Die Erfindung betrifft ein Kühlelement als austauschbarer Bestandteil einer inneren
Verkleidung eines Lichtbogenofens.
Aus der DE 29 07 511 C1 ist ein Kühlelement für Schachtöfen bekannt, das aus
Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung besteht und aus einem geschmiedeten
oder gewalzten Rohblock gefertigt ist. Im Inneren des Kühlelements
sind in der Gebrauchslage vertikal verlaufende Kühlmittelkanäle angeordnet, die
durch mechanisches Tiefbohren eingebracht sind. Auf der dem Inneren eines
Schachtofens zugekehrten Seite des Kühlelements sind horizontal verlaufende
Nuten zur Lagefixierung von feuerfestem Material eingearbeitet.
In der Praxis hat sich beim Einsatz ähnlicher Kühlelemente in einem Lichtbogenofen
gezeigt, daß sich die Kühlelemente verformen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in
einem Lichtbogenofen höhere Temperaturen als in einem Schachtofen herrschen
und bedingt durch die Schmelzzyklen starke Temperaturschwankungen auftreten.
Während der Schmelzphase des Lichtbogenofens dehnt sich das Kühlelement thermisch
bedingt aus, wobei die dem Ofeninneren zugewandte Seite des Kühlelements
wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt ist als die rückwärtige Seite. Bei höheren
Temperaturen treten Änderungen des Gefüges und der Werkstoffeigenschaften
ein, wobei die Diffusion im Bereich der energiereichen Großwinkelkorngrenzen
erleichtert wird. Die dadurch entstehende höhere Leerstellendichte in Korngrenznähe
ermöglicht das Klettern von Versetzungen und bildet so die Voraussetzung für
ausgeprägte plastische Verformungen, sogenanntes Kriechen. Das Ausmaß der
Verformungen hängt von der thermischen Belastung ab, und ist daher auf der dem
Ofeninneren zugewandten Seite des Kühlelements größer.
Fällt die Temperatur nach dem Schmelzvorgang, schrumpft das Kühlelement demnach
auf der dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandten Seite stärker als auf
der außen liegenden Seite. Dies führt zu einer zum Ofeninneren gerichteten Krümmung
des Kühlelements, die mit zunehmender Anzahl der Schmelzvorgänge und
den damit einhergehenden Temperaturwechseln zunimmt. In der Praxis ergibt sich
dann die Problematik, daß beim Beschicken eines Lichtbogenofens Metallteile auf
die vorstehenden Kanten der verbogenen Kühlelemente prallen, was zu erheblichen
Beschädigungen der Kühlelemente führen kann.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein
Kühlelement als austauschbaren Bestandteil einer inneren Verkleidung eines Lichtbogenofens
zu schaffen, das über alle Betriebssituationen hinweg eine deutlich verbesserte
Formbeständigkeit aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, die dem Inneren des Lichtbogenofens
zugewandte Seite des Kühlelements mittels sich in Richtung auf die Kühlmittelkanäle
erstreckender gitterartig angeordneter Nuten in eine Vielzahl von Flächensegmenten
zu unterteilen.
Auf diese Weise ist es möglich, die durch Kriechen bedingte Krümmung des
Kühlelements zu verringern. Die einzelnen Flächensegmente ziehen sich beim Abkühlvorgang
durch die Gefügeveränderung weiterhin lateral zusammen, allerdings
sind diese Längenänderungen lokal auf das jeweilige Flächensegment begrenzt. Sie
werden nicht auf das benachbarte Flächensegment übertragen.
Kriechspannungen wirken sich aufgrund der durch die Nuten gebildeten Zwischenräume
nicht auf benachbarte Flächensegmente aus. Somit werden Eigenspannungen
in dem Kühlelement wirkungsvoll reduziert, wodurch ein Krümmen weitgehend
unterdrückt werden kann.
Wesentlich bei der Erfindung ist es, daß sich der Werkstoff nicht auch am Grund der
eingebrachten Nuten zusammenzieht. Hierzu ist es erforderlich, daß am Nutgrund
die Grenztemperatur für die Schrumpfungserscheinungen von etwa 140 °C nicht
überschritten wird. Diese Voraussetzung wird dadurch erfüllt, daß der Nutgrund nahe
an den im Inneren des Kühlelements angeordneten Kühlmittelkanälen liegt.
Je nach thermischer Beanspruchung können die Flächensegmente unterschiedlich
groß sein. Die Nuten können hierbei eine beliebige Richtungsorientierung besitzen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist nach Anspruch 2 vorgesehen,
daß das Kühlelement sich kreuzende Kolonnen von jeweils parallel zueinander
verlaufenden Nuten aufweist.
In der Weiterbildung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 können die von
den Nuten begrenzten Flächensegmente aber auch rechteckig oder rautenförmig
sein.
Ferner ist eine vieleckige, insbesondere sechseckige, Konfiguration denkbar.
Es ergeben sich in erster Linie fertigungstechnische Vorteile, wenn die Nuten, wie
nach Anspruch 5 vorgesehen, mechanisch eingearbeitet und vorzugsweise eingefräst
sind. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Scheibenfräsers, durch den Nuten gezielter
Kontur erzeugt werden können.
