DE3027465C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kuehlen von Gefaessteilen eines metallurgischen Ofens,insbesondere eines Lichtbogenofens - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Kuehlen von Gefaessteilen eines metallurgischen Ofens,insbesondere eines LichtbogenofensInfo
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Description
Verdampfungsenthalpie eine gute Kühlung über die gesamte Wärmeaustauschfläche zu erzielen. Es soll
trotz der örtlichen und zeitlichen Schwankungen der thermischen Beanspruchung ein Filmsieden, das zu einer
unzulässig hohen örtlichen thermischen Beanspruchung der Wärmeaustauschwand führt, sicher verhindert
werden. Ziel der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 1, die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 gekennzeichnet. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.
Durch die Erfindung lassen sich die Vorteile der \c>
Verdampfungskühlung auch für die Kühlung der Außenflächen eines Elektroofens nutzen. Ein wesentliches
Merkmal dieser Erfindung ist, daß Elektroöfen bei sehr geringem Kühlwasserverbrauch auch unterhalb der
Schmelz- und Schlackenzone gekühlt werden können, ohne daß eine Beeinträchtigung der Betriebssicherheit
gegeben ist.
Das ei findungsgemäße Kühlsystem arbeitet bei
Normaldruck oder einem geringfügig über 1 bar liegenden Druck und gewährleistet die Anpassung an
die instationären Betriebszustände eines Elektroofens, ohne daß gefährliche Kühlwasseransammlungen an der
Ofengefäßwand auftreten.
Dies wird durch das Auftragen feinverteilter Kühlwassermengen mit definiertem Tropfenspektrum auf
die zu kühelnden Außenflächen erreicht, wobei durch eine Temperaturmeßeinrichtung gewährleistet ist, daß
bei Kühlmittelzufuhr die Außenflächentemperatur stets mindestens der Siedetemperatur des Wassers entspricht,
damit eine spontane Verdampfung des Kühlwassers eintritt und die Ausbildung zusammenhängender
Flüssigkeitsfilme auf der Wärmeaustauschfläche unterbleibt.
Im Gegensatz zu bekannten Kühlsystemen, wie zum Beispiel in der Offenlegungsschrift 19 34 486 beschrieben,
wird bei der hier dargelegten Kühlung das Auftreten koexistierender flüssiger und gasförmiger
Phasen bewußt vermieden.
Bei üblichen Verlustleistungen von 29 KW/m2 bei Elektroöfen im Bereich oberhalb der Schmelze kann mit
dieser Technik ein Kühlwasserverbrauch von 0,61 Wasser/m2 · min erreicht werden.
Der entsprechende theoretische Kühlwasserverbrauch bei einem mit Zwangskonvektion arbeitenden
heutigen Kühlsystem liegt bei 411 Wasser/m2 · min.
Zur Erzeugung feinverteilter Wasserströme sind handelsübliche Präzisionsdüsen, zum Beispiel Hohlkegel-,
Vollkegel- oder Pneumatikzerstäuberdüsen, geeignet. Schwingend-mechanisch arbeitende Zerstäubereinrichtungen,
die beispielsweise mit Ultraschall angeregt werden, können ebenfalls Anwendung finden.
Vorzugsweise wird das Kühlmittel mit gleichbleibender Strahlbreite, gleichbleibendem Tropfenspektrum
(0 — 100 μπι) und gleichbleibender Tropfengeschwindigkeit
(20—40m/sec) auf die zu kühlende Fläche aufgebracht
Beispiele für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens werden in den nachfolgend beschriebenen
Figuren dargestellt.
Die F i g. 1 zeigt ein Verdampfungskühlsystem 1 mit geschlossenem Kühlmittelkreislauf. Der Systemdruck
beträgt ungefähr 1 bar. Das Kühlwasser wird durch Zerstäuberdüsen 3 in feinverteilter Tropfenform 4 auf
die zu kühlende Fläche 2 aufgebracht. Die zu kühlende Fläche 2 und eine Befestigungsfläche 26 für die Düsen 3
bilden einen nach außen abgeschlossenen Raum. Der bei der Verdampfung entstehende Sattdampf wird mittels
einer Sattdampfpumpe 5 durch eine Sattdampfleitung 22 dem Kondensator 6 zugeführt. Das dabei entstehende
kondensierte Kühlmittel wird in einem Behälter 7 gesammelt und mit einer Flüssigkeitspumpe 8 in einen
Druckbehälter 18 gepumpt Der Druckbehälter 18 gewährleistet bei geöffnetem Ventil 20 einen weitgehend
konstanten Flüssigkeitsdruck in der Zuleitung 19.
