DE69113307T2 - Verbesserte Konstruktion für Brenner und Blasformöffnungen in Öfen und vertikalen Reaktoren. - Google Patents
Verbesserte Konstruktion für Brenner und Blasformöffnungen in Öfen und vertikalen Reaktoren.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen der Herstellung von Brenneröffnungen oder Ummantelungen der Blasöffnungen von vertikalen Öfen oder Reaktoren.
- Vertikale Öfen oder Reaktoren, die mit hohen Temperaturen arbeiten, wie beispielsweise Hochöfen oder Kupolöfen, werden üblicherweise von einer Gruppe von Brennern oder Blasöffnungen zum Einblasen von heißen Gasen beheizt, die nach Art eines Gürtels um den Ofen oder den Reaktor angeordnet sind. Die im allgemeinen lösbaren metallischen Brenner oder Blasöffnungen befinden sich in Öffhungen oder Ummantelungen, die aus aus feuerfestem Material bestehenden Teilen gebildet sind. Diese feuerfesten Teile sind erheblichen mechanischen und thermischen Spannungen sowie einer erheblichen Korrosion ausgesetzt.Es lassen sich im einzelnen unterscheiden:
- - statische mechanische Spannungen, die sich aus dem Gewicht des Mauerwerks und den von der metallischen Außenhülle des Ofens oder Reaktors ausgeübten Einschließkräfte ergeben;
- - dynamische mechanische Spannungen, die sich aus der in den Ofen oder Reaktor hinabfallenden festen Charge bewirkten Abrasion und der Erosion ergibt, welche von dem Rieseln von geschmolzenem Glas, Schlacke und/oder Metall entlang der Teile oder durch in dem Ofen oder Reaktor aufsteigende heiße Gase herrührt;
- - thermo-mechanische Spannungen aufgrund der hohen Temperaturen, die in dem Ofen oder Reaktor herrschen, aufgrund von Temperaturgradienten, die im stabilisierten Betrieb gegeben sind, oder aufgrund von Temperaturschocks, die beim Anhalten und erneuten Anfahren der Brenner oder beim Injizieren von heißen Gasen durch die Blasöffnungen auftreten;
- - Korrosion, die sich auf der Oberfläche der mit der Charge des Ofens oder Reaktors in Berührung stehenden Teile und durch Infiltration und Diffusion aus der Charge des Ofens oder Reaktors ausgegebener aggressiver Elemente auch in der Dicke der Teile bilden kann.
- Diese Spannungen und die Korrosion, denen die Teile ausgesetzt sind, sind die Gründe für den Prozeß der Zerstörung der Teile.
- Beispielsweise sind bei Ummantelungen von Blasöffnungen in Hochöfen die Bestandteile der Ummantelungen einer Rißbildung durch Temperaturschocks sowie einer Imprägnierung durch Kaliumdämpfe, die sich als K&sub2;O oder K&sub2;CO&sub3; niederschlagen und das feuerfeste Material in der Tiefe angreifen, wodurch dieses brüchig wird, und einem Verschleiß durch Abrasion und Erosion ausgesetzt, die durch die Charge verursacht werden, welche auf das durch die vorgenannten aggressiven Einwirkungen brüchige Material herabfällt.
- Es ist daher erforderlich, daß die Brenneröffnungen und die Ummantelungen der Blasöffnungen von vertikalen Öfen und Reaktoren eine gute Beständigkeit gegenüber Temperaturschocks und eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, die selbst bei in der Tiefe wirkenden chemischen Angriffen beständig ist.
- Brenneröffnungen oder Ummantelungen von Blasöffnungen werden üblicherweise aus einer großen Zahl keramisierter feuerfester Formsteine mit unterschiedlichen und verhältnismäßig komplizierten Formen zusammengesetzt, die beispielsweise aus Siliziumkarbid mit einem Siliziumnitrid-Binder oder aus Korundkörnern mit einem Mullit- oder Sialon- Binder bestehen.
- Diese Technologie ist, wenn sie auch zufriedenstellend ist, dennoch sehr aufwendig, da sie für den Hersteller mit der Herstellung einer großen Zahl von Formen und der Verwendung nicht automatisierter Bearbeitungsverfahren, wie zum Beispiel das manuelle Stampfen, und für den Benutzer mit der Notwendigkeit einhergeht, über qualifizierte Arbeitskräfte zu verfügen. Ferner ist die Montagezeit vor Ort sehr lang, nämlich üblicherweise ungefähr sieben Tage für einen Blasöffnungsring eines Hochofens.
