DE2620509B1 - Feuerfester Bauteil oder Formkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen feuerfesten Bauteil oder Formkörper mit von heißen Stellen Wärme abführenden Einlagen.

Im allgemeinen nimmt die mechanische und chemische Widerstandsfähigkeit von feuerfestem Material mit zunehmender Hitzebeanspruchung ab. Es ist deshalb in vielen Fällen möglich, den Verschleiß des Materials durch Kühlung herabzusetzen, wie beispielsweise praktiziert wird an Hochöfen durch Wasser oder Dampfkühlung, an SIEMENS-MARTIN-Öfen durch Luft oder Wasserkühlung oder an Verschleißteilen von Schiebeverschlüssen für metallurgische Gefäße, wo feuerfeste Schieberplatten durch Luft gekühlt werden.

Eine Wasserkühlung oder eine Kühlung durch verdampfendes Wasser ist sehr wirksam, da der Wärmeübergang zwischen dem strömenden Wasser bzw. dem kondensierenden Dampf und dem Kühlrohr sehr gut ist und da man wegen der hohen spezifischen Wärme des Wassers mit einer relativ geringen Kühlwassermenge viel Wärme abführen kann.

Eine Luftkühlung ist weit weniger wirksam, da der Wärmeübergang etwa 50 — 100 mal schlechter ist als bei Wasser von Luft nennenswerte Wärmemengen nur mit großen Luftkühlmengen abführen kann.

Im Stahlwerksbetrieb ist der Einsatz der Wasserkühlung jedoch begrenzt, da es gefährlich ist, Kühlwasser oder Wasserdampf in die unmittelbare Nähe von flüssigem Metall zu bringen. Bei einer Störung oder einem Schaden muß man befürchten, daß größere Mengen Wasser in Berührung mit dem flüssigen Metall kommen, was zu Explosionen führen kann. Man beschränkt die Wasserkühlung deshalb meist auf Stellen von Feuerfestzustellungen, die nur einer hohen Temperaturbelastung, allenfalls einer Beaufschlagung durch flüssige Schlacke ausgesetzt sind, wie z. B. Kühlkästen in Lichtbogenofen oder Staves in Hochofenwänden. Auch hier teilt man das Kühlsystem in kleine einzeln durchströmte Einheiten, um gestörte Kühlelemente schnell abschalten zu können.

Zum Kühlen von Feuerfestteilen, die ständig mit einer großen Menge flüssigen Metalls in Berührung stehen, verwendet man entweder die Luftkühlung oder Schichten aus Feuerfestmaterial hoher Wärmeleitfähigkeit, die Wärme von der gefährdeten Stelle ableiten sollen. So sind beispielsweise Cermeteinlagen in Schiebeplatten bekannt oder Graphitschichten in Hochofenböden. Die Wärmeleitfähigkeit solchen Materials liegt bei etwa 20 — 80 kcal/m-h-k., so daß einmal relativ große Querschnitte benötigt werden, um die erforderlichen Wärmemengen abführen zu können, zum anderen ist die Wärmeabfuhr am kalten Ende der Kühlschicht recht problematisch, z. B. die Ankopplung der Graphitkühlschicht in einem Hochofenboden an den gekühlten Außenpanzer.

Des weiteren ist aus der DT-OS 24 43 662 eine Anordnung zum Schützen der feuerfesten Auskleidung eines mit hohen Temperaturen betreibbaren Ofens bekannt, nach der massive Kühlglieder hoher thermischer Leitfähigkeit in das feuerfeste Material, an der kalten Seite teilweise vorstehend, eingebettet sind. Gegebenenfalls können die vorstehenden Teile gekühlt sein, während die Einbettung so erfolgt, daß ein Schmelzen der Glieder vermieden wird. Außerdem lassen sich die Kühlglieder um in feuerfesten Körpern vorgesehene Durchläufe für Metallschmelzen anordnen.

