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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung und ein Ver-
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fahren zur Erzeugung des heißen Unterwindes für einen Hochofen unter
Benutzung von mit Gitterwerk ausgefüllten.
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Winderhitzern, die durch Verbrennung eines gasförmigen Mittels' aufgeheizt
und durch die die als Unterwind dienende Luft hindurchgeführt wird.
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Das Ziel der Erfindung ist die Erzeugung einer höheren Temperatur
des Unterwindes und ein wir-tschaftlicher Betrieb.
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Der Gebrauch heißen Unterwindes in einem Hochofen ist eine' notwendige
und allgemein übliche Praxis, um die Kapazität der Eisengewinnung zu erhöhen und
die Menge des Kokses herabzusetzen, die pro Tonne gewonnenes Eisen erforderlich
ist. Zur Zeit werden gewöhnlich drei oder vier Hochofenwinderhitzer benutzt, in
denen die Blasluft erhitzt wird, ehe sie durch eine Blasleitung und eine Windringleitung
mittels Düsen der Bodenpartie eines Hochofens zugeführt wird.
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Die Erhitzung der Blasluft intensiviert und beschleunigt nicht nur
das Abbrennen des Kokses an den Düsen, sondern vermindert auch die Menge an Koks,
die für den Schmelz-'vorgang im Hochofen benötigt wird. Die Temperatur des Unterwindes
hat während der Geschichte des Hochofens ständig zugenommen, indem man die Kapazität,
z.B. den Durchmesser der üblichen Hochofenwinderhitzer erhöhte oder den Heizgrad
erhöhte oder die Ausgitterung vermehrte. Jedoch ist die Wirksamkeit des bisherigen
Winderhitzeraufbaus nicht befriedigend, weil sie zu erhöhten Kosten und wachsenden
Energieverlusten führt.
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Die heutzutage benutzten Hochofenwinderhitzer haben denselben Aufbau
wie denjenigen, den sie vor mehr als 100 Jahren hatten. Der Durchmesser des Winderhitzers
liegt
bei etwa 7,5 m, die Höhe bei etwa 35 m, obgleich jüngst gebaute Winderhitzer auch
einen Durchmesser von ungefähr 9 m und eine Höhe von 45 m haben. Die Hochofenwinderhitzer
haben eine Steinfüllung, die eingeschlossen ist in einer zylindrischen Stahlhülle
mit flachem Boden und einem oberen Gewölbeabschluß. In jedem Winderhitzer ist ein
senkrechter Durchgang, der eine Verbrennungskammer bildet, in der gereinigtes Hochofengas
verbrannt wird. Die Verbrennungskammer erstreckt sich von einem Punkt in der Nähe
des Bodens des Erhitzers bis zum Gewölbe, wo die heißen Verbrennungsprodukte über
einen Brustwall in eine größere senkrechte Regeneratorkammer gelangen, die angefüllt
ist mit übereinanderliegenden Lagen von Gitterwerk. Die Füllung der Steine des Gitterwerks,
das sich vom Gewölbe bis zum Boden des Winderhitzers erstreckt, nimmt die Hitze
der heißen Verbrennungsprodukte auf, ehe sie am Boden abgezogen werden.
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Das Gitterwerk enthält eine Vielzahl senkrechter Durchgänge, um die
heißen Verbrennungsprodkte hindurchzuführen, welche sich durch den Regeneratorabschnitt
abwärts bewegen. Die Temperatur der austretenden Abgase ist ein Maßstab für die
Wirksamkeit des Winderhitzers.
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Das hohe Gewicht modernen Gitterwerks erfordert eine metallische Abstützung,
typischerweise ein Metallgitter am Boden der Regeneratorkammer des Winderhitzers,
um das Gitterwerk zu tragen. Die obere Grenze der Temperatur, auf welche die Abstützung
erhitzt werden kann, liegt bei etwa 350° C wegen der hohen Belastung der Abstützung
und des für die Abstützung verwendeten Werkstoffes.
