DE2719165B1

DE2719165B1 - Kuehlelement fuer einen metallurgischen Ofen

Info

Publication number: DE2719165B1
Application number: DE2719165A
Authority: DE
Inventors: Hans-Eugen Dipl-Ing Dr Buehler; Karl-Heinz Dipl-Ing Peters; Guenter Robusch; Herbert Dr Phil Schaefer
Original assignee: August Thyssen Huette AG
Current assignee: Thyssen AG
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1978-07-06
Also published as: JPS5439303A; US4162061A; JPS5928604B2; DE2719165C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlelement für einen metallurgischen Ofen, welches aus in einem Gußeisenkörper eingegossenen, Kühlmittel führenden Rohren aus Stahl, und einer feuerfesten Auskleidung besteht.

Derartige Kühlelemente, die üblicherweise eine rechteckige Raumform haben, werden insbesondere in Hochöfen eingesetzt.

Es ist bekannt, auf der ofenseitigen Stirnfläche des Kühlelementes in parallel zur Breitseite des Kühlelementes verlaufenden Ausnehmungen eine feuerfeste Auskleidung anzuordnen, da dadurch die aus dem Ofen auf das Kühlelement einströmenden Wärmestromdichten gemindert werden.

Ein Kühlelement der eingangs beschriebenen Art ist im Deutschen Gebrauchsmuster 73 31 936 vorgeschlagen worden. Dabei wird die Verbindung zwischen feuerfester Auskleidung und Gußeisenkörper beim Gießen des Gußeisenkörpers hergestellt, indem die feuerfeste Auskleidung umgössen wird. Sie steht über der Stirnfläche des Gußeisenkörpers zum Ofeninneren vor.

Die feuerfeste Auskleidung verjüngt sich zum Inneren des Kühlelementes hin und kann über eine Nut- oder Federverbindung in Position gehalten werden. Die feuerfeste Auskleidung, die über den Gußkörper vorsteht, soll als Verankerung für eine aufzubringende feuerfeste Masse dienen. Da beim Abkühlen eines derartigen Kühlelementes Spannungen im Gußkörper nicht zu vermeiden sind, besteht die Gefahr, daß der umgossene Teil der feuerfesten Auskleidung während des Abkühlens des Gußkörpers zerstört wird, ja es besteht sogar die Gefahr, daß beim Gießen des Kühlelementes das Feuerfestmaterial aufgrund mangelnder Temperaturwechselbeständigkeit zerplatzt

