EP0056603A1 - Heat exchanger, in particular air-heater for blast furnace, process for regulating the temperature of gas and air for the blast furnace and application thereof - Google Patents

Heat exchanger, in particular air-heater for blast furnace, process for regulating the temperature of gas and air for the blast furnace and application thereof Download PDF

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EP0056603A1
EP0056603A1 EP82100164A EP82100164A EP0056603A1 EP 0056603 A1 EP0056603 A1 EP 0056603A1 EP 82100164 A EP82100164 A EP 82100164A EP 82100164 A EP82100164 A EP 82100164A EP 0056603 A1 EP0056603 A1 EP 0056603A1
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EP
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heat exchanger
jacket
temperature
insulating layer
exchanger according
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EP82100164A
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German (de)
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Inventor
Hans-Eugen Prof. Dr. Bühler
Horst Dipl.-Ing. Kalfa
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Brohltal-Deumag AG fur Feuerfeste Erzeugnisse
Original Assignee
Brohltal-Deumag AG fur Feuerfeste Erzeugnisse
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B9/00—Stoves for heating the blast in blast furnaces
    • C21B9/10—Other details, e.g. blast mains
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B9/00—Stoves for heating the blast in blast furnaces
    • C21B9/02—Brick hot-blast stoves
    • C21B9/06—Linings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular a wind heater for blast furnaces, a method for regulating the temperature of gas and wind for the blast furnace, and the use of the method.
  • Heat exchangers and, in particular, hot-water heaters for blast furnaces with a refractory lining, an inner insulating layer and a steel jacket or armor thereon are known. Air or gas with peak heating temperatures above 1000 ° C should be transported in heat exchangers of the type mentioned.
  • the subject of the invention is to be exemplified below using the example of a hot water heater for blast furnace operation.
  • the air In the interior of hot water heaters, the air is heated to a maximum of 4 bar compressed air as it passes through a refractory trim that has been heated to temperatures of up to 1500 ° C. During this process, the air almost reaches the temperature of the refractory lining. At temperatures above 1300 ° C, the nitrogen content of the air noticeably converts with the oxygen content to nitrogen oxides. Since the refractory lining and insulation layer are gas-permeable systems, the gas mixture of steam, nitrogen oxides and unreacted air up to the steel jacket, at which temperatures can be close to the dew point of the gas mixture. If the dew point of the gas mixture on the steel jacket is undershot, which can occur in practical use on all sections of the hot air heater, a condensate is formed which has high proportions of nitrate and / or nitrite ions.
  • the damage caused by the stress corrosion cracking are not limited to certain wind heater types and the damage process is as characterized in many cases T by that crack phenomena after the first detections progress very quickly, forcing number of cracks and crack depth after a short time for renovating the facility. A long incubation period is usually followed by a short tear period.
  • the invention has for its object to improve heat exchangers and in particular wind heaters of the type mentioned in such a way that they can be operated while avoiding or mitigating intercrystalline stress corrosion on the jacket sheet and increasing the previous service life.
  • a method for regulating the temperature of gas and wind for the blast furnace is to be created, this method being applicable to the heat exchanger of any construction to be provided according to the invention.
  • This object of the invention is achieved in that the corresponding vulnerability of the heat exchanger can be reduced by a complex intervention in the relevant influencing variables of stress corrosion cracking.
  • This is achieved according to the invention by creating a heat exchanger and in particular a wind heater for blast furnaces of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the insulating layer is so is designed so that a steel jacket temperature of 20 to 60 ° C can be set under the conditions of operation of the heat exchanger, and that the steel jacket is made of chromium-free structural steel with a molybdenum content in the range of 0.01 to 2% by weight.
  • the method according to the invention for regulating the temperature of gas and wind for the blast furnace is advantageously characterized in that the gas or the wind is passed in a manner known per se through a wind heater which has a refractory lining, an intermediate insulating layer and a jacket sheet made of chromium-free structural steel with a molybdenum content of 0.01 to 2 wt.%,
  • the dimensioning of the insulating layer and the operating conditions, for example also the flow of the gaseous medium are coordinated so that the temperature of the jacket plate is below 60 ° C.
  • chromium-free structural steel with the stated molybdenum content is particularly advantageous, which has a high resistance to intergranular nitrate stress corrosion cracking under vibrating, low-frequency alternating stress.
  • it can be advantageous if it does not contain any vanadium.
  • the jacket sheet temperature is to be reduced by an additional internal insulation from the previously customary 80 to over 160 ° C. to at least 60 ° C., preferably 50 to 30 ° C. , and particularly favorably by approximately 40 ° C.
  • the one steel group contains, for example, the following components: 0.005 to 0.2% carbon, 0.1 to 1.5% silicon, 0.1 to 2.0% manganese, at most 0.025% phosphorus, at most 0.025% sulfur, 0.1 to 2.0% molybdenum and the rest iron and unavoidable impurities.
  • These steels have an elongation of about 30% and should be used specifically for the construction and construction of new systems or self-supporting double jackets.
  • Steels 15Mo3 and 16Mo5 are examples of steels in these groups.
  • the other suitable steel group contains, for example, the following components and is characterized by an elongation of 3.40%: 0.005 to 0.1% carbon, traces of silicon, at most 0.4% manganese, 0.01 to 0.15% Molybdenum, at most 0.025% phosphorus, at most 0.025% sulfur, at most 0.007% nitrogen, at most 0.2% titanium and the rest of iron and inevitable impurities.
  • This alloy is preferably suitable for repairs in which the old steel jacket takes over the supporting structure and the higher strengths of the R EPA raturwerkstoffes are not required (% are each by weight.%).
  • Heat exchangers are exposed to cyclical loads during operation.
  • the stresses prevailing in the building from the system on the one hand and from the processing of the material on the other hand are characterized in that the system undergoes a change in stress or strain when the pressure or pressure is released, the magnitude of the strain rate being of crucial importance for the mechanism of the corrosion process.
  • the pressure bar are driven with a maximum of 4, strain rates in the order of 10- 6 to 10 -8 s.
  • the aim is to keep the welding residual stresses in the material as low as possible by performing a multi-layer hardening and tempering welding in such a way that after welding resulting structure has no major differences in hardness between the base material and the weld area and is therefore low in residual stress.
  • the refractory material of the insulating layer is arranged and dimensioned such that the temperatures of the cladding sheet are at most 60 ° C, preferably at most 40 ° C, at any dome temperature and design of the furnace, the boiler or the high temperature wind heater.
  • a water sprinkler system can be provided on the heat exchanger.
  • the jacket sheet can be provided with a reflective layer in order to reduce the influence of heat from solar radiation.
  • the invention preferably strives to form the insulating layer between the refractory material and the cladding sheet from refractory stones, in particular those with high resistance to moderately acidic nitrate electrolytes,
  • Fig. 1 contains examples of good and bad welds that can lead to rapid damage compared to intergranular stress corrosion cracking or on the other hand have a long service life.
  • StE 36 with a hardness difference between the base material and the weld seam of 120 MV, clearly intercrystalline stress corrosion cracking occurred in the weld seam area.
  • a maximum difference in hardness of 50 to 60 MV is measured, as can be seen from FIG. 2.
  • the aim of the invention is to carry out the welding in such a way that there is a difference in hardness between Base material and weld seam range of 50 to 60 MV is not exceeded.
  • FIG. 6 shows the schematic structure of an embodiment of a wind heater according to the invention.
  • 1 means the steel jacket, 2 the inside insulation layer and 3 the fire-proof lining (inside).

