-
HINTERGRUND
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Einbauten von Drehöfen und
insbesondere Kleeblattstrukturen in Drehöfen und ganz besonders vorgeformte,
modulare Kleeblattstrukturen und Einbaumethoden für diese.
-
Ein
Drehofen ist ein langer, feuerfest ausgekleideter Zylinder, in dem
Material thermisch behandelt wird, während es von seinem oberen
Beschickungsende zu seinem unteren Auslassende strömt. Der
Ofen ist leicht geneigt und dreht um seine Längsachse, um den Materialfluss
zu fördern.
Die meisten Ofenprozesse erfolgen im Gegenstrom, so dass das heiße Gas vom
Materialauslassende zum Materialeinlassende strömt. Der Ofen enthält einen
Stahlmantel mit einer feuerfesten Auskleidung auf seiner inneren
Oberfläche.
Bei größeren Öfen umfasst
die feuerfeste Auskleidung für
gewöhnlich
eine feuerfeste Ausmauerung. Drehöfen arbeiten im Allgemeinen auf
einer 24-Stunden-Basis über
mehrere Monate zwischen geplanten Stillstandzeiten.
-
Drehöfen werden
zum Brennen von Kalkstein, Brennen und Sintern von Dolomit und Magnesit,
Rückbrennen
des Kalkschlamms in Papieranlagen, Verarbeitung von Zement, Brennen
von Erdölkoks,
verschiedene Verbrennungsverfahren und ähnliche thermische Verfahren
verwendet. Beim Kalkherstellungsverfahren wird grober Kalkstein
in das Beschickungsende des Ofens gefüllt. Während sich der zugeführte Kalkstein
den Ofen hinab bewegt, wird er getrocknet und dann durch die heißen Gase
zu Kalk gebrannt.
-
Drehöfen können innere
Wärmetauscherstrukturen,
wie feuerfeste Kleeblattstrukturen oder metallische Wärmetauscher,
aufweisen, die den Querschnitt des Ofens in drei oder mehr Segmente unterteilen,
um die Wärmeübertragung
vom Gas zum Material zu verbessern, das Mischen des Materials zu
verbessern und ähnliche
Nutzen zu erzielen. Obwohl Kleeblattstrukturen die Wärmeübertragung
vom Gas zum Material verbessern, schränken herkömmliche Kleeblattstrukturen
die Gesamtfläche
ein, durch die der im Gegenstand geführte Luftstrom strömen kann.
Eine solche Einschränkung
ist eine unerwünschte
Konstruktionseinschränkung
der Kleeblattstruktur, da die Einschränkung den Druck in der Brennzone
und die Luftgeschwindigkeit im Bereich der Kleeblattstruktur erhöht, wodurch
die Flammenbrenneigenschaften und die Wärmeübertragung beeinflusst werden
und auch die Beladung mit Staub, die vom Luftstrom mitgeführt wird,
erhöht
werden kann. Das Gewicht gegenwärtiger
feuerfester Kleeblattkonstruktionen ist pro Fuß Drehofen deutlich über jenem
einer einlagigen Ausmauerung und übt somit eine zusätzliche
mechanische Belastung auf den Ofenmantel aus.
-
Kleeblattstrukturen
in einem Drehofen sind rauhen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Zum
Beispiel betragen die Gastemperaturen im Inneren eines Drehkalkofens
für gewöhnlich 1000
bis 3000 Grad F in einer hoch basischen Atmosphäre, obwohl Temperaturen außerhalb
dieses Bereichs möglich
sind, abhängig
von der besonderen Anwendung. Die Kleeblattstruktur muss die strukturelle
Last und Erosion von mehreren hundert Tonnen pro Tag von teilweise gebranntem
Stein aushalten, der an den Oberflächen der Kleeblattstruktur
vorbeigleitet oder gegen diese fällt.
Die Kleeblattstruktur wird kontinuierlich mit dem Ofen gedreht,
was die Kleeblattkomponenten unterschiedlichen Kompressions- und
Spannungskräften aussetzt.
Ferner muss die Kleeblattstruktur den Verformungen des Ofenmantels
standhalten, wenn dieser über
seine Rollenstützen
rollt. Die Kleeblattstruktur ist für den Betrieb der Herstellungsanlage
kritisch – ein
häufiges
Versagen einer Kleeblattstruktur während des Betriebs erfordert
ein Anhalten der gesamten Herstellungsanlage zum Zwecke einer Reparatur. Ohne
den verbesserten Wärmeaustausch
durch die Kleeblattstruktur könnte
das Sintern des Produkts unzureichend sein. Viele Öfen verwenden
auch teure metallische Wärmetauscher,
die feuerfeste Kleeblattwärmetauscher
im nachfolgenden Ofenteil benötigen,
um eine Beschädigung
durch hohe Gastemperaturen zu vermeiden. Kleeblattstrukturen verringern im
Allgemeinen den Brennstoffverbrauch und auch die gesetzlich festgelegten
Rauchgasemissionen. Ein Versagen einer Kleeblattstruktur kann daher
bewirken, dass eine Drehofenanlage "nicht vorschriftsmäßig" betrieben wird, was deren Abschalten
oder hohe Geldstrafen zur Folge hat.
-
Herkömmliche
Kleeblattstrukturen sind für gewöhnlich 9
bis 15 Fuß entlang
der Längsofenachse lang,
abhängig
vom Ofendurchmesser und anderen Parametern, und haben "Speichen" oder Schenkel, die
für gewöhnlich 9
bis 12 Inch dick sind. Eine feuerfeste Kleeblattstruktur bietet
häufig
den Großteil
ihres Wärmeaustauschnutzens
in etwa den ersten 3 Inch Materialdicke unterhalb der Oberflächen, die
der Wärme
ausgesetzt sind. Ein "Kleeblattstrukturschenkel" wird heißen Gasen
und Material während
jeder Drehung an zwei Flächen
ausgesetzt; somit sind Kleeblattstrukturdicken von mehr als etwa
6 Inch für die
Wärmeaustauschfunktion
unnötig.
Herkömmliche Kleeblattstrukturen
weisen Schenkeldicken von etwa 9 bis 12 Inch auf, vorwiegend, um
in der belastenden Drehofenumgebung für mechanische Stabilität zu sorgen.
Es hat sich gezeigt, dass diese Dicken wegen der Neigung herkömmlicher
Ziegel, sich gegenüber
der richtigen Ausrichtung zu verschieben und somit vorzeitig zu
versagen, und wegen der Unfähigkeit,
eine zufriedenstellende Festigkeit durch vor Ort gegossene und gehärtete monolithische
Kleeblattstrukturen zu erhalten, notwendig sind.
-
Herkömmliche
Kleeblattstrukturen sind für gewöhnlich aus
einzelnen (für
gewöhnlich
ineinandergreifenden) feuerfesten Ziegeln gebildet, obwohl einige
aus vor Ort gegossenen und gehärteten
Monolithen gebildet werden. Das Herstellungsverfahren zur Produktion
von Ziegeln beinhaltet Hochdruckpressen, häufig bei 15000 bis 20000 Pfund
je Quadratinch (PSI) und Brennen, häufig bei bis zu etwa 2400 Grad
F (oder höher).