Zur Vermeidung dieser während der Herstellung des Kühlelementes auftretenden Spannungen ist in der DT-PS 19 25 478 vorgeschlagen worden, zwischen den Feuerfeststeinen und dem Gußkörper eine Zwischenlage aus Asbest vorzusehen, die die beim Erstarren des Gußkörpers auftretenden Differenzspannungen aufnehmen soll und die Temperaturwechselbelastung mindert In der Praxis hat sich gezeigt, daß beide Aufgaben von der Asbestschicht nicht übernommen werden können, da einmal keine ausreichende Schichtdicke vorgesehen werden kann und zum anderen die Asbestschicht der Temperaturbelastung nicht standhält.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Merkmale für ein Kühlelement mit feuerfester Auskleidung anzugeben, bei welcher die feuerfeste Auskleidung in einfacher Weise angebracht werden kann und die Lebensdauer der Kühlelemente verlängert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Ausnehmungen von der Stirnseite ausgehend in Richtung auf das Innere des Kühlelementes einen sich erweiternden Querschnitt aufweisen und die feuerfeste Auskleidung in die Ausnehmung einschiebbar ist Die Querschnittserweiterung kann stufenweise erfolgen, in einfachster Art in Form eines T, wobei das breite Querstück im Inneren des Kühlelementes liegt. Bevorzugt wird eine kontinuierliche Erweiterung, so daß man von einer Konizität des Querschnittes sprechen kann. Angaben über das Ausmaß der Konizität werden später gegeben. Beim Zusammenbau von Gußeisenkörper und Auskleidung wird die vorbereitete, aus einem oder mehreren Steinen bestehende, feuerfeste Auskleidung parallel zur ofenseitigen Stirnfläche des Kühlelementes von der Seite her in die Ausnehmung eingeschoben. Zweckmäßigerweise werden in jeder der parallel zur Breitseite des Kühlelementes verlaufenden Ausnehmung mehrere Einzelsteine hintereinander eingeschoben, die dann insgesamt für die jeweilige Reihe die feuerfeste Auskleidung bilden. Die Steinlänge ist in das Belieben des Fachmanns gestellt Es hat sich aber als zweckmäßig erwiesen, von einer genormten Steinlänge — z. B. 250 mm — auszugehen, da damit alle möglichen Bedarfszwecke abgedeckt werden können.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht der Querschnitt jedes Einzelsteins dem Querschnitt der Ausnehmung. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß ein gewisses Untermaß notwendig ist um den Stein in die Ausnehmung einzuschieben. Das Untermaß ist auf den sich erweiternden Querschnitt abzustimmen, so daß der eingeschobene Einzelstein nicht in Richtung des Ofeninneren herausgelöst werden kann. Besonders bevorzugt wird eine Ausnehmung, die sich schwalbenschwanzförmig erweitert. Bei dieser schwalbenschwanzförmigen Ausführungsform hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Konizität unter 10%, insbesondere unter 7%, liegt Ausgehend von dieser Konizität ist es empfehlenswert, daß das Untermaß zwischen Gußkörper und Einzelstein weniger als 70%, insbesondere weniger als 50%, der gewählten Konizität ausmacht. So hat sich bei einer Konizität von unter 8 mm ein Untermaß (Spaltbreite) von 1—3,5 mm als besonders zweckmäßig erwiesen.

Es ist vorteilhaft wenn der ofenseitigen Stirnfläche 30 bis 70% durch die feuerfeste Auskleidung gegeben sind. Besonders vorteilhaft ist ein Anteil der feuerfesten Auskleidung von etwa 50%, so daß sich an der

ORIGINAL INSPECTED

Stirnfläche von oben nach unten Streifen gleicher Breite befinden, beginnend mit einem Streifen aus dem Gußkörper, dann ein Streifen Auskleidung, dann Gußkörper.., wobei das untere Ende wieder durch einen Streifen Gußkörper gegeben ist

Wesentlich für die Funktion des Kühlelementes ist die Tiefe der Ausnehmung, die auf den Abstand zwischen Rohroberfläche und der dem Ofeninneren zugekehrten nächsten Stirnfläche des Gußeisenkörpers abzustimmen ist Die Tiefe der Ausnehmung kann zwischen V3 bis ²Λ ίο des vorgenannten Abstandes betragen; besonders bevorzugt wird ein Maß von 45—55%. In einer typischen Ausführungsform beträgt z. B. der Abstand zwischen Rohroberfläche und der ofennächsten Stirnfläche 110—140 mm. Für 140 mm empfiehlt sich dann eine Tiefe der Ausnehmung von 65—78 mm.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Untermaß zwischen der Ausnehmung im Gußkörper und der feuerfesten Auskleidung (Spaltbreite) durch einen Mörtel auszufüllen. Dieser Mörtel wird so ausgewählt, daß er eine für den Transport ausreichende Festigkeit mit sich bringt. Derartige Mörtel stehen dem Fachmann zur Verfügung. Bevorzugt wird innerhalb der Gruppe dieser bekannten Mörtel ein chemisch-abbindender Mörtel. Der chemisch-abbindende Mörtel hat den Vorteil, daß er auch beim späteren Einsatz, d. h. bei höheren Temperaturen, seine Wirksamkeit nicht verliert

Gemäß einer weiteren bevorzugten Lösung besteht der Gußeisenkörper aus niedriglegiertem Gußeisen mit Kugelgraphit, welches einen Si-Gehalt von mindestens 2,1% enthält. Der Si-Gehalt kann bis zu 5,3% ausmachen. Besonders bevorzugt wird ein Si-Gehalt von 2,2 bis 3,5%. Der C-Gehalt der Legierung kann 2,5 bis 4,0% ausmachen. Bevorzugt werden Gehalte von 2,7 bis 3,8%.

