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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit Wandauskleidungen, die in Öfen verwendet
werden. Die vorliegende Erfindung befasst sich insbesondere mit
Kühl-Arrangements für feuerfeste
Wandauskleidungen.
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Öfen, die
bei hohen Temperaturen arbeiten, werden bei einer Anzahl verschiedener
Prozesse eingesetzt, inklusive dem Schmelzen von Metallen. Die meisten Öfen sind
aus einer äußeren Ummantelung,
die aus einem metallischen Material besteht, das üblicherweise
Stahl ist, hergestellt ist. Die äußere Ummantelung
ist mit einer Schicht aus feuerfesten Ziegeln ausgekleidet, um die äußere Ummantelung vor
den extremen Temperaturen im Inneren des Ofens zu isolieren, und
auch um zu verhindern, dass die sehr heißen Materialien, die sich im
Inneren des Ofens befinden, in Kontakt mit der äußeren Ummantelung kommen. Feuerfeste
Auskleidungen sollten langlebig sein, um so die beträchtlichen
Ausfallzeiten, die mit der Neuauskleidung eines Ofens einhergehen,
zu minimieren.
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Feuerfeste
Auskleidungen sind im Allgemeinen aus Materialien gefertigt, die
mit den Inhalten des Ofens nahezu nicht reagieren. Erosion und Zerstörung von
feuerfesten Auskleidungen treten aber trotzdem auf, und es hat sich
herausgestellt, dass die Erosions- und Zerstörungsrate der Auskleidung in dem
Maße steigt,
wie die Temperatur der heißen Oberfläche der
Auskleidung (das bedeutet, der Fläche der Auskleidung, welche
dem Inneren des Ofens zugewandt ist) steigt. Deswegen sind bereits
zahlreiche Versuche unternommen worden, die Temperatur der heißen Oberfläche der
Auskleidung zu senken, um so die Lebenszeit der feuerfesten Auskleidung
zu verlängern.
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Eine
Konstruktion, die vorgeschlagen wird, um für die Temperaturverminderung
der heißen Oberfläche verwendet
zu werden, erfordert die Installation eines Wasserkühlkreislaufs
in der feuerfesten Auskleidung. Während das Wasser durch den
Kühlkreislauf
fließt,
entzieht es der feuerfesten Auskleidung Hitze und bewirkt so, dass
die Temperatur der heißen
Oberfläche
der Auskleidung abnimmt. Obwohl diese Konstruktionen so arbeiten,
dass die Temperatur der Auskleidung zufriedenstellend reduziert wird,
erfordern sie die Verwendung von Kühlwasserkreisläufen innerhalb
der Auskleidung. Jedes Austreten von Wasser aus dem Kühlkreislauf
verfügt
aber über
das Potential, in den Ofen zu sickern und Explosionen und Hydration
des Feuerfestmaterials zu verursachen. Das ist offensichtlich eine
extrem gefährliche
Situation, und heutzutage hat sich die Meinung durchgesetzt, dass
eine interne Wasserkühlung
von feuerfesten Auskleidungen vermieden werden sollte.
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Ein
anderer Ansatz, der seitens der Industrie unternommen wurde, erfordert
das Platzieren von massiven Kühlstäben mit
hoher Wärmeleitfähigkeit durch
die Wand eines Ofens und in eine Auskleidung hinein. Der äußere Bereich
des massiven Kühlstabs bleibt
dabei außerhalb
der feuerfesten Auskleidung. Der Bereich der Kühlstäbe, der sich außerhalb
des Ofens befindet, wird von einem Wasserkühlkreislauf gekühlt. Falls
sich Undichtigkeiten in dem Wasserkühlkreislauf entwickeln sollten,
kann folglich kein Wasser in Kontakt mit den heißen Inhalten des Ofens kommen,
was Hydration ausscheiden lässt
und die Gefahr einer Explosion reduziert. Die massiven Kühlstäbe haben
im Allgemeinen einen Abstand von etwa einem halben Meter voneinander.
Dies führt
zu großen
Temperaturgradienten in der feuerfesten Auskleidung. Areale mit
hoher Temperatur in der Auskleidung verschleißen weitaus schneller als Areale
mit relativ niedrigerer Temperatur, und der Verschleiß der Auskleidung
ist ungleichmäßig. Des
Weiteren führen die
großen
Temperaturgradienten in der Auskleidung zum Aufbau großer Wärmebelastungen
in der feuerfesten Auskleidung.
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Das
englische Patent No. 1 585 155 beschreibt einen Lichtbogenofen,
der mit einer Verbundstoffauskleidung versehen ist, welche eine
exponierte innere Schicht aus feuerfestem Material, das dem Ofeninneren
zugewandt ist, enthält.
Es wird eine äußere Schicht
aus feuerfestem Material, das sich hinten auf der inneren Schicht
befindet, bereit gestellt, wobei sich diese äußere Schicht aus feuerfestem
Material in Wärmekontakt
mit der inneren Schicht befindet. Die äußere Schicht besteht aus einem
Material, das eine höhere
Wärmeleitfähigkeit
als die innere Schicht hat. Die äußere Schicht
kann Kontakt mit der Ofenhülle
haben, welche Hitze an die Umgebung, oder was noch gebräuchlicher
ist, an ein gebläsegekühltes oder
Wasserkühl-Medium
abgibt. Die Verbundstoffkonstruktion der feuerfesten Auskleidung
wirkt dadurch, dass sie den Wärmestrom durch
die Seitenwandauskleidung erhöht,
wodurch das Ausmaß des
Verschleiß der
Auskleidung reduziert wird. Diese Konstruktion leidet unter dem
Nachteil, dass die Installation einer feuerfesten Verbundstoffwandstruktur
im Ofen nötig
ist. Des Weiteren ist die Leitfähigkeit
solcher feuerfesten Materialien relativ gering, obwohl das Material
der äußeren Schicht der feuerfesten
Auskleidung als hoch leitfähiges,
feuerfestes Material beschrieben wird, und dies wirkt etwas begrenzend
auf die Menge an Hitze, die aus dem Ofen abgezogen werden kann.
