EP1581779B9 - Kühlelement, insbesondere für öfen, sowie verfahren zur herstellung eines kühlelementes - Google Patents

Kühlelement, insbesondere für öfen, sowie verfahren zur herstellung eines kühlelementes Download PDF

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EP1581779B9
EP1581779B9 EP03782142A EP03782142A EP1581779B9 EP 1581779 B9 EP1581779 B9 EP 1581779B9 EP 03782142 A EP03782142 A EP 03782142A EP 03782142 A EP03782142 A EP 03782142A EP 1581779 B9 EP1581779 B9 EP 1581779B9
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
copper
pipes
cooling element
cooling
cast
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03782142A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1581779B1 (de
EP1581779A1 (de
Inventor
Karlfried Pfeifenbring
Marcus Hering
Peter H. MÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hundt and Weber GmbH
Original Assignee
Hundt and Weber GmbH
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D1/00—Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/12—Casings; Linings; Walls; Roofs incorporating cooling arrangements

Definitions

  • the invention relates to a cooling element, in particular for use in walls of highly thermally stressed furnaces, consisting of cast copper or a low-alloyed copper alloy with arranged in its interior coolant channels made of cast copper in the copper or copper alloy copper pipes.
  • Such cooling elements are usually arranged between the shell and the lining of a furnace, often for use behind the refractory lining, including the cooling elements to the cooling system of the furnace, for.
  • the surfaces of these cooling elements can, as for example in the EP 0 816 515 A1 is described, provided on the side facing the furnace interior with additional webs or grooves or honeycomb depressions, so as to allow a better bond with the refractory lining of the furnace or a good adhesion of the furnace process resulting and due to the intense cooling by the cooling elements solidifying slag or metal to protect the cooling element from chemical attack and erosion.
  • cooling elements are usually in the form of cooling plates in the furnace walls or the ceiling or the hearth area of cylindrical or oval shaft furnaces. Also used are such Cooling elements also in pig iron blast furnaces, in electric arc furnaces, direct reduction reactors and melter gasifiers. Further areas of use for the cooling elements are burner blocks, nozzles, pouring troughs, electrode clamps, taphole blocks, hearth anodes or dies for anode forms.
  • a high degree of heat dissipation is aimed at the cooling elements, whereby both the service life of the cooling elements can be improved and it is avoided that thermal peak loads of the furnace process, especially during dynamic operation, lead to destruction of the cooling element.
  • Metallurgical dependencies also play a major role in the use of copper melts. Copper melts tend to absorb gases. Hydrogen and oxygen in particular have a disruptive effect on the casting process. The duration of the melting time and possibly the superheating temperature also play a role and can vary from melting process to melting process. Hydrogen and oxygen are in equilibrium with each other, which is why low hydrogen contents are set at high oxygen contents and vice versa. Since the solubility of hydrogen in solid copper is much lower than in liquid copper, it can be deduced that the solubility for hydrogen decreases significantly with decreasing temperature. The transition from the liquid to the solid phase of the copper melt has an extremely large reduction in solubility for hydrogen, one generally speaks of a solubility jump when falling below the liquidus temperature, this is about 3.5 ml of hydrogen per 100 g of copper melt.
  • the oxygen content must be deliberately reduced by a deoxidizing treatment of the melt in the ladle. Due to this, however, complicated two-stage metallurgical treatment of the copper melt, a reaction with the oxygen of the copper oxide of the cast-copper pipes can no longer lead to an undesirable formation of water vapor and thus gas bubbles within the melt.
  • the prior art further includes a cooling element, as this in the DE-PS 1386 645 is described.
  • the tube to be encapsulated is not in the mold from the beginning, but first the copper melt for the production of copper block is placed in the mold, and then immersed the prefabricated tube in this melt, at the same time the tube inner walls are cooled.
  • the attachment proposed an additional layer on the outside of the tube, said additional layer consists of a further, third metal, which can be applied, for example, galvanically on the tube. Which metals can be suitable for such purposes, remains open.
  • the invention has for its object to provide a cooling element in particular for use in walls of thermally highly loaded stoves, which is characterized at the interfaces between the cooling tube and Umgussmetall by an improved composite material and thus an increased heat transfer. Furthermore, a method is proposed, with which such a cooling element can be produced.
  • the tubes to be cast in the manufacture of the cooling element are previously coated by electroplating with a suitable metal layer, this metal layer on the one hand brings no deterioration, but rather an improvement of the heat transfer with it, so has a very good specific heat conduction.
  • the galvanically applied metal layer leads to advantages in the passivation of the pipe outside against oxidation effects during casting, further improves the adhesion between the pipe and Umgussmetall as a result of bordering adjusting diffusion processes. It is thus an immediate connection between the Umgussmetall and the cast-tube allows, the heat transfer is greatly improved and the cast-tube body promotes the subsequent use of the cooling element, for example, in an industrial furnace, a good cooling effect.
