DE3317876C2 - Kreuzgitterstein - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stein aus feuerfestem Material für eine Gitterung von Regenerativkammern von Schmelzöfen, mit wenigstens zwei Schenkeln (4), deren Achsen im wesentlichen rechtwinkelig angeordnet sind und deren beide Seitenflächen (8, 10) im wesentlichen parallel zu einer Längsachse (6) angeordnet sind. Damit ein derartiger Stein eine optimale Wandstärke aufweist und einen guten Wärmeübergang ermöglicht, wird vorgeschlagen, daß die Seitenflächen (8, 10) jedes Schenkels (4) verjüngt zur Schenkelspitze (12) angeordnet sind und daß das Verhältnis von freier Schenkellänge (22) zur mittleren Schenkelbreite (24) zwischen 6 : 1 und 2 : 1 beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreuzgitterstein aus feuerfestem Material zur Erstellung einer Gitterung in Regenerativkammern von Schmelzofen, mit mindestens zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Schenkeln, die über Abrundungen an einen Kern anschließen und deren beide Steinflächen im wesentlichen parallel zur Längsachse des Steins angeordnet sind, wobei das Verhältnis der freien Schenkellänge des Schenkels zur mittleren Schenkelbreite zwischen 6 :1 und :1 liegt.

Ein Kreuzgitterstein der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE-OS 22 29 656 bekannt. Dabei schließen an einen Kern im wesentlichen quaderförmig gestaltete Schenkel an, die sich kreuzförmig vom Kern hinweg erstrecken. An der Übergangsstelle zwischen Kern und Schenkel sind Abrundungen vorgesehen, um eine gute Verbindung zwischen Schenkel und Kern zu erreichen. Werden derartige Steine zu einer Gitterung aufgeschichtet, dann ergeben sich vertikale Kanäle mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt. Lediglich in den Eckbereichen überdecken sich die Abrundungen und die freien Enden der Schenkel von Steinen verschiedener Lage, so daß hier im Bereich dieser Abrundungen sich die Umfangslinien der Querschnitte verschiedener Lagen nicht decken. Im Bereich der Schenke! können auf der Oberseite kegelstumpfformige Noppen und auf der Unterseite Hohlräume von entsprechender Form vorgesehen sein, so daß beim Aufstapeln einer Gitterung aus derartigen Kreuzgittersteinen eine Abstützung der Steine aneinander erfolgt. Damit wird eine Verdrehsicherung der Steine gegeneinander erreicht Die Stabilität der Gitterung wird verbessert. Die Schenkel der Kreuzgittersteine besitzen — abgesehen von den im Mittelbereich angeordneten Abrundungen zueinander parallele Seitenwandungen und enden rechtwinklig, so daß die Schenkel überall eine gleiche Wandstärke aufweisen. Beim Aufsetzen zu einer Gitterung kommen sich die Kanten der freien Enden der Steine relativ nahe, so daß beim Auftreten von Wärmedehnungen die Gefahr besteht, daß die Steine sich mit ihren Schenkeln direkt aneinander abstützen, wodurch erhebliche Biegespannungen in den Schenkeln der Steine auftreten können. Um das Stapeln der Steine zu erleichtern, besitzt der Kern jedes Steins mittig auf seiner Ober- und seiner Unterseite einen überstehenden Noppen, der den Abstand zwischen den freien Enden der Schenkel einer benachbarten Gitterlage festlegt. Damit entsteht an dieser Stelle ein Hohlraum, der weder mit Soeichermasse gefüllt ist, noch einen freien Durchtrittsquerschnitt für das durchströmende Gas zur Verfügung stellt.

