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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft neuartige wassergekühlte Ofenauskleidungselemente,
die im Wesentlichen in Elektrolichtbogenöfen für die Stahlerzeugung verwendet
werden.
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STAND DER TECHNIK
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Im
Gegensatz zu den aus feuerfesten Materialien bestehenden Komponenten,
die mit der Stahlschmelze in direkten Kontakt kommen, wie z.B. Feuerfestzustellungen
des Bodens, untere Seitenwände, Abstichrinne
und Abstichlöcher,
werden in Elektrolichtbogenöfen
für die
Stahlerzeugung die inneren Abschnitte, wie beispielsweise Innenwände, Deckel und
Staubsammelkanäle
mit Wasser gekühlt,
sodass sie hohen Temperaturen standhalten können. Wasserkühlsysteme
zur Verwendung in Elektrolichtbogenöfen haben Bezeichnungen wie "wassergekühlte Auskleidungselemente", "Wasserkühlpaneele", "Wasserkühlkästen", "Wasserkühlleitungen" oder Ähnliches,
je nach ihrer Struktur und Form. In dieser Spezifikation wird zur
Beschreibung der vorliegenden Erfindung die Bezeichnung "wassergekühlte Auskleidungselemente" verwendet.
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In
den begleitenden Zeichnungen sind wassergekühlte Auskleidungselemente in
verschiedenen Formen dargestellt. Die 1(a) und 1(b) zeigen ein wassergekühltes Auskleidungselement für Ofeninnenwände als
eine Schweißkonstruktion 1 aus Kohlenstoffstahlplatten.
Das Innere dieses Auskleidungselements weist einen Kühlwasserkanal
mit einem Wassereinlass 3 und einer Ablassöffnung 4 auf, sodass
das Kühlwasser
bei einer Temperatur von 40° bis
70°C das
Auskleidungselement gleichmäßig durchströmen kann.
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Des
Weiteren ist eine Vielzahl von aus Stahlblech hergestellten Schlackenfängern 2 an
die Außenfläche des
Auskleidungselements angeschweißt, die
jeweils eine Dicke von 25 mm, eine Breite von 50 mm und eine Länge von
130 mm aufweisen. Diese Schlackenfänger 2 dienen dazu,
die im Ofen verteilte Schlacke an der Oberfläche der wassergekühlten Auskleidungselemente
wirksam aufzufangen; sie können
jedoch auch als Bolzen dienen, die häufig in dem Fall eingesetzt
werden, wenn die Schlackenfänger
mit Feuerfestmaterialien beschichtet sind.
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2 zeigt
ein wassergekühltes
Auskleidungselement für
Ofendeckel. Dieses Auskleidungselement weißt eine Vielzahl konzentrisch
angeordneter Wasserkühlleitungen 5 auf,
die mit einer Feuerfestmasse 6 beschichtet sind. Von einem
Wassereinlass 3 läuft
Kühlwasser
mit der oben beschriebenen Temperatur in die Wasserkühlleitungen 5 ein
und wird über
die Ablassöffnung 4 wieder
abgelassen. 3 zeigt ein wassergekühltes Auskleidungselement
für einen
Staubsammelkanal. Dieses Auskleidungselement weist eine Wasserkühlleitung 7 aus Kohlenstoffstahl
auf, die fast zylindrisch ausgeformt ist, sowie Bolzen 8,
die an die Oberfläche
der Wasserkühlleitung 7 angeschweißt sind,
wobei die Kühlleitung 7 und
die Bolzen 8 mit einer Feuerfestmasse beschichtet sind. 4(a) und 4(b) zeigen
ein wassergekühltes
Auskleidungselement für
Ofendeckel. Die Grundkonstruktion und Blechdicke dieses Auskleidungselements
ist die Gleiche wie bei dem in 1 dargestellten
wassergekühlten
Auskleidungselement für
Ofeninnenwände.
Da sich die an den mit Stahlblech ausgeführten Schlackenfängern ablagernde
Schlacke leicht ablöst
oder abfällt,
wird für
die Ausführung
der Schlackenfänger 10 an
der Außenseite
des Körpers 9 des
in 4 dargestellten Auskleidungselements
anstatt des Stahlblechs ein Betonformstahl bzw. gerippter Stahl
verwendet. Genauer gesagt wird ein Betonformstahl mit einem Durchmesser
von 25 mm in kleine Teile von 30 mm Länge geschnitten und diese Teile
werden im Abstand von ca. 75 mm an den Körper angeschweißt. Bezugsnummer 3 bezieht
sich auf einen Wassereinlass und Bezugsnummer 4 auf eine
Ablassöffnung.
