DE2212318A1 - Feuerfeste Konstruktion,insbesondere fuer einen metallurgischen Schachtofen - Google Patents

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Feuerfeste Konstruktion, insbesondere für einen metallurgischen Schachtofen

Die Erfindung betrifft eine feuerfeste Konstruktion, insbesondere für einen metallurgischen Schachtofen, mit einem aus mehreren Schichten bzw. Lagen feuerfester Elemente aufgebauten Boden.

Im folgenden ist die Erfindung speziell in Verbindung mit einer feuerfesten Konstruktion des Bodens eines Hochofens beschrieben, obgleich sie nicht hierauf beschränkt ist. Genauer gesagt, ist die Erfindung mit Vorteil auch auf die feuerfeste Konstruktion des Bodens anderer Arten metallurgischer öfen, wie Kupolöfen und dergleichen anwendbar.

Bei Konstruktion und Herstellung der Böden von Schachtöfen besteht ein bekanntes Problem darin, daß dieser Boden beim Anheizen des Ofens eine Tendenz zu thermischer Ausdehnung zeigt. Aus diesem Grund sind bereits verschiedene Versuche unternommen worden, diese thermische Ausdehnung aufzufangen bzw. zu kompensieren, um Rißbildung und Splitterung des Ofenbodens zu vermeiden. Eine übliche diesbezügliche Maßnahme besteht darin, daß zwischen den Bodenschichten und einem den

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Boden umschulenden Stahlmantel eine mit verdichtetem, körnigem Füllmaterial ausgefüllte Fuge vorgesehen wird, die aus einer offenen Fuge besteht, in welche diese Füllmasse eingebracht wird. Dabei wird angenommen, daß sich die expandierenden Bodenschichten thermisch ausdehnen können, indem sie die die Fuge füllende Masse verdichten.

Die Erfahrungen bei modernen Hochöfen sehr großen Durchmessers riefen jedoch Zweifel bezüglich der Stichhaltigkeit dieser Annahme hervor« Insbesondere hat es sich herausgestellt, daß bei einem neuen Hochofen nach einiger Betriebszeit der durch den Boden zu säner Unterseite gemessene Wärmefluß in einem unerklärlichen Maß vom berechneten WäriujQfluß abweicht. Außerdem hat es sich nach dem Abkühlen eines solchen Hochofens häufig gezeigt, daß der Verschleiß seines Bodens wesentlich größer ist und ein Verschleißprofil zeigt, das von dem aufgrund der Berechnungen zu erwartenden Verschleißprofil abweicht.

Im Hinblick auf die genannten Schwierigkeiten beruht die Erfindung auf dem Grundgedanken, daß die Abweichungen vom theoretischen Verhalten auf eine mechanische Beschädigung eines Teils der Bodenschichten infolge zu großer, im Boden auftretender Kräfte zurückzuführen sind.

Diese großen Kräfte sind einer Tendenz der Bodenschichten zu einer thermischen Ausdehnung zuzuschreiben, die nicht ausreichend ausgeglichen werden kann. Genauer gesagt, wird angenommen, daß die Reibung zwischen den verschiedenen Bodenschichten diese Ausdehnung behindert und daß zudem die Füllmasse für die Fuge Unzureichend kompressibel ist. Schließlich ist anzunehmen, daß die Bodenschichten in der Mitte eine größere Expansionstendenz

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zeigen als an ihren Außenräridern.

Es hat sich gezeigt, daß die genannten Nachteile bei einer feuerfesten Konstruktion eingangs umrissener Art erfindungsgemäß dadurch ausgeschaltet wellen können, daß zumindest in den oberen Bodenschichten mindestens ein Teil der feuerfesten Elemente mit offenen Dehnfugen zwischen ihnen nebeneinander angeordnet ist und daß die Breite der Dehnfugen in kaltem Zustand der thermischen Ausdehnung der angrenzenden feuerfesten Elemente in Richtung der Dehnfugen über einen Temperaturbereich von etwa 50 - 200⁰C unterhalb der Betriebstemperatur der Kiemente entspricht. Infolge dieser Konstruktion ist es möglich, die gesamte thermische Ausdehnung in den Dehnfugen bis zu einer Temperatur von 50 - 200 C unterhalb der Betriebstemperatur aufzufangen. P-Hm Erreichen einer solchen Temperatur sollten die Dehnfugen vollständig geschlossen sein, um zu gewährleisten, d^.^ "öden unter Betriebsbedingungen unbedingt geschlossen bzw. dicht ist.

