EP0300064B1 - Hochofengestell - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft das Gestell eines Hochofens zur Erzeugung von Roheisen mit einer Auskleidung aus feuerfesten Steinen, in der Auskleidung angeordneten schichtförmige, die thermische Dehnung der Auskleidung begrenzende Einlagen, in Durchbrechungen der Auskleidung eingelassene Windformen und einem die Auskleidung umschließenden Panzer.
• An die zur Auskleidung von Hochöfen zur Erzeugung von Roheisen verwendeten feuerfesten Steine werden wegen der hohen Arbeitstemperaturen, die im Gestell etwa 1300 bis 1400 °C beträgt, und der korrosiven und erosiven Wirkung von Roheisen und Schlacke und von flüchtigen Begleitstoffen besonders große Anforderungen gestellt. Es ist bekannt, die Lebensdauer der Auskleidung durch Verwendung besonders widerstandsfähiger Feuerfestmaterialien, wie Kohlenstoff- und Graphitsteine, durch Kühlung der Auskleidung und auch durch konstruktive, die mechanische Belastung begrenzende Maßnahmen zu erhöhen. Das gilt besonders für däs stark belastete Gestell, das zudem mit mehreren Durchbrechungen versehen ist, die größeren Temperatur- und Massefluktuationen ausgesetzt sind. Im unteren Bereich des Gestells sind Abstichöffnungen, durch die Roheisen und Schlacke periodisch aus dem Ofen entfernt werden, und im oberen Teil Windformen eingelassen.
• Beim Anblasen eines neu ausgekleideten Hochofens dehnen sich die Auskleidungsmaterialien, wobei der Betrag von der Maximaltemperatur und der Art des Feuerfestmaterials abhängt. Die radiale Dehnung der Auskleidung wird in der Regel durch nachgiebige Stampf- oder Füllmassen aufgefangen, die den Spalt zwischen Auskleidung und Ofenpanzer füllen. Eine freie Ausdehnung in vertikaler Richtung ist dagegen nicht oder nur sehr begrenzt möglich, da die Auskleidung mit zahlreichen Einbauten, wie die Windformen durchsetzt ist, die kraftschlüssig mit dem Panzer verbunden sind. Als Folgen der Dehnung entstehen erhebliche Druck- und Scherspannungen in der Auskleidung, bei lokalen Temperaturfluktuationen auch Zugspannungen, die zur Zerstörung und Zerrüttung der feuerfesten Auskleidung führen können. Derartige Defekte bedingen einen hohen Aufwand für Reparaturen und gegebenenfalls auch eine vorzeitige Außerbetriebnahme der Hochöfen. Verwendet man zur Auskleidung des Gestells den thermischen Spannungen widerstehende Feuerfeststeine, die bei der Betriebstemperatur eine große Festigkeit haben, kommt es zwangsläufig zur Verschiebung oder Verwerfung der am Panzer befestigten Windformen. Durch kleinere Verschiebungen der Windformen wird die Funktionsfähgikeit der feuerfesten Auskleidung kaum beeinträchtigt, wohl aber die Ofenführung, die auf eine bestimmte Neigung der Winddüsen eingestellt ist. Der Neigungswinkel beträgt, bezogen auf die Horizontale, im allgemeinen etwa 3 bis 6°. Die Neigung der Winddüsen kann sich durch eine, durch Dehnung der Gestellauskleidung ausgelöste Drehung der Windformen um die Fixpunkte am Panzer wesentlich ändern. Die Winddüsen sind dann nach oben gerichtet, wodurch Eindringtiefe des Heißwindes in den Möller, die Vergasung des Kokses und die Reduktion des Eisenerzes beeinträchtigt werden.
• Die Folgen sind instabile Betriebszustände und ein Anstieg des Brennstoffbedarfs.
• Durch Verschiebungen und Verwerfungen der Windformen können schließlich auch die Kühleinrichtungen der Formen beschädigt werden. Austretender Wasserdampf zerstört schnell die feuerfeste Auskleidung rund um die Formen und alle Reparaturbemühungen sind in der Regel vergeblich, solange das Leck in der Kühleinrichtung besteht. Bei großem Kühlmittelverlust wird die Windform selbst unmittelbar zerstört.