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Wegen
der Lichtbogenhitze beim Schmelz- und Wiederaufbereitungsprozess
von Schrottstahl und der infolge der in einem Stabilisierungsbrenner durch
die Brennstoffe erzeugten Verbrennungshitze, sowie der durch Kohlenstoffpulver,
Aluminiumaschen usw. entstehende Verbrennungshitze, die erzeugt wird,
wenn diese dem Ofen oder der Stahlschmelze beigegeben werden, sowie
durch Rauchgase, die emittiert werden, wenn das im Schrottstahl
enthaltene Vinylchlorid usw. verbrannt wird, werden die Oberflächen der
vorher beschriebenen wassergekühlten Auskleidungselemente über längere Zeiträume Oxidationsprozessen
bei hohen Temperaturen (über 1300°C) und einer
korrosiven Atmosphäre
ausgesetzt. Gleichzeitig kommt es an den Oberflächen der wassergekühlten Auskleidungselemente
permanent zur Anlagerung und Wiederablösung von Stahlschmelzenspritzern
und von Schlacke mit Temperaturen von über 1500°C, sodass sich die Oberflächen der
Auskleidungselemente durch die Stahlschmelze und Schlacke schnell
aufheizen und schnell mit Kühlwasser
gekühlt
werden müssen.
Ist das wassergekühlte
Auskleidungselement in die Innenwand eines Ofens integriert, wird
es bei Chargierung des Ofens außerdem
direkt durch mechanische Stöße beansprucht,
so dass das Abfallen der Schlackenfänger, der Verschleiß bzw. Alterungsprozess
der Schweißverbindungen,
der Abrieb der Stahlplattenoberflächen und die Deformation der
wassergekühlten
Auskleidungselemente extrem beschleunigt wird.
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Das
wassergekühlte
Auskleidungselement für
den Staubsammelkanal ist permanent Oxidationsprozessen bei hohen
Temperaturen und einer korrosiven und abrasiven Atmosphäre ausgesetzt.
Das liegt daran, dass im Gegensatz zu den Innenwänden und dem Deckel des Ofens
permanent große
Mengen von staubhaltigen Rauchgasen bei hohen Temperaturen von über 1000°C mit großer Geschwindigkeit
durch den Staubkanal strömen.
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Wassergekühlte Auskleidungselemente
für Elektrolichtbogenöfen sind
also, unabhängig
von den Teilen des Ofens für
die die Auskleidungselemente verwendet werden, extrem agressiven
Bedingungen ausgesetzt und werden durch Oxidation, Korrosion, Temperaturschock,
mechanische Stöße und Abrieb bei
hohen Temperaturen stark beansprucht.
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Andererseits
handelt es sich bei den an der Innenwand von Lichtbogenöfen installierten,
wassergekühlten
Auskleidungselementen um Konstruktionen mit großen Abmessungen, sodass die
Ofenauskleidung aus ca. 20 bis 40 Teilen besteht. Die Herstellung
von Auskleidungselementen dieser Größenordnung ist sehr kostspielig.
Außerdem
ist der Austausch dieser Auskleidungselemente sehr arbeits- und
zeitaufwändig,
sodass dafür
ein unvermeidbar hoher Kostenaufwand erforderlich ist, der die Stahlproduktion
verteuert. Eine möglichst
lange Lebensdauer der wassergekühlten
Ofenauskleidungen wäre daher
sehr von Vorteil.
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In
der, wie oben beschrieben, extrem aggressiven Umgebung ist es unvermeidbar,
dass sich die Schlackenfänger
und die Feuerfestmaterialien mit denen die Schlackenfänger beschichtet
sind, im Laufe der Zeit ablösen
bzw. abfallen und dass die Oberflächen der Auskleidungskörper schließlich blank
liegen. Die wesentlichen Ursachen für das Abfallen bzw. Ablösen der
Schlackenfänger
sind Risse, die sich aufgrund der permanent wechselnden Aufheizung
und Abkühlung
bei Schweißverbindungen
bilden und, im Falle der wassergekühlten Auskleidungselemente
für Innenwände, mechanische
Stöße, durch
die die Schlackenfänger
in Hochtemperaturumgebungen stark beansprucht werden, wenn der Schrottstahl
chargiert wird. Die Gründe
für das
Abfallen bzw. Ablösen
des Feuerfestmaterials sind folgende: die am Feuerfestmaterial abgelagerte
Schlacke fällt
zusammen mit dem Feuerfestmaterial ab; und die Bolzen, die das Abfallen
des Feuerfestmaterials verhindern sollen, unterliegen bei hohen
Temperaturen Oxidations- und Abrasionsprozessen und können das
Feuerfestmaterial am Ende nicht mehr halten. Werden die Oberflächen der
Auskleidungskörper
auf diese Weise blank gelegt, sind sie hohen Temperaturen ausgesetzt
und die Verzerrungsenergie, die sich beim Klebschweißen bzw.
Hybridfügen
der Stahlplatten bei der Herstellung von wassergekühlten Auskleidungselementen
entwickelt hat, wird teilweise freigesetzt. Die Folge davon ist,
dass ein Deformierungsprozess der Auskleidungselemente einsetzt
und sich bei den Schweißverbindungen
durch kontinuierlichen Abrieb, Temperaturschock und insbesondere
durch mechanische Stoßbelastung
Risse bilden. Die Rissbildung breitet sich sogar über die
Stahlplatten selbst aus und verursacht dann Wasserleckagen.