Ziegel, die durch Pressen und Brennen erzeugt werden, haben für gewöhnlich eine
hohe Dichte, eine geringe Porosität, eine gute Volumenstabilität beim Erwärmen, und
eine hohe mechanische Festigkeit bei Standard- und erhöhten Temperaturen.
Die Ziegelgröße und Komplexität der Form
sind jedoch durch die mechanischen Begrenzungen der Press- und Handhabungsgeräte eingeschränkt.
-
Ziegelkleeblattstrukturen
weisen daher im Allgemeinen kleine standardisierte, ineinandergreifende
Formen auf, besonders konstruierte und geformte Formen bedürfen, um
Konturen am Mantel und nahe der Nabe zu bilden. Die Einschränkungen der
Ziegeltechnologie erfordern im Allgemeinen Schenkeldicken von mehr
als den etwa 6 Inch, die zur Wärmeübertragung
optimal sind. Der Einbau ist arbeitsintensiv und erfordert besonders
ausgebildete Handwerker zur Bildung der Kleeblattstruktur. Sie benötigen auch
komplizierte Formen (die spezifisch für eine bestimmte Drehofengröße sind),
um sie während
der Konstruktion zu stützen.
Somit ist der Einbau von Ziegelkleeblattstrukturen langsam und teuer.
-
Ferner
umfassen technische Überlegungen hinsichtlich
der Kleeblattkonstruktion den Ofendurchmesser, die Ofenovalität, die erwartete
Ofenverformung, Ausdehnungs- und
Kontraktionseigenschaften des Ziegels beim Erwärmen, den Temperaturbereich
im Ofeninneren und die Art des Produkts.
-
Zum
Beispiel ist ein besonderes Konstruktionsproblem die Wahl der Anzahl
von Verbindungen, die den Kleeblattschenkel bilden. Die Verbindungen ermöglichen
ein geringes Maß an
Verbiegung, zum Beispiel beim Verformen des Ofenmantels während der
Drehung, wodurch die Elastizität
erhöht
und eine übermäßige mechanische
Belastung des Ziegelkleeblattschenkels verringert wird. Das Arbeiten
benachbarter Ziegel, das zu einem Abrieb und Versagen führen kann,
mindert jedoch den Nutzen einer erhöhten Elastizität. Somit
bietet eine angemessene Zahl und Konstruktion von Ziegelkleeblattverbindungen,
die häufig
auf empirischen Kenntnissen beruht, einen Kompromiss für diese
Faktoren.
-
Das
US Patent Nummer 5,330,351 mit dem Titel "Trefoil Construction For Rotary Kilns" ("Ransom") offenbart eine
Kleeblattstruktur, die Schenkel hat, die jeweils aus vier vorgegossenen
Grundformen gebildet sind, die im Ofen zusammengefügt werden. Mehrere
Blöcke
einiger der Formenarten werden zur Bildung der Kleeblattstruktur
verwendet. Herkömmliche
Ziegelkleeblattstrukturen enthalten im Allgemeinen Formen, die ineinander
greifen, zum Beispiel ineinandergreifende Stücke vom Nut- und Federtyp, wie
zum Beispiel im '351
Patent (Ransom) offenbart ist. Die ineinandergreifenden Formen verhindern oder
begrenzen eine relative Bewegung der Ziegel, die die ineinandergreifenden
Teile Scherkräften
aussetzen kann. Wegen der hohen Festigkeit, die für die vorstehenden
Abschnitte erforderlich ist, müssen
die ineinandergreifenden Ziegel oder Formen, die in Drehofenkleeblattstrukturen
verwendet werden, neben anderen Faktoren im Allgemeinen einen hohen
Heißbruchmodul
("hot modulus of
rupture" – HMOR)
haben. Zum Beispiel offenbart das '351 Patent (Ransom) ultrahochfeste gießbare Materialien
mit einem HMOR von 3000 PSI bei 2500 Grad F.
-
Andere
Beispiele für
herkömmliche
Kleeblattstrukturen umfassen das US Patent Nummer 3,030,091 mit
dem Titel "Rotary
Kiln with Heat Exchanger" ("Witkin"), das einen Drehofen
mit einem Kleeblattwärmetauscher
offenbart, wobei jeder Abschnitt einen Damm am stromabwärts liegenden Ende
aufweist. Ferner offenbart das US Patent Nummer 3,036,822 mit dem
Titel "Rotary Kiln
with Built-in Heat Exchanger" ("Anderson") einen Drehofen
mit Trennwänden,
die den Materialstrom in sechs Segmente teilen. Die US Patente Nummer
3,169,016 und 3,175,815 mit dem Titel "Kiln" ("Witken") offenbaren eine
Kleeblattstruktur mit Öffnungen,
die ermöglichen,
dass Material in eine benachbarte Kammer fällt, um die Wärmeübertragung
zu verbessern. Das US Patent Nummer 4,846,677 mit dem Titel "Castable Buttress
for Rotary Kiln Heat Exchanger and Method of Fabricating" ("Crivelli") offenbart einen
Kleeblattdrehofen mit verstärkten
Endabschnitten aus vor Ort gegossenem feuerfestem Material, um ein
Abrutschen der Kleeblattstruktur während der Drehung des Ofens
zu verhindern.
-
In
den letzten 30 Jahren wurden vor Ort gegossene monolithische feuerfeste
Kleeblattstrukturen in handelsüblichen
Drehöfen
eingebaut. Wegen des vorzeitigen Verschleißes, der komplizierten Formen
und des zeitaufwendigeren Einbaus im Vergleich zu Ziegeln wurde
das Vor-Ort-Gießen
jedoch rasch kommerziell unhaltbar. Beim Gießen vor Ort sind Bauformen
im Ofen enthalten, die an dem Ofenmantel befestigt sind. Eine erste
Form mit einer Höhe,
die geringer als der Ofenradius ist, wird am unteren Totpunkt des
Ofens errichtet. Nachdem die gießbare, feuerfeste Masse mit
Wasser gemischt und in die erste Form gegossen wurde und nach einer
Wartezeit von 18 bis 36 Stunden zum Setzen, wird der Ofen um 120
Grad (für
eine dreischenkelige Kleeblattstruktur) gedreht und die erste Form
mit einer vorläufigen
Versteifung gestützt.
Die gießbare
feuerfeste Masse wird in eine zweite Form gegossen, die wie die
erste errichtet und versteift ist, und der Ofen wird um weitere
120 Grad gedreht, so dass die gießbare, feuerfeste Masse in
eine dritte Form gegossen werden kann. Eine Nabenform wird errichtet,
um die innersten Enden der gießbaren
Elemente zu verbinden, und eine gießbare feuerfeste Masse wird
in die Nabenform gegossen. Die Formen werden häufig nach einem Tag Lufttrocknung
entfernt, und der Ofen wird langsam nach einem Trocknungs- und Härtungsschema
der gießbaren
feuerfesten Masse erwärmt.
