Die Erfindung betrifft einen Hochofen in Schachtofenbauweise
zur kontinuierlichen Verhüttung von aufbereiteten Eisenerzen
zu flüssigem Roheisen, mit einer Ofenwand aus feuerfesten
Materialien, die insbesondere im unteren Bereich des
Hochofens, der Rast und dem darunter angeordneten Gestell, mit
einem Metallmantel umhüllt ist und mit zwischen der
feuerfesten Ofenwand und dem Metallmantel angeordneten
wassergekühlten Kühlelementen, beispielsweise
Plattenkühlelementen.
Bei der Verhüttung von aufbereiteten Eisenerzen im Hochofen
durch Reduktion und teilweiser Verbrennung der
Reduktionsmittel werden im unteren Teil des Hochofens hohe
Temperaturen erreicht, die bis zu 1600 °C und höher betragen
können. Das bei diesen hohen Temperaturen durch Reduktion
gewonnene Roheisen liegt in flüssiger form vor und sammelt
sich am Boden im untersten Teil des Hochofens, dem Gestell,
mit darüber geschichteter schmeltzflüssiger Schlacke an.
Das sich im Gestell ansammelnde Roheisen und die flüssige
Schlecke werden von Zeit zu Zeit über entsprechende öffnungen
abgelassen (abgestochen) und ihrer weiteren Verwendung
zugeführt.
Um den Hochofen bei diesen hohen Temperaturen und den in ihm
herrschenden reduzierenden Bedingungen mechanisch stabil zu
erhalten, ist seine Ofenwand aus einem für diese Bedingungen
geeigneten feuerfesten Material gefertigt, wobei die Ofenwand
zumindest in ihrem unteren Bereich durch einen Metallmantel
(Panzerung) umhüllt ist.
Während in den oberen Zonen Alkalidämpfe und Kohlenmonoxid die
feuerfesten Materialien angreifen und zerstörend wirken, wobei
sich innerhalb der feuerfesten Materialien Kohlenstoff
abscheidet, erfolgt in den unteren Hochofanzonen die
Infiltration flüssiger Metalle, Metalloxyde und Schlacken, die
gleichfalls zu einer Zerstörung der feuerfesten Materialien
führt.
Um diese unerwünschten Infiltrationen zu minimieren und
möglichst zu vermeiden, ist eine Hauptanforderung an die
feuerfesten Materialien neben einer hohen
Druckfeuerbeständigkeit eine hohe Rohdichte mit einer
entsprechend niedrigen offenen Porosität. Eine ausreichende
Haltbarkeit der feuerfesten Materialien ist aber nur zu
erreichen, wenn sie zusätzlich von außen gekühlt werden,
üblicherweise durch eine Wasserkühlung.
Für den Bereich des Hochofengestells bzw. den unteren Bereich
des Hochofens, in dem sich das flüssige Roheisen sowie darüber
die flüssige Schlacke sammelt, sind grundsätzlich
unterschiedliche Kühlsysteme bekannt, und zwar die von
außerhalb und die innerhalb der Hochofenpanzerung wirkende
Kühlung, wie ausführlich in Taschenbuch "Hütte", Taschenbuch
für Eisenhüttenleute, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf 1961,
Seiten 530 und 531 beschrieben ist.
Die außenliegende Kühlung wird entweder durch eine offene
Berieselung der Gestellpanzerung mit Wasser oder durch eine
Führung des Kühlwassers mit Hilfe von auf den Metallpanzer
parallel aufgeschweißten Kühlkassetten realisiert.
Zur innenliegenden Kühlung werden wassergekühlte Plattenkühler
aus Gusseisen verwendet, die zwischen der feuerfesten Ofenwand
und dem Hochofenpanzer parallel zu diesem angeordnet sind. Das
Kühlwasser wird in Stahlrohren geführt, die in den Körper des
Plattenkühlers eingegossen sind. Die Rohre treten durch
entsprechende öffnungen im Hochofenpanzer nach außen, wo sie
mit einer Kühlwasserzulauf- und Kühlwasserablaufleitung
verbunden sind.