  • the tubes are copper tubes
  • the coating is a galvanic nickel coating. According to the method, this is achieved by coating the outside of the pipe in a galvanic nickel bath, the thickness of the layer thus formed being between 3 and 12 .mu.m, preferably between 6 and 10 .mu.m.
  • Nickel is characterized by a relatively good thermal conductivity, in addition, nickel has a density comparable to copper and a very similar atomic diameter.
  • the melting point of nickel at 1453 ° C is significantly higher than the melting point of copper at 1083 ° C, which prevents or delays melting of the electrolytic nickel layer during filling of the liquid copper.
  • the high melting point of the nickel protects the nickel plating layer of the tube from attack by the melt, such as an additional tube.
  • the high heat energy causes diffusion processes to take place between the galvanic nickel layer and the copper encapsulation, which lead to a significantly better adhesion of the encapsulation to the copper tube.
  • connection surface is corrosion resistant, here in particular affects the complete solubility of the copper for nickel and the approximately equal atomic diameter positive.
  • the nickel of the galvanic nickel layer in this region is barely detectable.
  • the long cooling time after the solidification of the copper up to the end of the diffusion processes at about 400 ° C, which at least makes up depending on the size of the cast cooling element 4 to 8 hours.
  • the thickness of the nickel layer electroplated on the outside of the pipe the optimum seems to exist between 6 and 10 ⁇ m.
  • the copper pipes are coated only after the production of the desired pipe shape.
  • the manufacture of the copper tube including all desired bends, branches and similar flow structures takes place. Only then will the Copper pipes electrolytically nickel-plated on the outer side of the pipe in a galvanic bath. If, in contrast, the copper pipe is already nickel-plated before the various deformation processes are carried out, it turns out that the nickel layers change greatly due to the heating in the region of, for example, the arcs and radii of the pipe, and thus does not subsequently establish a uniform bond with the metal casting.
  • the tube outer sides are mechanically blasted before the coating, preferably by blasting with a coarse glass grain. Before electroplating is a strong pickling, d. H. Staining required. Furthermore, it is advantageous if the coated tube outer sides are degreased prior to encapsulation of the tubes, preferably by cleaning with acetone.
  • the finished in their geometry copper tubes are first blasted with coarse glass grain, so as to achieve a rough as possible and thus large surface with the result of a good pre-cleaning and activation of the tubes. Subsequently, the electrolytic coating of the tube outside in the galvanic nickel bath then takes place. Due to the previously activated by decapitation surface good adhesion of the nickel layer is achieved. During the subsequent installation of the copper pipes in the molding box of the casting mold, attention should be paid to a non-greasy surface, whereby the cleaning of the pipes with acetone is recommended. Then, the sprue of the liquid copper takes place in the casting mold. Based on the previously cleaned surface, any oxidation of the pipe surfaces during casting could be avoided. A deterioration of the network is prevented in this way. Even a slight oxidation of the nickel surface does not appear to be detrimental to the incoming fusion and the ongoing diffusion processes.
  • the tubes are not copper tubes, but copper-nickel tubes with a copper content of 30 to 70% and a nickel content of 20 to 65%, wherein the electrolytic coating is a copper coating is.
  • a suitable method for producing such a cooling element method is characterized in that the tubes used are copper-nickel tubes with a copper content of 30 to 70% and a nickel content of 20 to 65%, and that the coating of the tube outer sides done in a galvanic copper bath.
  • Table 2 shows the test results of the thermographic examination by thermal image evaluation: Table 2 Test results of the thermographic examination (thermal image evaluation) Cooling through 1.8 m 3 / h water flow rate and 6 bar pressure from about 175-180 ° Celsius TEMPERATURES IN ° CELSIUS Sample No.
  • Table 3 gives the results of the shear tests carried out, specifying the shear strength ⁇ in N / mm 2 for the four material combinations copper without nickel plating, copper with nickel plating, Monel 400 without copper layer and Monel 400 with electrolytic copper layer.
