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Die vorliegende Erfindung betrifft eine metallurgische Ofeneinheit mit einem zylindrischen
Ofenkörper, der für Dreh- und/oder Schwenkbewegung oder ähnliche Bewegungen ausgebildet ist, wobei
diese Bewegungen durch wenigstens einen außerhalb des Ofenkörpers angeordneten Ring möglich
gemacht werden, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft spezieller einen
rotierenden Aufblaskonverter.
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Unter "metallurgische Ofeneinheit" versteht man allgemein eine Verfahrenapparatur, mit welcher
pyrometallurgische Verfahren bei den höchsten Temperaturen, die für das betreffende Verfahren
erforderlich sind, durchgeführt werden. Der Begriff "metallurgische Ofeneinheit", wie er in diesem
Dokument verwendet wird, schließt auch Ofeneinheiten ein, in welchen andere metallurgische
Verfahren als strenggenommen pyrometallurgische Verfahren ausgeführt werden, wie beispielsweise
anorganische Hochtemperaturverfahren. Die Ofeneinheiten können Schmelzöfen, Darröfen oder
Hitzebehandlungsöfen unterschiedlicher Arten sowohl für ansatzweise Verfahren als auch für
kontinuierliche Verfahren sein. Solche Ofeneinheiten können mit einem oder mehreren Ringen um
den Ofenkörper herum versehen werden, wobei diese Ringe allgemein als Befestigungsringe
bekannt sind, die die Funktion von Gleitringen, Kippringen oder Stützringen haben können. Ein
gemeinsames Merkmal dieser Ringe ist jenes, daß sie außerhalb des tatsächlichen Ofenkörpers,
d. h. außerhalb der runden äußeren Gehäusewand der Einheit sitzen.
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Viele verschiedene Typen metallurgischer Ofeneinheiten sind verfügbar, wobei jede für die
speziellen mit diesen Einheiten durchzuführenden Bewegungen gestaltet sind. Beispielsweise sind im
Stand der Technik verschiedene Arten kontinuierlich arbeitender Drehöfen bekannt, die mehrere
Ringe einschließen, die auf Rollen ruhen, welche Antriebsrollen oder lose Stützrollen sein können,
wobei der Ofen etwas geneigt ist. Es ist auch erforderlich, horizontal arbeitende Konverter für
unterschiedliche Bewegungsarten zu gestalten, zum Beispiel für eine Kippbewegung oder Drehbewegung
um ihre jeweiligen Längsachsen. Solche Konverter ruhen auch auf Rollen, entweder frei rotierenden
oder angetriebenen Rollen, und können mit Hilfe dieser Rollen gekippt oder gedreht werden. Mit
dieser Technik ist auch eine Gruppe von Ofeneinheiten bekannt, die gemeinsam als nicht
horizontale Konverter bezeichnet werden können. Ein gemeinsames Merkmal solcher Konverter ist jenes,
daß sie um eine Achse gekippt oder gedreht werden können, die sich quer zu ihren Längsachsen
erstreckt, und daß sie einen Bodenteil und einen oberen Teil haben, welcher eine Öffnung
gegenüber dem Bodenteil in der Längsrichtung des Konverters einschließt. Solche Konverter können
aufrecht stehende Konverter des als LD-, Thomas-, OBM- oder BOLD-Konverter bezeichneten Typs
oder geneigte Drehkonverter, die oftmals als TPRC- oder KALDO-Konverter bezeichnet werden,
sein.
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Außer der Fähigkeit, gekippt und/oder gedreht zu werden, sollen Drehkonverter auch in der Lage
sein, sich um ihre Längsachsen zu drehen, und zwar oftmals mit einer relativ hohen
Geschwindigkeit. Die Konverter werden in Verbindung beispielsweise mit Mischoperationen und Reaktionen
gedreht und werden in Verbindung mit dem Beschicken, dem Abblasen, dem Schlackeabziehen, dem
Ofenanstich und dem Wiederauskleiden des Ofens geschwenkt.
