EP1627195A1 - Prozessbehälter mit kühlelementen - Google Patents

Prozessbehälter mit kühlelementen

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EP1627195A1
EP1627195A1 EP04739393A EP04739393A EP1627195A1 EP 1627195 A1 EP1627195 A1 EP 1627195A1 EP 04739393 A EP04739393 A EP 04739393A EP 04739393 A EP04739393 A EP 04739393A EP 1627195 A1 EP1627195 A1 EP 1627195A1
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EP
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base plate
cooling
process container
cooling elements
casing
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Andreas Loebner
Reinhard PÜLLENBERG
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Maerz Ofenbau AG
"Berzelius" Stolberg GmbH
Ecobat Resources Stolberg GmbH
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Maerz Ofenbau AG
"Berzelius" Stolberg GmbH
Berzelius Stolberg GmbH
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    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
    • F27B3/24—Cooling arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D2009/001—Cooling of furnaces the cooling medium being a fluid other than a gas
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    • F27D2009/0021—Cooling of furnaces the cooling medium passing through a pattern of tubes with the parallel tube parts close to each other, e.g. a serpentine
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Definitions

  • the invention relates to a process container with cooling elements and with at least one applied on the inside of a metallic container shell refractory lining layer, each cooling element consists of a base plate and at least one heat-conducting connected thereto cooling channel, the ends of each of which a connection arrangement for the connection to the Have cooling channel of an adjacent cooling element.
  • the refractory linings of metallurgical containers must be resistant to the action of liquid melts and slags and also have an insulating effect, so that the container jacket remains cool enough and thus sufficiently stable. The often considerable wear of the linings can be reduced by their cooling.
  • cooling elements For electric melting furnaces cooling elements are known which form a substantial static component of the container wall construction, by relatively large, rigid plate elements and are in firm association with the applied directly on its inside refractory lining layer. Examples of such cooling elements can be found in US 3,314,668, US 4,221,922, O02 / 27042 or WO 02/081757. The dimensions of such a cooling element are, for example, 1.71 m ⁇ 6.10 m, and the thickness of its base plate 16 mm, according to the specifications of said US Pat. No. 4,221,922.
  • the invention has for its object to find a process container of the type mentioned, which can be produced with relatively little effort and thus cost by Nachrusten an existing Rothbehalters and by reducing the wear of its refractory lining a longer operation until the next Repair of the lining allows.
  • the metallic Behaltermantel a metallurgical Sawbehalters will differ in any case from the theoretically ideal shape eg cylindrical shape.
  • the imperfections of the unloaded, new component are usually still quite small. But if the container jacket is heated by the process heat, it expands. Since the jacket temperature is not uniform due to different heat supply and / or removal, for example due to unilateral curling by wind or by deposition of dust on individual zones, the strains are different over the circumference.
  • the mantle will inevitably deviate from the theoretical eg cylindrical shape. Localized bulges or indentations can become particularly large if limited damage to the refractory lining results in severe localized overheating.
  • the cooling device described with reference to the embodiment is suitable for adapting to such changes in shape and thereby withstanding the high surface temperatures of, for example, a reflow furnace for lead refining.
  • FIG. 1 shows a radial section through a region of a container jacket equipped with cooling elements according to FIG.
  • FIG. 2 shows a complete plan view of a cooling element and a partial representation of two adjacent, similar, incompletely shown cooling elements.
  • the standing or lying arranged, for example, cylindrical process container 1 has a molded steel container shell 2, which is protected against a highly heated container contents, such as a molten metal th by refractory lining layers 3.4.
  • a highly heated container contents such as a molten metal th by refractory lining layers 3.4.
  • a plurality of identically designed cooling elements 5, 5 ', 5 attached to the outside of the container shell 2 .
  • Each cooling element 5, 5 ', 5 ", of which on a process container 1 with a diameter of, for example, 3 m and a length of, for example, 25 m both in the circumferential direction and in the longitudinal direction, for example, twenty each are arranged side by side consists essentially of a relatively thin and thus flexible base plate 6, with a thickness of less than 5 mm and preferably 3 or 4 mm and at least one, with this heat-conducting connected cooling channel. 7
  • the cooling channel 7 extends with several, for example, three courses 8,9,10 and connecting 180 ° curvatures serpentine or serpentine curved along the outer surface of the base plate 6 facing away from the container shell 2 over as large a part of its surface as possible large surface to be in heat-conducting contact.
