EP0525136B1

EP0525136B1 - Vorrichtung zum kühlen von gefässteilen eines ofens, insbesondere eines metallurgischen ofens

Info

Publication number: EP0525136B1
Application number: EP92903076A
Authority: EP
Inventors: Emil Elsner
Original assignee: Kortec AG
Current assignee: Kortec AG
Priority date: 1991-02-06
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2012-01-28
Also published as: AU1176192A; EP0525136A1; AU652225B2; WO1992014108A1; US5290016A; ES2076025T3; BR9204119A; DE4103508A1; DE59203279D1

Abstract

Vorrichtung zum Kühlen von Gefäßteilen eines Ofens (1) mit einem in einen zu kühlenden Wand- oder Deckelbereich eingesetzten oder einen Wand- bzw. Deckelbereich bildenden Kühlkasten, der dem Ofeninneren (6) zugewandt, eine Wärmeaustauschplatte (2) enthält, die durch eine Vielzahl von Spritzdüsen (3) mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt wird. Die Wärmeaustauschplatte (2) ist als Verbundblech mit einer Stahlplatte (8) auf der dem Ofeninneren (6) zugewandten Seite und einer Kupferschicht (9) auf der Seite der Spritzdüsen ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Gefäßteilen eines Ofens, insbesondere eines metallurgischen Ofens, mit einem in einem zu kühlenden Wand- oder Deckelbereich eingesetzten oder einen Wand- bzw. Deckelbereich bildenden Kühlkasten, der dem Ofeninneren zugewandt eine Wärmeaustauschplatte und dieser gegenüberliegend, räumlich verteilt, eine Vielzahl von Spritzdüsen zum Aufspritzen einer Kühlflüssigkeit auf die Wärmeaustauschplatte, ferner einen Ablauf für die Kühlflüssigkeit enthält.
Eine Vorrichtung dieser Art mit einer Stahlplatte als Wärmetauschplatte ist beispielsweise durch die EP 0 044 512 A1 oder die EP 0 197 137 B1 bekannt geworden. Bei der durch die erstgenannte Druckschrift beschriebenen Vorrichtung wird durch eine individuelle oder gruppenweise Steuerung der Spritzzeiten der Düsen nur so viel Kühlflüssigkeit gegen die Wärmeaustauschplatte gespritzt, daß die aufgespritzte Kühlflüssigkeit im wesentlichen verdampft und damit die Verdampfungsenthalpie zur Kühlung ausgenutzt wird. Bei der anderen Vorrichtung wird gegen die Wärmeaustauschplatte soviel Kühlflüssigkeit gespritzt, daß diese im wesentlichen noch in ihrer flüssigen Form verbleibt. In diesem Fall ist der Kühlmittelverbrauch wesentlich höher als im erstgenannten Fall.
Neben der Spritzkühlung ist es beispielsweise durch die DE 26 59 827 B1, die DE 28 17 869 B2 und die DE 38 20 448 A1 bekannt, bei gekühlten Wand- oder Deckelelementen für metallurgische Öfen die Wärme über eine zwangsgeführte Kühlwasserströmung von der Wärmeaustauschfläche der Kühlelemente abzuführen. Derartige Kühlwassersysteme benötigen, insbesondere bei Öfen, bei denen die Wärmeaustauschplatte starken örtlichen und zeitlichen Schwankungen der thermischen Beanspruchung ausgesetzt ist, eine wesentlich höhere Kühlflüssigkeitsmenge als spritzgekühlte Systeme um ein Filmsieden zu verhindern, d.h. ein Auftreten von isolierenden dünnen Dampfschichten an thermisch stark beanspruchten Stellen der Wärmeaustauschfläche. Dieser Effekt hätte eine Beschädigung des Kühlelements in diesem Bereich zur Folge.
In der DE 38 20 448 A1 ist u.a. ein gekühltes Wandelement für metallurgische Öfen, insbesondere Elektro-Lichtbogenöfen beschrieben, das eine einseitig mit einer Plattierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehene Stahlplatte enthält, die auf der der Plattierung abgewandten Fläche mit Kühlmittelkanäle bildenen Metallprofilen besetzt ist. Die Kupferschicht auf der der Innenseite zugewandten Seite des Wandelements soll aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer die aufgenommene Wärme sehr schnell weiterleiten, die Wärme gleichmäßig verteilen und für eine schnelle Wärmeabfuhr sorgen, damit auch bei örtlichen Überhitzungen Materialschädigungen verhindert werden. Darüberhinaus bleibt die vorzugsweise in einer Dicke von 6 bis 10 mm aufgetragene Kupferschicht duktil und verhindert eine Rißbildung in der Wand des Kühlelements.