- Um bei der Montage vor Ort Zeit zu gewinnen, wurde vorgeschlagen, vorab zusammengefügte Einheiten aus Formsteinen zu liefern, das heißt, Einheiten aus Formsteinen, die in der Fabrik durch bekannte Mittel, beispielsweise mit Hilfe von Zement, verbunden werden. Dieses Verfahren bietet jedoch keinen weiteren Vorteil im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren.
- Es wurde ferner vorgeschlagen, jede Öffnung oder Ummantelung nicht mehr durch Zusammenfügen einer großen Zahl von Element-Formsteinen herzustellen, sondern durch Zusammenfügen einer geringen Zahl (beispielsweise vier) vorzugsweise formgleicher Elemente herzustellen, die aus einem Feuerfestbeton gegossen werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Verringerung der Kosten für Formen und die Arbeitskosten und einen Zeitgewinn bei der Montage vor Ort: auf diese Weise kann die Montagezeit beispielsweise von 7 Tagen, wie im Falle einer Einheit aus Formsteinen, auf 4 - 5 Tage verringert werden.
- Die Erfahrung hat jedoch gelehrt, daß selbst bei Verwendung der besten hochdichten Feuerfestbetonarten, die zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel den in dem französischen Patent 2 390 400 oder dem entsprechenden deutschen Patent 27 59 809 beschriebenen Betonarten, die erhaltenen Brenneröffnungen oder Ummantelungen bei der Verwendung eine gegenüber den bei hohen Temperaturen keramisierten Formsteinen sehr geringe Abrieb- und Erosionsbeständigkeit bei Hitze aufweisen, insbesondere im Vergleich mit denjenigen aus Formsteinen, welche aus Korund- und/oder Siliziumkarbidkörnern mit Nitrid- oder Sialon-Binder bestehen, und zwar insbesondere beim gleichzeitigen Auftreten von Korrosion in der Masse durch Infiltration oder Diffusion aggressiver Elemente, beispielsweise K&sub2;O oder K&sub2;CO&sub3;.
- Eine weitere getestete Variante besteht in der Herstellung von Brennöffnungen oder Ummantelungen durch das Zusammenfügen von vier Blöcken aus geformtem Kohlenstoff. Diese Lösung ist jedoch nicht zufriedenstellend, da sie zu erheblichen thermischen Verlusten führt und die Kohlenstoffblöcke durch Oxydation schnell verbraucht sind.
- Die vorliegende Erfindung zielt auf die Beseitigung der zuvor genannten Probleme, indem sie verbesserte Brenneröffnungen und Ummantelungen für Blasöffnungen von vertikalen Öfen oder Reaktoren schafft.
- Die Erfindung betrifft im einzelnen eine Brenneröffnung oder Ummantelung der Blasöffnung eines vertikalen Ofens oder Reaktors, gebildet durch Zusammenfügen von höchstens vier vorgefertigten Elementen aus geformtem Feuerfestbeton, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element ferner eine Auskleidung aufweist, die aus keramisierten feuerfesten Formsteinen mit identischen Formen und Abmessungen besteht, die mit dem Element eine einheitliche Verbundeinheit bilden und zwischen dem Teil des aus geformtem Feuerfestbeton bestehenden Elements und der Öffnung zur Aufnahme des Brenners oder der Blasöffnung angeordnet ist.
- Da die die Auskleidung bildenden keramisierten Formsteine sämtlich die gleiche Form und die gleichen Abmessungen haben, sind sie auf einfache Weise durch ein automatisches Formgebungsverfahren herstellbar, beispielsweise durch uniaxiales Pressen. Als Herstellungsmaterial für die keramisierten Formsteine wird vorzugsweise ein Material aus Korund- und/ oder Siliziumkarbidkörnern, die durch einen Nitrid- oder Sialon-Binder gebunden sind, wie zum Beispiel das Erzeugnis CORANIT , das ungefähr 75% Aluminiumoxid und 25% eines nitrierten Binders vom Sialon-Typ und Silizium-Oxinitrid enthält; das Produkt SICANIT 20, das ungefähr 76% Siliziumkarbid und 25% eines nitrierten Binders enthält, oder das Produkt SICANITOR AL, das ungefähr 9,5% Aluminiumoxid, 67% Siliziumkarbid und 23,5% eines nitrierten Binders vom Sialon-Typ enthält; diese Produkte werden von der Anmelderin vertrieben.