Die mit vorliegender Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, die Kühlung von durch Berührung mit flüssigem Metall verschleißends Oberflächen von feuerfesten Bauteilen oder Formkörpern bei größtmöglicher Sicherheit ebenso wirkungsvoll zu gestalten wie bei einer Wasserkühlung.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Einlagen der feuerfesten Bauteile oder Formkörper aus an beiden Enden geschlossenen, nach dem Kapillarprinzip arbeitenden, mit einem Ende aus dem feuerfesten Material Wärme aufnehmenden, am anderen Ende gekühlte Wärmerohren bestehen. Die Anwendung von Wärmerohren ergibt bestmögliche Lösungen für gefahnose Kühlungen feuerfester Auskleidungen, die unter direkter Einwirkung von flüssigem Metall verschleißen und bei denen eine längere Haltbarkeit des feuerfesten Materials durch Kühlung angestrebt und gleichzeitig auf einen wirtschaftlichen Wärmehaushalt Wert gelegt wird. Je nach gewünschter Wärmemendenableitung können mehr oder weniger leistungsfähige Wärmerohre mit mehr oder weniger großer Oberfläche eingesetzt werden. Indessen kann aber auch bei Formkörpern der Einsatz eines einzigen entsprechend leistungsfähigen Rohres ausreichend sein. Wärmerohre haben in etwa die tausendfache Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und können demnach bei relativ geringen Querschnitten ORiQSMAL SUSPECTED

große Wärmemengen auch über beträchtliche Entfernungen hinweg abführen. Dabei können bei Zerstörung eines Wärmerohres — wegen geringen Kühlmittelgehaltes — den Betriebsablauf beeinträchtigende Explosionen nicht auftreten.

Der Einsatz der Wärmerohre bei feuerfesten Bauteilen oder Formkörpern erfolgt zweckmäßig so, daß die Wärme aufnehmenden Enden der Wärmerohre In Richtung Feuerseite gesehen dicht hinter der niedrigstens Verschleißgrenze des feuerfesten Materials enden, während die gekühlten Rohrenden aus dem Materila vorstehen. Hierdurch wird der häufig am kalten Ende des feuerfesten Materials in vielen Fällen vorhandene Wärmestau abgebaut und damit der Wärmeabfluß gewährleistet. Darüber hinaus sind die vom Verschleißvorgang unbetroffenen Wärmerohre u.U. nach Ausbrechen aus den Verschleißresten des feuerfesten Materials erneut anwendbar.

Gemäß der Erfindung können die Wärmerohre in hysraulisch oder chemisch gebundenes Material eingeformt sein oder in eingeformte Kanäle von keramsich gebundenen feuerfesten Materials eingekittet werden. Es ist aber auch möglich, die Wärmerohre in Fugen zwischen einzelnen Bauteilen oder Formkörpern vorzusehen.

In Hochofenböden beispielsweise können Wärmerohre die Graphitschicht ersetzen und zwischen den beiden obersten Kohlenstofflagen angeordnet werden. In Sonderfällen lassen sich auch temperaturgefährdete Stellen des Fundamentes mit Wärmerohren kühlen.

Bei feuerfesten Bauteilen oder Formkörpern mit Durchlauföffnungen für Metallschmelzen, beispielsweise Ausgüssen von metallurgischen Gefäßen oder Verschleißteilen von unten den Ausgüssen angeordneten Schieberverschlüssen kann es vorteilhaft sein, die Wände der Durchflußöffnungen durch Wärmerohre zu kühlen, um den Verschleiß des feuerfesten Materials zu verringern. Dazu werden die Wärme aufnehmenden Enden der Wärmerohre von außen bis an den Bereich der Durchflußöffnung des jeweiligen feuerfesten Verschleißteils oder Formkörpers herangeführt.

Sind mehrere Wärmerohre an der kalten Seite eines feuerfesten Bauteils oder eines Formkörpers vorstehend, dann kann es vorteilhaft sein, die Kühlenden durch ein gemeinsames Kühlsystem zu beaufschlagen.

