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Kühlplatte für einen Hüttenwerksofen
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Die Erfindung betrifft eine Kühlplatte für einen Hüttenwerksofen,
insbesondere Hochofen, bestehend aus einem Gußeisenkörper mit eingegossenen, von
einem Mantel eingehüllten Rohren aus Stahl, die ein Kühlmittel führen.
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Für die Kühlung des Außenmantels von Hütrenwerksöfen, insbesondere
Hochöfen, ist es bekannt, Kühlplatten aus Gußeisen mit eingegossenen Stahlrohren,
durch die ein Kühlmittel geleitet wird, einzusetzen. Dabei besteht der Gußeisenkörper
der Kühlplatte aus Gußeisen mit regellos verteiltem lamellaren Graphit, welches
gut gießbar ist, kaum zur Bildung von Schwindungshohlräumen neigt und eine gute
Wärmeleitfähigkeit hat. Der Abguß der Kühlplatten kann bei relativ niedrigen Temperaturen
erfolgen. Ferner kann Gußeisen mit Lamellengraphit unterschiedliche Wärmedehnungen,
die zu Wärmespannungen führen, ohne plastische Formänderungen aufnehmen.
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Die Erfahrungen im Hochofenbetrieb mit der normalen Qualität des Gußkörpers
von Kühlplatten haben gezeigt, daß die Widerstandsfähigkeit dieses Werkstoffes nicht
immer ausreichend ist. Der mechanische Angriff der heruntergehenden Beschickungssäule
und die Erosion der aufsteigenden Ofengase beanspruchen die Kühlplatten in Verbindung
mit schwankenden Temperaturen bzw. Temperaturspitzen besonders hoch, wenn die vor
den Kühlplatten angeordnete feuerfeste Ausmauerung weitgehend abgenutzt ist, gebildete
Ansätze sich plötzlich lösen, oder durch Störungen im Ofenbetrieb einzelne heiße
Flecken in den Platten sich bilden. Dieser äußere thermomechanische Angriff sowie
die in der Kühlplatte auitretenden Wärmespannunqen zwischen der heißen Ofenseite
und der die Kühlrohre aufnehmenden kälteren Seite können zu einem vorzeitigen Verschleiß
durch Abrieb , Brandrisse, Ausbrüche, Durchrisse und Abschmelzungen führen, wozu
dann noch Verzüge durch die thermische Beanspruchung auftreten können.
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Zur Minderung der bekannten Nachteile liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Kühlplatte mit einer erhöhten Widerstandsfähigkeit gegenüber
den mechanisch-thermischen Beanspruchungen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Kühlplatte gelöst, bei
der der Gußeisenkörper aus niedrig legiertem Gußeisen mit Vermiculargraphit besteht,
welches einen extrem niedrigen Siliciumgehalt enthält und der die eingegossenen
Stahlrohre einhüllende Mantel stahlrohrseitig aus einem karbidstabilisierenden Metall
und gußkörperseitig aus einem thermisch widerstandsfähigen keramischen Werkstoff
oder einem zweiten Metall gebildet wird.
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Eine erhöhte mechanisch-thermische Widerstandsfähigkeit wird durch
ein Gußgefüge erzielt, dessen Graphit in Überqangsformen vom Lamellen- zum Kugelgraphit
als sogen. ericulargraphit vorliegt, und dessen chemische Zusammensetzung folgende
Anteile Legierungselemente enthält: 3,0 - 3,9 % C, 0,4 - 1,5 % Si, # 0,15 90 Mn,
/ 0,05 % P, # 0,02 90 S und zur Bildung des Vermiculargraphits entsprechende Anteile
Legierungselemente, z. B. Mg und Cer mit etwa 0,01 - 0,02 % Mg und 0,05 - 0,10 %
Cer.
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Gußeisen mit Vermiculargraphit gehört zum Stand der Technik (siehe
z. B. Gießerei Rundschau 19 (1972) Nr. 6, Seiten 59 - 65) und wird dort eingesetzt,
wo die Festigkeitseigenschaften von hochfestem
Grauguß nicht mehr
genügen. Es ist eine übergangsgualität von Gußeisen mit Lamellengraphit zu dem bekannten
Gußeisen mit Kugelgraphit, das für hoch beanspruchte Maschinenelemente eingesetzt
wird. Für Hochofenkühlplatten weist Gußeisen mit Kugelgraphit jedoch Nachteile auf.
