DEP0049253DA - Vorrichtung zum Regeln des Wärmeflusses im Mauerwerk heißgehender Öfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des Wärmeflusses im Mauerwerk heissgehender Oefen, mittels im Mauerwerk eingelassener Kühlkanäle.

Bei sehr heissgehenden Oefen, wie Stahlschmelzöfen mit Regenerativ- oder Rekuperativfeuerung, werden manche Mauerwerksteile durch die sehr heissen Feuergase, besonders, wenn sie stark von diesen beaufschlagt werden, so hoch erhitzt, dass sie abschmelzen. Bei Siemens-Martin-Oefen sind manche Gewölbeteile, Türpfeiler und besonders die Brennerköpfe, die am stärksten von den abziehenden Feuergasen beaufschlagt werden, sehr gefährdet. Die über ihren Schmelzpunkt erhitzten Steine schmelzen mehr oder weniger schnell ab, was sich sehr schädlich auswirkt. Das Gewölbe wird an den gefährdeten Stellen durch das Abschmelzen so dünn, dass es einstürzen kann, Türpfeiler werden von dem Feuere sozusagen ausgewaschen und verlieren ihre Standfestigkeit und die Brennerköpfe werden immer kürzer, sodass die Flammenführung schlechter wird, der Kohlenverbrauch steigt und die Schmelzzeit bzw. Chargenzeit verlängert sich. Nach einigen Hundert Chargen muss der Ofen wegen Unwirtschaftlichkeit und Baufälligkeit ausser Betrieb gesetzt werden. Die Neuherstellung des Ofens erfordert sehr hohe Kosten, Zeit und grössere Ofenreserven. Man braucht ein oder mehrere Oefen als Reserve, wenn die Produktionskapazität aufrechterhalten werden soll.

Bei Rekuperativöfen, bei denen die Feuergase immer in derselben Richtung strömen und die Flammenführung günstig gestaltet werden kann, ist hauptsächlich der Fuchs gefährdet.

Bei den meisten in der Praxis benutzten Oefen der vorbeschriebenen Arten ist nun keinerlei künstliche Kühlung des Mauerwerks vorhanden, sondern ausschliesslich die Kühlung durch das natürliche Wärmegefälle im Mauerwerk. Während die Flammentemperatur im Ofen bis etwa 1800°C ansteigen kann und die Temperatur der Aussenluft weit unter 100°C bleibt, weist das Mauerwerk, je nach seiner Dicke (30 - 50 cm), ein natürliches Temperaturgefälle von der inneren Höchsttemperatur bis auf 200 - 300°C an seiner Aussenseite auf. Dort, wo diese innere Höchsttemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Mauerwerks bleibt, die etwa 1600 - 1700°C beträgt, bleibt das Mauerwerk unbeschädigt. Aber an den stark beaufschlagten Stellen wird diese zulässige Höchsttemperatur häufig überschritten, da das natürliche Temperaturgefälle nicht ausreicht, sodass dann die oben erwähnten Schäden auftreten.

Ganz abgesehen von diesen Beschädigungen des Mauerwerks mit ihren Folgen, entsteht durch die Wärmeabgabe der Mauerwerksaussenseite an die Aussenluft ein dauernder Wärmeverlust, der über 20% der insgesamt in den Ofen eingebrachten Wärme beträgt. Würde man nun, um das Wärmegefälle im Mauerwerk zu erhöhen und dadurch die innere Wandtemperatur herabzusetzen, die Wandstärke des Mauerwerks vermindern, so würden die Dauerverluste an Wärme noch höher werden.

Es ist nun auch schon vorgeschlagen worden, in das Mauerwerk wasserdurchflossene Rohre einzubauen. Auf diese Weise wird zwar mit

Sicherheit eine ausreichende Kühlung des Mauerwerks erreicht, jedoch sind die dabei entstehenden Dauerverluste an Wärme derart gross, dass der Betrieb des Ofens unrentabel wird. Ein weiterer Nachteil dieser Kühlungsart besteht in der Gefahr, dass die Rohe undicht werden können und dann Wasser in das Mauerwerk und den Ofen eindringt, was mit Sicherheit eine Zerstörung des Ofens zur Folge hat.