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Eine etwas höhere Temperatur ist möglich, wenn eine geeignete Stahllegierung
verwendet wird. Jede Lage oder Schicht des feuerfesten Gitterwerks muß die daberliegende
Lage oder Schicht tragen und daher ist die Höhe des Winderhitzers eine bestimmende
Größe für die Gesamtlast, welche sowohl das feuerfeste Material am- Boden der -Regeneratorkammer
als auch die metallische Abstützung auf-
zunehmen haben. Wegen dieses
Aufbaus.der Winderhitzer setzt jeder Versuch, die Temperatur des heißen Unterwindes
zu erhöhen,, entweder eine höhere Gewölbetemperatur oder eine ne höhere Temperatur
des Gitterwerkes voraus. Für die feuerfesten Werkstoffe, die zur Zeit im Gewölbe
und in dem oberen Abschnitt des Regeneratorteils verwendet werden, gilt eine obere
Grenze für die Arbeitstemperatur von etwa 1300 C. Aufwendigere und im allgemeinen
weniger standfeste feuerfeste Werkstoffe müßte man benutzen, um eine wesentliche
Temperaturerhöhung zu erreichen.
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Die Lage der Verbrennungskammer und die Art der Ausgitterung bringen
noch ein anderes Problem für die Winderhitzer mit sich. Der Brustwall der Verbrennungskammer,
d.h. die Wand zwischen dem Verbrennungsraum und dem Regeneratorabschnitt muß eine
Temperatur von etwa 1370 C auf der Brennerseite aushalten, während auf der Seite
der Regeneratorabstützung die Gasaustrittstemperatur den Betrag von 350° C nicht
überschreiten soll. Diese extreme Temperaturdifferenz auf beiden Seiten der genannten
Wandung fuhrt zu sehr hohen Wärmespannungen im Gitterwerk, mit dem Ergebnis, daß
dieses sehr oft erneuert werden muß. Die hohen, ständigen Temperaturschwankungen
in diesem Bereich führen zu hohen Erhaltüngskosten und ergeben häufig wärmebedingte
Risse in der Wandung, wodurch ein Kurzschluß der heißen Verbrennungsprodukte eintreten
kann. Unabhängig davon, ob es erwünscht ist, die Temperatur des heißen Unterwindes
zu erhöhen, kann die Wirksamkeit der Winderhitzer dadurch gesteigert werden, daß
man die Temperatur des von den Winderhitzern gelieferten Abgases. herabsetzt. Bei
den gegenwärtigen Systemen der Winderhitzer verläßt das Abgas den Winderhitzer bei
einer Temperatur von etwa 350 C und stellenweise sogar 400 C. Eine höhere thermische
Wirksamks«t kann offensichtlich erreicht werden, wenn man die Tem-
peratur
der'austretenden Gase herabsetzt, beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 250
C.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, für die Lieferung heißen
Unterwindes einen Aufbau und ein Verfahren vorzusehen, bei dem eine Mehrzahl von
Rekuperatoren vorhanden sind, die die heißen Verbrennungsprodukte von Regeneratoren
aufnehmen, um im Gegenstrom kalten Wind zu erhitzen, der darauf in einem anderen
Regenerator aufgeheizt wird, dessen hocherhitzter, feuerfester Einbau waagerechte
Durchgänge hat und von dem die heiße Luft in die Unterwindleitung von dem einen
Ende des Regenerators aus geführt wird, an dem sich ein Brenner befindet, der während
des Aufheizvorganges des Unterwindes ausgeschaltet ist.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Aufbau und eine Anordnung von Teilen vorzusehen, die zur Erzielung sehr viel höherer
Blastemperaturen, z.B. über 1100 C, geeignet sind - mit einer mit den bisher bekannten
Winderhitzern nicht möglichen Zuverlässigkeit -, indem waagerecht angeordnete Behälter
vorgesehen sind, in denen sich Gitterwerk'mit waagerechten Durchgängen befindet,
durch welche einerseits die heißen Verbrennungsprodukte geführt werden, die das
feuerfeste Mauerwerk aufheizen und andererseits vorerhitzte Blasluft für die weitere
Aufheizung auf die gewünschte Temperatur, mit der sie der Unterwindv'erteilungsleitung
zugeführt werden soll.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung,.
