DE2719166C3

DE2719166C3 - Kühlelement für einen metallurgischen Ofen

Info

Publication number: DE2719166C3
Application number: DE19772719166
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Karl-Heinz 4100 Duisburg Peters; Günter 4300 Essen Robusch
Original assignee: THYSSEN AG VORM AUGUST THYSSEN-HUETTE 4100 DUISBURG DE
Current assignee: THYSSEN AG VORM AUGUST THYSSEN-HUETTE 4100 DUISBURG DE
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1981-03-19
Also published as: DE2719166A1; BE866241A; DE2719166B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlelement für einen metallurgischen Ofen mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie es Gegenstand der eigenen älteren DE-OS 2 717 641 ist.

Es ist bekannt, für metallurgische öfen, insbesondere Hochöfen, gattiingsgemäße Kühlelemente einzusetzen, wobei der Gußeise η körper des Kühlelementes aus Gußeisen mit Lamellengraphit bestellt. Gußeisen mit Lamellengraphit hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, so daß es für die Kühlelemente in besonderer Weise geeignet ist. Weiterhin können die für den vorgenannten Zweck verwendeten Gußeisen mit Lamellengraphit mit niedrigen Gießtemperaturen abgegossen werden, z. B. Temperaturen von 1210-1220° C. Dies hat den Vorteil, daß die Gefahr einer Aufkohlung der Stahlrohre beim Abguß in Grenzen gehalten ist, denn bekanntlich steigt die Diffusion des Kohlenstoffs mit der Temperatur. Je höher die Gießtemperatur zu wählen ist, um so wahrscheinlicher ist eine Diffusion des C vom C-reichen Gußeisenkörper zum einzugießenden Stahlrohr.

Die vorliegende Erfindung geht von der Beobachtung aus. daß die vorbekannten Kühlelemente eine beschränkte Einsatzzeit haben, wobei sich Ausfälle insbesondere dann zeigen, wenn das vor den Kühleleffienten stehende Mauerwerk abgetragen ist, d. h., die Hochofenmöllerung direkt die Stirnseite der Kühlelemente angreifen kann. Diese Möllerung besteht aus Koks, teilweise reduziertem Erz und Schlackenansätzen. Diese Bestandteile üben eine kombinierte thermo-mechanische Beanspruchung auf die Kühlelemente aus, die sich insbesondere in einer erhöhten Rißanfälligkeit der Kühlelemente äußert.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kühlelement zu entwickeln, das eine längere Lebensdauer hat und insbesondere das Problem der Rißanfälligkeit überwindet. • Diese Aufgabe wird erfindungsgeraäß durch ein Kühleiement mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Besondere Bedeutung kommt dem Merkmal zu, daß der Gußeisenkörper aus niedrig-legiertem Gußeisen mit Kugelgraphit besteht, welches

ι« einen Si-Gehalt von mindestens 2,1% enthält. Der Si-Gehalt kann bis 5,3% ausmachen. Der bevorzugte Si-Gehalt beträgt 2,2-3,5 %. C-Gehalte von 2,5-4,0% sind zweckmäßig. Bevorzugt werden 2,7-3,8% C.

Gußeisen mit Kugelgraphit und Siliziumgehalten

ι- von mindestens 2,1% gehört seit Jahrzehnten zum Stand der Technik (s. z. B. Technische Mitteilungen Krupp, 1955, Seiten 133-144). Es ist bekannt, daß das Gußeisen mit Kugelgraphit eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Wachstumsbeständigkeit hat.

.'<> Diese Eigenschaften haben zu vielfältigen Anwendungen wie Ofentüren. Koksbatterien. Rosten für Sinteranlagen, geführt. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens mit Kugelgraphit erheblich geringer als die Wärmeleitfähigkeit von Gußeisen mit

.'s Lamellengraphit. Dies gilt insbesondere bei den höheren Siliziumgehalten, da sich die Wärmeleitfähigkeit mit steigendem Siliziumgehalt deutlich verschlechtert. Möglicherweise ist aus diesem Grunde in der Fachwelt nicht der Gedanke aufgekommen, Guß-

jii eisen mit Kugelgraphit als Werkstoff für Kühlkörper einzusetzen. Überraschenderweise hat sich aber gezeigt, daß Gußeisen mit Kugelgraphit in besonderer Weise geeignet ist, den eingangs genannten thermomechanischen Beanspruchungen im Hochofen zu wi-

i. derstehen. Es hat sich gezeigt, daß auch bei Siliziumgehalten von 2,2 bis 3.5% die Kühlwirkung noch ausreicht.

