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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Ofentiegel und betrifft spezieller
die hinter den Feuertestlagen in den Wänden der Tiegel verwendeten
Kupfer-Kühlblöcke.
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Einschlägiger Hintergrund
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Die
in den Metallöfen
zur Anwendung gelangenden hohen Temperaturen sind ausreichend, um
selbst Schamotteziegel-Auskleidung zu erodieren. Feuerfestmaterialien
finden konventionell Anwendung zum Auskleiden der Innenseiten von
Tiegeln, und die herkömmliche
Technik hat die Verwendung von Kühlblöcken hinter
derartigen Auskleidungen übernommen.
Das Betriebsergebnis ist eine dünne
Schicht aus schmelzflüssiger Schlacke,
Rohstein und/oder Metall, die an den Wänden erstarrt und zu deren
Stabilisation gegenüber
einem Durchbruch beiträgt.
Derartige Kühlblöcke finden
auch Anwendung für
Brennerblöcke,
Gießrinnen,
Windformen, Platten, Gießformen,
Elektrodenklammern, Abstichlochblöcke und Herd-Anoden. Bei den
modernsten pyrometallurgischen Öfen
werden zur Stabilisierung der unvermeidlichen Erosion der Wand,
des Dachs und der Herdausmauerungen Kühlsysteme verwendet. Grundsätzlich werden
Kühlblöcke in einer
Reihe unterschiedlicher Formen angewendet. Wände, Dächer und Herde, in die diese
einbezogen sind, werden in zylindrischen Öfen verwendet, in ovalen Öfen, in
Gebläseöfen, in
Schnellschmelzöfen
nach Art von Mitsubishi und in Konverteröfen, in IsaSmelt-Öfen, in
Lichtbogenöfen,
sowohl auf Wechselstrombasis als auch auf Gleichstrombasis, in Sauerstoff-Aufblas-Konvertern,
in Elektroschlackereinigungsöfen,
Rechtecköfen,
in Outokumpu-Schnellschmelz- und Konverteröfen, Inco-Schnellschmelzöfen, Lichtbogenöfen, Schlackereinigungsöfen und
in Flammöfen.
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Kühlblöcke lassen
sich auch in Lagen mit alternierenden Verläufen des Feuerfestmaterials
anordnen. Gelegentlich wird ein Schamotteziegel und/oder gießfähiges Feuerfestmaterial
für die
heiße
Seite des Blockes verwendet und kann glatt sein oder Taschen haben
und/oder Rillen, die darin eingearbeitet oder eingegossen sind.
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Ein
Problem entsteht dann, wenn die Kühlrohre und damit Metallgüsse nicht
genau aus den gleichen Materialien bestehen. Unterschiedliche Materialien
werden unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeftizienten haben
und ebenfalls wird die Festigkeit der Bindung zwischen den Röhren und
den Gussstücken
variieren. Ein ständiger
Temperaturwechsel kann das Rohr aus dem Guss lockern, sodass, wenn
dieses eintritt, der thermische Wirkungsgrad stark abfällt.
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Allerdings
werden Rohre, die aus Materialien mit Schmelzpunkten gefertigt sind,
die höher
sind als das schmelzflüssige
Gießmetall,
deshalb angestrebt, weil sie einem Weichwerden oder Durchbrechen
während des
Reingusses widerstehen. Eine herkömmliche Art, dieses Problem
zu umgehen, besteht darin, die Rohre fest mit Sand zu füllen, sodass
sie gegen ein Zusammenfallen verstärkt sind. Ein solcher Sand
wird nach dem Abkühlen
des Gusses ausgewaschen.
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Einige
Kombinationen von Kühlrohren
und Metallgussmaterialien sind nach dem Stand der Technik dafür bekannt,
dass sie eine zumindest akzeptable Gebrauchswertdauer bereitstellen
können.
Beispielsweise hat die Falcon Foundry (Lowellville, Ohio) seit den
Jahren ab 1960 in Kupferkühlblöcken gegossene
Monel-400-Rohre hergestellt. (Monel-400 ist ein Warenzeichen für eine Legierung
mit etwa 63% Nickel und 31% Kupfer). Andere Unternehmen wie Electro-Melt (jetzt nicht
mehr existent) und American Bridge (eine frühere Abteilung der US-Steel)
haben Kühlblöcke unter
Nutzung der Schedule-40 oder Schedule-80-Monel-400-Rohrschlangenbaugruppen konstruiert,
mit denen sich Kühlkammern
gut bemessen lassen. Beim Gießen
von reinem Kupfer ist kein Kühlen
der Rohre erforderlich, wie das normalerweise bei Rohren aus Reinkupfer
der Fall ist.
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Leider
haben Fehleranalysen gezeigt, dass die Kupfer-Kühlblöcke sich nicht in vollständigem Kontakt mit
dem Monel-400-Rohr befinden. Wenn die Blöcke einer Zerstörungsprüfung unterzogen
werden und die Verbindung Monel-Kupfer
bewertet wird, lässt
sich das Vorhandensein zahlreicher Fehler feststellen. Derartige Verbindungsfehler
verringern den Wirkungsgrad des Wärmeüberganges und führen unbekannte
Größen in die Gesamtkühlmuster
des Ofens ein.
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Bekannte
Ausführungen
von Kupferguss- und niedrig legierten Kupfer-Kühlblöcken und
Konstruktionstechnik sind kommerziell auch beliefert worden von
Outokumpu OY (Finnland), Kvaerner (Stockton, England), Demag (Deutschland),
Hundt & Weber
(Siegen, Deutschland), Tucson Foundry (Tucson, Arizona), Thos Begbie
(Südafrika),
Alabama-Kupfer (Alabama), Niagara-Bronze (Niagara Falls, Kanada),
Hoogovens (Niederlande) und andre und/oder von diesen konzipiert
worden.