Der Gußeisenkörper aus Kugelgraphit erbringt gegenüber den herkömmlichen Gußeisenkörpern mit Lamellengraphit den besonderen Vorteil, daß er ein höheres Maß an Volumenbeständigkeit zeigt Dies ist für den Verbund zwischen feuerfester Auskleidung und Gußeisenkörper wesentlich, da das Kühlelement auch bei stärkeren Temperaturwechseln eine gute Formbeständigkeit zeigt und die Kühlwirkung besser ausgeübt werden kann. Hierauf wird später noch näher eingegangen.

Das erfindungsgemäße Kühlelement bietet insbesondere folgende Vorteile:

Die Einheit kann in leichter Weise zusammengesetzt werden, da die vorgefertigten Einzelsteine lediglich in die Ausnehmungen eingeschoben werden, vorzugsweise mit Vermörtelung. Es besteht keine Gefahr eines Temperaturschocks, da die Steine erst in den fertigen Gußkörper eingeschoben werden. Es besteht auch nicht die Gefahr, daß die Steine durch Druck belastet werden, « der sich beim Stand der Technik aufgrund des Volumenschwundes des Gußkörpers mit fallender Temperatur ergibt. Das Untermaß der Einzelsteine gegenüber dem Gußkörper eröffnet die Möglichkeit der Verwendung einer größeren Steinqualitätenpalette, da wegen des Spaltes auch Feuerfestmaterialien mit vom Gußeisen stark unterschiedlichen Ausdehnnungskoeffizienten eingesetzt werden können.

Besonders hervorzuheben ist, daß bei der beanspruchten Konstruktion die eingeschobenen Feuerfest- steine auch dann nicht aus dem Gußkörper herausfallen, wenn im Laufe des Betriebes sich das Kühlelement aufgrund thermischer Beanspruchung zum Ofeninneren ■ -> -, hin durchbiegt. Aufgrund der sich nach innen erweiternden Ausnehmung und des sich entsprechend erweiternden Querschnittes der Feuerfeststeine werden auch dann noch die Steine in ihrer Position gehalten. Besondere Vorteile bietet in diesem Zusammenhang ein Gußkörper aus Kugelgraphit mit höheren Si-Gehalten, da in diesem Falle die Durchbiegung begrenzt ist.

Die Durchbiegung ist begrenzt, da das Gußeisen mit Kugelgraphit eine höhere Wachstumsbeständigkeit aufweist. Man muß zwar in Betracht ziehen, daß ein derartiges Gußeisen mit Kugelgraphit eine deutlich verminderte Wärmeleitfähigkeit hat, so daß eine derartige Legierung auf den ersten Blick nicht für den Zweck Kühlelement geeignet erscheint Tatsächlich hat sich aber gezeigt, daß die Kühlwirkung bei einer Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit noch ausreicht Ja es zeigt sich sogar eine erhebliche Verbesserung der Kühlwirkung, wenn zusätzlich Maßnahmen ergriffen werden, die einen guten Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittel durchflossenen Stahlrohr und dem Gußeisenkörper aus Kugelgraphit gewährleisten. Dieser gute Wärmeübergang ist gewährleistet, wenn die den Wärmeübergang beeinträchtigende Zwischenschicht zwischen Stahlrohr und Gußkörper nur eine geringe Stärke aufweist Eine geringe effektive Stärke ergibt sich, wenn die Zwischenschicht einen mehrlagigen Aufbau hat, wobei unmittelbar auf das Stahlrohr zunächst eine Metallschicht in einer Stärke von 40—100 micron aufgebracht wird, wobei das Metall so auszuwählen ist, daß es eine geringere Affinität zum Kohlenstoff hat als Eisen. Als Metalle empfehlen sich insbesondere die Elemente Nickel und Kobalt; gegebenenfalls Silber oder deren Legierungen.