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Wasserleckagen
bzw. Wasseraustritt stören bzw.
stört das
Strömen
des Wassers in den Auskleidungselementen, einige Teile der Elemente
werden nicht mehr ausreichend gekühlt und werden sehr heiß, was zu
weiterer Rissbildung führt.
Außerdem kann
Wasser, das in die Öfen
läuft,
zu Dampfexplosionen führen.
Wasserleckagen sollten daher unbedingt schon zu einem früheren Zeitpunkt
repariert werden. Zur Reparatur der Leckage bzw. des Lecks muss
nach dem Abstich des produzierten Stahls zuerst der Ofenbetrieb
eingestellt und dann das Innere des Ofens heruntergekühlt werden;
die Leckagen sind dann im Reparaturschweißverfahren zu beheben. Die
Betriebsstillsetzung ist unmittelbar mit steigenden Stahlerzeugungskosten
verbunden, sodass die Reparatur so schnell wie möglich durchgeführt werden
muss. Hierzu müssen
Instandhaltungsarbeiten bei hohen Temperaturen ausgeführt werden,
was aus sicherheitstechnischen und hygienischen Gründen ungünstig ist.
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Die
rissigen Teile werden von der Oberflächenseite aus per Reparaturschweißverfahren
instandgesetzt; die Schweißung
reicht jedoch nur bis in eine Tiefe von ca. 1/3 der Dicke der Stahlplatte
und der andere Teil (ungefähr
2/3 der Blechdicke) bleibt rissig. Die im Reparaturschweißverfahren
instandgesetzten Teile sind daher schadanfälliger als die nicht reparierten
Teile und neigen selbst kurz nach der Reparatur zu einer erneuten
Rissbildung. Einmal reparierte Teile müssen mit den neu gerissenen
Teilen immer wieder repariert werden, um die Auskleidungselemente
bis zum geplanten Instandsetzungstermin, d.h. dem normalen Termin
für den
Stillstand, verwenden zu können.
Wird jedoch festgestellt, dass die Auskleidungselemente nicht bis
zum geplanten Termin überdauern
können,
wird entweder der geplante Stillstandstermin vorverlegt oder es
werden nur die leckenden, wassergekühlten Auskleidungselemente früher ausgetauscht.
In jedem Fall handelt es sich um nicht geplante Reparaturen, durch
die nicht nur der Produktionsplan durcheinander kommt, sondern auch
noch zusätzliche
Kosten verursacht werden. Die Lebensdauer von wassergekühlten Ofenauskleidungen
ist sehr unterschiedlich und variiert je nach Innenkonstruktion
des Ofens in der die wassergekühlten
Auskleidungselemente verwendet werden und je nach Umgebungsbedingungen,
denen sie ausgesetzt sind. Im Allgemeinen liegt sie jedoch bei ungefähr 6 bis
24 Monaten. Obwohl für
die Planung der Austauschtermine Erfahrungswerte herangezogen werden,
werden Wasserleckagen im Grunde nach den tatsächlichen Umständen repariert
und gerissene Auskleidungen werden oft früher ersetzt als geplant. Dies
ist sehr kostspielig und zeitaufwändig und die Instandhaltungsarbeiten
müssen
zudem unter ungünstigen
Umgebungsbedingungen durchgeführt
werden. Für
einen stabilen Betriebsablauf, die Reduzierung von Reparaturkosten
und, um Instandsetzungsarbeiten bei hohen Temperaturen zu vermeiden,
spielt eine lange Lebensdauer von wassergekühlten Ofenauskleidungen daher
eine entscheidende Rolle. Nach der aktuellen Situation sind jedoch bislang
keine effektiven Verfahren verfügbar,
mit denen die Lebensdauer von wassergekühlten Ofenauskleidungen tatsächlich verlängert werden
könnte.
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OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind wassergekühlte Ofenauskleidungen
für Elektrolichtbogenöfen, deren
Stabilität
einen durchgängigen Einsatz über längere Zeitspannen
auch unter extrem agressiven Bedingungen erlaubt, sodass sie Oxidations-
und Korrosionsprozessen, Temperaturschock, mechanischen Stößen und
Abrieb bei hohen Temperaturen standhalten.