Teile des Kühlmittels, die unkontrolliert kondensieren, werden durch eine Kondensatrückführungsleitung 9
dem Behälter 7 zugeleitet.
Die Temperatur der zu kühlenden Fläche 2 wird mit einer Vielzahl voneinander unabhängiger Thermofühler
10 ständig gemessen. Bei einem örtlich begrenzten oder großflächigen Überschreiten der unteren Grenztemperatur,
die der Siedetemperatur des Wassers entspricht, werden die entsprechend räumlich zugeordneten
Zerstäuberdüsen durch Öffnen der Ventile 20 betätigt. Das Kühlwasser wird dann mit gleichbleibendem
Volumenstrom solange auf die Oberfläche 2 aufgebracht bis die untere Grenztemperatur erreicht ist. Die
Betriebsweise der Zerstäuberdüsen 3 ist somit intermittierend. Die Steuerung der Düseneinschaltzeiten kann
durch einen Mikroprozessor 21 erfolgen, der die vielzähligen Temperavurmeßwerte verarbeitet und in
entsprechende Befehle für die Ventilstellglieder umsetzt.
An Ofenbereichen, die räumlich und zeitlich stark schwankenden Wärmeflüssen ausgesetzt sind, können,
wie in F i g. 1 dargestellt, die Düsen einzeln gesteuert werden. In Gebieten mit gleichmäßiger Wärmebelastung
werden mehrere Düsen gruppenweise gesteuert.
Nachfolgend werden die Kennzahlen eines Ausführungsbeispiels aufgeführt:
Wärmestromdichte
Kühlwasserbedarf
Düsenart
Kühlwasserbedarf
Düsenart
Düsenstrahlwinkel
Volumenstrom/Düse
Druck am Düseneintritt
Anzahl der Düsen/m2
Abstand Düse/
Wärmeaustauschfläche
Volumenstrom/Düse
Druck am Düseneintritt
Anzahl der Düsen/m2
Abstand Düse/
Wärmeaustauschfläche
29,0 KW/m2 · min
0,6 l/m2 · min
Hohlkegeldüse
80°
0,12 l/min
5,0 bar
300 mm
Die F i g. 2 zeigt die Anwendung des in Seitenwand 14 eines Elektrolichtbogenofens. In diesem Beispiel wird
das Kühlsystem auch in Ofengefäßbereichen angewandt, die unterhalb der Badoberfläche 11 liegen. Die
Schmelze 12 befindet sich in einem mit feuerfestem Material 13 ausgemauerten und ausgestampften aus der
Seitenwand 14 und dem Ofenboden 16 gebildeten Ofengefäßunterteil, das aus Stahl gefertigt ist. Bei einer
feuerfesten Neuzustellung des Elektrolichtbogenofens wird das Ofengefäß entsprechend Fig.2 bis über die
Badoberfläche 11 ausgemauert. Der mit 15 gekennzeichnete Abschnitt der feuerfesten Ausmauerung wird
entgegen der in Fig.2 dargestellten Kühltechnik bei herkömmlichen wassergekühlten Wänden aus Sicherheitsgründen
nur teilweise, und zwar von oben her bis zur Badoberfläche 11 gekühlt. Da der Verschleiß der
feuerfesten Baustoffe 13 im wesentlichen auf chemische Umsetzungen mit der flüssigen Schmelze 12 zurückzuführen
und damit stark temepraturabhängig ist, ist bei einer Verwirklichung des Erfindungsgedankens ent-
sprechend F i g. 2 mit einer erheblichen Verminderung des Verbrauches an feuerfesten Werkstoffen im
Badbereich zu rechnen.
Durch die gezielte Wärmeabfuhr in dem mit 15 gekennzeichneten Bereich wird die Isotherme der
unteren Reaktionsgrenztemperatur für die chemischen Verschleißreaktionen genügend weit auf die dem Bad 12
zugewandte Seite der feuerfesten Zustellung verlegt, so daß eine ausreichende Reststeindicke und damit eine
erhöhte Lebensdauer der Auskleidung erreicht wird.
