DE2638990C3 - Fluiddurchströmtes hohlplattenförmiges Kühlelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein fluiüdurchsirömies hohlplattenförmiges Kühlclement der im Oberbegriff des Patentanspruchs j genannten Art für Schachtofenwände, insbesondere für Hochofenwände.

Bei gebräuchlichen Hochöfen sind Schacht und Rast mit Kühlkammern oder Kühlkanälen versehen. Die Kühlkammern dienen sowohl der ''.iihlung als gleichzeitig auch der Absteifung des Mauerwerks. In der KaM, wo die Stabilität des feuerfesten Mater Is gewährleistet ist, würde es im Hinblick auf die mechanische Festigkeit ausreichen, die Wände lediglich mit Kühlschlangen zu versehen. Die gegenüber solchen Kühlkanälen in der thermisch-kalorischen Wirkung vergleichbaren Kühlkammern weist jedoch auch in der Rast Vorteile auf. Insbesondere verlängern sie die Standzeit der feuerfesten Auskleidung. Bei der Verwendung von Kühlkammern treten aber auch Nachteile auf. So unterliegen ihre auf den Ofen bezogen radial innenliegendcn Wände und Randbereiche, die üblicherweise vollständig im feuerfesten Wandmalerial eingebcttel sind, dem raschen Verschleiß unter der Einwirkung der abwärts wandernden Beschickung.

Aus der US-PS 26 97 598 sind hohlplatlenförmige Kühlclementc für die Rast eines Hochofens bekannt. Die Kiihlclcmente sind mit punkuicllcr Wirkung auf der Außenseite der Außcnvcrklcidung der Rast angeordnet. Bei dieser Anordnung vermögen die Kühlclcmenlc nicht die Rastvcrkleidiing vor Wärmespannungsrissen zu schützen, da diese Verkleidung trot/, aber auch gerade wegen dieser Anordnung der Kühlung durch den senkrecht zu ihrer Oberfläche auftretenden erheblichen Wärmefluß erheblichen wärmeinduzierten Spannungen ausgesetzt ist.

Außerdem wird bei dieser Art der Außenkühlung ein nur unvollkommener Schul/ der Innenauskleidung der Rast erzielt.

Ein fliiiddurchströmtes hohlplattenförmiges Kiihlelcment für die flächige Innenkühlung eines Kupolofens ist aus der am 7. Mai 1973 ausgelegten DE-ASt 4 248/ V! 31A bekannt. Die Kiihleleincnle sind doppelwandige /ylindermantelfömige Hohlkörper mit innerer Labyrinthführung für ein Kühlmittel. Die Krümmung dieser zylindermantelförmigen Kühlelemente ist dabei so gewählt, daß die Zentralchse der Mantelflächen mit der Zentralachse des zu kühlenden Kupolofens zusammenfällt. Diese für Kupolöfen wirksamen Kühlelemente sind jedoch für die Kühlung von Hochofenwänden, insbesondere Rastwänden, unbrauchbar. Während der Kupolofen diskontinuierlich betrieben und nur relativ kurzfristig auf relativ niedrige Temperaturen erhitzt wird, werden Hochöfen kontinuierlich über \'er, fünf und sechs Jahre hinweg bei Temperaturen von gut 1600⁰C in der Rast betrieben. Unter solchen unvergleichlich höheren und längerfristigen thermischen Belastungen im Hochofen würden die bekannten gekrümmten Kühlplatten nicht nur selbst reißen, sondern durch die in ihnen auftretenden thermischen Spannungen auch Risse in der Ofenauskleidung herbeiführen. Solche unerwünschten Nebenwirkungen sind an ähnlich ausgestalteten Kühlelementen ausreichend studiert worden, die aus gekrümmten Hohlplattenkonstrukiionen mit eingearbeiteten Kühlschlangen bestanden. Durch Rißbildung im Mauerwerk und der Auskleidung des Ofens und damit einhergehender Verringerung der Berührungsfläche zwischen der Kühlplatte und der zu kühlenden Wand tritt dabei zusätzlich eine Verschlechterung des Wärmeübergangsverhaltens und eine Verminderung des Wirkungsgrades der Kühlung ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hohlplaticnförniigcs Kühlelcment für Schachtofenwände, insbesondere Hochofenwändc. zu schaffen, das die Kühlung der Ofenwand auch langfristig zuverlässig mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht, preiswert herstellbar ist und gleichzeitig bei hoher homogener Kühlleistung die Außenvcrkleidung des Ofens auch bei größeren Schäden an der feuerfesten Innenauskleidung zu schützen vermag.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kühlclcmcni mit der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeu-hncndcn Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Die Erfindung schafft also ein kühlfluiddiirchströmics hohlplaticnförmigcs Kühlclement.das auch als Wärmcaustauschplatlc bezeichnet werden kann. Die Auslauschplatle bzw. das Kühlelentcnt besteht aus einem Rahmen, der aus zwei gekrümmten Ruhrelcnienicn aufgebaut ist, die Stoß auf Stoß auf Ticnnblechcn miteinander verschweißt sind. Jedes dieser Rohrelemente wird von unabhängigen Wärmeträgerslrömcn durchströmt. Das Kühlclc.iicnt weist weiterhin ein ebenes und hohles Mittelteil auf. das ein cloppelwandiges Inncnfeld bildet. Dieses Innenfckl ist mit den Innenflächen des Rahmens verschweißt und bildet insgesamt eine von einem ebenfalls unabhängigen Wärmcträgcrfluß durchströmte dritte Kammer.