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Outokumpu
und andere konstruieren und erzeugen Kupfer-Kühlblöcke aus Kupferbarren mit Bohrungen
in Längsrichtung,
die für
Wasserpassagen gebohrt werden. Extrudierte Bohrungen wurden ebenfalls
für die
Wasserpassagen verwendet, wobei jedoch einige von diesen fehleranfällig waren.
Ebenfalls einbezogen wurden quergebohrte Bohrungen mit inneren Stopfen,
um interne Kühlhäuserkreisläufe zu erzeugen.
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Die
gebohrten und extrudierten Konstruktionen erfordern alle die Installation
von Stopfen in sämtlichen offenen
Bohrenden um die Ränder
der Barren blöcke.
Stopfen vom Typ der gelöteten,
geschweißten
und mit Rohrgewinde versehenen sind insgesamt versucht worden. Nicht
desto weniger zeigen viele dieser Blöcke jedoch Leckagen, und derartige
Leckagen sind in metallurgischen Öfen außerordentlich gefährlich.
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Die
Größe und Form
derartiger Blöcke
ist auf die Fähigkeit
des Gießens
oder Schmiedens der Kupferbarren beschränkt. Oftmals ist die Anordnung
der inneren Wasserpassage sehr eingeschränkt, weil die Passagen auf
Kombinationen von untereinander verbundenen Bohrlöchern zugeschnitten
werden müssen.
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Im
Gegensatz dazu lassen sich Gussblöcke in einer großen Vielzahl
von Blockformen und -größen erzeugen
und es ist zumeist jede beliebige Anordnung im Bezug auf die innere
Rohrführung
möglich.
Gussblöcke
lassen sich im Vergleich mit den gebohrten und mit Stopfen versehenen
Blöcken
mit größeren Wärmebelastungen
verwenden.
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Die
Erzeugung von gebohrten Blöcken
und von Gussblöcken
stellen jeweils ihre eigenen Herausforderungen. Beim Gießen können die
Wasserrohre sowohl vorher als nachher einem Strömungstest als auch einem Drucktest
unterzogen werden. Die Gefahr einer Leckage durch einen Kupfer-Kühlblock
mit Fertigungshohlräumen
ist sehr gering, da die Rohrwandungen das Wasser halten können.
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Konventionelle
gegossene Kühlblöcke werden
im typischen Fall hergestellt, indem ein Wasserrohr zu einer gewünschten
Anordnung ausgeformt und dieses vorher und nachher mit 150% des
bemessenen Arbeitswasserdruckes für mindestens 15 Minuten einem
Drucktest unterzogen wird. Bevor der Guss fließt, wird die Außenseite
des Rohres gereinigt, um Gasblasenbildung auf ein Minimum herabzusetzen,
die sich in porösen Gießsektionen
an den Grenzflächen
Rohr/ÖI
und Guss/Kupfer ergeben kann. Gelegentlich wird zum Füllen des
Innenraums der Rohre Sand verwendet, um sie gegen ein Erweichen
auszusteifen, jedoch nur dann, wenn ein Rohrschlangenmaterial zur
Anwendung gelangt, das einen Schmelzpunkt hat, der nicht wesentlich
höher als
die Gießtemperatur
des Kupfers ist. Beispielsweise muss Monel-400-Rohr ursprünglich vor
dem Gießen nicht
mit Sand gefüllt
werden.
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Die
Gießformen
werden mit zusätzlichen
Toleranzen zum spanabhebenden Bearbeiten poröser Profile, Anschnitte, Speiser
und Schrumpfungen erzeugt. Diese Formen werden im typischen Fall
aus Sand erzeugt, der mit einem Bindemittel gemischt ist. Die ursprünglichen
Formen, die in dem Sand gepresst werden, bestehen aus Holz und anderen
leicht geformten Materialien.
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Die
Rohrschlangen werden fest in der korrekten Stellung im Inneren der
Sandform befestigt. Von einem Schmelzofen wird Kupfer in eine Gießpfanne gegossen.
Wenn das Kupfer in einer nichtinerten Umgebung geschmolzen wird,
kann ein Desoxidationsmittel erforderlich sein. Jegliche Oxidschlacke
wird abgeschöpft. Um
ein vorzeitiges Befestigen des Kupfers während der Handhabung oder des
Gießens
zu vermeiden, wird eine ausreichende Überhitzung des Kupfers bis über seinen
Schmelzpunkt hinaus angewendet. Das verflüssigte Kupfer muss aus der
Gießpfanne
ausreichend fließfähig sein,
um die Form vollständig
zu füllen,
die Rohrschlangen vollständig
zu bedecken und bis zur Oberkante der Speiser aufzusteigen. Etwa
alle Gasbläschen werden
zur Oberfläche
der Speiser aufsteigen.
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Sobald
das desoxidierte Kupfer aus der Gießpfanne in die Form gegossen
wird, lässt
man den Guss kühlen,
bis er vollständig
verfestigt ist. Die Speiser- und Anschnittsysteme werden mechanisch
entfernt. Alles überschüssige Material
wird abgetragen oder weg geschnitten und Warmkaliber und/oder Taschen
ausgeformt oder fertigbearbeitet. Auf der Außenseite werden die Bohrungen
gebohrt und abgezogen entweder Positionierung, zum Zusammenbauen
oder Anheben des Blockes. Die zusammenpassenden Oberflächen werden
zwischen den Blöcken
normalerweise bearbeitet. Der Umfang des erforderlichen Bearbeitens
hängt von
der Endanwendung des Blockes ab.