Das Gleiche gilt auch für eine weitere Kühlungsart, bei der die stark gefährdeten Mauerwerksteile mittels wasserdurchlossene Rohre gegen eine Beaufschlagung abgeschirmt sind.

Beim Gegenstand der Erfindung werden die oben erwähnten Nachteile der bekannten Kühlungsarten vollkommen vermieden dadurch, dass kühlende Gase durch die Kanäle im Mauerwerk geleitet werden, und die Kanäle so in Ofeninnere einmünden, dass die Gase nach Aufnahme der Wärme derart dem Ofeninnern zuströmen, dass sie eine über die ganze Innenoberfläche des Feuerraumes möglichst gleichmässige Erhitzung ergeben, indem sie entweder an stark von der Flamme getroffenen Stellen ein möglichst zusammenhängendes Schutzpolster zwischen den Flammen und den gefährdeten Mauerwerksflächen bilden oder bei gleichzeitiger Verwendung von Luft und Heizgas als kühlende Gase diese abwechselnd nebeneinander in das Ofeninnere eingeführt werden, so dass die Flammenbildung sich möglichst gleichmässig verteilt.

Bei diesem Verfahren handelt es sich also um eine zwangsweise Kühlung des Mauerwerks im Innern, indem Kühlgase, wie Luft, Abgase, andere indifferente Gase, Schutzgase oder sogar brennbare Gase unter Druck durch enge, möglichst dicht aneinanderliegende,

Kühlkanäle geführt werden, die nur einige Zentimeter von den von den Feuergasen berührten Mauerwerksflächen entfernt sind, und dass diese Kühlgase nach Durchströmen der Kühlkanäle so in das Ofeninnere eingeführt werden, dass sie ein möglichst zusammenhängendes Schutzpolster zwischen den Feuergasen und den gefährdeten Mauerwerksflächen bilden, wodurch die Beaufschlagung gemildert und die Mauerfläche gekühlt wird. Durch diese Art von Kühlung entfällt eine Kühlung durch die Aussenluft, sodass die Mauern beliebig stark ausgeführt werden können und der Ofen gegen Wärmeverluste nach aussen sogar sehr stark isoliert werden kann.

Die Mauerwerksinnenkühlung nahe an den beheizten Flächen für sich allein wird hauptsächlich bei den Wänden angewandt, während die ganz stark beaufschlagten Mauerwerksteile auch noch durch die Bespülung vor dem Abschmelzen geschützt werden. Die beheizten Mauerwerksoberflächen sollen zur Vermeidung von unnötigen Wärmeverlusten und, um die Steinstrahlung nicht zu unterbinden, um etwas unter die Schmelztemperatur abgekühlt werden. Da die einzelnen Mauerwerksteile verschieden stark von den Flammengasen beaufschlagt werden, wird vorgeschlagen, die Kühlung für die einzelnen Mauerwerksteile für sich regelbar zu gestalten. Durch diese Unterteilung wird es möglich, das ganze Ofeninnere auf gleichmässiger Temperatur zu halten bei sparsamster Anwendung der Kühlung, d.h. auch bei geringster Wärmeentnahme aus dem Ofenraum. Bei den meisten gefährdeten Mauerwerksteilen wird man zweckmässig mit der Kühlung beim Anheizen beginnen. Im allgemeinen soll die Kühlung erst angewendet werden, wenn der Ofen soweit aufgeheizt ist, dass mit Abschmelzgefahr zu rechnen ist. Während der