Trotz dieser bekannten intensiven Kühlvorrichtungen kommt es
immer wieder im Bereich der Gestellwand vor, dass noch einem
Versagen der feuerfesten Gestellwand unter dem Einfluss der
flüssigen Phasen, die von innen auf die feuerfesten
Materialien einwirken, ein Durchschmelzen der
Hochofenpanzerung erfolgt, wonach flüssige Phasen (Schlecke,
Roheisen), feste Bestandteile (Koks, Mölier) und, solange bis
der Hochofen drucklos ist, auch Gase unkontrolliert austreten.
Hierbei versagen auch die bekannten Gestellwandkühlungen bei
direktem Kontakt mit dem flüssigen Roheisen, weil sie aufgrund
ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit nicht in der Lage sind, die
großen Wärmemengen aus dem flüssigen Roheisen so schnell
abzuführen, dass das Roheisen erstarrt, bevor das Material der
Kühlelemente oder der Gestellpanzerung aufschmilzt.
Keiner der beiden Kühlvarianten ist in der Lage, flüssiges
Roheisen im Gestell zu halten, wenn die feuerfeste
Gestellausmauerung versagt. Ein Durchbruch ist in einem
solchen Fall unvermeidbar.
Durchbrüche verursachen durch unmittelbare Einwirkung der
austretenden Stoffe, durch Strahlungswärme und durch
Knallgasexplosionen, die auftreten können, wenn Wasser aus
defekten Kühlelementen mit Roheisen in Berührung kommt,
Zerstörungen im gesamten Ofenbereich. Der Hochofen fällt als
Folge eines solchen Schadens oft für längere Zeit (Tage bis
Wochen) aus. Kennzeichnend für viele Durchbrüche ist, dass sie
plötzlich und ohne warnende Vorzeichen auftreten. Bedingt
durch die Zerstörungen im Bereich der Durchbruchstelle ist die
Ursache meist nicht zu rekonstruieren.
Neben den Kosten für die eigentliche Reparatur müssen daher
besonders die Verluste durch Produktionsausfall erwähnt
werden. Diese Verluste haben heute, bei der Konzentration der
Produktion auf wenige Hochöfen höchster Leistungsfähigkeit und
damit aufgrund fehlender Ersatzkapazitäten stark an Bedeutung
gewonnen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung des Hochofengestells
so zu verbessern, dass die flüssigen Phasen den Hochofenpanzer
nicht mehr durchschmelzen können, wenn die feuerfeste
Gestellausmauorung aus irgend einem Grunde versagt.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Hochofen der
beschriebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die im Gestellbereich des
Hochofens zwischen der Gestellofenwand und dem sie umhüllenden
Metallmantel, dem Gestellpanzer, angeordneten wassergekühlten
Kühlelemente aus einem hochwärmeleitfähigen Material gefertigt
sind, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens fünfmal so groß ist
wie die von Gusseisen, beispielsweise Kupfer.
Durch dieses erfindungsgemäße Merkmal wird erreicht, dass das
flüssige Roheisen bei einem Durchbruch durch das feuerfeste
Mauerwerk zu einer festen Schicht auf den Plattenkühlern oder
bereits auf der Außenseite der feuerfesten Gestallwand
erstarrt. Die Kühlung besitzt damit einen
Selbtschutzmechanismus, da die erstarrte Schicht vor einem
weiteren Angriff durch flüssiges Roheisen oder flüssiger
Schlacke schützt. Zusätzlich wird Zeit gewonnen und die
Möglichkeit geschaffen, den Hochofen planmäßig stillzusetzen
und die notwendigen Reparaturarbeitsmaßnahmen vorzubereiten.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind dabei auf die Variante
der innenliegenden Kühlung beschränkt, da sich der
Wärmewiderstand des Gestellpanzers selbst nicht nennenswert
verringert, wenn die außenliegenden Kühlelemente aus einen
hochwärmeleitfähigem Material gefertigt sind.