-
6 (Stand
der Technik) zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer gießbaren Kleeblattstruktur 110 während der
Bildung. Die teilweise gebildete Kleeblattstruktur 110 hat
drei Formen 108A, 108B und 108C, die
mit der gießbaren
feuerfesten Masse 112A, 112B beziehungsweise 112C gefüllt sind,
wobei die Nabenform 109 zum Aufnehmen der gießbaren feuerfesten
Masse bereit ist. Die gegossene Struktur wird durch v-förmige Anker, die nicht dargestellt
sind, an dem Ofenmantel 106 befestigt. Der Drehofenziegel 107 ist
schematisch dargestellt und der Ziegel 107 liegt an der
feuerfesten Masse 112A, 112B und 112C an,
so dass er die Innenfläche
des Ofenmantels 106 bedeckt, nachdem die Formen 108A, 108B und 108C entfernt
sind.
-
Obwohl
vor Ort gegossene Kleeblattstrukturen weniger teuer als Ziegelkleeblattstrukturen
sind, haben sie aus drei Hauptgründen
meist eine kürzere Haltbarkeit
als Ziegelkleeblattstrukturen. Erstens erzeugt das Fehlen von Gelenken
eine übermäßige mechanische
Belastung durch die Drehung und Verformung des Ofenmantels, sowie
durch thermische Faktoren. Zweitens entsprechen gießbare feuerfeste Produkte
im Allgemeinen nicht den Ziegelprodukten hinsichtlich Festigkeit
oder thermischer Eigenschaften, wenn sie nicht unter streng kontrollierten
Bedingungen gegossen/gehärtet
werden. Drittens, da ein Drehofen im kalten Zustand nicht mit voller
Geschwindigkeit gedreht werden kann, da die Gefahr besteht, dass
die Ziegelauskleidung sich vom Mantel löst, aber im heißen Zustand
gedreht werden muss (um ein Absacken des Stahlmantels zu verhindern), wird
für gewöhnlich ein
sehr rasches Erwärmungsschema
verwendet, das eine gießbare
Kleeblattstruktur einer viel kürzeren
als optimalen Härtungsperiode
aussetzt.
-
Zusätzliche
Nachteile des Verfahrens zum Vor-Ort-Gießen umfassen: die Notwendigkeit,
voluminöse
Formen im Inneren des Drehofens zu handhaben, zusammenzufügen und
abzumontieren; die schwierige Härtung
des feuerfesten Monoliths während
des Einbrennens des Drehofens; und die Schwierigkeiten, mit nassen
Materialen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu arbeiten.
-
Unabhängig davon,
wie die Kleeblattstruktur gebildet wird, ist beim Einbau und der
Wartung einer Kleeblattstruktur im Allgemeinen notwendig, den Ofen
und somit die gesamte Herstellungsanlage mehrere Tage abzuschalten.
Zum Beispiel können bei
einem betriebsfähigen
Kalkbrenn-Drehofen ein oder zwei Tage zum Abkühlen des Systems von seiner
Betriebstemperatur notwendig sein, nur um dem Personal Zugang zu
gewähren.
Der große
Zeitaufwand beim Einbauen einer Ziegelkleeblattstruktur oder beim
Bilden einer gegossenen Kleeblattstruktur erhöht die Stillstandzeit und Kosten.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kleeblattstruktur
bereitzustellen, die leicht oder kosteneffektiv herzustellen und
einzubauen ist und gute mechanische und strukturelle Eigenschaften
aufweist, und ein Verfahren zum Einbauen der Kleeblattstruktur bereitzustellen.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Ein
Kleeblattwärmetauscher
gemäß einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung wird zur Verwendung in einem Drehofen
bereitgestellt, der einen zylindrischen Stahlmantel mit einer feuerfesten
Innenauskleidung enthält.
Die Kleeblattstruktur umfasst wenigstens drei speichenartige, feuerfeste
Schenkel. Jeder der Schenkel erstreckt sich im Wesentlichen von
einer Mitte der Kleeblattstruktur radial nach außen und enthält einen
Fuß, ein
Passungsende gegenüber
dem Fuß,
und einen Körper,
der sich zwischen dem Fuß und
dem Passungsende erstreckt.
-
Jeder
Fuß grenzt
an den Ofenmantel an. Jedes Passungsende grenzt an benachbarte Passungsenden
im Wesentlichen in einer Mitte der Kleeblattstruktur an. Jeder der
Schenkel wird außerhalb des
Ofens für
einen Einbau als Einzelschenkeleinheit vorgeformt, so dass der Körper jedes
Schenkels zwischen dem Fuß und
der Passfläche
kontinuierlich ist. Jeder Schenkel stützt andere der Schenkel während der
Ofen dreht, und weist vorzugsweise eine Gesamtlänge auf, die etwa gleich einem
Innenradius des Ofenmantels ist. Jeder Schenkel ist im Wesentlichen
gleichmäßig von
anderen Füßen um den
Umfang beabstandet.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein kanalförmiges Stahlelement bereitgestellt,
das an den Ofenmantel zur Aufnahme des Fußes gekoppelt ist. Das kanalartige
Element kann Unterlegscheiben aufnehmen, um eine Ausrichtung der
Kleeblattstruktur in bezug auf den Ofenmantel zu ermöglichen.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält jedes der Passungsenden ein
Paar gegenüberliegende
Passflächen,
wobei jede der Passflächen
von jedem der Passungsenden eben ist, so dass jeder Passfläche eingreifende
Vorsprünge
und Vertiefungen fehlen. Die Passungsenden können eine Keilform bilden,
wobei jeder Keil an einer Ofenmitte gegen benachbarte Keile presst,
um eine tortenförmige
Nabe zu bilden.
-
Die
vorliegende Erfindung enthält
auch ein Verfahren zum Einbauen einer feuerfesten Kleeblattsstruktur
in einen Drehofen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
a) Vorformen von wenigstens drei Schenkeln außerhalb des Drehofens aus einem
Material, das ein feuerfestes Material umfasst; b) radiales Positionieren
eines ersten der Schenkel an einer ersten Innenfläche eines
Drehofens; c) radiales Positionieren eines zweiten der Schenkel
an einer zweiten Innenfläche
des Drehofens, die von der ersten Oberfläche um den Umfang beabstandet
ist, so dass ein inneres Ende des zweiten Schenkels an ein inneres
Ende des ersten Schenkels angrenzt; d) radiales Positionieren eines dritten
der Schenkel an einer dritten Innenfläche des Drehofens, die von
der zweiten Oberfläche
um den Umfang beabstandet ist, so dass ein inneres Ende des dritten
Schenkels an ein inneres Ende des ersten Schenkels wie auch des
zweiten Schenkels angrenzt, wodurch jeder der mindestens drei Schenkel wenigstens
einen Teil der Kleeblattstruktur während der Drehung des Drehofens
stützt.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
kann das Verfahren auch den Schritt des Vorhärtens oder Vorbrennens der
mindestens drei Schenkel vor Schritt b, Schritt c und Schritt d umfassen.
Ferner kann das Verfahren das Einbauen des zuvor beschriebenen kanalförmigen Elements
umfassen, so dass jeder der radialen Positionierschritte b, c und
d das Einsetzen eines Fußes
des Kleeblattstrukturschenkels in das kanalförmige Element umfasst.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Endansicht einer Kleeblattstruktur gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in einem Drehofen eingebaut ist, der
im Querschnitt dargestellt ist.