Verbundstoffmaterialien sind auch teuer und können reaktiv sein.
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Eine
weitere Lösung
gegen die Erosion und das Einbrennen bei feuerfesten Auskleidungen
in Hochtemperaturöfen
wird in dem US amerikanischen Patent No 3 849 587, übertragen
an Hatch Associates Limited, beschrieben. Dieses Patent offenbart den
Schutz von feuerfesten Auskleidungen von Öfen, die bei hohen Temperaturen
arbeiten, durch das Platzieren von massiven Kühlstäben mit hoher Wärmeleitfähigkeit
durch die Wand hindurch und in die Auskleidung hinein. Die äußeren Bereiche
der massiven Kühlstäbe bleiben
außerhalb
der feuerfesten Auskleidung. Die Kühlstäbe, die in die Auskleidung
eingebettet sind, sind im Wesentlichen in den Bereichen, die sich
in der Auskleidung des Ofens befinden, frei von wassergekühlten Kanälen, was
das Austreten von Wasser in den Ofen hinein verhindert. Die Bereiche der
Kühlstäbe, die
sich außerhalb
des Ofens befinden, werden im Allgemeinen von einem Wasserkühlkreislauf
gekühlt.
Die Länge,
die Querschnittsfläche, der
Abstand und das Material der Kühlstäbe werden so
ausgewählt,
dass ein Schmelzen der Kühlstäbe verhindert
wird, und dass genügend
Hitze von der Auskleidung abgeleitet wird, um die Erosion der Auskleidung
zu begrenzen.
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Die
Kühlstäbe, die
in die Auskleidung eingesetzt sind, bestehen bevorzugt aus Kupfer.
Die Kühlstäbe, die
in diesem Patent beschrieben werden, haben einen großen Durchmesser,
typischerweise von etwa 100 mm (vier Zoll), und haben einen relativ
großen
Abstand voneinander. Das führt
zur Bildung eines Temperaturgradienten über die heiße Oberfläche der feuerfesten Auskleidung
mit dem damit einhergehenden, ungleichmäßigen Verschleiß und den
Wärmebelastungen,
die mit solchen Wärmegradienten verbunden
sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine feuerfeste Auskleidung bereit,
welche einen oder mehrere der Nachteile, der oben genannten herkömmlichen Technik überwindet
oder wenigstens verbessert.
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In
der Japanischen Patentanwendung JP 5-9542 wird die Anbringung von
Lamellen an der Innenseite eines Kessels in gleichmäßigen Abständen zueinanderbeschrieben,
um so die Effizienz des Wärmeentzugs
zu verbessern. Dieses Dokument wendet sich aber nicht dem Problem
zu, eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur über die
gesamte heiße
Oberfläche
des Ofens bereitzustellen.
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In
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Wandauskleidung
für einen
Ofen bereit, welcher über
eine äußere Ummantelung
und eine Quelle für
ein externes Kühlmittel,
das Verbindung zu der äußeren Ummantelung
hat, verfügt,
wobei die besagte Wandauskleidung eine feuerfeste Auskleidung umfasst,
welche angrenzend an die äußere Ummantelung
liegt, wobei die feuerfeste Auskleidung eine heiße Oberfläche hat, welche während des
Betriebs des Ofens hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wobei die
feuerfeste Auskleidung eine Vielzahl von Elementen aus Material
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
enthält,
die Elemente sich in die feuerfeste Auskleidung hinein auf die heiße Oberfläche zu erstrecken,
und jedes der Elemente einen kontinuierlichen Weg für die Leitung
der Wärme
von demjenigen Ende des Elements, das sich näher an der heißen Oberfläche befindet,
zu der äußeren Ummantelung des
Ofens darstellt, was dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elemente
solcherart in der feuerfesten Auskleidung verteilt sind, dass die
besagten Elemente an heißen
Stellen in dem besagten Ofen relativ konzentriert vorliegen, und
in kühleren
Teilen des besagten Ofens eine relativ geringere Anzahl von Elementen vorliegt,
um so eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur über die
gesamte heiße
Oberfläche
des Ofens bereitzustellen.
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Mit "im Wesentlichen einheitliche
Temperatur" ist
gemeint, dass die Temperatur über
die heiße Oberfläche um nicht
mehr als 100°C
variiert. Die Temperatur über
die heiße
Oberfläche
variiert vorzugsweise nicht mehr als 50°C.
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Die
Vielzahl der Elemente kann im Wesentlichen in der Gesamtheit der
Wandauskleidung vorhanden sein, um so die gewünschte einheitlich Temperatur über die
heiße
Oberfläche
zu erreichen. Alternativ dazu, kann die Vielzahl der Elemente in
der Wandauskleidung so angeordnet sein, dass sie dort, wo sonst
heiße
Stellen im Ofen wären,
konzentrierter vorhanden sind. Dementsprechend können kühlere Stellen des Ofens eine
relativ gesehen, geringere Anzahl von Elementen haben, und es ist
möglich,
dass sich die Elemente nicht auf alle Teile des Ofens erstrecken.
