte Weise auf eine Temperatur von unter 150⁰O gekühlt wird, wobei ein Boden verwendet wird, bei welchem die Dicke der oberen Schicht und der unteren Schicht in Abhängigkeit von deren Wärmeleitfähigkeits-Eigensohaften derart bemessen ist, daß bei der Wärmeableitung über die dazwischen liegende Schicht mit hohem Wärmeleitfähigkeits-Koeffizienten nur 20 - 60$ der Gesamt-Wärmemenge auf die untere Schicht übertragen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 25 - 40$ der über die Zwischenschicht abgeleiteten Wärme auf die untere Schicht übertragen werden und der Bodenumfang vorzugsweise auf einer Temperatur von etwa 50⁰C gehalten wird.

9. Verfahren insbesondere nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß 20 - 40$ der Gesamtwärme durch die

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untere Begrenzungsfläohe der unteren Schicht (6), 60 - 80$ über den Mantel abgeführt werden.

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