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Ein gemeinsames Problem mit allen metallurgischen Ofeneinheiten der oben erwähnten Art ist jenes
der Befestigung des Ringes oder der Ringe um den Ofenkörper ohne Komplikationen bei der
Verwendung als Ergebnis der großen Temperaturveränderungen, welche in der Ofeneinheit und den
Ofenwänden während des Betriebs auftreten. Diese Temperaturveränderungen setzen sich sowohl
in der Raumdimension als auch in der Zeitdimension fort. Außerdem verursachen das schwere
Gewicht solcher Ofeneinheiten und ihrer Inhalte Probleme, wenn die Ofeneinheiten manövriert werden
sollen, d. h. während der metallurgischen Verfahren gedreht und geschwenkt oder gekippt werden
sollen. Als ein Ergebnis dieser Temperaturveränderungen dehnt sich und zieht sich alternierend
radial und in Längsrichtung der Ofen zusammen. Außerdem ist die Ausdehnung des Ofens nicht
gleichmäßig über den gesamten Ofenkörper. Folglich treten Probleme auf, wenn die Ringe direkt an
der äußeren Ofenwand befestigt sind, da die Ringe nicht den Bewegungen der Ofenwand, die durch
Wärmeausdehnung verursacht werden, folgen. Demzufolge werden die Ringe jeweils mit einer
vorbestimmten Menge von Spiel im Abstand befestigt werden, so daß die Ringe um den Ofenkörper
gleiten können. Dies führt jedoch seinerseits zu unerwünschten Spalten zwischen Ringen und
Ofenkörper, was zu einem starken Verschleiß sowohl an Ringen als auch an Ofenwänden, besonders
wegen der schweren Belastung, die in Bewegung gebracht werden muß, wenn man den Ofen
verwendet, führt.
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Verschiedene konstruktive Lösungen dieser Probleme wurden in den vergangenen Jahren
vorgeschlagen, wie die Befestigung von Ringen und Ofenkörper mit verschiedenen Typen beispielsweise
beweglicher Bolzenverbindungen. Eine solche Konstruktion ist in der GB-A-1,218,441 beschrieben,
gemäß der ein Befestigungsring an der Ofenwand beispielsweise eines Kaldo-Konverters mit Hilfe
von Träger und "plastisch" ausdehnbaren Bolzen befestigt wird, die in Öffnungen mit länglichem
Querschnitt angeordnet sind, welcher sich durch den Ring und den Träger parallel zu der
Längsachse des Ofens erstreckt, so daß die Längsachse einer jeden Öffnung, die sich radial bezüglich des
Ofens an entgegengesetzten Enden der Bolzen erstreckt, jeweils von Lagerflächen unterstützt sind,
die auf dem Ring und dem Träger vorgesehen sind. Dies macht es möglich, daß jeder Bolzen in der
radialen Ebene sich schwenken läßt. Die Bolzen arbeiten somit derzeit als eine Art eines nach
außen geneigt arbeitenden Gelenks.
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Ein gemeinsamer Nachteil bei allen bekannten und getesteten Konstruktionen, in welchen die Ringe
an dem Ofenkörper befestigt sind, zeigte sich in der enormen Verschleißmenge an den
Ofenkörpern, was häufige und regelmäßige Wartungsarbeit erfordert, was damit hohe Wartungskosten nach
sich zieht. Aus diesem Grund führten diese bekannten und getesteten Konstruktionen nicht zu
einem tatsächlichen Erfolg. Natürlich sind die verursachten Probleme um so größer, je größer die
konstruierte Ofeneinheit ist, da Verschleiß auf den Ofenkörpern bei höheren Beladungen zunimmt.
Im Hinblick auf die Tatsache, daß Beladungsgewichte oftmals 100 Tonnen erreichen, sind die oben
erwähnten Probleme äußerst signifikant. Unerwünschtes Spiel in der Ofenkonstruktion kann äußerst
problematisch werden und zu verhindernden Verschleißproblemen bei hohen
Rotationsgeschwindigkeiten wie auch zu einem Drehungleichgewicht führen, welches die Verschleißprobleme weiter
verschlimmert.
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Die DK-A-68786 und die DE-C-92 40 77 schlagen eine Lösung vor, bei welcher Stützringe mit der
äußeren Oberfläche des Ofens mit Hilfe sogenannter elastischer Stützelemente verbunden sind.
