EP0144578B1 - Plattenkühler für metallurgische Öfen, insbesondere Hochöfen - Google Patents
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- C21B7/10—Cooling; Devices therefor
Definitions
- the invention relates to a plate cooler made of cast material with cast-in cooling tubes for the water cooling of metallurgical furnaces, in particular cooking furnaces.
- Known plate coolers or “stave coolers” consist of a cast iron body in which steel pipes are arranged, through which a coolant, that is to say in most cases water or a water vapor / water mixture, flows.
- the cross section of the cooling tubes is circular.
- the cast body of the plate cooler frequently has cutouts on the side facing the furnace interior for the introduction of refractory material.
- the known plate coolers have been further developed over the past 15 years in order to improve their operational safety and thermal resilience. To increase the thermal resilience, followed the path of increasing the diameter of the cooling pipes in order to increase the ratio of the cooling surface to the heating surface.
- the outer surface of the cooling tubes in the straight part inside the plate cooler was designated as the cooling surface, and the front of the plate cooler facing the inside of the furnace was designated as the heating surface.
- DE-A-2 942121 describes a furnace system for melting ore concentrate in which individual cooling elements through which the cooling medium flows are releasably attached to the thermally stressed side of the support structure of the furnace walls, in particular partition walls.
- these partitions should have high strength, be easy to install and be able to compensate for thermal stresses.
- Some coolant channels each consist of a flat-rolled copper tube that is cast into the copper cooling elements.
- EP-A-0 012 132 describes metallic cooling elements for industrial furnaces which have a lining made of refractory material which appears on the surface. They are made entirely of copper, consist of a flattened body with at least one water circulation line with an approximately rectangular cross section and a large number of horizontal ribs for reinforcing the body. On its hot side, the element has four compartments delimited by ribs and side walls, which are filled with refractory material.
- the description states, among other things, that the lamella cooling in the water circulation chamber allows sufficient effective heat dissipation with low cooling water flow rates, whereby the speed of the water at all points of the circuit always remains sufficiently high due to the circular shape.
- the object of the invention was to find a way, as with unchanged cooling surface, i.e. unchanged surface of the cooling tube whose cross section can be reduced.
- cooling tubes at the inlet and outlet have a circular cross-section and in the straight part inside the cooler an elongated round cross-section, the axial ratio b: a for the elongated round cross-section between 1: 1.2 to 1 : 15 is.
- the pressure loss increase is insignificant in the case of a non-circular cross section of the cooling tubes.
- the water throughput is reduced by 35%.
- cooling pipes Since it is sufficient if the cooling pipes only have an elongated round, elliptical or elliptical-like cross section in their straight part inside the cooler, while cooling pipe inlet and outlet have a circular cross section, the production of Welded connections to the outside piping made easier.
- the cooling tubes 2, which are cast into the plate cooler body 1 have a circular cross section. At the inlet and outlet of the cooling tubes 2 in the plate cooler body 1, these are surrounded by protective tubes 3, which are also cast in.
- the hot side of the plate cooler facing the metallurgical furnace is designated by 4. 1 documents the state of the art.
- Fig. 2 shows in the straight part of the plate cooler body 1 cooling tubes 2 with an elliptical cross section.
- the left half of FIG. 2 shows the transition of the cooling tubes from the circular to the elliptical cross section within the plate cooler body.
- cooling tubes 2 with an elongated round cross section. 4, the cooling tubes 2 are pivoted at an angle of approximately 45 ° in their distance from the hot side 4 of the plate cooler. This arrangement improves the temperature and voltage conditions in the plate cooler.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Plattenkühler aus Gussmaterial mit eingegossenen Kühlrohren für die Wasserkühlung von metallurgischen Öfen, insbesondere Kochöfen.
- Bekannte Plattenkühler bzw. «stave cooler» bestehen aus einem Gusseisenkörper, in welchem Stahlrohre angeordnet sind, durch die ein Kühlmittel, das heisst in den meisten Fällen Wasser oder ein Wasserdampf-Wasser-Gemisch fliesst. Der Querschnitt der Kühlrohre ist kreisförmig. Der Gusskörper des Plattenkühlers weist häufig an der dem Ofeninneren zugewandten Seite Aussparungen zur Einbringung feuerfesten Materials auf.
