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Die
Erfindung betrifft einen Schachtofen mit einem Mantel, der an der
Innenseite wenigstens teilweise mit Kühlplatten versehen ist, wobei
durch jede Kühlplatte
wenigstens ein vertikaler Kanal verläuft, dessen Enden mit Verbindungsenden
verbunden sind, die bezüglich
der Ebene der Kühlplatte
quer verlaufen. In diesem Zusammenhang ist Mantel so zu verstehen,
daß er
das Metallgehäuse
des Ofens bedeutet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
der neuen Kühlplatten.
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Eine
Standardausführungsform
eines Schachtofens ist ein Hochofen für die Reduktion von Eisenerz.
Allerdings werden Schachtöfen
häufig auch
für andere
Zwecke verwendet. Wo der folgende Text die Erfindung unter Bezug
auf Anwendungen für einen
Hochofen beschreibt, weist diese Beschreibung auch Anwendungen für andere
Typen von Schachtöfen
auf.
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Die
thermischen Belastungen, die der Wand eines Hochofens auferlegt
werden, sind allgemein äußerst hoch.
Diese thermischen Belastungen können
beispielsweise in der Größenordnung
von 250000 W/m2 liegen. Um eine Beschädigung des
Metallgehäuses
des Ofens zu verhindern, ist es deshalb nötig, diese Wand mit einem Kühlsystem
zu versehen. Eines der Mittel, die häufig für diesen Zweck benutzt werden,
ist die Verwendung von sogenannten Kühlplatten. Dies sind Metallplatten,
die an der Innenseite des Stahlgehäuses befestigt sind, das auch
als Mantel oder Stahlmantel bekannt ist, wobei wenigstens ein vertikaler
Kanal durch diese Kühlplatten
verläuft.
Diese Kanäle
werden dann mit Verbindungsenden verbunden, die durch den Mantel
verlaufen. Diejenige Seite der Kühlplatte,
die zu der Innenseite des Ofens gewandt ist, kann mit Ausnehmungen
versehen sein, in welche feuerfeste Normalsteine eingepaßt sind,
um den direkten thermischen Kontakt zwischen dem heißen Ofeneinsatz
und der Kühlplatte
zu vermeiden. Allerdings werden auch unverkleidete Kühlplatten
verwendet, wobei die Kühlplatte
in diesem Fall so intensiv gekühlt
wird, daß dagegen
eine verfestigte Kruste gebildet wird. Diese verfestigte Kruste
besteht aus Schlackenbestandteilen und Bestandteilen des Einsatzes
in dem Ofen.
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Herkömmlicherweise
werden Kühlplatten aus
Gußeisen
hergestellt. Allerdings hat man herausgefunden, daß Gußeisenplatten
zu Problemen führen
können,
wenn das feuerfeste Ofenfutter abgenutzt wird oder wenn Teile der
Kruste brechen oder abschmelzen. Genauer kann eine plötzliche
Erhöhung
der thermischen Belastung auf der Kühlplatte, teilweise aufgrund
struktureller Änderungen
in dem Material der Kühlplatte
zur Verformung der Kühlplatte und
Bewegungen führen,
die besonders dann, wenn sie mehrere Male wiederholt werden, zu
Rissen und Lecks in den Wasserkanälen führen können. Lecks dieser Art können in
gewissem Maße
vermieden werden, indem die Kanäle
abgeschlossen werden. Wenn eine Anzahl von Lecks vorliegen, kann
es notwendig sein, den Ofen abzuschalten und Notreparaturen durchzuführen.