-
2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Schenkels, der eine Komponente
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist;
-
3 ist
eine Seitenansicht des Schenkels von 2;
-
4 ist
eine Querschnittsansicht des Schenkels durch die Linien 4-4 von 2 und 3;
-
5A ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Bereichs von 1, der als Bereich 5A bezeichnet
ist;
-
5B ist
eine Querschnittsansicht des in 5A dargestellten
Bereichs, die eine andere Form gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
6 (Stand
der Technik) ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen
vor Ort gegossenen Kleeblattstruktur während der Bildung;
-
7 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung.
-
BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Unter
Bezugnahme auf 1 zur Darstellung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Drehofen 5 ein langes
Rohr, das leicht zu der Horizontalen geneigt ist. Der Ofen 5 umfasst
einen zylindrischen Mantel 6 aus weichem unlegiertem Stahl,
der eine Innenauskleidung 7 aus feuerfestem Ziegel hat.
Jeder der Ziegel ist ein herkömmlicher
Drehofenblock, der nicht parallele oder konisch zulaufende Seiten
hat, so dass die zusammengefügten
Ziegel einen Kreis bilden können.
-
Ein
Kleeblattwärmetauscher 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfast drei unitäre
(das heißt,
einstückige)
vorgegossene, vorgehärtete Schenkel,
die mit den Bezugszeichen 12a, 12b und 12c bezeichnet
sind. Jeder der Schenkel 12a, 12b und 12c ist
länglich
und radial in einem Drehofen 5 ausgerichtet, um im Wesentlichen
dreieckige Räume dazwischen
zu bilden. Diese Räume
bilden die Durchlässe
für festes,
körniges
Material, das im Gegenstrom zu dem Gasstrom fließt. Zahlreiche Kleeblattstrukturen,
wie die Kleeblattstruktur 10, können aneinander gelegt werden,
um eine Kleeblattgruppe (nicht dargestellt) zu bilden, die in Längsrichtung mehrere
Fuß entlang
dem Ofenmantel 6 überspannt, wie
in vielen Industrien bekannt ist, in welchen Drehöfen verwendet
werden.
-
Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Strukturen in den Figuren. 1 verwendet die
Buchstaben "a", "b" und "c" nach
einem Grundbezugszeichen zur Unterscheidung und Identifizierung untereinander
gleicher Strukturen oder Komponenten. Insbesondere ist eine Struktur
oder Komponente mit einer entsprechenden Struktur oder Komponente gleich
oder identisch, die dasselbe Grundbezugszeichen aber eine andere
Buchstabenbezeichnung in 1 hat. In 2 bis 5B werden
die Buchstabenbezeichnungen "a", "b" und "c" nicht
verwendet, die in 1 benutzt werden. Die Struktur
oder Komponente, die mit einem Grundbezugszeichen ohne Buchstabenbezeichnung
in 2 bis 5B bezeichnet ist, zeigt, dass
die dargestellte Struktur oder Komponente jede entsprechende Struktur
oder Komponente zeigen kann, die mit einem Buchstaben bezeichnet
ist. Zum Beispiel ist in 2 bis 5B der Schenkel
mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt um zu zeigen, dass
die Struktur jeder der Schenkel 12a, 12b und 12c,
wie in 1 dargestellt, sein kann. Somit sind die Schenkel 12a, 12b und 12c im
Wesentlichen identisch, obwohl die vorliegende Erfindung die Verwendung
von Schenkeln umfasst, die untereinander nicht identisch sind.
-
Unter
Bezugnahme auf 2 bis 5A und 5B zur
Beschreibung des Schenkels 12, erstreckt sich ein Körper 18 kontinuierlich
von einem Fuß 14 zu
einem Passungsende 16, das dem Fuß 14 gegenüberliegt.
So ist der Schenkel 12 unitär, so dass er nicht aus einzelnen
Ziegeln oder Blöcken
gebildet ist. Wie am deutlichsten in 2 bis 4 dargestellt
ist, ist der Schenkel 12 vielmehr kontinuierlich, integral
als einzelnes unitäres
Gusselement gebildet. Vorzugsweise ist der Schenkel 12 um
die y-z-Ebene in 2 symmetrisch. Die y-Achse liegt entlang
einer Längsmittellinie
C-LEG. Die z-Achse liegt im Wesentlichen entlang der Ofenlängsmittellinie
(nicht dargestellt). Die x''-Achse liegt im Wesentlichen
tangential zu dem Kleeblattradius.
-
Der
Fuß 14 ist
an einem Ende des Schenkels 12 angeordnet und enthält eine
Basisfläche 15.
Der Fuß 14 hat
vorzugsweise eine leicht konische Erweiterung oder Ausbauchung,
so dass die Breite (das heißt,
in eine Richtung tangential zu dem Umfang des Ofenmantels und durch
die Achse x'' in 2 definiert)
der Basis 15 größer als
jene des Körpers 18 des
Schenkels 12 ist.
-
Die
Basisfläche 15 kann
eine Nut 32 aufweisen, die in Längsrichtung im Wesentlichen
parallel zur z-Achse ausgebildet ist. Die Nut 32 kann als
Keilnut zur Aufnahme eines Keils 17 verwendet werden, der
in 2 in Phantomlinien dargestellt ist. Der Keil 17 kann
an der Innenfläche
des Ofenmantels 6 oder an einem Ausrichtungselement befestigt
sein, das in der Folge beschrieben wird. Als Alternative kann der Keil 17 weggelassen
werden. Die Basis 15 kann im Wesentlichen flach sein, kann
gebogen sein, so dass sie der Krümmung
des Ofenmantels 6 entspricht, oder kann mehrere flache
Sehnensegmente umfassend (wie grob in 2 dargestellt
ist).
-
Der
Körper 18 hat
vorzugsweise eine gleichförmige
Breite (das heißt,
entlang der x''-Achse) von der Ausbauchung
des Fußes 14 zu
dem vergrößerten Abschnitt
des Passungsendes 16. Die Breite des Körpers 18 weitet sich
in der Übergangsfläche zwischen
dem Körper 18 und
dem Passungsende 16 aus, bis der Schenkel 12 seinen
maximalen Breitenpunkt 19 erreicht. Das Passungsende 16 bildet
im Wesentlichen eine Keilform an seinem distalen Abschnitt (das
heißt,
an der innersten Spitze, die durch den Ofenquerschnitt und durch
die y-Achse definiert ist). Vorzugsweise ist die Keilform ein symmetrischer Keil 22,
der durch zwei gegenüber
liegende, schräge, nach
außen
weisende, planare Passflächen
gebildet wird: eine erste Oberfläche 24 und
eine zweite Oberfläche 26,
die sich nach innen zu der Mittellinie C-LEG vom maximalen Breitenpunkt 19 erstrecken. Die
erste Oberfläche 24 und
die zweite Oberfläche 26 teilen
vorzugsweise eine gemeinsame Kante, die die innerste oder distalste
Spitze oder Kante des Schenkels 12 definiert.
