EP2825677B1

EP2825677B1 - Kühlelement für einen schmelzofen

Info

Publication number: EP2825677B1
Application number: EP13714540.5A
Authority: EP
Inventors: Christian Neyer; Frank Böert; Christof Dratner
Original assignee: KME Germany GmbH
Current assignee: KME Special Products GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: TR201901030T4; DE102012004868A1; EP2825677A1; WO2013135221A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für einen Schmelzofen, insbesondere einen Lichtbogenofen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die DE 44 46 542 A1 beschreibt ein Ofengefäß für einen Gleichstrom-Lichtbogenofen mit einer wärmebeständigen Wandung, die im oberhalb der Schlackenlinie liegenden Bereich aus einer Mehrzahl wassergekühlter Wandsegmente aus Stahl besteht. Diese Wandsegmente sind an einer Tragkonstruktion befestigt. Mindestens eines der Wandsegmente besteht aus unmagnetischem Stahl oder Kupfer und ist vorzugsweise auf der der Stromversorgungseinrichtung gegenüber liegenden Seite des Ofengefäßes angeordnet. Die einzelnen Wandsegmente umfassen in Horizontalrichtung verlaufende Rohre aus nicht magnetischem Stahl, die nicht dicht an dicht angeordnet sind, sondern in Vertikalrichtung voneinander beabstandet und mittels Metallstreifen aus dem gleichen Material wie die Rohre untereinander verbunden, zum Beispiel verschweißt, sind. Die verbleibenden Zwischenräume zwischen den Rohren werden vor oder nach dem Einbau des Wandsegments mit Feuerfestmaterial ausgefüllt.
In der DE 27 456 22 A1 wird vorgeschlagen, die Kühlrohre für einen Lichtbogenofen dicht an dicht zu platzieren und schweißtechnisch zu verbinden. Die so genannten Kühlrohrschlangen können an der der Ofenmitte zugewandten Seite mit Vorsprüngen, vorzugsweise Noppen, Stiften, Rippen oder dergleichen, versehen sein, um das Anhaften von Feuerfestmaterial zu begünstigen.
In der GB 898 532 wird vorgeschlagen, U-förmige Spannbügel auf die Kühlrohre zu schweißen, wobei die Fixierung der Rohrkonstruktion an einer Halterung über Keile erfolgt, die zwischen einem Widerlager und dem Steg der Spannbügel eingetrieben werden. Die Kühlrohre sind auf der dem Ofeninneren zugewandten Seite mit einzelnen Vorsprüngen versehen.
Es zählt auch zum Stand der Technik ( EP 0 918 092 A1 ), bei Kühlelementen für Schachtöfen rohrförmige Kühlelemente mit Rippen zu versehen, wobei eine Rippe der Hochofenwand zugewandt ist. Diese dient zur Befestigung an der Hochofenwand mittels einer Querbohrung. Die Rippe muss daher eine gewisse Höhe haben und greift in ein U-förmiges Befestigungselement ein, um die Rippe mit dem Befestigungselement durch quer einzusetzende Bolzen zu verbinden. Die Rippe ist daher schmaler als der Außendurchmesser des Kühlrohrs. Es zählt aber auch zum Stand der Technik ( WO 01/63193 A1 , US 4,135,575 ), Rohre vorzusehen, die eine in Richtung zur Ofenwand weisende Verdickung aufweisen. Diese Verdickungen verbreitern die Basis des Rohrs. Die in entgegengesetzte Richtung weisenden Wulste sind mindestens so breit wie der Außendurchmesser des Kühlrohrs. Sie können sogar breiter sein als der Außendurchmesser des Kühlrohrs und können selbst zu einem durchlaufenden Band miteinander verbunden werden, das tangential zur Außenseite der Rohre verläuft.
Nach heutigem Stand der Technik gibt es mithin Kühlpaneele aus Stahl- und/oder Kupferrohren. Zum Stand zählen auch Kühlpaneele mit Kupferrohren mit so genannten Flossenprofilen. Hierbei handelt es sich um eine Profilform, bei welcher zum Ofeninneren weisenden Stege (Flossen) an den Kupferrohren ausgebildet sind, die eine bessere Haftung der Feuerfestauskleidung ermöglichen. Hierdurch werden zusätzliche Anker überflüssig, die bei oberflächig glatten, kreisrunden Rohren teilweise zusätzlich eingesetzt werden.
Um ein geschlossenes Gefäß zu erhalten, werden diese Rohrkonstruktionen mit einer Rückenplatte aus Stahl versehen. Üblicherweise wird diese mit einer Rohrkonstruktion verschweißt. Das Verschweißen kann auch mittelbar erfolgen, indem an die Kühlrohre spezielle Aufnahmen geschweißt werden, die dann wiederum mit der Stahlplatte verschraubt oder verschweißt werden.
Bei den bekannten Schweißkonstruktionen hat sich herausgestellt, dass der Aufwand zur Befestigung der Rohrkonstruktion an der Stahlplatte unverhältnismäßig hoch ist. Insbesondere schweißtechnische Verbindungen zwischen den Rohren und der Stahlplatte sind für Reparaturarbeiten von Nachteil. Ein weiterer Nachteil einer verschweißten Konstruktion mit einer Stahlplatte ist, dass beim Schweißen Undichtigkeiten im Rohr auftreten können. Auch kann es durch die Temperaturen beim Schweißen zu einem Verzug des Kühlpanels kommen. Die thermischen Wechselbeanspruchungen während des Ofenbetriebs können dazu führen, dass sich die Stahlplatte bzw. das gesamte Kühlpaneel verzieht und dabei Schweißnähte von der tragenden Grundplatte aus Stahl abgerissen werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kühlelement für einen Schmelzofen aufzuzeigen mit einer kostengünstigen Verbindung zwischen dem mindestens einen Kühlrohr und einem mit dem Kühlrohr verbundenen Deckblech.