In dem Kühlclement sind also insgesamt drei voneinander unabhängige Wärmclrägcrfluidströmc verfügbar, nämlich zwei in den beiden Rohrclcmcntcn des Rahmens, die durch das Trcnnblech voneinander getrennt sind, und der dritte im Inneren des doppelwandigen Mittelfeldes der Austaiischcrplattc. Diese drei voneinander unabhängigen Wärmeträgerfluidströme verlaufen kontinuierlich aufsteigend, so daß sich in der Austauschplatte weder Ablagerungen noch Gasblasen noch Lufttaschen bilden können.

Das hohlplattenförmige Mittelteil des Kühlclcmentcs ist vorzugsweise durch Trennwände im Inneren als Labyrinth ausgebildet. Die Trennwände dienen gleichzeitig als Absteifung. Durch dieses Labyrinth werden

hohe Strömungsgeschwindigkeiten des als Wärmeträger wirkenden Fluids in der Platte und eine gleichmäßige Bespülung und Kühlung der gesamten Oberfläche des Mittelteils erzielt.

Der durch die Stoßverschweißung des Rahmens und das Einschweißen der Mittelteilplatten in den Innenseiten des Rahmens erzielbare konstruktive Vorteil einfacherer Herstellung und höherer thermischer Stabilität wird dabei auch dann erzielt, wenn der Rahmen nicht aus Rohrelementen sondern aus zwei Blechelementen besteht.

Das Kühlelement der Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, daß es in der Lage ist, eine Isolierschicht aufzubauen. Sobald flüssige Schlacke auf die Platte gelangt, bildet diese sofort eine feste Schicht oder Kruste mit nur sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. Dadurch ist der Wärmeübergang insgesamt begrenzi. Im Laufe des Ofenbetriebes, verfestigt sich die Ablagerung, so daß sich allmählich ein Gleichgewicht zwischen der Wärmezufuhr und der (möglichen) Wärmeabsorption einstellt. Der in dieser Weise automatisch erfolgende Aufbau einer Auskleidung b>.w. einer eigenen thermischen isolierenden Schutzschicht kann mit den bekannten klassischen Kühlsystemen für Schachtofenwände nicht erhalten werden. Flüssige Schlacke vermag sich bei 800⁰C nicht auf einem metallischen Werkstoff zu verfestigen. Auch eine Sättigung des Wärmeüberganges kann unter diesen bekannten Bedingungen nicht erhalten werden. Dies führt bei den bekannten Innenkühlelemcnlen dazu, daß sich die Schlacke auf den Kühlclcmenien laufend erneuert, wodurch diese allmählich überlastet werden und abzuschmelzen beginnen. Dieser Effekt kann durch den Aufbau der Schlackenschuizsehicht beim Kühlelemcnt der Erfindung nicht auftreten. )5

