Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verzögerung der Belagbildung an Wärmeaustauschflächen
in Stranggießkokillen.
Bei Stranggießanlagen bilden sich als Folge hoher Wärmestromdichte bspw. in
den Kühlwasserkanälen dünne kristalline Ablagerungen durch Ausfällung gelöster
Salze und/oder durch Ablagerung von feinstverteilten Feststoffpartikeln. Dieser
Vorgang wird Fouling genannt, und ist beim Bau und Betrieb von Wärmetauschern
bspw. Röhrenwärmetauschern in Kraftwerkanlagen bekannt und erforscht.
Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der abgelagerten Schichten führen derartige
Ablagerungen zu einem Anstieg des Wärmedurchgangswiderstands und damit
bei Stranggießkokillen zu einer Erhöhung der Kokillentemperatur auf der
Stahlseite. Dieser Vorgang hat besonders dann einen negativen Einfluß auf die
Standzeit der Kokillen, wenn das Fouling frühzeitig beginnt.
Übliche Vorgaben für die Kühlwasserqualität sind, sofern sie eingehalten werden,
im Normalbetriebsfall mehr oder weniger ausreichend, um Fouling zu verhindern.
Weil aber die Gewährleistung der Wasserqualität zumeist in der Verantwortung
der Anlagenbetreiber liegt, ist man bestrebt, betriebliche Maßnahmen vorzugeben,
um auch bei ungünstigeren Kühlwasserbedingungen die Belagbildung zu verhindert
oder zumindest erheblich zu verzögern.
Eine bekannte Maßnahme hierfür besteht darin, die sogenannte Induktionsphase
zu verlängern. Diese Phase geht dem eigentlichen Fouling-Vorgang voraus und ist
durch das Anhaften erster Kristalle an der Wärmeübertragungsfläche und deren
Zusammenschluß zu einer kompakten Foulingschicht gekennzeichnet.
Anschließend beginnt die Foulingschicht zu wachsen, was mit erhöhtem Anstieg
der Kokillentemperatur einhergeht. Die Dauer der Induktionsphase hängt vom
Material und der Struktur der Kühlkanaloberfläche ab. Die Kriterien der unerwünschten
Entstehung von Fouling-Schichten durch kristalline Ablagerungen sind
grundsätzlich bekannt.
Bspw. beschäftigt sich die Veröffentlichung "Verminderung der Foulingschichtbildung
auf Wärmeübertragungsflächen" in der Fachzeitschrift "Chemie Ingenieur
Technik (71) 12/99, Seiten 1391 bis 1395" mit dem Problem der Fouling-Entstehung
beim Einsatz von Wärmetauschern, insbesondere in der chemischen
und pharmazeutischen sowie der Lebensmittelindustrie.
Weil die Foulingschichten zu einem deutlichen Ansteig der Wärmedurchgangswiderstände
an Wärmetauschern führen, werden dadurch vor allem die Investitions-,
Betriebs- und Wartungskosten erhöht. Es wurden Methoden zur Verlängerung der
Induktionsphase und der damit verbundenen Reduzierung der Foulingkosten untersucht:
z. B. eine gezielte Beeinflussung der Grenzflächeneigenschaften Kristall/Wärmeübertrager
zur Verringerung der Haftfestigung der Kristalle; oder eine
Erhöhung der Schubbeanspruchung der Kristalle durch geeignete hydrodynamische
Strömungsführung.
Erfolgreiche Anti-Fouling-Strategien ergeben sich durch Kombination beider Maßnahmen.
Für einen erfolgreichen Kristallabtrag muß die durch die Flüssigkeit auf
die Kristalle ausgeübte Schubbeanspruchung diejenigen Kräfte überschreiten, die
durch die Adhäsionseigenschaften gekennzeichnet sind.
Eine weitere Maßnahme, foulingmindernd einzugreifen, besteht in der gezielten
Beeinflussung der Strömungsführung. Hierfür können andere Methoden, wie
bspw. die der pulsierenden Strömungsführung, mit Erfolg eingesetzt werden. Wird
der Strömung eine Oszillation mit zeitlicher Geschwindigkeitserhöhung überlagert,
so verschiebt sich das Kräfteverhältnis zwischen Ablagerungs- und Abtragungskräften
zugunsten einer erhöhten Abtragungsrate.
Auch hierbei kann die Kombination der beschriebenen Maßnahmen mit anderen
Maßnahmen zur Fouling-Verminderung in Wärmeübertragern zu einer erfolgreichen
Anti-Fouling-Strategie führen.
Eine weitere wissenschaftliche Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Int. J.
Therm. Sci (1999) 38, Seiten 944 - 954 mit dem Titel "Influence of the interfacial
free energy crystal/heat transfer surface on the induction period during fouling"
befaßt sich mit Maßnahmen zum Anti-Foulding in Wärmeüberträgern.
