DE4325826A1 - Mit einer Mantelkühlung versehenes metallurgisches Gefäß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mit einer Mantelkühlung versehenes metallurgisches Gefäß, insbesondere zur Stahlerzeugung, wie ein Konverter, mit einem Stahlmantel und einer an dessen Innenseite vorgesehenen feuerfesten Auskleidung sowie mit den Stahlmantel berührenden Kühlmittelkanälen. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines metallurgischen Gefäßes.

Ein Gefäß dieser Art ist beispielsweise aus der DE-A-17 83 006 bekannt. Das metallurgische Gefäß ist hier ein Konverter, dessen Konverterhut mit einer Wasserkühlung versehen ist. Wasserdurch­ flossene Kühlrohre sind auf dem kegelstumpfförmigen Außenmantel des Konverterhutes an dessen Außenseite angeordnet. Die Kühl­ rohre können aus in Längsrichtung halbierten Rohren gebildet sein, wobei die Kühlmittelkanäle einerseits durch den Stahlman­ tel des Konverters und andererseits von den Rohren gebildet sind. Diese Lösung weist jedoch den Nachteil auf, daß die ge­ samte abzuführende Wärmemenge durch den Stahlmantel des metal­ lurgischen Gefäßes hindurchgeführt werden muß, so daß der Stahl­ mantel eine hohe thermische Belastung aufzunehmen hat. Ein wei­ terer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Kühlrohre gegen Bärenansätze etc. geschützt sein müssen, so daß eine eigene Abdeckung derselben notwendig ist.

Aus der DE-A- 28 54 306 ist ein Lichtbogenofen bekannt, bei dem im Mantelbereich des Obergefäßes und im Ofendeckel Kühlmit­ telleitungen für Luft- oder Wasserkühlungen innerhalb der feuerfesten Ausmauerung eingebettet sind. Diese Wasserkühlung wird wegen der Explosionsgefahr beim Zusammentreffen von Wasser und flüssigem Stahl (Knallgasbildung) keinesfalls im Untergefäß angewendet und aus den gleichen Gründen auch nicht im Konverter. Ein stark gekühltes Rohr innerhalb der feuerfesten Ausmauerung im Bereich der Stahlschmelze ist aus Stabilitätsgründen eben­ falls nicht erwünscht.

Aus der US-A-4,241,232 ist die Ausbildung der Wand eines Obergefäßes eines Elektrolichtbogenofens durch aneinander geschweißte Kühlrohre bekannt, die auf der Innenseite Veran­ kerungsteile für die Verbindung mit der feuerfesten Auskleidung aufweisen, auf der Außenseite jedoch keinen stabilen Stahlmantel aufweisen. Für einen Konverter, der aufgrund seiner Kippbewe­ gungen hohen Stabilitätsanforderungen genügen muß, ist diese Lösung ebenfalls so wie für den Unterteil eines Elektrolichtbo­ genofens nicht brauchbar.

In letzter Zeit werden in Konvertern und Elektroöfen für die Stahlerzeugung bei der feuerfesten Auskleidung als Verschleiß­ futter vermehrt Magnesium-Carbon-Steine eingesetzt, die eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als gewöhnliche Magnesit­ steine aufweisen. Dadurch wird der Stahlmantel des metallurgi­ schen Gefäßes viel heißer als bei der bisher üblichen Ausmaue­ rung. Das höhere Temperaturniveau verkürzt die Lebensdauer des metallurgischen Gefäßes wesentlich, da auftretende thermische Spannungen im Stahlmantel zu Verformungen führen, wodurch auch die Festigkeit der Ausmauerung beeinträchtigt wird. Um den Stahlmantel trotzdem auf dem üblichen Temperaturniveau halten zu können, muß er durch ein zusätzliches bzw. verbessertes Kühl­ mittelsystem gekühlt werden. Die Erhöhung der durchströmenden Kühlmittelmenge erbringt nicht das gewünschte Ergebnis, da der Wärmetransport und der Wärmeübergang in den einzelnen Schichten als Funktion der Zeit begrenzt ist.