Das ist insbesondere in den Fällen
so, wo die Konstruktion und der Betrieb des Ofens dann, wenn die
Vielzahl von Elementen nicht vorhanden wäre, zu verstärkten heißen und
kalten Stellen im Ofen führen
würde,
und es ist zu erkennen, dass der weitere Wärmeentzug, der durch die Vielzahl
der Elemente bereitgestellt wird, in den kühleren Arealen des Ofens nicht
benötigt
würde.
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Die
Ofenauskleidung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden,
um sicherzustellen, dass in der Umgebung der Elemente über die
heiße Oberfläche des
Ofens eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur erhalten wird.
Alternativ dazu, kann die Auskleidung so gestaltet sein, dass sichergestellt wird,
dass eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur über die
gesamte heiße
Oberfläche
des Ofens erreicht wird. Das wird bevorzugt, da so verhindert wird,
dass unerwünschte
Temperaturgradienten an der heißen
Oberfläche
gebildet werden. In jedem Fall kann die im Wesentlichen einheitliche Temperatur unter
einer Temperatur liegen, bei welcher die Zerstörungs- und/oder Erosionsrate
der feuerfesten Auskleidung in einem unzulässig hohen Maß auftritt.
Es ist zu erkennen, dass in Öfen,
die dann, wenn keine Vielzahl von Elementen vorhanden wäre, ausgeprägte heiße und kalte
Stellen hätten,
die Elemente nur in oder nahe bei Stellen, die sonst zu heißen Stellen würden, benötigt werden.
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Das
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
ist vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung. Kupfer wird
hierbei besonders bevorzugt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Vielzahl der Elemente
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
in die feuerfeste Auskleidung hinein auf die heiße Oberfläche zu, ist aber nicht ausreichend
lang, um sich bis zu der heißen
Oberfläche
zu erstrecken. Das führt
dazu, dass die Enden der Elemente durch eine feuerfeste Schicht
von der heißen
Oberfläche getrennt
werden, was den Wärmefluss
durch die Wand reduziert und so wirkt, dass es die Elemente von
den extrem heißen
Temperaturen, die während des
Betriebs des Ofens an der heißen
Oberfläche
erreicht werden, isoliert. Dies schützt die Elemente und reduziert
die Möglichkeit
der Degradation der Elemente und ihrer thermischen Beschädigung.
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Die
Vielzahl der Elemente aus Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
erstreckt sich von der inneren Wand der äußeren Ummantelung des Ofens in
die feuerfeste Auskleidung hinein, um einen kontinuierlichen Weg
für die
Wärmeleitung
von den Enden der Elemente, die näher an der heißen Oberfläche liegen,
an die äußere Ummantelung
bereitzustellen. Die Wärme
wird entlang der Elemente zu der äußeren Ummantelung geleitet.
Mit der äußeren Ummantelung
kann ein externer Kühlkreislauf
assoziiert sein, um die Hitze von der Ofenwand abzuziehen. Deswegen
hilft die Vielzahl der Elemente dabei Hitze vom Ofen abzuziehen,
und sie ermöglicht
es, dass die heiße
Oberfläche
bei einer Temperatur gehalten wird, die eine lange Haltbarkeit der
feuerfesten Auskleidung gewährt.
Die Vielzahl der Elemente ist so in der feuerfesten Auskleidung
verteilt, dass die heiße Oberfläche in der
Umgebung der Elemente eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur
hat. Das verhindert das Entstehen heißer Stellen im Ofen, reduziert
das Entstehen von Wärmebelastungen
in der feuerfesten Schicht und produziert stabile Bedingungen an
der heißen
Oberfläche.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der Ofen, der in dem US-Patent
No. 3 849 587 beschrieben worden ist, und welcher relativ große Kühlkörper verwendet,
die in großen
Abständen
voneinander in der Auskleidung verteilt sind, nicht in der Lage
ist, diese gewünschten Bedingungen
zu erfüllen.
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Die
Elemente mit hoher Wärmeleitfähigkeit können aus
Metalldrähten
oder Metallstäben
gebildet sein, wobei Kupfer das bevorzugte Metall der Wahl ist.
Der Durchmesser der Stäbe
oder Drähte
kann von den Bruchteilen eines Millimeters bis zu 25 mm reichen.
Größere Durchmesser
sind nicht zu empfehlen, da es dann schwierig wird, den gewünschten Wärmeentzug
vom Ofen zu erreichen, während
eine im Wesentliche einheitliche Temperatur über die heiße Oberfläche der feuerfesten Auskleidung
beibehalten wird.
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Alternativ
dazu, können
die Elemente durch das Imprägnieren
von feuerfesten Ziegeln mit geschmolzenem Metall und dem anschließenden Erstarren
des geschmolzenen Metalls gebildete werden. Wenn feuerfeste Ziegel
mit geschmolzenem Metall imprägniert
werden, dringt das geschmolzene Metall entlang der Poren des feuerfesten
Ziegels in den Ziegel ein. Nach dem Erstarren des geschmolzenen
Metalls, haben sich massive Körper
aus Metall gebildet, die sich von einer Oberfläche des Ziegels aus in den
Ziegel hinein erstrecken, und diese massiven Körper aus Metall wirken als
die Vielzahl von Elementen aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
wenn die Ziegel als Auskleidung des Ofens verwendet werden. Es sollte
zu erkennen sein, dass die Oberfläche der Ziegel, welche der
Imprägnierung
mit geschmolzenem Metall unterzogen wird, die Oberfläche des
Ziegels sein wird, die angrenzend an die innere Wand der äußeren Ummantelung
des Ofens zu liegen kommt. Das geschmolzene Metall sollte außerdem beim
Imprägnieren
nur bis zu einem Teil in den Ziegel eindringen, um sicherzustellen,
dass eine feuerfeste Schicht zwischen dem Metall und der heißen Oberfläche des
Ofens verbleibt.