Da die Ausdehnung nun an den Stellen aufgefangen bzw. kompensiert werden kann, von denen sie ausgeht, treten zwischen den verschiedenen, den Boden bildenden Schichten keine Reibungskräfte auf, so daß auch aus diesem Grund die Entstehung zu großer Kräfte im Ofenboden vermieden wird. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die gefüllte Fuge um die Bodenschicht herum nicht mehr auf der Grundlage der Ausdehnung des gesamten Ofenbodens berechnet zu werden braucht, was insbesondere im Fall sehr großer Hochöfen zu einer außerordentlich breiten Füllfuge führen würde. In dieser Beziehung ist zu bemerken, daß eine Füllfuge zwei widersprüchlichen Erfordernissen genügen muß: Einmal muß sie nämlich ausreichend porös sein, um

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die Ausdehnung auffangen zu können, und zum anderen muß sie ausreichend abdichten und schließen, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten.

Bei der erfindungsgemäß'. vorgeschlagenen Konstruktion ist es nun möglich, die Füllfuge wesentlich enger zu halten, da sie keine Ausdehnung aufzunehmen braucht. Außerdem kann das Material in der Fuge stärker verdichtet werden, so daß es einen höheren Wärmeleitkoeffizienten bietet. Beide Maßnahmen gewährleisten gemeinsam eine bessere Wärmeabfuhr zu dem den Boden umgebenden Ofenmantel.

In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß bisher immer versuht worden ist, eine Bodenkonstruktion zu schaffen, bei welcher die feuerfesten Elemente zusammengepaßt und möglichst eng und genau in gegenseitiger Berührung gehalten werden. Dies beruhte darauf, daß befürchtet wurde, das flüssige Material würde in die Fugen zwischen den verschiedenen feuerfesten Elementen eindringen und erstens zum Risiko eines Aufschwimmens der Feuerziegel, da die Metallschmelze ein höheres spezifisches Gewicht bes_itzt, und zweitens zu einem Durchdringen der Metallschmelze durch die ganze feuerfeste Konstruktion führen. Insbesondere bei modernen, großen und mit hohem Druck betriebenen öfen ist die Summe aus dem ferrostatischen Druck und dem Gasdruck so beträchtlich, daß allgemein befürchtet wurde, daß das flüssige Metall zwischen die Fugen der Bodenelemente eindringen könnte. Dies trifft speziell auf die Fälle zu, in denen die Bodenkonstruktion nicht voll gasdicht ausgebildet ist, so daß ein Druckgefälle über die Höhe des Ofenbodens hinweg'vorhanden ist.

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Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß sich die erfindungsgemäße Ofenbodenkonstruktion selbst unter solchen Bedingungen entsprechend der Berechnung völlig schließt, bevor flüssiges Metall in die Fugen zwischen den Bodenelementen eindringen kann. Außerdem hat sich dabei herausgestellt, daß der Verschleiß des Ofenbodens nach einer gewissen Betriebszeit geringer ist und dabei dem Ofenboden eine Form verleiht, welche der auf der Grundlage theoretischer Überlegungen zu erwartenden Form entspricht.

Weiterhin ist in diesem Zusammenhang zu bemerken, daß auch eine Konstruktion bekannt ist, bei der die feuerfesten Elemente eines Ofenbodens mit gewissem Abstand voneinander angeordnet sind, während die auf diese Weise gebildeten Fugsn mit einem körnigen Füllmaterial gefüllt sind, das verdichtet werden kann. Eine solche Konstruktion wird üblicherweise angewandt, wenn die Abmessungen der verwendeten feuerfesten Elemente nicht ausreichend genau sind, so daß keine volle Berührung über die zusammenstoßenden Flächen der Ziegel zu erwarten ist. In diesem Fall werden die Fugen mit einer körnigen Füllmasse ausgefüllt, die dann sehr fest verdichtet wird, um auf diese Weise eine sehr dichte Füllmasse zu erzielen, die unter allen Umständen eine gute Abdichtung gegen ein mögliches Eindringen von flüssigem Metall bietet und eine gute Wärmeableitung über die Fugen und die sie füllende Masse gewährleistet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß beim Anheizen eines Ofens mit derartigen Füllfugen die in den Fugen befindlichem .Masse bereits bei ziemlich niedrigen Temperaturen von 300 - 400°C in solchem Maß erhärtet,'daß die Füllfugen in der Praxis nicht mehr als Dehnfugen zu wirken vermögen. Es hat sich daher e»wiesen, daß nur bei Verwendung offener Fugen eine sehr gute Ausdehnung