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Bei
früheren
Untersuchungen, die wir mit Blick auf den oben beschriebenen Gegenstand durchgeführt haben,
haben wir uns bereits zum Aluminierverfahren geäußert, das traditionell als
ein Verfahren bekannt ist, durch das die Korrosionsbeständigkeit
bei hohen Temperaturen erhöht
wird. Dieses Aluminierverfahren, bei dem Aluminium in einen Grundwerkstoff
diffundiert, weist folgended Merkmale auf:
- (1)
die mit diesem Verfahren gebildete Al-Diffusionsschicht ist äußerst beständig gegen
Oxidation;
- (2) die Al2O3-Schutzschicht,
die in einer Oxidationsumgebung abgeschieden wird, ist extrem stabil
und löst
sich praktisch nicht ab;
- (3) die Oberflächenhärte der
Al-Diffusionsschicht ist um ein Vielfaches höher als die des Grundwerkstoffes,
sodass sie eine exzellente Abriebfestigkeit aufweist;
- (4) Aluminium, das über
die Oberfläche
des Grundwerkstoffes diffundiert, wird mit Komponenten des Grundwerkstoffes
legiert und bildet eine Al-Diffusionsschicht,
die extrem hitzebeständig
ist und sich kaum ablöst
oder abgetragen wird, und
- (5) während
des Aluminierprozesses wird fast die gesamte in einem zu beschichtenden
Gegenstand vorhandene Verzerrungsenergie freigesetzt, sodass der
aluminierte Gegenstand kaum noch durch die bei seinem Einsatz auf
ihn einwirkende Hitze deformiert wird.
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Wir
haben schließlich
festgestellt, dass bei wassergekühlten
Ofenauskleidungselementen für Elektrolichtbogenöfen eine
verbesserte Beständigkeit
gegen Oxidation, Korrosion, Abrieb, Temperaturschock und insbesondere
gegen mechanische Stöße bei hohen
Temperaturen erreicht werden kann, ohne die mechanischen Eigenschaften
der Grundwerkstoffe zu beeinträchtigen,
indem die Auskleidungselemente dem Aluminierverfahren mit den oben
beschriebenen Merkmalen unterzogen werden und sich damit, nur an
den Oberflächen
der Auskleidungselemente, Al-Diffusionsschichten bilden, die hohe Al-Konzentrationen
aufweisen und sich nie ablösen bzw.
abgetragen werden. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis
dieser Erkenntnisse ausgeführt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein aus Metall gefertigtes, wassergekühltes Auskleidungselement
für Elektrolichtbogenöfen, das
eine Al-Diffusionsbeschichtung
mit einer Schichtdicke von 200 bis 800 ìm aufweist, wo bei die Al-Konzentration
der äußersten
Schicht der Al-Diffusionsbeschichtung bei 10 bis 50 Gew.-% liegt
und wobei die Beschichtung auf der Oberfläche des Metalls durch ein Aluminierverfahren
aufgebracht wird.
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Als
Material für
dieses wassergekühlte
Auskleidungselement werden gemäß der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise Kohlenstoffstähle
verwendet, die weniger als 1,0% Kohlenstoff, weniger als 2,0% Si,
weniger als 2,0% Mn, weniger als 2,0% Cr und weniger als 2,0% Ni
enthalten, repräsentiert durch
die gemäß Japanischer
Industrienorm (JIS) definierten SS 400- und SGP-Stähle. Wird
der Edelstahl JIS SUS304 verwendet, der als hitze- und korrosionsbeständiger Stahl
bekannt ist, können
damit Auskleidungselemente hergestellt werden, deren Hitze- und
Korrossionsbeständigkeit
noch besser ist. Da die Wärmeleitfähigkeit
dieses Edelstahls jedoch nur bei ca. 1/3 derer von Kohlenstoffstählen liegt,
kann das in den Auskleidungselementen zirkulierende Wasser die Edelstahlplatten
nicht effizient kühlen.
Infolgedessen werden die Edelstahlplatten sehr heiß und neigen
zu Verformungen und zur Rissbildung. Außerdem tendieren Edelstahlplatten
schon an sich dazu, an Schweißnähten schneller
Risse zu bilden als Kohlenstoffstahlplatten. Aus diesem Grunde ist die
Verwendung von Edelstahl nicht besonders effektiv, wenn für wassergekühlte Auskleidungen
eine längere
Lebensdauer erreicht werden soll.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist die Al-Konzentration der äußersten
Schicht der Al-Diffusionsbeschichtung (die Al-Konzentration der 20-im-dicken, äußersten
Schicht) wie oben bereits beschrieben auf 10 bis 50 Gew.-% begrenzt.
Die Gründe
dafür sind
folgende: Liegt die Al-Konzentration bei unter 10 Gew.-% ist keine
Verbesserung der Oxidations- und Korrossionsbeständigkeit sowie der mechanischen
Stoßfestigkeit
zu erwarten, und bei Al-Konzentrationen von über 50 Gew.-% wird die Al-Diffusionsschicht
zu starr und spröde,
sodass sie schnell zur Rissbildung neigt und sich ablöst. Außerdem soll
mit der vorliegenden Erfindung die Schichtdicke auf den Bereich
zwischen 200 bis 800 ìm
begrenzt sein. Der Grund dafür
ist, dass die erfindungsgemäßen wassergekühlten Auskleidungselemente wie
bereits erwähnt
unter extrem agressiven Umgebungsbedingungen verwendet werden, sodass
die gewünschten
Wirkungen kaum erreicht werden können,
wenn die Dicke der Al-Diffusionsschicht bei unter 200 ìm liegt.