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Früher wurde
vorgeschlagen, diese Nachteile zu reduzieren, indem die Kühlplatten
nicht aus Gußeisen,
sondern aus Kupfer gegossen werden. Die EP-A-816 515 offenbart einen
Schachtofen nach der Einleitung von Anspruch 1. Der vertikale Kanal, der
durch jede Kühlplatte
verläuft,
sowie seine Verbindungsenden, die quer bezüglich der Ebene der Kühlplatte
verlaufen, sind aus einem kontinuierlichen Kupferrohr gebildet,
das an seinen Enden gebogen wird. Aufgrund der besseren thermischen
Leitfähigkeit
von Kupfer kann eine solche Platte höhere thermische Belastungen
aushalten, während
Temperaturdifferenzen innerhalb der Kühlplatte niedriger sind. Folglich
wird dadurch auch die Gefahr von Lecks und Rißbildung in der Kühlplatte
verringert. Nichtsdestotrotz hat man herausgefunden, daß selbst
mit gegossenen Kupferkühlplatten
langfristig Probleme entstehen können,
unter anderem als Ergebnis von Ermüdungsphänomenen in dem Material und
aufgrund von Gußfehlern,
die in den gegossenen Kupferkühlplatten
vorliegen. Um diese Nachteile zu beseitigen, ist in der
US 4,382,585 vorgeschlagen,
daß eine Kühlplatte
nicht durch Gießen
von Kupfer, sondern eher durch Bearbeitung eines dicken, gewalzten
oder geschmiedeten Kupferblechs hergestellt wird. In diesem Fall
werden die Kanäle
durch dieses Blech gebohrt und in manchen Fällen an den Enden wieder blockiert.
Es hat sich erwiesen, daß diese
Auslegung auch Nachteile hat. Das Blockieren der Enden der Kanäle kann
wieder zu Leckage führen.
Ebenso ist die Gestalt solcher Kühlplatten
aufgrund der Art begrenzt, auf welche sie hergestellt werden. Eine
profilierte Oberfläche
an der Ofenseite kann nur mit hohen Kosten erreicht werden, während das
Bohren langer Kanäle
die Länge
der Kühlplatten
begrenzt. Allgemein liegt ein Nachteil der bekannten Kupferkühlplatten
darin, daß die
Verbindungsenden ebenfalls aus Kupfer bestehen. In vielen Fällen ist
Kupfer zu weich, um mechanische Verbindungen für die Kühlplatten herzustellen.
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Deshalb
besteht ein Bedarf an einem Schachtofen, dessen Mantel mit Kühlplatten
versehen ist, die vorherrschend aus Kupfer bestehen und nicht die
beschriebenen Nachteile haben. Darüber hinaus soll diese Kühlplatte
eine Form haben, welche die thermischen Belastungen reduziert und
die Bildung einer stabilen Kruste ermöglicht, wobei ein zusätzlicher
Schutz und thermische Isolierung für die Kühlplatte vorgesehen ist.
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Man
hat herausgefunden, daß ein
solcher Schachtofen erfindungsgemäß erhalten werden kann, wenn
das kontinuierliche Rohr, welches den vertikalen Kanal und die Verbindungsenden
bildet, aus einem Material hergestellt ist, welches aus der Gruppe
ausgewählt
ist, die aus kohlenstoffarmem Stahl, rostfreiem Stahl und einer
Legierung besteht, die vorherrschend Cu und Ni mit einem Ni-Gehalt
von > 28 Gew.-% aufweist.
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Bevorzugt
haben die Rippen eine Länge
in der Breitenrichtung der Kühlplatte
von < 50 %, bevorzugt < 25 % der Breite
der Kühlplatte.
Die beschriebene Kupfer-/Nickel-Legierung hat einen höheren Schmelzpunkt
als Kupfer, so daß im
Ergebnis der Kupferkörper
der Kühlplatte
um diese Rohr gegossen werden kann, ohne daß das Rohr selbst auch schmilzt.
Es hat sich herausgestellt, daß es
möglich ist,
Kupfer-Nickel-Legierungen mit einem hohen Nickelgehalt zu Rohren
hoher Qualität
geformt werden können,
die allgemein für
Wärmetauscherrohre
unter beanspruchenden mechanischen, thermischen und chemischen Bedingungen
verwendet werden. Selbst wenn der gegossene Kupferkörper beginnt,
Poren oder Risse zu zeigen, wird es aufgrund der hohen Qualität des verwendeten
Rohrs immer noch keine Wasserleckage geben. Da die Kühlplatte
ferner mit Rippen an der Seite versehen werden, die dem Ofeninhalt
zugewandt ist, werden zwischen diesen Rippen Räume gebildet, in welchen sich
eine Kruste bilden kann. Die Kruste kann aus Schlacke, Erz, Eisen oder
einer Mischung daraus bestehen. Die Kruste kann auch vorbereitet
worden sein, indem feuerfeste Normalsteine, Beton oder Massen zwischen
den Rippen aufgebracht wurden. Wenn sich die Rippen verjüngen, bedeutet
dies, daß der
Wärmefluß zu dem Hauptkörper der
Kühlplatte
reduziert ist, was für
die Haltbarkeit der Kühlplatte
günstig
ist. Indem mehrere Rippen nebeneinander an der Kühlplatte angeordnet und kurz
gemacht werden, lassen sich auch hohe thermische Beanspruchungen
in diesen Rippen vermeiden, so daß auch sie selbst eine längere Lebensdauer
haben.