• Die vertikale Dehnung der Auskleidung könnte prinzipiell durch nachgiebige Mörtelschichten verhindert oder wenigstens begrenzt werden, die in die horizontalen Fugen zwischen den feuerfesten Steinen eingebracht sind. Mörtelschichten dieser Art sind aber nicht ausreichend korrosionsbeständig. Sie werden bevorzugt durch schmelzflüssiges Eisen, Schlacke und andere fluide Stoffe, wie z.B. Alkalien angegriffen und sind oft Ursache für eine ungenügende Lebensdauer der Hochofenauskleidung. Man versucht deshalb, die Fugen möglichst dünn zu machen. Nach der DE-OS 22 21 639 ist es schließlich bekannt, zwischen wenigstens einen Teil der die Auskleidung bildenden feuerfesten Steine Füll- oder Zwischenplatten einzulegen, die beim Erhitzen der Zustellung erweichen und sich plastisch verformen. Die damit verbundene Dickenabnahme ist derart bemessen, daß die thermische Dehnung der feuerfesten Auskleidung im wesentlichen aufgefangen wird. Da ein Spannungsaufbau in der Auskleidung nur verhindert werden kann, wenn über den gesamten Temperaturbereich bis zur Betriebstemperatur die Dehnung der Feuerfeststeine der Schrumpfung der Einlage dem Betrag nach gleich ist, müssen als Einlage Stoffe verwendet werden, die einen möglichst breiten Erweichungsbereich haben. Die Bedingung ist auch bei Verwendung von Einlagen aus zwei und mehr Stoffen, z.B. Glasfasermatten und Asbestfasern nur näherungsweise zu erfüllen, so daß ein schädlicher Spannungsaufbau nicht ausgeschlossen werden kann. Günstiger verhalten sich plattenförmige Einlagen aus nichtschmelzenden kompressiblen Stoffen. Geeignet sind nach DE-OS 22 40 886 Platten aus Graphitlaminat, die praktisch eine lineare Kompressibilität haben. Die Kompression ist zudem zum großen Teil reversibel, so daß beim Abkühlen der Auskleidung keine Risse entstehen. Ein anderer Vorteil von Graphitlaminat ist die verglichen mit Glas sehr hohe Korrosionsbeständigkeit im Kontakt mit schmelzflüssiger Schlacke.
• Beiden Lösungen gemeinsam ist die Unterteilung der Gestellauskleidung in mehrere Abschnitte, die mindestens einen feuerfesten Stein und eine komprimierbare oder beim Erhitzen sich plastisch verformende Platte oder Einlage enthalten. Da alle Einlagen gleich welcher Art weniger beständig sind als die anliegenden Feuerfeststeine, geht von ihnen häufig die Zerstörung der gesamten Auskleidung aus, besonders in der Nähe der Windformen, aus deren defekten Kühlmänteln häufig Wasserdampf in die Auskleidung eintritt. Es ist auch bekannt, in die Auskleidung Sperrbleche einzulegen, die das Mauerwerk und den mit einer nachgiebigen Masse gefüllten Spalt zwischen Mauerwerk und Ofenpanzer durchsetzen und am Ofenpanzer befestigt sind (DE-B 12 40 101). Die Sperre soll im wesentlichen Gasströmungen im Mauerwerk und der Hinterfüllmasse verhindern. Unterhalb von wassergekühlten Elementen in der Auskleidung angeordnete Bleche, z.B. Kupferbleche sollen das Mauerwerk gegen aus Leckagen austretendes Wasser abschirmen (DE-B 26 41 757).
• Die dünnen Bleche sind aber nicht geeignet, Längenänderungen der Auskleidung aufzunehmen und thermisch bedingte Spannungen abzubauen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vertikale Dehnung der Gestellzustellung mit Mitteln aufzufangen, die die Beständigkeit der Auskleidung im Kontakt mit korrosiven Stoffen nicht beeinträchtigen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Auskleidung der eingangs genannten Art gelöst, die aus alternierenden Lagen Graphitfolie und Metallblechen gebildeten und mit Kupferfolien umhüllten, am Ofenpanzer befestigte Einlagen besteht, die an den Windformen anliegen.
• Die kompressiblen, in die feuerfeste Auskleidung des Gestells eingebrachten Einlagen bestehen erfindungsgemäß aus Graphitfolien, die zweckmäßig zu einem Laminat größerer Dicke zusammengefaßt sind, in Wechsellagerung mit Metallblechen. Graphitfolien erhält man aus Graphiteinlagerungsverbindungen, z.B. Graphithydrogensulfat; die durch Erhitzen zersetzt werden. Die dabei erhaltenen harmonikaförmig expandierten Graphitpartikel werden auf Walzenstühlen oder Gesenkpressen zu Folien und Schichtkörpern verarbeitet, die weitgehend flexibel sind und sich wie Bleche verformen lassen. Die Rohdichte der Folien und der aus mehreren Folien gebildeten Laminate kann in weiten Grenzen dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt werden. Besonders günstig sind Verformbarkeit und Kompressibilität im Dichtebereich 0,5 bis 1,5 g/cm³. Die maximale Kompression beträgt etwa 50 %, bei Folien und Laminaten mit kleinerer Rohdichte etwas mehr, mit größerer Rohdichte etwas weniger. Für die Dicke der Graphitfolienschichten in den Einlagen gilt dann, wenn beim Anblasen des Hochofens durch Dehnung der feuerfesten Steine bedingte Druckspannungen in der Gestellauskleidung vollständig vermieden werden sollen:
• D = α T × 2 H