-
Vorzugsweise
ist jede der Oberflächen 24 und 26 gleichmäßig eben,
so dass ihnen ineinandergreifende Merkmale fehlen. Den Oberflächen 24 und 26 fehlen
vorzugsweise eine Nut- und Federstruktur und eine ähnliche
Struktur, die einen Vorsprung und eine Vertiefung bereitstellt,
um die entsprechenden Teile zu verriegeln. Vorzugsweise sind die
Oberflächen 24 und 26 flach
und weisen keinerlei Merkmale auf und pressen gegen entsprechende
flache und merkmalfreie Oberflächen
benachbarter Schenkel. Die vorliegende Erfindung umfasst jedoch
Vorsprünge
und Vertiefungen, die in den Oberflächen 24 und 26 ausgebildet
sind, so dass die Oberflächen
ineinander greifen (in den Figuren nicht dargestellt) oder auf andere
Weise einen besseren Eingriff haben.
-
Wie
in 3 dargestellt, bilden die Oberflächen 24 und 26 einen
eingeschlossenen Winkel A, der vorzugsweise 120 Grad beträgt. Der
Winkel A ist vorzugsweise gleich 360 Grad dividiert durch die Anzahl
von Schenkeln in der Kleeblattstruktur. Zum Beispiel hat bei Kleeblattstrukturen
mit vier Schenkeln (nicht dargestellt) der Winkel A vorzugsweise
eine leichte konische Erweiterung nach außen (wobei eine solche konische
Erweiterung vorzugsweise radial ist, das heißt, entlang einer Linie senkrecht
zu der Tangente des Ofenumfangs), so dass die vier Keile in der
Mitte der Kleeblattstruktur richtig zusammenpassen. Die Querschnittsform
des Schenkels 12 durch die x''-z-Ebene
in 2 ist vorzugsweise rechteckig, unabhängig davon,
ob der Schnitt durch den Fuß 14, den
Körper 18 oder
das Passungsende 16 genommen wird. Ebenso umfasst die vorliegende
Erfindung jede geeignete Querschnittsform (zum Beispiel: integrale
Nocken oder Dämme),
die für
jene angesichts der vorliegenden Offenbarung offensichtlich sind,
die mit der herkömmlichen
Technologie einer feuerfesten Masse und/oder Kleeblattstruktur vertraut
sind.
-
Der
Schenkel 12 wird aus einem Material vorgegossen und vorgehärtet, das
für Hochleistungsdrehöfen geeignet
ist. Das bevorzugte Material sollte die gewünschte thermische Volumenänderung,
die Temperaturgrenzwerte, mechanische Festigkeit und Erosions- und
Absplitterungsbeständigkeit
für die
besondere Anwendung bieten. Zum Beispiel kann in einer besonderen
Anwendung, in der erwünscht
ist, dass sich die Kleeblattstruktur 10 durch Wärme ausdehnt,
um sich der Wärmeausdehnung
des Ofenmantels anzupassen, ein feuerfestes Material verwendet werden,
das eine minimale Schrumpfung oder geringe Ausdehnung beim Erwärmen auf
die Ofenbetriebstemperatur aufweist, die bei der Kleeblattstruktur
herrscht. Diese Eigenschaft verringert die Wahrscheinlichkeit, dass
die Kleeblattstruktur während
des Anlaufprozesses des Ofens versagt.
-
Der
Begriff "Vorhärten", wie hierin und
in den beiliegenden Ansprüchen
verwendet, soll die Bearbeitungstemperatur vor dem Einbau nicht
einschränken.
Vielmehr umfasst der Begriff "Vorhärten" das Härten durch
Gefrieren, die Trocknung bei Umgebungstemperatur, die Erwärmung bei
Temperaturen bis zu und über
der Rotglut, wie diese Begriffe Personen bekannt sind, die mit der
feuerfesten Technologie vertraut sind. "Vorhärten" entfernt freies
Wasser oder flüchtige
Komponenten, bewirkt die Bildung einer chemischen Bindung und/oder
bewirkt die Bildung einer vorläufigen
keramischen Bindung oder Sinterung. Die besondere Temperatur beim
Vorhärten hängt von
dem besonderen Material und den zugehörigen Variablen ab, wie Personen,
die mit der feuerfesten Technologie vertraut sind, angesichts der vorliegenden
Offenbarung bekannt ist.
-
Wie
zuvor beschrieben, fehlen den Schenkeln 12 vorzugsweise
ineinandergreifende Merkmale. So kann die Kleeblattstruktur 10 aus
einem Material mit einer geringeren mechanischen Festigkeit gebildet
sein als das Material einer herkömmlichen
Ziegel- oder gießbaren
Kleeblattstruktur. Zum Beispiel kann der Schenkel 12 aus
einer zementarmen, hochfesten, aluminiumoxidreichen, gießbaren,
feuerfesten Masse gebildet sein, wie Hymor 3100, die von Plibrico
erhältlich
ist (oder einem äquivalenten
Material von einem anderen Hersteller), für eine Kleeblattstruktur, die
nahe dem Beschickungsende eines Kalkdrehofens angeordnet ist, der
kleinstückigen Kalk
brennt. Als Alternative kann ein ähnliches oder gleiches Material
verwendet werden, das die Kombination aus Temperaturgrenzwerten,
Abriebbeständigkeit,
Ausdehnungs-/Kontraktionseigenschaften und struktureller Festigkeit
aufweist, um besonderen Betriebsbedingungen standzuhalten, wie Personen bekannt
ist, die mit der Kleeblatttechnologie und/oder der besonderen Anwendung vertraut
sind, wie in der Folge ausführlicher
beschrieben wird.
-
Der
Schenkel 12 hat vorzugsweise eine Gesamtlänge L, wie
in 3 dargestellt, die annähernd gleich dem Innenradius
des Ofenmantels ist, wie schematisch mit dem Bezugszeichen R in 1 dargestellt
ist. Insbesondere ist die Schenkellänge L gleich dem Ofenradius
minus einer Toleranz für
Stahlunterlegscheiben und ein Ausrichtungs- oder Positionierelement, und einer
Toleranz für
den Eingriff der Passungsenden 16. Die Stahlunterlegscheiben
und das Ausrichtungselement, die zum Positionieren des Schenkels 12 verwendet
werden, und der Eingriff der Passungsenden 16 sind in der
Folge beschrieben.
-
So
kann für
einen Drehofen mit einem Innenradius R von 5,75 Fuß, der einen
Innenziegeldurchmesser des Ofens von etwa 10 Fuß ergibt, unter der Annahme,
dass der feuerfeste Ziegel 7 radial 9 Inch dick ist, die
Schenkellänge
L etwa 67,25 Inch betragen, wodurch etwa 1,75 Inch für Positionier-
und Eingriffstoleranzen und für
einen Montagetoleranzspielraum erhalten werden. Solche Toleranzen
ermöglichen
den Einbau der Kleeblattstruktur 10 selbst in einem Ofen,
der sehr oval ist (das heißt,
nicht rund ist).