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Allerdings
können
die Rippen nach der Erfindung auch so gestaltet sein, daß sie sich
zu ihren freien Enden fern von dem Hauptkörper der Kühlplatte hin verdicken. Dies
verhindert die Lockerung der Kruste von innerhalb der Rippen, was
einen zusätzlichen
Schutz für
die Kühlplatte
garantiert.
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Es
sei bemerkt, daß die
US-Patentschrift Nr. 3,853,309 eine mit Wasser gekühlte Blasdüse offenbart
hat, bei welcher ein Kupfer-Nickel-Rohr
ebenfalls in Kupfer über
einen Teil seiner Länge
gegossen wird. Allerdings betrifft die Verwendung von Blasdüsen in einem
Hochofen technisch gesehen ein völlig anderes
Problem als die Kühlung
einer Ofenwand mit Hilfe von Kühlplatten.
Es wird ferner bemerkt, daß ein gekühlter Kupferbehälter, der
durch Gießen
von Kupfer über
ein Netzwerk von Kühlrohren
aus Monelmetall zur Verwendung bei einem Elektronenstrahlschmelzverfahren
bekannt ist, vgl. Proceedings of the Conference on Electron Beam
Melting and Refining, Englewood, NJ (US), 1986, S. 45 – 52.
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Nach
der Erfindung hat sich herausgestellt, daß eine Legierung, die zwischen
65 und 70 Gew.-% Ni, etwa 3 Gew.-% Fe und < 1 eines oder mehrerer der Elemente
Mn, Si und C enthält,
ein besonders geeignetes Material für das kontinuierliche Rohr
ist, das nach der Erfindung verwendet wird. Die Verwendung von Monel,
das eine Zusammensetzung von etwa 28 % Cu, 68 % Ni, 3 Fe, 1 % Mn
und niedrige Si- und/oder C-Gehalte hat, ist besonders bevorzugt.
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Eine
wichtige Funktion der Rippen liegt darin, daß sie die Bildung einer Kruste
an der Oberfläche der
Kühlplatte
zulassen, und daß sie
insbesondere auch fähig
sind, diese Kruste an Platz zu halten. Der letztgenannte Faktor
ist auch unzweifelhaft in Hinsicht auf die Tatsache von Bedeutung,
daß der
Einsatz, der sich kontinuierlich in dem Hochofen nach unten bewegt,
eine hohe Reibungskraft auf die Wand und damit insbesondere auf
die gebildete Kruste ausübt.
Schließlich
wird ein großer
Teil dieser Reibungskraft von den Rippen absorbiert, die dadurch
Gefahr laufen, beschädigt
zu werden. Um zu gewährleisten, daß diese
Rippen gut dieser Reibungskraft widerstehen können, hat sich nach der Erfindung
als höchst vorteilhaft
herausgestellt, diese Rippen mit stützenden Rückseiten versehen. Diese stützenden
Rückseiten
gewährleisten,
daß die
auferlegte vertikale Belastung von der Kühlplatte besser absorbiert
und verteilt wird. Als Ergebnis ist die Gefahr reduziert, daß die Rippen
verformt werden, abbrechen oder auf andere Weise beschädigt werden.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
dieser Rippen mit einer stützenden
Rückseite
ist jede der Rippen mit einer stützenden
Rückseite
im Querschnitt T-förmig,
parallel zu der Ebene der Kühlplatte. Nach
einer weiteren Ausführungsform
hat jede der Rippen mit unterstützenden
Rückseiten
einen Querschnitt in Form eines +, parallel zu der Ebene der Kühlplatte.
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An
Stellen, wo die Reibungskraft des fallenden Einsatzes extrem hoch
sein kann, kann es ratsam sein, die Rippen mit mehreren stützenden
Rückseiten
zu versehen. Nach einer möglichen
Ausführungsform
nach der Erfindung sind die Rippen zu diesem Zweck mit stützenden
Rückseiten
an jeder Seite in der Nähe
ihrer Enden versehen.