Da die Kühlelemente oberhalb der Schmelze nicht durch Schamotte abgedeckt sind,
lagern sich Schlackespritzer auf jedem Kühlelement an. Im Laufe des Schmelzprozesses
bildet sich aus den Schlackespritzern eine Schlackeschicht, die das
Kühlelement zusätzlich gegenüber den im Inneren eines Lichtbogenofens herrschenden
Temperaturen abschirmt. Die eingebrachten Nuten tragen somit ergänzend
zu einer verbesserten Schlackeablagerung bei. Insbesondere wenn die Nuten
an ihren Nutmündungen eine geringere Breite als am Nutgrund aufweisen (Anspruch
6), kann die Schlackeschicht gut an dem Kühlelement haften.
Nach den Merkmalen des Anspruchs 7 ist das Kühlelement aus einem Rohblock aus
Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung geschmiedet oder gewalzt. Das
Gefüge von gewalztem oder geschmiedetem Kupfer oder Kupferlegierungen ist
dichter und homogener als das von gegossenen Kupferplatten. Weiterhin besitzen
geschmiedete oder gewalzte Kupferplatten eine höhere Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit
als gegossene Kupferplatten. Darüber hinaus ist mit dem erfindungsgemäßen
Kühlelement eine verbesserte Kühlung möglich, da durch die eingebrachten Nuten
die Oberfläche der dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandten Seite des
Kühlelements vergrößert ist.
Nach dem Schmieden oder Walzen des Rohblocks werden die Nuten und die Kühlmittelkanäle
in die Kupferplatte zur Bildung des Kühlelements eingebracht.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- ein erfindungsgemäßes Kühlelement im Vertikalschnitt durch einen
Kühlmittelkanal;
- Figur 2
- das Kühlelement gemäß Figur 1 in der Frontalansicht;
- Figur 3
- eine weitere Ausführungsform eines Kühlelements in der Frontalansicht
und
- Figur 4
- den Ausschnitt IV der Figur 1 in vergrößertem Maßstab gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein plattenartiges Kühlelement 1, das ein austauschbarer
Bestandteil einer inneren Verkleidung eines nicht näher dargestellten Lichtbogenofens
ist. Das Kühlelement 1 ist innerhalb des Lichtbogenofens oberhalb der
Metallschmelze angeordnet.
In die dem Inneren des Lichtbogenofens zugewandte Seite 2 des Kühlelements 1
sind im gleichmäßigen Abstand zueinander senkrecht zur Seite 2 Nuten 3 eingebracht.
Die Nuten 3 erstrecken sich in Richtung auf im Inneren des Kühlelements 1
angeordnete Kühlmittelkanäle 4. Von diesen ist nur ein einzelner schematisch dargestellt.
Der Kühlmittelkanal 4 ist durch eine vom in der Bildebene oberen Ende her in
das Kühlelement 1 eingebrachte Sackbohrung 5 gebildet und von einem Stopfen 6
dicht verschlossen.
Auf der rückwärtigen Seite 7 des Kühlelements 1 sind im mittleren Höhenbereich
Rohrstücke 8, 9 für die Kühlmittelzufuhr und -abfuhr plaziert. Die Rohrstücke 8, 9
stehen in nicht näher dargestellter Weise mit den Kühlmittelkanälen 4 in Verbindung.
Auf der rückwärtigen Seite 7 des Kühlelements 1 sind ferner im unteren und mittleren
Höhenbereich hakenförmige Befestigungselemente 10 angeordnet, über die das
Kühlelement 1 am Gerüst des Lichtbogenofens befestigt werden kann.
Die Nuten 3 haben in dem Beispiel gemäß Figur 1 eine konstante Breite. Es ist aber
in einer Weiterbildung der Erfindung gemäß Figur 4 auch denkbar, daß die Nuten 3
an ihrem Nutgrund 11 breiter sind als an ihren Nutmündungen 12.
Figur 2 zeigt, daß in das Kühlelement 1 eine erste Kolonne 13 von parallel zueinander
verlaufenden Nuten 3 gleichen Abstands eingebracht ist. Eine zweite Kolonne 14
ist von in der Bildebene vertikal verlaufenden parallelen Nuten 3a gebildet. Die Nuten
3 und 3a begrenzen Flächensegmente 15, die in diesem Ausführungsbeispiel quadratisch
sind.
Im Rahmen der Ausführungsform der Figur 3 sind die Flächensegmente 16 des
Kühlelements 1a rautenförmig und von äquidistanten parallelen Nuten 17, 17a gebildet.
Bezugszeichenaufstellung
- 1 -
- Kühlelement
- 1a -
- Kühlelement
- 2 -
- Seite des Kühlelements 1
- 3 -
- Nuten
- 3a -
- Nuten
- 4 -
- Kühlmittelkanäle
- 5 -
- Sackbohrung
- 6 -
- Stopfen v. 4
- 7 -
- rückwärtige Seite des Kühlelements 1
- 8 -
- Rohrstück
- 9 -
- Rohrstück
- 10 -
- Befestigungselemente
- 11 -
- Nutgrund v. 3
- 12 -
- Nutmündung v. 3
- 13 -
- erste Kolonne
- 14 -
- zweite Kolonne
- 15 -
- Flächensegmente
- 16 -
- Flächensegmente
- 17 -
- Nuten
- 17a -
- Nuten