Stillstände, beim Anheizen, beim Einschmelzen der Charge und noch kurze Zeit darauf ruht die Zwangskühlung, im Gegensatz zu einer Wasserkühlung, ganz. Während dieser langen Zeit gibt der Ofen, weil er sehr stark isoliert ist, sehr wenig Wärme an die Aussenluft ab, er wird also auch schneller warm, und die Einschmelzzeit wird abgekürzt. Ist der Ofen dann sehr heiss geworden, dann wird die Kühlung erst schwach und danach immer stärker eingeschaltet. Durch diese Massnahme wird durch die Zwangskühlung dem Ofen nur die dem Mauerwerk schädliche Wärme entzogen. Diese Wärme geht aber dem Ofen nicht verloren, da die Kühlgase mit einer Temperatur von 1200° und mehr in die Feuergase übertreten und mit diesen zugleich ausgenutzt werden können. Die dadurch vermehrten Abgase haben eine etwa niedrigere Temperatur als bei der heutigen Betriebsweise und wirken für die Gas- und Luftzüge und die oberen Kammerpartien der Regenerativöfen weniger schädlich. Bei Rekuperativöfen wird man am Fuchs besonders viel Kühlgas zuführen, damit die Abgase den Rekuperator nicht gefährden.

Bei Siemens-Martin-Oefen verwendet man die Mauerwerksinnenkühlung und Oberflächenbespülung derart, dass man jeweils den Brennerkopf, durch den Gas und Luft in den Ofenraum eintreten, gar nicht kühlt, Seitenwände und Gewölbe an der Feuereintrittsseite sehr schwach und alles Mauerwerk auf der Feuerabzugsseite, besonders den die Feuergase aufnehmenden Brennerkopf sehr stark kühlt. Es soll eben nur da gekühlt werden, wo Abschmelzgefahr droht. Da es durch Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens möglich ist, den Brennerkopf vor der Zerstörung zu schützen, ist man nunmehr in der Lage, die Brennerköpfe bei Regenerativöfen so zu gestalten, dass sowohl für die Behandlung des Bades als auch für die Erhaltung des Mauerwerks sehr günstige Bedingungen erhalten werden können. Gas und Luft können besser und gleichmässig auf die Ofenbreite verteilt in den Herdraum eintreten, wodurch eine heisse und ruhige Flamme und eine im selben Ofenquerschnitt gleiche Gesamtatmosphäre entstehen. Die bei den primitiven Brennern notwendige gewaltsame Mischung von Gas und Luft im Herdraum verursachte heftige Querströmungen, wodurch das Ofenmauerwerk an manchen Stellen übermässig stark beaufschlagt wurde, auch war die Ofenatmosphäre durchaus ungleichmässig, was sich bei der Erzeugung von Qualitätsstahl schädlich auswirkte. Durch eine gleichmässige und ruhiger verlaufende Verbrennung wird das Mauerwerk weniger stark von der Flamme getroffen, seine Oberfläche ist wegen der Kühlung weniger heiss und deshalb weniger gefährdet.

Auch ist das Feuer beim Verlassen des Herdraumes gleichmässiger ausgebrannt, sodass örtliche starke Ueberhitzungen des beaufschlagten Brennerkopfes vermieden werden.

Nun können für die Kühlung verschiedener Ofenteile verschiedene Kühlmittel verwendet werden, z.B. kann man auch für die Kühlung der Gewölbe und der oberen Partien der Seitenwände Luft benutzen, die nach ihrem Eintritt in die Feuergase als Verbrennungsluft dienen kann.

Im unteren Teil der Türpfeiler, an dem durch angesaugte Luft bereits Luftüberschuss herrscht, kann man als Kühlmittel brennbares Gas benutzen, was im Ofen durch die überschüssige Luft verbrannt wird. Bei manchen Oefen wird es sogar erwünscht sein, wenn man nebeneinander abwechselnd brennbares Gas und Luft als Kühlmittel durch die Ofenwände eintreten lässt und dadurch besondere Brenner spart.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt, und zwar ist

Fig. 1 ein Vertikalschnitt durch eine Ofenwand nach Linie a-b von Fig. 3,

Fig. 2 ein vertikaler Längsschnitt nach der Linie c-d von Fig. 3,

Fig. 3 ein Horizontalschnitt nach Linie e-f von Fig. 1,

Fig. 4 ein vertikaler Längsschnitt durch das Ende eines Rekuperativofens mit Fuchs, und

Fig. 5 ein Querschnitt durch einen Kühlkanal ungefähr in natürlicher Grösse.