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Kiihlelcmenl in schemalischer perspektivischer Darstellung, teilweise weggebrochen;

Fig. 2a und 2b im Axialschnitt bzw. im Radialschnitt eine Schachtofenwand mit dem Kühlclemeni /wischen der Außcnvcrkleidung und der feuerfesten Innenauskleidung des Ofens;

Fig. 3 in perspektivischer Darstellung, teilweise 4-, weggebrochen, die Anwendung des Konsiruktionsprinzips des in Fig. I gezeigten Ausführiingsbcispiels für eine vereinfachte Austauschcrplalte und

Fig.4 zur Verdeutlichung der in Fig. I gezeigten innensciligen Wabenstruktur ein Kühlclcmcnt im w Querschnitt.

Ein Atisfi'hrungsbeispiel der Erfindung ist in schcmatischer Darstellung in der Fig. I gezeigt. Das Kühlclcmcnt besteht aus einem Rahmen, der aus zwei gekrümmten .Stahlrohrclemenlcn 10, 12 zusammcngc- η setzt ist. Die beiden Slahlrohrclcmcntc 10, 12 sind Stoß auf Stoß unter Zwischenfügung von zwei Trcnnblcchcn 14, 16 aufeinandcrgeschwcißt. In jedem der beiden Rohrelement 10, 12 ist ein jeweils •om anderen unabhängiger Strömungswcg für das Wärmeträgerfluid wi ausgebildet. |edes der beiden Rohrclemente 10,12 ist zu diesem Zweck an einem unteren Ende mit einem Einlaßstutzcn 24, 26 für das Fluid und an einem oberen Ende mit einem AuslnßsHilzcn 28, 30 für den Austritt des Fluids verschen. Sowohl die Einlaßstutzen 24, 26 als h^r> auch die Auslaßstut/.en 28, 30 sind beim Einbau des Kühlelcmcntes in die Schachtofenwand durch die Außenverklcidung des Ofenschachtes hindurchgeführt.

Das Kühlelement weist ein hohles Mittelfeld auf, das von zwei Wandblechen 18, 20 begrenzt ist. Beide Wandbleclie sind vorzugsweise Stahlbleche. Das der Außenseite des Ofens zugekehrte Wandblech 18 ist im folgenden als »Außenblech« das der Ofeninnenseite zugekehrte Wandblech 20 als »Innenblech« bezeichnet. Die beiden Bleche 18, 20 sind durch Trennwände 22 einerseits voneinander getrennt, andererseits miteinander verbunden. Diese Trennwände 22 dienen gleichzeitig der mechanischen Versteifung des Mittelfeldes und definieren im Inneren dieses Mittelfeldes Strömungskanäle bzw. ein Labyrinth, das das als Wärmeträger dienende Fluid auf seinem Weg durch die Austauschplatte sinusförmig aufsteigend umlenkt, wie dies in der Fig. 1 durch perspektivisch dargestellte Pfeile F angedeutet ist. Das Innenfeld des Kühlelementes weist an seinem unteren Teil einen Einlaßstutzen 32 und an seinem oberen Teil einen Auslaßstutzen 34 für das Fluid auf.

Auf dem Inneblech der Wärmeaus>;iuscherplatte ist weiterhin in prinzipiell beliebiger unci .n den Figuren im einzelnen nicht dargestellter Weise ein Gitter 36 befestigt, das vorzugsweise Bienenwabenstruktur aufweist. Das Gitter 36 dient dem Schutz des Mittei'ddes des Kühlelementes. Dieses Gitter ist bis an seinen Rand vollständig mit einem feuerfesten Futter 38 ausgestampft oder ausgefüllt, das unter Berücksichtigung der Auskleidung des Ofenschachtes, in dem die Wärmeaustauschplatte eingesetzt werden soll, ausgewählt ist.

In den Fig. 2a und 2b ist die Anordnung der Kühlelemente in der Wand eines Schachtofens, hier einer Rast, dargestellt. Jedes Kühlelement 40 ist zwischen dei Außenverkleidung 42 und der feuerfesten Innenauskleidung 44 der Ofenwand angeordnet. Die Verbindung zwischen den verschiedenen Elementen der Außenwand ist durch eine Masse 46 hergestellt, beispielsweise aus gestampftem feuerfesten Material. die unter Berücksichtigung des Ausklcidungsmatcrials für den Ofenschacht, in dem das Kühlelcment eingesetzt werden soll, ausgewählt ist.