Die Veröffentlichung beschreibt die Anhäufung von unerwünschten Kristallniederschlägen
(Fouling), welche die Wirksamkeit von Wärmetauschern reduziert. Dabei
wird ein Modell für die Beschreibung des gesamten Foulingprozesses entwickelt,
denn der hauptsächliche Nachteil bekannter Modelle ist das Fehlen einer Beschreibung
der Induktionsperiode bzw. deren Beeinflussung durch eine Kemreaktionsrate
und die Haftkräfte zwischen Kristallen und Wärmetransfer-Oberflächen.
Der Ablagerungs- und Beseitigungsprozeß der Kristallniederschläge hängt ab von
der freien Grenzflächenenergie Kristall/Wärmeübergangsfläche. Für eine Anzahl
industrieller Anwendungen besteht die einzige Möglichkeit darin, die freie Grenzflächenenergie
zu beeinflussen, um die Charakteristika der Oberflächenenergie zu
modifizieren, und zwar an der Wärmeübergangsfläche.
Basierend auf experimentellen Untersuchungen der Oberflächenenergie verschiedener
metallischer und nichtmetallischer Materialien mit geringer Energie wurde
deren Fouling-Wirksamkeit unter dem Einfluß eines Flüssigkeitsstromes einer Kalziumsulfatlösung
ermittelt. Dabei erwies sich die Entwicklung von neuem Oberflächenmaterial,
wie bspw. DLC (Diamond Like Carbon) Schichten als eine der
Strategien zur Verlängerung der Induktionsperiode.
Eine weitere Veröffentlichung aus der Zeitschrift Chemical Engineering and
Processing 38 (1999), Seiten 449 - 461 beschäftigt sich unter der Überschrift "Influence
of the adhesion force crystal/heat exchanger surface on fouling mitigation"
mit der Häufung unerwünschter kristalliner Ablagerungen (Fouling), welche die
Wirksamkeit von Wärmetauschern erheblich schwächt. Um die Kosten von Fouling
zu minimieren, werden zwei Strategien entwickelt. Die erste Fouling-Schwächungs-Strategie
beruht auf der Modifikation von Energie und Geometrie
bezüglich der Charakteristika von Wärmeübergangsflächen, mit dem Ziel, eine
verlängerte Dauer der Induktionsperiode zu realisieren. Mittels einer DSA (Drop
Shape Analysis) Meßanordnung wurde das Zusammenwirken an der Grenzfläche
Kristall/Wärmetransferfläche bestimmt. Die Entwicklung eines Modells für Unterbrechungsenergie
und ein Grenzflächen-Defekt-Modell bezieht sich auf Benetzungscharakteristika
von Anhaftungs-Phänomenen. Damit wurde eine erste Auswahl
von Oberflächenmaterial abgeschätzt. Ferner wurde der Einfluß von Oberflächentopographie
auf das Zusammenwirken von Grenzflächen analysiert.
Die zweite Fouling-Schwächungs-Strategie basiert auf der Überlagerung stationärer
Flüssigkeitsströme. Solche Schübe-Verlagerung des Gleichgewichts der Kräfte
soll für einen verbesserten Abreinigungsprozeß sorgen. Fouling-Experimente haben
ergeben, daß die Strömungs-Pulsation ein erfolgreiches Instrument darstellt,
um den Aufbau von Fouling-Ablagerungen auf Wärmeübergangsflächen zu
schwächen.
Das Dokument DE 198 52 473 C1 beschreibt eine Kokillenplatte einer Kokille aus
Kupfer in einer Stranggießanlage. Die Kokillenplatte hat eine im Betrieb der
Stranggießanlage der Metallschmelze bzw. einem teilerstarrten Metallstrang zugewandte
Arbeitsfläche und mindestens eine im Betrieb der Stranggießanlage ein
Kühlmedium kontaktierende Kühlfläche. Auf die Kühlfläche der Kokillenplatte ist
zumindest in einem Teilbereich eine Schicht mit einer Wärmeleitfähigkeit aufgebracht,
die kleiner als die Platten-Wärmeleitfähigkeit der Kokillenplatte ist.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Verzögerung der Belagbildung von Wärmeaustauschflächen
in Stranggießkokillen anzugeben und damit die Standzeit der Kokillenplatten
zu verlängern und die Wirtschaftlichkeit des Gießbetriebes zu verbessern.
Zur Lösung der Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch
1 mit der Erfindung folgende Maßnahme vorgeschlagen: mechanische Beeinflussung
der Oberflächenglätte der Wärmeaustauschflächen nach Maßgabe
von Material und Struktur der Wärmeaustauschflächen bzw. Beschichtung der
Wärmeaustauschflächen mit einer relativ dünnen und gut wärmeleitenden Schicht;
bzw. pulsierende Strömungsführung an den Wärmeaustauschflächen, wobei der
Strömung eine Oszillation mit zeitweiliger Geschwindigkeitserhöhung überlagert
wird.
Mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen wird die sogenannte Induktionsphase
verlängert. Weil diese Phase dem eigentlichen Fouling-Vorgang
vorausgeht, ist ein Zusammenschluß erster Kristallanhaftungen an der Wärmeübertragungsfläche
und deren Zusammenwachsen zu einer flächigen Foulingschicht
wesentlich erschwert, was sich positiv auf die Standzeit der Kokillenplatten
auswirkt und die Wirtschaftlichkeit des Gießbetriebes erheblich verbessert.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß es mit Hilfe einer Kombination
von wenigstens zwei der zuvor genannten Maßnahmen durchgeführt wird. Mit
dem Zusammenwirken wenigstens zwei der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
nicht nur deren Wirksamkeit summiert, sondern durch gegenseitige Wechselwirkung
weiter verstärkt und damit die betriebliche Wirksamkeit auf die Gesamtanlage
deutlich verbessert.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht bspw. vor, daß eine Bearbeitung der
Wärmetauscherflächen an den freigelegten Kühlkanälen einer Kokillenplatte bei
abgenommenem Wasserkasten vorgenommen wird. Mit dieser Maßnahme werden
Bearbeitungsprobleme geschlossener Wärmeaustauschkanäle vorteilhaft
vermieden und damit die entsprechenden Bearbeitungskosten deutlich reduziert.
Dabei kann dann die Bearbeitung der Wärmetauschoberflächen nach einer der
Bearbeitungsarten wie Läppen, Ziehschleifen oder Rollieren vorgenommen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Bearbeitung auch
durch Sandstrahlen oder durch Kugelstrahlen vorgenommen werden.
Eine andere Art der Bearbeitung von Wärmetauscherflächen einer Kokille sieht
vor, daß diese mit einer galvanischen Schicht oder mit einer chemisch aufgetragenen
Schicht aus Metall, insbesondere von Chrom oder Nickel von mindestens 2
bis 3 µm überzogen werden.
Hierzu wird auf der Wärmeaustauschfläche einer Kokille bspw. durch Elektrolyse
in einem Bad ein metallischer Niederschlag erzeugt, dessen Dicke von der Stromdichte
und der Expositionszeit abhängt. Vorzugsweise kann eine Nickelschicht mit
einer äußerst dünnen Kupfervorschicht von ca. 1 µm Dicke unterlegt sein. Dadurch
wird ein porenfreier Überzug erzeugt. Bei einem besonders dünnen und
gleichmäßigen Verchromen wird in der Regel erst verkupfert, dann vernickelt und
zuletzt eine Chromschicht von weniger als 1 µm Dicke aufgetragen. Hartverchromungen
erhält man in Bädern mit hoher Stromdichte und erhöhter Temperatur.
Auch kann die galvanische Schicht als Glanzvernickelungsschicht oder als
Hartverchromungsschicht ausgebildet sein.
Und schließlich kann die Schicht aus einer amorphen Kohlenwasserstoffschicht,
bspw. wie DLC (Diamond Like Carbon) Schicht mittels eines CVD (Chemical
Vapor Deposition) Verfahrens aufgebracht werden. Vorgeschlagen wird auch die
Lotuseffekt Oberfläche der Wärmeaustauschflächen oder das Beschichten der
Wärmetauschflächen mit sog. Lotuseffekt-Materialien, bspw. auf anorganischer
Basis, auf denen das Ankristallisieren von Belägen verhindert wird. Unter Lotuseffekt
wird die gezielte Mikrorauhigkeit in elektronenmikroskopischer Dimension
der Oberfläche verstanden, deren Kontaktfläche mit den Ablagerungspartikeln so
gering ist, dass diese Substanzen nicht haften bleiben.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorgenannten Maßnahmen kann zur
Hemmung des Stoffüberganges an der Phasengrenze der Wärmeübergangsflächen
der im geschlossenen Kreislauf geführten Wärmeübertragungsflüssigkeit
eine organische Säure, bspw. eine Essigsäure, zugesetzt werden. Diese verringert
an der Grenzfläche die Haftkräfte von einzelnen Kristallen und trägt somit zur
weiteren Verlängerung der Induktionsphase des Fouling-Prozesses bei.
Es kann ferner vorgesehen sein, daß zur Kontrolle der Belagbildung in Kühlkanälen
einer Stranggießkokille die Temperatur der Kokillenplatten bevorzugt an mehreren
Stellen laufend überwacht und registriert wird, und daß bei überproportionalem
Temperaturanstieg die Kokille ausgetauscht oder regeneriert wird.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ergeben eine erhebliche Kostenminimierung
beim Stranggießprozeß durch Schutz der Kühlkanäle in den Kokillenplatten
gegen das sog. Fouling. Die Verfügungsdauer von Kokillen wird erhöht.
Die Wirtschaftlichkeit des gesamten Gießprozesses wird verbessert.