-
Die
Basis 15 kann eine Breite (das heißt in die x''-Richtung) von etwa
9,325 Inch haben, der Körper 18 kann
eine Breite von etwa 8 Inch haben und der Schenkel 12 kann
eine Dicke oder Tiefe D, wie in 2 dargestellt
(das heißt
in die z-Richtung), von etwa 6 Inch bis 18 Inch haben, abhängig von
den besonderen strukturellen Eigenschaften der Anwendung. Auf Grund
typischer Struktur- und Gewichtsüberlegungen
ist eine Schenkeltiefe D von etwa 12 Inch bevorzugt. Jede der Passflächen kann
von der distalen Spitze (das heißt, wo Oberfläche 24 auf Oberfläche 26 trifft)
bis zum Punkt 19 etwa 8 Inch lang sein.
-
Somit
kann der Schenkel 12 eine Größe aufweisen, die einfach durch
den Ofen zur gewünschten Einbaustelle
transportiert werden kann. Zum Beispiel kann ein bevorzugter Schenkel 12,
wie zuvor beschrieben, ein Gewicht von etwa 630 Pfund haben, abhängig von
der besonderen Art des feuerfesten Materials und den verwendeten
Dimensionen, der durch den Ofen mit denselben Geräten transportiert werden
kann, die zum Transportieren einer Ziegel- oder gießbaren feuerfesten
Materialmischung verwendet werden.
-
Unter
Bezugnahme insbesondere auf 1, in der
die zusammengebaute Kleeblattstruktur 10 nach einem Aspekt
der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, ist ein Fuß 14a, 14b oder 14c an
einem Ende jedes der Schenkel angeordnet und liegt an dem Mantel 6 des
Drehofens. Gegenüber
dem Fuß grenzt
jedes der Passungsenden 16a, 16b oder 16c an
ein anderes der Passungsenden. Insbesondere grenzt das Passungsende 16a an
die Passungsenden 16b und 16c; das Passungsende 16b grenzt
an die Passungsenden 16a und 16c; und das Passungsende 16c grenzt
an die Passungsenden 16a und 16b. Der Begriff "angrenzen", wie in dieser Beschreibung
und den beiliegenden Ansprüchen
zur Erklärung
des Verhältnisses
unter Strukturen verwendet, umfasst die Strukturen, die in direktem
(d. h., berührendem)
Kontakt sind und die Strukturen, die in enger Nähe oder nahe zueinander ohne
direkten Kontakt liegen, wie zum Beispiel, wenn zwei Strukturen
durch ein dünnes
Element (wie eine Wärmeausdehnungstoleranz
oder eine Stahlunterlegscheibe) oder einen schmalen Spalt getrennt
sind. Vorzugsweise ist zwischen den Passungsenden 16a, 16b und 16c eine dünne Schicht 27a, 27b und 27c aus
herkömmlichem Mörtel angeordnet,
wie in 1 dargestellt. Gemäß der zuvor beschriebenen Struktur
sind die Passungsenden 16a, 16b und 16c tortenförmige Abschnitte, die
eine Nabe 28 bilden.
-
Unter
Bezugnahme auf 1 und 5A ist zur
Darstellung des Verhältnisses
zwischen Fuß 14 und
Ofenmantel 6 ein Ausrichtungs- oder Positionierelement,
wie gegenüberliegende
Stahlwinkel 30 und 31, bereitgestellt. Die Stahlwinkel 30 und 31 sind
vorzugsweise an die Innenfläche
des Ofenmantels 6 geschweißt und überspannen die Tiefe des Fußes in die z-Richtung (in 5A nicht
dargestellt). Unterlegscheiben 20 und 21 können zwischen
der oberen Oberfläche
der Schenkel von Winkel 30 beziehungsweise 31 angeordnet
sein, um den Schenkel 12 zu positionieren oder auszurichten,
wie in der Folge ausführlicher
beschrieben ist.
-
Unter
Bezugnahme auf 5B zur Darstellung einer weiteren
Ausführungsform
des Ausrichtungs- oder Positionierelements, kann ein kanalförmiges Element,
vorzugsweise ein Stahlkanal 33, zwischen dem Fuß 14 und
dem Ofenmantel 6 angeordnet sein. Ein kanalförmiges Element
umfasst jede Struktur, die ein Paar gegenüberliegender Elemente bereitstellt,
die einen Schenkel 12 stützen oder begrenzen können. Der
Kanal 33 hat vorzugsweise eine Breite, die im Wesentlichen
gleich einer Breite des Schenkels 12 ist, und ist an die
Innenfläche
des Ofenmantels 6 geschweißt, und Unterlegscheiben 23 sind
zwischen der oberen Basisfläche des
Kanals 33 und einer Basisfläche 15 angeordnet,
um den Schenkel 12 zu positionieren oder auszurichten.
-
Unter
Bezugnahme auf 1 und 7 zur Darstellung
eines Verfahrens zum Zusammenfügen der
Kleeblattstruktur 10 gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung werden die Schenkel 12a, 12b und 12c vorzugsweise
hergestellt und in der Fabrik gehärtet (sind daher vorgegossen
und vorgehärtet).
Bei gekühltem
Ofen, so dass dem Personal Zugang möglich ist, und entfernter feuerfester
Ziegelauskleidung 7 aus dem Ofenmantel 6 in dem
Bereich, in dem die Kleeblattstruktur 10 eingebaut werden
soll, wird das Ausrichtungs- oder Positionierelement, zum Beispiel
die Winkel 30 und 31, an eine Innenfläche des
Ofenmantels 6 geschweißt.
Die Winkel 30 und 31 sind so positioniert, dass
ihre Längsachsen
parallel zu der Längsachse
des Ofens und der z-Achse ausgerichtet sind. Die Winkel 30 und 31 liegen
vorzugsweise parallel und sind mit einem Abstand voneinander beabstandet,
der im Wesentlichen gleich der Breite des Fußes 14 an der Basis 15 ist.
Als Alternative kann der Kanal 33 eingebaut werden.
-
Für eine Kleeblattstruktur
mit drei Schenkeln sollte ein Satz von Winkel 30, 31 mit
einem Abstand von 120 Grad eingebaut werden, und der Ofen sollte so
positioniert sein, dass sich die Winkel an der 12-Uhr-, 4-Uhr- und
8-Uhr-Position befinden,
wie mit den Bezugszeichen 38a, 38b und 38c in 1 dargestellt.
Wahlweise kann die Ovalität
des Ofens mit herkömmlichen
Mitteln gemessen werden, um die Anordnung der Unterlegscheiben und
den Ausrichtungsprozess zu erleichtern. Der Ofen kann blockiert werden,
um eine weitere Drehung während
des Einbaus der Kleeblattstruktur zu verhindern.
-
Die
Schenkel 12c und 12b können an der 4-Uhr- beziehungsweise
8-Uhr Position eingebaut und durch eine provisorische Verspannung
gestützt werden.
Die Passungsenden 16c und 16b der Schenkel können mit
einer dünnen
Schicht herkömmlichen
Mörtels überzogen
werden. Die Oberflächen 26b und 24c werden
mit Hilfe von Unterlegscheiben zwischen der Basisfläche 15 der
Schenkel und Winkeln 30 und/oder 31, die den Schenkeln 12b und 12c entsprechen,
so ausgerichtet, dass sie gegenseitig parallel und in der geeigneten
Höhe liegen. Nach
dem richtigen Positionieren der Unterlegscheiben können die
Oberfläche 26b von
Schenkel 12b und die Oberfläche 24c von Schenkel 12c in
Kontakt gebracht werden, wodurch überschüssiger Mörtel ausgepresst wird, um die
Mörtelverbindung 27a zu bilden.