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eine Anordnung zu gebrauchen, um hocherhitzten Unterwind zu erzeugern,
bei der die Verbrennung in einem horizontal beaufschlagten Regenerator mit einem
feuerfesten Einbau erfolgt, um auf diese Weise heiße Verbrennungsprodukte zu bilden,
die einem Rekuperator zugeführt werden, um im
Gegenstrom kalten
Unterwind vorzuerhitzen.
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Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung die Anordnung eines
Rekuperators, um kalte Blasluft durch die Hitze eines getrennten Gegen stromes von
Verbrennungsprodukten vorzuwärmen, Mittel, um kalte Blasluft dem Rekuperator zuzuführen,
um einen stetigen Strom vorerhitzter Blasluft zu erhalten, eine Mehrzahl waagerecht'er
Regeneratoren, die zwischen den beiden entgegengesetzten Enden einen feuerfesten
Wärmespeicher mit horizontalen Durchgängen haben zum Wärmeaustausch zwischen Medien,
welche zu verschiedenen Zeiten in den beiden entgegengesetzten Richtungen durch
den Speicherkörper fließen, Brenneranordnungen, um Verbrennungsmedien in das erste
Ende eines jeden der waagerechten Regeneratoren einzuleiten, um heiße Verbrennungsprodukte
zu erzeugen und das Speicherwerk aufzuheizen, Gasführungsanordnungen, die eine Sammelleitung
und Stellmittel umfassen, um eine im wesentlichen gleichförmige Zufuhr der Verbrennungsprodukte
zu dem Rekuperator vom anderen Ende des abwechselnd ausgewählten der waagerechten
Regeneratoren zu bewirken, weitere Verteilungs- und Verstellmittel, um die vorerhitzte
Blasluft von den Rekuperatoren zum anderen Ende des abwechselnd ausgewählten der
waagerechten Regeneratoren zu führen und schließlich Anschlußmittel, um den heißen
Unterwind aus dem erstgenannten Ende jedes der Regeneratoren in eine Unterwindverteilungsleitung
zu führen.
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Es werden also Anordnungen benötigt, wie sie in den .nsprüchen 1 bis
5 gekennzeichnet sind.
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Das damit durchzuführende Verfahren bildet Gegenstand des Anspruches
6.
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Der erzeugte heiße Unterwind wird, ehe er aufqeve;~swr; wlr3,
mit
kalter Luft soweit verdünnt, daß er immer mit einer einheitlichen Temperatur zugeführt
werden kann. Die Erhitzung in den Regeneratoren erfolgt also auf eine Temperatur,
die oberhalb dieses Wertes liegt und durch gesteuerte Zufuhr von Kaltluft auf diesen
Wert herabgesetzt wird. Wird in einem Regenerator dieser Wert nicht mehr erreicht,
so wird auf einen anderen Regenerator umgeschaltet.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Erzeugung des Unterwindes
von Hochöfen gemäß der Erfindung ist auf den anliegenden Zeichnungen dargestellt,
und zwar zeigt: Figur 1 eine Ansicht teilweise im Schnitt der gesamten Anlage, Figur
2 ist ein Schnitt entsprechend der Schnitt linie II-II von Figur 1, Figur 3 ist
eine Seitenansicht von der Schnittlinie 111-111 der Figur 1, Figur 4 ist eine Seitenansicht
von der Schnittlinie IV-IV der Figur 1.
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In den Figuren 1 bis 4 sind drei waagerecht angeordnete, im Abstand
voneinander befindliche Regeneratoren 10, 11 und 12 dargestellt, von denen jeder
auf den gewölbten oberen Flächen der Fundamentfußstützen 13 ruht. Plattformen 14
sind zugänglich durch Treppenaufgänge in verschiedener Höhe oberhalb des Erdbodens.
Die Plattformen erstrecken sich längs der Enden der Regeneratoren, an die Brenner
15 angeschlossen sind.
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Jeder Reoenerator hat die Form eines Behälters und ist umschlossen
von- einer Metallhülle 16 mit einer inneren
isolierenden Auskleidung
17 aus feuerfestem Werkstoff.