Die Erfindung sieht ferner vor, die feuerfesten Bauteile der Formkörper zusammen mit den Wärmerohren und den Kühlsystemen als vorgefertigte Montageeinheit herzustellen, was die Montage wesentlich erleichtert.

Die Erfindung ist nachstehend anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Wärmerohr von rundem Querschnitt,

Fig.2 einen feuerfesten Stein mit eingelagertem luftgekühlten Wärmerohr in perspektivischer Darstellung,

F i g. 3 einen Schnitt durch einen feuerfesten Bauteil mit einem wassergekühlten Wärmerohr,

F i g. 4 die mit Wärmerohren ausgestattete Schieberplatte eines Schieberverschlusses, ebenfalls wassergekühlt in Draufsicht und

F i g. 5 eine feuerfeste Auskleidung mit wassergekühlten Wärmerohren im Bereich einer voreilenden Verschleißstelle.

Aus F i g. 1 ist die Beschaffenheit eines Wärmerohres 1 zu erkennen, das im Prinzip einen länglichen, an den Enden verschlossenen Druckbehälter darstellt, der im Innern eine Anzahl sich in Längsrichtung erstrekkender Kapillare 2 aufweist und eine Flüssigkeit vornehmlich Wasser enthält Im Betrieb ist das eine Ende des Rohres einer Temperaturbelastung ausgesetzt und das andere Ende gekühlt Entsprechend wird das Wasser am heißen Ende des Rohres verdampft wobei der Dampf zum kalten Rohrende strömt, dort kondensiert und als Kondensat durch die Kapillare wieder zum wärmebeaufschlagten Ende fließt. Dadurch entsteht ein natürlicher Dampf-Wasser-Kreislauf, mit dem erhebliche Wärmemengen abgeführt werden können.

Im einzelnen sind die in mehreren Profilen erhältlichen Wärmerohre beispielsweise auf 0,02 bar evakuiert und pro Meter Länge mit 5 bis 20 gr H₂O gefüllt. Dadurch entsteht im Rohr bei 100⁰C ein Dampfdruck von einem atü. Die Betriebstemperatur des Rohres liegt zwischen 100⁰C und 200° C, während der Temperaturgradient vom heißen zum kalten Ende des Rohres nur einige Grad Kelvin beträgt. Das kalte Ende des Rohres kann im Bedarfsfall mit einer Vorrichtung zur Druckregelung versehen sein.

Gemäß der einfachen Anwendungsform nach F i g. 2 ist ein im Querschnitt rechteckiges Wärmerohr 3 verwendet, dessen Wärme aufnehmendes Ende 4 in einem feuerfesten Stein 5 hinter dessen niedrigster Verschleißgrenze 6 eingepackt ist. Das freie Ende des Rohres 3 weist Kühlrippen 7 auf, die durch Kühlluft beaufschlagt werden können, wenn eine freie Kühlung durch die umgebende Atmosphäre nicht ausreicht. Eine solche Montageeinheit aus Stein 5 und Wärmerohr 3 wird man beispielsweise an feuerfesten Auskleidungen einsetzen, bei denen bisher zwischen den Steinen und dem metallischen Gefäßpanzer hochwärmeleitfähiges Material vorgesehen war.

Nach F i g. 3 ist das wiederum hinter der niedrigsten Verschleißgrenze 8 eines feuerfesten Bauteils 9 angeordnete Wärmerohr 10 wassergekühlt. Hierzu ist über dessen gefalztes Kühlende 11 ein mit einem Anschluß 12 für die Kühlwasserzuführung versehenes Rohrstück 13 gesteckt, das in einen das Wärmerohr 10 umgebenden Kasten 14 mündet, der den Anschluß 15 für den Kühlwasserablauf aufweist.