- Die bekannten Plattenkühler sind im Laufe der letzten 15 Jahre weiter entwickelt worden, um ihre Betriebssicherheit und thermische Belastbarkeit zu verbessern. Zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit hat man u.a. den Weg beschritten, den Durchmesser der Kühlrohre zu vergrössern, um dadurch das Verhältnis Kühlfläche zur Heizfläche zu erhöhen. Als Kühlfläche wurde die Mantelfläche der Kühlrohre im geraden Teil innerhalb des Plattenkühlers bezeichnet, als Heizfläche die zum Ofeninneren zeigende Vorderseite des Plattenkühlers.
- Kühlrohre in Plattenform mit vergrössertem Durchmesser bewirken eine Absenkung der Plattenkühlertemperaturen bei gleichbleibender Wärmebelastung, oder sie haben eine Erhöhung der übertragbaren Wärmeströme bei gleichbleibenden Maximaltemperaturen zur Folge. Dies geschieht aus folgendem Grunde:
- 1. Der grössere Kühlrohrdurchmesser beschneidet das logarithmische Temperaturprofil in der Rohrumgebung, und zwar im steilsten Teil.
- 2. Es wird die mit einem relativ hohen spezifischen Wärmedurchgangswiderstand behaftete Übergangszone Kühlrohr/Gusskörper vergrössert, so dass sich der integrale Wärmedurchgangswiderstand entsprechend verringert.
- Die zuvor geschilderten Weiterentwicklungsmassnahmen brachten zwar den erstrebten Erfolg, indem sich mit der Vergrösserung des Durchmessers der Kühlrohre die Kühlfläche proportional erhöhte, doch gleichzeitig wurde mit steigenden Kühlrohrdurchmesser der Querschnitt der Kühlrohre quadratisch erhöht. Da nun bei der Wasserkühlung die Einhaltung einer bestimmten Wassergeschwindigkeit erforderlich ist, um ein Eintreten von Filmsieden bei starker Belastung zu vermeiden, musste die Wassergeschwindigkeit in den Kühlrohren mindestens 1,2 bis 1,5 m/sec. betragen und daher entsprechend dem vergrösserten Kühlrohrdurchmesser eine überproportional anwachsende Kühlwassermenge in Kauf genommen werden.
- Aufgrund derart hoher Kühlwassermengen mussten die Zu- und Ablaufleitungsquerschnitte, die Rückkühlerabmessungen, die Pumpenabmessungen und Antriebsleistungen der Pumpen entsprechend vergrössert werden. Dies musste geschehen, obgleich andererseits derart hohe Kühlwassermengen von Wärmeangebot her gar nicht erforderlich sind, das heisst die Aufheizspanne des Kühlwassers ist bei weitem geringer als dies von der Wasserqualität her zulässig wäre.
- In der DE-A-2 942121 wird eine Ofenanlage zum Schmelzen von Erzkonzentrat beschrieben, bei der an der thermisch beanspruchten Seite der Tragkonstruktion der Ofenwände, insbesondere Trennwände, einzelne vom Kühlmedium durchströmte Kühlelemente lösbar befestigt sind. Diese Trennwände sollen trotz vorhandener Kühlkanäle eine hohe Festigkeit aufweisen, einfach montierbar sein und Wärmespannungen ausgleichen können. Einige Kühlmittelkanäle bestehen jeweils aus einem flach gewalzten Kupferrohr, das in die kupfernen Kühlelemente eingegossen ist.
- In der EP-A-0 012 132 werden metallische Kühlelemente für Industrieöfen beschrieben, die eine an der Oberfläche erscheinende Auskleidung aus feuerfestem Material tragen. Sie sind ganz aus Kupfer, bestehen aus einem abgeflachten Körper mit mindestens einer Wasserumlaufleitung ungefähr rechtwinkligen Querschnitts sowie aus einer Vielzahl von horizontalen Rippen zur Verstärkung des Körpers. Das Element besitzt an seiner Heissseite vier durch Rippen und Seitenwände abgegrenzte Fächer, die mit feuerfestem Material gefüllt sind. In der Beschreibung heisst es u.a., dass die Lamellenkühlung in der Wasserumlaufkammer eine ausreichende wirksame Wärmeabführung mit geringen Kühlwasser-Durchsatzmengen gestattet, wobei die Geschwindigkeit des Wassers an jeder Stelle des Kreislaufs aufgrund der Kreislaufform immer genügend hoch bleibt.