Wenn als hochwärmeleitfähiges Material entsprechend der
Erfindung das Metall Kupfer verwendet wird, dessen
Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C mit Lambda = 370 W/m·K fast
zehnmal größer ist als das normalerweise zum Einsatz kommende
Metall Eisen in Form von Gusseisen, wird bei entsprechend
großer Druchflussmenge des Kühlmittels Wasser die mögliche
Gefahr eines Durchbruchs deutlich reduziert.
Mit Vorteil kann dabei dieses hochwärmeleitfähige Material
auch gemäß der Erfindung dazu verwendet werden, in Form von
entsprechend gestalteten Kühlelementen eine intensive Kühlung
des Gestellbodens herbeizuführen. Auf diese Weise können auch
hier Schäden an der feuerfesten Zustellung verhindert werden,
die zu Vertiefungen im Boden (Ofensau) führen und die oft
mehrere Meter Tiefe bei längerer Betriebszeit des Hochofens
erreichen können.
Durch die intensive und äußerst schnell wirkende Kühlung gemäß
der Erfindung wird nicht nur mit Erfolg das Entstehen von
Durchbrüchen verhindert, sondern durch die nun wesentlich
intensivere Kühlung gegenüber bekannten Kühlvorrichtungen ist
es nun möglich, eine Vergleichmäßigung der Wandstärken des
üblicherweise vorgebauten feuerfesten Materials im Gestell
herbeizuführen. Denn da das feuerfeste Material intensiver als
bisher üblich gekühlt wird, und somit der thermisch bedingte
Verschleiß durch den Kontakt mit den flüssigen Phasen
langsamer fortschreitet und langsamer als bisher üblich zum
Stillstand kommt, kann an diesen Stellen die feuerfeste
Zustellung vergleichmäßigt, d. h. dünner ausgeführt werden.
Damit kann auch der Gestellpanzer bei Neubauten zylindrisch
ausgeführt werden und die bisher übliche zum Boden hin
weitende konische Form zur Aufnahme zusätzlichen
Feuerfest-Materialvolumens wird nicht mehr benötigt. Neben der
Einsparung an Kosten für die feuerfesten Materialien durch die
Vergleichmäßigung der Wandstärken im Gestellbereich entfällt
auch der bisherige Nachteil, dass der Ofeninnendruck und die
thermische Ausdehnung des feuerfesten Materials bei der
üblichen konischen Ausbildung erhebliche Kräfte senkrecht zum
Ofenfundament erzeugen, die durch entsprechend dimensionierte
und teure Verankerungen aufgenommen werden müssen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
werden nachfolgend an schematischen Zeichnungsfiguren eines
Ausführungsbeispiels eines Hochofens in einem Vertikalschnitt
näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Vertikalschnitt durch einen Hochofen,
- Fig. 2
- einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1.
Das in der Zeichnungsfigur 1 in einem Vertikalschnitt
dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Hochofen (1)
bekannter üblicher Bauart, in dem nach dem Gegenstromprinzip
aufbereitet. Eisenerze verhüttet werden. Der Hochofen (1)
gliedert sich bekanntermaßen im wesentlichen in vier
verschiedene Bereiche; es sind dies die Gicht (2), der Schacht
(3), die Rast (4) und das Gestell (5).