- Die aus den Formsteinen bestehende Auskleidung kann entweder während des Gießens des Betonteils der Elemente eingestellt werden, indem die Formsteine während des Gießens des Betons in den zum Formen des Betons verwendeten Formen angeordnet sind, oder die Auskleidung kann nach dem Entformen des Betonteils der Elemente durch Verbindung mittels eines feuerfesten Zements derart angebracht werden, daß die Verbindung aus Beton und Formstein eine einstückige Verbundeinheit ergibt.
- Als Feuerfestbetons können die in dem französischen Patent 2 390 400 oder dem entsprechenden deutschen Patent 27 59809, deren Lehren durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung sind, beschriebenen Betonarten verwendet werden, mit Ausnahme von Beton, der Kohlenstoff enthält, dessen Vorhandensein vermieden werden sollte. Kurz gesagt bestehen diese Betonarten gewichtsmäßig (A) zu 70-90% aus einem feuerfesten Granulat und (B) zu 10-30% aus einem Zement, der (i) zu 10-30 % aus einer erdalkalischen mineralischen Substanz, (ii) zu 14-54% aus ultrafeinen Partikeln mit einer Partikelgröße zwischen 100 um und 0,1 um und (iii) zu 14-54% aus feinen Partikeln mit einer Partikelgröße zwischen 1 und 10 um. Aus dieser Gruppe von Betonarten werden insbesondere die gerüttelten Betonarten mit einem Granulat aus Aluminiumoxid mit einem hydraulischen Binder verwendet, wie beispielsweise der Beton CRISTARAM mit 93% Aluminiumoxid, bei dem das Granulat aus weißem Korund besteht, der lediglich 3% Wasser erfordert und eine Dichte von 3250 kg/m³ sowie eine Kalt-Druckfestigkeit von mehr als 140 MPa aufweist; oder es wird der Beton CORAL mit 89% Aluminiumoxid verwendet, dessen Granulat aus braunem Korund besteht, der nur ungefähr 2,5 % Wasser erfordert und eine Dichte von 3350 kg/m³ sowie eine Kalt-Druckfestigkeit von mehr als 50 MPa aufweist; beide Produkte werden von der Anmelderin vertrieben. Solche Arten von Beton haben ferner den Vorteil, wärmeisolierend zu sein, da sie eine Wärmeleitfähigkeit von ungelähr 4W/m.K. bei 8000 aufweisen. Zum Vergleich weisen Materialien auf Kohlenstoffbasis oder auf Siliziumkarbid-Basis eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 15W/m.K. auf.
- Vorteilhafterweise sind die gegossenen Elemente aus Feuerfestbeton durch Einsetzen von Verstärkungselementen, beispielsweise durch Rostfreistahlfasern, in den verwendeten Beton verstärkt. Beispielsweise können ungefähr 1 bis 3% Verstärkungselemente eingesetzt werden. Ein Beispiel für im Handel erhältliche Verstärkungs-Rostfreistahlfasern sind die Fasern ZP 30/40 SS 304, die von der Firma DRAMIX vertrieben werden. Der Zusatz von Stahl-Verstärkungsfasem verbessert die Festigkeit gegen Zersplitterung durch thermischen Schock, so daß auf diese Weise ein Bröckeln der Teile vermieden wird. Überraschenderweise haben Versuche gezeigt, daß die Beständigkeit gegen Korrosion durch Kohlenmonoxid durch das Vorsehen der Stahlfasern nicht beeinträchtigt wird, wie dies zu befürchten wäre.
- Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen.
- Es zeigen:
- Figuren 1 und 2 - eine schematische Schnitt- bzw. Vorderansicht einer herkömmlichen Ummantelung einer Blasöffnung eines Hochofens.
- Figuren 3 und 4 - eine schematische Schnitt- bzw. Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Ummantelung einer Blasöffnung eines Hochofens.
- Die Figuren 1 und 2 zeigen eine herkömmliche Ummantelung 1 einer Blasöffnung 2 eines Hochofens 3 (in Teildarstellung). Diese Ummantelung, die in Figur 1 schraffiert dargestellt ist, ist durch Zusammenfügen einer großen Zahl von keramisierten feuerfesten Formteilen 4 unterschiedlicher Form gebildet, wobei die sich ergebende Einheit eine Öffiiung oder einen Durchlaß 5 begrenzt, die zur Aufnahme der kegelstumpfförmigen Düse 2 geeignet ist, deren Achse geringfügig nach unten geneigt ist.