Diese Stützelemente werden starr sowohl an der äußeren zylindrischen Oberfläche des Ofens als
auch an den Stützringen beispielsweise mit Hilfe von mehreren Bolzenreihen befestigt. Jedes
Stützelement wird dazu gezwungen, sich zu biegen, um durch Wärmeausdehnung verursachte
Ofenkörperbewegungen aufzunehmen. Da die Eigenelastizität des Materials hierfür ausgenutzt wird, kann
die Lösung technisch bewirkt werden und ist auch offensichtlich eine glatte Lösung im vorliegenden
Kontext. Um die Ausnutzung der elastischen Eigenschaften solcher Stützelemente zu erleichtern,
wird vorgeschlagen, daß diese Elemente die Form von Platten, Eisenformen oder Profilen oder
ähnlichen Elementen erhalten und daß sie auch mit einem kurzen zylindrischen Tei) am Ende
verbindbar sind, wo diese Stützteile mit dem Ofengehäuse verbunden werden. Die Stützelemente können
die Form eines geschlossenen kurzen Zylinders (Mantels) haben. Wenn die Ofeneinheit ein
Gehäuse enthält, wird dieses Gehäuse vorzugsweise axiale Schlitze einschließen, die ein Biegen der
elastischen Stützteile erleichtern. In Verbindung mit der Entstehung der vorliegenden Erfindung wurden
Berechnungen aufgrund der früher vorgeschlagenen, aber niemals getesteten (soweit uns bekannt
ist) Versuche durchgeführt, um die mit der Wärmeausdehnung von Ofenkörpern, die Stützringe ein-
schließen, verbundenen Probleme zu lösen. Mechanische Festigkeitsberechnungen, die mit moder-
ner computergestützter FEM-Analyse durchgeführt wurden, zeigten jedoch, daß die
Ermüdungsspannungen mit starken Belastungen auftreten und eine große Anzahl von Belastungsänderungen
(Ofenrotationen) in solch einer Konstruktion so stark war, daß der Ofenkörper der Gefahr von
Ermüdungsbrüchen an mehreren Stellen ausgesetzt wurde. Dies beruhte hauptsächlich auf
Spannungskonzentrationen in den Stützradien und Befestigungslöchern, was die Standzeit der Konstruktion
stark reduzierte. Ein Grund, warum die offensichtlich fehlerhafte bekannte Konstruktion nicht
allgemein verwendet wurde, beruht vielleicht auf negativen Erfahrungen, die in durchgeführten Testläufen
erhalten wurden. Wenn dem so ist, ist es heute möglich, solche negativen Erfahrungen mit Hilfe
moderner computergestützter Festigkeitsberechnungen zu erklären.
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Obwohl die Erfindung nicht auf Drehkonverter beschränkt ist, wie in der Einleitung erwähnt ist, ist sie
besonders mit solchen Ofeneinheiten brauchbar, bei denen die Probleme bezüglich der Festlegung
von Befestigungsringen am größten ist, teilweise wegen der speziellen Arbeitsbedingungen, die bei
solchen Konvertern herrschen, wo es erforderlich ist, den Konverter zu drehen und zu kippen oder
zu verschwenken. Diese Probleme sind allen Metallurgen bekannt, die Erfahrung mit
Drehkonvertern haben.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine metallurgische Ofeneinheit zu bekommen, deren
Gestaltung im wesentlichen die früheren Probleme bezüglich der Befestigung von
Befestigungsringen für die Verwendung in einer sich drehenden, kippenden und/oder schwenkenden Ofeneinheit
auszuschalten. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine metallurgische Ofeneinheit zu liefern, die
im Betrieb zuverlässig ist und die geringere Wartungskosten als früher bekannte Ofeneinheiten
erzeugt.
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Diese Ziele erreicht man mit einer metallurgischen Ofeneinheit nach der Erfindung mit den
charakteristischen Merkmalen gemäß den folgenden Ansprüchen.