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Die
Wandauskleidung der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Kühlung der
feuerfesten Auskleidung, ohne dass eine interne Kühlung der
Auskleidung nötig
ist. Die Vielzahl der Elemente leitet Hitze an die äußere Ummantelung
des Ofens ab, und externe Kühlkreisläufe können die
Hitze von der äußeren Ummantelung
abziehen. Der externe Kühlkreislauf
kann ein Arrangement mit Gebläse
oder einem statischen Luftkühler
sein, oder, was mehr bevorzugt wird, ein Kühlwasserkreislauf. Zum Beispiel kann
die äußere Ummantelung
von einem Wassermantel umhüllt
sein, obwohl auch andere Kühlwasserarrangements
verwendet werden können.
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Die
Vielzahl der Elemente stellt einen kontinuierlichen Weg für die Ableitung
der Wärme
an die äußere Ummantelung
dar. Sie ermöglicht
auch die Minimierung des Kontaktwiderstandes gegen den Wärmetransfer
von der feuerfesten Auskleidung. Es kann ein effektiverer Wärmetransfer
als in den Verbundstoffauskleidungen, die in einigen Unterlagen über die
herkömmlichen
Techniken beschrieben werden, erreicht werden, weil die Wandauskleidung
der vorliegenden Erfindung eine höhere, gesamte, effektive Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
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In
einer Ausführungsform
kann die Vielzahl der Elemente als Einheit zusammen mit der äußeren Ummantelung
geformt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Vielzahl
der Elemente an der äußeren Ummantelung
angebracht oder angesetzt sein.
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Bereits
existierende Öfen
können
mit der Wandauskleidung der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden,
oder sie kann als Teil von neuen Öfen ausgeführt werden. Im Falle der Nachrüstung bereits
existierender Öfen,
kann die Vielzahl der Elemente in Löcher, die durch den Ofen und
in die feuerfeste Auskleidung hineingebohrt werden, eingesetzt werden,
obwohl darin ein Potential für
die Schwächung
der Ofenstruktur liegt. Es sollte bevorzugt werden, dass der Einbau
der Wandauskleidung zur gleichen Zeit erfolgt, wenn auch das Ersetzen
der feuerfesten Auskleidung stattfindet. Die Auskleidung könnte zu
einem solchen Zeitpunkt eingebaut werden, indem metallimprägnierte,
feuerfeste Ziegel für die
Auskleidung des Ofens verwendet werden, oder indem feuerfeste Ziegel,
die vorher mit Stäben
oder Drähten
ausgestattet wurden, verwendet werden.
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In
einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
bereit zum Auskleiden eines Ofens mit einer Wandauskleidung, die
eine feuerfeste Auskleidung beinhaltet, welche über eine Vielzahl von Elementen
aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
verfügt,
wobei die Elemente sich von der äußeren Ummantelung
der Auskleidung in die feuerfeste Auskleidung hinein erstrecken,
was dadurch gekennzeichnet ist, dass das besagte Verfahren folgendes
beinhaltet:
- (a) die Berechnung des Wärmeflusses
durch die Wandauskleidung, welcher nötig ist, um an einer heißen Oberfläche der
Wandauskleidung eine gewünschte
Temperatur zu erhalten;
- (b) die Bestimmung einer Dicke der Wandauskleidung und einer
Wärmeleitfähigkeit
der Wandauskleidung, welche benötigt
werden, um den besagten Wärmefluss,
der in Schritt (a) berechnet wurde, zu erhalten;
- (c) die Bestimmung der Positionierung und des Abstandes der
besagten Vielzahl von Elementen in der besagten Wandauskleidung,
welche nötig sind,
um die besagte Wärmeleitfähigkeit
zu erhalten, und
- (d) die Bereitstellung des besagten Ofens mit der besagten Wandauskleidung,
wobei die besagten Elemente in Wärmekontakt
mit der äußeren Ummantelung
stehen, wobei die besagte Wandauskleidung während des Betriebs des besagten Ofens
eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur über die heiße Oberfläche des Ofens bereitstellt,
worin
die besagten Elemente an heißen
Stellen des besagten Ofens konzentriert vorliegen, und eine relativ
geringere Anzahl von Elementen sich in kühleren Bereichen des besagten
Ofens befindet.
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Durch
die vorliegende Erfindung kann es auch möglich gemacht werden, dass
ein Ofen mit einer feuerfesten Auskleidung ausgerüstet wird,
ohne dass dafür überhaupt
feuerfeste Ziegel verwendet werden.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
bereit, um einen Ofen mit einer feuerfesten Auskleidung auszukleiden,
wobei der besagte Ofen eine äußere Ummantelung
beinhaltet, und dieses Verfahren umfasst:
- – Das Festmachen
eine Annordnung von Elementen aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
an einer Innenwand der äußeren Ummantelung
solcher Art, dass die Anordnung von Elementen in Wärmekontakt
mit der äußeren Ummantelung steht,
und
- – das
Aufbringen eines Materials, das Feuerfestmaterial enthält, auf
die Innenwand der äußeren Ummantelung,
um so eine Beschichtung auf der Innenwand zu bilden. Das Material,
das Feuerfestmaterial enthält,
kann in einem im Wesentlichen trockenen Zustand oder in Form von
Schlicker oder einer Paste aufgebracht werden.