(D =

Gesamtdicke der Graphitfolien,

α =

thermischer Ausdehnungskoeffizient der Feuerfeststeine,

H =

Höhe der Gestellauskleidung,

T =

Betriebstemperatur)


Beispiel -α = 4 · 10⁻⁶/K, T = 10³ °C, H = 10⁴ mm,

• D = 80 mm
• Da kleinere Druckspannungen die Beständigkeit der Feuerfeststeine nicht beeinträchtigen, sondern eher die Abdichtung der horizontalen Fugen zwischen den Feuerfeststeinen verbessern, ist ein vollständiger Abbau der thermisch bedingten Druckspannungen nicht nötig. Deshalb ist eine etwas kleinere Gesamtdicke der Graphitfolien zweckmäßig, entsprechend etwa einem Faktor 1,5 statt 2 in obengenannter Gleichung oder 60 mm im Beispiel. Eine möglichst kleine Gesamtdicke ist auch dann geboten, wenn mit größeren Temperaturschwankungen gerechnet werden muß, da die Folien bei Spannungsentlastung nicht vollständig auf die ursprüngliche Dicke zurückfedern.
• Erfindungsgemäß enthalten die Einlagen außer Graphitfolien Metallbleche, besonders Bleche aus Kupfer oder Kupferlegierungen, die eine doppelte Aufgabe erfüllen. Sie unterteilen einmal die Graphitfolien in mehrere Lagen kleinerer Dicke, die sich weniger leicht durch Scherfließen verformen als dickere Schichten. Die Einlagen bestehen entsprechend aus Wechselfolgen von Graphitfolien und Graphitplatten. Zur Verringerung des Scherfließens sind die Metallbleche in einer bevorzugten Ausführung mit Durchbrechungen, z.B. Bohrungen oder unregelmäßig geformte Öffnungen, versehen, in die sich die Graphitfolien verankern. Die Dicke der Graphitfolien sollte dabei stets größer sein als die Dicke der anliegenden Bleche, damit auch bei großen Verformungen und Fließverlusten eine Graphitschicht zwischen je zwei Blechen erhalten bleibt. Die Metallbleche in den Einlagen bewirken aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit auch eine Absenkung der Temperatur. Die Einlagen sind in der Gestellauskleidung wärmesenkend und die Wirkung korrosiver Stoffe ist erheblich kleiner als auf benachbarten Zonen höherer Temperatur. Der Senkung des korrosiven Angriffs dient auch eine Kupferfolie, die die Einlage umhüllt und insbesondere gegen Wasserdampf abdichtet, der aus Lecks der Kühleinrichtungen der Windformen austreten kann. Geschützt werden auch die feuerfesten Steine unterhalb der Einlagen. Auch für die Beständigkeit und Funktionsfähigkeit der Kupferfolie ist die Senkung der Temperatur nötig, die wie oben ausgeführt durch die Wechsellagerung von Graphitfolien und Metallblechen erreicht wird. Die Kupferfolie erstreckt sich über den Spalt zwischen Auskleidung ünd Ofenpanzer und ist am Panzer befestigt, so daß fluide Stoffe nicht in den Raum zwischen Auskleidung und Panzer eindringen und die Auskleidung gegebenenfalls zerstören können.
• Die kompressiblen Einlagen liegen erfindungsgemäß an den Windformen an und umschließen diese wenigstens zu einem Teil. Bei dieser Anordnung nehmen die Einlagen die Dehnung der Gestellauskleidung auf und dichten zugleich die Auskleidung gegen die Windformen ab. Aus Leckagen ausströmender Wasserdampf kann nicht in die Auskleidung eindringen und die Feuerfeststeine zerstören. Wegen der guten Verformbarkeit der Einlagen sind schließlich auch Relativbewegungen zwischen Auskleidung und Windformen möglich, ohne daß die Formen dabei beschädigt werden. In einer anderen Ausführungsform sind die Einlagen in Form eines geschlossenen Rings im Formenbett in Kontakt mit den Windformen angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Auskleidung des Gestells gegen die Windform abgeschirmt. Die Auskleidung des Gestells besteht vorzugsweise aus Kohlenstoffsteinen, Semigraphitsteinen oder Graphitsteinen, die hier kurz als Kohlenstoffsteine bezeichnet werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

- die Gestellauskleidung im Schnitt,

Fig. 2

- einen vergrößerten Ausschnitt der Auskleidung,

Fig. 3

- einen Aufriß der Windformebene,

Fig. 4

- einen Aufriß der Windformebene mit einer anderen Anordnung der Einlagen.