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Abstract

Es wird ein Wärmetauscher und insbesondere Winderhitzer für Hochöfen mit Feuerfestauskleidung, Isolierschicht und Stahlmantel beschrieben, dessen Isolierschicht so ausgelegt ist, dass eine Stahlmanteltemperatur von 20 bis 60°C einstellbar ist und der Stahlmantel aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt im Bereich von 0,01 bis 2 Gew.% gebildet ist. Der Winderhilzer weist eine hohe Lebensdauer und eine geringe Neigung zur Nitrat-Spannungsrisskorrosion des Mantelbleches auf, weshalb er sich zum Einsatz in Verfahren zur Temperaturregelung von Gas und Wind für den Hochofen besonders eignet. Das Verfahren ist auf Winderhitzer mit aussen- oder innenliegendem Brennschacht bzw. Gitterschacht und nachgeschaltete Sammelleitungen anwendbar.A heat exchanger and, in particular, hot water heater for blast furnaces with refractory lining, insulating layer and steel jacket is described, the insulating layer of which is designed in such a way that a steel jacket temperature can be set from 20 to 60 ° C and the steel jacket made of chromium-free structural steel with a molybdenum content in the range from 0.01 to 2% by weight is formed. The Winderhilzer has a long service life and a low tendency to nitrate stress corrosion cracking of the jacket plate, which is why it is particularly suitable for use in processes for temperature control of gas and wind for the blast furnace. The process can be applied to hot air heaters with an external or internal burner shaft or lattice shaft and downstream manifolds.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer für Hochöfen, Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen, sowie die Anwendung des Verfahrens.The invention relates to a heat exchanger, in particular a wind heater for blast furnaces, a method for regulating the temperature of gas and wind for the blast furnace, and the use of the method.

Wärmeaustauscher und insbesondere Winderhitzer für Hochöfen mit einer feuerfesten Auskleidung, einer innenliegenden Isolierschicht und einem daraufliegenden Stahlmantel bzw. -panzer sind bekannt. In Wärmetauschern der genannten.Art soll Luft bzw. Gas mit Spitzenerwärmungstemperaturen über 1000°C transportiert werden. Nachfolgend soll der Gegenstand der Erfindung am Beispiel eines Winderhitzers für den Hochofenbetrieb exemplarisch dargestellt werden.Heat exchangers and, in particular, hot-water heaters for blast furnaces with a refractory lining, an inner insulating layer and a steel jacket or armor thereon are known. Air or gas with peak heating temperatures above 1000 ° C should be transported in heat exchangers of the type mentioned. The subject of the invention is to be exemplified below using the example of a hot water heater for blast furnace operation.