  • He has, for example, the shell-shaped cross-sectional shape of a half-cut tube, which is welded along its cross-sectional ends with the base plate 6, so that the base plate 6 forms part of the channel cross-section.
  • other cross-sectional shapes may be chosen, examples of which are known by the aforementioned US 4,221,922.
  • connection arrangement which extends from one of the cooling element 5, 5 ', 5" or from the process container 1 consists of an externally directed, curved connecting piece 13,14 with an end flange 15,16 and a one of the connecting pieces 13,14 of adjacent cooling elements 5, 5 ', 5 "connecting end flanges 17,18 having compensation tube 19. It has a corrugated tube portion 20, so that it can compensate for inaccuracies of the association between adjacentdeele ' elements 5, 5', 5 "and thermal expansion in the container shell 2.
  • Base plate 6 extend at corresponding positions provided bolt holes 22 and are also provided along the edges 27,28 of the base plate 6 in a gap between adjacent Kuhlelementen 5, 5 ', 5 “A respectively staggered on them Druckstuck 23, which is considerably wider than that Bolt holes 22 and a plate spring 24 are clamped by a nut 25, so that each base plate 6 is printed with elastic bias at numerous points corresponding to the size of the Druckstuckes 23 against Behaltermantel 2 and conforms by bending deformation to the surface shape of Behaltermantels 2.
  • the base plate 6 ensures a good adaptation to irregularities of the surface of Behaltermantels 2, which are production-related and also result from the heating of the Prozeßbehalters and its charging, so that was a more extensive eubertragender contact the Kuhletti 5, 5 ', 5 "with Behalterm antel 2 is guaranteed.
  • the plastic deformability of the heat-insulating paste ensures an adaptation on shape or large changes in the filled column as a result of said, resulting in the operation of the process container relative deformations between the base plate 6 and the Behalterwand 2. This also contributes to the elastic bias of the screw fastening, which achieved by said plate springs 24 becomes.
  • threaded holes 25 are provided in several places in the base plate 6, in which the nipple of a paste press can be connected.
  • thermosetting Warmeleitpaste 30,31 which is applied externally along the edges of the base plate 6 and thereby also the gap 31 between adjacent cooling elements 5, 5 ', 5 "can fill .
  • the sealing along the edges of the base plate 6 also allows the use of a less viscous and in terms of their heat conduction optimized Warmeiteitpaste between the container shell 2 and the base plate 6 of the cooling elements 5, 5 ', 5 ".

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Description

Prozessbehälter mit Kühlelementen
Die Erfindung betrifft einen Prozessbehälter mit Kühlelementen und mit mindestens einer auf der Innenseite eines metallischen Behältermantels aufgebrachten feuerfesten Auskleidungsschicht, wobei jedes Kühlelement aus einer Basisplatte und mindestens einem, mit dieser wärmeleitend verbundenen Kühlkanal besteht, dessen Enden jeweils eine Verbindungsanordnung für den An- schluss an den Kühlkanal eines benachbarten Kühlelementes aufweisen.
Die feuerfesten Auskleidungen metallurgischer Behälter müssen beständig sein gegenüber der Einwirkung flüssiger Schmelzen und Schlacken und außerdem isolierend wirken, so dass der Behältermantel kühl genug und somit ausreichend tragfähig bleibt. Der oft erhebliche Verschleiß der Auskleidungen kann durch ihre Kühlung verringert werden.
Für elektrische Schmelzöfen sind Kühlelemente bekannt, die einen wesentlichen statischen Bestandteil der Behälterwandkonstruktion bilden, indem sie verhältnismäßig große, steife Plattenelemente darstellen und in festem Verbund mit der unmittelbar auf ihrer Innenseite aufgebrachten feuerfesten Auskleidungsschicht stehen. Beispiele solcher Kühlelemente sind in den US 3,314,668, US 4,221,922, O02/27042 oder WO 02/081757 zu finden. Die Abmessungen eines solchen Kühlelementes betragen entsprechend den Angaben der genannten US 4,221,922 beispielsweise 1,71 m x 6,10 m und die Dicke ihrer Basisplatte 16 mm.
Die häufig angewandte Kühlung der Behälterwand durch eine äußere Wasserberieselung hat den Nachteil von Wasserverlusten und Ablagerung von Kalk und Verunreinigungen. Es ist auch bekannt, auf den Behaltermantel Kuhlrohre aufzuschweißen. Dadurch können jedoch im Behaltermantel Risse entstehen, durch die Kuhlwasser in die Auskleidungsschicht eindringt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prozessbehal- ter der eingangs genannten Art zu finden, der mit verhältnismäßig geringem Aufwand und damit kostengünstig auch durch Nachrusten eines vorhandenen Prozessbehalters herstellbar ist und der durch eine Verringerung des Verschleißes seiner feuerfesten Auskleidung einen längeren Betrieb bis zur nächsten Reparatur der Auskleidung ermöglicht.