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Die Enden jedes Behälters sind durch gewölbeähnliche Wände 18 und
13 abgeschlossen, die ebenfalls aus Metall bestehen und eine innere Auskleidung
aus feuerfestem Werkstoff haben. In Figur 2 ist die Außenwand des Regenerators auf
der Brennerseite mit 18 bezeichnet: das Gewölbe'auf der Seite der Heißgasentladung
hat-das Bezugszeichen 19. Auf der Seite des Brenners hat die Endwand 18 eine erweiterte
Ausbuchtung 21, an die der Brenner 15 angeschlossen ist. Kühlringe 22 schützen die
Brenneranordnung gegen die hohe Temperatur, die durch die Gasverbrennung im Regenerator
entsteht. Die Brenneranordnung, ist verbunden mit einer Gasverteilungsleitung 23
mittels Rohren 24, über die ein geeignetes Gas, z.B. Hochofengas, dem Brenner zugeführt
wird.
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Schieber 25 in den Rohren 24 kontrollieren die Zuleitung des Gases
zum Brenner. Von einem Motor angetriebene Gebläse 26 (Figur 3) am äußeren Ende der
Anordnung liefern Verbrennungsluft in die Verteilungsleitung 28. Schieber 20 steuern
den Zufluß der Luft zu den Brennern 15 in den Verteilungsleitungen 29. Eine Endkammer
31 befindet sich in dem Regenerator zwischen der Endwand 18 und dem feuerfesten
Speicherkörper, wie er durch das Gitterwerk 32 dargestellt ist, in dem sich horizontale
Durchgänge mit dem Wärmeaustausch dienenden Oberflächen des feuerfesten Mauerwerks
befinden. Die Durchgänge werden durch ausgerichtete Öffnungen in dem Gitterwerk
gebildet. Endwände des Gitterwerks werden vorzugsweise im Abstand zueinander gesetzt,
um sowohl einen Querfluß der heißen Verbrennungsprodukte, als auch einen Långsfluß
in der Richtung des Regenerators zu ermöglichen. Zu verschiedenen Zeiten stehen
ein oder mehrere, aber niealle der RegenPrdtore'rl auf Gas ( "on gas"), wobei die
heIfen Vttrbrennun''Fr c>rluk von Brennstoff und Luft durch die Brenner dem Raum
31 zugeführt werden, welche gewöhnlich bei etwa Atmosphåren-
druck
die in horizontaler Richtung und quer dazu verlag fenden Durchgänge des feuerfesten
Materials durchziehen,l das durch die Lagen der Steine 32 gebildet wird.
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Die heißen Verbrennungsprodukte, nachdem sie durch das Gitterwerk
gezogen sind, treten in den Sammelraum 38 ein und dann über eine mit einer feuerfesten
Auskleidung versehene Leitung 39, in dem sich ein wassergekühlter Schieber 40 befindet,
in die Sammelleitung 41. Wie man aus den Figuren 1 und 4 erkennen kann, ist die
Sammelleitung 41 mit jedem der Re,generatoren 10, 11 und 12 durch eine Leitung 39
verbunden, um die Verbrennungsprodukte von dort in eine oder mehrere der senkrechten
Leitungen 42, 43 und 44 (Figur o) zu fördern. Gewöhnlich dienen von den drei Rohren
42, 43 und 44 zwei dazu, von daran angeschlossenen Regeneratoren, die auf Gas stehen,
die Verbrennungsprodukte abzuziehen, während der dritte Regenerator auf Luft steht,
d.h. er dient ! zur Aufheizung des Unterwindes, wie dies weiter unten noch näher
erläutert wird. Die Leitungen 42, 43 und 44 fördern die heißen Verbrennungsprodukte.
von jeweils zweil Regeneratoren zu den Rekuperatoren 46, 47 und 48. Wassergekühlte
Schieber 45 gestatten, den einzelnen Rekuperator abzuschalten.