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möglioh ist. Vorzugsweise werden die Bodenschichten nach einem solchen Muster ausgelegt, daß sich die Fugen etwa parallel zum Wärmefluß durch den Boden erstrecken, Bfolgedessen bilden diese offenen Fugen keine Schranke für diesen Wärmefluß, und dies um so mehr, als sie im endgültigen Betriebszustand geschlossen sind.

Es hat sich auch erwiesen, daß die erfindungsgemäße Konstruktion ausreichend geschlossen bzw» dicht ist, so daß vermieden wird, daß die feuerfesten Elemente infolge des Eindringens von flüssigem Metall zwischen und unter die Ziegel in der Metallschmelze schwimmen. Eine weitere Maßnahme zur Gewährleistung dieses Ziels kann dadurch getroffen werden, daß die feuerfesten Elemente zum Teil mit Sehrägflächen ver- . sehen werden, so daß die ganze Konstruktion in sich verblockt ist, wie dies auch bei anderen Konstruktionen aus Feuerziegeln an sich bekannt ist.

Eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme gegen ein Eindringen von Metallschmelze in den gesamten Ofenboden kann in anteich bekannter Weise dadurch erreicht werden, daß bei Anwendung der Erfindung die oberen Bodenschichten in Schemata angeordnet werden, die zueinander in waagerechter Richtung unter verschiedenen Winkeln liegen. Häufig sind die Schemata aufeinanderfolgender Schichten unter einem Winkel von etwa 50° zueinander verdreht angeordnet. Bfindungsgemäß muß in einem solchen Fall bei zwei übereinander liegenden Dehnfugen in einander benachbarten Schichten die Dehnfuge mindestens einer dieser Schichten durch einen Füllblock unterbrochen werden, der in dne Ausnehmung in den feuerfesten Elementen dieser Schicht an diesem Schnittpunkt eingesetzt wird. Wenn das Mötall in einem Notfall

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in eine Schicht eindringt,, kann es höchstens bis zur Tiefe einer Schicht in den Boden und nicht tiefer eindringen.

Je nach der Art der für den Boden verwendeten feuerfesten Materialien kann der Konstrukteur des Ofenbodens den Temperaturverlauf durch den Ofenboden im Betrieb berechnen. Anhand dieser Berechnung kann er dann bestimmen, wie die thermische Ausdehnung von Zone zu Zone verläuft und wie breit die Fugen bei Anwendung der Erfindung gewählt werden müssen. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer Bodenkonsttuktion erzielt, bei welcher die oberen vier Schichten aus Kohlenstoffblöcken mit einer Dicke von etiia. 60 cm bestanden und bei welcher die in den Bodenschichten vorgesehenen Dehnfugen, von oben gesehen, etwa Q,K%, 0,3%, 0,2$ bzw. 0,1$ der Reihenlänge der von oben nach unten aufeinanderfolgenden Schichten betragen; diese Proζentangaben beziehen sich auf die waagerechte Abmessung einer Schicht, quer zu den Fugen gerben.

Aufgrund ähnlicher Überlegungen, nach welchen die Bodenschichten aufgebaut werden, können auch ringförmige Ziegelschichten angewandt werden, die - indem sie an die Bodenschichten angrenzen und diese begrenzen - die Wand des Herds.bzw. der Rast eines Hochofens bilden. Bei dieser Ausgestaltung müssen erfindungsgemäß die Eeuei'ziegel zumindest in der inneren Ringschicht ebenfalls mit offenen Dehnfugen nebeneinander angeordnet werden, wobei die Breite dieser Dehnfugen der thermischen Ausdehnung der Elemente in tangentialer bzw. Kreisrichtung über den Temperaturbereich vom kalten Zustandpis zu einer Temperatur von etwa 50 - 200⁰C unter der Betriebstemperatur dieser Elemente entspricht.