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Je
nach den Anforderungen des Endanwenders können unter Umständen etwaige
Oberflächenfehler repariert
werden. Derartige Fehler werden ausgeschliffen, mit Schweißwerkstoff
gefüllt
und glatt geschliffen. Die kompletten Blöcke werden unter Anwendung
einer oder mehrer Prüfmethoden
mit Röntgenstrahl,
durch visuelle Inspektion, durch infrarotthermische Inspektion und
durch Prüfung
unter hydrostatischem oder pneumatischem Druck auf Leckagen untersucht.
Das thermische und/oder elektrische Prüfen gelangt zur Anwendung,
um festzustellen, ob der Block den Mindestanforderungen an Wärme- und
elektrischer Leitfähigkeit
genügt.
Ebenfalls werden Dimensionstoleranzen kontrolliert. In einem Programm
zur Zerstörungsprüfung können Proben
verwendet werden, wobei ein vorbestimmter prozentualer Anteil der
Gesamtzahl identischer oder ähnlicher
Blöcke,
die hergestellt werden sollen, aufgetrennt und inspiziert werden.
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Kühlblöcke mit
Stahl- und/oder Eisenrohren und innenvergossenen Kupferrohren haben
mehrere Vorteile. Die Rohrschlange ist kostengünstig und sehr leicht herzustellen,
zu biegen, zu schweißen
und mit Fittingen zu verbinden. Rohrschlangen aus Stahl und Eisen
schmelzen nicht, wenn schmelzflüssiges
Kupfer in die Form gegossen wird. Die resultierenden Blöcke haben
exakt definierte Wasserpassagen.
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Die
Nachteile schließen
jedoch Gasblasen ein, Porosität,
Luftspalte und eine schlechte Fusion von Rohrguss. Derartige Fehler
sind durch Prüfen
mit Röntgenstrahl
und durch Zerstörungsprüfung nachweisbar. Kupferguss
bildet keine gute metallurgische Verbindung mit der Außenseite
von Stahl- und Eisenrohren. Eine Zerstörungsprüfung zeigt, dass sich solche
Rohre leicht von dem Kupferguss trennen. Proben werden normalerweise
bis zu einer Dicke von 0,25 bis 1,00 Inch geschnitten, um die Rohrquerschnitte
freizulegen. Ein Schneiden über
dem Querschnitt der Scheibe, sodass das Rohr mechanisch nicht eingeklemmt
wird, wird normalerweise die schlechte Bindung von Stahl-Kupfer
bestätigen.
Derartige Rohre fallen oftmals aus, bevor ein Pressluftmeißel angesetzt
wird.
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Die
Wärmeübertragung
von Kupfer auf das Rohr ist in Folge fehlender Verschmelzung und
häufiger Fehler
an der Grenzfläche
Rohr/Kupfer vermindert. Daher neigt der Kühlblock dazu, heißer zu werden,
als Versionen, bei denen Kupferrohre verwendet werden. Die sehr
viel geringere Wärmeleitfähigkeit
von Stahl und Eisen in dem Rohr macht diese Unzulänglichkeit
nur noch schlimmer. Die Wärmeleitfähigkeit
von Stahl beträgt etwa
33 BTU/h/°F
im Vergleich zu 226 BTU/h/°F
für Elektrolytkupfer,
was eine siebenfache Differenz bedeutet.
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Ebenfalls
gibt es große
Differenzen hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Stahl in den Rohren und dem Kupferguss. Spannungen
an der Rohr/Kupfer-Grenzfläche überschreiten
leicht die Kupfer-Streckgrenze,
sodass das Kupfer in dem Block unter thermischer Wechselbelastung
reißen
wird. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten
betragen etwa 6,9 × 10-6 Inch/Inch/°F bei Stahl und 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F bei UNS C81100-Kupferguss.
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Rostfreie
Stahlrohre oder Rohre mit Kupfer, das um sie herum gegossen ist,
haben mehrere Vorteile. Eine Rohrschlange aus rostfreiem Stahl ist
lediglich geringfügig
teurer als Rohr aus Stahl oder Kohlenstoffstahl und ist etwa genau
so gut herzustellen, zu wiegen, zu schweißen und. zu Fittingen zu verarbeiten.
Eine Rohrschlange aus rostfreiem Stahl wird nicht schmelzen, wenn
schmelzflüssiges
Kupfer in eine Form gegossen wird. Der resultierende Block hat eine
wohldefinierte Wasserpassage. Die Nachteile sind weniger ausgeprägt und seltener,
jedoch sind Gasbläschen,
Porosität,
Luftspalte und andere Zeichen eines mangelhaften Schmelzens an der
Grenzfläche
des Rohres mit dem Kupfer häufig.
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Hier
bildet der Kupferguss ebenfalls keine gute metallurgische Verbindung
mit der Außenseite
des rostfreien Stahlrohres aus. Zerstörungsprüfungen bestätigen, dass sich das Rohr aus
rostfreiem Stahl ebenfalls von dem Kupferguss leicht entfernen lässt. Die
Wärmeleitfähigkeit
von rostfreiem Stahl ist sehr viel schlechter als die von Stahl,
zum Beispiel lediglich etwa 9,4 BTU/h/°F. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von rostfreiem
Stahl beträgt
etwa 9,6 × 10-6 Inch/Inch/°F im Vergleich zu 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F bei UNS C81100 Kupferguss.