Die F i g. 3 zeigt die Anwendung des in F i g. 1 dargestellten Kühlverfahrens am Beispiel einer im
Boden 16 eines Elektroofens eingesetzten Elektrode 17. Die Bodenelektrode 17 besteht aus einem Werkstoff mit
geringem spezifischen elektrischen Widerstand und guter Wärmeleitfähigkeit. Bei den im Schrifttum
bekannt gewordenen Bodenelektroden wurde als Elektrodenwerkstoff vorwiegend Kupfer verwendet.
Die Bodenelektrode 17 steht in elektrischem Kontakt mit der elektrisch leitenden Schmelze 12 über eine
erstarrte Teilmenge 23 der Schmelze und dient zur Abführung des elektrischen Stromes von der bei
Gleichstrom- und Plasmaofen im allgemeinen als Anode dienenden Schmelze 12.
Gegenüber den bisher bekannten Kühleinrichtungen für derartige Bodenelektroden, die ausschließlich mit
zwangsgeführtem Kühlwasser arbeiten, führt eine Kühlung nach dem hier dargelegten Erfindungsgedanken
neben einer Herabsetzung der Kühlwasserverbrauchszahlen insbesondere zu einer bedeutenden
Erhöhung der Betriebs- und Arbeitssicherheit.
Bei dem hier dargestellten Beispiel dient das Stromrohr 24, das über die elektrisch leitende
Befestigungsplatte 26 der Düsen 3 mit der Bodenelektrode 17 verbunden ist, zugleich als Sattdampfableitung
22. Die Bodenelektrode ist auswechselbar in der zylinderförmigen Halterung 25 befestigt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zum Kühlen von Gefäßteilen eines metallurgischen Ofens, insbesondere eines Lichtbogenofens,
mit einem in den zu kühlenden Wandbereich eingesetzten oder den Wandbereich bildenden
Kühlkasten, der eine Wärmeaustauschfläche enthält, auf die eine Kühlflüssigkeit aufgesprüht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche und zeitliche Temperaturverteilung auf der
Wärmeaustauschfläche (2) durch eine Vielzahl unabhängiger Temperaturmeßstellen (10) erfaßt und
entsprechend den erhaltenen Meßwerten großflächig oder örtlich begrenzt Kühlflüssigkeit nur so
lange auf den dem Meßwert zugeordneten Bereich der Wärmeaustauschfläche aufgesprüht wird, solange
der betreffende Meßwert oberhalb des Siedepunktes der Kühlflüssigkeit liegt und daß die
aufgesprühte Menge auf einen Wert begrenzt wird, bei dem es unter Vermeidung eines zusammenhängenden
Flüssigkeitsfilms zu einer spontanen Verdampfung der Kühlflüssigkeit kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit mit einer Tropfengröße
von maximal 100 μπι auf die Wärmeaustauschfläche
aufgesprüht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit mittels
Zerstäuberdüsen auf die Wärmeaustauschfläche aufgesprüht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Kühlung
des Deckels eines Elektroofens insbesondere eines Lichtbogenofens.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Kühlung
der Außenflächen des Ofengefäßes eines metallurgischen Ofens unterhalb der Schmelz- und
Schlackenzone.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Kühlung eines mit dem
Schmelzbad in Verbindung stehenden und am Ofengefäß austretenden elektrischen Kontaktstükkes
eines Elektroofens.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Kühlflüssigkeit
Wasser ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem in den
zu kühlenden Wandbereich eines metallurgischen Ofens, insbesondere eines Lichtbogenofens eingesetzten
oder den Wandbereich bildenden Kühlkasten der eine Wärmeaustauschfläche und dieser
gegenüberliegend eine Einrichtung zum aufsprühen einer Kühlflüssigkeit auf die Wärmeaustauschfläche
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit durch die Aufsprüheinrichtung auf verschiedene
Bereiche der Wärmeaustauschfläche unterschiedlich dosiert aufsprühbar ist und die Steuerung
der Aufsprüheinrichtung durch einen Mikroprozessor auf der Grundlage von Temperaturmeßwerten
erfolgt, die durch eine Vielzahl von über die Wärmeaustauschfläche verteilt angeordneten Temperaturmeßgebern
geliefert wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner bezieht sie
sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Bei der Kühlung eines thermisch hoch beanspruchten Wandbereichs eines metallurgischen Ofens, insbesondere
eines Lichtbogenofens, mit örtlich und zeitlich stark schwankender thermischer Beanspruchung der Wand
besteht das Problem, ein Filmsieden zu verhindern, d. h.