  • Table 3 Results of the shear test in N / mm 2 Example results: copper without Ni layer 4.5 copper with Ni layer 20.7 4-5 times by optimal nickel coating Monel 400 without Cu layer 4.8 Monel 400: with Cu layer 27.4 5-6 times by optimal copper coating
  • the thus prepared specimens were heated in an annealing furnace, during the subsequent cooling with a defined amount of water and a defined pressure thermographic images were taken with the help of an infrared camera.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kühlelement, insbesondere für den Einsatz in Wandungen thermisch hochbelasteter Öfen, bestehend aus gegossenem Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung mit in seinem Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen aus in dem Kupfer bzw. der Kupferlegierung eingegossenen Kupferrohren.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines in seinem Inneren mit aus Kupferrohren gebildeten Kühlmittelkanälen versehenen Kühlelements, insbesondere für den Einsatz in Wandungen thermisch hochbelasteter Öfen, mit den Schritten
    1. a) Fertigung des Rohres einschließlich aller gewünschten Krümmungen, Abzweigungen und dergleichen Strömungsstrukturen,
    2. b) innerhalb einer Gießform Umgießen der Rohre mit geschmolzenem Kupfer oder Kupferlegierung bei vorzugsweise gleichzeitiger Kühlung der Rohrinnenwandungen,
    3. c) Abkühlen der Kupferschmelze.
  • Derartige Kühlelemente werden üblicherweise zwischen dem Mantel und der Ausmauerung eines Ofens angeordnet, häufig auch für eine Nutzung hinter der Feuerfest-Ausmauerung, wozu die Kühlelemente an das Kühlsystem des Ofens, zum. Beispiel eines pyrometallurgischen Schmelzofens, angeschlossen sind. Die Oberflächen dieser Kühlelemente können, wie dies zum Beispiel in der EP 0 816 515 A1 beschrieben ist, auf der dem Ofeninneren zugewandten Seite mit zusätzlichen Stegen oder Nuten oder wabenförmigen Vertiefungen versehen sein, um so einen besseren Verbund mit der feuerfesten Auskleidung des Ofens zu ermöglichen bzw. eine gute Haftung der im Ofenprozess entstehenden und aufgrund der intensiven Kühlung durch die Kühlelemente erstarrenden Schlacke oder des Metalls als Schutz des Kühlelementes vor chemischen Angriff und vor Erosion sicherzustellen. Der Einsatz der Kühlelemente erfolgt üblicherweise in Form von Kühlplatten im Bereich der Ofenwände oder der Decke oder des Herdbereiches von zylindrischen oder ovalen Schachtöfen. Ebenso zum Einsatz kommen derartige Kühlelemente auch bei Roheisen-Hochöfen, in Lichtbogenöfen, Direktreduktions-Reaktoren und Einschmelzvergasern. Weitere Einsatzbereiche für die Kühlelemente sind Brennerblöcke, Düsen, Gießmulden, Elektrodenklammern, Abstichlochblöcke, Herdanoden oder Kokillen für Anodenformen.
  • Grundsätzlich angestrebt wird bei den Kühlelementen ein hohes Maß an Wärmeableitung, wodurch sich sowohl die Standzeit der Kühlelemente verbessern lässt als auch vermieden wird, dass thermische Spitzenbelastungen des Ofenprozesses, insbesondere bei dynamischem Betrieb, zu einer Zerstörung des Kühlelementes führen.
  • Bei Kühlelementen mit umgossenen Rohren als Kühlmittelkanäle wird neben einer guten, möglichst verlustfreien Strömungsführung ein guter Wärmeübergang von dem Gußmetall des Kühlelementes auf die in den Rohren strömende Kühlflüssigkeit angestrebt. In der oben bereits benannten EP 0 816 515 A1 wird zu diesem Zweck ein verbesserter Verbund zwischen Rohr und Vergussmasse in der Weise vorgeschlagen, dass ein Teil der dickwandig ausgeführten Kupferrohre beim Umgießen mit dem flüssigen Kupfer angeschmolzen wird, was jedoch, da Rohr und Schmelze wegen ihrer Materialgleichheit im Wesentlichen denselben Schmelzpunkt aufweisen, mit erheblichen prozesstechnischen Schwierigkeiten verbunden ist. Bei einem verhältnismäßig kalten Guss besteht die Gefahr, dass das Rohr nicht ausreichend mit dem eingegossenen Metall verschweißt. Die Folge hiervon ist ein sehr großer Wärmeübergangswiderstand zwischen Rohr und Umgussmetall. Erhöht man umgekehrt die Gusstemperatur, so ist, selbst bei Verwendung dickwandiger Rohre, ein stellenweises Auflösen und Durchschmelzen der Rohre, zumindest aber ein Eindrücken des Querschnitts der Rohre kaum zu vermeiden. Ein so hergestellter Verbundgusskörper ist für den Einsatz in einem Ofen unbrauchbar.