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Monel-400-Rohre
oder Röhren
haben, wenn sie im Inneren von Kupferkühlblöcken vergossen werden, den
Vorteil, dass das Monel-400 nicht schmelzen wird, wenn das schmelzflüssige Kupfer
in die Form gegossen wird. Damit wird der resultierende Block eine
wohldefinierte Wasserpassage haben. Schmelzflüssiges Kupfer benetzt Monel-400
sehr gut. Damit werden die Rohrschlange und der Kupferguss eine
feste innige Grenzfläche
ausbilden. Allerdings sind Rohrschlangen aus Monel-400 die teuersten
Rohrschlangen, die kommerziell mit Kupferguss verwendet werden.
Sie lassen sich sehr viel schwieriger herstellen.
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Selbst
unter diesen Umständen
bildet der Kupferguss normalerweise keine gute metallurgische Verbindung
mit der Außenseite
des Monel-400-Rohres aus. Ein Pressluftmeißel kann normalerweise die
zwei in Zerstörungsprüfungen voneinander
trennen. Sobald sie getrennt sind, bedecken Kupferpartikel über dem
Monel-400-Rohr weniger als 10% der Gesamtoberfläche. Mindestens 90% der Oberfläche eines
typischen Monel-400-Rohrabschnittes sind mechanisch und metallurgisch
nicht miteinander verbunden.
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Mit
Monel-400-Rohr hergestellte Kühlblöcke machen
etwa 30% der Kosten des Giessens aus. Standardrückläufe und Fittinge in Monel-400
sind. schwieriger zu erhalten als ihre Gegenstücke aus rostfreiem Stahl, Kohlenstoffstahl
oder Eisenrohr. Ein gewisser Verzug der Rohrschlange aus Monel-400
ist beim Gießen typisch,
jedoch nicht ausgeprägt.
Ein Aussteifen der Rohrschlange aus Monel-400 mit einer Sandmischung
ist normalerweise nicht erforderlich. Gasbläschen, Porosität, Luftspalte
und andere Anzeichen von mangelndem Verschmelzen sind an der Grenzfläche des
Rohres mit dem Kupfer nicht häufig
unter der Voraussetzung, dass angemessene Schritte für die Sauberkeit
der Oberfläche
der Rohrschlange unternommen werden.
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Die
Wärmeübertragung
von dem Kupfer auf das Monel-400-Rohr ist durch das Fehlen einer
Metallschmelze an der Grenzfläche
Rohr/Kupfer beschränkt.
Die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen
der Rohrschlange aus Monel-400 und dem Kupferguss sind noch zu groß. Der Belastungszustand an
der Grenzfläche
Monel-400/Kupfer wird die Streckgrenze des Kupfers selbst bei mäßigen thermischen
Belastungen überschreiten.
Unter thermischer Wechselbelastung wird ein zunehmendes Versagen
auftreten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
für Monel-400
beträgt
etwa 7,7 × 10-6 Inch/Inch/°F im Vergleich zu 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F für Kupferguss UNS C81100. Unter
nahezu stationären
Betriebsbedingungen kann Monel-400-Rohr in Kupferguss-Kühlblöcken einen
guten Dienst leisten.
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Rohrschlangen
aus reinem Kupfer sind weniger kostspielig als aus Monel-400, sind jedoch
kostspieliger als Rohr aus Kohlenstoffstahl oder Eisen. Es ist relativ
leicht zu verarbeiten, biegen, schweißen usw. Der resultierende
Kupferblock hat eine wohldefinierte Wasserpassage, und es kann eine
ausgeprägt
Verbindung des Kupfergusses mit dem Kupferrohr erfolgen.
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Der
resultierende Kupfer-Kühlblock
neigt dazu, der kühlste
von allen zu sein unter der Voraussetzung, dass der Kupferguss mit
der Außenseite
der Rohrschlange aus reinem Kupfer verbunden worden ist. Die Grenzfläche der
Rohrschlange mit dem Kupferguss ist verhältnismäßig gut, und es wird ursprünglich eine
solche metallurgische Verbindung in bekannten Ausführungen
nicht erreicht.
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Bei
Verwendung in zu großen
Gussstücken
wird die Rohrschlange aus Reinkupfer jedoch weich werden oder schmelzen.
Bei der Erzeugung mittlerer bis großer Blöcke muss die Rohrschlange während des
Gießens
der Gussware gekühlt
werden. Eine besondere Möglichkeit
ist das Durchschmelzen des Rohres und speziell an den jeweiligen
Ecken. Ein ungleichmäßiges Kühlen während des
Gießens
und der dünnen
Wandungen an den Außenseiten
der Rohrbiegungen tragen zum Durchschmelzen bei. Die Rohrschlange
aus Reinkupfer muss über
sehr viel dickere Wandungen verfügen
als jeder andere Rohrschlangentyp. Normalerweise wird das Äquivalent
eines Progammes-120 oder Programmes-160 im Vergleich zum Programm-40 oder
weniger für
die anderen Rohrschlangentypen angewendet. Eine nachteilige Folge
der dickeren Wandungen besteht darin, dass der Mittenabstand der
Wasserpassagen sehr viel größer sein
muss. Die Wasseroberfläche
im Inneren des Blockes wird verringert. Im Vergleich zu Rohrmaterialien
aus Monel-400 und Stahllegierung ist die Kapazität der Ableitung der Gleichgewichtswärme verringert.
Der während
des Gießens
erforderliche Kühlaufwand braucht
eine erhebliche Gießerei-Erfahrung.