In der DE-AS 29 34 208 ist ein prismatischer Stein aus feuerfestem Material gezeigt, der einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Der ringförmige Querschnitt wird durch einen kantig gestalteten Außenumfang und einen mit Abrundungen versehenen inneren Umfang begrenzt. Die Abrundungen dienen der Verminderung der Kerbspannungen in den Steinen und bewirken in den Eckbereichen jedes vertikalen Durchtrittskanals in der Gitterung Vorsprünge, so daß dort die laminare Durchströmung der Kanäle unterbunden wird und eine turbulente Strömung entsteht, weiche für einen guten Wärmeübergang vom Gas zum Stein und umgekehrt von Vorteil ist. Da sich die Abrundungen nur auf die Eckbereiche der im übrigen quadratischen Durchtrittsquerschnitt aufweisenden vertikalen Kanäle beziehen, wird nur der zugehörige Teil der laminaren Grenzschicht aufgebrochen. Auch diese bekannten prismatischen Steine besitzen im wesentlichen gleichbleibende Wandstärke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreuzgitterstein der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, da3 der Wärmeübergang verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die beiden Seitenflächen jedes Schenkels zueinander verjüngt zur Schenkelspitze verlaufen, so daß die zwischen jeweils vier Schenkeln von zwei Steinen gebildeten Kanäle einen etwa rautenförmigen Querschnitt aufweisen. Dieser rautenförmige Querschnitt besitzt eine Querschnittsfläche, die im wesentlichen ebenso groß ist, wie die Querschnittsfläche von Kreuzgittersteinen mit Schenkeln mit parallelen Seitenwandungen, so daß die gebildeten vertikalen Kanäle ebenfalls eine große Durchtriusfläche aufweisen. Durch die verjüngte Ausbildung der Seitenflächen zueinander, die bei ebener Ausbildung der Seitenflächen durch eine im wesentlichen konische Verjüngung oder bei gekrümmter Flächenausbildung durch eine entsprechende Verjüngung erreichbar ist, werden darüber hinaus jedoch über die gesamte Umfangslinie des rautenförmigen Querschnit-

tes Vorsprünge bzw. Hinterschneidungen gebildet, weil der rautenförmige Querschnitt hinsichtlich seiner größeren Diagonale von Lage zu Lage im Bereich eines vertikalen Kanals jeweils um 90° springt Auf diese Art und Weise wird die laminare Grenzschicht über den gesamten Umfang des rautenförmigen Querschnitts aufgebrochen und in eine turbulente Strömung umgewandelt, so daß dementsprechend der Wärmeübergang sprunghaft verbessert wird. Durch die sich verjüngende Gestaltung ckr Schenkel wird weiterhin der Vorteil erreicht, daß der Stein beanspruchungsgerechter gegen Biegespannungen ausgebildet ist, weil sich, betrachtet von angreifenden Kräften im Bereich der freien Schenkelenden die Wandstärke der Schenkel mit der Entfernung von dem Kraftangriffspunkt vergrößert. Der Stein weist also gerade dort, wo die Biegespannungen am größten sind, auch die größte Wandstärke auf.

An der Schenkelspitze können Endflächen unter einem Winkel in der Größenordnung von 45" bezüglich der Längsebene des Schenkels angeordnet sein. Damit werden die Schenkel bis in diesen Bereich hinein verlängert, d. h. es wird auch dieser Raum zum größten Teil mit Speichermasse, nämlich dem Material des Steines gefüllt, so daß er zu Wärmespeicherzwecken ausgenutzt wird. Es versteht sich, daß die Endflächen der einander zugekehrten Schenkelspitzen verschiedener Steine immer noch einen entsprechenden Abstand voneinander aufweisen, um Wärmedehnungen gefahrlos aufnehmen zu können. Für den Fall, daß von einem Stein ein Schenkel abbricht, wird dieser mit den genannten Endflächen an den entsprechenden Endflächen anderer Steine zur Anlage kommen und damit folglich über eine vergleichsweise große Fläche abgestützt, so daß die Gefahr von Verstopfungen des Kanalquerschnitts erheblich gemindert ist.

