EP2847531A1 - Seitenwandkühlung für schmelzöfen - Google Patents

Seitenwandkühlung für schmelzöfen

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EP2847531A1
EP2847531A1 EP13720968.0A EP13720968A EP2847531A1 EP 2847531 A1 EP2847531 A1 EP 2847531A1 EP 13720968 A EP13720968 A EP 13720968A EP 2847531 A1 EP2847531 A1 EP 2847531A1
Authority
EP
European Patent Office
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lining
slots
metal plate
copper plates
cooling
Prior art date
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Granted
Application number
EP13720968.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2847531B1 (de
Inventor
Hans-Erich Lembgen
Jürgen Kunze
Karl-Heinz Kummer
Detlef Strieder
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.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Siemag AG
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Filing date
Publication date
Application filed by SMS Siemag AG filed Critical SMS Siemag AG
Publication of EP2847531A1 publication Critical patent/EP2847531A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2847531B1 publication Critical patent/EP2847531B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4646—Cooling arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Electric arc furnaces ; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories or equipment, e.g. dust-collectors, specially adapted for hearth-type furnaces
    • F27B3/24—Cooling arrangements
    • 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 present invention relates to a device for cooling a metal melting furnace, in particular a reduction furnace.
  • Melting furnaces in particular reduction furnaces, contain hot metal melts covered by a slag layer.
  • This slag layer is often very aggressive and can degrade the wall lining of the furnace.
  • the furnace vessel in the interior comprises a lining, which is in direct contact with the melt or slag.
  • the inner wall of the furnace must be constantly cooled.
  • On the outside of the lining is often a metal armor, which is cooled, for example, with an open trickle cooling. In this case, large amounts of water are needed, which also run partly uncontrolled.
  • Another disadvantage is that, in the case of cracks in the armor, water can enter the lining or melt or slag, which can cause undesirable and dangerous chemical reactions.
  • water boxes are mounted on a side of the armor facing away from the melt and flooded with water.
  • a cooling element for cooling a metallurgical furnace wherein the furnace shell of the furnace is delivered to its furnace interior facing side with refractory material.
  • the cooling element comprises a cooling part through which a coolant flows and which has a coolant inlet and a coolant outlet, as well as a heat section cooled by heat conduction.
  • the hot part of the cooling element in the installed state is flush with the front side of the refractory material pointing into the interior of the furnace.
  • the entire hot part is formed as a plate and this plate is cold side associated with a separate cooling part.
  • European Patent EP 0 741 853 B1 discloses a cooling device for a furnace, wherein rod-like copper rods extend into a furnace wall.
  • a metal plate On the back of the furnace wall is, for example, a metal plate, which is cooled over a large area by a water tank.
  • a disadvantage of the disclosed arrangement is first the complex and costly production of the disclosed system. Furthermore, when using a continuous copper plate as adjacent to the furnace wall back wall, extending from this plate copper rods, large amounts of copper are needed. In addition, the carrying capacity of copper is limited, so that large material thicknesses are needed to achieve the necessary stability. Finally, a lining between the copper rods is considerably more difficult.
  • the technical object of the present invention is to provide a further developed cooling device for a melting furnace, in particular for cooling the slag region of the furnace - not the molten metal bath underneath.
  • such a device should be safe, enable a good cooling performance and / or be inexpensive to produce.
  • such a device should also be used for rotary kilns.
  • Another object may be to overcome at least one of the above disadvantages.
  • the present invention relates to a cooling device for a melting furnace, in particular for cooling a liquid slag in a reduction furnace.
  • the device comprises a lining for (side) shielding of a liquid molten metal bath and a molten slag located on the molten metal, and a metal plate (or a metal armor, in particular a steel plate), which on one side of the lining opposite the molten metal bath and the slag is arranged.