Die Einsatzstoffe, bestehend aus den Erzen, Zuschlägen und dem
Reduktionsmittel Koks, werden dem Hochofen (1) in seinem
oberen Teil, der Gicht (2) aufgegeben. Den während der
Ofenreise langsam nach unten wendernden Einsatzstoffen strömt
der "Wind" entgegen, der außerhalb des Hochofens (in der
Zeichnungsfigur nicht dargestellt) erhitzt und über eine
Ringleitung (11) und Blasformen (6) im unteren Teil des
Hochofens (1) eingeblasen wird. Durch diesen Wind werden die
Einsatzstoffe erhitzt und es finden Verbrennungsreaktionen und
die Reduktion der Eisenerze statt. Diese Reaktionen finden im
mittleren Teil des Hochofens (1), dem Schacht (3) sowie
darunter in der Rast (4) statt und es bilden sich
schmelzflüssiges Roheisen und schmelzflüssige Schlecke, die
sich im Gestell (5) ansammeln, wobei das flüssige Roheisen
aufgrund seiner höheren Dichte sich unterhalb der Schlecke
anordnet. Über Auslassöffnungen, die sich in der Höhe des
Pfeile (10) befinden, wird das flüssige Roheisen abgelassen.
Auslassöffnungen für die schmelzflüssige Schlacke befinden
sich darüber sind in Fig. 1 aber nicht angegeben.
Das Gestell (5) ist mir einem geeigneten feuerfesten Material
(7, 7') ummauert, das im Kontakt mit schmelzfüssigem Eisen und
schmezflüssiger Schlecke weitgehend resistent ist und nicht
zerstört wird. Die feuerfeste Ausmauerung (7) des Gestells (5)
ist bis zur Höhe des Pfaus (9) ausgeführt. Zwischen dieser
feuerfesten Ausmauerung (7) und den sie umhüllenden
Metallmantel (8), der Gestellpanzerung, sind Kühlelemente
(13), beispielsweise Plattenkühlelemente angeordnet, die gemäß
der Erfindung aus einem hochwärmeleitfähigen Material
gefertigt sind. Gemäß der Erfindung sind auch im Gestellboden
(12) diese Kühlelemente angeordnet.
Durch die nun auf diese Weise stattfindende intensiv wirkende
Kühlung ist es möglich, insbesondere bei Hochofenneubauten,
den schräg nach außen verlaufenden Teil (7') der feuerfesten
Ausmauerung (7) zu vergleichmäßigen und zylindrisch zu
gestalten, wodurch feuerfestes Material eingespart und die nun
gleichfalls zylindrische Gestellpanzerung ohne die sonst
üblichen kostenaufwendigen Verankerungen installiert werden
kann.
In Figur 2 ist der Gegenstand der Erfindung in einem
vergrößerten Teilausschnitt der Fig. 1 dargestellt und zeigt
in einer vereinfachten Darstellung das Gestell (5), die Rast
(4) sowie den unteren Teil des Schachtes (3) des Hochofens
(1). Gestell (5) und Rast (4) sind aus einen feuerfesten
Material, der Ausmauerung (7, 7') gefertigt, die von einem
Metallmantel (8), der Panzerung, umhüllt ist. Die feuerfeste
Ausmauerung (7) reicht im dargestellten Ausführungsbeispiel
bis zum oberen Ende der Rast (4).
Zwischen dem Metallmantel (8) und der feuerfesten Ausmauerung
(7, 7') sind Kühlelemente (13) angeordnet, die gemäß der
Erfindung aus einem hochwärmeleitfähigem Material,
beispielsweise Kupfer, gefertigt sind. In Fig. 2 reichen diese
Kühlelemente (13) vom Gestellboden (12) über die Blasformen
(6) bis zur Höhe des Pfeils (9). Die Kühlelemente (13) sind
mit einem außerhalb des Metallmantels (8) angeordneten
Rohrsystems (14) verbunden, durch das die Versorgung der
Kühlelemente (13) mit einer ausreichend großen Kühlwassermenge
sichergestellt ist.
In den Zeichnungsfiguren 1 und 2 sind die Kühlelemente (13)
auf Grund der Größenverhältnisse nur schematisch darstellbar,
so dass den Zeichnungsfiguren die Ausbildung der Kühlelemente
(13) nicht entnommen werden kann. Dies ist aber auch nicht
erforderlich, da bekannte und bewährte Kühlelemente, wie
beispielsweise Plattenkühlelemente, verwendet werden können,
vorausgesetzt, sie sind gemäß der Erfindung aus einem
hochwärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer,
gefertigt.