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Gasbläschen, Porosität, Luftspalten
und andere Zeichen eines mangelnden Metallschmelzens können noch
an der Grenzfläche
des Rohres mit dem Kupfer auftreten, jedoch in einem sehr viel geringeren
Umfang als sowohl bei Stahl- als auch Eisenrohren. Wenn ein zu starkes
Gießen
der Rohre während
des Gießens
der Gussstücke
zur Anwendung gelangt, kommt es nicht zu einer ausreichenden metallurgischen
Verbindung mit der Außenseite
des Rohres. Gelangt jedoch eine zu geringe Kühlung zur Anwendung, kann in
den Wandungen des Kupferrohres ein Durchschmelzen erfolgen. Ein
derartiges Durchschmelzen kann den Kühlwasserdurchsatz behindern,
sodass der Kühlblock
unbrauchbar wird. Wenn das schmelzflüssige Kupfer das Rohr durchschmelzen
lässt und
mit dem Kühlmedium
während
des Gießens
der Gussware in Kontakt gelangt, kann es zu einer gefährlichen
Explosion kommen.
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Rohr
aus Reinkupfer in Kupferguss-Kühlblöcken liefert
eine gute Arbeit bei mittlerer und zyklischer Wärmebelastung jedoch nur dann,
wenn der Block gut verarbeitet ist.
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Zur
Festlegung der Wasserpassagen im Inneren der Kupfergussware können Sandkerne
anstelle des Rohres verwendet werden, so wie beispielsweise Motorblöcke in der
Autoindustrie gefertigt werden. Der Sand wird mit einem organischen
Bindemittel gemischt und die Methode ist sehr viel kostengünstiger
als die Verwendung von inneren vorgeformten Metallrohrschlangen.
Die resultierenden Blöcke
können über wohldefinierte Wasserpassagen
verfügen
und der Sand wird nach dem Erstarren der Gussware leicht entfernt.
Das Kühlwasser
befindet sich in innigem Kontakt mit dem Kupferguss-Kühlblock
womit die Wärmeübertragung
auf ein Maximum gebracht wird.
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Während des
Gießens
können
Anteile des Sandes jedoch verschoben werden und die Wasserumschließung ruinieren.
Die Konstruktion der Wasserpassagen ist sehr viel weniger flexibel
als mit vorgeformten Rohrschlangen, das die Sandkerne mechanisch
gehalten werden müssen.
Zur Erzeugung einer solchen Gussware sind umfangreiche Gießerei-Erfahrungen
erforderlich. Gasbläschen,
Porosität,
Luftspalten und Schmelzfehler können
in Erscheinung treten. Die Innenseite der Wasserpassagen ist nicht
so glatt wie bei Rohren, was zu höheren hydraulischen Gradienten
führt.
Oftmals werden größere Versorgungspumpen
und Rohrleitung benötigt.
Die Ausschussrate von Gussblöcken
mit Sandkernen ist größer als
die mit Rohren mit Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt.
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Das
Fehlen einer inneren Rohrschlange erhöht das Risiko einer potentiellen
Leckage. Stahl-Lüftungs-Halterohre
für die
Sandkerne müssen
unter Verwendung eines Stopfens und/oder Schweißen versiegelt werden. Sofern
keine Lüftungen
vorhanden sind, wird der sich der Guss mit Gasblasen füllen. Die
Halterohre sind erforderlich, da die Sandkerne andernfalls durchhängen würden. Diese
Stahlrohre können
auch eine Quelle für
Porosität
oder für
durch die Dicke hindurchgehende Fehler sein.
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Die
Sandkern/Kupferguss-Kühlblöcke haben
die Neigung, von allen Typen am kühlsten zu laufen. Dieses gewährt einen
guten Dienst bei mäßiger und
zyklischer Wärmebelastung
unter der Voraussetzung, dass der Block gut verarbeitet ist.
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Ein
typischer Kühlblock
weist Stahl- oder Kupfer-Wasserrohr gefüllt mit Sand auf und ist im
Inneren eines Stahlblockes oder Kupferblockes gegossen. Beispielsweise
beschreibt die US-P-5 904 893, erteilt am 18. Mai, 1990 an Ulrich
Stein, einen Plattenkühler
für metallurgische Öfen der
Eisen- und Stahlindustrie, Hochöfen,
Reaktoren für
die direkte Reduktion und Gaserzeugungseinheiten mit Feuerfestauskleidungen.
Im Inneren einer Form wird ein Muster dickwandiger Kupferrohre angeordnet
und schmelzflüssiges
Kupfer in die Form gegossen. Die Verwendung einiger unterschiedlicher
Kupferlegierungen wird ebenfalls diskutiert. Eine innige Verbindung
des Kupfergussblockes mit dem Kühlrohr
ist erforderlich, um den thermischen Wirkungsgrad des Kühlblockes
aufrechtzuerhalten. Angeblich soll es zu einem leichten Schmelzen
der dickwandigen Rohre während
des Gießens
des schmelzflüssigen
Kupfers um die Rohrleitung herum kommen, wodurch diese mit dem Guss
verbunden werden.
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In
der US-P-3 829 595 vom 13. August, 1974 von Nanjyo et al. wird ein
Querschnitt eines Gleichstrom-Bogenofens mit Kühlblöcken in den Wandungen veranschaulicht.
Diese Patentschrift und alle anderen hierin genannten, sind damit
als Fundstellen einbezogen. Die Kühlblöcke werden speziell aus Kohlenstoffstahl mit
Wasserkühlrohren
aus Stahl beschrieben. Schamottziegel werden in horizontal in die
Warmflächen
der Kühlblöcke eingefrästen Rillen
festgehalten, um sie mechanisch zu stabilisieren und die Wärmeübertragung zu
verbessern.