  • the metal plate comprises a plurality of substantially vertically aligned and (in a horizontal direction) juxtaposed slots, wherein at least one, preferably each of the slots each one of the copper plates extends substantially perpendicular to the metal plate in the lining and the device further with Includes coolant through ström bare cooling channels, which are each arranged between two juxtaposed slots and extending through these slots copper plates on the side remote from the molten metal bath and the slag side of the metal plate.
  • the copper plates extend into the lining, on the other hand, a cost-effective and effective cooling of the areas between the copper plates is possible.
  • the revealed device can also be used in rotary kilns, for which a production of copper elements for cooling a brick lining is often difficult.
  • the demand for copper can be kept low in view of rising commodity prices.
  • the metal plate may be formed of steel or a steel alloy, whereby a high stability as well as a cost saving is made possible.
  • the invention is particularly advantageous in the case of aggressive slag baths, in which it is of great importance that the liquid slag solidifies or "freezes" on the lining or on the copper plates.
  • the slag layer thus formed can significantly reduce wear on the lining and / or copper plates.
  • the inventive concept allows a high stability of the furnace vessel, since a sufficient area of the metal plate remains between the slots through which the copper plates are introduced into the lining.
  • the spacing of the slots arranged side by side corresponds to 1 to 8 times, preferably 2 to 6 times the width of the slots, the thickness of the copper plates preferably being at least 70%, preferably at least 90% Width of the slots corresponds.
  • the cooling channels arranged on the metal plate extend at least over a range of a vertical length of 80% of the vertical length or extent of the copper plates, preferably over 100% of this length or preferably even over more than 100% of this length ,
  • the cooling channels extend between two juxtaposed slots (in horizontal direction) over a range of 40% -100%, preferably 50% -90% of the (horizontally considered) distance between two adjacent slots.
  • the copper plates extend (substantially perpendicular to the metal plate and / or at the location of the corresponding slot) over more than 40% of the thickness of the lining in the lining or preferably extend substantially over the entire thickness of the lining.
  • the copper plates are in direct or direct contact with the lining.
  • at least 50%, preferably at least 75%, of the surface area of the plates is in contact with the lining. This feature also serves to further improve the cooling performance.
  • the copper plates also comprise channels through which coolant can flow, which channels are preferably arranged in an end region of the copper plates facing away from the molten metal bath and the slag.
  • the heat dissipation can be increased by the copper plates.
  • the lining has a thickness of 400 mm to 800 mm and preferably a thickness of 450 mm to 650 mm.
  • both the lining and the steel plate adjoining the lining are each substantially hollow-cylindrical, so that the hollow-cylindrical lining forms a space for enclosing the molten metal bath and the slag thereon laterally.
  • the rotational symmetry axis of the hollow cylinder is preferably in the vertical direction or can also be described as its longitudinal axis.
  • the circumferential direction of the hollow cylinder is preferably in a plane perpendicular to the axis of rotational symmetry.
  • both the lining and the metal plate each form side walls of a polygonal (especially rectangular) box.
  • the invention is also directed to a furnace, preferably a reduction furnace, which comprises a cooling device according to one of the preceding embodiments.
  • the oven may preferably be designed as a round oven. That is, the volume formed by the lining and the metal shell or the metal shell for forming a molten metal in a horizontally extending cross-section is substantially round (circular).
  • the cooling device forms a lateral boundary of a furnace vessel for receiving a molten metal bath and a liquid slag above it, wherein the copper plates extend in the vertical direction at most over the height of the slag bath. In other words, the copper plates (in the vertical direction) do not extend over an area in which the Molten metal is located.
  • This area of the lining is preferably free of copper plates.
  • the present invention is also directed to a method for producing a melting furnace or cooling device for such, preferably a furnace or a device according to one of the preceding embodiments.
  • the method comprises at least one of the following steps: provision of a substantially hollow cylindrical metal plate with slots arranged adjacent to each other in the circumferential direction of the metal plate, which each extend perpendicular to the circumferential direction; hollow cylindrical walling of the inner wall of the hollow cylindrical metal plate; and inserting a copper plate into the slots, respectively.
  • the steps can also be performed in a different order.