Im Innenraum von Winderhitzern wird auf maximal 4 bar komprimierte Luft beim Durchgang durch einen feuerfesten Besatz, der auf Temperaturen von bis zu 1500°C aufgeheizt wurde, erwärmt. Die Luft erreicht bei diesem Vorgang annähernd die Temperatur der Feuerfestauskleidung. Der Stickstoffanteil der Luft setzt sich bei Temperaturen oberhalb von 1300°C merklich mit dem Sauerstoffanteil zu Stickoxiden um. Da es sich bei Feuerfestauskleidung und Isolierschicht um gasdurchlässige Systeme handelt, gelangt die im Innenraum des Winderhitzers vorliegende Gasmischung von Wasserdampf, Stickoxiden und nicht umgesetzter Luft bis hin zum Stahlmantel, an dem Temperaturen in der Nähe des Taupunktes des Gasgemisches vorliegen können. Wird der Taupunkt der Gasmischung am Stahlmantel unterschritten, was im praktischen Einsatz an allen Abschnitten des Winderhitzers auftreten kann, so bildet sich ein Kondensat, das hohe Anteile an Nitrat-und/oder Nitritionen aufweist.In the interior of hot water heaters, the air is heated to a maximum of 4 bar compressed air as it passes through a refractory trim that has been heated to temperatures of up to 1500 ° C. During this process, the air almost reaches the temperature of the refractory lining. At temperatures above 1300 ° C, the nitrogen content of the air noticeably converts with the oxygen content to nitrogen oxides. Since the refractory lining and insulation layer are gas-permeable systems, the gas mixture of steam, nitrogen oxides and unreacted air up to the steel jacket, at which temperatures can be close to the dew point of the gas mixture. If the dew point of the gas mixture on the steel jacket is undershot, which can occur in practical use on all sections of the hot air heater, a condensate is formed which has high proportions of nitrate and / or nitrite ions.

Aus der bisherigen Korrosionsforschung ist bekannt, dass zugspannungsbelastete Baustahlkonstruktionen bei Anwesenheit von nitrathaltigen Elektrolyten, insbesondere bei saurem pH-Wert, zur Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion neigen. Gerade grosstechnische geschweisste Anlagen, wie Winderhitzer, sind bei innenseitig vorhandenen Nitratkondensaten aufgrund der hohen Schweisseigenspannung und der zyklischen Betriebsart des Winderhitzers in Gas- und Heizphase durch die Spannungsrisskorrosion besonders gefährdet.It is known from previous corrosion research that tensile stressed structural steel structures tend to be susceptible to stress corrosion cracking in the presence of nitrate-containing electrolytes, especially at an acidic pH. Large-scale welded systems such as gas heaters are particularly at risk from nitrate condensates on the inside due to the high welding stress and the cyclic mode of operation of the gas heater in the gas and heating phases due to stress corrosion cracking.

Die durch die Spannungsrisskorrosion verursachten Schäden sind nicht auf bestimmte Winderhitzerbauarten beschränkt und der Schadensablauf ist in vielen Fällen daT durch charakterisiert, dass die Risserscheinungen nach den ersten Ortungen sehr schnell fortschreiten und Anzahl der Risse und Risstiefe nach kurzer Zeit zum Sanieren der Anlage zwingen. Auf eine lange Inkubationsperiode folgt in der Regel eine kurze Rissperiode.The damage caused by the stress corrosion cracking are not limited to certain wind heater types and the damage process is as characterized in many cases T by that crack phenomena after the first detections progress very quickly, forcing number of cracks and crack depth after a short time for renovating the facility. A long incubation period is usually followed by a short tear period.

Es wurden bereits eine Reihe von Massnahmen zur Vermeidung der Schäden ergriffen und am erfolgversprechendsten erschienen bisher eine Aussenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung am Mantelblech oder das Einbringen von abdichtenden Folien oder Anstrichen an der Mantelinnenseite zu sein. Die Aussenisolierung als bisher wirksamstes Mittel gegen Spannungsrisskorrosion hatte jedoch zur Folge, dass die Kondensation der nitrathaltigen Gasphase erst in Bereichen der nachgeschalteten Systeme erfolgte. Die Spannungsrisskorrosion kann mit dieser Methode also nicht vermieden, sondern nur örtlich verlagert werden.A number of measures have already been taken to avoid the damage, and the most promising so far has been external insulation to prevent the casing sheet from falling below the dew point or the introduction of sealing foils or paints on the inside of the jacket. However, the external insulation as the most effective means of stress corrosion cracking so far meant that the condensation of the nitrate-containing gas phase only took place in the areas of the downstream systems. Stress corrosion cracking cannot be avoided with this method, but can only be relocated locally.

