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Die Erfindung bezieht sich auf einen wassergekühlten Deckel
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für Industrieöfen, insbesondere Lichtbogenöfen, mit einer Tragkonstruktion
aus einem wassergekühlten Tragring, der über radial verlaufende Tragarme mit einem
wassergekühlten Innenring als Aufnahme eines feuerfesten Herzstücks verbunden ist,
und an den Tragarmen befestigten wassergekühlten Deckensegmenten.
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Moderne Lichtbogenöfen weisen nicht nur einen wassergekühlten Oberofen,
sondern auch einen wassergekühlten Deckel mit Elektrodendurchführungen und einem
vierten Deckelloch zum Absaugen der Ofengase auf. Einen solchen Ofendeckel beschreibt
die deutsche Offenlegungsschrift 29 17 755; er besteht aus einer speichenradartigen
Tragrohrkonstruktion mit einem auf der Ofenwandung ruhenden Außenring, von dem im
Abstand voneinander Tragrohre abgehen und sich radial bis zu einem Innenring erstrecken.
Der Innenring dient zur Aufnahme eines feuerfesten, d.h. nicht gekühlten Herzstücks
mit den üblichen drei Elektrodenöffnungen. Zwischen den radial verlaufenden Tragrohren
befinden sich Deckensegmente aus einer Rohr-an-Rohr Konstruktion. Das Kühlwasser
tritt in den Außenring ein und strömt von dort durch die radial verlaufenden Tragrohre
zu dem als Verteiler fungierenden Innenring und von dort zu den gegebenenfalls noch
in mehrere Sektoren unterteilten Deckensegmenten.
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Diese Deckelkonstruktion ist insbesondere angesichts des hohen Material
aufwandes und der umfangreichen Schweißarbeiten beim Herstellen der Rohrsegmente
außerordentlich aufwendig, zumal diese aus mäanderförmig gebogenen Rohren bestehen.
Hinzu kommen ungünstige, zur Wirbelbildung und zum Ablösen neigende Strömungsverhältnisse
insbesondere an den Kühlwasserumlenkstellen.
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Bekannt ist aus der deutschen Patentschrift 25 46 142 auch ein Ofendeckel
aus zwei konzentrischen Bauteilen in Form wassergekühlter Kästen, d.h. einem ringscheibenförmigen,
auf der Ofenwandung ruhenden Außenteil und einem darin eingesetzten Herzstück mit
den drei Elektrodenöffnungen und einer Abgasöffnung. Der ringscheibenförmige Teil
besteht aus einem Bodenblech und einer Abdeckung, zwischen denen sich radiale Versteifungsrippen
erstrecken und sektorförmige Kühlkammern bilden. In diese Kühlkammern erstrecken
sich jeweils radial von innen und außen nicht zur gegenüberliegenden Kammerwandung
durchgeführte Stege, die hier einen schlangenförmigen, jedoch im wesentlichen jeweils
in radialer Richtung verlaufenden Kühlwasserstrom erzwingen. Dieser Ofendeckel ist
zwar konstruktiv weniger aufwendig; dies wird jedoch erkauft mit einer schlechteren
Kühlwirkung, die insbesondere dadurch bedingt ist, daß es an den Umlenkstellen des
Kühlwasserstroms aufgrund des nach außen hin zunehmenden Krümmungsradius der Strömung
über den Querschnitt zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, darüber hinaus
aber auch zu einer Wirbelbildung, zum Abreißen der Strömung von der Deckelwandung
und schließlich dazu kommt, daß es tote Ecken gibt, in denen das Kühlwasser nahezu
steht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen konstruktiv
verhältnismäßig einfachen Ofendeckel insbesondere mit einer wirksamen Kühlung der
Tragkonstruktion zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem
Ofendeckel der eingangs erwähnten Art der Trag- und der Innenring erfindungsgemäß
aus mehreren untereinander verbundenen, in Strömungsrichtung hintereinander geschalteten
Kühlkammern bestehen. Vorzugsweise besteht der Tragring aus zwei konzentrischen,
über einen Gleichrichterdurchlaß miteinander
verbundenen, mit einer
radialen Trennwand versehenen Kammern. Ein Vorlaufrohr durchragt die äußere Kammer
und mündet über einen Gleichrichterdurchlaß in die Innenkammer. Das Vorlaufrohr
speist das Kühlwasser direkt in die Innenkammer; es durchströmt alsdann nacheinander
beide Kammern und verläßt die Außenkammer über einen dem Vorlaufrohr benachbarten
Rücklaufstutzen.
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Der Innenring kann aus drei übereinanderliegenden, in Strömungsrichtung
hintereinander geschalteten und jeweils über Gleichrichterdurchlässe miteinander
verbundenen sowie jeweils mit einer Trennwand versehenen Kammern bestehen. Dabei
sollte der Kühlwasserzulauf über eine Vorlaufkammer mit einem Gleichrichterdurchlaß
direkt in die untere Kammer münden, um das noch kalte Kühlwasser feuerseitig einzuspeisen
und zunächst durch die untere Kühlkammer, alsdann durch die mittlere und schließlich
durch die obere Kühlkammer zu führen.