Die Losung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemaß dadurch, dass die Kuhlelemente durch Schraubverbindungen mit jeweils einem an den Behaltermantel außen angeschweißten Gewindebolzen außen am Behaltermantel befestigt sind, so dass sie sich unter dem Spanndruck der Schraubverbindungen durch Biegeverformung an diesen anschmiegen.
Der metallische Behaltermantel eines metallurgischen Prozessbehalters wird in jedem Fall von der theoretisch idealen Form z.B. Zylinderform abweichen. Die Imperfektionen des unbelasteten, neuen Bauteils sind meist noch recht klein. Wird der Behaltermantel aber durch die Prozesswarme erhitzt so dehnt er sich aus. Da die Manteltemperatur durch unterschiedliche Wärmezufuhr und/oder -Abfuhr z.B. durch einseitige Anstromung durch Wind oder durch Ablagerung von Staub auf einzelnen Zonen nicht gleichmaßig ist, sind die Dehnungen über den Umfang unterschiedlich. Der Mantel wird so zwangsläufig von der theoretischen z.B. Zylinderform abweichen. Besonders groß können lokale Aus- oder Einbuchtungen werden, wenn begrenzte Schaden an der feuerfesten Auskleidung eine starke lokale Uberhitzung zur Folge haben. Wahrend die herstellungsbedingten Imperfektionen in der Größenordnung von 1/1000 z.B. des Manteldurchmessers sind, findet man bei Behaltern nach mehrjährigem Betrieb Formabweichungen im Bereich von 1/100 des Durchmessers. Weitere Ursachen für solche Verformungen des Mantels eines Prozessbehälters können sein: Gewichtsbelastung durch die Schmelze, Last durch Schwerpunktsverlagerung z.B. beim Kippen des Gefäßes zum Entleeren der Schmelze und/oder Stützkräfte die durch Dehnung der feuerfesten Auskleidung von innen auf den Mantel einwirken.
Schließlich ist auch die Dehnungen und Formänderungen eines metallischen Ofenmantels bei der Inbetriebnahme und bei der Stillsetzung eines Ofens zu berücksichtigen, die durch die hohe Betriebstemperatur bedingt sind. Die anhand des Ausführungsbeispiels beschriebene Kühlvorrichtung ist geeignet, sich derartigen Formänderungen anzupassen und dabei den hohen Oberflächentemperaturen beispielsweise eines Schmelzofens für die Bleiraffination zu widerstehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen zu entnehmen. Diese zeigen in
Fig.l einen Radialschnitt durch einen Bereich eines mit Kühlelementen nach Fig.l ausgerüsteten Behältermantels und in
Fig.2 eine vollständige Aufsicht auf ein Kühlelement und eine Teildarstellungen von zwei angrenzend angeschlossenen, gleichartigen, unvollständig dargestellten Kühlelementen.
Der stehend oder liegend angeordnete, beispielsweise zylindrische Prozessbehälter 1 hat einen aus Stahl geformten Behältermantel 2, der gegenüber einem hocherhitzten Behälterinhalt, z.B. einer Metallschmelze durch feuerfeste Auskleidungsschich- ten 3,4 geschützt ist. Um die Widerstandsfähigkeit der Auskleidungsschichten 3,4 und den Schutz des Behältermantels 2 gegen Überhitzung zu erhöhen, sind an der Außenseite des Behältermantels 2 zahlreiche gleichartig ausgeführte Kühlelemente 5, 5 ',5" befestigt. Jedes Kühlelement 5, 5', 5", von denen auf einem Prozessbehälter 1 mit einem Durchmesser von beispielsweise 3 m und einer Länge von beispielsweise 25 m sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung z.B. jeweils zwanzig nebeneinander angeordnet sind, besteht im Wesentlichen aus einer verhältnismäßig dünnen und dadurch biegsamen Basisplatte 6, mit einer Dicke von weniger als 5 mm und vorzugsweise 3 oder 4 mm und mindestens einem, mit dieser wärmeleitend verbundenen Kühlkanal 7.