Wenn für
die Al-Diffusionsschicht dagegen eine Schichtdicke von über 800 ìm erzielt
werden soll, ist beim Aluminierverfahren über eine längere Zeitspanne von 20 bis
30 Stunden eine Erhitzung mit Temperaturen von über 1100°C erforderlich, wodurch das
Aluminierverfahren erheblich teurer wird. Die Bildung einer Al-Diffusionsschicht
von dieser Dicke ist daher im Hinblick auf die Kosteneffektivität eher unvorteilhaft.
Die Oberflächenhärte der
Al-Diffusionsschicht liegt im Allgemeinen bei 350 bis 1000 mHV und
ist damit 3 bis 7 Mal härter
als die Oberfläche
des Grundwerkstoffes. Die mit einer solchen Al-Diffusionsschicht beschichteten wassergekühlten Auskleidungselemente
weisen daher selbst bei hohen Temperaturen eine extrem hohe Abriebfestigkeit auf.
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Das
Aluminierverfahren wird folgendermaßen durchgeführt: ein
zu beschichtender Gegenstand, das heißt ein wassergekühltes Auskleidungselement,
das wie oben beschrieben aus herkömmlichen Stahl gefertigt wird,
und ein Aluminierpulver, bestehend aus einer Mischung von 10 bis
80 Gew.-% eines Eisenaluminium-Legierungspulvers mit einem Aluminiumgehalt
von 20 bis 60 Gew.-%, oder 10 bis 80 Gew.-% Aluminiumpulver mit
20 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxidpulver und 0,1 bis 2 Gew.-% Ammoniumchloridpulver,
das als Beschleuniger wirkt, werden zusammen in einen halbhermetischen
Behälter
gegeben und in einem Wärmeofen
bei einer Temperatur von 600 bis 1100°C für die Dauer von 5 bis 20 Stunden
in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre erhitzt, vorzugsweise in
einer inerten oder reduzierenden Gasatmosphäre, wie beispielsweise einer
Argon-, Stickstoff- oder Wasserstoffatmosphäre.
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Das
so aluminierte, wassergekühlte
Auskleidungselement für
Elektrolichtbogenöfen
weist eine verbesserte Beständigkeit
gegen Oxidation, Korrosion und Abrieb bei hohen Temperaturen auf
und verzieht sich selbst bei Temperaturschocks kaum. Das Auskleidungselement
ist außerdem
stoßfester,
es kommt daher nicht zu Rissbildungen an den Schweißverbindungen,
und Wasserleckagen treten nur sehr selten auf, selbst wenn das Element über einen
längeren
Zeitraum im Einsatz ist. Die Lebensdauer des aluminierten Auskleidungselements
ist daher länger.
Dass sich die Temperaturschockfestigkeit bei hohen Temperaturen
von wassergekühlten
Auskleidungselementen durch die Aluminierung so extrem verbessern
würde,
war unerwartet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1(a) zeigt eine Draufsicht eines wassergekühlten Auskleidungselements
für Ofeninnenwände, das
in Beispiel 1 beschrieben wird,
-
1(b) zeigt eine Schnittansicht entlang der in 1(a) gezeichneten X-X-Linie,
-
2 zeigt
eine Schnittansicht eines wassergekühlten Auskleidungselements
für Ofendeckel,
-
3 zeigt
eine Schnittansicht eines wassergekühlten Auskleidungselements
für Staubkanäle, das
in Beispiel 2 beschrieben wird,
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4(a) zeigt eine Draufsicht eines wassergekühlten Auskleidungselements
für Ofendeckel, das
in Beispiel 3 beschrieben wird, und
-
4(b) zeigt eine Schnittansicht entlang der in 4(a) gezeichneten Y-Y-Linie,
-
Die
Bezugsnummern 1 bis 10 in den Zeichnungen haben
folgende Bedeutungen:
-
- 1
- Körper eines
wassergekühlten
Auskleidungselements für
Ofeninnenwände,
- 2
- plattenartiger
Schlackenfänger,
- 3
- Wassereinlass,
- 4
- Ablassöffnung,
- 5
- Wasserkühlleitung
eines wassergekühlten Auskleidungselements
für Ofendeckel,
- 6
- Feuerfestmasse
bzw. Feuerfestbeton,
- 7
- Wasserkühlleitung
eines wassergekühlten Auskleidungselements
für Staubkanäle,
- 8
- Bolzen,
- 9
- Körper eines
wassergekühlten
Auskleidungselements für
Ofendeckel und
- 10
- zylindrischer
Schlackenfänger.
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BESTER MODUS ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die folgenden
Beispiele näher
erläutert.
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<Beispiel
1>
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In
einen Elektrolichtbogenofen zur Stahlerzeugung mit einer Kapazität von 80
Tonnen wurde in einen Teil der Innenwand, dessen Auskleidung normalerweise
eine besonders kurze Lebensdauer hat, ein wassergekühltes Auskleidungselement
für Ofeninnenwände, wie
in 1 dargestellt, installiert. Der Körper dieses
Auskleidungselements hat die Form eines Kastens, der aus 16-mm-starken
Platten aus SS400-Kohlenstoffstahl klebeschweißt bzw. hybridgefügt wurde.