Diesbezüglich gute Ergebnisse wurden mit einer Konstruktion

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erzielt, bei welcher die unteren Ringschichten aus Kohleziegeln bestanden und der für die Ausdehnung in Umfangsrichtung zur Verfügung stehende Gesamtraum etwa 0,2$ des Umfangs dieser ringförmigen Ziegelreihe betrug.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben, welche schematisch den Boden und die Wand des Herds bzw. der Rast eines Hochofens veranschaulichen. Es zeigen:

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch eine feuerfeste Ofenbodenkonstruktion mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie IH-III in Fig. 1 und

Fig. 4 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Detailansicht des Ausschnitts IV aus Fig. 1, von oben und im waagerechten Schnitt gesehen.

In Fig. 1 sind bei 1 bis 5 schematisch verschiedene Bodenschichten eines Hochofenbodens dargestellt. Die Schicht 1, das heißt der eigentliche Bodenstein, besteht ihrerseits aus mehreren Schichten, deren Zusammensetzung und Ausbildung für die Erfindung unerheblich, da dem Fachmann bekannt, sind» Die Schichten 2 bis 5 sind bei der dargestellten Ausführungsform aus Kohleziegeln aufgebaut, obgleich die Wahl dieses Werkstoffs für die Erfindung nicht ausschlaggebend ist. Diese Schichten besitzen jeweils eine Dicke von etwa 60 cm.

Fig. 2, die eine Aufsicht auf die Schicht 5 zeigt, veranschaulicht das Schema, nach welchem die Ziegel in der Schicht ange-

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ordnet werden. Bei der dargesbellten Ausführungsform beträgt der Bodendurchmesser etwa 10 m. Die darunter liegenden Schichten 2,3 und 4 besitzen im wesentlichen das gleiche Schema, sind jedoch jeweils gegenüber der nächst oberen Schicht um 30° verdreht.

In Fig. 1 und 2 sind die Kohleziegel 8 bis 12 der mittleren Ziegelreihe der Schicht 5 veranschaulicht. Verschiedene Stirnflächen der Ziegel bzw. Steine sind abgeschrägt, wie dies beispielsweise an der Stoßfuge 135 angedeutet ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Ziegel der gleichen Reihe miteinander verblocken oder verkeilen und dadurch einen mehr oder weniger großen Schutz vor einem Schwimmen in der Metallschmelze bietien. Wie eingangs erwähnt, kann diese Gefahr auftreten, wenn das flüssige Eisen von hohem spezifischen Gewicht (etwa 7*8) zwischen und unter die Steine einer Schicht aus feuerfesten Steinen eindringen kann, die im allgemeinen ein spezifisches Gewicht von etwa 1,5 besitzen.

Die Kreuzchen in Fig. 1 geben diejenigen Stoßfugen an, die im kalten Zustand des Ofenbodens offen sind.

An der Schnittlinie I-I gemäß Fig. 2 besitzen die vier Fugen in der gleichen Reihe eine Breite von beispielsweise 8 mm, 12 mm, 12 mm und 8 mm. Über die gesamte Fläche dieser Schicht hinweg beträgt die mögliche Gesamtausdehnung quer zu einer Fugenreihe etwa 0_sK% der Länge der Schicht in derselben Richtung. In den unteren Schichten nehmen diese Prozentsätze auf etwa 0,3^, 0,2$ und 0,1$ ab. Die langen waagerechten Fugen zwischen den Steinreihen besitzen vorzugsweise eine mittlere Breite von etwa 5 mm bei gar keiner oder nur geringfügiger Abweichung der Breite zwischen den verschiedenen Fugen.

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Beim Zusammensetzen der Bodenkonstruktion werden die Fugen zur Erleichterung einer genauen Ausrichtung mit Streifen oder Platten aus Kunststoff gefüllt. Der Kunststoff brennt bereits bei sehr niedriger Temperatur ab, so daß die Fugen tatsächlich als offene Fugen wirken.