  • Beim Einsatz von Kupferschmelzen spielen auch metallurgische Abhängigkeiten eine große Rolle. Kupferschmelzen neigen dazu, Gase aufzunehmen. Bei dem Gießprozess wirken sich insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff störend aus. Die Dauer der Schmelzzeit und ggf. die Überhitzungstemperatur spielen ebenfalls eine Rolle und können von Schmelzprozess zu Schmelzprozess variieren. Wasserstoff und Sauerstoff stehen im Gleichgewicht zueinander, weshalb bei hohen Sauerstoffgehalten niedrige Wasserstoffgehalte eingestellt sind und umgekehrt. Weil die Löslichkeit von Wasserstoff in festem Kupfer wesentlich geringer ist als in flüssigem Kupfer, lässt sich daraus ableiten, dass die Löslichkeit für Wasserstoff mit sinkender Temperatur deutlich abnimmt. Beim Übergang von der flüssigen in die feste Phase der Kupferschmelze wirkt sich eine extrem starke Reduzierung des Löslichkeitsvermögens für Wasserstoff aus, man spricht allgemein von einem Löslichkeitssprung beim Unterschreiten der Liquidustemperatur, dieser beträgt ca. 3,5 ml Wasserstoff pro 100 g Kupferschmelze.
  • Für die Aufnahmefähigkeit einer Schmelze für Gase spielen auch die Temperatur und der Druck eine wesentliche Rolle. Das Abgießen einer wasserstoffhaltigen Kupferschmelze unter Anwesenheit von Sauerstoff in Form von Kupferoxid auf der Rohroberfläche ist problematisch, da es sich beim Abgießen durch den Luftsauerstoff aufgrund der extrem schnellen Rohrerwärmung durch die Schmelze bildet. Aufgrund des Löslichkeitssprungs beim Übergang der Schmelze von ihrem flüssigen auf den festen Zustand reagiert der freiwerdende Wasserstoff mit dem Kupferoxid, indem dieses reduziert wird und der so entstehende Wasserdampf eine Gasporösität des Gusses verursacht. Verfahrenstechnisch kann man sich hiergegen mit einer Vakuumentgasung helfen, die allerdings einen zusätzlichen Aufwand darstellt. Alternativ lässt sich durch eine gezielte Sauerstoffaufladung eine Verschiebung des Wasser-Sauerstoff-Gleichgewichts in Richtung Sauerstoff erzielen, und damit eine Entfernung des Wasserstoffs. Im Anschluss an die oxidierende Schmelzenbehandlung muss der Sauerstoffgehalt gezielt abgebaut werden, indem eine desoxidierende Behandlung der Schmelze in der Pfanne erfolgt. Aufgrund dieser allerdings aufwendigen zweistufigen metallurgischen Behandlung der Kupferschmelze kann eine Reaktion mit dem Sauerstoff des Kupferoxids der umgossenen Kupferrohre nicht mehr zu einer unerwünschten Bildung von Wasserdampf und damit zu Gasblasen innerhalb der Schmelze führen.
  • Durch den Kontakt einer hocherhitzten Kupferschmelze mit einem in der Gießform angeordneten Kupferrohr kommt es, wie bereits beschrieben, zu einer mechanischen Schwächung des Kupferrohres. Das Rohr neigt dazu, an jenen Stellen eingedrückt zu werden, auf denen eine höhere Metallsäule lastet. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeit ist in der DE-PS 726 599 offenbart, während des Gießens Gase oder Flüssigkeiten unter einem erhöhten Gegendruck durch die Rohre hindurchzuleiten, wobei dieser Gegendruck etwa dem Verformungswiderstand des Rohres bei der Erweichungstemperatur entspricht. Aber auch bei Anwendung dieses Verfahrens lässt sich eine Oxidation des Rohres an seinen Außenflächen während des Gießvorganges nicht vermeiden.
  • Verschiedene Alternativen bei der Materialwahl der vergossenen Rohre sind in der US 6,280,681 beschrieben. Neben den Möglichkeiten, aber auch den Grenzen des Einsatzes von Rohren aus Stahl, Edelstahl und Kupfer ist auch ein Typ Kühlelemente beschrieben, bei dem Rohre aus einem im Handel als "Monel" bezeichneten Material verwendet werden. Dieses Material weist einen Kupfer-Anteil von 31 % und einen Nickel-Anteil von 63 % auf. Ferner ist in dieser Druckschrift beschrieben, dass man zur Erreichung eines guten Verbundes nicht nur Kupferrohre verwenden kann, sondern auch Rohre aus Cu-Ni-Legierungen wie z.B. UNS C 71500 mit einem Kupfer-Anteil von 70 % und einem Nickel-Anteil von 30 %. Diese Rohre haben aufgrund ihres höheren Schmelzpunktes den Vorteil einer höheren thermischen Belastbarkeit während des Gießens und lassen sich häufig auch ohne gleichzeitiges Durchleiten von Kühlwasser durch die Rohre während und nach dem Gießen herstellen. Mit solchen Rohren lässt sich die Gefahr von Durchbrüchen der Kupferschmelze in das Rohrinnere wesentlich reduzieren. Zur Wahrung eines freien Rohrdurchmessers werden diese vor dem Gießen mit Sand gefüllt, um so den Rohrquerschnitt aufrecht zu erhalten und ein Kollabieren des Rohres zu vermeiden. Leider haben die genannten Rohre aus Cu-Ni- und Ni-Cu-Legierungen eine wesentlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Kupferrohre, wodurch sich im späteren Betrieb als Kühlelement deutlich weniger Wärme abführen lässt, und es insbesondere zu thermischen Überlastungen von Bereichen der Ofenwand kommen kann. Außerdem sind Legierungen aus Nickel und Kupfer wesentlich fester, weshalb sie sich schlechter umformen und biegen lassen. In kritischen Bereichen wie z.B. engen 180°-Bögen müssen aufgrund des Einsatzes von vorgeformten Bögen wesentlich mehr Schweißnähte gezogen werden, wodurch, abgesehen von den höheren Fertigungskosten, die Gefahr späterer Leckagen wächst.