Der Kühlkanal 7 erstreckt sich mit mehreren, beispielsweise drei Gängen 8,9,10 und verbindenden 180°-Krümmungen schlangen- förmig oder serpentinenartig gekrümmt entlang der dem Behältermantel 2 abgekehrten Außenseite der Basisplatte 6 über einen möglichst großen Teil ihrer Oberfläche, um mit dieser auf großer Oberfläche in wärmeleitendem Kontakt zu stehen. Er hat beispielsweise die schalenförmige Querschnittsform eines hälftig aufgeschnittenen Rohres, das entlang seiner Querschnittsenden mit der Basisplatte 6 verschweißt ist, so dass die Basisplatte 6 einen Teil des Kanalquerschnittes bildet. Es können jedoch auch andere Querschnittsformen gewählt werden, wofür Beispiele durch die genannte US 4,221,922 bekannt sind.
Für den Anschluss an den Kühlkanal 7 eines benachbarten Kühlelementes 5, 5", 5 haben die beiden Enden 11,12 des Kühlkanals 7 jeweils eine Verbindungsanordnung, die aus einem von dem Kühlelement 5, 5 ',5" bzw. vom Prozessbehälter 1 weg nach außen gerichteten, gekrümmten Anschlussstutzen 13,14 mit einem Endflansch 15,16 und aus einem die Anschlussstutzen 13,14 benachbarter Kühlelemente 5, 5 ',5" verbindenden, Endflansche 17,18 aufweisenden Kompensationsrohr 19 besteht. Dieses hat einen Wellrohrbereich 20, so dass es Ungenauigkeiten der Zuordnung zwischen benachbarten Kühlele'menten 5, 5', 5" und Wärmedehnungen im Behältermantel 2 kompensieren kann.
Eine lösbare Befestigung der Kühlelemente 5, 5 ',5" erfolgt mittels zahlreicher, an der Außenseite des Behältermantels 2 aufgeschweißter Gewindebolzen 21, die sich durch mehrere in der Basisplatte 6 an entsprechenden Positionen vorgesehene Basisplatte 6 an entsprechenden Positionen vorgesehene Bolzenlocher 22 erstrecken und außerdem entlang der Rander 27,28 der Basisplatte 6 in einem Spaltraum zwischen benachbarten Kuhlelementen 5, 5', 5" vorgesehen sind. Ein jeweils auf sie aufgestecktes Druckstuck 23, das erheblich breiter ist als die Bolzenlocher 22 sowie eine Tellerfeder 24 werden durch eine Schraubenmutter 25 verspannt, so dass jede Basisplatte 6 mit elastischer Vorspannung an zahlreichen Stellen entsprechend der Große des Druckstuckes 23 gegen den Behaltermantel 2 angedruckt wird und durch Biegeverformung sich an die Oberflachenform des Behaltermantels 2 anschmiegt. Diese Verformbarkeit der Basisplatte 6 gewahrleistet eine gute Anpassung an Unregelmäßigkeiten der Oberflache des Behaltermantels 2, die herstellungsbedingt sind und sich außerdem durch die Erwärmung des Prozessbehalters und seine Chargierung ergeben, so dass ein umfangreicher war eubertragender Kontakt der Kuhlelemente 5, 5', 5" mit dem Behaltermantel 2 gewahrleistet ist.
Für eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung vom Behaltermantel 2 auf die Basisplatte 6 der Kuhlelemente 5, 5 ',5" und damit an die in den Kuhlkanalen 7 zirkulierende Kuhlflussig- keit ist in bevorzugter Ausführungsform der Erfindung zwischen der Behalterwand 2 und der Basisplatte 6 der Kuhlelemente 5, 5 ',5" eine Warmeleitpaste vorgesehen, durch die Luftspalte verhindert bzw. ausgefüllt werden, die trotz der relativ guten Anschmiegbarkeit der Kuhlelemente 5, 5', 5" an die Behalterwand 2 unvermeidlich waren. Die plastische Verformbarkeit der Warmeleitpaste gewährleistet eine Anpassung an Form- bzw. Großen- veranderungen der ausgefüllten Spalte in Folge der genannten, sich beim Betrieb des Prozessbehalters ergebenden relativen Verformungen zwischen der Basisplatte 6 und der Behalterwand 2. Hierzu tragt auch die elastische Vorspannung der Schraubbefestigung bei, die durch die genannten Tellerfedern 24 erzielt wird.
Zum Nachfüllen oder auch zum Einbringen einer durch verschiedene Hersteller auf dem Markt erhaltlichen Warmeleitpaste zwi- sehen den Behältermantel 2 und die jeweilige Basisplatte 6 sind in der Basisplatte 6 an mehreren Stellen Gewindelöcher 25 vorgesehen, in denen der Nippel einer Pastenpresse angeschlossen werden kann.