Bei den eingangs genannten Spritzkühlsystemen, die sich gegenüber Kühlsystemen mit zwangsgeführter Kühlflüssigkeit durch einen stark verringerten Kühlmittelverbrauch auszeichnen, besteht das Problem, daß die Wärmeabfuhr von der Wärmeaustauschplatte nicht gleichmäßig erfolgt. Aufgrund der räumlich verteilten Anordnung einzelner Spritzdüsen und darüberhinaus der manchmal bestehenden Notwendigkeit aus Platzgründen einzelne Düsen schräg anordnen zu müssen, so daß diese die Kühlflüssigkeit nur unter einem schrägen Winkel gegen die Wärmeaustauschplatte spritzen, ist die Kühlmittelbeaufschlagung der Wärmeaustauschplatte ungleichmäßig. Die Wärmeaustauschplatte wird an den Aufspritzstellen der Kühlflüssigkeit wesentlich stärker als in den Bereichen dazwischen gekühlt. Um zu verhindern, daß an den weniger stark gekühlten Stellen die zulässige Temperatur überschritten wird, muß mit einer größeren Gesamtkühlmittelmenge gearbeitet werden. Hierbei muß auch die örtlich und zeitlich unterschiedlich große thermische Belastung, wie sie z.B. beim Einschmelzen von Schrott in einem Lichtbogenofen auftritt, berücksichtigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung der einleitend genannten Art die Kühlwirkung zu verbessern und durch eine Verringerung der Temperaturunterschiede zwischen den Aufspritzstellen der Kühlflüssigkeit und den dazwischen liegenden Bereichen die insgesamt erforderliche Kühlmittelmenge zu reduzieren. Außerdem soll die Gefahr örtlicher Überhitzungen bei einem Ausfall einzelner Düsen verringert und bei einer etwaigen Rißbildung in der Stahlplatte der Austritt von Kühlmittel verhindert werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Wärmeaustauschplatte auf der Seite der Spritzdüsen eine Schicht aus einem Metall auf, das eine wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit als Stahl besitzt, vorzugsweise eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die trotz der durch das Kühlsystem bedingten ungleichmäßigen Kühlmittelbeaufschlagung ein verhältnismäßig gleichmäßiges Temperaturprofil über die Wärmeaustauschfläche ermöglicht. Der Effekt wird überraschenderweise bereits bei einer Dicke der Kupferschicht von 1 bis 2 mm erreicht. Aufgrund der Verringerung der örtlichen Temperaturunterschiede auf der Wärmeabfuhrseite der Wärmeaustauschplatte ist eine wesentliche Verringerung der Kühlmittelmenge möglich.
Es wurden die folgenden Vergleichsversuche durchgeführt:
Bei Kühlkästen des gleichen konstruktiven Aufbaus und der gleichen thermischen Belastung wurde als Wärmeaustauschplatte einmal eine Stahlplatte einer Dicke von 20 mm eingesetzt, einmal eine Stahlplatte einer Dicke von 20 mm die mit einer 6 mm starken Kupferschicht auf der Seite der Spritzdüsen plattiert war und einmal eine Stahlplatte von 20 mm die mit einer 2 mm starken Kupferschicht plattiert war. In die Stahlplatte waren in der Mitte der Dicke der Stahlplatte an verschiedenen Meßstellen oberhalb und unterhalb des direkten Einflußbereiches der Spritzkühlung Thermoelmente eingesetzt, mit denen die Temperatur ermittelt wurde. Es wurde eine für Spritzkühlung übliche Kühlwassermenge von 100 l/m²·min eingestellt und die Temperatur an den Meßstellen ermittelt. Der ungünstigste Temperaturwert betrug bei Einsatz der Stahlplatte 99°C und bei Einsatz der mit der Kupferschicht plattierten Stahlplatte 83°C (6 mm starke Kupferschicht) bzw. 82°C (2 mm starke Kupferschicht). Es wurde dann bei der Wärmeaustauschplatte mit der 2 mm starken Kupferschicht die Spritzwassermenge stufenweise verringert, bis sich auch bei dieser Wärmeaustauschplatte an der heißesten Meßstelle eine Temperatur von 99°C einstellte. Die Kühlwassermenge betrug 70 l/m²·min, d.h. durch die erfindungsgemäße Maßnahme war es möglich, 30% der Kühlwassermenge einzusparen.
Das Verbundblech wird vorzugsweise durch Plattieren, wie Walz-, Spreng- und Schweißplattieren erzeugt. Es ist wegen der geringen Schichtdicke auch möglich, die Metallschicht größerer Wärmeleitfähigkeit aufzuspritzen, aufzustreichen oder auf andere Weise aufzubringen. Es liegt im Rahmen der Erfindung auch nur Teilbereiche der Wärmeaustauschplatte mit der Schicht verbesserter Wärmeleitfähigkeit zu versehen oder diese Schicht mit örtlich verschiedenen Dicken auszubilden.
Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1: den senkrechten Schnitt eines Teils eines Lichtbogenofens mit Vorrichtungen zum Kühlen von Gefäßteilen gemäß dieser Erfindung;
Fig. 2: in gleicher Darstellung einen Lichtbogenofen mit modifiziertem Deckel.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Lichtbogenofen 1 besteht in bekannter Weise aus einem die Schmelze aufnehmenden Untergefäß mit feuerfester Ausmauerung, einer auf den Rand des Untergefäßes aufgesetzten Ofenwandung, und einem auf die Ofenwandung aufgesetzten Deckel. Der Gefäßaufbau eines solchen Ofens ist beispielsweise in der einleitend genannten DE 26 59 827 B1 und in der EP 0 197 137 B1 beschrieben. Wand und Deckel sind in bekannter Weise mit einem Spritzkühlsystem 3 ausgestattet, das räumlich verteilt eine Vielzahl von Spritzdüsen zum Aufspritzen einer Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, auf die dem Ofeninneren 6 zugewandten Wärmeaustauschplatte 2 der Kühlkästen, und einen in Fig. 1 nicht dargestellten Ablauf für die Kühlflüssigkeit enthält. Das Ableiten der Kühlflüsigkeit kann durch Abpumpen, Überdruck in der Atmosphäre des Kühlraums oder einfache Fallrohre erfolgen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Wärmeaustauschplatte 2 als Verbundblech ausgebildet, mit einer Stahlplatte 8 auf der dem Ofeninneren zugewandten Seite und einer Kupferschicht 9, d.h. einer Schicht aus einem Metall das eine wesentliche größere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, auf der den Spritzdüsen zugewandten Seite. Mit 4 sind Schlackenhalter zum Festhalten wärmeisolierender Schlackenspritzer, mit 5 ist die feuerfeste Ausmauerung mit 7 das äußere Abdeckblech der Kühlkästen bezeichnet.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Lichtbogenofen ist der Dekkelring 10 ebenfalls spritzgekühlt. Er kann jedoch auch mittels eines konventionellen Wasserzwangsumlauf gekühlt werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Wasser der Zwangsumlaufkühlung kann einen besonderen Kreislauf darstellen, es kann aber auch entsprechend Fig. 2 für die Spritzkühlung des Deckelbleches verwendet werden.
Zur Ableitung der auf die Wärmeaustauschplatten aufgespritzten Kühlflüssigkeit werden ein oder mehrere Abflüsse mit Fallrohr angewendet, die an dem tiefsten Niveau des Kühlsystem an gut zugänglichen Stellen angebracht sind. Bei kippbaren Gefäßen und den damit verbundenen Deckeln befindet sich der Abfluß auf der Kippseite bzw. auf den Kippseiten.
Fig. 2 zeigt den Ofendeckel eines kippbaren Lichtbogenofens mit durch Zwangsumlauf gekühltem Deckelring 10. Der Zwangsumlauf dient gleichzeitig als Vorlauf für das Spritzkühlsystem 3. Mit 11 ist der Kühlwasserzulauf und mit 12 der an ein Fallrohr angeschlossene Kühlwasserablauf bezeichnet. Oberhalb des Kühlwasserablaufes 12 ist noch ein Sicherheitsablauf 13 vorgesehen, der ebenfalls an ein Fallrohr angeschlossen ist. Die Wärmeaustauschplatten 2 der gekühlten Deckel- und Wandelemente sind als Verbundbleche ausgebildet. Ebenso besteht die Wärmeaustauschplatte des inneren Deckelrings 14, der den Einsatz 15 aus feuerfestem Material mit Durchführungen für Elektroden 16 aufnimmt, aus einem Verbundblech mit einer Kupferschicht auf der den Spritzdüsen zugewandten Seiten. Der innere Deckelring 14 kann im Bedarfsfall auch mit Spritzwasser beaufschlagt werden.
Mit dem Bezugszeichen 17 ist eine Preßluftleitung bezeichnet, die zwei Düsen aufweist, durch die Preßluft in den Kühlwasserablauf 12 bzw. in den Sicherheitsablauf 13 geblasen werden kann, um in allen Fällen, insbesondere auch bei einem kippbaren Gefäß mit Sicherheit eine Kühlwasserabfuhr zu erreichen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ofendeckel ist die Deckelinnenfläche gegenüber dem oberen Gefäßrand 18 höher gelegt und zwar um die Höhe des zwangsumlaufgekühlten Deckelrings 10. Dadurch wird bei Beginn des Schrotteinschmelzens der Abstand der Deckelinnenfläche vom Lichtbogen vergrößert und außerdem für die Bedienungsmannschaft der Nivelliervorgang beim Chargieren des Gefäßes erleichtert.