Diese Aufgabe ist bei einem Kühlelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Kühlelement für einen Schmelzofen, insbesondere einen Lichtbogenofen sieht in bekannter Weise ein Deckblech vor, das auch als Tragplatte oder Grundplatte bezeichnet werden kann. In der Regel besteht es aus Stahl. An diesem Deckblech ist wenigstens ein Kühlrohr befestigt. Unter einem Kühlrohr kann eine Kühlrohrschlange zu verstehen sein, die in Meanderform verläuft. So kann im Wesentlichen das gesamte Deckblech bedeckt werden, obwohl es größere Abmessungen besitzt als das Kühlrohr.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Kühlrohr auf seiner dem Deckblech zugewandten Seite einen Wulst aufweist, über welchen es mit dem Deckblech verbunden ist. Der Wulst am Kühlrohr erhöht den Abstand zwischen dem Deckblech und dem rohrförmigen Teil des Kühlrohrs. Diese Beabstandung bringt erhebliche Vorteile mit sich, sowohl was die Möglichkeiten der Befestigung als auch die Sicherheit der Befestigung angeht. Herstellungstechnisch bildet der Wulst vorteilhaft eine materialeinheitlich einstückige Einheit mit dem Kühlrohr. Vorzugsweise handelt es sich daher um einen Wulst, der im Strangpressverfahren angeformt ist. Bevorzugt erstreckt sich der Wulst daher in Längsrichtung des Kühlrohrs. Der Wulst kann ohne weitere Nachbearbeitung daher vorzugsweise eine konstante Breite aufweisen. Zusätzliche Fügetechniken zum Anbringen des Wulstes an dem Kühlrohr entfallen.
Der Wulst hat den Vorteil, dass eine Schraubverbindung zwischen dem Kühlrohr und dem Deckblech realisiert werden kann, ohne dass dabei die Wanddicke des Kühlrohrs geschwächt wird. Es versteht sich, dass der Wulst für eine Schraubverbindung eine hinreichende Dimensionierung aufweisen muss. Insbesondere muss der Wulst so groß sein, dass in ihm eine bezogen auf das Kühlrohr radial orientierte Gewindeaufnahme ausgebildet werden kann. Da eine solche Gewindeaufnahme die Geometrie des Rohres nicht schwächen soll, ist die Tiefe der Gewindeaufnahme vorzugsweise kleiner als die Höhe des Wulstes gemessen im Bereich der Mittellängsachse der Gewindeaufnahme.
Darüber hinaus muss der Wulst breit genug sein, um genügend widerstandsfähig im Hinblick auf Kräfte zu sein, die über eine Verschraubung auf den Wulst übertragen werden. Die Breite des Wulstes soll daher in einem Verhältnis von 1,5 bis 2,5 zum Durchmesser der Gewindeaufnahme stehen.
Da die Kühlrohre vorzugsweise aus Kupfer oder einem Kupferwerkstoff bestehen, der eine geringere Festigkeit aufweist als das Deckblech, das vorzugsweise aus Stahl besteht, ist in vorteilhafter Weiterbildung vorgesehen, dass in die Gewindebohrungen Gewindehülsen eingesetzt sind. Die Gewindehülsen können aufgrund ihres größeren Durchmessers gegenüber dem eigentlichen Schraubelement höhere Kräfte übertragen.
Die Schraubverbindung kann entweder durch Schrauben erfolgen, die nach der Positionierung des Rohres an der Kühlplatte von der ofenäußeren Seite durch das Deckblech in die Gewindeaufnahmen geschraubt werden, in denen gegebenenfalls Gewindehülsen angeordnet sind.
Alternativ können auch Stehbolzen an dem Wulst befestigt sein, wobei diese Stehbolzen durch Öffnungen in Deckblechen geführt werden und dort über Muttern fixiert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung besitzt das Kühlrohr auf seiner dem Wulst abgelegenen Seite wenigstens einen sich in Längsrichtung des Kühlrohrs erstreckenden Steg, eine so genannte Flosse. Vorzugsweise sind zwei Stege vorgesehen, die zueinander in einem Winkel von 30 bis 90° angeordnet sind. Vorzugsweise beträgt der Winkel 60°. Über diese Stege kann Feuerfestmaterial besser und dauerhafter anhaften. Durch die Stege wird der Formschluss mit dem Feuerfestmaterial verbessert.
Die Stege in Kombination mit dem auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Wulst haben zudem den Vorteil, dass das beim Strangpressen eingesetzte Material gleichmäßiger über den Umfang des gesamten Kühlrohrs verteilt ist. Das ist fertigungstechnisch von Vorteil.
Die erfindungsgemäßen Kühlelemente kommen vorzugsweise oberhalb des Schlackenspiegels im Wandbereich eines Ofengefäßes eines Lichtbogenofens zum Einsatz. Die erfindungsgemäßen Kühlelemente können aber auch im Bereich des Deckels und einer Abgasleitung des Ofengefäßes angeordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1: eine perspektivische Ansicht eines Kühlelements (Ausschnitt);
Figur 2: eine vergrößerte Ansicht des Kühlelements der Figur 1 und
Figur 3: eine Schnittdarstellung durch ein Kühlrohr an einem Deckblech.

Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen kleinen Teilbereich eines Kühlelements eines nicht näher dargestellten Schmelzofens, insbesondere eines Lichtbogenofens. Von dem Kühlelement 1 ist lediglich ein Deckblech 2 und ein unterhalb des Deckblechs angeordnetes Kühlrohr 3 dargestellt. In der Praxis ist das Deckblech 2 wesentlich größer und bildet ein Wandsegment eines Ofengefäßes. Dieses Wandsegment befindet sich in der Einbaulage oberhalb des Schmelzspiegels. Die Kühlrohre 3 sind der Ofeninnenseite des Schmelzofens zugewandt. Sie werden in nicht näher dargestellter Weise von einem Kühlmittel durchströmt. Zudem sind sie ebenfalls in nicht näher dargestellter Weise von einem Feuerfestmaterial umgeben, um sie vor der im Lichtbogenofen herrschenden Temperatur zu schützen.
Das Besondere bei dem erfindungsgemäßen Kühlelement ist die Art der Ausgestaltung des Kühlrohrs 3 in Verbindung mit der Befestigung.
Figur 2 zeigt, dass das Kühlrohr 3 kreisrund ist, allerdings in seinem in der Bildebene oberen, d. h. dem Deckblech 2 zugewandten Seite einen durchgehenden, sich in Längsrichtung des Kühlrohrs 3 erstreckenden Wulst 4 besitzt. In diesen Wulst sind mehrere Gewindeaufnahmen ausgebildet, die ebenfalls in Längsrichtung des Kühlrohrs 3 zueinander beabstandet sind. In jede der Gewindeaufnahmen 5 ist eine Gewindehülse 6 eingesetzt, in die wiederum eine Schraube 7 greift, die durch Durchgangslöcher im Deckblech 2 ausgebildet sind. Bei den Schrauben 7 handelt es sich um Senkkopfschrauben, die in der Einbaulage nicht über die Außenseite bzw. Oberfläche des Deckblechs 2 vorstehen. Anhand der Figur 2 ist ferner zu erkennen, dass auf der dem Deckblech 2 abgewandten Seite des Kühlrohrs 3 zwei Stege 8, 9 angeordnet sind. Die Stege 8, 9 dienen zur verbesserten Verbindung eines nicht näher dargestellten Feuerfestmaterials mit dem Kühlrohr 3.
Figur 3 zeigt, dass die Stege 8, 9 in einem Winkel W von 60° zueinander stehen und etwa die gleich Wandstärke aufweisen wie der rohrförmige Abschnitt des Kühlrohrs 3.
Anhand der Figur 3 ist ferner zu erkennen, dass die Gewindeaufnahme 5 in dem Wulst 4 eine Tiefe T aufweist, die gegenüber der Höhe H1 der Wulst kleiner oder gleich ist. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Tiefe T der Gewindeaufnahme 5 18 mm bei einer entsprechenden Höhe H1 des Wulstes 4. Die Gewindeaufnahme 5 besitzt einen Durchmesser von 20 mm zur Aufnahme einer Gewindehülse M20 x 1,5 mit einem Innengewinde M16 x 2. Bei einer Breite B des Wulstes 4 von 40 mm ergibt sich beiderseits der Gewindeaufnahme 5 eine verbleibende Restwanddicke von 10 mm. Der rohrförmige Abschnitt des Kühlrohrs besitzt eine Wanddicke von 12 mm. Der Außendurchmesser beträgt 89,8 mm.
Die beiden Stege 8, 9 stehen radial von dem rohrförmigen Abschnitt des Kühlrohrs 3 ab. Die Stege 8, 9 sind etwa doppelt so hoch wie breit.
Bei der dargestellten Anordnung befindet sich die Mittellängsachse L des Kühlrohrs 3 in einem Abstand D = 60 mm von der dem Ofeninneren zugewandten Seite des Deckblechs 2. Das Deckblech 2 besitzt eine Dicke von vorzugsweise ebenfalls 12 mm.