-
Mit
der provisorisch eingebauten Verspannung in dem Ofen kann der Schenkel 12a in
die Winkel 30, 31 in der 12-Uhr-Position hochgezogen
werden. Auf die Oberflächen 24a und 26a kann
auch eine dünne
Mörtelschicht
aufgetragen werden. Da noch keine Unterlegscheiben eingesetzt sind,
hat der Schenkel 12a einen Spielraum, so dass er zwischen den
Winkeln 30 und 31 und den anderen Schenkeln 12b und 12c verschoben
werden kann. Der Schenkel 12a kann vollständig in
Längsrichtung
in die Winkel 30 und 31 an der 12-Uhr-Position
eingesetzt und auf die Schenkel 12b und 12c gesenkt
werden. Der Schenkel 12a kann gesenkt werden, bis das Passungsende 16a mit
den Passungsenden 16b und 16c in Kontakt gelangt.
Zwischen der Basisfläche 15 des Schenkels 12a und
den Winkeln 30 und 31 in der 12-Uhr-Position können Unterlegscheiben
eingesetzt werden, um den Schenkel 12a in der gewünschten Position
auszurichten und zu verkeilen, entsprechend den Struktur- und Wärmeausdehnungseigenschaften
des Materials, das die Schenkel bildet, unter Berücksichtung
der Wärmeausdehnung/Kontraktion des
feuerfesten Materials der Schenkel 12a, 12b und 12c,
der Wärmeausdehnung
des Ofenmantels 6 und der erwarteten Verformung des Mantels 6 bei
der Drehung.
-
Jeder
der Schenkel 12a, 12b und 12c wird dadurch
an dem Ofenmantel durch die nach außen wirkende Presskraft befestigt,
die durch die Unterlegscheiben 20 und 21 übertragen
wird. Der Begriff "befestigen", wie hierin und
in den beiliegenden Ansprüchen
verwendet, umfasst das Zusammenpressen ohne mechanische Befestigungsmittel,
wie unmittelbar zuvor beschrieben, und die Befestigung durch mechanische
Hilfsmittel, wie Halterungen oder Stifte. Zum Beispiel kann ein
Keil 17 an den Ofenmantel 6 oder an ein kanalförmiges Element
geschweißt
sein und in eine Nut 32 eingesetzt werden, um die Bewegung
jedes Schenkels 12 zu begrenzen, wodurch der Schenkel 12 und
die Kleeblattstruktur 10 an dem Ofenmantel 6 befestigt
werden.
-
Beim
Einbau presst die Oberfläche 24a gegen
die Oberfläche 26c und
die Oberfläche 26c presst
gegen die Oberfläche 24b,
wodurch überschüssiger Mörtel heraus
gepresst wird, um Mörtelverbindungen 27b beziehungsweise 27c zu
bilden. Da der Mörtel
vorzugsweise ausreichend dünn
ist, so dass hohe Punkte auf den entsprechenden Passflächen miteinander
in Kontakt gelangen können,
werden die Passflächen 24a und 26c als
in direktem gegenseitigen Kontakt gesehen. Ebenso sind die Passflächen 24b und 26a,
und 24c und 26b in direktem gegenseitigen Kontakt.
-
Somit
sind die Mörtelverbindungen 27a, 27b und 27c vorzugsweise
nur mit einer dünnen
Schicht aus herkömmlichem
Mörtel
gebildet. Die vorliegende Erfindung umfasst die Bildung dickerer
Mörtelverbindungen
durch andere Methoden; und/oder die Verwendung von Stahlunterlegscheiben
oder zusammenpressbaren Wärmeausdehnungsabstandshaltern,
wie für
Personen verständlich
ist, die mit der Hochtemperaturtechnologie für Drehöfen vertraut sind, wodurch
ein direkter Kontakt der entsprechenden Oberflächen 24 und 26 verhindert
wird, obwohl die entsprechenden Oberflächen 24 und 26 aneinander
grenzen. Ferner umfasst die vorliegende Erfindung den vorangehenden
Mörtel,
wodurch die Schenkel 12a, 12b und 12c so
eingebaut werden, dass die Oberflächen 24a und 26c, 24b und 26a,
und 24c und 26b in direkten, trockenen Kontakt
gelangen.
-
Nach
dem Einbau der Schenkel kann ein herkömmlicher Mörtel 40 über jedem
der Winkel 30 und 31 zwischen dem Fuß 14 und
den benachbarten Ofenziegeln 7 eingefügt werden, wie in 5A und 5B dargestellt,
um die Winkel vor der hohen Innentemperatur des Drehofens 5 zu
schützen.
Die Winkel 30 und 31 ermöglichen einen Austausch der Schenkel 12 bei
Entfernung einer minimalen Anzahl von Ofenziegeln 7. Wenn
zum Beispiel die Schenkel 12 nach ihrer normalen Lebensdauer
ausgetauscht werden müssen,
können
die Winkel 30 und 31 eingebaut bleiben und neue
Austauschschenkel 12 und Unterlegscheiben 20 und 21 wie
zuvor beschrieben eingebaut werden.
-
Aspekte
der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf eine bestimmte
Ausführungsform
beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die bestimmten,
hierin beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt und enthält
zahlreiche Variationen, die für
Personen, die mit der Kleeblatt- und/oder feuerfesten Technologie
für Drehöfen vertraut
sind, angesichts der vorliegenden Lehren offensichtlich sind. Zum
Beispiel umfasst die vorliegende Erfindung Kleeblattstrukturen mit
einer größeren Zahl von
Schenkeln als drei und enthält
Kleeblattstrukturen, die eine komplexere Struktur als eine Speichenanordnung
haben. Daher definieren die beiliegenden Ansprüche den richtigen Umfang der
vorliegenden Erfindung.
-
Materialien
-
Beim
Erwärmen
oder Abkühlen
können
feuerfeste Materialien eine "reversible
Wärmeausdehnung" erfahren, die für gewöhnlich mit
TE ("thermal expansion") abgekürzt wird.
Beim Erwärmen über bestimmte
kritische Temperaturen können
feuerfeste Materialien auch eine permanente Größenänderung (infolge interner keramischer
Reaktionen) erfahren, die als "permanente
lineare (oder Volumen-) Änderung" bezeichnet wird – für gewöhnlich abgekürzt mit PLC
("permanent linear
change"). Sowohl
eine TE als auch eine positive PLC (was Zunahme bedeutet) können eine
beachtliche Kraft auf die feuerfeste Auskleidung und den Ofenmantel
ausüben.