Diese Problematik ist bereits in der EP-B-0 196 432 für einen Elektrolichtbogenofen angesprochen, und als Lösung ist dort vorgeschlagen, den Stahlmantel an seiner Außenwand mit offenen oder geschlossenen Kühlrippen zu versehen und so die Wirkung einer Luftkühlung zu verbessern. Diese Lösung weist jedoch ebenfalls den Nachteil auf, daß die gesamte abzuführende Wärmemenge durch den Außenmantel hindurchdringen muß, so daß dieser einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein metallurgisches Gefäß der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem eine hohe Kühlleistung erzielt werden kann, jedoch die thermischen Belastungen des Stahlmantels gering gehalten sind. Das metal­ lurgische Gefäß soll trotz einer effizienten Kühlvorrichtung eine hohe Stabilität aufweisen, so daß das metallurgische Gefäß ohne weiteres, d. h. ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand, auch kippbar gelagert sein kann. Weiters soll eine Explosions­ gefahr ausgeschaltet sein und die Außenseite des metallurgischen Gefäßes glattwandig gestaltet werden können, so daß sich an­ setzende Bären in einfacher Weise beseitigt werden können, ohne irgendwelche Kühleinrichtungen des metallurgischen Gefäßes zu beschädigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlmittelkanäle an der Innenseite des Stahlmantels zwischen diesem und der feuerfesten Auskleidung vorgesehen sind und daß die Kühlmittelkanäle an eine Gaszuführ- und gegebenenfalls an eine Gasabführleitung angeschlossen sind.

Bei einem erfindungsgemäßen metallurgischen Gefäß ist es mög­ lich, die Kühlmittelkanäle auch im von Schmelze benetzten Teil des metallurgischen Gefäßes vorzusehen, ohne daß die Gefahr einer Knallgasbildung gegeben ist. Da die Kühlmittelkanäle an der Innenseite des Stahlmantels vorgesehen sind, ist selbst dann, wenn sich die Kühlmittelkanäle bis in den von Schmelze benetzten unteren Teil des metallurgischen Gefäßes, gegebenen­ falls über seinen Boden, erstrecken, eine Beeinträchtigung der Kipplagerung des metallurgischen Gefäßes - wenn dieses z. B. als Elektrolichtbogenofen mit an seiner Unterseite angeordneten Kufen ausgebildet ist - nicht gegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Stahlmantel die äußere Begrenzung der Kühlmittelkanäle, wobei zweckmäßig die Kühlmittelkanäle vom Stahlmantel einerseits und andererseits von mit dem Stahlmantel verbundenen, einen konvexen Querschnitt auf­ weisenden Profilen, wie Halbrohren, gebildet sind.

Ist das metallurgische Gefäß mit einem Dauerfutter unterhalb des Verschleißfutters ausgekleidet, so sind zweckmäßig die Kühlmit­ telkanäle von einem Dauerfutter, vorzugsweise gebildet aus feuerfestem Beton, bedeckt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle vom Stahlmantel einerseits und von am Stahlmantel innenseitig angeschweißten Stegen sowie vom Dauer­ futter andererseits gebildet sind, wobei zweckmäßig die Stege einen etwa rechtwinkelig zur Innenseite des Stahlmantels ausgerichteten Teil und einen etwa parallel zum Stahlmantel liegenden Teil aufweisen und wobei weiters zwischen den parallel zum Stahlmantel gerichteten Teilen benachbarter Stege ein Zwischenraum vorgesehen ist, wodurch eine erhöhte Elastizität bzw. eine Möglichkeit, Wärmedehnungen aufzunehmen, gegeben ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlmittelkanäle vom Stahlmantel einerseits und von am Stahlmantel angeschweißten Stegen sowie einer eine Mehrzahl von Stegen überdeckenden und zumindest mit dem ersten sowie dem letzten Steg verbundene Stahlplatte gebildet sind.

Bei dieser Variante ist vorteilhaft jeweils eine Gruppe von Kühlmittelkanälen, die von einer Stahlplatte überdeckt sind, benachbart zu einer weiteren Gruppe von Kühlmittelkanälen angeordnet, die ebenfalls von einer Stahlplatte bedeckt ist, wobei zwischen den die benachbarten Gruppen von Kühlmittel­ kanälen bedeckenden Stahlplatten ein Zwischenraum vorgesehen ist.

Zum Erzielen einer besonders effizienten Gas-Kühlwirkung ist ein Verfahren zum Kühlen eines metallurgischen Gefäßes, insbesondere eines Gefäßes zur Stahlerzeugung, wie eines Konverters, mit Hilfe eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch unmittelbar an der Innenseite eines Stahlmantels des metallur­ gischen Gefäßes angeordnete Kühlmittelkanäle strömen gelassen wird, wobei gegebenenfalls das Gas beim Eintritt in die Kühlmittelkanäle mit Wasser gesättigt oder übersättigt ist.