Es neigt im Gegensatz zu Gußeisen mit Lamellengraphit trotz geringerer Tendenz zum
Wachsen stark zum Verziehen.
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Diese Verzugsneigung resultiert aus den dem Stahlguß angenäherten
mechanischen Eigenschaften, höherem E-odul, der höheren Poisson'schen Konstanten
und der höheren Duktilität, die ein plastisches Verformen unter dem Einfluß der
Wärmespannungen bewirken. Die Folge der erhöhten Verzugsneigung des Gußeisens mit
Kugelgraphit ist eine konvexe Krümmung in Richtung zum Ofeninneren, die sich sowohl
auf die Aufhängung der Platte im Ofen als auch auf die eingegossenen Stahlrohre
für das Kühlmittel als auch auf den Verbund mit dem Ofenfutter ungünstig auswirkt.
Außerdem liegt die Wärmeleitfähigkeit des Gußeisens mit Kugelgraphit bei normalen
Si-Gehalten etwa 30 %, bei höheren Si-Gehalten bis 50 % niedriger als die des entsprechenden
Lamellengraphit-Gußeisens. Ferner sind die Gießeigenschaften des Gußeisens mit Kugelgraphit,
z. B. die erforderliche Gießtemperatur, die Lunkerneigung, die Schwindungsbeträge,
ungünstiger als bei Gußeisen mit Lamellengraphit.
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Bei dem Gußeisen mit Vermiculargraphit wird die vollständige Umwandlung
des lamellaren Graphits in die Sphärolitenform unterbrochen. Dadurch werden die
vorteilhaften Eigenschaften des Gußeisens mit Lamellengraphit, kein plastisches
Verformen durch Wärmespannungen und gute Wärmeleitfähigkeit, weitgehend kombiniert
mit den Vorteilen des Gußeisens mit Kugelgraphit, der höheren Duktilität, d. h.
geringerer Rißneigung und erhöhter Verschleißfestigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit
nimmt durch die Graphitumbildung nur um ca. 10 % ab.
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Die niedrig gehaltenen Legierungsanteile der Grundmasse des Gefüges
ergeben eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Gußkörpers. Inbesondere
erhöht der extrem niedrige Siliciumgehalt nach bekannter technischer Lehre die Wärmeleitfähigkeit
derart, daß die Minderung durch die Abweichung des Graphits von der rein lamellaren
Form über die Grundmasse ausgeglichen oder sogar überkompensiert wird.
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Hierdurch wird über eine Absenkung der Mitteltemperatur der Kühlplatte,
bzw. der Temperatur an der heißen Seite mit vermindertem Temperaturgefälle im Plattenquerschnitt
zur kalten Seite die thermische Beanspruchung vermindert, die Wärmespannungen durch
unterschiedliche Wärmedehnungen
im Gußquerschnitt abgebaut und die
allgemeine Tendenz der Platte, sich sowohl reversibel als auch irreveisibel zu verwerfen,
gaildert, d. h.
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ihre Formbeständigkeit erhöht. Außerdem wird durch extrem niedrige
Si-Gehalte die Neigung zum Wachsen durch Si-Oxidation herabgesetzt und Perlit als
Härteträger gegenüber dem mechanischen Verschleiß durch Abrieb stabilisiert. Schließlich
erweitern niedrige Si-Gehalte im Guß die Aufnahme des Kohlenstoffes, der neben dem
mit gleichen Anteilen sich bildenden Perlit in den dicken Querschnitten der Platte
mit vermehrten Anteilen gut wärmeleitenden Graphits den Wärmetransport fördert und
der Verzugsneigung entgegenwirkt.