Auf diese Metallschicht wird dann eine Keramikschicht, insbesondere eine Schicht aus hochstabilen Metalloxyden, aufgebracht. Diese Schicht hat zweckmäßigerweise eine Dicke von 30—100 micron.

Als Hochstabile Metalloxyde empfehlen sich Oxyde, die bei normalen Druckbedingungen und einer Temperatur von 600° C eine freie Standardbildungsenthalpie von weniger als —145 kcal, vorzugsweise weniger als — 180 kcal, aufweisen. Weniger als -145 kcal haben z. B. Chromoxyde. Weniger als —180 kcal haben z. B. die Oxyde der Metalle Al, Titan, Zirkon, so daß diese aufgrund ihrer hohen Stabilität besonders bevorzugt werden. Die hochstabilen Oxyde verhindern ein Anbacken der Metallschicht an den Gußeisenkörper und damit ein Zusammensintern von Gußeisenkörper und Stahlrohr. Gleichzeitig trägt die Oxydschicht dazu bei, daß eine Aufkohlung des Stahlrohres verhindert wird, da einer Beschädigung der Metallschicht entgegengewirkt wird Der mehrlagige Aufbau der Zwischenschicht gibt die Möglichkeit, die Zwischenschicht sehr dünn auszubilden, so daß die an sich schlechtere Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens mit Kugelgraphit nicht zur Wirkung kommt, da das Kühlmittel viel besser seine Wirkung auf die Stirnfläche des Kühlelementes ausüben kann. Man muß berücksichtigen, daß die für den Wärmeübergang in Ansatz zu bringende Spaltbreite zwischen Gußeisenkörper und Stahlrohr effektiv nur auf die Dicke der Metalloxydschicht beschränkt ist, so daß sich insgesamt eine wirksame Spaltbreite von weniger als 100 micron ergibt.

In der Kombination aller Elemente ergibt sich damit, daß die ohnehin schon bessere Wachstumsbeständigkeit des Gußeisenkörpers aus Kugelgraphit durch die verbesserte Kühlwirkung weiter gefördert wird, und damit die in die Ausnehmungen eingeschobenen Steine

ihre Funktion länger ausüben können. Diese Steine werden nicht nur aufgrund ihrer Querschnittsform in den Ausnehmungen des Kühlelementes in Position gehalten, sondern die Gefahr eines Herauslösens ist auch dadurch vermindert, da sich der Gußeisenkörper aus Kugelgraphit von vornherein weniger in Richtung auf das Hochofeninnere durchbiegt (bessere Wachstums-beständigkeit und bessere Kühlwirkung).

Die Gesamtkombination ist daher in besonderer Weise geeignet, hohe, auf das Kühlelement einströmende Wärmestromdichten zu verarbeiten. Die Lebensdauer der Kühlelemente wird erheblich verlängert, da die eingeschobenen Steine ihre Funktion länger ausüben können und damit auch die zwischen den Steinen befindlichen, in Richtung auf den Ofen vorspringenden Teile des Gußeisenkörpers ihre Kühlfunktion länger ausüben können.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Kühlelement im Querschnitt;

F i g. 2 eine Aufsicht auf die Stirnseite des Kühlelementes vom Ofeninneren her;

F i g. 3 ein Detail der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.

Das insgesamt mit 1 bezeichnete Kühlelement besteht aus dem Gußeisenkörper 2, dem kühlmittelführenden Rohr 5 aus Stahl und der feuerfesten Auskleidung 6. Die dem Ofeninneren zugekehrte Stirnfläche 3 des Gußeisenkörpers 2 ist durch Ausnehmungen 4 unterbrochen, die sich parallel zur Breitseite des Kühlelementes 1 erstrecken. Die Ausnehmungen 4 haben einen sich konisch in Richtung auf das Innere des Kühlelementes 1 erweiternden Querschnitt, der im gezeigten Beispiel eine schwalbenschwanzförmige Raumform hat.