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Von
Axel Kubbutat et al. wurde eine Hochofen-Kühlplatte in der US-P-5 676
908, erteilt am 14. Oktober, 1997, beschrieben. Eine solche Kühlplatte
wird hinter einer Feuerfestauskleidung verwendet und wird als eine
Verbesserung gegenüber
Vorrichtungen bekannter Ausführung
beschrieben, die aus Gusseisen erzeugt sind. Außerdem werden Kupferguss-Kühlplatten
insofern kritisiert, als dass sie über eine geringere Fähigkeit zur
Wärmeleitung
im Vergleich zu dichterem geschmiedeten oder gewalzten Kupfermaterial
haben. Damit wird eine Ofenkühlplatte
mit verstärkten
Kopfenden gelehrt, die in das Kühlsystem
integriert ist.
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Von
Ulrich Stein wird in der US-P-S 904 893, erteilt am 18. Mai, 1999,
ein Plattenkühler
beschrieben. Zur Anwendung gelangt Kupferguss mit einem niedriglegierten
Kupfer. Genannt werden sowohl Kühlplatten mit
gerippter/gerillter als auch mit glatter Oberfläche. Die Tatsache, dass Reinkupferrohre
zur Anwendung gelangen, veranlasst Ulrich Stein zu dem Hinweis,
dass Rohre mit dickeren Wandungen verwendet werden müssen, als
sie kommerziell verfügbar
sind. (Siehe hierzu Spalte 3, Zeile 65 bis Spalte 4, Zeile 3). Nach
dem Gießen
der Gussware schmilzt etwa 1 bis 5 mm der Rohrwandungen.
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Bei
einem typischen Gießen
der Gussware wird die Form überfüllt, sodass
Verunreinigungen aufschwimmen. Eine sich bildende poröse Oberschicht
lässt sich
abfräsen
bis zu den benötigten
Fertigmaßen. Die
Innenseite des Rohrgusses wird vorher und nachher einem Drucktest
unterworfen. Ein typischer Kühlblock kann
bis herab zu 2 Pound und bis zu mehreren Tonnen wiegen, was von
der Ofenanwendung abhängt.
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Was
benötigt
wird, ist ein Kühlblock,
der aus leicht erhältlichen
und relativ kostengünstigen
kommerziell verfügbaren
Materialien gefertigt werden kann und dennoch ein starkes Schmelzen
zwischen der Verrohrung und dem Gussmaterial erzielt. Der differentielle
Wärmeausdehnungskoeffizient
muss außerdem
so beschaffen sein, dass hohe Wärmelasten
und eine konstante thermische Wechselbeanspruchung über die
Betriebsfähigkeitsdauer
ohne Rissbildung oder andere Versagensarten der Materialien toleriert
werden können.
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Offenbarung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Kühlblockes,
der hohe Wärmebelastungen
und konstante thermische Wechselbelastungen über seine Betriebsfähigkeitsdauer
tolerieren kann.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Kühlblockes,
der aus leicht erhältlichen
und relativ kostengünstigen
kommerziell verfügbaren
Materialien gefertigt werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Kühlblockes,
in welchem die innere Rohrleitung enge glatte Biegungen annehmen
kann, ohne auf reversierende Kappen, innere Stopfen, Winkelstücke oder
andere Fittinge mit scharfen Kanten zurückgreifen zu müssen, die
während
des Gießens Fehler
hervorrufen können.
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Zusammengefasst
umfasst die Ofenkühlblock-Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein innen vergossenes Wasserrohr vom
UNS-Typ C71500, Programm-40, ein Guss von Elektrolytkupfer UNS-Typ C11000-desoxidiert
während
des Gießprozesses,
um ein Kupfer mit hohem Kupfergehalt zu erzeugen, das sich dem UNS-Typ
81200 nähert.
Das resultierende Verschmelzen des Rohres mit dem Gussmaterial erfolgt derart,
dass die differentiellen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der zwei beteiligten Kupferlegierungen die Streckgrenze des Kupfergusses
während
der betriebsbedingten thermischen Wechselbelastung nicht überschreiten.
Der Schmelzpunkt der in dem Rohr verwendeten Kupferlegierung ist
so groß,
dass ein relativ dünnwandiges
Rohr mit Sandfüllung
während
des Schmelzens verwendet werden kann.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Ofenkühlblock
bereitgestellt wird, der zwischen der heißen Seite und dem während des
Betriebs in der Rohrleitung umlaufenden Kühlwasser einen geringen Wärmewiderstand
hat.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein
Ofenkühlblock
bereitgestellt wird, der bei Anwendungen mit hoher Wärmebelastung
und thermischer Wechselbelastung verwendet werden kann.
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Ein
noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass ein Ofenkühlblock
bereitgestellt wird, der sich kostengünstig herstellen lässt.
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Die
vorgenannten und noch weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden unter Hinzunahme der folgenden
detaillierten Beschreibung spezieller Ausführungsformen davon und speziell
dann offensichtlich, wenn dies in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
erfolgt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1A und 1B Seiten-
und Draufsichten auf Projektionen einer Ausführungsform eines Ofenkühlsystems
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Ansicht einer Rohrschleife ähnlich
derjenigen, wie sie in dem Ofenkühlsystem
der 1A bis 1B verwendet
werden;
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3 ein
Kupfer-Nickel-Phasendiagramm, welches zeigt, dass die Legierung
vom UNS-Typ C71500 bei etwa 1.125° C
(2.150° F)
zu schmelzen beginnt;
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4A bis 4D eine
Draufsicht, eine Ansicht im Längsschnitt,
eine Ansicht von unten und Seitenquerschnitte einer Ausführungsform
eines Kühlblockes
der vorliegenden Erfindung.