Das Innere des Körpers
ist in kleine Zellen unterteilt – was nicht in der Figur dargestellt
ist – und
so ausgestaltet, dass Kühlwasser
bei einer Temperatur von 40° bis
70°C gleichmäßig durch
die Zellen strömen
kann. An die äußere Oberfläche dieses
Körpers,
d.h. an die Oberfläche
des Körpers
zur Ofenseite hin, wurden 45 plattenartige Schlackenfänger 2,
bestehend aus SS400-Stahl, mit jeweils einer Dicke von 25 mm, einer
Breite von 50 mm und einer Länge
von 130 mm angeweißt.
Die Oberflächen
dieser Schlackenfänger
sind nicht mit einem Feuerfestmaterial beschichtet, sodass sich
die Schlacke, die sich während
des Schmelz- und Wiederaufbereitungsprozesses von Schrottstahl bildet,
daran anlagern kann und so am wassergekühlten Auskleidungselement eine
schützende
Schicht bildet. Die Schlackenfänger
fördern
die Ablagerung der Schlacke und wirken sich so verlängernd auf
die Lebensdauer der wassergekühlten
Auskleidungselemente aus. Die schützende Schicht fällt jedoch
wegen der während
des Betriebs ständigen
Temperaturschocks und wegen mechanischer Stöße, die beim Chargieren des
Schrottstahls auftreten, teilweise wieder ab, sodass die Oberfläche des
wassergekühlten
Auskleidungselements dann teilweise blank liegt. Da sich die Schlackenschicht
während
des Betriebs permanent ablagert und wieder abfällt, unterliegen die Schlackenfänger im
Laufe der Zeit dem Verschleiß und verlieren
ihre Wirkung als Schlackenfänger.
Außerdem
werden die Schweißverbindungen
an den Schlackenfängern
und an dem Körper
der Auskleidung sowie die Oberflächen
der Stahlplatten aufgrund der starken Temperaturbelastung und mechanischen
Stoßbelastung
durch das Spritzen der Schlacken bei hohen Temperaturen von über 1500°C allmählich rissig
und an den Rissen beginnt Wasser auszutreten. Nach einem Einsatz
des Auskleidungselements von 3 bis 5 Monaten breiten sich in einem solchen
herkömmlichen
Auskleidungselement, insbesondere von den Schweißverbindungen der Schlackenfängern aus,
eine Vielzahl von Rissen aus und es beginnt Wasser auszutreten.
Mit wiederholten Reparaturen solcher Leckagen ist das Element bis
zum geplanten Austauschtermin dann 8 Monate im Einsatz.
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Ein
wassergekühltes
Auskleidungselement für
Ofeninnenwände
aus dem beschriebenen Material und mit den genannten Abmessungen
wurde einem Aluminierverfahren unterzogen, um das erfindungsgemäße Auskleidungselement
herzustellen. Das Aluminierverfahren wurde folgendermaßen durchgeführt: das
zu beschichtende, wassergekühlte Auskleidungselement
und ein Aluminierpulver, bestehend aus einer Mischung aus 70 Gew.-%
eines Eisenaluminium-Legierungspulvers mit einem Aluminiumgehalt
von 50 Gew.-% mit 29 Gew.-% Aluminiumoxidpulver und 1 Gew.-% Ammoniumchloridpulver, wurden
zusammen in einen halbhermetischen Behälter gegeben und bei einer
Temperatur von 1000°C
für die
Dauer von 10 Stunden in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre erhitzt, um auf der Oberfläche des
Auskleidungselements eine Al-Diffusionschicht mit einer Oberflächenhärte von
450 mHV und einer Dicke von 400 ìm zu bilden, wobei die Al-Konzentration
der äußersten
Schicht der Al-Diffusionschicht bei 35 Gew.-% liegt. Dieses erfindungsgemäße wassergekühlte Auskleidungselement
wurde im gleichen Teil der Ofeninnenwand installiert, wie das installierte herkömmliche
Auskleidungselement und der Ofen wurde in Betrieb genommen. Über den
Zeitraum von 8 Monaten, d.h. vor dem geplanten Austauschtermin, sind
keinerlei Wasserleckagen aufgetreten. Das erfindungsgemäße Auskleidungselement
wurde aus dem Ofen entfernt und alle Schweißverbindungen an den Schlackenfängern untersucht.
Das Ergebnis war, dass an keiner der Schweißverbindungen oder anderen
Teilen der Schlackenfänger
Risse gefunden wurden. Außerdem
wurden von den 24 Schlackenfängern
sechs entfernt und davon Schnitte erstellt; die Querschnitte jedes
dieser Schlackenfänger
wurden dann unter dem Mikroskop betrachtet. Mit dieser Untersuchung
hat sich bestätigt,
dass die Dicke der Al-Diffusionsschicht, variierend je nachdem an
welcher Stelle sie gemessen wurde, im Bereich zwischen 200 ìm und
400 ìm
lag und, dass es möglich war,
den erfindungsgemäßen Schlackenfänger über einen
weiteren, längeren
Zeitraum zu verwenden.