Bei allen bisher getroffenen Massnahmen zur Vermeidung der Spannungsrisskorrosion ging man von der einseitigen Beeinflussung des Mechanismus der Spannungsrisskorrosion aus. Zum einen wurde versucht, den Elektrolyten aus dem Korrosionssystem zu entfernen (Abdichten durch Folien oder Anstriche und Aussenisolierung zur Verhinderung der Taupunktunterschreitung), zum anderen wurde versucht, Baustähle zu entwickeln, die aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung eine genügende Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion aufweisen. Der zuletzt beschriebene Weg wurde in der DE-OS 29 07 152 eingeschlagen. Durch die Erhöhung von Chrom- und Molybdängehalten und gleichzeitige Absenkung des Kohlenstoffgehaltes unter Werte von 0,05 % wurde hierbei versucht, die Beständigkeit von Baustählen gegenüber Spannungsrisskorrosion zu erhöhen. Die labortechnische Überprüfung dieser Speziallegierungen auf ihre Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit wurde nach dem damaligen Stand der Technik in einer 60 %-igen Kalzium-Nitrat-Lösung mit Zusatz von Ammoniumnitrat in einem statischen Korrosionsversuch durchgeführt. Heutige Erkenntnisse in der Korrosionsprüfung zeigen jedoch, dass weder das Korrosionsmedium noch die-eingesetzte mechanische Prüfmethode dem praktischen Belastungsfall im betrieblichen Einsatz entsprechen, so dass bei der Prüfung der im Patent aufgeführten Legierungen keine für die Praxis brauchbaren Ergebnisse erzielt wurden. In der DE-OS 29 07 152 sind Standzeiten bis zum Eintreten der Spannungsrisskorrosion von zweieinhalb Jahren für die Konstruktion aus diesen Speziallegierungen angegeben, was für die Betreiber von Winderhitzeranlagen nicht akzeptable Zeiten sind. In diesem Bereich sind vielmehr mittlere Lebensdauern der Aggregate von mindestens 10 bis 15 Jahren erwünscht.In all measures taken so far to avoid stress corrosion cracking, it was assumed that the stress corrosion cracking mechanism was unilaterally influenced. On the one hand, attempts were made to remove the electrolyte from the corrosion system (sealing with foils or paints and external insulation to prevent the temperature from falling below the dew point), on the other hand, attempts were made to develop structural steels which, due to their alloy composition, have sufficient resistance to stress corrosion cracking. The last described route was taken in DE-OS 29 07 152. By increasing the chromium and molybdenum contents and simultaneously lowering the carbon content below 0.05%, attempts were made to increase the resistance of structural steels to stress corrosion cracking. The laboratory testing of these special alloys for their susceptibility to stress corrosion cracking was carried out according to the state of the art at the time in a 60% calcium nitrate solution with the addition of ammonium nitrate in a static corrosion test. Current knowledge in corrosion testing shows, however, that neither the corrosion medium nor the mechanical test method used can withstand the practical stress case in operational use, so that no practical results were obtained when testing the alloys listed in the patent. DE-OS 29 07 152 states the service life until the occurrence of stress corrosion cracking of two and a half years for the construction of these special alloys, which are unacceptable times for the operators of hot-water heater systems. Rather, average lifetimes of the aggregates of at least 10 to 15 years are desired in this area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscher und insbesondere Winderhitzer der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass sie unter Vermeidung bzw. Abmilderung interkristalliner Spannungskorrosion am Mantelblech und unter Erhöhung der bisherigen Lebensdauer betrieben werden können. Nach einem weiteren Aspekt dieser Aufgabe soll ein Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen geschaffen werden, wobei dieses Verfahren auf den erfindungsgemäss bereitzustellenden Wärmetauscher beliebiger Konstruktion anwendbar ist.The invention has for its object to improve heat exchangers and in particular wind heaters of the type mentioned in such a way that they can be operated while avoiding or mitigating intercrystalline stress corrosion on the jacket sheet and increasing the previous service life. According to a further aspect of this task, a method for regulating the temperature of gas and wind for the blast furnace is to be created, this method being applicable to the heat exchanger of any construction to be provided according to the invention.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass durch einen komplexen Eingriff in die massgeblichen Einflussgrössen der Spannungsrisskorrosion die entsprechende Anfälligkeit des Wärmetauschers vermindert werden kann. Dies wird erfindungsgemäss durch die Schaffung eines Wärmetauschers und insbesondere Winderhitzers für Hochöfen der eingangs genannten Art erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Isolierschicht so ausgelegt ist, dass unter den Bedingungen des Betriebes des Wärmetauschers eine Stahlmanteltemperatur von 20 bis 60°C einstellbar ist, und dass der Stahlmantel aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt im Bereich von 0,01 bis 2 Gew.% gebildet ist.This object of the invention is achieved in that the corresponding vulnerability of the heat exchanger can be reduced by a complex intervention in the relevant influencing variables of stress corrosion cracking. This is achieved according to the invention by creating a heat exchanger and in particular a wind heater for blast furnaces of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the insulating layer is so is designed so that a steel jacket temperature of 20 to 60 ° C can be set under the conditions of operation of the heat exchanger, and that the steel jacket is made of chromium-free structural steel with a molybdenum content in the range of 0.01 to 2% by weight.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen zeichnet sich dadurch vorteilhaft aus, dass man das Gas bzw. den Wind in an sich bekannter Weise durch einen Winderhitzer führt, der eine feuerfeste Auskleidung, eine zwischenliegende Isolierschicht und ein Mantelblech aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt von 0,01 bis 2 Gew.% aufweist, wobei die Dimensionierung der Isolierschicht und die Betriebsbedingungen, z.B. auch des Durchflusses des gasförmigen Mediums so aufeinander abgestimmt sind, dass die Temperatur des Mantelbleches unter 60°C liegt.The method according to the invention for regulating the temperature of gas and wind for the blast furnace is advantageously characterized in that the gas or the wind is passed in a manner known per se through a wind heater which has a refractory lining, an intermediate insulating layer and a jacket sheet made of chromium-free structural steel with a molybdenum content of 0.01 to 2 wt.%, The dimensioning of the insulating layer and the operating conditions, for example also the flow of the gaseous medium are coordinated so that the temperature of the jacket plate is below 60 ° C.

Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere der Einsatz von chromfreiem Baustahl mit dem angeführten Molybdängehalt vorteilhaft, der unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit gegenüber interkristalliner Nitrat-Spannungsrisskorrosion aufweist. Hierbei kann es, je nach Art des herangezogenen Stahls, vorteilhaft sein, wenn dieser keinen Anteil an Vanadin enthält.In the context of the invention, the use of chromium-free structural steel with the stated molybdenum content is particularly advantageous, which has a high resistance to intergranular nitrate stress corrosion cracking under vibrating, low-frequency alternating stress. Depending on the type of steel used, it can be advantageous if it does not contain any vanadium.