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Die Ofeneinheit nach der Erfindung enthält somit Ringe, d. h. Befestigungsringe, wie Stützringe,
Kippringe und dergleichen, die um den Ofenkörper in einem Abstand zu ihm aufgepaßt sind, wobei
jeder von Ihnen mit dem Ofenkörper durch ein kraftübertragendes Stützteil verbunden ist, welches
sich in der Längsrichtung der Ofeneinheit erstreckt und so funktioniert, daß Ofenkörperbewegungen,
die durch Wärmeausdehnung verursacht werden, daran gehindert werden, auf den Ring übertragen
zu werden, während gleichzeitig die Belastung von der Ofeneinheit und ihrem möglichen Inhalt auf
den Ring übertragen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Stützteil ein
geschlossenes starres Gehäuse, nachfolgend als Mantel bezeichnet, welches den Ofenkörper umgibt und
welches mit diesem Körper bzw. mit dem Ring durch eine flexible Verbindung derart verbunden ist, daß
eine begrenzte Veränderung des Winkels zwischen dem Mantel und dem Ofenkörper bzw. dem
Ring als Reaktion auf die Wärmeausdehnungsbewegung in dem Ofenkörper gestattet ist. Diese
Lösung beseitigt die mit solchen Bewegungen verbundenen Probleme, ohne es erforderlich zu
machen, daß das Stützteil sich biegt oder der Mantel in irgendeiner Weise verformt wird.
Wärmeausdehnung kann so im wesentlichen ohne Verformung des Mantels aufgenommen werden. Dies kann
ausgedrückt werden, indem man sagt, daß der Mantel "ausdehnungsabsorbierend" ist.
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Somit versteht man unter einem "ausdehnungsabsorbierenden Mantel" einen Mantel, der so
konstruiert und ausgebildet ist, daß er die natürlichen und spezifischen Eigenschaften des Werkstoffes
(normalerweise Stahl) mit Hilfe des Mantels nach den Wärmeausdehnungsbewegungen des
tatsächlichen Ofenkörpers bloß an einer Befestigung an der Ofenwand durch Temperaturanpassung
ausnutzt, während der Mantel an seinem andern Ende einen relativ konstanten Durchmesser behält,
welcher an den Befestigungsring und eine leichte Ausdehnung im vorliegenden Kontext angepaßt
ist, wobei das andere Ende auf niedrigere Temperaturen erhitzt und vergleichsweise kleinen
Temperaturveränderungen ausgesetzt wird.
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Der Mantel kann eine zylindrische Form haben und wird dann an einem Ende oder in der Nähe
dieses Endes mit einem Flansch oder dergleichen verbunden, welcher an dem Ofenkörper befestigt
wird und von diesem nach außen vorragt und dessen radiale Ausdehnung im Unterschied im
Durchmesser zwischen dem Ofenkörper und dem Befestigungsring entsprechen soll, wenn der
Ofenkörper kalt ist, d. h. wenn er nicht wärmeausgedehnt ist. Alternativ kann der Mantel eine
konische Form haben und mit dem Ofenkörper an dem Ende verbunden werden, das die kleinste
Querschnittsfläche hat.
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Idealerweise kann ein wärmeisolierender Schild zwischen dem Mantel oder jenem Teil des Mantels,
der einen Befestigungsring unterstützt, und dem tatsächlichen Ofenkörper so vorgesehen sein, daß
er die Temperatur und die Temperaturveränderungen des Ringes und des Stützrings und der
verbundenen Lager an dem niedrigst möglichen Level aufrechterhält. Der Mantel und/oder der Flansch,
die von dem Ofenkörper aus vorspringen, können auch mit Luftdurchflußlöchern versehen sein. Dies
erleichtert die Luftzirkulation zwischen dem Ofenkörper und dem Mantel, um so zu ermöglichen, daß
die Oberflächentemperatur des Ofenkörpers auf einem annehmbar niedrigen Wert gehalten werden
kann.
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Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform eines Kaldo-Konverters und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
beschrieben, in welcher Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ofenkessels für einen Kaldo-Konverter ist, Fig. 2
den gleichen Ofenkessel in Seitendarstellung und im Schnitt erläutert, Fig. 3 das Prinzip einer
Kaldo-Anlage erläutert, Fig. 4 das Prinzip der flexiblen Befestigung des Mantels an dem Ofen erläutert
und Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform der Befestigung des Mantels nach der Erfindung
erläutert.