  • the term metal plate or metal armor should not be understood as limiting that it must be a one-piece component.
  • the metal plate may also consist of several butt welded together elements.
  • this further comprises the step of providing cooling channels on the outer wall of the hollow cylindrical metal plate in an area between the adjacent slots (on the side facing away from the melt or slag side of the metal plate).
  • the lining takes place in such a way that the copper plates introduced through the slots contact the lining.
  • the copper plates extend at least over 50% of the thickness of the lining.
  • the cooling channels may be generally perpendicular to the circumferential direction of the hollow cylindrical metal plate extend over at least a range of 80% of the same direction extending length of the slots.
  • Figure 1 is a schematic side view of an outer wall of a
  • FIG. 2 shows a schematic, horizontal partial cross section of a cooling device or a furnace according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic, vertical partial cross section of a cooling device or a furnace according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic, vertical partial cross section of a further cooling device or furnace according to the invention
  • FIG. 1 shows a side view of an exemplary embodiment of a cooling device according to the invention.
  • two copper plates 7 are shown extending substantially perpendicularly to a metal plate or armor 5 (in particular of steel or a steel alloy), which protrude through (longitudinal) slots 13 of the metal plate 5 therethrough.
  • each copper plate 7 is attached by fastening means 15 to the metal plate 5 directly or indirectly.
  • the metal plate 5 extends substantially in a vertical direction V. Such a direction may be substantially perpendicular to the melting or slag level of a molten metal M or slag S in a melting furnace.
  • the copper plates 7 are preferably provided with cooling channels 11 (not shown in FIG.
  • a coolant may, for example, include water but also be formed by other liquids.
  • a coolant may, for example, include water but also be formed by other liquids.
  • Behind the illustrated view of the metal plate 5 is a lining 3, which is in contact with a melt and / or slag S (not shown).
  • These channels 9 may include, for example, metal chambers which are welded to the metal plate 5 or sealingly screwed or riveted thereto.
  • the channels 9 may extend substantially parallel to the copper plates 7 and / or be arranged meandering between the copper plates 7.
  • the channels 9 can be supplied with coolant.
  • the cooling channels 9 preferably extend over a majority of the distance A between two adjacent (but spaced apart) copper plates 7.
  • the channels also extend at least over half the height (in the vertical direction) of the copper plates 7 or slots 13 or even, as shown, over more than the height of the copper plates 7 or the slots 13.
  • copper material can be saved by the arrangement shown on the one hand, but on the other hand, an efficient cooling possible.
  • the copper plates 7 may generally be made of any copper alloy.
  • FIG. 2 shows a partial cross-sectional view of an arrangement similar to FIG. 1 in the horizontal direction H.
  • the copper plates 7 extend in the cross-sectional view, finger-like into the lining 3, which is in contact with the slag S or melt M.
  • the metal plate 5 and the lining 3 may have a curved shape.
  • the lining 3 and the metal plate 5, a lateral boundary for a molten metal M or slag S a round furnace, z. B. a reduction furnace.
  • the metal plate 5 and / or the lining 5 is formed as a hollow cylinder.
  • the copper plates 7 extend from the slag S opposite side (rear side) of the metal plate 5 through the metal plate into the lining 3.
  • the lining 3 contacts the copper plates 7
  • Fixing the copper plates 7 may comprise angle elements or console elements, which protrude substantially perpendicularly from the metal plate 5 on both sides of a copper plate 7, wherein the copper plate 7 is preferably secured by bolts or screws to these elements.
  • the copper plates 7 preferably comprise cooling channels or holes 11. These can be arranged to improve the reliability in a region of the copper plates 7, which does not protrude into the lining 3 or is located on a remote from the melt M or slag S side of the metal plate 5.
  • the lining 3 and / or the metal plate 5 may each be integrally formed or composed of several elements.
  • the metal plate 5 may for example consist of a plurality of welded, riveted or bolted (plate-like) elements.
  • the assembly of several elements may be particularly advantageous for large furnace diameters in the order of up to 25 m.