In die Ausnehmungen 4 ist die feuerfeste Auskleidung 6 eingeschoben. Wie die F i g. 3 zeigt, sind in jede der Ausnehmungen 4 eine Mehrzahl von Einzelsteinen 7 eingeschoben, die insgesamt die feuerfeste Auskleidung 6 bilden. In der Fig.2 sind nur zwei Reihen von Einzelsteinen 7 gezeigt. Es ist aber klar, daß sich die feuerfeste Auskleidung 6 und die Stirnflächen 3 von oben nach unten über den Verlauf des Kühlelementes 1 abwechseln.

F i g. 1 zeigt, daß der Einzelstein 7 gegenüber dem Querschnitt der Ausnehmung 4 ein Untermaß hat.

Zwischen dem Einzelstein 7 und der Ausnehmung 4 ist ein chemischabbindender Mörtel 8 angeordnet.

Mit der Bezugsziffer 9 ist der Abstand zwischen der

ίο ofenseitigen Stirnfläche 3 des Kühlelementes und dem Stahlrohr 5 bezeichnet. Die Tiefe der Ausnehmung 4 beträgt etwa die Hälfte des Abstandes 9. Die Aufsicht gemäß F i g. 2 zeigt, daß die ofenseitige Stirnfläche des Kühlelementes 1 zu etwa 50% durch die feuerfeste Auskleidung 6 gegeben ist. Die übrigen 50% sind durch den Gußeisenkörper 2 gegeben.

F i g. 1 zeigt, daß die feuerfeste Auskleidung oberflächenbündig mit der Stirnfläche 3 abschließt. Dieser bündige Abschluß trägt dem unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten des am Panzer befestigten Kühlelementes 1 gegenüber der Ausmauerung Rechnung, die vor den Kühlelementen 1 zum Ofeninneren hin angeordnet ist.

Der vergrößerte Ausschnitt in F i g. 3 zeigt den Aufbau der zweitägigen Zwischenschicht 10 zwischen Stahlrohr 5 und Gußeisenkörper 2. Die Zwischenschicht 10 besteht aus einer ersten Schicht 11, aus Nickel, das in einer Stärke von 70 micron unmittelbar auf das Stahlrohr 5 aufgebracht ist und einer darauf befindlichen zweiten Schicht 12 aus Al₂O₃. Die zweite Schicht 12 hat eine Stärke von etwa 50 micron.

Dieser zweitägige Aufbau gewährleistet eine sehr dünne Zwischenschicht 10, wobei die für eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit verantwortliche Schicht 12 in ihrer effektiven Stärke auf eine Spaltbreite von nur 50 micron beschränkt ist Dadurch ergibt sich eine besonders gute Kühlwirkung, so daß für den Gußeisenkörper Gußeisen mit Kugelgraphit verwendet werden kann, was sich wiederum vorteilhaft auf die Formbeständigkeit und die Position der feuerfesten Auskleidung 6 in den Ausnehmungen 4 auswirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Kühlelement für einen metallurgischen Ofen mit in einem Gußeisenkörper eingegossenen, Kühlmittel führenden Rohren aus Stahl und einer feuerfesten Auskleidung, die in der ofenseigen Stirnfläche des Kühlelementes in parallel zur Breitseite des Kühlelementes verlaufenden Ausnehmungen verankert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (4) von der Stirnfläche (3) des Kühlelementes (1) ausgehend in Richtung auf das Innere des Kühlelementes (1) einen sich erweiternden Querschnitt aufweisen und die feuerfeste Auskleidung (6) in die Ausnehmung (4) einschiebbar ist.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Auskleidung (6) aus Einzelsteinen (7) besteht und der Querschnitt jedes Einzelsteines (7) dem Querschnitt der Ausnehmung (4) entspricht.

3. Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung (4) schwalbenschwanzförmig erweitert

4. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmung (4) V3 bis ²Iz des Abstandes zwischen Rohr (5) und ofenseitiger Stirnfläche (3) ausmacht.

5. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gußeisenkörper (2) des Kühlelementes (1) aus einer Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit besteht.