Die Vorteile des Gußeisens mit Kugelgraphit zeigen sich insbesondere dann, wenn dafür Sorge getra-

w gen wird, daß an dem Übergang vom kühlmittelführenden Stahlrohr zum GußeisenV.örper ein möglichst guter Wärmeübergang stattfindet. Dieser gute Wärmeübergang ist insbesondere dann gewährleistet, wenn die Zwischenschicht aufgrund eines bestimmten

-r. mehrlagigen Aufbaues eine insgesamt nur geringe Stärke aufweist. Dies läßt sich verwirklichen, wenn die Zwischenschicht stahlrohrseitig aus einem Metall, das eine geiingere Affinität zu Kohlenstoff hat als Eisen, und gußeiienkörperseitig aus einem kerami-

.(, sehen Werkstoff besteht. Die aasgewählte Metallschicht hat den Vorteil, daß sie keine Neigung zur Karbidbildung zeigt. Die Elemente Nickel, Kobalt. Silber und Legierungen dieser Elemente werden für die Metallschicht besonders bevorzugt. Zweckmäßi-

,-, gerweise wird die Metallschicht in eine Schichtdicke von 40 bis 100 micron aufgetragen. Der Vorteil der Metallschicht ist darin zu sehen, daß diese Metalle das Stahlrohr vor einer Aufkohlung schützen. Diese Gefahr der Aufkohlung besteht, da der Gußeisenkörper

„ι, einen mehr als lOfach so hohen Kohlenstoff-Gehalt hat wie der Stahl körper und das Kühlclement sowohl beim späteren Einsatz, insbesondere aber bei der Herstellung, sehr hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann.

_h-, Als keramischer Werkstoff ist auf der Schicht aus Metall zweckmäßigerweise eine Schicht aus einem hochstabilen Metalloxyd angeordnet. Diese Schicht hat zweckmäßigerweise eine Schichtdicke von

30-100 micron. Als hochstabile Metalloxyde werden Oxyde bevorzugt, 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 und weniger als -180 kcal haben z. B. die Oxyde der Metalle AI, Ti, Zr, so daß diese aufgrund ihrer hohen Stabilität besonders bevorzugt werden. Die hochstabilen Oxyde verhindern ein Anbacken der ersten Schicht aus dem Metall, das keine Neigung zur Karbidbildung zeigt, an den Gußeisenkörper und damit ein Zusammensintern von Gußeisenkörper und Stahlrohr. Gleichzeitig tragen sie dazu bei, daS eine Aufkohlung des Stahlrohres verhindert wird, da einer Beschädigung der Metallschicht entgegengewirkt wird.

Der mehrlagige Aufbau der Zwischenschicht, insbesondere in Form der beiden vorgenannten Lagen, gibt die Möglichkeit die Zwischenschicht sehr dünn auszubilden. So kann die Stärke der Zwischenschicht weniger als 0,2 mm, insbesondere weniger als 0,15 Trim, ausmachen. Dadurch kann sich die an sich schlechtere Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens mit Kugelgraphit nicht nachteilig auf die Kühlfunktion auswirken, da das Kühlmittel besser seine Wirkung auf den Gußeisenkörper und damit die Stirnfläche des Kühlelementes ausüben kann. Man muß berücksichtigen, daß von der mehrlagiger: Zwischenschicht etwa die Hälfte der Stärke der Zwischenschicht aus gut wärmeleitendem Metall besteht, so daß die an sich schlechtere Wärmeleitfähigkeit der hochstabilen Oxyde nur in einem sehr geringen Ausmaß zum Tra gen kommt. Die für den schlechten Wärmeübergang in Ansatz zu bringende Spaltbreite zwischen Stahlrohr und Gußeisenkörper ist effektiv auf die Dicke der Schicht der hochstabilen Oxyde beschränkt, so daß sich insgesamt eine wirksame Spaltbreite von weniger als 100 micron - entsprechend der Schichtdicke der hochstabilen Oxyde - ergibt.

Zusammenfassend kann man sagen, daß die durch die dünne Zwischenschicht verbesserte Kühlwirkung dazu führt, daß das Kühlelement trotz der schlechteren Wärmeleitfähigkeit der Gußeisenlegierung mit Kugelgraphit auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden kann. Gleichzeitig eröffnet die Zwischenschicht die Möglichkeit. d?s Kühlelement bei hohen Gießtemperaturen von z.B. 1360-1380° C herzustellen, da der Gefahr einer nachteiligen Aufkohlung für das Stahlrohr entgegengewirkt wird.