  • Ferner besteht die bereits beschriebene Gefahr erhöhter Gasporositäten aufgrund von Wasserdampfbildung, was ebenfalls die Gussqualität verschlechtert, die Wärmeabfuhr einschränkt und damit die Wärmeleitung reduziert, da die Gasblasen im Guß wie Isolatoren wirken. Von Nachteil ist ferner der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizient der beteiligten Metalle. Es kommt zu Druck- und Zugspannungen auf das in die Gießform eingebettete Rohr, was in Abhängigkeit von der Formgebung des Rohres zu einem örtlich schlechteren Verbund zwischen dem Rohr und dem umgossenen Kupfer und damit wiederum zu einer Verschlechterung der Wärmeleitung führen kann.
  • Zum Stand der Technik gehört ferner ein Kühlelement, wie dieses in der DE-PS 1386 645 beschrieben ist. Bei diesem Kühlelement befindet sich das zu umgießende Rohr nicht von Anfang an in der Gießform, vielmehr wird zunächst die Kupferschmelze zur Herstellung des Kupferblockes in die Gießform gegeben, und anschließend das vorgefertigte Rohr in diese Schmelze eingetaucht, wobei gleichzeitig die Rohrinnenwandungen gekühlt werden. Für den Fall, dass Rohr und Schmelze aus unterschiedlichen Metallen bestehen, wird die Anbringung einer zusätzlichen Schicht auf der Außenseite des Rohres vorgeschlagen, wobei diese Zusatzschicht aus einem weiteren, dritten Metall besteht, welches sich zum Beispiel galvanisch auf dem Rohr auftragen lässt. Welche Metalle für solche Zwecke geeignet sein können, bleibt offen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlelement insbesondere für den Einsatz in Wandungen thermisch hoch belasteter Öfen zu schaffen, das sich an den Grenzflächen zwischen Kühlrohr und Umgussmetall durch einen verbesserten Materialverbund und damit einem erhöhten Wärmeübergang auszeichnet. Ferner soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, mit dem sich ein solches Kühlelement herstellen lässt.
  • Zur Lösung wird ein Kühlelement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
  • Zur Lösung der Teilaufgabe der Bereitstellung eines für die Herstellung derartiger Kühlelemente geeigneten Verfahrens wird ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen.
  • Erfindungsgemäß werden daher die bei der Herstellung des Kühlelementes zu umgießenden Rohre zuvor auf galvanischem Wege mit einer geeigneten Metallschicht beschichtet, wobei diese Metallschicht einerseits keine Verschlechterung, sondern eher eine Verbesserung des Wärmeübergangs mit sich bringt, also eine sehr gute spezifische Wärmeleitung hat. Andererseits führt die galvanisch aufgetragene Metallschicht zu Vorteilen bei der Passivierung der Rohraußenseite gegen Oxidationseinflüsse während des Abgießens, ferner verbessert sich die Haftung zwischen Rohr und Umgussmetall infolge im Grenzbereich sich einstellender Diffusionsvorgänge. Es wird somit eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Umgussmetall und dem umgossenen Rohr ermöglicht, der Wärmeübergang wird stark verbessert und der so eingegossene Rohrkörper fördert beim späteren Einsatz des Kühlelements zum Beispiel in einem industriellen Ofen eine gute Kühlwirkung.