Um eine große Gitterstabilität zu erreichen und ferner ein unzulässiges Verdrehen der Steine zu unterbinden, wird ferner vorgeschlagen, daß die Schenkel an ihren unteren Begrenzungsflächen eine quer zu den Achsen der Schenkel verlaufende Nut und an ihren oberen Begrenzungsflächen eine ebenfalls quer zu den Achsen der Schenkel verlaufende Feder aufweisen. Der Abstand der Mitte von Nut bzw. Feder zur Längsachse entspricht der halben Teilung einer Lage der Gitterung. Nut und Feder verlaufen bevorzugt quer zur Längsebene des Schenkels. Die vordere Schenkellänge zwischen der Mitte der Nuf bzw. der Feder kann kleiner sein als der Abstand der genannten Mitte zur Längsachse; die vordere Schenkellänge ist außerdem größer als der genannte Abstand abzüglich der Hälfte der Schenkelbreite im Bereich der Schenkelspitze. Hierdurch wird in einfacher Weise sichergestellt, daß bei einer Beschädigung des Schenkels dieser in der Regel von den anderen Schenkeln gehalten werden kann und sich an diesen abstützt. Die Gefahr einer Verstopfung der Kanäle wird wesentlich verringert. In einer besonderen Ausgestaltung ist die Nuttiefe wenigstens um einen Faktor im Bereich zwischen 3 und 5, zweckmäßig etv»a 4, größer als die Federhöhe. Es sind also in den Schenkeln öffnungen vorhanden, welche auch eine Querströmung von einem zum anderen Kanal ermöglichen. Eine solche Querströmung kann sich ausbilden, wenn ein Kanal ganz oder auch teilweise zugesetzt ist oder die Gitterung ungleichmäßig beaufschlagt wird.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele der Kreuzgittersteine weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Aufsicht auf vier Kreuzgittersteine einer Lage,

F i g. 2, 3 eine seitliche Ansicht bzw. eine Aufsicht eines einzelnen Kreuzgittersteines,

F i g. 4, 5 eine seitliche Ansicht bzw. Aufsicht eines T-förmigea Steines,

F i g. 6, 7 eine seitliche Ansicht bzw. Aufsicht eines L-förmigen Steines und

Fig.8 eine explosionsartige Darstellung einer aus mehreren Lagen aufgebauten Gitterung.

F i g. 1 zeigt vier feuerfeste Kreuzgittersteine 2 einer

ίο hier nicht weiter dargestellten Lage einer Gitterung. Die vier Steine sind derart angeordnet, daß jeweils vier Schenkel 4 sternförmig zueinander ausgerichtet sind. Die Längsachsen 6 der Kreuzgittersteine 2 stehen senkrecht zur Zeichenebene. Auch die Seitenflächen 8, 10 stehen senkrecht zur Zeichenebene. Sie verlaufen zueinander verjüngt zur Schenkelspitze 12. Die Seitenflächen 8, 10 sind zweckmäßig eben ausgebildet und verlaufen somit zueinander konisch verjüngt vom Kern zur Schenkelspitze 12. Im Rahmen der Erfindung können die Seitenflächen 8,10 aber auch abgewandelte Konturen aufweisen, wie es beispielhaft durch die strichpunktierten Linien 14 angedeutet ist. Wesentlich ist, daß die Schenkelbreite 16 im Bereich des Kerns 18 größer ist als die Schenkelbreite 20 im Bereich der Schenkelspitze 12.

Die Schenkel 4 weisen eine freie Schenkellänge 22 auf, wobei in der Mitte eine mittlere Schenkelbreite 24 gegeben ist. Im Rahmen der Erfindung liegt das Verhältnis der freien Schenkellänge 22 zur mittleren Schenkelbreite 24 im Bereich zwischen 6 :1 und 2:1.

In der Zeichnung ist ferner ein weiterer Stein 26 dargestellt, welcher zu einer unterhalb der bisher erwähnten Kreuzgittersteine 2 befindlichen Lage einer Gitterung gehört. Wie ersichtlich, decken die Schenkelspitzen der vier Kreuzgittersteine 2 den Kern des Steines 26 keineswegs vollständig ab, sondern es sind jeweils vier Teilbereiche 28 der Kernoberfläche freigelassen. Aufgrund der verjüngten Anordnung der Seitenflächen 8, 10 weisen die zwischen den Schenkeln vorhandenen Kanäle 30 einen etwa rautenförmigen Querschnitt auf. Die größere Diagonale 32 verläuft von Schenkelspitze zu Schenkelspitze. Zur Verdeuchtlichung ist in einem Kanal durch Schraffur dessen Fläche dargestellt. Da die Steine der unteren Lage entsprechend dem Stein 26 versetzt angeordnet sind, verlaufen die Diagonalen der dortigen Kanalabschnitte im wesentlichen rechtwinklig zu der hier dargestellten größeren Diagonale 32. Es ist ersichtlich, daß im Übergangsbereich von der einen zu der anderen Lage über den gesamten Umfang an den dort vorhandenen Abrißkanten eine turbulente Strömung auftritt, welche einen guten Wärmeübergang zur Folge hat.