ίο ein Auftreten von dünnen Dampfschichten an der
Wärmeaustauschfläche, da diese stark wärmeisolierend wirken, an dieser Stelle den Wärmeaustausch stark
herabsetzen und es insbesondere bei wasserkühlkästen, die selbst die Ofenwandung bilden, zu einer Beschädigung
durch örtliche Überhitzung kommen kann. Um ein Filmsieden zu verhindern, ist es üblich, die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels im Bereich der Wärmeaustauschfläche zu erhöhen. Dies wird bei der
Kühleinrichtung nach der DE-AS 11 08 372 dadurch erreicht, daß die Kühlflüssigkeit der Wärmeaustauschfläche
über mehrere Düsen zugeführt wird, die knapp oberhalb dieser Fläche liegen. Bei dem metallurgischen
Ofen gemäß der DE-OS 27 22 681 wird die hohe Strömungsgeschwindigkeit und damit ein Verdampfen
der Kühlflüssigkeit durch Verengen des Strömungsquerschnitts des Strömungskanals erreicht.
Bei Wasserkühlsystemen mit zwangsgeführten Kühlwasserströmen werden an der Wärmeaustauschfläche
Wärmeübergangskoeffizienten von 1000 bis 3000W/ K · m2 erreicht, die allerdings Strömungsgeschwindigkeiten
von 1— 3 m/sec erforderlich machen. Bei wassergekühlten Ofenwänden oberhalb der Schmelzzone
und einem Temepraturanstieg im Kühlwasser von «10 K lassen sich unter günstigen Bedingungen
spezifische Kühlwasserverbrauchszahlen von 30 bis 50 1 Wasser/m2 · min erzielen. Im allgemeinen liegen diese
Verbrauchszahlen jedoch bei «1001 Wasser/m2 · min. Diese Verbrauchszahlen führen bei offenen Kühlwassersystemen,
vorzugsweise in Ländern mit Wassermangel, zu einer erheblichen Kostenbelastung des Elektroofenverfahrens.
Bei Verwendung geschlossener Kühlwasserkreisläufe wird die Einrichtung großer Pump-,
Kühl- und Aufbereitungskapazitäten erforderlich.
Bei Ausnutzung der Verdampfungswärme des Wassers von 2257 KJ/Kg sowie der bei der Verdampfungskühlung erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten von 10 000 bis 20 000 W/K · m2 wäre ein wesentlich wirtschaftlicherer Betrieb möglich.
Verdampfungskühlsysteme werden bereits in vielfältiger Weise bei technischen Einrichtungen genutzt. Bei metallurgischen Öfen wird diese Kühltechnik beispielsweise an Hochöfen angewendet. Diese Öfen sind onfolge der kontinuierlichen Prozeßführung durch weitgehend stationäre Betriebszustände gekennzeichnet und liefern damit nahezu konstante Wärmestromdichten an den Wärmeaustauschflächen. Diese Hochofenkühlsysteme können somit wie allgemein bekannte Abhitzeverwertesysteme betrieben werden.
Bei Ausnutzung der Verdampfungswärme des Wassers von 2257 KJ/Kg sowie der bei der Verdampfungskühlung erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten von 10 000 bis 20 000 W/K · m2 wäre ein wesentlich wirtschaftlicherer Betrieb möglich.
Verdampfungskühlsysteme werden bereits in vielfältiger Weise bei technischen Einrichtungen genutzt. Bei metallurgischen Öfen wird diese Kühltechnik beispielsweise an Hochöfen angewendet. Diese Öfen sind onfolge der kontinuierlichen Prozeßführung durch weitgehend stationäre Betriebszustände gekennzeichnet und liefern damit nahezu konstante Wärmestromdichten an den Wärmeaustauschflächen. Diese Hochofenkühlsysteme können somit wie allgemein bekannte Abhitzeverwertesysteme betrieben werden.
Derartige Verdampfungskühlsysteme, die stets bei hohen Systemdrücken arbeiten, sind bei chargenweise
betriebenen Elektroöfen nicht einsetzbar, da während des Schmelzverlaufes über die Außenflächen eines
Elektroofens räumlich und zeitlich erheblich schwankende Wärmeströme abgeführt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der einleitend genannten Art
trotz starker örtlicher und zeitlicher Schwankungen der thermischen Beanspruchung unter Ausnutzung der
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