- Die Figuren 3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße Ummantelung 11. Diese Ummantelung ist durch Zusammenfügen von vier vorgefertigten Elementen 12 hergestellt. Jedes Element 12 besteht aus einem Außenteil 13 aus gegossenem Feuerfestbeton (in Figur 3 durch Feinschraffierung dargestellt), das fest mit einer Innenauskleidung 14 verbunden ist, die die Öffnung oder den Durchlaß 5 zur Aufnahme der Düse 2 des Hochofens 3 begrenzt und durch eine Einheit aus keramisierten feuerfesten Formteilen 15 von gleicher Form und Größe gebildet ist, wobei die Formteile sowohl in vertikaler Richtung als auch in Längsrichtung Keilform aufweisen. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Formteile lediglich über einen Teil der Gesamtdicke der Elemente 12, wobei dieser Teil die dem Inneren des Ofens oder Reaktors zugewandte Seite der Elemente beinhaltet. Dies ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant, da dies eine Verringerung der Menge des kostspieligen Materials der Formsteine ermöglicht. Sobald die vier Elemente 12 zusammengefügt sind, bilden die Auskleidungen 14 zusammen einen inneren kegelstumpfförmigen Ring, dessen Achse geringfügig nach unten geneigt ist, und der in die aus Feuerfestbeton bestehenden Teile 13 der Elemente eingesetzt ist, wobei die Vorderseite 16 des Rings auf der Innenseite 17 des Hochofens angeordnet ist.
- Die Elemente 13 sind aus Beton und keramisierten Formsteinen bestehende Verbundelemente mit ausgezeichneten Betriebseigenschaften. Der Innenring aus feuerfesten keramisierten Formsteinen (beispielsweise aus Korund und/oder Siliziumkarbid mit Nitrid- oder Sialon-Binder) weist gleichzeitig eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Temperaturschocks, eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine sehr hohe mechanische Festigkeit, die die Aufnahme der auf die gesamte Ummantelung wirkenden statischen mechanischen Spannungen ermöglicht, und eine ausgezeichnete Abrasions- und Erosionsfestigkeit auf, die ein Verlangsamen der Abnutzung der sie umgebenden Teile aus Feuerfestbeton ermöglicht.
- Die Teile aus gegossenem Beton können als Halteeinrichtung für die Formsteine und als Füllmaterial angesehen werden.
- Es sei darauf hingewiesen, daß die Einheit der Elemente 12 durch einfaches Nebeneinandersetzen der Elemente, mit oder ohne Verbindung durch einem feuerfesten Zement oder Mörtel, erfolgen kann.
- Es ist selbstverständlich, daß das beschriebene Ausführuhgsbeispiel lediglich ein Beispiel ist und dieses modifiziert werden kann, insbesondere durch Verwendung technischer Äquivalente, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Claims (6)
1. Brenneröffnung oder Ummantelung der Blasöffnung eines vertikalen Ofens oder
Reaktors, gebildet durch Zusammenfügen von höchstens vier vorgefertigten Elementen
(12) aus geformtem Feuerfestbeton, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element ferner
eine Auskleidung (14) aufweist, die aus keramisierten feuerfesten Formsteinen mit
identischen Formen und Abmessungen besteht, die mit dem Element eine einheitliche
Verbundeinheit bilden und zwischen dem Teil (13) des aus geformtem Feuerfestbeton bestehenden
Elements und der Öffnung (5) zur Aufnahme des Brenners oder der Blasöffnung
angeordnet ist.
2. Öffnung oder Ummantelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Feuerfestbeton ein Granulat aus Aluminiumoxid und einen hydraulischen Binder enthält.
3. Öffnung oder Ummantelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
keramisierte feuerfeste Formstein aus durch einen Nitrid- oder Sialon-Binder gebundenen
Korund- und/oder Siliziumkarbidkörnem besteht.
4. Öffnung oder Ummantelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Formsteine sich nur über einen Teil der Gesamtdicke der Elemente erstrecken, wobei dieser Teil
die dem Inneren des Ofens oder Reaktors zugewandte Seite einschließt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Öffnungs- oder Ummantelungselements nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramisierten Formsteine während des
Formens des vorgefertigten Betonelements in der Form angeordnet sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines Öffnungs- oder Ummantelungselements nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Betonteil des Elements
durch Gießen hergestellt wird und anschließend die Auskleidung aus Formsteinen nach
dem Entformen des Teils mit diesem verbunden wird.
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