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Das
Material, das Feuerfestmaterial enthält, kann ein feuerfestes Material
enthalten und eine oder mehrere weitere Komponenten, was in einer
feuerfesten Verbundstoffauskleidung resultiert, die dabei erhalten
wird, oder das Material, das Feuerfestmaterial enthält, kann
lediglich ein einziges, reines, feuerfestes Material enthalten.
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Falls
ein Schlicker oder eine Paste eines Materials, das Feuerfestmaterial
enthält,
verwendet wird, kann es notwendig sein, das Feuerfestmaterial oder
die Paste in einer Reihe von Arbeitsgängen auf die Innenwand aufzutragen,
in denen eine erste dünne
Beschichtung aufgetragen und aushärten gelassen wird, worauf
das Auftragen einer oder mehrerer, weiterer Beschichtungen mit dem
Schlicker oder der Paste folgt. Dieser schrittweise Aufbau der feuerfesten
Auskleidung kann dann nötig
werden, wenn dicke, feuerfeste Auskleidungen verlangt sind, und
es abzuschätzen
ist, dass Schwierigkeiten mit Austrocknen und der Bildung von Rissen
bei einer dicken Auskleidung auftreten können, falls diese in einer
einzigen Beschichtung aufgetragen wird.
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Die
gesamte feuerfeste Auskleidung sollte eine Dicke haben, die ausreichend
ist, um die Anordnung der Elemente vollständig zu bedecken. Die stellt
dann eine Schicht von isolierendem, feuerfestem Material zwischen
den Enden der Elemente und der heißen Oberfläche des Ofens bereit, was ein Schmelzen
der Elemente während
der Benutzung des Ofens verhindert.
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Das
Material, das Feuerfestmaterial enthält, kann vermittels jedes geeigneten
Verfahrens, das denjenigen, die auf diesem Gebiet erfahren sind,
bekannt ist, auf die Innenwand aufgebracht werden. Das Material,
das Feuerfestmaterial enthält,
kann zum Beispiel aufgesprüht,
aufgespritzt oder mit der Kelle aufgetragen werden. Die Erfindung
ist so aufzufassen, dass sie alle Verfahren, um das Material, welches
Feuerfestmaterial enthält,
auf die Innenwand des Ofens aufzutragen, beinhaltet.
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Falls
ein Schlicker oder eine Paste verwendet werden, sollten der Schlicker
oder die Paste ausreichend dick oder viskos sein, um sie an ihrem
Platz an der Innenwand haften zu lassen, während sie aushärten. Durch
Routineversuche wird die benötigte Viskosität für den Schlicker
oder die Paste leicht ermittelt werden können, um dieses Ziel zu erreichen.
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Die
Anordnung der Elemente umfasst bevorzugt eine Anordnung von metallischen
Elementen. In einer Ausführungsform
umfasst die Anordnung der Elemente ein Kupferdrahtnetz, das an den Überschneidungspunkten
des Netzes weitere Kupferdrähte
befestigt hat, die sich im Wesentlichen rechtwinklig zu der Ebene
des Netzes erstrecken. Wenn das Netz an der Innenwand der Ummantelung
des Ofens festgemacht wird, erstrecken die Kupferdrähte, die
auf dem Netz befestigt sind, sich generell nach innen in den Ofen
hinein. Während
des Betriebs des Ofens wirken diese Kupferdrähte als Kühlelemente, die einen kontinuierlichen
Weg für
die Ableitung der Wärme
vom Ende der Drähte
zu einer Quelle einer externen Kühlung,
die in Kontakt mit der äußeren Ummantelung
steht, darstellen, und die Kühlelemente
assistierenden dabei, die Hitze vom Ofen abzuziehen.
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In
einer anderen Ausführungsform
beinhaltet der Schritt, in dem die Anordnung von Elementen an der
Innenwand der äußeren Ummantelung
festgemacht wird, dass die Anordnung von Elementen zusammen mit
der Innenwand der äußeren Ummantelung
gebildet wird. Die Anordnung von Elementen kann alternativ dazu
durch das Angießen
von geschmolzenem Metall auf die Innenwand der äußeren Ummantelung gebildet
werden.
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Die
Anordnung von Elementen ist vorzugsweise so angeordnet, dass während des
Betriebs des Ofens in der Umgebung der Elemente eine im Wesentlichen
einheitliche Temperatur über
die heiße Oberfläche des
Ofens erreicht wird.
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Falls
eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur über die gesamte heiße Oberfläche der
feuerfesten Auskleidung eines Ofens gewünscht oder verlangt wird, mag
es notwendig sein, dass eine ungleichmäßige Verteilung der Elemente
aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
durch die Wandauskleidung hindurch vorliegt. Zum Beispiel kann die
Anzahl der Elemente an bekannten heißen Stellen des arbeitenden
Ofens erhöht
werden, um proportional größere Wärmemengen
pro Quadratmeter, verglichen mit kühleren Arealen des Ofens, abzuziehen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden jetzt detaillierter mit Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Wandauskleidung eines Ofens in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
ein Diagram eines Temperaturprofils durch die Wandauskleidung;
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3 ist
eine Querschnitts-Ansicht einer Kühlelementkonstruktion in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine schematische Übersicht,
die den Aufbau zeigt, der für
einen Anlagenprobelauf verwendet wird, in welchen die Kühlelementkonstruktion
aus 3 aufgenommen wurde;
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5 ist
ein Diagram des Temperaturprofils durch das Kühlelement des Anlagenprobelaufs;
und
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6 ist
ein Diagram der Veränderungen
mit der Zeit des Wärmetransferkoeffizienten
der heißen Oberfläche während des
Anlagenprobelaufs.