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In den Fig. 1 und 2 ist eine Ofeneinheit 1 vom Kaldo-Typ gezeigt, die einen zylindrischen
Ofenkörper 2 und ein konisches Bodenteil 3 sowie ein konisches Oberteil 4 einschließt. Die Ofeneinheit 1
ist um ihre geometrische Längsachse 5 drehbar. Außerhalb eines Teils des zylindrischen
Ofenkörpers 2 befindet sich ein Ausdehnung absorbierender Mantel 6, welcher einen Stützring 7 an einem
Ende trägt. Der Mantel 6 ist mit dem Ofenkörper über das Medium eines runden Flansches 8
verbunden, der von dem zylindrischen Ofenkörper um die Gesamtheit von dessen Umfang vorspringt,
und ist hiermit verbunden. Die Art und Weise, in welcher der Mantel 6 befestigt ist, sieht man am
besten bei Fig. 2. Auch an dem Ofenkörper 2 befestigt ist ein Schutzring 9, der Schlacke und
andere grobe Materialteilchen daran hindert, zwischen dem Stützring 7 und den Stützrädern 13
einzudringen. Alternativ kann der Mantel 6 direkt an dem Ofenkörper 2 befestigt werden. In diesem
letzteren Fall wird der Mantel 6 eine konische Form haben. Die Befestigung des Mantels 6 an dem
Ofen
körper 2 oder an dem Ofenkörperflansch 8 und der Stützring 7 haben jeweils die Form einer
flexiblen Verbindung. Diese flexible Verbindung kann auf unterschiedliche Weise erhalten werden.
Beispielsweise können Befestigungen, die allgemein das Stattfinden begrenzter Winkelveränderungen
in der Verbindung erlaubten, durch speziell gestaltetes Verschweißen, mit Klammer Verbindungen
oder einer speziell gestalteten Flanschverbindung erhalten werden. Die Befestigung an beiden
Enden des Mantels 6 ist somit so gestaltet, daß man eine geeignet angepaßte Übertragung von
Wärme und damit auch den Temperaturausgleich an den Befestigungspunkten bekommt. Der Mantel 6
kann aus irgendeiner Werkstoffstahlqualität bestehen, die als geeignet für spezielle Anwendung in
jedem Einzelfall betrachtet wird.
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Fig. 3 zeigt eine KALDO-Anlage mit der Ofeneinheit in ihrer Verwendungsposition. Die Ofeneinheit
1 ist in ihrer Längsrichtung geneigt und ruht auf einem Stützlager 11 und wird um ihre Längsachse 5
mit Hilfe eines Antriebmotors 12 gedreht, welcher ein hydraulischer Motor oder ein elektrischer
Motor sein kann, der einen Übersetzungskasten einschließt. Die Ofeneinheit 1 rotiert, während sie auf
Stützrädern 13 ruht, die entlang dem unteren Teil der Ofeneinheit 1 angeordnet sind. Die Räder 13
ruhen in Lagern in einer Stützkonstruktion 14. Die Ofeneinheit 1 ist mit einem Stützring 7 versehen,
welcher an einem Ende eines Ausdehnung absorbierenden Mantels 6 befestigt ist, welcher
seinerseits an einem Flansch 8 befestigt ist, der mit dem zylindrischen Ofenkörper 2 verschweißt oder mit
ihm in irgendeiner anderen geeigneten Weise verankert ist.
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Fig. 4 erläutert die Befestigung eines konischen, Ausdehnung absorbierenden Mantels 6, in
welchem das Mantelende am kleinsten Querschnitt flexibel direkt an dem Ofenkörper 2 verankert ist,
wobei der Befestigungspunkt 6a symbolisch durch einen ausgezogenen Kreis erläutert ist, wie dies
auch die anderen nicht starren oder flexiblen Befestigungspunkte sind. Der konische Mantel 6 hat
die gleiche Funktion wie der zylindrische Mantel 6, der in Fig. 3 gezeigt ist.
