DE69936272T2 - Wassermantel für einen elektrolichtbogenofen - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige wassergekühlte Ofenauskleidungselemente, die im Wesentlichen in Elektrolichtbogenöfen für die Stahlerzeugung verwendet werden.
  • STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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,
  • 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.
  • BESTER MODUS ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher erläutert.
  • <Beispiel 1>
  • 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.
  • 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.
  • <Beispiel 2>
  • In einen Elektrolichtbogenofen zur Stahlerzeugung mit einer Kapazität von 50 Tonnen wurde, wie in 3 dargestellt, ein wassergekühltes Auskleidungselement für Staubkanäle installiert.
  • 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.
  • 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.
  • <Beispiel 3>
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Aus Metall gefertigtes, wassergekühltes Auskleidungselement für Elektrolichtbogenöfen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Al-Diffusionsschicht bzw. -beschichtung aufweist, deren Schichtdicke im Bereich von 200 bis 800 μm liegt, wobei die Al-Konzentration der äußersten Schicht der Al-Diffusionsschicht bei 10 bis 50 Gew.-% liegt, und zwar auf bzw. an der Fläche bzw. Oberfläche des Metalls durch ein Kolorisier- bzw. Aluminierverfahren aufgebracht.
  2. Wassergekühltes Auskleidungselement nach Anspruch 1, wobei das Kolorisier- bzw. Aluminierverfahren ausgeführt wird, indem ein zu beschichtender Gegenstand und ein Kolorisier- bzw. Aluminierpulver durch Mischen von 10 bis 80 Gew.-% eines Eisen-Aluminium-Legierungspulvers 20 bis 60 Gew.-% Aluminium, oder 10 bis 80 Gew.-% Aluminiumpulver mit 20 bis 90 Gew.-% Alumina- bzw. Aluminiumoxidpulver und 0,1 bis 2 Gew.-% Ammoniumchloridpulver, das als Beschleuniger wirkt, in einen halbhermetischen bzw. -luftdichten Behälter gegeben werden und in einem Heizofen bei einer Temperatur von 600 bis 1100°C für die Dauer von 5 bis 20 Stunden in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre erhitzt werden.
  3. Wassergekühltes Auskleidungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Al-Diffusionsschicht eine Oberflächenhärte von 350 bis 1000 mHV aufweist.
  4. Wassergekühltes Auskleidungselement nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Metall Kohlenstoffstahl ist.
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