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Bezugnehmend
auf 1 enthält
die Wand 10 des Ofens die äußere Ummantelung 12.
Die äußere Ummantelung
besteht generell aus Stahl. Der Ofen enthält die feuerfeste Auskleidung 14.
Die heiße Oberfläche 16 ist
den starken Temperaturen, die im Ofen erzeugt werden, ausgesetzt.
Die Wandauskleidung enthält
eine Vielzahl von Kupferstäben
oder -drähten 18,
die in Wärmekontakt
mit der äußeren Ummantelung 12 stehen
und sich in die feuerfeste Auskleidung 14 hinein erstrecken.
Wie aus 1 ersehen werden kann, erstrecken
sich die Kupferstäbe 14 nicht
ganz durch die feuerfeste Auskleidung 14 hindurch, statt
dessen enden sie in einigem Abstand vor der heißen Oberfläche 16. Dadurch wird
sichergestellt, dass eine Schicht aus feuerfestem Material vorhanden
ist, die zwischen den Enden der Kupferstäbe 18 und der heißen Oberfläche 16 liegt,
und diese Schicht aus feuerfestem Material isoliert die Stäbe von den
hohen Temperaturen im Ofen, wodurch eine Zersetzung und thermische
Beschädigung
der Stäbe verhindert
wird.
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Während des
Betriebs des Ofens, wird Wärme
von der heißen
Oberfläche 16 durch
die feuerfeste Auskleidung 14 und die Kupferstäbe 18 übertragen.
Die Stäbe
stehen in Wärmekontakt
mit der äußeren Ummantelung 12 und
ihre Wirkung besteht darin, Wärme
rasch an die Ummantelung abzugeben. Kühlwasser 20, das durch
den Kühlmantel 22 fließt, zieht
anschließend
die Wärme
von der Ummantelung ab.
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Die
Kupferstäbe 18 sind
in der feuerfesten Auskleidung verteilt, um einen im Wesentlichen
einheitlichen Temperaturgradienten über die heiße Oberfläche bereitzustellen. Die Stäbe sind
vorzugsweise so angeordnet, dass ein hauptsächlich eindimensionaler Wärmetransfer
durch die Wand erzeugt wird. Das kühlt die heiße Oberfläche sehr gleichmäßig ab,
und eliminiert auf effektive Weise heiße Stellen der Wand, die bei
Konstruktionen nach herkömmlicher
Technik erwiesen sind, und welche ungleichmäßigen Verschleiß der heißen Oberfläche verursachen.
Es hat sich auch gezeigt, dass eindimensionaler Wärmetransfer
effizienter ist, d. h. dass weniger Material von hoher Wärmeleitfähigkeit
benötigt
wird, um den selben Wärmefluss
abzuziehen.
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Es
ist der Zweck der Wandauskleidung, die Temperatur des Feuerfestmaterials
an der heißen Oberfläche auf
eine festgelegte Temperatur zu reduzieren (entweder diejenige, bei
welcher die Zerstörungsreaktion
aufhört,
oder diejenige bei welcher das Festwerden des Prozessmaterials einsetzt).
Der Wärmefluss
Q (W/m
2) durch die Wand in
1 kann folgendermaßen berechnet
werden:
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Wobei
Tf die Ofentemperatur (°C), TC die Kühlmitteltemperatur
(°C) und
RTOT der totale Wärmewiderstand des Wandabschnitts
(m2K/W) ist. Deswegen muss der Wärmewiderstand
des Wandabschnitts verändert
werden, um die Temperaturen des Feuerfestmaterials und den Wärmefluss
zu steuern. Der totale Wärmewiderstand
ist die Summe aus dem Leitwiderstand einer jeden Materialschicht und
dem Konvektionswiderstand an den heißen und kalten Oberflächen. Die
Konvektionswiderstände sind
jedoch entweder nicht zu verändern
oder nicht signifikant, so dass der Wärmestrom nur über den Wert
des Leitwiderstandes des eigentlichen Elements gesteuert werden
kann. Ein Wärmeleitwiderstand
RCOND (m2K/W) ist
gegeben durch RCOND = Lλ wobei
L die Dicke der Schicht (m) und λ die
Wärmeleitfähigkeit
des Materials (W/mK) ist. Eine Veränderung der Leitfähigkeit
und der Dicke der Materialschichten aus 1 erlauben
es dann, die Temperaturen des Feuerfestmaterials und den Wärmefluss
zu steuern. Das Temperaturprofil durch den Wandabschnitt kann durch
die getrennte Beachtung eines jeden Wärmewiderstands unter Verwendung der
Gleichung 1 ganz leicht berechnet werden. Wie bereits vorher erwähnt wurde,
ist das Element am effizientesten und das Bemessungsverfahren am
akkuratersten, wenn eine Schicht aus einheitlichem, hochleitfähigem Material
eingesetzt wird, da sich ein eindimensionaler Wärmetransfer entwickelt. Jedoch kann
das Verfahren auch bei nichthomogenen Wandschichten mit angemessener
Genauigkeit angewendet werden.