• Der in Fig. 1 dargestellte Hochofen enthält das Fundament 1, auf dem mehrere den Ofenboden bildende Schichten 2 aus feuerfesten Steinen, z.B. Graphitsteinen und Kohlenstoffsteinen aufgemauert sind. Auf den Schichten 2 ist die Wandauskleidung 3 des Gestells aufgebaut, die vorzugsweise ebenfalls aus Kohlenstoffsteinen besteht. Auf der Auskleidung liegen Windformen 4 auf, die einen geschlossenen Kreisring bilden und an dem die Auskleidung umschließenden Ofenpanzer 5 befestigt sind. Der Spalt zwischen Panzer 5 und Gestellauskleidung 3 ist mit einer nachgiebigen Stampfmasse 6 ausgefüllt. In der Auskleidung sind im Kontakt mit den Windformen 4 die kompressiblen Einlagen 7 angeordnet, die die thermische Dehnung der Gestellauskleidung aufnehmen, so daß beim Betrieb des Ofens Relativbewegungen zwischen Windformen und Panzer nicht auftreten.
• Der Aufbau der Einlage ist in Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus einem Stapel Graphitfolie, die zu einem plattenförmigen Laminat 8 zusammengefaßt sind in Wechsellagerung mit Kupferblechen 9. Die Kompression der Graphitfolie ist im wesentlichen proportional der anliegenden Druckspannung und beträgt maximal etwa 50 % der Ausgangsdicke. Die Kupferbleche 9 sind mit Durchbrechungen 10 versehen, in die bei hohen Drücken die Folien fließen und festgehalten werden. Der Stapel ist von der Kupferfolie 11 umschlossen, die sich durch die Stampfmasse 6 zum Ofenpanzer 5 erstreckt und mit dem Panzer, beispielsweise durch Schweißen verbunden ist. Die Kupferfolie 11 dient im wesentlichen als Dichtung, die die Einlage 7, die Gestellauskleidung 3 und die Stampfmasse 6 gegen Wasserdampf schützt, der aus dem Kühlsystem der Windform 4 austreten kann. Beim Betrieb des Hochofens bildet sich an der Stirnfläche der Einlage 7 eine nicht dargestellte Kruste aus erstarrter Schmelze, welche die Einlage vor Infiltration und Korrosion schützt.
• In den Fig. 3 und 4 sind zwei verschiedene Anordnungen der Einlagen dargestellt. In der Ausführung nach Fig. 3 umschließen gekrümmte Einlagen 7ʹ etwa den halben Umfang der Windformen 4. Der Raum zwischen den Windformen ist mit feuerfestem Mauerwerk 12 und Gießmasse 13 ausgefüllt. In der Ausführung nach Fig. 4 bilden Einlagen 7ʺ einen geschlossenen Kreisring im Kontakt mit den Windformen 4.

Claims (7)

1. Gestell eines Hochofens zur Erzeugung von Roheisen mit einer Auskleidung aus feuerfesten Steinen, in der Auskleidung angeordneten schichtförmige, die thermische Dehnung der Auskleidung begrenzende Einlagen, in Durchbrechungen der Auskleidung eingelassene Windformen und einem die Auskleidung umschließenden Panzer,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die aus mehreren alternierenden Lagen Graphitfolie und Metallblechen bestehenden, mit Kupferfolien umhüllten und am Panzer befestigten plattenförmigen Einlagen an den Windformen anliegen.
2. Hochofengestell nach Patentanspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Einlagen die Windformen wenigstens zu einem Teil umschließen.
3. Hochofengestell nach Patentanspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Einlagen unterhalb der Windformen in einer kreisringförmigen Ebene angeordnet sind.
4. Hochofengestell nach den Patentansprüchen 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Einlagen in zwei sich überlappenden Schichten angeordnet sind.
5. Hochofengestell nach den Patentansprüchen 1 bis 4,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Metallbleche der Einlagen mit Durchbrechungen versehen sind.
6. Hochofengestell nach den Patentansprüchen 1 bis 5,
   dadurch gekenzeichnet,
   daß die Dicke der Graphitfolie größer ist als die Dicke der Metallbleche.
7. Hochofengestell nach den Patentansprüchen 1 bis 6,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Auskleidung aus Kohlenstoffsteinen besteht.

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