Zweckmäßig beträgt der Übersättigungsgrad maximal 40%, vorzugsweise maximal 30%.

Hierbei liegt vorteilhaft die Eintrittstemperatur des Gases zwischen 30 und 70°C und beträgt die Austrittstemperatur des Gases über 100°C.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei Fig. 1 eine Seitenansicht eines Konverters, u.zw. in Richtung der Tragzapfenachse, Fig. 2 einen Schnitt durch den Konverter in Richtung der Zeichenebene der Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 2 zeigen. In den Fig. 4 und 5 sind in zu Fig. 3 analoger Darstellung weitere Aus­ führungsformen veranschaulicht. Fig. 6 zeigt einen Elektrolicht­ bogenofen im Schnitt.

Das in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Konvertergefäß weist einen Stahlmantel 1 auf, der in einem Tragring 2 eingesetzt ist. Der Tragring 2 ist über Tragzapfen 3 in nicht näher dargestell­ ten Konverterlagern drehbar abgestützt, so daß der Konverter um die Achse 4 in Richtung des in Fig. 1 dargestellten Doppel­ pfeiles 5 kippbar ist.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, ist die Innenseite 6 des Stahlmantels 1 mit Feuerfestbeton 7 oder einem ähnlichen Material bedeckt. An diesen Feuerfestbeton 7 anschließend ist ein Dauerfutter 8 aufgemauert, welches zum Konverterinneren hin von einem Verschleißfutter 9 bedeckt ist.

In der Schicht des Feuerfestbetons 7 sind an der Innenseite 6 des Stahlmantels 1 vorgesehene Kühlmittelkanäle 10 angeordnet, die einerseits vom Stahlmantel 1 und andererseits von mit diesem verschweißten, einen konvexen Querschnitt aufweisenden Profilen 11, wie z. B. Halbrohren 11, gebildet sind. Diese Kühlmittel­ kanäle 10 erstrecken sich bei aufrechtem Konverter in etwa vertikaler Richtung, also in Richtung der Schnittebene der Fig. 2. Die Anspeisung der Kühlmittelkanäle 10 erfolgt über eine den Konverter in Bodennähe umgebenden Ringleitung 12 über den Stahlmantel 1 durchsetzende, die Ringleitung 12 mit jeweils einem Kühlmittelkanal 10 verbindende Rohrstutzen 13.

Zweckmäßig reichen die Kühlmittelkanäle bis zum oberen Ende des Konverters, also bis zur Konvertermündung 14, wo Öffnungen 15 im Stahlmantel 1 vorgesehen sind, durch die das Kühlmittel in eine die Konvertermündung 14 umgebende Ringsammelleitung 16 einmün­ det. Die Ringsammelleitung 16 weist peripher angeordnete Kühl­ mittelaustrittsöffnungen 17 auf, die nach oben von einem die Ringsammelleitung 16 mündungsseitig bedeckenden Ringflansch 18 geschützt sind.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird das Kühlmittel nach Durch­ leitung durch mindestens einen der Tragzapfen 3 den sich außenseitig am Konverter nach unten zu der Ringleitung 12 erstreckenden Kühlmittelleitungen 19 zugeführt. Ein Teil des Kühlmittels kann über knapp oberhalb des Tragringes ange­ ordnete Austrittsöffnungen 20 abgeleitet werden, sofern für den oberen Teil des Konverters nur eine geringere Kühlung erforderlich ist. Diese Öffnungen sind durch Abdeckungen 21 gegen das Eindringen von Material, insbesondere gegen das Eindringen von aus dem Konverter ausgeworfenem Material geschützt.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Kühlmittelkanäle 10 sich bis unterhalb des Schmelzenniveaus 22 des Konverters erstrecken, so daß auch der von Schmelze benetzte Teil des Konverters effizient gekühlt ist.

Als Kühlmittel dient Gas, insbesondere Luft, die über mindestens eine in den Tragzapfen einmündende Gaszuführleitung 23 zugeführt wird.

Von besonderer Effizienz ist die Kühlung bei Verwendung von ge­ sättigter bzw. knapp übersättigter Luft. Gemäß nachstehendem Beispiel betrug die Lufteintrittstemperatur 40°C, der Sätti­ gungsgrad der Luft etwa 1, woraus sich ein Feuchtigkeitsgehalt von 0,005 kg H₂0/kg Luft ergab. Die zu kühlende Fläche des Konverters betrug 136,5 m², und es wurde die oben definierte Luft in einer Menge von 40.000 Nm³/h den Kühlmittelkanälen 10 zugeführt. Daraus ergibt sich ein Wassergehalt pro m² und Sekunde von 0,00423 kg. Die zugeführte Luft wurde auf über 100°C erwärmt, so daß das in der Luft enthaltene Wasser um 60°C erwärmt wurde. Die allein aus dem Wasser resultierende Kühl­ leistung betrug 10.600 Watt/m², was gegenüber der alleinigen Verwendung von vollkommen trockener Luft - deren Kühlleistung beträgt etwa 17.500 Watt/m² - eine Verbesserung von etwa 60% ergibt.