  • the lining 3 may be bricked or cast, as is conventional in the art.
  • a heat-conducting layer in particular a carbon-containing heat-conducting layer, can generally be present between the lining 3 and the metal plate 5. This can be for example one Thickness of several centimeters. However, such layers are familiar to the person skilled in the art.
  • FIG. 3 shows a schematic partial cross-section in the vertical direction V.
  • the lining 3 the metal plate 5 lying behind or on a side of the lining 3 facing away from the slag S or melt M, and a copper plate 7 projecting into the lining 3 through an opening 13 in the metal plate 5 are shown.
  • the copper plate 7 preferably extends over at least half the thickness of the lining 3, whereby an effective cooling or heat dissipation is made possible.
  • the copper plate 7 preferably extends over only a region of the slag bath S in the vertical direction V, not over the region of the molten metal bath M.
  • FIG. 4 shows a schematic partial cross section of a cooling device or a furnace in the vertical direction V, but with the difference that the copper plate 7 extends through or over the entire thickness of the lining 3 in order to further improve the heat dissipation.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Schmelzofen, insbesondere zum Kühlen einer flüssigen Schlacke (S) in einem Reduktionsofen. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Ausmauerung (3) zur seitlichen Abschirmung eines flüssigen Metallschmelzenbads (M) und einer sich darauf befindenden flüssigen Schlacke (S), sowie eine Metallplatte (5), welche auf einer von dem Metallschmelzenbad (M) und der Schlacke (S) abgewandten Seite der Ausmauerung (3) angeordnet ist. Die Metallplatte (5) umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen vertikal ausgerichteten und nebeneinander angeordneten Schlitzen (13), wobei sich durch jeden der Schlitze (13) jeweils eine der Kupferplatten (7) im Wesentlichen senkrecht zu der Metallplatte (5) in die Ausmauerung (3) hinein erstreckt und die Vorrichtung weiterhin mit Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle (9) umfasst, welche jeweils zwischen zwei nebeneinander angeordneten Schlitzen (13) und den sich durch diese Schlitze (13) erstreckenden Kupferplatten (7) auf der von dem Metallschmelzenbad (M) und der Schlacke (S) abgewandten Seite der Metallplatte (5) angeordnet sind. Die Erfindung ist zudem auf einen die Kühleinrichtung umfassenden Ofen gerichtet und auf ein Verfahren zum Herstellen einer solche Kühleinrichtung bzw. eines solchen Ofens.

Description

Seitenwandkühlung für Schmelzöfen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung eines Metallschmelzofens, insbesondere eines Reduktionsofens.
Stand der Technik
Schmelzöfen, insbesondere Reduktionsöfen, enthalten heiße Metallschmelzen, die von einer Schlackenschicht bedeckt sind. Diese Schlackenschicht ist häufig sehr aggressiv und kann die Wandauskleidung des Ofens zersetzen.
In der Regel umfasst das Ofengefäß im Inneren eine Ausmauerung, welche in direktem Kontakt mit der Schmelze bzw. Schlacke steht. Um eine Beschädigung bzw. Zerstörung des Ofengefäßes und daraus resultierende Stillstandzeiten und Kosten zu vermeiden, muss die Innenwandung des Ofens ständig gekühlt werden. Auf der Außenseite der Ausmauerung befindet sich häufig ein Metallpanzer, der zum Beispiel mit einer offenen Rieselkühlung gekühlt wird. Dabei werden große Mengen an Wasser benötigt, die zudem teilweise unkontrolliert ablaufen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass im Falle von Rissen in der Panzerung Wasser in die Ausmauerung oder Schmelze bzw. Schlacke gelangen kann, was unerwünschte und gefährliche chemische Reaktionen hervorrufen kann. In anderen Einrichtungen werden Wasserkästen auf eine von der Schmelze abgewandten Seite der Panzerung montiert und mit Wasser geflutet. Das Wasser kann somit zwar die Panzerung großflächig und einigermaßen kontrolliert kühlen, allerdings erfolgt die Kühlung relativ weit entfernt von der eigentlichen Hitzequelle in Form der flüssigen Schlacke. Aus der WO 02/084192 A1 ist ein Kühlelement zur Kühlung eines metallurgischen Ofens bekannt, wobei der Ofenpanzer des Ofens an seiner zum Ofeninnenraum hinweisenden Seite mit Feuerfest-Material zugestellt ist. Das Kühlelement umfasst einen mit Kühlmittel durchflossenen Kühlteil, der einen Kühlmittelzulauf und einen Kühlmittelablauf aufweist, sowie einen durch Wärmeleitung gekühlten Heißteil. Der Heißteil des Kühlelementes schließt im eingebauten Zustand bündig mit der in den Ofeninnenraum zeigenden Stirnseite des Feuerfest-Materials ab. Der gesamte Heißteil ist als eine Platte ausgebildet und dieser Platte ist kaltseitig ein separater Kühlteil zugeordnet.