Längs der äußeren Mantelwand des Ofens ist eine Schicht 6 vorgesehen, die zum Teil aus in diesen Raum eingestampftem körnigem Material besteht. Über der Schicht 5 ist ein Mauerwerk 7 in Form von ringförmigen Ziegel- bzw. Steinschichten vorgesehen. Fig. 5 zeigt einen Teil dieser Ringschicht im Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1. Die Kohleziegel dieser Ringschicht, von denen in Fig. J5 drei bei 14, 15 und 16 angedeutet sind, sind jeweils durch Dehnfugen von 2 mm Breite voneinander getrennt.

Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Detailausschnitt IV aus Fig. 1, von oben und im waagerechten Schnitt durch die Schicht 4 gesehen. Zwei Steine 22 und 2J> der Schicht 4 sind dabei so angeordnet, daß sie durch ihren gegenseitigen Abstand eine Fuge 17 festlegen. Die gestrichelten Linien 18 geben die Fuge zwischen zwei Steinen der nächst höheren Schicht 5 an, welche die Fuge 17 schneidet. Zur Verhinderung einer Direktverbindung zwischen den Fugen 17 und 18 ist erstere durch einen kleinen Block bzw. Stein 19 unterbrochen, der in Ausnehmungen in den Steinen 22 und 23 eingesetzt ist.

Der~'kleine Stein 19 legt mit gewissem Freiraum Fugen 20 und 21 fest, die in diesem Bereich die Funktion der Fuge 17 übernehmen. In den parallel zur Zeichnungsebene liegenden Seitenflächen besitzt dieser kleine Stein keine offene Fuge, sondern

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ist in kaltem Zustand genau zwischen die Steine der benachbarten Schichten über und unter ihm eingepaßt. Dieser kleine Stein 19 kann aus dem gleichen Mated.al bestehen wie die benachbarten Steine in der gleichen Schicht,

Die Ausbildung gemäß Fig. 4 ist als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme gegen ein Eindringen von Metallschmelze anzusehen. Wie eingangs erwähnt, ist diese Maßnahme in der Regel nicht notwendig, da ein Eindringen von Metallschmelze auch ohne diese Maßnahme in ausreichendem Maß verhindert wird.

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Claims (1)

1. PatentansprUche

   Feuerfeste Konstruktion, insbesondere für einen metallurgischen Schachtofen, mit einem aus mehreren Schichten getrennter feuerfester Elemente aufgebauten Boden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in den oberen Bodenschichten (2-5) mindestens ein Teil der feuerfesten Elemente mit offenen Dehnfugen (z.B. 17*18) zwischen ihnen nebeneinander angeordnet ist und daß die Breite der Dehnfugen in kaltem Zustand der thermischen Ausdehnung der angrenzenden feuerfesten Elemente in Richtung der Dehnfugen über einen Temperaturbereich von etwa 50 - 200°C unterhalb der Becriebstempercfcir der Elemente entspricht.

   Konstruktion nach Anspruch 1, bei welcher zumindest die oberen Bodenschichten in Schemata angeordnet sind, die zueinander unter verschiedenen Winkeln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Schnittpunkt zweier Dehnfugen benachbarter Bodenschichten (2-5) die Dehnfuge (z.B. 17, 18) mindestens einer Bodenschicht durch einen'kleinen Füllstein (19) unterbrochen ist, er in eine an dieser Stelle in den feuerfesten Elementen (22, 25) der Bodenschicht ausgebildete Ausnehmung eingesetzt ist.

   Konstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen vier Schichten aus Kohlesteinen von einer Dicke von etwa 60 cm bestehen und daß die Dehnfugen in den Schichten insgesamt eine Länge besitzen, welche für die obere Schicht etwa 0,4$, für die nächstuntere Schicht etwa 0,3$, für die darauf folgende Schicht 0,2$

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   und für die unterste der vier Schichten O,1$, quer zu den Fugen gemessen, beträgt.

   4. Konstruktion nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Anschluß an die Bodenschichten ringförmige Ziegel— bzwe Steinschichten als Wand für einen Herd bzw. eine Rast oder dergleichen des Ofens aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in der inneren Ringschicht die feuerfesten Elemente ebenfalls mit offenen Dehnfugen nebeneinander angeordnet sind, wobei die Weite der Dehnfugen der Weite der im Ofenboden vorgesehenen Fugen entspricht.

   5. Konstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Ringschichten aus Kohleziegeln aufgebaut sind und daß der Ausdehnungsraum in Umfangsrichtung etwa 0,2$ des Ringumfangs beträgt«,

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