Da hohe Mantelblechtemperaturen zu einem beschleunigten Ablauf der Spannungsrisskorrosion führen, wenh es in bestimmten Bereichen des Winderhitzers zur Unterschreitung der Taupunkttemperatur gekommen ist, wird gemäss der Erfindung ein sinnvoller Einfluss auf die Temperatur eventuell vorhandenen Korrosionsmediums ausgeübt. Versuche haben gezeigt, dass eine Absenkung der Temperatur des Korrosionsmediums im dynamischen Korrosionsversuch auf 40°C die Beständigkeit der Mantelblechwerkstoffe erheblich erhöht. Deshalb soll die Mantelblechtemperatur durch eine zusätzliche Innenisolierung von den bisher üblichen 80 bis über 160°C auf mindestens 60°C, vorzugsweise 50 bis 30°C, und insbesondere günstig um etwa 40°C, gesenkt werden.Since high jacket sheet temperatures lead to an accelerated process of stress corrosion cracking, if the dew point temperature has fallen below in certain areas of the hot water heater, according to Invention has a meaningful influence on the temperature possibly existing corrosion medium. Tests have shown that lowering the temperature of the corrosion medium in a dynamic corrosion test to 40 ° C considerably increases the resistance of the cladding sheet materials. For this reason, the jacket sheet temperature is to be reduced by an additional internal insulation from the previously customary 80 to over 160 ° C. to at least 60 ° C., preferably 50 to 30 ° C. , and particularly favorably by approximately 40 ° C.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass je nach Anwendungszweck zwei unterschiedliche Stahlgruppen für die Mantelbleche des Winderhitzers verwendet werden, die sich im wesentlichen durch den Legierungsgehalt an Kohlenstoff, Molybdän und durch die mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Die eine Stahlgruppe enthält z.B. folgende Bestandteile: 0,005 bis 0,2 % Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5 % Silizium, 0,1 bis 2,0 % Mangan, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, 0,1 bis 2,0 % Molybdän und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. Diese Stähle besitzen eine Bruchverlängerung von etwa 30 % und sollten speziell für den Aufbau und die Konstruktion neuer Anlagen oder selbsttragender Doppelmäntel herangezogen werden. Als Beispiele für Stähle dieser Gruppen seien die Stähle 15Mo3 und 16Mo5 genannt.An advantageous development of the invention is that depending on the application purpose, two different steel groups are used for the shell plates of the hot stove substantially by the L egierungsgehalt on carbon, molybdenum and differ in the mechanical properties. The one steel group contains, for example, the following components: 0.005 to 0.2% carbon, 0.1 to 1.5% silicon, 0.1 to 2.0% manganese, at most 0.025% phosphorus, at most 0.025% sulfur, 0.1 to 2.0% molybdenum and the rest iron and unavoidable impurities. These steels have an elongation of about 30% and should be used specifically for the construction and construction of new systems or self-supporting double jackets. Steels 15Mo3 and 16Mo5 are examples of steels in these groups.

Die andere geeignete Stahlgruppe enthält z.B. folgende Bestandteile und zeichnet sich durch eine Bruchverlängerung von 3.40 % aus: 0,005 bis 0,1 % Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,4 % Mangan, 0,01 bis 0,15 % Molybdän, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, höchstens 0,007 % Stickstoff, höchstens 0,2 % Titan und der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen. Diese Legierung ist vorzugsweise für Reparaturen geeignet, bei denen der alte Stahlmantel die Tragkonstruktion übernimmt und höhere Festigkeiten des Repa- raturwerkstoffes nicht erforderlich sind (% bedeuten jeweils Gew.%).The other suitable steel group contains, for example, the following components and is characterized by an elongation of 3.40%: 0.005 to 0.1% carbon, traces of silicon, at most 0.4% manganese, 0.01 to 0.15% Molybdenum, at most 0.025% phosphorus, at most 0.025% sulfur, at most 0.007% nitrogen, at most 0.2% titanium and the rest of iron and inevitable impurities. This alloy is preferably suitable for repairs in which the old steel jacket takes over the supporting structure and the higher strengths of the R EPA raturwerkstoffes are not required (% are each by weight.%).

Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer, sind im Betrieb einer zyklischen Belastung ausgesetzt. Die vom System einerseits und von der Verarbeitung des Werkstoffes andererseits im Bauwerk herrschenden Spannungen sind dadurch gekennzeichnet, dass das System bei Druckbelastung bzw. Druckentlastung eine Spannungs- bzw. Dehnungsänderung erfährt, wobei die Grösse der Dehnungsgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung für den Mechanismus des Korrosionsprozesses ist. So werden in Hochtemperatur- Winderhitzern, die mit maximal 4 bar Druck gefahren werden, Dehngeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 10-6 bis 10-8 s gemessen. Diese Dehngeschwindigkeiten sind vom System vorgegeben, eine Änderung von aussen ist nicht möglich, sieht man davon ab, dass die Druckschwankungen und damit die Dehnungsamplituden verringert werden können. Diese zyklische Belastung überlagert im Bauteil eine.statische Grundeigenspannung, die als wesentliche Ursache die im Schweissnahtbereich auftretenden Eigenspannungen hat. Erfindungsgemäss wird daher angestrebt, die Schweisseigenspannungen im Werkstoff so niedrig wie möglich zu halten, indem bei artgleicher Schweissung eine Mehrlagen-Vergütungsschweissung dergestalt durchgeführt wird, dass das nach dem Schweissen entstehende Gefüge keine grossen Härteunterschiede zwischen Grundwerkstoff und Schweissnahtbereich aufweist und damit eigenspannungsarm ist.Heat exchangers, particularly hot air heaters, are exposed to cyclical loads during operation. The stresses prevailing in the building from the system on the one hand and from the processing of the material on the other hand are characterized in that the system undergoes a change in stress or strain when the pressure or pressure is released, the magnitude of the strain rate being of crucial importance for the mechanism of the corrosion process. Thus, inthe superheaters in high temperature W, the pressure bar are driven with a maximum of 4, strain rates in the order of 10- 6 to 10 -8 s. These expansion speeds are predefined by the system, a change from outside is not possible, apart from the fact that the pressure fluctuations and thus the expansion amplitudes can be reduced. This cyclical load is superimposed on a static basic stress in the component, which has the main cause of the residual stresses occurring in the weld seam area. According to the invention, therefore, the aim is to keep the welding residual stresses in the material as low as possible by performing a multi-layer hardening and tempering welding in such a way that after welding resulting structure has no major differences in hardness between the base material and the weld area and is therefore low in residual stress.