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Ein ähnlich günstiger Strömungsverlauf ergibt sich, wenn die Tragarme
durch eine liegende Leitwand mit einem Gleichrichterdurchlaß horizontal unterteilt
sind und demgemäß der Kühlwasserstrom U-förmig geführt wird. Auch das erlaubt ein
feuerseitiges Einspeisen des Kühlwassers und damit eine bevorzugte Wärmeabfuhr aus
den besonders beanspruchten Deckelbereichen.
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Die zwischen den radial verlaufenden Tragarmen befindlichen Deckensegmente
weisen stehende, eine mäanderförmige, vorzugsweise jeweils quer zum Deckelradius
gerichtete Strömung ergebende stehende Leitwände auf, die vorzugsweise mit Gleichrichterdurchlässen
versehen sind. Dabei können sich der Kühlwassereinlaß und der Kühlwasserauslaß jeweils
in
einer Kammer mit einem beispielsweise wabenförmigen Gleichrichterdurchlaß
zum egalisieren der Kühlwasserströmung befinden.
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Um ein glattes Anliegen der Kühlwasserströmung im Bereich der Umlenkstellen
zu gewährleisten und die Ansammlung von Luftblasen in an den Umlenkstellen ansonsten
entstehenden Totwirbeln zu vermeiden, können bei dem erfindungsgemäßen Deckel in
Strömungsrichtung vor- und/oder hinter den Gleichrichterdurchlässen Rundungen, insbesondere
Tropfenprofile angeordnet sein, die das Entstehen stationärer Wirbel verhindern
und dafür sorgen, daß ständig Wasser in das Ablösungsgebiet nachströmt. Die Gleichrichterdurchlässe
bestehen vorzugsweise aus einem Gitter mit kreisförmigen Öffnungen. Die Gitteröffnungen
können jedoch feuerseitig auch einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Der freie
Gitterquerschnitt sollte 30 bis 40% des Gesamtquerschnitts betragen, um den Druckverlust
an den Durchlässen in Grenzen zu halten, eine Randgängigkeit zu vermeiden und gleichzeitig
eine ausreichende Strömungsberuhigung zu gewährleisten. Dem können auch trichterförmige
Kühlwasserzu- und -ablauföffnungen dienen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Ofendeckel, Fig. 2 einen Vertikalschnitt
nach der Linie II-II in Fig. 1
Fig. 3 die vergrößerte Darstellung
eines abgewickelten Längsschnitts durch den Innenring des Deckels im Bereich des
Kühlwasservor- und -rücklaufs, Fig. 4 einen vergrößerten Horizontalschnitt durch
den Tragring im Bereich des Kühlwasservor- und -rücklaufs, Fig. 5 einen Deckelausschnitt
mit einer Draufsicht auf einen Tragarm, Fig. 6 einen Vertikalschnitt nach der Linie
VI-VI in Fig. 5, Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Teil des Deckels mit einem Deckensegment,
Fig. 8 einen Horizontalschnitt durch ein Deckensegment Fig. 9 einen Schnitt nach
der Linie IX-IX in Fig. 8, Fig. 10 einen Längsschnitt quer zur Strömungsrichtung
durch einen wabenförmigen Gleichrichterdurchlaß, Fig. 11 einen Querschnitt nach
der Linie XI-XI in Fig. 10.
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Der dargestellte Deckel ist für einen Lichtbogenofen bestimmt und
besteht aus einem Tragring 1, von dem aus sich radial nach innen Tragarme 2 zu einem
Innenring 3 erstrecken, in dem ein Herzstück 4 mit drei Elektrodenöffnungen 5 angeordnet
ist. Der Außenring 1, die Tragarme 2 und der Innenring 3 schließen segmentförmige
Felder ein, in denen Deckensegmente 6 angeordnet sind. Eines dieser Deckensegmente
weist einen wassergekühlten Abgasstutzen 7 auf.
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Der Innenring 3 besteht aus drei übereinander angeordneten Kammern
8, 9, 10 mit Zwischenwänden 11, 12 und einer Trennwand 13. In den Zwischenwänden
11, 12 befindet sich je ein Gleichrichterdurchlaß 14, 15, während auf der einen
Seite der Trennwand 13 eine Vorlaufkammer 16 mit einer Trennwand 17 und einem Gleichrichterdurchlaß
18 und auf der anderen Seite eine Rücklaufkammer 19 mit einem Gleichrichterdurchlaß
20 angeordnet ist. In Strömungsrichtung vor den Gleichrichterdurchlässen 14, 15
befindet sich jeweils ein Tropfenprofil 21, 22, die eine Gleichverteilung des Kühlwassers
im Bereich der Umlenkstellen bewirken und das Kühlwasser insbesondere auch in die
sonst häufig toten Ecken drückt.