Selbst bei schon weitgehend ausgebranntem Mauerwerk - bei dem bei Verwendung von vollkommen trockener Luft eine Leistung von 33.100 Watt/m² abgeführt wird - ergibt sich noch immer eine Verbesserung von 32%. Diese Prozentsätze können noch weiter verbessert werden, wenn die Luft mit Wasser übersättigt ist.

Gemäß den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen sind die Kühlmittelkanäle 10 ebenfalls einerseits vom Stahlman­ tel 1 und andererseits von am Stahlmantel 1 angeschweißten Stegen 24 gebildet. Gemäß Fig. 4 weist jeder Steg 24 einen etwa rechtwinkelig zur Innenseite des Stahlmantels 1 ausgerichteten Teil 25 und einen parallel zum Stahlmantel ausgerichteten Teil 26 auf, wobei zwischen den parallel zum Stahlmantel gerichteten Teilen 26 benachbarter Stege jeweils ein Zwischenraum 27 vorge­ sehen ist, der vom Dauerfutter 8 überdeckt ist, wobei das Dauer­ futter an den parallel zum Stahlmantel 1 gerichteten Teilen 26 der Stege 24 abgestützt ist.

Diese Ausführungsform erhält die Elastizität des Stahlmantels 1 aufrecht und gestattet dem Stahlmantel 1, Wärmedehnungen ohne Verspannungen aufzunehmen.

Gemäß Fig. 5 sind die Kühlmittelkanäle ebenfalls einerseits vom Stahlmantel 1 und andererseits von am Stahlmantel 1 angeschweiß­ ten Stegen 27 gebildet, wobei jedoch im Gegensatz zur in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform jeweils eine Mehrzahl von Stegen 27 mit einer parallel zum Stahlmantel 1 ausgerichteten Stahl­ platte 28 bedeckt sind, die zumindest mit den randseitig an­ geordneten Stegen 27 verbunden ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist jeweils eine Gruppe z. B. von vier Kühlmittelkanälen 10 von einer Stahlplatte 28 überdeckt, wobei zwischen benachbarten Gruppen von Kühlmittelkanälen 10 ein Zwischenraum 29 vorgesehen ist, der zur Erhaltung der Elastizität des Stahlmantels 1 dient bzw. dem Stahlmantel ermöglicht, Wärmedehnungen ungehindert aufnehmen zu können.

Gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Elektrolichtbogenofen sind Kühlmittelkanäle 10, die ähnlich gestaltet sind, wie die in Fig. 3 dargestellten Kühlmittelkanäle, über den gesamten unteren die Schmelze aufnehmenden Bereich des Elektrolichtbogenofens vorgesehen.

Der Übersättigungsgrad des durch die Kühlmittelkanäle 10 strömenden Gases liegt vorzugsweise zwischen 20% und 30%. Eine Begrenzung nach oben ist dadurch gegeben, daß eine Ansammlung von Wasser in den Kühlmittelkanälen 10 vermieden werden soll, was wiederum von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases abhängt. Bei hoher Strömungsgeschwindigkeit wäre auch ein Übersättigungsgrad, der etwas über 30% liegt, möglich, jedoch sollten maximal 40% nicht überschritten werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern läßt sich auch für andere metallurgische Gefäße als Konverter und Elektrolicht­ bogenöfen verwirklichen, beispielsweise für Pfannen, in denen schmelzmetallurgische Vorgänge durchgeführt werden.