Das Einbringen der Warmeleitpaste hinter die Basisplatte 6 der Kühlelemente 3, 3 ',3" erfolgt beispielsweise so lange, bis sie an Rändern der Basisplatte 6 austritt. Ein Hervorquellen von Warmeleitpaste an Rändern der Basisplatte 6 kann jedoch auch verhindert oder auf ausgesuchte Stellen begrenzt werden, indem die Basisplatte 6 entlang ihrer Ränder abgedichtet wird. Hierzu eignet sich z.B. eine aushärtende Warmeleitpaste 30,31, die außen entlang der Ränder der Basisplatte 6 aufgebracht wird und dabei auch den Spaltraum 31 zwischen benachbarten Kühlelementen 5, 5 ',5" ausfüllen kann. Die Abdichtung entlang der Ränder der Basisplatte 6 gestattet auch die Verwendung einer weniger zähen und hinsichtlich ihrer Wärmeleiteigenschaft optimierten Warmeleitpaste zwischen dem Behältermantel 2 und der Basisplatte 6 der Kühlelemente 5, 5 ',5".

Claims

Patentansprüche
1. Prozessbehälter mit Kühlelementen und mit mindestens einer auf der Innenseite eines metallischen Behältermantels (2) aufgebrachten feuerfesten Auskleidungsschicht (3,4), wobei jedes Kühlelement (5, 5 ',5") aus einer Basisplatte (6) und mindestens einem, mit dieser wärmeleitend verbundenen Kühlkanal (7) besteht, dessen Enden (11,12) jeweils eine Verbindungsanordnung (13-20-9 für den Anschluss an den Kühlkanal (7) eines benachbarten Kühlelementes (5, 5', 5") aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (5, 5 ',5") durch Schraubverbindungen mit jeweils einem an den Behältermantel (2) außen angeschweißten Gewindebolzen (21) außen am Behältermantel (2) befestigt sind, so dass sie sich unter dem Spanndruck der Schraubverbindungen durch Biegeverformung an diesen anschmiegen.
2. Prozessbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindebolzen (21) sowohl über das jeweilige Kühlelement (5, 5', 5") verteilt, sich durch in der Basisplatte (6) vorgesehene Bolzenlöcher (22) erstrecken, als auch entlang von Rändern (27,28) der Basisplatte (6) der Kühlelemente (5, 5 ',5") vorgesehen sind.
3. Prozessbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindungen durch auf den Gewindebolzen (21) aufgesteckte Tellerfedern (24) federelastisch sind.
4. Prozessbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basisplatte (6) der Kühlelemente (5, 5', 5") und dem Behältermantel (2) eine Warmeleitpaste vorgesehen ist.
5. Prozessbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über die Basisplatte (6) jedes Kühlelementes (5, 5 ',5") verteilt mehrere Fulllocher (25) für die Warmeleitpaste vorgesehen sind.
6. Prozessbehalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kuhlelement (5, 5 ',5") einen sich in mindestens zwei Gangen (8,9,10) schlangenformig über die Basisplatte (6) erstreckenden Kuhlkanal (7) aufweist, der aus einem im Querschnitt einseitig offenen Hohlprofil gebildet ist, das entlang seiner Kanten mit der Basisplatte (6) verschweißt ist.
7. Prozessbehalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden (11,12) des Kuhlkanals (7) ein nach außen gerichteter Anschlussstutzen (13,14) vorgesehen ist, wobei die Anschlussstutzen (13,14) benachbarter Kuhlelemente (5, 5 ',5") durch ein einen Wellrohrbereich (20) aufweisendes Kompensationsrohr (19) miteinander verbunden sind.
8. Prozessbehalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (6) weniger als 5 mm dick ist .
9. Prozessbehalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (6) entlang ihres Umfanges ein Randabdichtungen (30,31) aufweist und zwischen der Basisplatte (6) und dem Behaltermantel (2) eine Warmeleitpaste vorgesehen ist.
10. Prozessbehalter nach einem der Anspr che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Randabdichtungen (30,31) aus einer aushärtenden Warmeleitpaste bestehen.
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EP (1) EP1627195B1 (de)
AT (1) ATE389158T1 (de)
AU (1) AU2004243563B2 (de)
CA (1) CA2525294C (de)
CL (1) CL43473B (de)
DE (2) DE10323944A1 (de)
PE (1) PE20050023A1 (de)
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