Die als feuerfeste Verschleißteil geltende Schieberplatte 16 nach F i g. 4 hat eingelagerte Wärmerohre 17 und 18, die aus dem Bereich der den Durchfluß für das flüssige Metall bildenden öffnung 19 Wärme abführen. Die Platte 16 und die Wärmerohre 17, 18 sowie die gemeinsame Kühleinrichtung 20 sind als vorgefertigte Montageeinheit ausgebildet, welche austauschbar in einem Rahmen 21 lagert, der Ausnehmungen 22 zum Aufnehmen der freien Wärmerohrenden aufweist. Die beiden Kühlwasseranschlüsse 23 und 24 haben flexible Anschlußleitungen 25 und 26, die den Plattenbewegungen beim öffnen und Schließen des Schieberverschlusses folgen können. Mit den Wärmerohren 17 und 18 kann unter Berücksichtigung ihrer Betriebstemperatur im Bereich der Durchflußöffnung 19 eine Temperatur zwischen 100 und 200⁰C erzielt werden, so daß es möglich ist die Schieberplatte in erheblichem Maße risikolos, d.h. ohne Kühlwasserpannen befürchten zu müssen, zu kühlen. Ein mehr oder weniger nahes Einlegen der Wärme aufnehmenden Rohrenden an die Durchflußöffnung 19 ergibt eine mehr oder weniger intensive Kühlung der Öffnungswand, wobei die Rohrenden dem Profil der öffnung auch zangenartig folgen können.

Nach F i g. 5 sind Wärmerohre 28 in einer feuerfesten

Auskleidung vorgesehen, um voreilenden Verschleißstellen entgegenzuwirken. Solche voreilenden Verschleißstellen, die in Form flacher Mulden 30 an der Feuerseite 31 der Auskleidung auftreten, entstehend beispielsweise bei Elektroöfen an den den Elektroden gegenüberliegenden Wandstellen. Durch gezielte Wärmeabfuhr mittels durch den Ofenpanzer 32 geführter Wärmerohre 28 aus den stärker als die übrige Auskleidung Wärme beanspruchten heißen Flecken kann der Verschleiß der Auskleidung egalisiert werden, wie durch die strichpunktierte Linie 33 angedeutet wird. Die kalten Enden der Wärmerohre sind von einem Kühlkasten 34 mit einer Kühlwasserzuführung 35 und einer Kühlwasserabführung 36 umgeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Feuerfester Bauteil oder Formkörper mit von heißen Stellen Wärme abführenden metallischen Einlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagen aus an beiden Enden geschlossenen nach dem Kapillarprinzip arbeitenden, mit einem Ende aus dem feuerfesten Material Wärme aufnehmenden, am anderen Ende gekühlten Wärmerohren (3,10,17,18,20) bestehen.

2. Bauteil oder Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme aufnehmenden Enden der Wärmerohre in Richtung Feuerseite gesehen dicht vor der niedrigsten Verschleißgrenze des feuerfesten Materials enden und die gekühlten Rohrenden aus dem Material vorstehen.

3. Bauteil oder Formkörper nach Anspruch 1 und

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (3, 10, 17, 18, 28) in hydraulisch oder chemisch gebundenes feuerfestes Material eingeformt sind.

4. Bauteil oder Formkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (3, 10,17,18,28) in eingeformte Kanäle von keramisch gebundenem feuerfesten Material eingekittet sind.

5. Bauteil oder Formkörper nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (3,10,17,18,28) in Fugen zwischen einzelnen Bauteilen oder Formkörpern vorgesehen sind.

6. Bauteil oder Formkörper mit Durchflußöffnung für Metallschmelzen nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme aufnehmenden Enden der Wärmerohre (17,18) von außen bis an den Bereich der Durchflußöffnung (19) herangeführt sind.

7. Bauteil oder Formkörper nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmerohre (17, 18 bzw. 28) an den kalten Enden durch ein gemeinsames Kühlsystem (20 bzw. 34) beaufschlagt sind.