Das Kühlmittel, Luft, Abgas, andere indifferente Gase, Schutzgas oder brennbares Gas, wird vermittelst eines Ventilators durch die Kanäle 1, die zur Kühlung des Herdes dienen, in den Verteilungskanal 2 gedrückt und verteilt sich auf die Zubringerkanäle 3, die oben geschlossen sind und durch Schieber 17 mehr oder weniger abgeschaltet werden können. Die Kühlmittelzuteilung für die einzelnen Ofenpartien kann auch schon ausserhalb des Ofens durch Schieber reguliert werden. Von den Kanälen 3 aus gelangt das Kühlmittel durch Kanäle 4 in die eigentlichen Kühlkanäle 5, die hier als erweiterte Fugen gebildet sind und bis auf etwa 4 cm parallel an den beheizten Wandflächen entlang geführt sind, wodurch es möglich ist, die heissen Wandflächen unter die Steinschmelztemperatur abzukühlen. Durch die Verwendung der Steinfugen als Kühlkanäle wird das Mauerwerk nicht geschwächt und behält seine Standfestigkeit. Aus den Kühlkanälen 5 wird das Kühlmittel durch Kanäle 6 in die Sammelkanäle 7 geführt, die unten geschlos- sen sind und oben in den Raum 9 über dem Ofengewölbe münden. Der Raum 9 ist gegen die Aussenluft durch ein Gewölbe 10, das man am besten aus Isolationssteinen herstellt, abgeschlossen. Aus dem Raum 9 treten nunmehr die Kühlgase durch die Kühlkanäle 11 und Bespülkanäle 12 in das Ofeninnere ein, wo sie an den gefährdeten Mauerwerksflächen zusammenhängende Schutzpolster bilden, wodurch die Beaufschlagung durch das Feuer wesentlich gemildert wird und gleichzeitig die Mauerfläche gekühlt wird. Liegen die Kühlkanäle dicht beieinander, so kann man jedes noch so gefährdete Mauerwerk vor dem Abschmelzen schützen. Der Fuchs 13 von Fig. 4 wird seitlich und von unten durch Kanäle 14 und 15 gekühlt. Auf gleiche Weise können auch die Brennerköpfe mit den Gas- und Luftzügen bei Regenerativöfen gekühlt werden. Durch Isolation 16 und 10 ist der Ofen gegen Wärmeverluste nach aussen geschützt.

Claims (3)

1.) Vorrichtung zum Regeln des Wärmeflusses im Mauerwerk heissgehender Oefen mittels im Mauerwerk vorgesehener Kühlkanäle, dadurch gekennzeichnet, dass kühlende Gase (z.B. Luft, Abgase, andere indifferente Gase, Schutzgase oder auch brennbare Gase) durch die Kanäle im Mauerwerk geleitet werden und die Kanalenden so in das Ofeninnere einmünden, dass die Gase nach der Aufnahme der Wärme derart dem Ofeninneren zuströmen, dass sie eine über der ganzen Innenoberfläche des Feuerraumes möglichst gleichmässige Erhitzung ergeben, indem sie entweder an stark von Flammen getroffenen Stellen des Mauerwerks, insbesondere solchen, die durch die Kanalkühlung nicht unter die Gefährdungstemperatur für das Mauerwerk zu bringen sind, ein möglichst zusammenhängendes Schutzpolster zwischen den Feuergasen und den gefährdeten Mauerwerksflächen bilden, oder bei gleichzeitiger Verwendung von Heizgas und Luft als kühlende Gase diese abwechselnd nebeneinander in das Ofeninnere eingeführt werden, sodass die Flammenbildung möglichst sich gleichmässig verteilt.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlkanäle die Steinfugen des zu kühlenden Mauerwerks teilweise ausgespart sind.

3.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge der zur Kühlung dienenden Gase für die einzelnen Mauerwerksteile örtlich und zeitlich verschieden regelbar ist.