  • Von besonderem Vorteil sind insbesondere die Diffusionsvorgänge, welche sich in der äußersten Schicht der elektrolytischen Beschichtung einstellen, nachdem diese mit der eingegossenen Kupferschmelze in Kontakt kommt. Diese Diffusionsvorgänge führen zu einer deutlich verbesserten Haftung des Gussmetalls an dem Rohr, verbunden mit einem nahezu verlustlosen Wärmeübergang. Da an der Grenzfläche zwischen elektrolytischer Beschichtung des Rohres und dem umgossenen Kupfer eine dünne Legierungsschicht entsteht, ist die Verbindungsfläche in diesem Bereich nahezu korrosionsfest.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Kühlelementes wird vorgeschlagen, dass die Rohre Kupferrohre sind, und die Beschichtung eine galvanische Nickelbeschichtung ist. Verfahrungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Beschichtung der Rohraußenseiten in einem galvanischen Nickelbad erfolgt, wobei die Dicke der so gebildeten Schicht zwischen 3 und 12 µm, vorzugsweise zwischen 6 und 10 µm beträgt.
  • Nickel zeichnet sich durch eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit aus, außerdem verfügt Nickel über eine dem Kupfer vergleichbare Dichte und einen sehr ähnlichen Atomdurchmesser. Der Schmelzpunkt von Nickel liegt mit 1453 °C deutlich höher als der Schmelzpunkt von Kupfer mit 1083 °C, wodurch beim Einfüllen des flüssigen Kupfers ein Anschmelzen der elektrolytischen Nickelschicht vermieden oder verzögert wird. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass der hohe Schmelzpunkt des Nickels die galvanische Nickelschicht des Rohres vor einem Angriff durch die Schmelze schützt, wie ein zusätzliches Rohr. Zugleich führt die hohe Wärmeenergie dazu, dass sich zwischen der galvanischen Nickelschicht und dem Umguss aus Kupfer Diffusionsvorgänge abspielen, die zu einer deutlich besseren Haftung des Umgusses an dem Kupferrohr führen. Durch das Entstehen einer dünne Legierungsschicht an der Grenzfläche zwischen dem Rohr und der Umgussmasse wird die Verbindungsfläche korrosionsfest, hier wirkt sich vor allem die vollständige Löslichkeit des Kupfers für Nickel und der annähernd gleiche Atomdurchmesser positiv aus. Nach Abschluss des Gusses und der Erstarrung des Kupfers ist das Nickel der galvanischen Nickelschicht in dieser Region kaum noch nachweisbar. Hier wirkt sich auch die lange Abkühlzeit nach dem Erstarren des Kupfers bis hin zum Ende der Diffusionsvorgänge bei etwa 400 °C aus, was immerhin je nach Größe des gegossenen Kühlelementes 4 bis 8 Stunden ausmacht.
  • Hinsichtlich der Dicke der auf die Rohraußenseite galvanisch aufgetragenen Nickelschicht scheint das Optimum zwischen 6 und 10 µm zu bestehen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Kupferrohre erst nach der Fertigung der gewünschten Rohrgestalt beschichtet werden. Es erfolgt also zunächst die Herstellung des Kupferrohres einschließlich aller gewünschter Krümmungen, Abzweigungen und dergleichen Strömungsstrukturen. Erst dann werden die Kupferrohre auf ihrer Rohraußenseite in einem galvanischen Bad elektrolytisch vernickelt. Wird demgegenüber das Kupferrohr bereits vor der Durchführung der verschiedenen Verformungsprozesse vernickelt, so stellt sich heraus, dass sich die Nickelschichten aufgrund des Erwärmens im Bereich zum Beispiel der Bögen und Radien des Rohres stark verändern, und sich damit später kein gleichmäßiger Verbund mit dem Metallguß einstellt.
  • Mit einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Rohraußenseiten vor der Beschichtung mechanisch gestrahlt werden, vorzugsweise durch Strahlen mit grobem Glaskorn. Vor dem galvanischen Veredeln ist eine starke Dekapierung, d. h. Beizung erforderlich. Desweiteren ist es von Vorteil, wenn die beschichteten Rohraußenseiten vor dem Umgießen der Rohre entfettet werden, vorzugsweise durch Reinigung mit Aceton.
  • Die in ihrer Geometrie fertiggestellten Kupferrohre werden zunächst mit grobem Glaskorn gestrahlt, um so eine möglichst rauhe und damit große Oberfläche zu erzielen mit dem Ergebnis einer guten Vorreinigung und Aktivierung der Rohre. Anschließend erfolgt dann die elektrolytische Beschichtung der Rohraußenseiten in dem galvanischen Nickelbad. Aufgrund der vorher durch Dekapierung aktivierten Oberfläche wird eine gute Haftung der Nickelschicht erreicht. Beim anschließenden Einbau der Kupferrohre in den Formkasten der Gießform sollte auf eine fettfrei bleibende Oberfläche geachtet werden, wobei sich hierzu die Reinigung der Rohre mit Aceton empfiehlt. Sodann erfolgt der Einguss des flüssigen Kupfers in die Gießform. Basierend auf der vorher gesäuberten Oberfläche konnte während des Eingießens jegliche Oxidation der Rohroberflächen vermieden werden. Eine Verschlechterung des Verbundes wird auf diese Weise unterbunden. Selbst eine leichte Oxidation der Nickeloberfläche scheint sich bei der eintretenden Fusion sowie den ablaufenden Diffusionsvorgängen nicht nachteilig bemerkbar zu machen.