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<Beispiel
2>
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In
einen Elektrolichtbogenofen zur Stahlerzeugung mit einer Kapazität von 50
Tonnen wurde, wie in 3 dargestellt, ein wassergekühltes Auskleidungselement
für Staubkanäle installiert.
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3 zeigt
eine Schnittansicht des wassergekühlten Auskleidungselements.
Eine Wasserkühlleitung
für das
wassergekühlte
Auskleidungselement wird aus einem langen Rohr gefertigt, das fast
spiralförmig
gedreht wird; das innere Ende dieses Kühlrohrs wird an einen Wassereinlass
angeschlossen, das äußere Ende
an eine Ablassöffnung;
in dieser Leitung darf konstant Kühlwasser bei einer Temperatur
von 40 bis 70°C
strömen.
M 12-Bolzen aus Kohlenstoffstahl mit jeweils einer Gesamtlänge von
25 mm und einem Außendurchmesser
von 12 mm werden im Abstand von 100 mm an die innere Oberfläche der
Wasserkühlleitung
angeschweißt,
um das Abfallen von Feuerfestmaterial zu verhindern. Die hier dargestellte
Wasserkühlleitung
besteht aus einem Rohr aus STPG 40A-Kohlenstoffstahl nach japanischer
Industrienorm JIS, der für
Druckrohrleitungen geeignet ist, wobei das Rohr eine Wandstärke nach
Schedule 80 und Dicke von 5,1 mm aufweist; dieses Rohr ist vollständig mit
einer Feuerfestmasse 6 beschichtet, deren Dicke zwischen
110 mm und 130 mm liegt. Auf der Figur strömen die Abgase des Ofens von
unten nach oben. Obwohl das wassergekühlte Auskleidungselement für Staubkanäle fast
auf dem gleichen Niveau wie das für Ofendeckel positioniert ist
und dieses Niveau abseits der Schlackenfläche liegt, ist die Anlagerung
von Schlackenspritzern auf der Auskleidung unvermeidlich. Die Schlacke
lagert sich bereits in einem frühen
Stadium an der Feuerfestmasse an, wodurch die Wasserkühlleitung
geschützt
wird. Mit ansteigender Menge angelagerter Schlacke kann die Feuerfestmasse
dem Gewicht der Schlacke jedoch kaum noch standhalten. Die Schicht der
Feuerfestmasse bricht schließlich
in der Mitte durch und fällt
zusammen mit der angelagerten Schlacke in den Ofen. Die Schlacke
lagert sich immer wieder an und fällt wieder ab, sodass die Bolzen, durch
die die Feuerfestmasse gehalten wird, irgendwann freiliegen. Ab
diesem Zeitpunkt sind die freiliegenden Bolzen permanent dem Rauchgas
ausgesetzt, verschleißen
dann sehr schnell und verlieren ihre Funktion. Außerdem wird
das wassergekühlte Auskleidungselement
durch das fortschreitende Abfallen der Feuerfestmasse hohen Temperaturen
ausgesetzt. Dadurch wird die im wassergekühlten Auskleidungselement verbliebene
Verzerrungsenergie freigesetzt und das Element selbst wird stark
verzogen, wodurch das Abfallen der Feuerfestmasse noch beschleunigt
wird. Schließlich
liegt ein großer
Teil der Wasserkühlleitung
blank und das Rohr wird durch Korrosion und Abrieb schnell verschlissen.
In einem solchen herkömmlichen
wassergekühlten
Auskleidungselement sind die Teile, die solchen starken Korrosions-
und Abriebprozessen unterworfen waren, nach einem 5 bis 6 Monate
langen Einsatz löchrig und
es treten Wasserleckagen auf. Die Anzahl der lecken Stellen nimmt
mit jedem Betriebseinsatz zu. Nach wiederholten Reparaturen dieser
Leckagen ist das Auskleidungselement schließlich 10 Monate im Einsatz
bis es durch ein neues ausgetauscht wird. Doch die Leckagen müssen in
den letzten vier Wochen vor dem geplanten Austauschtermin praktisch täglich repariert
werden, um den Betrieb fortsetzen zu können.