Bezugszeichen:

1 -: Kühlelement
2 -: Deckblech
3 -: Kühlrohr
4 -: Wulst
5 -: Gewindeaufnahme
6 -: Gewindehülse
7 -: Schraube
8 -: Steg
9 -: Steg

B -: Höhe v. 4
D1 -: Durchmesser v. 5
H1 -: Höhe v. 4
L -: Längsachse
T -: Tiefe v. 5
W -: Winkel

Claims

Kühlelement für einen Schmelzofen mit einem Deckblech (2) und wenigstens einem an dem Deckblech (2) befestigten Kühlrohr (3), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kühlrohr (3) auf seiner dem Deckblech (2) zugewandten Seite einen Wulst (4) aufweist, über welchen es mit dem Deckblech (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Kühlrohr (3) und dem Deckblech (2) eine Schraubverbindung ist, wobei in dem Wulst (4) Gewindeaufnahmen (5) ausgebildet sind.
Kühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wulst (4) in Längsrichtung des Kühlrohrs (3) erstreckt.
Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wulst (4) eine konstante Breite (B) aufweist.
Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindeaufnahmen (5) eine Tiefe (T) aufweisen, die kleiner oder gleich ist als die Höhe (H1) des Wulstes (4).
Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) des Wulstes (4) zum Durchmesser (D1) der Gewindaufnahmen (5) im Verhältnis 1,5 bis 2,5 steht.
Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gewindeaufnahmen (5) Gewindehülsen (6) eingesetzt sind.
Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (3) auf seiner dem Wulst (4) abgelegenen Seite mit wenigstens einem sich in Längsrichtung des Kühlrohres (3) erstreckenden Steg (8, 9) versehen ist.
Kühlelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stege (8, 9) vorgesehen sind, die zueinander in einem Winkel von 30° bis 90° angeordnet sind.
Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (8, 9) im Strangpressverfahren aus einem Kupferwerkstoff hergestellt ist.