Die notwendige und sinnvolle Kombination von Belastung, Werkstoff und Elektrolyt wird erfindungsgemäss weiterhin dadurch gelöst, dass das Feuerfestmaterial der Isolierschicht so angeordnet und bemessen wird, dass die Temperaturen des Mantelbleches höchstens 60°C, bevorzugt maximal 40°C, bei beliebiger Kuppeltemperatur und beliebiger Bauform des Ofens, des Kessels oder des Hochtemperatur-Windererhitzers beträgt. Zur.Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur des Mantelbleches bei z.B. höherer Umgebungstemperatur kann eine Wasserberieselungsanlage am Wärmetauscher.vorgesehen sein. Zur Verminderung der Wärmeeinwirkung durch Sonneneinstrahlung kann das Mantelblech erfindungsgemäss mit einer reflektierenden Schicht versehen sein.The necessary and sensible combination of load, material and electrolyte is further solved according to the invention in that the refractory material of the insulating layer is arranged and dimensioned such that the temperatures of the cladding sheet are at most 60 ° C, preferably at most 40 ° C, at any dome temperature and design of the furnace, the boiler or the high temperature wind heater. To maintain the specified temperature of the jacket sheet in e.g. higher water temperature, a water sprinkler system can be provided on the heat exchanger. According to the invention, the jacket sheet can be provided with a reflective layer in order to reduce the influence of heat from solar radiation.

Weiterhin wird erfindungsgemäss vorzugsweise angestrebt, die Isolierschicht zwischen Feuerfestmaterial und Mantelblech aus feuerfesten Steinen, insbesondere solchen mit hoher Beständigkeit gegen mässig saure Nitratelektrolyte auszubilden,Furthermore, the invention preferably strives to form the insulating layer between the refractory material and the cladding sheet from refractory stones, in particular those with high resistance to moderately acidic nitrate electrolytes,

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus der Zeichnung und der zugehörigen Beschreibung entnommen werden. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

  • Fig. 1 den Aufbau einer Schweissnaht und eine Tabelle mit Schweissdaten,
  • Fig. 2 eine grafische Darstellung des Härteprofils im Schweissnahtbereich,
  • Fig. 3 eine grafische Darstellung des Spannungsverlaufes im Mantelblech bei Druckänderungen im Winderhitzer,
  • Fig. 4 : eine grafische Darstellung des Einflusses des Molybdängehaltes der Mantelbleche auf die Standzeit,
  • Fig. 5 eine grafische Darstellung des Einflusses der Temperatur des Korrosionsmediums auf die Standzeit und
  • Fig. 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemässen Winderhitzers.
Further features and advantages of the invention can be found in the drawing and the associated description. Exemplary embodiments according to the invention are shown in the drawing. Show it:
  • 1 shows the structure of a weld seam and a table with welding data,
  • 2 shows a graphical representation of the hardness profile in the area of the weld seam,
  • 3 is a graphical representation of the stress curve in the jacket sheet in the event of pressure changes in the wind heater,
  • F ig. 4 : a graphic representation of the influence of the molybdenum content of the jacket sheets on the service life,
  • Fig. 5 is a graphical representation of the influence of the temperature of the corrosion medium on the service life and
  • Fig. 6 is a schematic representation of the structure of a wind heater according to the invention.

Fig. 1 enthält Beispiele für gute und schlechte Schweissungen, die gegenüber interkristalliner Spannungsrisskorrosion zu schnellen Schäden führen können bzw. andererseits eine hohe Standzeit aufweisen. Im Falle des StE 36 mit einem Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und Schweissnaht von 120 MV trat deutlich interkristalline Spannungsrisskorrosion im Schweissnahtbereich auf.Fig. 1 contains examples of good and bad welds that can lead to rapid damage compared to intergranular stress corrosion cracking or on the other hand have a long service life. In the case of the StE 36 with a hardness difference between the base material and the weld seam of 120 MV, clearly intercrystalline stress corrosion cracking occurred in the weld seam area.

Bei geschweissten Proben aus 15Mo3 und einer Vergleichsprobe aus Stahl ASt 41 werden maximal Härteunterschiede von 50 bis 60 MV gemessen, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Es wird erfindungsgemäss angestrebt, die Schweissung so auszuführen, dass ein Härteunterschied zwischen Grundwerkstoff und Schweissnahtbereich von 50 bis 60 MV nicht überschritten wird.For welded samples made of 15Mo3 and a comparative sample made of steel ASt 41, a maximum difference in hardness of 50 to 60 MV is measured, as can be seen from FIG. 2. The aim of the invention is to carry out the welding in such a way that there is a difference in hardness between Base material and weld seam range of 50 to 60 MV is not exceeded.