- Aufgabe der Erfindung war es, einen Weg zu suchen, wie bei unveränderter Kühlfläche, d.h. unveränderter Oberfläche des Kühlrohres dessen Querschnitt verringert werden kann.
- Diese Aufgabe wird nach der Erfindung in der Weise gelöst, dass die Kühlrohre am Einlauf und Auslauf einen kreisförmigen Querschnitt und im geraden Teil innerhalb des Kühlers einen länglichrunden Querschnitt aufweisen, wobei das Achsenverhältnis b:a beim länglichrunden Querschnitt zwischen 1:1,2 bis 1:15 beträgt.
- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Die Druckverlusterhöhung ist bei einem nicht kreisförmigen Querschnitt der Kühlrohre unbedeutend. So erhöht sich z.B. bei einer Wassergeschwindigkeit von 1,5 m/sec. und einem Übergang vom runden Rohr mit 76,1 mm Aussendurchmesser und 6,3 mm Wandstärke zu einem elliptischen Rohr mit einem Achsenverhältnis (innen) 1:3 von 48 mm WS auf 66 mm WS je lfdm., d.h. um ca. 40%. Bei einem 15 m langen Rohrstrang ergibt dieses einen zusätzlichen Druckverlust von nur etwa 270 mm WS. Dieser Mehrbetrag ist in der Praxis vernachlässigbar. Der Durchsatz an Wasser vermindert sich um 35%.
- Da es ausreicht, wenn die Kühlrohre nur in ihrem geraden Teil innerhalb des Kühlers einen länglichrunden, elliptischen oder ellipsenähnlichen Querschnitt besitzen, während Kühlrohreinlauf und -auslauf einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wird die Herstellung der Schweissverbindungen zur Aussenverrohrung erleichtert.
- In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
- Es zeigen:
- Fig. 1 einen Schnitt eines konventionellen Plattenkühlers mit kreisrunden Kühlrohren,
- Fig. 2 einen Schnitt eines erfindungsgemässen Plattenkühlers mit Kühlrohren elliptischen Querschnitts,
- Fig. 3 einen Schnitt eines Plattenkühlers mit Kühlrohren länglichrunden Querschnitts,
- Fig. 4 einen Schnitt eines Plattenkühlers mit Kühlrohren länglichrunden Querschnitts, die winklig zur Heissseite geneigt sind und
- Fig. 5 in einem Schaubild die Änderung der Querschnittsflächen in Abhängigkeit vom Achsenverhältnis für abgeplattete Querschnitte.
- Nach Fig. 1 weisen die Kühlrohre 2, die in den Plattenkühlerkörper 1 eingegossen sind, einen kreisförmigen Querschnitt auf. Am Einlauf und Auslauf der Kühlrohre 2 in den Plattenkühlerkörper 1 sind diese von Schutzrohren 3, die ebenfalls eingegossen sind, umgeben. Mit 4 ist die dem metallurgischen Ofen zugewandte Heissseite des Plattenkühlers bezeichnet. Fig. 1 dokumentiert den Stand der Technik.
- Fig. 2 zeigt im geraden Teil des Plattenkühlerkörpers 1 Kühlrohre 2 mit elliptischem Querschnitt. Auf der linken Hälfte von Fig. 2 ist der Übergang der Kühlrohre vom kreisförmigen auf den elliptischen Querschnitt innerhalb des Plattenkühlerkörpers gezeigt.
- Fig. 3 und 4 zeigen Anordnungen von Kühlrohren 2 mit länglichrundem Querschnitt. Gemäss Fig. 4 sind die Kühlrohre 2 in ihrem Abstand zur Heissseite 4 des Plattenkühlers in einem Winkel von ca. 45° geschwenkt angeordnet. Diese Anordnung verbessert die Temperatur- und Spannungsverhältnisse im Plattenkühler.
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