Die europäische Patentschrift EP 0 741 853 B1 offenbart eine Kühlvorrichtung für einen Ofen, wobei sich stabartige Kupferstäbe in eine Ofenwandung hinein erstrecken. Auf der Rückseite der Ofenwandung befindet sich zum Beispiel eine Metallplatte, welche großflächig durch einen Wasserkasten gekühlt wird. Nachteilig an der offenbarten Anordnung ist zunächst die komplexe und kostenaufwändige Herstellung des offenbarten Systems. Ferner werden bei Verwendung einer durchgehenden Kupferplatte als an die Ofenwandung angrenzende Rückwand, mit sich von dieser Platte erstreckenden Kupferstäben, große Mengen an Kupfer benötigt. Zudem ist die Tragkraft von Kupfer beschränkt, sodass große Materialstärken zum Erreichen der notwendigen Stabilität benötigt werden. Schließlich wird auch eine Ausmauerung zwischen den Kupferstäben erheblich erschwert.
Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine weiterentwickelte Kühleinrichtung für einen Schmelzofen bereitzustellen, insbesondere zur Kühlung des Schlackenbereichs des Ofens - nicht des darunter befindlichen Metallschmelzenbades.
Insbesondere soll eine derartige Vorrichtung sicher sein, ein gute Kühlleistung ermöglichen und/oder kostengünstig herstellbar sein. Vorzugsweise sollte eine derartige Vorrichtung ebenfalls für Rundöfen einsetzbar sein.
Eine weitere Aufgabe kann darin bestehen, mindestens einen der obengenannten Nachteile zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung Die genannte technische Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demnach betrifft die vorliegende Erfindung eine Kühleinrichtung für einen Schmelzofen, insbesondere zum Kühlen einer flüssigen Schlacke in einem Reduktionsofen. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Ausmauerung zur (seitlichen) Abschirmung eines flüssigen Metallschmelzenbads und einer sich auf der Metallschmelze befindenden flüssigen Schlacke, sowie eine Metallplatte (bzw. einen Metallpanzer, insbesondere eine Stahlplatte), welche auf einer dem Metallschmelzenbad und der Schlacke gegenüberliegenden Seite der Ausmauerung angeordnet ist. Die Metallplatte umfasst eine Vielzahl von im Wesentlichen vertikal ausgerichteten und (in horizontaler Richtung) nebeneinander angeordneten Schlitzen, wobei sich durch zumindest einzelne, vorzugsweise jeden der Schlitze jeweils eine der Kupferplatten im Wesentlichen senkrecht zu der Metallplatte in die Ausmauerung hinein erstreckt und die Vorrichtung weiterhin mit Kühlmittel durch ström bare Kühlkanäle umfasst, welche jeweils zwischen zwei nebeneinander angeordneten Schlitzen und den sich durch diese Schlitze erstreckenden Kupferplatten auf der von dem Metallschmelzenbad und der Schlacke abgewandten Seite der Metallplatte angeordnet sind.