Die Erfindung ermöglicht folgende Vorteile:

• - An der Außenseite des metallurgischen Gefäßes brauchen keine zusätzlichen Anbauten vorgenommen werden und der Außenmantel des metallurgischen Gefäßes ist nicht durch vorgehängte Elemente verdeckt, was der Betriebssicherheit dient.
• - Auswürfe oder herabfallende Bären können das Kühlsystem nicht beschädigen.
• - Von außen schwer zugängliche Stellen, wie z. B. Tragsterne bei der Tragringaufhängung eines Konverters, können von innen problemlos gekühlt werden.
• - Konverter, bei denen der Spalt zwischen Stahlmantel 1 und Tragring 2 sehr klein ist, können in diesem Bereich ebenfalls von innen problemlos gekühlt werden.
• - Ein Großteil der Wärme wird, bevor sie den Stahlmantel erreicht, abgeführt.
• - Erfindungsgemäß ist die Kühlwirkung um mindestens 60% höher als bei metallurgischen Gefäßen, bei denen nur die Außenseite gekühlt ist.
• - Eine eigene Konverterhutkühlung ist bei einem erfindungs­ gemäß gekühlten Konverter nicht erforderlich.
• - Es sind keine besonderen Steuerungseinrichtungen erfor­ derlich.

Claims (12)

1. Mit einer Mantelkühlung versehenes metallurgisches Gefäß, insbesondere zur Stahlerzeugung, wie ein Konverter, mit einem Stahlmantel (1) und einer an dessen Innenseite (6) vorgesehenen feuerfesten Auskleidung (7, 8, 9) sowie mit den Stahlmantel (1) berührenden Kühlmittelkanälen (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (10) an der Innenseite (6) des Stahlmantels (1) zwischen diesem und der feuerfesten Auskleidung (7, 8, 9) vorgesehen sind und daß die Kühlmittelkanäle (10) an eine Gaszuführ- (23) und gegebenenfalls an eine Gasabführleitung (16, 17) ange­ schlossen sind.

2. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (10) im von Schmelze benetzten Teil des metallurgischen Gefäßes, gegebenenfalls an dessen Boden, vorgesehen sind.

3. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlmantel (1) die äußere Be­ grenzung der Kühlmittelkanäle (10) bildet.

4. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (10) vom Stahlmantel (1) einerseits und andererseits von mit dem Stahlmantel (1) verbundenen, einen konvexen Querschnitt aufweisenden Pro­ filen (11), wie Halbrohren (11), gebildet sind (Fig. 2, 3).

5. Metallurgisches Gefäß nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (10) von einem Dauerfutter (7, 8), vorzugsweise gebildet aus feuerfestem Beton (7), bedeckt sind.

6. Metallurgisches Gefäß nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle (10) vom Stahlmantel (1) einerseits und von am Stahlmantel (1) innenseitig angeschweißten Stegen (24) sowie vom Dauerfutter (7, 8) andererseits gebildet sind (Fig. 4).

7. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege (24) einen etwa rechtwinkelig zur Innenseite (6) des Stahlmantels (1) ausgerichteten Teil (25) und einen etwa parallel zum Stahlmantel (1) liegenden Teil (26) aufweisen, wobei zwischen den parallel zum Stahlmantel (1) gerichteten Teilen (26) benachbarter Stege (24) ein Zwischenraum (27) vorgesehen ist (Fig. 4).

8. Metallurgisches Gefäß nach einem oder mehreren der An­ sprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ mittelkanäle (10) vom Stahlmantel (1) einerseits und von am Stahlmantel (1) angeschweißten Stegen (27) sowie einer eine Mehrzahl von Stegen (27) überdeckenden und zumindest mit dem ersten sowie dem letzten Steg (27) verbundene Stahl­ platte (28) gebildet sind (Fig. 5).

9. Metallurgisches Gefäß nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils eine Gruppe von Kühlmittelkanälen (10), die von einer Stahlplatte (28) überdeckt sind, benachbart zu einer weiteren Gruppe von Kühlmittelkanälen (10) angeordnet ist, die ebenfalls von einer Stahlplatte (28) bedeckt ist, wobei zwischen den die benachbarten Gruppen von Kühlmittelkanälen (10) bedeckenden Stahlplatten (28) ein Zwischenraum (29) vorgesehen ist (Fig. 5).

10. Verfahren zum Kühlen eines metallurgischen Gefäßes, insbesondere eines Gefäßes zur Stahlerzeugung, wie eines Konverters, mit Hilfe eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch unmittelbar an der Innenseite (6) eines Stahlmantels (1) des metallurgischen Gefäßes angeordnete Kühlmittelkanäle (10) strömen gelassen wird, wobei gegebenenfalls das Gas beim Eintritt in die Kühlmittelkanäle (10) mit Wasser gesättigt oder übersättigt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übersättigungsgrad maximal 40%, vorzugsweise maximal 30%, beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur des Gases zwischen 30 und 70°C liegt und die Austrittstemperatur des Gases über 100°C beträgt.