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Das Kühlwasser strömt durch die Vorlaufkammer 16 und den Gleichrichterdurchlaß
18 in die untere bzw. feuerseitige Kammer 8, von dort durch den Gleichrichterdurchlaß
14 in die mittlere Kammer 9 und von dort schließlich über den Gleichrichterdurchlaß
15 in die obere Kühlkammer 10, die es durch den Gleichrichterdurchlaß 20 und die
Rücklaufkammer 19 verläßt. Auf diese Weise wird zunächst die untere, d.h.
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heiße Deckelseite mit Kühlwasser beaufschlagt, das alsdann über die
Gleichrichterdurchlässe 14, 15 von Kühlkammer zu Kühlkammer geführt wird. Die Gleichrichterdurchlässe
14, 15 bewirken dabei im Bereich der Umlenkstellen eine gleichmäßige Strömungsverteilung
und im Zusammenwirken mit den Tropfenprofilen 21, 22 an der Innenseite der Umlenkung
ein gut durchströmtes Ablösungsgebiet mit einer glatt anliegenden Strömung ohne
die Gefahr, daß sich in Totwirbeln Luftblasen ansammeln und die Wärmeabfuhr verringern.
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Außerdem drücken die Tropfenprofile 21, 22 die Kühlwasserströmung
in die ihnen gegenüberliegenden Kammerecken und verhindern dort die Bildung stehenden
Wassers.
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Der Tragring 1 besteht aus zwei nebeneinanderliegenden bzw.
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konzentrischen Kammern 23, 24 mit einer Leitwand 25 und einer Trennwand
26, beiderseits derer sich je ein Gleichrichterdurchlaß 27, 28 mit einem benachbarten
Tropfenprofilen 29, 30 befindet. Unmittelbar neben der Trennwand 26 durchragt ein
Vorlaufrohr 31 die außen liegende Ringkammer 23, von der in der Nachbarschaft des
Vorlaufrohrs 31 ein Rücklaufstutzen 32 abgeht.
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Das Kühlwasser tritt durch das Vorlaufrohr 31 und den Gleichrichterdurchlaß
28 direkt in die Innenkammer 24 ein und beaufschlagt somit direkt die heiße Seite
des Tragrings 1. Nach dem Durchströmen der Innenkammer 24 gelangt das Kühlwasser
über den Gleichrichterdurchlaß 27 in die Außenkammer 23, aus der es durch den Rücklaufstutzen
32 abströmt.
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Mit dem Tragring 1 stehen die Tragarme 2 in der Weise in Verbindung,
daß eine untere Kühlkammer 33 direkt an die Innenkammer 24 und eine obere Kühlkammer
34 direkt an die Außenkammer 23 des Tragrings angeschlossen sind. Zwischen den beiden
Kammern 33, 34 erstreckt sich eine liegende Leitwand 35 mit einem Tropfenprofil
36 in unmittelbarer Nachbarschaft eines Gleichrichterdurchlasses 37. Demgemäß strömt
das Kühlwasser aus der Innenkammer 24 in die untere Kühlkammer 33 und von dort über
den Gleichrichterdurchlaß 37 und die obere Kammer 34 zurück in die Außenkammer 23.
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Demzufolge wird auch bei den Tragarmen 2 ebenso wie bei dem Tragring
1 und dem Innenring 3 die Feuerseite bevorzugt gekühlt.
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Die Tragarme 2 sind mit Laschen 38 des Innenrings 3 verschweißt und
weisen beiderseits Konsolen 39 auf, mit denen die Deckensegmente 6 fest verbunden
sind.
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Jedes Deckensegment 6 weist Leitwände 40 mit Gleichrichterdurchlässen
41 sowie eine Vorlaufkammer 42 mit einem Kühlwasserzulauf 43 und einem Gleichrichterdurchlaß
44 sowie eine Rücklaufkammer 45 mit einem Gleichrichterdurchlaß 46 und einem Kühlwasserablauf
47 auf. Demgemäß strömt das Kühlwasser von dem Kühlwasserzulauf 43 durch die Vorlaufkammer
42 und den Gleichrichterdurchlaß 44 ausgehend mäanderförmig im wesentlichen quer
zum Deckelradius durch das Deckensegment 6, bis es über den Gleichrichterdurchlaß
46 und die Rücklaufkammer 45 zu dem Kühlwasserablauf 47 gelangt.
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Die verschiedenen wabenförmigen Gleichrichterdurchlässe bestehen aus
einem Gitter 48 mit überwiegend kreisförmigen Öffnungen 49 und im Querschnitt U-förmigen
Öffnungen 50 unmittelbar an der Feuerseite. Auf diese Weise ergibt sich an der Feuerseite
eine stärkere Kühlwirkung als an der gegenüberliegenden bzw. kälteren Seite. Die
einzelnen Öffnungen 49, 50 besitzen abgerundete Kanten nach Art eines Doppeltrichters.
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Insgesamt ergibt sich somit ein Kühlsystem mit optimalen Strömungsverhältnissen
und bevorzugter Kühlung der Feuerseite des Deckels.
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