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Jeder Rekuperator ist im wesentlichen ein Wärmetauscher zwischen Gas
und Luft und hat die Form eines Behälters mit einer Metallumhüllung 49. Eine Vielzahl
von Wärmeaustauschrohren ist eingespannt zwischen die Endwände 52 und 53. Wie man
in Figur 2 erkennen kann, fließen die heißen Verbrennungsprodukte durch die Wärmeaustauschrohre
51 in im allgemeinen waagerechter Richtung und strömen in die Kammer 54 aus und
von dort durch einen Kamin 55 mit einem oberen Abschluß 56. Der Abschluß 56 wird
durch ein Gestänge 57 von einem nicht dargestellten Betätigungsorgan gesteuert.
Der von der Metallhülle 49 all-
seitig umgebene Raum zwischen den
Platten 52 und 53, der die Oberflächen der Rohre 51 umgibt, wird durch Tei.lwände
58 in solcher Weise unterteilt, daß sich ein hin- und hergehender Strömungsweg für
den eintretenden kalten Luftstrom ergibt, der damit in Wärmeaustausch mit den in
den Rohren fließenden Verbrennungsprodukten tritt.
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Die Zufuhr der kalten Luft erfolgt über ein Ventil 59 über ein Zuführungsrohr
61 von einem Kaltl.uftgebläse 62.
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Die Lieferung der hocherhitzten Luft ist so eingestellt, daß der Unterwind
eine Endtemperatur von wenigstens 1100 C hat.
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Durch das Rohr 61 zuströmende kalte Blasluft wird in einem oder mehreren
der Rekuperatoren 46, 47 und 48 auf eine Temperatur von etwa 550 C erhitzt. Die
vorerhitzte Luft gelangt über die durch das Ventil 64 absperrbare Leitung 63 zu
einer Warmluftverteilungsleitung 65. Die Leitung 65 steht in Verbindung mit den
Zufuhrrohren 66, 67 und 68, die eine Absperrklappe 69 haben und durch die der Fluß
der vorerhitzten Luft in ein Vorkammer 38 eines der Regeneratoren 10, 11 und 12
erfolgt. Der Regenerator, der ausgewählt wird, um die vorerhitzte Blasluft zu empfangen,
hat hocherhitzte feuerfeste Oberflächen längs der,Durchgäre des durch die Steine
32 gebildeten Speicherkörpers. Es ist klar, daß der Zufluß von Gas zur Verbrennung
zu dem betreffenden Regenerator abgebrochen wird, ehe die vorerhitzte Luft zugeführt
wird.
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Die Strömung der vorerhitzten Luft aus der Kammer 38 durch die Durchgänge
in der Speichermasse erfolgt unter dem Blasedruck, mit dem zur Zeit die Hochöfen
arbeiten.
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Die Blasluft wird erhitzt auf eine Temperatur von 11.00 C oder höher,
um dann aus der Kammer 31 durch die Unter-' windleitungen 70, 71 und 72 über ein
Absperrventil 73 in die Unterwindverteilungsleitung 74 zu gelangen. Wahrend der
anfänqlichen Zeit des Flusses des vorerh7 t zt en Unterwindes über die hocherhit:zten
t)t>tXrtlcsen de) durch
die Steine 32 gebildeten Speicherwerks
- diese Strömung richtung ist durch den Pfeil on blase in Figur 2 angedeutet - wird
typischerweise eine Endtemperatur der Gase erreicht, die oberhalb 1100 C liegt,
wobei es wünschenswert ist, den heißen Unterwind mit kalter Luft zu mischen, welcher
in die Kammer 31 durch das Rohr 75 zugeführt wird über ein Mischventil 76; das Rohr
75 steht mit der Kaltluftverteilungsleitung 62 in Verbindung. Gegebenenfalls kann
die dem Unterwind zuzumischen de Luft auch durch den Brenner 15 eingeführt werden.
Die kalte, durch die Verteilungsleitung 62 zugeführte Luft hat in der Regel eine
Temperatur von etwa 100 C. Die Anlage zur Zufuhr des heißen Unterwindes ist gewöhnlich
so ausgebildet, daß sie 100 % des erforderlichen Blasewindes mittels eines Umfanges
von 2/3 der Anlage zu erzeugen in der Lage ist, so daß ein Teil der Anlage immer
außer Betrieb genommen werden kann, ohne daß die Zufuhr des Unterwindes unterbrochen
wird. Befindet sich ein Teil der Anlage außer Betrieb, so wird die Temperatur des
erhitzten Unterwindes üblicherweise herabgesetzt.