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Ein
Modell des Wärmewiderstands,
basierend auf dem obigen Verfahren, wurde in einer experimentellen
Studie benutzt, um die Temperaturverteilung durch einen feuerfesten
Kühler
der in 1 gezeigten Form vorherzusagen. Die Resultate
des Experiments und des Modells sind in 2 dargestellt, für einen
Fall, in dem die Kupferstäbe
einen Durchmesser von 20 mm haben und einen Abstand von 60 mm voneinander
haben. Das Modell erzeugt eine angemessen genaue Vorhersage des
Temperaturprofils und des Wärmeflusses
(experimentell 24,0 kw/m2; im Modell 21,2
kw/m2), und zeigt dabei die Aussagekraft dieses
Ansatzes für
die Konstruktion des Elements.
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Deswegen
stellt die vorliegende Erfindung auch ein relativ einfaches, jedoch
strenges Bemessungsverfahren bereit, welches beim herkömmlichen Stand
der Technik bislang nicht zur Verfügung stand.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch ein Kühlelement 30 in Übereinstimmung
mit der Erfindung. Das Element umfasst eine Grundplatte 32,
die zusammen mit den Kupferstäben 34 als
Einheit gegossen wird, um den Hauptelementkorpus zu bilden. Mit
der Grundplatte 32 ist ein externer Wassermantel 36 verschraubt,
zum Beispiel mit Deckelschrauben 38. Um eine flüssigkeitsdichte
Versiegelung zwischen der Grundplatte 32 und dem Wassermantel 36 bereitzustellen,
und um das Heraustreten von Wasser aus dem Wasserdurchlass 42 zu
verhindert, wird eine Polytetrafluoroethylen-Dichtung 40 verwendet. Das
Feuerfestmaterial 44 ist um die Stäbe 34 gegossen, um
die Wand zu bilden. Wie aus der 3 zu ersehen
ist, erstreckt sich das Feuerfestmaterial von der Grundplatte 32 bis
etwas über
die Enden der Kupferstäbe 34 hinaus.
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Die
Haupteigenschaften dieser Kühlelementkonstruktion
sind der externe Wassermantel, die eng beieinander liegenden Kupferstäbe und die
Verwendung eines gießbaren
Feuerfestmaterials, um die Wand zu bilden. Der externe Wassermantel
eliminiert auf effektive Weise die Möglichkeit, dass Wasser schädigend in
den Ofen hinein entweicht. Der kleine Abstand zwischen benachbarten
Kupferstäben
(60 mm) soll die Temperaturgradienten senkrecht zur heißen Oberfläche, welche
bei konventionellen Kühlelementen
erwiesen sind, stark reduzieren. Dies sollte darin resultieren,
dass die Wand gleichmäßiger gekühlt wird,
was wiederum einen gleichmäßigeren Verschleiß der heißen Oberfläche bewirken
würde. Die
Verwendung von gießbarem
Feuerfestmaterial soll den Wärmewiderstand,
der auf Grund von Luftlöchern,
die üblicherweise
zwischen feuerfesten Ziegeln auftreten, vorhanden ist, reduzieren.
All diese Faktoren sollen zu einem effizienteren Kühlsystem beitragen.
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Anlagenprobeläufe der
Kühlelementkonstruktion
wurden unternommen, wobei das Kühlelement,
das in 3 gezeigt ist, verwendet wurde. Der im Anlagenprobelauf
verwendete Aufbau ist in 4 dargestellt. Das Kühlelement 30 wurde
im Dach 50 des Unterofens eingebaut. Das Dach ist den mildesten
Bedingungen (d. h. relativ niedrige Temperaturen und keine Schlackeauswaschung)
ausgesetzt und schien am geeignetsten für diesen Versuch. Das Kühlelement 30 hing,
von Halteklammern 52, 54 gehalten, von Tragbalken
(nicht gezeigt) herab, und die Oberfläche des Kühlelements war bündig mit
der heißen
Oberfläche 56 des
Ofens positioniert. Das Kühlelement 30 wurde
mit dem Wassereinlass 58 ausgestattet, welcher das Rotameter 60,
zur Messung der Wasserdurchflussrate und das Ventil 62 zur
Steuerung der Wasserdurchflussrate enthielt. Das Kühlwasser
wird über
die Kühlwasserablassleitung 64 von
dem Kühlelement
abgezogen. Typ K Tauchthermoelemente 65, 66 waren
mit dem Wassermantel verbunden, um jeweils die Einlass- und Ablass-Wassertemperatur
zu messen. Innerhalb des Kühlelements 30 wurden
vierundzwanzig Thermoelemente platziert, um das Temperaturprofil
innerhalb des Kühlelements
zu messen. Die Ausgabe von diesen Thermoelementen (schematisch bei 68 dargestellt) war
mit einem Datenaufzeichnungsgerät 70 verbunden,
welches alle fünf
Minuten Messungen aufzeichnete.
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Es
zeigte sich, dass das neue Kühlelement
in den Anlagenprobeläufen
erfolgreich arbeitete. 5 zeigt ein Beispiel für ein Temperaturprofil
durch das Element von der heißen
Oberfläche
zu der kalten Oberfläche,
die während
einer Periode stationären Ofenbetriebs
aufgezeichnet worden ist. In 5 sind zwei
separate Profile dargestellt (Kupfer und Feuerfestmaterial). Das
Kupferprofil wurde von der kalten Oberfläche her aufgenommen, es verläuft durch
das Zentrum eines Kupferstabes in das Feuerfestmaterial hinein, über die
Spitze des Stabes hinaus, bis zur heißen Oberfläche. Das Profil des Feuerfestmaterials läuft durch
das Feuerfestmaterial mitten zwischen benachbarten Stäben hindurch
bis zur heißen
Oberfläche.