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Beste Ausführungsart
der Erfindung und gewerbliche Anwendbarkeit
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1A bis 1B stellen
eine Ausführungsform
eines Ofenkühlsystems
der vorliegenden Erfindung dar und werden hierin mit der allgemeinen
Bezugszahl 100 bezeichnet. Das Ofenkühlsystem 100 umfasst
ein Rohr 102, das zu einer Schleife gebogen ist und im
Inneren eines Kühlblockes 104 vergossen
ist. Ein paar Flansche 106 und 108 ermöglichen
den Zusammenbau des Ofenkühlsystems 100 in
einem Gießereiofentiegel,
ein Paar Rohrfittinge 112 und 114, die die Verbindungen
für ein
Umlaufsystem zur Wasserkühlung
bereitstellen.
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Das
Rohr 102 weist eine Kupfer-Nickellegierung vom UNS-Typ
C71500 auf und wird mit Sand gefüllt, um
ein Zusammenfallen während
des Gießens
des Blockes 104 zu vermeiden. (Von der Copper Development Association
wird die Kupfer-Nickellegierung vom UNS-Typ C71500 auch bezeichnet
mit der Nummer 715). Der Kühlblock
wird bevorzugt mit Elektrolytkupfer vom UNS-Typ C11000 gegossen,
das während
des Gießprozesses
desoxidiert wird. Damit wird schließlich ein Guss mit einer kupferreichen
Legierung erzeugt, die dem UNS-Typ
81200 äquivalent
ist. In alternativen Ausführungsformen
werden Gussstücke
mit einer kupferreichen Legierung erzeugt, die dem UNS-Typ 81100 äquivalent
ist.
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2 veranschaulicht
eine Rohrschleife 200 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500
bevor sie im Inneren eines Kühlblocks
gegossen wird. Vor der Gießoperation
wird sie entfettet und gründlich
desoxidiert, um ein gutes Schmelzen und Verbinden zu gewährleisten.
Reines Kupfer schmilzt bei etwa 1.082° C (1.980° F) und erfordert gewöhnlich beim
Schweißen
ein Vorwärmen,
sodass es vorteilhaft ist, die Rohrschleife 200 unmittelbar
vor dem Gießen
im Inneren des Blockes vorzuwärmen.
Das Vorwärmen
unterstützt
auch das Verdampfen der Feuchtigkeit des Wassers sowohl aus der
Form als auch aus der Rohrschlange. 2 zeigt
eine Rohrschleife 200, die aus einem Stück eines glattwandigen Rohrstückes zu
der gewünschten
Form verarbeitet wurde. Sofern das erforderliche Muster auf diese
Weise nicht konstruiert werden kann, werden Rohrfittinge benötigt. Diese
Fittinge müssen
mit allen abgeschliffenen scharfen Kanten aufgeschweißt werden.
Andernfalls sammeln sich in den Stößen Einschlüsse in dem Gussstück oder
bewirken eine Erzeugung von Hohlräumen.
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In
Zerstörungsprüfungen,
die an einem Prototyp des Ofenkühlsystems 100 ausgeführt wurden,
wurde der Block 104 aufgetrennt, sodass etwa 25% des Umfanges
der Rohrschlange 102 freigelegt waren, die zu fünf Achtel
Inch lange Stücke
aufgetrennt wurden. In einem Versuch, das Rohr von dem Kupfer abzutrennen, wurde
ein Luftdruckmeißel
verwendet. Das Rohr blieb mit dem Kupferguss verschmolzen. In früheren Versuchen
mit Vorrichtungen bekannter Ausführung
und unter Verwendung anderer Nickel-Kupfer-Legierungen oder Monel-400
für die
Rohrschlange war es oftmals möglich,
das Segment der Rohrschlange von dem Kupferguss mit nicht mehr als
dem Meißel
zu trennen.
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Das
in der Cominco Research-Einrichtung in Trail, British Columbia,
Kanada verwendete Elektronenrastermikroskop wies nach, dass Körner des
Kupfergusses metallurgisch mit dem Rohrkupfer verbunden waren. Ein
derartiges Verschweißen
verhindert, dass Rohr aus der Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 von dem
Kupferguss abgetrennt wird. Eine derartige gute metallurgische Verbindung
ist normalerweise in Schlangenmaterialien irgendwelcher bekannter
Ausführungen
nicht beobachtet worden, zum Beispiel Kupferrohr, Monel-400-Rohr, usw.
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In
der nachfolgenden Tabelle I ist die ungefähre Zusammensetzung des C71500
vom UNS-Typ gegeben. Tabelle
I
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Selbst
wenn es weniger wahrscheinlich ist, dass Kupferlegierung vom UNS-Typ
C71500 durch Handhabung und Lagerung kontaminiert ist, als das bei
Monel-400 der Fall ist, wurden vorzugsweise bei der Erzeugung von
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die gleichen Vorsichtsmaßnahmen
und Reinigungsprozeduren getroffen und ausgeführt, wie sie für Monel-400 üblich sind.
Beispielsweise darf das Rohr nicht mit bloßen Händen gehandhabt werden und
sollte auf Karton abgelegt werden. Monel-400 neigt dazu, sehr leicht Eisen
aufzunehmen. Auf dem Rohr während
des Gießens
zurückgelassene
Verschmutzungsstoffe werden zu Gasen umgewandelt, die nach der Erstarrung
in dem Kupferguss Porosität
hervorrufen können.
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3 ist
ein Kupfer-Nickel-Phasendiagramm und zeigt, dass die Legierung vom
UNS Typ C71500 bei etwa 1.125° C
(2.150° F)
zu schmelzen beginnt. Der Schmelzpunkt von Monel-400 ist lediglich
geringfügig
höher als
dieser. Damit wird eine gute Grenzflächenverschmelzung erhalten,
ohne dass dieses in irgendeiner Weise auf Kosten des Schmelzpunktes
geht.