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Kupfer
als ein Material für
Kühlplatten
ist beträchtlich
teurer als Gußeisen.
Allerdings hat sich wegen der viel besseren thermischen Leitfähigkeit
von Kupfer als derjenigen von Eisen herausgestellt, daß beträchtliche
Materialmengen über
die Gestalt der Kühlplatte
gespart werden können.
Bei einer möglichen
Ausführungsform
der Kühlplatte
ist die Wand zu diesem Zweck mit wellenförmigen Ausnehmungen an der
Seite der Verbindungsenden an jeder Seite jedes Kanals versehen,
in welchen Ausnehmungen verstärkende
Wände,
welche die Ausnehmungen ausfüllen, über die
Höhe der
Kühlplatte
verteilt sind. Trotz der Tatsache, daß die Kühlplatte folglich lokal verdünnt wurde,
bleibt sie ausreichend stark. Ebenfalls hat sich herausgestellt,
daß es
gegebenenfalls in Kombination mit diesen wellenförmigen Ausnehmungen an der
Seite der Verbindungsenden auch möglich ist, bei einer anderen
Ausführungsform
der Kühlplatte
nach der Erfindung die Wand an der Seite fern von den Verbindungsenden
mit wellenförmigen Ausnehmungen
an jeder Seite jedes Kanals zu versehen. Auch dadurch können beträchtliche
Materialmengen gespart werden.
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Zusätzlich zu
der beschriebenen Kühlplatte betrifft
die Erfindung auch einen Schachtofen, der mit einem Mantel versehen
ist, welcher an der Innenseite wenigstens teilweise mit den oben
beschriebenen Kühlplatten
versehen ist.
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Schließlich betrifft
die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Schachtofens
mit einer Kühlplatte
nach der Erfindung. Bei der Herstellung der Kühlplatte erhält das kontinuierliche
Rohr (oder die Rohre) zunächst
seine endgültige
Gestalt, woraufhin das Kupfer für
den zu bildenden Kühlplattenkörper darum
mit einer Temperatur gegossen wird, welche so nahe an dem Schmelzpunkt
des Rohrmaterials liegt, daß es
nach der Abkühlung
des gegossenen Materials an dem Rohrmaterial angebracht ist. Aus
diesem Verfahren ergibt sich, daß praktisch kein Widerstand
gegen den Durchgang von Wärme
zwischen dem kontinuierlichen Rohr und dem umgebenden Kupfer der
Kühlplatte
vorliegt. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß der Begriff Kupfer so zu
verstehen ist, daß er
nicht nur völlig
reines Kupfer bedeutet, sondern auch schwachlegiertes Kupfer mit
einer Zusammensetzung, wie es gewöhnlich für die Herstellung von Kupferkühlplatten
verwendet wird.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezug auf einige diagrammatische Figuren
erläutert.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine Kühlplatte;
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2 zeigt
ein Detail dieser Platte in einem vergrößerten Maßstab;
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3 zeigt
einen Teil eines Querschnitts durch die in 1 gezeigte
Kühlplatte
in einem vergrößerten Maßstab;
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4 zeigt
eine Perspektivansicht zur Veranschaulichung des Details von 2;
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5 zeigt
eine mögliche
Ausgestaltung von Rippen mit stützenden
Rückseiten;
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6 zeigt
kleinere Rippen in größeren Anzahlen;
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7 zeigt
Rippen mit zusätzlichen
stützenden
Rückseiten;
und
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8 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Rippen mit stützenden Rückseiten.
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In 1 und 3 bezeichnet
(1) das Stahlgehäuse
eines Hochofens (den sogenannten Mantel). Ein gegossener Kupferkühlplattenkörper ist
mit (2) bezeichnet, durch welchen ein eingegossenes Rohr
(3) verläuft.
Dieses Rohr ist aus Monel hergestellt. Die Verbindungsenden (4)
und (5) des kontinuierlichen Rohrs (3) ragen durch Öffnungen
in dem Mantel (1), durch welche Kühlwasser von außerhalb des
Ofens durch die Kühlplatte
innerhalb des Ofens zirkulieren und damit diese Platte kühlen kann.
Aus 3 ist zu ersehen, daß mehrere kontinuierliche Rohre
(3) in die Kühlplatte
(2) gegossen sein können.