Durch die massive Kupferplatte (von 0 bis 80 mm) gibt es nur einen
sehr geringen Temperaturgradienten, 0,2°C/mm. Der Temperaturgradient
steigt auf 0,7°C/mm
durch den Kupferstab an (80 bis 300 mm). Das ist immer noch ein
relativ niedriger Gradient, bei dem die Spitze des Stabes nur 216°C erreicht.
Die niedrige Temperatur an der Stabspitze zeigt, dass der externe
Wassermantel in der Lage war, die inneren Kupferstäbe effektiv
zu kühlen.
Der Temperaturgradient durch die Stäbe ist linear, was zeigt, dass
der Wärmetransfer
größtenteils
eindimensional entlang der Stäbe
erfolgt. In dem Feuerfestmaterial, das an die Stäbe angrenzt, sind die Temperaturen
bis zu einem Abstand von etwa 25 mm von der kalten Oberfläche ähnlich wie
die Kupfertemperaturen. Auf die Spitze der Kupferstäbe zu (225
bis 305 mm von der kalten Oberfläche
entfernt) sind die Temperaturen des Feuerfestmaterials jedoch signifikant höher als
die Kupfertemperaturen in der selben Tiefe. Dies zeigt das Vorhandensein
von einem multidimensionalen Wärmetransfer
und von Temperaturgradienten zwischen dem Kupfer und dem Feuerfestmaterial in
dem Element an. Diese Gradienten sind die Folge der ungleichmäßigen Kühlung (nicht
eindimensional), die an den Stabspitzen auf Grund des großen Leitfähigkeitsunterschieds
zwischen Kupfer und Feuerfestmaterial auftritt. Es wird gewünscht, diese
ungleichmäßigen Temperaturgradienten
zu minimieren, da höhere
Temperaturen des Feuerfestmaterials zu erhöhtem Verschleiß führen können, wie
bereits vorher diskutiert worden ist. Jedoch sind die Temperaturen
beider Profile durch den gesamten Rest des Elementabschnitts und,
was am aller wichtigsten ist, an der heißen Oberfläche angemessen ähnlich.
Dies zeigt, dass die neue Elementkonstruktion bei der ziemlich gleichmäßigen Kühlung der
Wand in allen Arealen, abgesehen von der Zone um die Stabspitzen,
effektiv ist.
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Der
Temperaturgradient durch das Feuerfestmaterial von der Spitze des
Kupferstabes bis zur heißen
Oberfläche
(305 bis 330 mm) in 7 ist weitaus
größer als
durch die Kupferstäbe
und das Feuerfestmaterial (80 bis 305 mm). Dieser Gradient ist annähernd linear
und reicht von 11°C/mm
für das Feuerfestmaterial
zwischen den Kupferstäben
bis zu 17°C/mm
für das
Feuerfestmaterial entlang der Linie des Kupferstabs mit der heißen Oberfläche, die
eine Temperatur von 752°C
erreicht. Der hohe Temperaturgradient in der Nähe der heißen Oberfläche, zeigt den hohen isolierenden
Effekt, den bereits eine geringe Dicke (25 mm) von Feuerfestmaterial
auf Grund seiner geringen Leitfähigkeit
ausmacht. Diese Schicht aus Feuerfestmaterial an der heißen Oberfläche schützt die
Kupferstäbe
vor den hohen Ofentemperaturen und schränkt den Wärmefluss durch das Element
ein.
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Während des
Anlageprobelaufs hat sich eine anwachsende Schicht von festgewordenem
Prozessmaterial an der heißen
Oberfläche
des Kühlelements aufgebaut.
Die anwachsende Schicht hat einen zusätzlichen Wärmewiderstand eingeführt, welcher
die vom Kühlwasser
abgezogene Wärme
signifikant reduziert hat. Der Wärmetransferkoeffizient
der heißen Oberfläche wurde
auf ähnliche
Weise beeinflusst (wie in 6 dargestellt
ist), weil der Wärmewiderstand
der Anwachsung in den berechneten Wärmetransferkoeffizienten mit
einbezogen worden ist. Einige der in 6 wiedergegebenen
Veränderungen sind
die Folge von unregelmäßigem Ofenbetrieb
sowie der schwankenden Natur der anwachsenden Schicht; jedoch können die
Effekte des anwachenden Aufbaus an der graduellen Abnahme des Wärmetransferkoeffizienten
eindeutig erkannt werden. Der Wärmetransferkoeffizient
ist von einem Anfangswert von rund 50 bis 60 W/m2K
auf nahezu 0 gefallen. Die Temperatur der heißen Oberfläche (am Ende des Elements)
wurde auf Grund des isolierenden Effekts der anwachsenden Schicht
ebenfalls von 700°C
auf unter 100°C
reduziert. Die Dicke der anwachsenden Schicht wurde auf 250 mm geschätzt, indem
ein großes
Thermoelement vom K Typ nach unten neben das Element und durch die
Anwachsung geschoben wurde. Das Ausmaß und die Stabilität einer
jeden anwachsenden Schicht hängt
nicht nur vom Ausmaß der
Kühlung,
sondern auch von den internen Ofenbedingungen und den Eigenschaften
des Prozessmaterials ab. Anwachsende Aufbauten helfen dabei, einen Schutz
des Feuerfestmaterials bereitzustellen.
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Diejenigen,
die auf diesem Gebiet erfahren sind, werden erkennen, dass die Erfindung
empfänglich
für andere
Variationen und Modifikationen, als diejenigen, die speziell beschrieben
worden sind, ist. Es muss klar sein, dass die vorliegende Erfindung alle
solche Variationen und Modifikationen umfasst, die in den Umfang
der Ansprüche
fallen.