Der Belastungsablauf nach Fig. 3 ist derart, dass einer statischen Eigenspannungsgrundlast, die variabel ist, eine dynamische Oberlast überlagert wird. Diese Belastung ist vom System vorgegeben und kann nicht verändert werden. Für die erfindungsgemässe Systemauswahl ist es wesentlich, dass die Dehnrate des Systems beim Umschalten von Druck auf Entlastung bzw. umgekehrt, in der Grössen- .ordnung zwischen 10-6 und 10 s liegt. Bei einem zyklischen Belastungsvorgang mit kritischen Dehngeschwindigkeiten wurde ein deutlicher Einfluss des Molybdängehaltes auf die Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrisskorrosion des Mantelbleches unter Bedingungen der dynamischen Belastung gefunden.3 is such that a static residual basic load, which is variable, is superimposed on a dynamic upper load. This load is specified by the system and cannot be changed. For the system selection according to the invention it is essential that the expansion rate of the system when switching from pressure to relief or vice versa is in the order of magnitude between 10 -6 and 10 s. During a cyclic loading process with critical expansion speeds, a significant influence of the molybdenum content on the sensitivity to intergranular stress corrosion cracking of the jacket sheet was found under conditions of dynamic loading.

Den günstigen Einfluss von Molybdän auf die Standzeit der erfindungsgemässen Stähle bei konstanten Dehnraten von 3,3·10-7 s-1 für die Stähle H II, X67, 15Mo3 und 16Mo5 lässt Fig. 4 erkennen. Dabei wird die erfindungsgemässe Erhöhung der Standzeit mit steigendem Molybdängehalt deutlich sichtbar.The favorable impact of molybdenum on the service life of the inventive steels at constant strain rate of 3.3 x 10-7 s-1 for steel H II, X67, and 15Mo3 16Mo5 leaves 4 recognize.. The increase in service life according to the invention is clearly visible with increasing molybdenum content.

Die Entstehung stabiler passiver Schichten bei Stählen steht in enger Beziehung zu der Stahlzusammensetzung, insbesondere dem Gehalt an Molybdän. Aus diesem Grund ist Molybdän der wesentliche Bestandteil des erfindungsgemässen Stahlbleches. Im Gegensatz zu dem Stahlblech nach der DE-OS 29 07 152, bei dem Chrom als wesentlicher Bestandteil angesehen wird, muss unter den vorgegebenen Bedingungen des Verfahrens durch dynamische und niederfrequente Belastung und konstante Dehngeschwindigkeit festgestellt werden, dass die Anwesenheit von Chrom negative Folgen für die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Spannungsrisskorrosion hat. Derartige Stahlbleche weisen in Schweissnahtbereichen eine Chromverarmung auf, die durch Zusatz von Kohlenstoff und Stickstoff abbindenden Elementen, wie Niob, verhindert werden kann. Diese Massnahme der Chromabbindung und damit der Vermeidung einer Chromverarmung entfällt bei rein molybdärhaltigen Stählen.The formation of stable passive layers in steels is closely related to the steel composition, in particular the molybdenum content. For this reason, molybdenum is the essential component of the steel sheet according to the invention. In contrast to the steel sheet according to DE-OS 29 07 152, in which chromium is regarded as an essential component, the process must be carried out under dynamic conditions under the specified conditions and low frequency stress and constant strain rate, it is found that the presence of chromium has negative consequences for the susceptibility to intergranular stress corrosion cracking. Such steel sheets have a chromium depletion in the weld seam areas, which can be prevented by adding carbon and nitrogen-setting elements, such as niobium. This measure of chromium setting and thus avoiding chromium depletion does not apply to steels containing purely molybdenum.

.Der Einfluss der Temperatur wird aus Fig. 5 deutlich. Hier zeigt sich, dass bei Absenkung der Mantelblechtemperaturen auf Werte unter ca. 60°C bei ebenfalls dynamischer Beanspruchung Standzeiten erreicht werden, wie sie in neutralem Medium mit Glyzerin ebenfalls auftreten. Es liegt also in diesem Fall ein fast rein mechanisches Verhalten vor.The influence of temperature is clear from Fig. 5. Here it can be seen that when the jacket sheet temperatures are reduced to values below approx. 60 ° C with a dynamic load, service lives are also achieved, as they also occur in a neutral medium with glycerine. In this case, the behavior is almost purely mechanical.

In Fig. 6 ist der schematische Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Winderhitzers gezeigt. Hierin bedeuten 1 den Stahlmantel, 2 die innenliegende Isolierschicht und 3 die feuerfeste Auskleidung (Innenseite).6 shows the schematic structure of an embodiment of a wind heater according to the invention. Herein 1 means the steel jacket, 2 the inside insulation layer and 3 the fire-proof lining (inside).

Claims (16)