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Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Befestigung eines Mantels des Ausdehnung
absorbierenden Typs. Der Ofenkörper 2 hat einen Flansch 8, welcher in einer Vertiefung 17a einen
Mantelflansch 17 aufnimmt, der wie in der Figur links des Mantels 6 gezeigt ist, auch wie ein Flansch
geformt, mit 16 bezeichnet, und wird in einer entsprechend ausgebildeten Vertiefung 16a des
Stützringes 7 aufgenommen. Durch den Ofenkörperflansch 8 und den linken Mantelflansch 17 sowie
durch den Stützring 7 und den rechten Mantelflansch 16 sind Öffnungen 15 für Bolzenverbindungen
(nicht gezeigt) vorgesehen.
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Mantelflansche 16, 17 haben eine kompakte Form und sind durch Computerberechnungen des
sogenannten FEM-Typs optimiert und haben nur eine kleine Kontaktoberfläche zu dem Stützring 7
und dem Ofenkörperflansch 8. So kann eine Veränderung des Winkels zwischen Flansch 16, 17 und
dem Stützring 7 bzw. dem Ofenkörperflansch 8 ausgeführt werden, ohne daß Belastung oder
Spannungen entweder an den Bolzen oder an den Flanschen 16, 17 in unzulässiger Weise auftreten. Es
ist auch von Bedeutung, den Paßsitz zwischen dem Stützring 7 und dem Mantelflansch 16 so zu
wählen, daß radiales Spiel zwischen diesen Teilen verhindert wird. Auf diese Weise wird der Mantel
6 so flexibel an dem Stützring 7 und dem Ofenkörperflansch 8 befestigt, daß derselbe die
Radialbewegung des Flansches 8 in einer neuen Position erlaubt, die durch die Radialbewegung des
Ofenkörpers 2 auftritt, wenn er sich durch die Hitze der Ofeninnenseite ausdehnt. Da jedoch der Stützring
7 nicht erhitzt wird, sondern so kühl wie möglich gehalten wird, ungeachtet der
Temperaturveränderungen der Ofeneinheit 1 und des Ofenkörpers 2, wird die Position des Stützringes 7 unverändert
bleiben und wird der Mantel 6 eine im wesentlichen konische Form einnehmen.
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Eine Bewegung des Ofenkörpers 2 und des Ofenkörperflansches 8 als Ergebnis von
Wärmeausdehnung wird somit im wesentlichen durch den Mantel 6 und seine Verbindungen aufgenommen. Es
wird keine signifikante Wärmemenge von dem Ofenkörper auf den Stützring 7 über den Mantel 6
überführt. Die vorherrschende Wärmepotentialquelle für das Erhitzen des Stützrings 6 ist die
Strahlung von dem Ofenkörper 2. Der Stützring 7 kann gegen diese Wärmestrahlung abgeschirmt
werden, indem man Isoliermaterial (nicht gezeigt) zwischen dem Stützring 7 und dem Ofenkörper 2
vorsieht.
BEISPIEL
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In jüngerer Zeit gibt es zwei errichtete KALDO-Öfen unter Verwendung des Systems nach der
Erfindung für die Befestigung und Verbindung der Stützringe an der Ofeneinheit. Eine Einheit ist in einer
Kupferanlage in Kasachstan und die andere bei dem Rönnskär-Schmelzer in Schweden und gehört
Boliden AB. Beide Anlagen sind gleich groß ausgelegt und haben die folgenden technischen Haupt-
spezifikationen:
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Gesamtgewicht (ohne Steine und Schmelze) 21300 kg
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Schmelzgewicht (im Betrieb) 6000 kg
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Steingewicht 18500 kg
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maximale Kippgeschwindigkeit 0,6 rpm
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maximale Drehgeschwindigkeit 20 rpm
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Beide Ofen waren etwa 8 Monate in Betrieb, ohne daß durch die Stützringverbindung Probleme
verursacht wurden.
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Bei der jüngst durchgeführten Inspektion der Einheit bei Rönnskär unter spezieller Beachtung der
Dichtungsmomente der Bolzenverbindungen von Verschleiß oder anderen Zerstörungen des
Stützringes konnte nichts an Veränderungen der Anlage gegenüber ihrem Anlieferungszustand
beobach
tet werden. So war die Ofeneinheit sehr gut geeignet, alle Ziele bezüglich einer im wesentlichen
wartungsfreien Stützringverbindung zu erreichen.