Diese Lösung stellt vor allem eine zugleich wirksame als auch wirtschaftliche Kühlung dar. Denn einerseits erstrecken sich die Kupferplatten bis in die Ausmauerung hinein, andererseits wird eine kostengünstige und effektive Kühlung der Bereiche zwischen den Kupferplatten ermöglicht. Die offenbarte Einrichtung kann zudem in Rundöfen zum Einsatz kommen, für die eine Fertigung von Kupferelementen zur Kühlung einer Ausmauerung oft erschwert ist. Zusätzlich kann der Materialbedarf an Kupfer angesichts steigender Rohstoffpreise gering gehalten werden. Insbesondere kann die Metallplatte aus Stahl oder einer Stahllegierung ausgebildet sein, wodurch eine hohe Stabilität als auch eine Kosteneinsparung ermöglicht wird. Die Erfindung ist darüber hinaus insbesondere im Fall von aggressiven Schlackenbädern von Vorteil, bei denen es von großer Wichtigkeit ist, dass die flüssige Schlacke sich an der Ausmauerung bzw. an den Kupferplatten verfestigt bzw. "festfriert". Die so gebildete Schlackenschicht kann einen Verschleiß der Ausmauerung und/oder der Kupferplatten erheblich reduzieren. Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Konzeption eine hohe Stabilität des Ofengefäßes, da zwischen den Schlitzen, durch die die Kupferplatten in die Ausmauerung eingebracht sind, ein hinreichender Bereich der Metallplatte verbleibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der Abstand der nebeneinander angeordneten Schlitze dem 1 -fachen bis 8-fachen, vorzugsweise dem 2-fachen bis 6-fachen der Breite der Schlitze, wobei die Dicke der Kupferplatten vorzugsweise jeweils mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90% der Breite der Schlitze entspricht. Diese Verhältnisse haben sich als besonders vorteilhaft für die Ausbildung einer zugleich wirksamen und stabilen Kühleinrichtung herausgestellt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die auf der Metallplatte angeordneten Kühlkanäle mindestens über einen Bereich einer vertikalen Länge von 80% der vertikalen Länge bzw. Ausdehnung der Kupferplatten, vorzugsweise über 100% dieser Länge oder vorzugsweise sogar über mehr als 100% dieser Länge. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Kühlkanäle zwischen zwei nebeneinander angeordneten Schlitzen (in horizontaler Richtung) über einen Bereich von 40%-100%, vorzugsweise von 50%-90% des (horizontal betrachteten) Abstands zwischen zwei nebeneinander angeordneten Schlitzen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Kupferplatten (im Wesentlichen senkrecht zur Metallplatte und/oder am Ort des entsprechenden Schlitzes) über mehr als 40% der Dicke der Ausmauerung in die Ausmauerung hinein oder erstrecken sich vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Dicke der Ausmauerung. Durch eine solche Anordnung kann die Wirksamkeit der Kühlung weiter verbessert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stehen die Kupferplatten in unmittelbarem bzw. direktem Kontakt mit der Ausmauerung. Bevorzugt stehen mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 75% der Oberfläche der Platten in Kontakt mit der Ausmauerung. Auch dieses Merkmal dient der weiteren Verbesserung der Kühlleistung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Kupferplatten ebenfalls mit Kühlmittel durchströmbare Kanäle, welche vorzugsweise in einem dem Metallschmelzenbad und der Schlacke abgewandten Endbereich der Kupferplatten angeordnet sind. Somit kann die Wärmeabfuhr durch die Kupferplatten erhöht werden. Durch eine Anordnung der Kühlkanäle in einem der Schlacke abgewandten Endbereich der Platten wird unter anderem vermieden, dass Wasser in die Schlacke oder Metallschmelze gelangt, zum Beispiel im Falle eines Verschleißes oder einer mechanischen Beschädigung der Platten. Im Allgemeinen kann die Einbringung von Wasser oder sonstigem Kühlmittel in die Schmelze oder die Schlacke verheerende Auswirkungen haben und in Explosionen resultieren. Ferner enthalten Ausmauerungen häufig Alkaliverbindungen, welche ebenfalls unter keinen Umständen in Verbindung mit Wasser gelangen sollten. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ausmauerung eine Dicke von 400 mm bis 800 mm und vorzugsweise eine Dicke von 450 mm bis 650 mm auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist sowohl die Ausmauerung als auch die an die Ausmauerung angrenzende Stahlplatte jeweils im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet, sodass die hohlzylinderförmige Ausmauerung einen Raum zum seitlichen Einschließen des Metallschmelzenbads und der sich darauf befindenden Schlacke bildet. Die Rotationssymmetrieachse des Hohlzylinders liegt bevorzugt in vertikaler Richtung bzw. kann auch als dessen Längsachse beschrieben werden. Die Umfangsrichtung des Hohlzylinders liegt bevorzugt in einer senkrecht zur Rotationssymmetrieachse liegenden Ebene. Alternativ bilden sowohl die Ausmauerung als auch die Metallplatte jeweils Seitenwände eines vieleckigen (insb. rechteckigen) Kastens.