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Ein
wassergekühltes
Auskleidungselement, das mit einem Rohr aus Kohlenstoffstahl mit
den oben beschriebenen Materialeigenschaften und Abmessungen gefertigt
wurde und noch nicht mit einer Feuerfestmasse beschichtet war, wurde
dem Aluminierverfahren unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel
1 unterzogen, wodurch an der Außenoberfläche der
Wasserkühlleitung
und den Bolzen eine Al-Diffusionsschicht mit einer Oberflächenhärte von 450
mHV und einer Schichtdicke von 400 ìm gebildet wurde, deren äußerste Schicht
eine Al-Konzentration von 35 Gew.-% aufwies. Danach wurde diese
Rohrleitung folgendermaßen
mit einer Feuerfestmasse überzogen:
ein Feuerfestpulver und ein Bindepulver wurden mit Wasser verknetet
und die daraus resultierende Mischung wurde mit dem oben genannten,
zu beschichtenden Rohr zum Trocknen und Aushärten in einen Rahmen gestellt;
nach Entfernen des Rahmens erhielt man ein Rohr, dessen Oberfläche mit
einer Feuerfestmasse mit einer Schichtdicke von 100 bis 130 mm überzogen
war. Dieses erfindungsgemäße wassergekühlte Auskleidungselement
wurde im gleichen Teil des Ofens installiert, wie das installierte herkömmliche
Auskleidungselement und der Ofen wurde in Betrieb genommen. Über den
Zeitraum von 10 Monaten vor dem geplanten Austauschtermin wurden
keinerlei Wasserleckagen festgestellt. Nach 10 Monaten wurde das
Auskleidungselement aus dem Ofen entfernt und untersucht. Das Ergebnis
war, dass zwar die Enden von ca. der Hälfte der Bolzen blank lagen,
das Wasserkühlrohr
jedoch noch fast vollständig
mit der Feuerfestmasse bedeckt und der Anteil der blankliegenden
Stellen nur sehr klein war. Des Weiteren wurde von den wenigen blankliegenden
Stellen, d.h. von den am stärksten
beschädigten Teilen
der Wasserkühlleitung
ein Schnitt angefertigt, der unter dem Mikroskop untersucht wurde.
Bei dieser Untersuchung wurde festgestellt, dass die Al-Diffusionsschicht
zwar bis auf 100 bis 200 ìm
abgetragen war, das Rohr jedoch noch vollständig mit der Al-Diffusionsschicht
bedeckt und der Grundwerkstoff völlig
intakt war. Außerdem
wurden an zwei willkürlich
gewählten
Stellen, an denen das Rohr mit Feuerfestmasse beschichtet worden
war, Probeschnitte angefertigt und die Querschnitte wurden unter
dem Mikroskop untersucht. Aus dieser Untersuchung ging hervor, dass
die Al-Diffusionsschicht eine Schichtdicke von 380 bis 420 ìm aufwies
und keinerlei Abrieb festzustellen war. Damit war bestätigt, dass
das erfindungsgemäße wassergekühlte Auskleidungselement
weitere 10 Monate oder sogar noch länger verwendet werden könnte.
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<Beispiel
3>
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Ein
wassergekühlte
Auskleidungselement für
Ofendeckel, wie in 4 dargestellt,
mit zylindrischen Schlackenfängern 10,
die an der Außenseite seines
Körpers 9 als
in voneinander gleichen Abständen
angeschweißten
Stahlbolzen ausgestaltet sind, wurde aus 16-mm-starken Stahlblechen
aus Kohlenstoffstahl SS 400 gefertigt. Dieses wassergekühlte Auskleidungselement
wurde in einen Teil des Deckels eines Elektrolichtbogenofens für die Stahlerzeugung
mit einer Nennkapazität
von 60 Tonnen eingebaut, und zwar an einer Stelle, die in einer
kürzeren
Zeitspanne am schadanfälligsten
ist. Bei diesem herkömmlichen
wassergekühlten
Auskleidungselement für
Ofendeckel ist die Durchführung
von Reparaturschweißarbeiten
im Gegensatz zu Arbeiten an wassergekühlten Auskleidungselementen
für Innenwände nicht
einfach. Dieses Auskleidungselement wird daher normalerweise erst
nach 7 bis 10 Monaten Betrieb ausgewechselt, bevor es zu schwerwiegenden
Wasserleckagen kommt.
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Ein
wassergekühltes
Auskleidungselement der oben beschriebenen Form und aus dem gleichen Material
wurde einem Aluminierverfahren unterzogen, bei dem das gleiche Aluminierpulver
wie in Beispiel 1 verwendet wurde, bei dem für die Dauer von 20 Stunden
bei einer Temperatur von 1080°C
erhitzt wurde und wobei an der Außenfläche der Schlackenfänger und
des Körpers
des Elements eine Al-Diffusionsschicht mit einer Oberflächenhärte von
500 mHV und einer Schichtdicke von 700 ìm gebildet wurde und die
Al-Konzentration
der äußersten
Schicht der Al-Diffusionschicht bei 40 Gew.-% lag. Dieses erfindungsgemäße wassergekühlte Auskleidungselement
wurde im gleichen Teil des Ofens installiert, wie das herkömmliche
Auskleidungselement. Selbst nach 15 Monaten Betrieb wurden keine
Wasserleckagen festgestellt. Nach 10 Monaten Ofenbetrieb wurde das
Erscheinungsbild des wassergekühlten Auskleidungselements
untersucht. Das Ergebnis war, dass das wassergekühlte Auskleidungselement vollständig mit
einer Schlackeschicht überzogen
war, keine blanken Stellen zu sehen waren und, dass die Schlackenfänger in
ihrer Funktion noch vollständig intakt
waren. Es kann daher abgeschätzt
werden, dass die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Auskleidungselements mindestens
doppelt so lang ist, als die des herkömmlichen Elements.