In den F i g. 2a und 2b ist weiterhin die Kombination der Kühlclcmente der Erfindung mit an sich bekannten Kühlnasen 48 dargestellt.

Durch die Ausbildung des Rahmens in Form von zwei U-förmigen Teilen, die Stoß auf Stoii aneinandergeschweißt sind und durch Bildung des hohlen Mittelfeldes durch Anschweißen von zwei Miitelfcldplattcn am Innenrand des so gebildeten Rahmens ist das in den Fi g. I und 2 gezeigte Kühlelcment nicht nur besonders einfach und preisgünstig herstellbar, sondern auch in hohem Maße gegen thermische Verspannungen stabilisiert. Dieser konstruktive Vorteil kann auch für abgewandelte Kühlelcnu-ntc 50 der in F i g. 3 gezeigten Art c'zkflt werden, bei denen die beiden U-förmigen Rahmenelementc 50;/, 50ö nicht als Rohrclcmcnte. sondern als einfache Blechelcmcntc ausgebildet sind, die mit Schweißnähten 54, 56 Stoß auf Stoß miteinander verbunden sind. Das Mittelfeld 52 ist wie bei dem in F i g. I gezeigten K ühlclcmente ausgebildet. Das Mittelfeld 52 ist über einen Einlaßstutzen 54 und einen Auslaßstutzcn 60 mit einem Fluid beaufschlagbar.

In vereinfachter Schnittdarstellung ist m der Fig.4 die Anordnung des in der Fig. ! gezeigten Wabengitters 36 auf dem Innenblech 20 des Mittelteils oder Mittelfeldes dargestf Ht.

Der Volumenstrom des Wärmeträgerfluids wird nach den Erfordernissen des Einzelfalls eingestellt. Als mittlerer Richtwert kann dabei ein Wärmeträger-Volu-

mcnstrom in der Größenordnung von 10 ni^Jh-' angesehen werden. Um den Fluidbcdarf möglichst gering zu halten, sind die Kühlelemente vorzugsweise in Reihe geschaltet. Die Anzahl der Elemente, die in Reihe geschaltet werden können, hängt von den anlagenspczifischcn Parametern ab, beispielsweise also von der Art des feuerfesten Auskleidungsmatcrials, von der Art des eingesetzten Wärmeträgerfluids und von der Temperatur dieses Fluids. Das am letzten Element der Reihe austretende Fluid darf dabei die für die Durchführung eines wirkungsvollen Wärmeaustausches zulässige Höchsttemperatur nicht überschreiten.

Selbst bei ungewöhnlich starker thermischer BeIa stung des Kühiclcincnlcs unterliegt dieses bei bestim mungsgemäßer Verwendung nur mäßig großen, von Stahl in jedem Fall tolerierten Wärniespannungen. Di( auf der Außenseite des Kühlelementes auftretend« Temperatur liegt deutlich innerhalb der iiblichcrweisi einzuhaltenden Grenzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Fluiddurchströmtes hoblplauenförmiges KQhI-element für Schachtofenwände, insbesondere Hochofenwände, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Fluid durchströmte hohlplatienförmige Kühlelement aus einem Rahmen, der aus zwei gekrümmten und unter Zwischenschaltung von Trennblechen (14, 16) Stoß auf Stoß zusammengeschweißten Rohrelementen (10,12) gebildet ist, und aus einem hohlen, ebenen, doppelwandigen Mittelteil besteht, dessen Wandbleche (18, 20) mit der Innenseite des Rahmens verschweißt sind, so daß das Innenfeld einen abgeschlossenen Raum bildet, wobei die beiden gebogenen Rohrelemente (10,12) und das hohlplattenförmige Mittelteil je einen geschlossenen Fluidkreislauf bilden.

2. Hohlplattenförmiges Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Wandblec.h (20) des Mittelteils ein wabenartiges Schutzgitter (36) befestigt ist, das mit einer feuerfesten Masse ausgefüllt ist.