Neben den wesentlichen Legierungselementen Kohlenstoff, Silizium und den kugelgraphitbildcnden Kiementen Magnesium und/oder Cer kann der Gußeisenkörper weitere Legierungselemente enthalten, die sich vorteilhaft auf die angestrebten Eigenschaften des Kühielementes auswirken. As hat sich nämlich gezeigt, daß ein hoher ferritischer Gefügeanteil im Gußeisenkörper vorteilhaft ist, da ein hoher ferritischer Gefügeanteil die Folge hat, daß das Stahlrohr und das Gußeisen im wesentlichen das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten zeigen. Dies ist für die angestrebte niedrige Spaltbreite zwischen dem Stahlrohr und dem Gußeisenkörper wesentlich. So soll der Ferritanteil vorzugsweise mehr als 80%, insbesondere mehr als 90%, betragen. Diese Ferritanteile sollen im Gefüge des Kühlelementes im Gußzustand vorliegen. In diesem Sinne hat sich ein Molybdängehalt bis 3,0%, insbesondere 0,5-1,5%, als zweckmäßig erwiesen. Molybdän wirkt ferritisierend. Der hohe Ferritanteil wirkt sich auch positiv auf die Dehnungswerte aus. Die höheren Dehnungswerte sind für die verminderte Rißanfäliigkeit mit verantwortlich. Der Mangangehalt der Gußtisenlegierung sollte nach Möglichkeit 0,8% nicht übersteigen. Gehalte von weniger als 0,5% Mangan werden bevorzugt, da sich de» art geringe Anteile vorteilhaft auf die Gefügestruktur auswirken.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in den Figuren gezeigten AusführungsbeispieJs näher erläutert. .Hs zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch das Kühlelement, und

Fig. 2 einen vergrößerten Aufschnitt der Fig. 1.

Das Kühlelement besteht aus einem rechteckförmigen Gußeisenkörper 1, der aus Gußeisen mit Kugelgraphit gegossen ist. Der Gußeisenkörper 1 weist zum Hochofeninnern hin Rippen 2 auf, die zur Verankerung von Feuerfestmaterial (nicht gezeigt) dienen. In dem Gußeisenkörper 1 sind U-förmig gekrümmte Stahlrohre 3 eingegossen, deren Ein- und Auslässe 4, 5 aus dem Gußeisenkörper 1 auf der den Rippen 2 gegenüberliegenden Seite herausragen.

Fig. 2 verdeutlicht, daß zwischen dem Stahlrohr 3 und dem Gußeisenkörper 1 aus Kugelgraphit eine zweilagige Zwischenschicht angeordnet ist. Unmittelbar auf dem Stahlrohr 3 ist eine erste Schicht 6 aus Nickel angeordnet, die eine Schichtstärke von etwa 70 micron hat. Auf dieser ersten Schicht 6 befindet sich eine zweite Schicht 7 aus hochstabilen Oxyden, z. B. Al,O₁. Die zweite Schicht 7 hat eine Stärke von 50 micron.

Die Analyse des Gußeisenkörpers 1 war wie folgt:

2,8% Kohlenstoff; 2,5% Silizium; 0,19% Mangan: 0,064% Mg; 0,014% P; 0,004% S. Rest Eisen. Die Zugfestigkeit betrug 404 N/mm^: und die Dehnung ό< = 10%.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlelement für einen metallurgischen Ofen, insbesondere Hochofen, mit in einem Gußeisenkörper eingegossenen, Kühlmittej führenden Stahlrohren und einer auf den eingegossenen Stahlrohren befindlichen, mehrlagigen Zwischenschicht, die stahlrohrseitig aus einem Metall, das eine geringere Affinität zum Kohlenstoff hat als Eisen, und gußeisenkörperseitig aus einem keramischen Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Gußeisenkörper (1) aus niedrig legiertem Gußeisen mit Kugelgraphit besteht, welches einen Siliziumgehalt von mindestens 2,1% enthält.

2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen mit Kugelgraphit folgende Legierungselemente enthält: 2,5 bis 4,0% Kai Jenstoff, 2,1 bis 5,3% Silizium und Magnesium und/oder Cer als Kugelgraphit bildende Elemente.

3. Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Zwischenschicht weniger als 0,2 mm beträgt.

4. Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff der Zwischenschicht durch ein hochstabiles Metalloxyd gegeben ist.