Die Erfindung ist zudem auf einen Ofen, vorzugsweise einen Reduktionsofen gerichtet, welcher eine Kühleinrichtung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen umfasst. Der Ofen kann bevorzugt als Rundofen ausgebildet sein. Das heißt, dass das durch die Ausmauerung und den Metallmantel bzw. den Metallpanzer gebildete Volumen zum Umschließen einer Metallschmelze in einem horizontal verlaufenden Querschnitt im Wesentlichen (kreis)rund ausgebildet ist. Die Vorteile des Ofens gegenüber dem Stand der Technik entsprechen im Wesentlichen jenen der obengenannten Kühlvorrichtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Kühleinrichtung eine seitliche Begrenzung eines Ofengefäßes zum Aufnehmen eines Metallschmelzenbades und einer sich darüber befindenden flüssigen Schlacke, wobei sich die Kupferplatten im Wesentlichen in vertikaler Richtung maximal über die Höhe des Schlackenbades erstrecken. Mit anderen Worten erstrecken sich die Kupferplatten (in vertikaler Richtung) nicht über einen Bereich, in dem sich die Metallschmelze befindet. Dieser Bereich der Ausmauerung ist bevorzugt frei von Kupferplatten.
Ferner ist die vorliegende Erfindung ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen eines Schmelzofens oder einer Kühleinrichtung für einen solchen, vorzugsweise eines Ofens oder einer Einrichtung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen, gerichtet. Dabei umfasst das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte: Bereitstellen einer im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Metallplatte mit in Umfangsrichtung der Metallplatte nebeneinander angeordneten Schlitzen, welche sich jeweils senkrecht zur Umfangsrichtung erstrecken; hohlzylinderförmiges Ausmauern der Innenwandung der hohlzylinderförmigen Metallplatte; und Einführen jeweils einer Kupferplatte in die Schlitze. Die Schritte können ebenfalls in anderer Reihenfolge durchgeführt werden. Ferner soll der Begriff einer Metallplatte oder eines Metallpanzers nicht dahingehend einschränkend verstanden werden, dass es sich um ein einstückiges Bauteil handeln muss. Zum Beispiel kann die Metallplatte ebenfalls aus mehreren aneinandergeschweißten Elementen bestehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, umfasst dieses weiterhin den Schritt des Vorsehens von Kühlkanälen auf der Außenwandung der hohlzylinderförmigen Metallplatte in einem Bereich zwischen den nebeneinanderliegenden Schlitzen (auf der von der Schmelze oder Schlacke abgewandten Seite der Metallplatte). Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Ausmauerung derart, dass die durch die Schlitze eingebrachten Kupferplatten die Ausmauerung kontaktieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erstrecken sich die Kupferplatten mindestens über 50% der Dicke der Ausmauerung. Die Kühlkanäle können sich im Allgemeinen senkrecht zur Umfangsrichtung der hohlzylinderförmigen Metallplatte mindestens über einen Bereich von 80% der in gleicher Richtung verlaufenden Länge der Schlitze erstrecken.