Claims

Vorrichtung zum Kühlen von Gefäßteilen eines Ofens (1), insbesondere eines metallurgischen Ofens, mit einem in einen zu kühlenden Wand- oder Deckelbereich eingesetzten oder einen Wand- bzw. Deckelbereich bildenden Kühlkasten, der dem Ofeninneren zugewandt eine Wärmeaustauschplatte (2) und dieser gegenüberliegend, räumlich verteilt eine Vielzahl von Spritzdüsen (3) zum Aufspritzen einer Kühlflüssigkeit auf die Wärmeaustauschplatte (2), ferner einen Ablauf (12) für die Kühlflüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschplatte (2) als Verbundblech ausgebildet ist, mit einer Stahlplatte (8) auf der dem Ofeninneren (6) zugewandten Seite und einer Schicht (9) aus Metall, das eine wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, auf der den Spritzdüsen zugewandten Seite.
Vorrichtung nach Anspruch 1, daduch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (9) größerer Wärmeleitfähigkeit eine größere Duktilität als die Stahlplatte (8) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (9) größerer Wärmeleitfähigkeit eine Dicke im Bereich von 1 bis 7 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht größerer Wärmeleitfähigkeit eine Dicke im Bereich von 2 bis 3 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (9) größerer Wärmeleitfähigkeit eine Schicht aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundblech durch Plattieren hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (9) größerer Wärmeleitfähigkeit aufgespritzt ist.