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Der
Raum zwischen dem Mantel (1) und die Kühlplatte kann mit einer Vergußmasse (6)
gefüllt sein.
Befestigungsschrauben zum Anbringen der Kühlplatte an dem Mantel (1)
von außerhalb
des Ofens sind nicht gezeigt. Dieses Befestigungsverfahren ist herkömmlicher
Natur, wie es üblicherweise
bei Kühlplatten
verwendet wird.
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Sich
verjüngende
Rippen (7) sind auf die Ofenseite der Kühlplatte gegossen. Diese Rippen
(7) können über die
Oberfläche
der Platte in einem Muster wie dem in 5 gezeigten
verteilt sein. Da die Länge
dieser Rippen begrenzt ist, können
sich unmöglich
hohe thermische Beanspruchungen in diesen Rippen aufbauen. Eine
vertikale Reibungskraft, welche ein sich nach unten bewegender Einsatz
auf die Rippen ausüben
kann, kann durch stützende Rückseiten
(9) absorbiert werden (vgl. 2 und 5).
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Sich
verfestigendes Krustenmaterial (8) kann sich zwischen den
Rippen und gegebenenfalls den stützenden
Rückseiten
sammeln, wobei eine thermische Isolierung zwischen dem Ofeninhalt
und der Kühlplatte
gebildet wird. Die Gestalt der Rippen verhindert, daß diese
Kruste wieder leicht von dem sich nach unten bewegenden Einsatz
abgerissen wird. Darüber
hinaus begrenzt die sich verjüngende Form
der Rippen eine hohe thermische Belastung auf der Kühlplatte über die
Rippen. Wenn die Kruste (8) dicker wird, wird derjenige
Teil der Rippen kleiner, der Wärme
ausgesetzt ist.
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Falls
nach einer längeren
Verwendung der Kühlplatten
und/oder als Ergebnis fluktuierender thermischer Belastungen auf
diese Platten als Ergebnis stark divergierender Betriebsbedingungen
die Kühlplatten
beschädigt
werden sollten, wird diese Beschädigung
auf kleine Risse (13) in der Nähe der Außenkante der Rippen begrenzt,
wie dies in 4 angedeutet ist. Man hat herausgefunden,
daß Beschädigungen
dieser Art begrenzt bleiben und sich sicherlich nicht in den Hauptkörper der
Kühlplatte fortpflanzen
werden. Selbst wenn in diesem Bereich als Ergebnis extremer Betriebsbedingungen
Beschädigungen
entstehen sollten, führt
dies nicht zu einer Beschädigung
der eingegossenen Monel-Rohre.
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3 zeigt
ferner, wie es möglich
ist, bei der Konstruktion der Kühlplatten
Kupfer zu sparen, indem die wand (11) der Kühlplatte,
die dem Mantel (1) zugewandt ist, um die Rohre (3)
wellenförmig
gemacht wird. Die Festigkeit der Kühlplatte kann aufrechterhalten
werden, indem verstärkende
Wände (12)
in den gebildeten Ausnehmungen angeordnet werden, die über die
Höhe der
Kühlplatte
verteilt sind.
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Auf ähnliche
Weise ist es auch möglich,
diejenige Oberfläche
(10) der Kühlplatte
wellenförmig
zu machen, die dem Ofeninhalt zugewandt ist.
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Die
Rippen (7) können
größer oder
kleiner gemacht werden, je nachdem, ob erwünscht ist, daß sie mehr
oder weniger tief in den Ofen eindringen. 6 zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher kleinere Rippen (7) mit stützenden Rückseiten (9) in einem
dichter gepackten Muster angeordnet sind.
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Falls
unter Bedingungen gearbeitet wird, unter denen extrem hohe Reibungskräfte von
einem sich nach unten bewegenden Einsatz erwartet werden können, ist
empfohlen, daß jede
Rippe mit mehreren stützenden
Rückseiten
versehen ist. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform
sind vier stützende
Rückseiten
(15 – 18)
an jeder Rippe (4) angeordnet. Diese Gestalt sieht einen
zusätzlichen
Widerstand dagegen vor, daß eine
Kruste (8) abgerissen wird, die sich gebildet hat.
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8 zeigt
noch eine Ausführungsform
(20) der Rippen mit stützenden
Rückseiten.
Diese haben die Form aufrechter Kreuze.