Die Schenkel 4 weisen im Bereich der Schenkelspitze 12 Endflächen 34 auf, welche unter einem Winkel von 45° bezüglich der Längsebene des jweiligen Schenkels angeordnet sind. Einander gegenüberliegende Endflächen 34 weisen einen vorgegebenen Abstand zueinander auf, damit Wärmedehnungen gefahrlos aufgenommen werden können und Verspannungen vermieden werden. Falls, insbes. infolge einer Überbeanspruchung, ein Schenkel abbrechen sollte, so wird in einfacher Weise durch benachbarte Schenkel eine Abstützung erreicht. Die Gefahr einer Verstopfung der Kanäle wird folglich verringert. Grundsätzlich könnten die Schenkelspitzen auch eine abgerundete Kontur aufweisen, wobei dann allerdings im Schadensfalle auch eine entsprechend kleinere Auflagefläche vorhanden wäre. Die dargestellten ebenen Endflächen 34 ergeben eine vergleichsweise große Auflagefläche.

F i g. 2 zeigt eine Seitenansicht eines kreuzförmigen Steins 2, dessen Schenkel an der unteren bzw. oberen Begrenzungsfläche 36, 38 eine Nut 40 bzw. eine Feder 42 aufweisen. Die Mitte der Nut 40 bzw. die der Feder 42 weist zur Längsachse 6 einen Abstand 44 auf. Zwisehen der Nutmitte und der Schenkelspitze ist eine vordere Schenkellänge 46 gegeben, die kleiner ist als der Abstand 44.

Die genannte vordere Schenkellänge 46 ist darüber hinaus größer als der Abstand 44 abzüglich der halben Schenkelbreite 20. Es ist ersichtlich, daß aufgrund dieser Dimensionierung die oben erläuterte Abstützung im Falle einer Beschädigung eines Steines gewährleistet wird.

Die Nut 40 weist eine Tiefe 50 auf, die um einen js vorgegebenen Faktor größer ist als die Federhöhe 52. Bei übereinandergesetzten Steinen ist also in den Schenkeln 4 eine Öffnung 54 vorhanden, die ggfs. eine Querströmung zuläßt. Es sei festgehalten, daß diese öffnung 54 hier größer ist als das bei derartigen Nut- und Federverbindungen übliche Spiel zum Toleranzausgleich o. dgl. Beim üblichen Spiel liegt der Faktor etwa in der Größenordnung von 1,2. Bei dem augeführten Beispiel liegt der Faktor von Nuttiefe 50 zur Federhöhe 52, bevorzugt im Bereich zwischen 3 und 5, wobei ein Faktor im Bereich von 4 sich als besonders günstig erwiesen hat.

Fig.3 zeigt in einer Aufsicht den Kreuzgitterstein gemäß F i g. 2, wobei hier die vier rechtwinklig angeordneten Schenkel 4 klar zu erkennen sind. Die ebenen Seitenflächen 8, 10 verlaufen zueinander konisch verjüngt zur Schenkelspitze 12. Die auf den oberen Begrenzungsflächen 38 befindlichen Federn 42 verlaufen rechtwinklig zu den Schenkelachsen; Entsprechendes gilt auch für die in den unteren Begrenzungsflächen befindliehen Nuten. Aufgrund der ineinandergreifenden Nuten und Federn der Steine benachbarter Lagen wird eine große Gitterungsstabilität gewährleistet und darüber hinaus wird ein Verdrehen der Steine weitgehend unterbunden.