  • Die Ergebnisse durchgeführter Versuche zeigen, dass auch eine schnelle Abkühlung aus dem flüssigen Zustand infolge einer sehr intensiven Kühlung der mit Kühlwasser beschickten Kupferrohre während und nach dem Gießvorgang möglich ist. Normalerweise wirkt sich eine solche intensive Kühlung auf die Verbundqualität nachteilig aus. Bei Verwendung galvanisierter Kupferrohre hingegen konnten in Versuchen qualitätsmäßig gute Güsse selbst bei starker Kühlleistung des durch die Rohre durchgeleiteten Wassers erzielt werden. Es lässt sich daher von einem robusten, gegenüber Variationen der Verfahrensparameter relativ unempfindlichen Gussprozess sprechen.
  • Mit einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlelementes wird vorgeschlagen, dass die Rohre nicht Kupferrohre sind, sondern Kupfer-Nickel-Rohre mit einem Kupfer-Anteil von 30 bis 70 % und einem Nickel-Anteil von 20 bis 65 %, wobei die elektrolytische Beschichtung eine Kupferbeschichtung ist.
    Entsprechend ist ein zur Herstellung eines solchen Kühlelements geeignetes Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Rohre Kupfer-Nickel-Rohre mit einem Kupfer-Anteil von 30 bis 70 % und einem Nickel-Anteil von 20 bis 65 % sind, und dass die Beschichtung der Rohraußenseiten in einem galvanischen Kupferbad erfolgt.
  • In der folgenden Tabelle 1 sind die Ergebnisse an Hand von insgesamt elf durchgeführten Proben zusammengefasst, wobei auch Vergleichsproben ohne elektrolytische Veredelung geprüft wurden. Die Prüfung erfolgte unter Einsatz von Infrarot-Wärmemessungen (thermographische Analyse) sowie anschließender Scherversuche: Tabelle 1
    Proben-Nr. Material Schicht Auflage Röntgenergebnis
    1 Monel 400 (NiCu 63/31) Verkupfert 9 µm Verbund gut; im Bogen schlechter
    2 Monel 400 Vernickelt 9 µm Verbund sehr schlecht
    (NiCu 63/31)
    3 Kupfer Vernickelt 3 µm Gasblasen; Verbund gut
    4 Kupfer Vernickelt 6 µm Keine Blasen; Verbund sehr gut
    5 Kupfer Vernickelt 9 µm Ganz leichte Blasen; Verbund sehr gut
    6 Monel 400 Ohne Veredelung - Total vergast
    (NiCu 63/31)
    7 Monel 400 (NiCu 63/31) Ohne Veredelung - Ziemlich vergast
    8 Kupfer Ohne Veredelung - Verbund sehr gut
    9 Kupfer Ohne Veredelung - Verbund sehr gut; leichte Blasen in einem Teilbereich
    10 CuNi Ohne Veredelung - Verbund eher schlecht
    (10Fe1Mn)
    11 CuNi Ohne Veredelung - Verbund eher schlecht
    (10Fe1Mn)
  • Die besten Ergebnisse zeigten daher die Proben Nr. 4 und Nr. 5, bei denen jeweils ein Kupferrohr mit galvanischer Vernickelung eingesetzt wurde, wobei die Schichtdicke bei Probe Nr. 4 6 µm und bei Probe Nr. 5 9 µm beträgt. Einen guten Verbund zeigt auch die Probe Nr. 3 mit einer reduzierten Nickelschicht von 3 µm. Aber auch die nach dem Parallelverfahren unter Einsatz eines Rohres "Monel 400" durchgeführten Versuche zeigen noch einen guten Verbund zwischen Rohr und Umgussmasse, lediglich im Bereich des Rohrbogens zeigten die durchgeführten Scherversuche schlechtere Ergebnisse.