Eine wichtige Konstruktionsüberlegung
hinsichtlich Drehofenauskleidungen ist das Abwägen der TE mit der PLC, um diese
Kraft über
einen breiten Temperaturbereich innerhalb annehmbarer Grenzen zu
halten, und eine feste Auskleidung beizubehalten, um eine Verschiebung
zu reduzieren. Eine andere wichtige Konstruktionsüberlegung
ist, über
eine ausreichende mechanische Heißfestigkeit zu verfügen (das
heißt,
bei den Verwendungstemperaturen in dem Drehofen), so dass es zu
keinem strukturellen Versagen kommt, und dass der Fluss des Produkts über die
feuerfeste Oberfläche
das feuerfeste Material nicht abreibt. Fachleute auf dem Gebiet
feuerfester Materialien wissen, dass eine übermäßige TE, PLC oder Heißfestigkeit
genauso schädlich
sind wie unzureichende Werte, und dass es wichtig ist, ein Gleichgewicht
dieser Eigenschaften über
den Temperaturbereichen zu schaffen, die während des ersten Aufwärmens, des Betriebs
und Abkühlens
und der anschließenden
Betriebszyklen eines Drehofens zu erwarten sind.
-
Ein
Beispiel für
ein geeignetes Material für Drehöfen, in
welchen die Kleeblattstruktur der vorliegenden Erfindung Temperaturen
im Bereich von etwa 1000 bis 2600°F
ausgesetzt sein kann, wäre
Plicast Hymor 3100, das ein zementarmes, gießbares Material von der 80%
Aluminiumoxidklasse ist, das von der Plibrico Company erzeugt wird.
Plicast Hymor 3100 hat eine negative PLC (das heißt, Schrumpfung)
bis zu etwa 2200°F,
die etwa drei Viertel der TE-Zunahme während der Erwärmung ausgleicht, wodurch
eine positive Haltekraft gegen den Ofenmantel aufrechterhalten wird,
ohne dass dieses selbst oder der Ofenmantel übermäßig belastet wird. Über etwa
2300°F hat
dieses Material eine positive PLC, die dazu beiträgt, ein
langfristiges Schrumpfen beim Sintern auszugleichen, hat aber auch
eine verringerte Heißfestigkeit
um zu verhindern, dass die positive PLC ungebührliche Belastungen ausübt, sollte die
Ofentemperatur vorübergehend über ihren
normalen Bereich steigen, was üblich
ist. Für
den Fachmann ist klar, dass die fehlenden Gelenke in unserer Konstruktion
einen Vorteil hinsichtlich der Stabilität bieten, aber eine sorgfältige Auswahl
der Ausdehnungs- und Festigkeitseigenschaften des feuerfesten Materials
erfordern.
-
Vorteile
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Kleeblattvorrichtung und ein entsprechendes
Einbauverfahren bereit, die einfacher herzustellen, viel rascher und
leichter einzubauen ist, leicht ist (wodurch die Ofenbelastungen
verringert werden) und den Luftstrom weniger einschränkt als
herkömmliche
Vorrichtungen und Verfahren, wie auch andere Vorteile, die für Personen
offensichtlich sind, die mit der Technologie der Kleeblattstruktur
und/oder feuerfester Drehofenmaterialien vertraut sind. Ferner hat
die Kleeblattstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung wenigstens eine äquivalente
Wärmeaustauchleistung, mechanische
Stabilität
und Haltbarkeit wie der gegenwärtige
Stand der Technik.
-
Insbesondere
vereinfacht zum Beispiel die Verwendung mehrerer einstückiger,
vorgegossener, vorgehärteter
oder gebrannter Schenkel zur Konstruktion jedes Abschnitts der Kleeblattstruktur
die Herstellung und den Einbau. Da jeder Schenkel in der Tiefe von
6 Inch bis 18 Inch variieren kann (das heißt, entlang der Längsachse
des Ofens), kann jeder Schenkel der mehreren Schenkel in einem Größen-/Gewichtsbereich
liegen, der einfach in dem Ofen transportiert und manövriert werden
kann, wobei eine provisorische Verspannung in dem Ofenmantel eingebaut
ist. Das Gießen
und Härten
oder Brennen der Schenkel außerhalb
des Drehofens (das heißt,
das Vorhärten)
ergibt reproduzierbare Eigenschaften und Dimensionstoleranzen, die
mit Ziegel vergleichbar und besser als vor Ort gießbare feuerfeste
Kleeblattstrukturen bei geringeren Kosten sind.
-
Ferner
sind für
den Einbau keine ausgebildeten Maurer notwendig, und die modulare
Kleeblattstruktur benötigt
eine kürzere
Einbauzeit (häufig
weniger als die Hälfte
der Einbauzeit) und somit weniger Stillstandszeit des Ofens als
herkömmliche
Ziegel- oder vor Ort gegossene Kleeblattstrukturen. Die Kombination
einer vereinfachten feuerfesten Konstruktion mit einem vereinfachten
und rascheren Einbau macht die vorliegende Erfindung für den Drehofenbetreiber
wenigstens ein Drittel weniger teuer als die meisten Konfigurationen
nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik.
-
Die
einfache Schenkelkonstruktion kann aus einem großen Bereich von Materialzusammensetzungen
gebildet werden und kann eine Metallfaserverstärkung enthalten, wie es die
Ofenbedingungen verlangen. Unter Umständen, in welchen mehrere Reihen
modularer Kleeblattstrukturen aneinander liegen oder in Längsrichtung
beabstandet sind, kann jede Reihe aus ihrer eigenen Zusammensetzung
gebildet sein, abhängig
von den Ofenbedingungen an einer bestimmten Stelle, ohne Überlegungen
hinsichtlich unterschiedlicher thermischer oder mechanischer Materialeigenschaften
anstellen zu müssen, die
bei traditionellen Kleeblattstrukturen aus ineinandergreifenden
Ziegeln oder Formen erforderlich wären.
-
Die
tangentiale oder winkelige Dicke der modularen Kleeblattstruktur
kann geringer als jene von Ziegel- oder vor Ort gegossenen Kleeblattstrukturen sein.
Die dünneren
Schenkel verringern die Begrenzung an der Querschnittsfläche des
Drehofens, wodurch der Druckabfall und die Staubmitführung durch die
Kleeblattstruktur verringert wird. Auch unter Umständen, unter
welchen die gewünschten
Wärmeübertragungseigenschaften
die Analyse nicht dominieren; wegen der mechanischen Stabilität eines
einstückigen
Schenkels kann die Kleeblattstrukturlänge entlang der Längsachse
des Ofens geringer als bei einer Ziegelkonstruktion sein, wodurch
das Gewicht der Kleeblattstruktur und somit die Ofenbelastungen, die
Wartungs- und Betriebskosten verringert werden.
-
Der
Einbau der vorgefertigten Stahlausrichtungselemente, wie der Winkel
oder Kanäle,
an dem Ofenmantel zum Ausrichten, Stützen und Halten der Basis der
vorgegossenen Schenkel vereinfacht und beschleunigt den Einbau und
die Reparaturen. Die Ausrichtungselemente verhindern, dass Belastungen der
Kleeblattstruktur auf die Ziegelauskleidung (und umgekehrt) übertragen
werden, und verteilen die Belastungen der Kleeblattstruktur gleichmäßiger auf den
Ofenmantel selbst. Des Weiteren können Stahlunterlegscheiben
nach in der Industrie etablierten Praktiken verwendet werden, um
die Ovalität
des Ofens auszugleichen und die drei Schenkel zu befestigen, so
dass ein Verschieben vermieden wird.