Die F i g. 4 und 5 zeigen einen T-förmigen Stein 48 mit drei Schenkeln 4. Die Nuten 40 und die Federn 42 weisen hier im Hinblick auf ein Spiel aufeinander abgestimmte Tiefen bzw. Höhen auf. Wie nachfolgend noch zu erläutern ist, kann ein derartiger T-förmiger Stein als Seitenstein in einer Gitterung zum Einsatz gelangen. Daher kann im Rahmen der Erfindung der in F i g. 5 nach unten weisende Schenkel 4 an seiner unteren Begrenzungsfläche eine vergrößerte Nut aufweisen, wie es oben anhand von F i g. 2 erläutert ist, um eine Öffnung für είπε Querströrr.ung zu erhalten. Ggfs. können abεr auch sämtliche drei Schenkel 4 eine entsprechend vergrößerte Nut aufweisen.

F i g. 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform eines L-förmigen Steines 56. Ein derartiger Stein 56 kann in einer Gitterung als Eckstein zum Einsatz gelangen. Die Nuten 40 und Federn 42 weisen aufeinander abgestimmte Tiefen bzw. Höhen auf, damit bei aufeinandergesetzten Steinen das erwähnte Spiel vorhanden ist Auch ein derartiger L-förmiger Stein 56 kann eine vergrößerte Nut, ähnlich F i g. 2, aus den o. g. Gründen aufweisen.

F i g. 8 zeigt eine explosionsartige Darstellung einer Gitterung, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit von den einzelnen Lagen nicht sämtliche Steine dargestellt sind. Von der obersten Lage ist ein L-förmiger Stein 56 zu erkennen, welcher zu den T-förmigen Steinen 48 der darunter befindlichen Lage versetzt angeordnet ist. Die weitere Lage weist wiederum als Eckstein einen L-förmigen Stein 56 und als Seitensteine T-förmige Steine 48 auf. Ferner ist in dieser Lage auch ein Kreuzgitterstein 2 mit vier Schenkeln zu erkennen. Es ist ersichtlich, daß eine derart aufgebaute Gitterung eine große Stabilität aufweist. Aufgrund der Nut- und Federverriegelung der einzelnen Steine ist ein Verdrehen praktisch ausgeschlossen. Schließlich sei hervorgehoben, daß durch die Ausgestaltung der Steine eine geringe spezifische Flächenbelastung gegeben ist. Die versetzte Anordnung der Steine von Lage zu Lage ergibt in Verbindung mit den sich verjüngenden Schenkeln über den gesamten Umfang turbulente Strömungsbedingungen und es wird somit ein wesentlich verbessert er Wärmeübergang erreicht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kreuzgitterstein aus feuerfestem Material zur Erstellung einer Gitterung in Regenerativkammern von Schmelzöfen, mit mindestens zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Schenkeln, die über Abrundungen an einen Kern anschließen und deren beide Seitenflächen im wesentlichen parallel zur Längsachse des Steins angeordnet sind, wobei das Verhältnis der freien Schenkellänge des Schenkels zur mittleren Schenkelbreite zwischen 6 :1 und 2 :1 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenflächen (8, 10) jedes Schenkels (4) zueinander verjüngt zur Schenkelspitze (12) verlaufen, so daß die zwischen jeweils vier Schenkeln (4) von zwei Steinen (2,48,56) gebildeten Kanäle (30) einen etwa rautenförmigen Querschnitt aufweisen.

2. Kreuzgitterstein nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß an der Schenkelspitze (12) Endflächen (34) unter einem Winkel in der Größenordnung von 45° bezüglich der Längsebene des Schenkels (4) angeordnet sind.

3. Kreuzgitterstein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (4) an ihren unteren Begrenzungsflächen (36) eine quer zu den Achsen der Schenkel verlaufende Nut (40) und an ihren oberen Begrenzungsflächen (38) eine ebenfalls quer zu den Achsen der Schenkel verlaufende Feder (42) aufweisen.

4. Kreuzgitterstein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Schenkellänge (46) zwischen der Mitte der Nut (40) bzw. der Feder (42) kleiner ist als der Abstand (44) der genannten Mitte zur Längsachse (6), und daß die vordere Schenkellänge (46) größer ist als der genannte Abstand (44) abzüglich der Hälfte der Schenkelbreite (20) im Bereich der Schenkelspitze (12).

5. Kreuzgitterstein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuttiefe (50) wenigstens um einen Faktor im Bereich zwischen 3 und 5, zweckmäßig etwa 4, größer als die Federhöhe (52) ist.