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Die perlitische Struktur der Grundmasse und der niedrige Si-Gehalt
vermindern in gewissem Umfang den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gußeisens mit
Vermiculargraphit, wodurch die zu Spannungen in den eingegossenen Kühlrohren führenden
Differenzen der Wärmedehnung zwischen dem erhitzten Gußkörper und den Kühlrohren
geringer werden.
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Die vorteilhaften Eigenschaften des Gußeisens mit Vermiculargraphit
werden ergänzt durch einen verbesserten Wärmeübergang von dem Gußkörper zu den kühlmittelführenden
Stahlrohren. Dieser gute Wärmeübergang wird dadurch erreicht, daß der die
Rohre
einhüllende Mantel nur aus Metallen oder aus einer Metallschicht und einer sehr
dünnen Schicht eines weniger gut leitenden keramischen Werkstoffes besteht. Stahlrohrseitig
wird eine Schicht aus einem karbidstabilisierenden Metall aufgetragen. Diese Metallschicht
verhindert beim Gießen eine Diffusion von Kohlenstoff aus dem Gußeisen in das Stahlrohr.
Der Schutz gegen eine Aufkohlung der Stahlrohrwandung ist zur Aufrechterhaltung
der Duktilität des Rohres notwendig, damit Rohrbrüche weitgehend vermieden werden.
Für diese Schicht geeignet sind Cr, Mo, V , W, Ti, Zr, Nb, Ta oder Legierungen einzelner
oder mehrerer dieser Metalle.
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Gußkörperseitig besteht die Umhüllung der Stahlrohre aus einem thermisch
widerstandsfähigen keramischen Werkstoff, der eine metallische Verbindung zwischen
dem Gußkörper und den Stahlrohren verhindert. Der keramische Werkstoff ist ein stabiles
Metalloxid mit einer Schichtstärke von nur 0,1 -0,2 mm. Diese sehr dünne Schicht
der weniger gut wärmeleitenden Oxide behindert den Wärmeübergang von der Kühlplatte
in die eingegoßaenen Kühlron.re nur in geringem uam,
Ausgezeichneter
Schutz gegen eine Aufkohlung der Stahlrohre, verbunden mit einer guten Wärmeableitung,
wird erreicht, wenn die stahlrohrseitige Schicht aus Chrom mit einer Schichtstärke
VOI. 0,10 - 0,2 mm und die gußkörperseitige Schicht aus Al203, Ti02 oder Zr 02 oder
einer Mischung von Metalloxiden besteht.
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Eine beschleunigte Wärmeableitung von der heißen Seite der Kühlplatte
wird erzielt, wenn die Umhüllung der eingegossenen Stahlrohre aus zwei Metallen
besteht, weil der metallische Kontakt zwischen dem Gußkörper und den Stahlrohren
nicht unterbrochen wird. Für die güßkörperseitige Schicht sind besonders Eisen oder
Nickel geeignet.
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Vorzugsweise wird die Umhüllung der Stahlrohre mit zwei Metallen so
ausgeführt, daß die stahlrohrseitige Schicht aus Chrom und die gußkörperseitige
Schicht aus Nickel besteht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Im einzelnen zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch die Kühlplatte Fig. 2 einen vergrößerten
Ausschnitt der Fig. 1.
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Die Kühlplatte besteht aus einem Gußkörper 1, der aus Gußeisen mit
Vermiculargraphit gegossen ist.
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In den Gußkörper 1 sind Stahlrohre 2 eingegossen, deren Enden 3 auf
der dem Ofeninneren abgewandten Seite aus dem Gußkörper herausgeführt sind. Die
Stahlrohre 2 sind von einem aus mehreren Schichten 5 u. 6 bestehenden Mantel 4 eingehüllt.
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Fig. 2 zeigt den Ausschnitt eines aus zwei Schichten 5 u. 6 bestehenden
Mantels 4, der die Rohrwand von dem sie umgebenden Gußkörper mit Vermiculargraphit
trennt. Die erste, direkt auf die Rohrwand aufgebrachte Schicht 5 besteht aus einem
karbidstabilisierenden Metall, vorzugsweise Chrom.
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Die zweite, gußkörperseitige Schicht 6 besteht aus einem keramischen
Werkstoff, z. B. Al203.
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