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Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß die Abgase der Verbrennung,
die aus dem Rekuperator austreten, eine Temperatur von nur ungefähr 150 C haben;
dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber den zur Zeit be- § stehenden
Anlagen dar, wo die Abgase der Verbrennung in einem Temperaturbereich zwischen 300
bis 400 C austreten. Die Herabsetzung der Temperatur der Abgase vermehrt den gesamtthermischen
Wirkungsgrad der Unterwindanlage. Der Gebrauch von wenigstens drei Regeneratoren
läßt zu, daß zwei Regeneratoren erhitzt werden, während einer dazu dient, die vorerhitzte
Luft auf die gewünschte te Temperatur für den Gebrauch im Hochofen zu erhitzen.
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Eine Temperatur von etwa 920 C am Auslaßende 38 des Regenerators -
bei der durch die Pfeile on gas" in Figur 2 angedeuteten Strömungsrichtung - ist
ohne weite-
res erreichbar, da der waagerechte Gasstrom durch die
Durchlaßkanäle des Speicherwerks und der dasselbe bildenden Steine nicht unter der
Last darüberliegender Lagen von Steinen liegt und die Belastungsbegrenzungen nicht
vorhanden sind1 die bei der Struktur der ur Zeit verwendeten Winderhitzer vorliegen.
Bei der Anlage der vorliegenden Erfindung besteht keine Notwendigkeit für empfindliche
metallische Abstützungen für die Steinlagen.
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Überdies können die Regeneratoren gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt werden in Übereinstimmung mit den Normen, wie sie für die meisten Zwecke
gebraucht werden, da Hochöfen anlagen unter einem Druck von 20 bis 50 psi arbeiten.
Es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, Winderhitzeranordnungen der jetzt üblichen
Bauart in Übereinstimmung mit den zur Zeit geltenden Normen zu konstruieren. Die
vorliegende Erfindung gestattet eine Reduktion der.maximalen Temperaturdifferenz
des feuerfesten Mauerwerks beim Übergang von einer Strömungsrichtung in die andere
bei Auswahl einer gewünschten Anzahl von Erhitzern in Anpassung an die gewünschte
Blastemperatur. Die Temperaturschwankungen des feuerfesten Mauerwerks beim Wechseln
der Strömungsrichtung sind erheblich geringer als die thermischen Beanspruchungen
der zur Zeit benutzten Winderhitzer. Die Unterwindblastemperatur kann erhöht werden,
indem man die Zahl der Regeneratoren in der Anlage vermehrt. Es ist im übrigen klar,'daß,
da die gegenwärtige Erfindung auf alle bestehenden Hochöfenanlagen anwendbar ist,
die Blastemperaturen den Begrenzungen der bestehenden Anlage an zur passen sind.
Ohne Veränderung der bestehenden Heiß7Xvlaseanlagen hinter den Regeneratoren kann
di'e Untervindtemperatur in den meisten Fällen auf 1320 C erhoht werden.
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Geht man davon aus, daß die Heißlufttemperatur bei einem bestehenden
Winderhitzersystem 93'0 C ist, so tritt für jede Erhöhung dieser Temperatur um 100
F (etwa 56 C) eine entsprechende Abnahme des Kok@ver@rau-
ches
im Hochofen um etwa 2,5 % oder etwa 25 pounds Koks pro Tonne Eisen ein. Da die Kammer
21 der verschiedenen Regeneratoren bei der Anlage gemäß vorliegender Erfindung unabhängig
von dem regenerativen Wärmespeicher ist, kann der Brenner und die Brennkammer für
Reparaturzwecke entfernt werden, ohne daß der Regenerator und der Speicherkörper
außer Betrieb genommen zu werden braucht. Darüber hinaus ist eine erhöhte Lebensdauer
der Regeneratorkammer dadurch gegeben, daß die hohen Temperaturdifferenzen ausgeschaltet
werden, die bei bekannten Winderhitzern zwischen der Regenerat.orkammer und der
Verbrennungskammer bestehen.
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Leer'söit'e