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In
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung überschreiten
die üblichen
Spannungen eine Grenzfläche
des Rohres mit dem Kupferguss nicht die Grenze für Kupferguss, bezogen auf das
dreidimensionale finite Element thermomechanischer Spannungsanalysen.
Wechselbelastungsprüfungen
sind daher entbehrlich. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
von Kupfer-Nickel-Legierung des UNS-Typs C71500 beträgt etwa
9,0 × 10-6 Inch/Inch/°F und 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F für UNS C81100-Kupferguss.
Die Differenz beträgt
daher lediglich 0,8 × 10-6 Inch/Inch/°F. Die Steckgrenze von Kupferguss
beträgt
etwa 9,0 ksi und 30 bis 40 ksi für Monel-400.
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Rohr
nach dem ASTM Programm-40 oder dünner
lässt sich
daher für
Rohrschlangen aus Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 verwenden.
Es sind dichtere Abstände
der Wasserpassage möglich. Die
kommerziellen Kosten sind kleiner als die von Monel-400-Rohr. Der
fertig bearbeitete Kupferguss läuft
in Folge der höheren
Wärmeleitfähigkeit
der neuen Legierung im Vergleich zu Monel-400 kühler.
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Die
geringere Schmelztemperatur der Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 im Vergleich
zu Monel-400 bedeutet, dass vorgeformte Rohrschlangen mit einer
Mischung eines Sandmix und organischen Bindemittels gefüllt werden
müssen,
um die Rohre während
des Gießprozesses
auszusteifen. Ein Kühlen
ist entscheidender Maßen
jedoch nicht erforderlich. Wenn die Rohrschlangen nicht mit Sand
ausgesteift sind, werden sie entweder durchhängen oder Abschnitte werden
durchbiegen und sich näher
an die heiße
Seite des Blockes bewegen. Das Auftreten beider Fälle kann
den Kühlblock
unbrauchbar machen. Der Sandmix wird entfernt, nachdem das Gussstück erstarrt
ist.
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Generell
treffen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ein Gleichgewicht zwischen den differentiellen
Schmelzpunkten und den differentiellen Ausdehnungskoeffizienten
des Rohres und der Gießmaterialien.
Es werden hohe differentielle Schmelzpunkte benötigt, sodass das Rohr nicht
schmilzt oder während des
Gießens
weich wird, sodass dünnwandige
Rohre verwendet werden können,
die sich leicht formen lassen. Allerdings werden niedrige differentielle
Ausdehnungskoeffizienten des Rohres und der Gießmaterialien benötigt, sodass
die Steckgrenzen der Materialien während der der verfahrensbedingten
Temperaturwechselbelastungen nicht überschritten werden. Normalerweise
sind Kupferlegierungen für
das Rohr und die Gießmaterialien
bevorzugt, was auf ihre überlegene
Wärmeleitfähigkeit
im Vergleich zu Materialkosten zurückzuführen ist. Daher müssen die
entsprechenden Kupferlegierungen, die in dem Rohr und dem Guss verwendet
werden, ausreichend unterschiedlich sein, um eine maximale Differenz
des Schmelzpunktes zu ergeben, und müssen in ausreichendem Maße gleich
sein, um eine minimale Differenz der Ausdehnungskoeffizienten zu
ergeben. Angesichts dieser generellen Einschränkungen bestand eine empirische
Lösung
darin, Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung mit Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500
auszuführen
und den Guss mit UNS C81100-Kupferguss. Die Wärmeleitfähigkeit des Kupfers herrscht
vor und die Streckgrenze an der zusammengeschmolzenen Grenzfläche wird
durch die verfahrenstechnisch bedingte Temperaturwechselbeanspruchung
nicht überfordert.
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Die
Streckgrenzen des Rohrs und des Gusses nehmen beide mit Zunahme
des Kupfergehaltes der entsprechenden Legierungen ab. Beispielsweise
ist die maximale Kupfergussspannung an der Rohr-Grenzfläche zumeist
direkt proportional von 8.000 psi bei 30% W-Kupfer bis 2.000 psi
bei 100% W-Kupfer. Die maximale Rohrspannung ist zumeist direkt
proportional von 14.000 psi bei 30% W-Kupfer bis 2.000 psi bei 100% W-Kupfer.
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Bei
einem aufgebrachten Wärmestrom
vom 50.000 BTU/ft2/h sind:
- A
- = Rohrtemperatur in °F, außen;
- B
- = Rohrtemperatur in °F, innen;
- C
- = Kupfertemperatur
in °F, Spitze;
- D
- = Kupferspannung (PSI),
am Rohr;
- E
- = Rohrspannung (PSI);
- F
- = Oberflächentyp
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4A bis 4D veranschaulichen
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung für
einen Kühlblock,
der hierin mit der allgemeinen Bezugszahl 400 bezeichnet
ist. In den Kühlblock 400 einbezogen
ist eine warme Seite 402 gegenüber einer Installationsseite 404.
Ein Paar von Rohren 406 und 407 aus Kupfer-Nickel-Legierung
UNS C71500 sind mit entsprechenden Rohrkupplungen 408 bis 411 ausgestattet.
Die Rohre 406 und 407 sind im Inneren eines massiven
Kupferblockes 412 vergossen. Die Fertigung des Kühlblockes 400 erfolgt ähnlich wie
die des Ofenkühlsystems 100 von 1.
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Obgleich
spezielle Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben und veranschaulicht worden
sind, ist dieses nicht als eine Einschränkung der Erfindung auszulegen.
Für den
Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet sind Modifikationen und Änderungen
zweifelsfrei offensichtlich und die Erfindung gilt lediglich als
beschränkt
durch den Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche.