1. Wärmetauscher, insbesondere Winderhitzer für Hochöfen mit feuerfester Auskleidung, Isolierschicht und Stahlmantel, dadurch gekennzeichnet , dass die Isolierschicht so ausgelegt ist, dass unter den Bedingungen des Betriebes des Wärmetauschers eine Stahlmanteltemperatur von 20 bis 60°C einstellbar ist, und dass der Stahlmantel aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt im Bereich von 0,01 bis 2 Gew.% gebildet ist.1. Heat exchanger, in particular hot water heater for blast furnaces with a refractory lining, insulating layer and steel jacket, characterized in that the insulating layer is designed in such a way that a steel jacket temperature of 20 to 60 ° C can be set under the conditions of operation of the heat exchanger, and that the steel jacket is made of Chromium-free structural steel with a molybdenum content in the range of 0.01 to 2% by weight is formed. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der chromfreie Baustahl unter schwingender, niederfrequenter Wechselbelastung eine hohe Beständigkeit gegenüber interkristalliner Nitrat-Spannungsrisskorrosion aufweist.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the chromium-free structural steel has a high resistance to intergranular nitrate stress corrosion cracking under vibrating, low-frequency alternating stress. 3. Wärmetauscher nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht so ausgelegt ist, dass eine Manteltemperatur im Bereich von 30 bis 50°C einstellbar ist.3. Heat exchanger according to claims 1 or 2, characterized in that the insulating layer is designed so that a jacket temperature in the range of 30 to 50 ° C is adjustable. 4. Wärmetauscher nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der chromfreie Baustahl keinen Anteil an Vanadin aufweist.4. Heat exchanger according to claims 1 to 3, characterized in that the chromium-free structural steel has no proportion of vanadium. 5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Mantelblech aus Stahl mit 0,005 bis 0,2 % Kohlenstoff, 0,1 bis 1,5 % Silizium, 0,1 bis 2,0 % Mangan, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, 0,1 bis 2,0 % Molybdän und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen besteht.5. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the steel jacket with 0.005 to 0.2% carbon, 0.1 to 1.5% silicon, 0.1 to 2.0% manganese, at most 0.025% phosphorus, at most 0.025% sulfur, 0.1 to 2.0% Molybdenum and the balance iron and inevitable impurities. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Mantelblech aus Stahl mit 0,005 bis 0,1 % Kohlenstoff, Spuren Silizium, höchstens 0,4 % Mangan, höchstens 0,025 % Phosphor, höchstens 0,025 % Schwefel, 0,01 bis 0,15 % Molybdän, höchstens 0,007 % Stickstoff, höchstens 0,2 % Titan und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen besteht.6. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the steel jacket with 0.005 to 0.1% carbon, traces of silicon, at most 0.4% manganese, at most 0.025% phosphorus, at most 0.025% sulfur, 0.01 to 0, 15% molybdenum, a maximum of 0.007% nitrogen, a maximum of 0.2% titanium and the balance iron and inevitable impurities. 7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelblech bei artgleicher Schweissung im Schweissnahtbereich ohne spannungsfreies Glühen nach dem Schweissen bearbeitet ist.7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the jacket sheet is machined with the same type of welding in the weld area without stress-free annealing after welding. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Isolierschicht aus feuerfesten Steinen gebildet ist.8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that the insulating layer is formed from refractory stones. 9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus feuerfesten Steinen mit hoher Beständigkeit gegen mässig saure Nitrat- bzw. Nitritelektrolyte gebildet ist.9. Heat exchanger according to one of claims 1 to 8, characterized in that the insulating layer is formed from refractory stones with high resistance to moderately acidic nitrate or nitrite electrolytes. 10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass das feuerfeste Material der Isolierschicht so angeordnet und bemessen ist, dass die Temperaturen des Mantelbleches höchstens 40°C betragen.10. Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterized in that the refractory material of the insulating layer is arranged and it is dimensioned that the temperatures of the jacket sheet are at most 40 ° C. 11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur des Mantelbleches eine Wasserberieselungsanlage am Wärmetauscher vorgesehen ist.11. Heat exchanger according to one of claims 1 to 10, characterized in that a water sprinkler system is provided on the heat exchanger to maintain the predetermined temperature of the jacket plate. 12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass zur Verminderung von Sonneneinstrahlung das Mantelblech mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.12. Heat exchanger according to one of claims 1 to 11, characterized in that the jacket plate is provided with a reflective layer to reduce solar radiation. 13. Verfahren zur Temperaturregulierung von Gas und Wind für den Hochofen, dadurch gekennzeichnet , dass man das Gas bzw. den Wind in an sich bekannter Weise durch einen Winderhitzer führt, der eine feuerfeste Auskleidung, eine zwischenliegende Isolierschicht und ein Mantelblech aus chromfreiem Baustahl mit einem Molybdängehalt von 0,01 bis 2 Gew,% aufweist, wobei die Dimensionierung der Isolierschicht und die Bedingungen des Durchflusses des gasförmigen Mediums so aufeinander abgestimmt sind, dass die Temperatur des Mantelbleches unter 60°C liegt.13. A method for regulating the temperature of gas and wind for the blast furnace, characterized in that the gas or the wind is passed in a manner known per se through a wind heater which has a refractory lining, an intermediate insulating layer and a jacket sheet made of chromium-free structural steel with a Molybdenum content of 0.01 to 2 wt.%, The dimensions of the insulating layer and the conditions of the flow of the gaseous medium are coordinated so that the temperature of the jacket is below 60 ° C. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die Temperatur des Mantelbleches unter 40°C gehalten wird.14. The method according to claim 13, characterized in that the temperature of the jacket sheet is kept below 40 ° C. 15. Verfahren nach Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , dass die Temperatur des Mantelbleches durch eine zugeschaltete Wasserberieselung im gewünschten Bereich zusätzlich gesteuert wird.15. The method according to claims 13 or 14, characterized in that the temperature of the jacket sheet is additionally controlled in the desired range by a water sprinkler connected. 16. Anwendung der Verfahren der Ansprüche 13 bis 15 auf Winderhitzer mit aussen- oder innenliegendem Brennschacht bzw. Gitterschacht und nachgeschaltete Sammelleitungen.16. Application of the methods of claims 13 to 15 to hot air heaters with an external or internal combustion shaft or lattice shaft and downstream manifolds.
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