  • Die nachfolgende Tabelle 2 gibt die Versuchsergebnisse der thermografischen Untersuchung durch Wärmebild-Auswertung wieder: Tabelle 2
    Versuchsergebnisse der thermografischen Untersuchung (Wärmebild-Auswertung)
    Abkühlung durch 1,8 m3 / h Wasser-Durchflussmenge und 6 bar Druck
    ab ca. 175-180 °Celsius
    TEMPERATUREN IN °CELSIUS
    Proben-Nr Nach 10 sec Nach 30 sec Nach 60 sec Nach 120 sec Nach 200 sec
    1 168,8 159,9 143,5 116,2 89,4
    2 173,2 167,4 157,7 131,8 100,8
    3 165,7 145,1 124,4 92,0 64,7
    4 165,3 144,4 122,2 88,9 62,8
    5 163,9 143,2 119,1 86,7 59,7
    6 176,4 172,6 167,2 155,0 123,7
    7 174,1 169,7 163,7 152,6 135,5
    8 166,6 158,2 133,4 103,2 71,8
    9 168,0 157,5 141,2 110,2 79,7
    10 177,2 171,1 172,3 165,9 144,4
    11 179,0 176,8 172,6 159,3 125,6
  • Die nachfolgende Tabelle 3 schließlich gibt die Ergebnisse der durchgeführten Scherversuche unter Angabe der Scherfestigkeit τ in N/mm2 für die vier Materialpaarungen Kupfer ohne Vernickelung, Kupfer mit Vernickelung, Monel 400 ohne Kupferschicht und Monel 400 mit elektrolytischer Kupferschicht wieder. Die besonders guten Ergebnisse bei dem Einsatz eines vernickelten Kupferrohres sowie eines verkupferten Rohres aus Monel 400 sind augenfällig: Tabelle 3
    Ergebnisse des Scherversuchs in N/mm2
    Beispielergebnisse:
    Kupfer ohne Ni-Schicht 4,5
    Kupfer mit Ni-Schicht 20,7 das 4-5 fache durch optimale Nickelbeschichtung
    Monel 400 ohne Cu-Schicht 4,8
    Monel 400: mit Cu Schicht 27,4 das 5-6 fache durch optimale Kupferbeschichtung
  • Den in den Tabellen 1, 2 und 3 zusammengefaßten Proben- und Scherergebnissen liegt der in Fig. 1 dargestellte Probenkörper zugrunde. Das Rohr nimmt einen U-förmigen Verlauf durch den Gußkörper, mit einem aus dem Gußkörper herausragenden Zulauf und einem Ablauf. Bei den Versuchen verwendet wurden jeweils Rohre mit einem Außendurchmesser von 33 mm, und einem Innendurchmesser von 21 mm, die Abmessungen des gegossenen Blocks betrugen 360 mm/200 min/80 mm. Die Rohrabmessungen lassen erkennen, daß die Wanddicke der bei den Gießversuchen verwendeten Rohre jeweils 6 mm betrug.
  • Die so gefertigten Probenkörper wurden in einem Glühofen erwärmt, während der anschließenden Abkühlung mit einer definierten Wassermenge und einem definierten Druck erfolgten thermografische Aufnahmen mit Hilfe einer Infrarot-Kamera.

Claims (8)

  1. Kühlelement, insbesondere für den Einsatz in Wandungen thermisch hochbelasteter Öfen, bestehend aus gegossenem Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung mit in seinem Inneren angeordneten Kühlmittelkanälen aus in dem Kupfer bzw. der Kupferlegierung eingegossenen Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre der Kühlmittelkanäle Kupferrohre sind, die außenseitig eine elektrolytische Beschichtung haben.
  2. Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung zwischen 3 und 12 µm vorzugsweise zwischen 6 und 10 µm beträgt.
  3. Verfahren zur Herstellung eines in seinem Inneren mit aus Rohren gebildeten Kühlmittelkanälen versehenen Kühlelements, insbesondere für den Einsatz in Wandungen thermisch hochbelasteter Öfen, mit den Schritten
    a) Fertigung des Rohres einschließlich aller gewünschten Krümmungen, Abzweigungen und dergleichen Strömungsstrukturen,
    b) Innerhalb einer Gießform Umgießen der Rohre mit geschmolzenem Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung bei vorzugsweise gleichzeitiger Kühlung der Rohrinnenwandungen,
    c) Abkühlen der Kupferschmelze,
    dadurch gekennzeichnet, dass Kupferrohre verwendet werden und bei der Fertigung der Rohre zumindest jene Bereiche der Rohraußenseiten, welche später mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung umgossen werden, elektrolytisch beschichtet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre erst nach der Fertigung der gewünschten Rohrgestalt beschichtet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohraußenseiten vor der Beschichtung mechanisch bestrahlt werden, vorzugsweise durch Strahlen mit grobem Glaskom.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Rohraußenseiten vor dem Umgießen der Rohre entfettet werden, vorzugsweise durch Reinigung mit Aceton.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Rohre Kupferrohre sind, und dass die Beschichtung der Rohraußenseiten in einem galvanischen Nickelbad erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der galvanischen Schicht zwischen 3 und 12 µm vorzugsweise zwischen 6 und 10 µm beträgt.
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