Sämtliche Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden.
Kurze Beschreibung der Figuren Im Folgenden werden kurz die Figuren der Ausführungsbeispiele beschrieben. Weitere Details sind der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer Außenwandung eines
Reduktionsofens mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung;
Figur 2 einen schematischen, horizontalen Teilquerschnitt einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung bzw. eines Ofens;
Figur 3 einen schematischen, vertikalen Teilquerschnitt einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung bzw. eines Ofens; und
Figur 4 einen schematischen, vertikalen Teilquerschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung bzw. eines Ofens
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Kühleinrichtung. Ausschnittsweise sind zwei sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Metallplatte bzw. -panzerung 5 (insbesondere aus Stahl oder einer Stahllegierung) erstreckende Kupferplatte 7 dargestellt, welche durch (Längs-)Schlitze 13 der Metallplatte 5 hindurch ragen. Bevorzugt ist jede Kupferplatte 7 durch Befestigungsmittel 15 an der Metallplatte 5 mittel- oder unmittelbar befestigt. Die Metallplatte 5 erstreckt sich dabei im Wesentlichen in eine vertikale Richtung V. Eine solche Richtung kann im Wesentlichen senkrecht zum Schmelzen bzw. Schlackenspiegel einer Metallschmelze M oder Schlacke S in einem Schmelzofen liegen. Bevorzugt sind die Kupferplatten 7 mit Kühlkanälen 1 1 (in Figur 1 nicht dargestellt) versehen, welche durch Einlasse 17 bzw. Auslässe 19 mit Kühlmittel versorgbar sind. Ein Kühlmittel kann bspw. Wasser umfassen jedoch auch durch andere Flüssigkeiten gebildet sein. Hinter der dargestellten Ansicht der Metallplatte 5 befindet sich eine Ausmauerung 3, welche in Kontakt mit einer Schmelze und/oder Schlacke S steht (nicht dargestellt). Zwischen den nebeneinanderliegenden Kupferplatten 7 werden bevorzugt Kühlkanäle 9 auf einer der Schmelze M oder Schlacke S gegenüberliegenden bzw. einer von der Schmelze M oder Schlacke S abgewandten Seite der Metallplatte 5 angeordnet. Diese Kanäle 9 können zum Beispiel Metallkammern umfassen, welche auf die Metallplatte 5 aufgeschweißt oder abdichtend mit dieser verschraubt oder vernietet sind. Dabei können sich die Kanäle 9 im Wesentlichen parallel zu den Kupferplatten 7 erstrecken und/oder mäanderförmig zwischen den Kupferplatten 7 angeordnet sein. Über Einlässe 21 bzw. Auslässe 23 können die Kanäle 9 mit Kühlmittel versorgt werden. Wie ebenfalls dargestellt, erstrecken sich die Kühlkanäle 9 bevorzugt über einen Großteil des Abstands A zwischen zwei benachbarten (jedoch voneinander beabstandeten) Kupferplatten 7. Vorzugsweise erstrecken sich die Kanäle ebenfalls mindestens über die Hälfte der Höhe (in vertikaler Richtung) der Kupferplatten 7 oder Schlitze 13 oder sogar, wie dargestellt, über mehr als die Höhe der Kupferplatten 7 oder der Schlitze 13. Unter anderem kann durch die gezeigte Anordnung einerseits Kupfermaterial eingespart werden, jedoch andererseits eine effiziente Kühlung ermöglicht werden. Die Kupferplatten 7 können im Allgemeinen aus jeglicher Kupferlegierung bestehen. In der Figur 2 ist eine Teilquerschnittsansicht einer der Figur 1 ähnlichen Anordnung in horizontaler Richtung H dargestellt. Die Kupferplatten 7 erstrecken sich in der Querschnittsansicht fingerartig in die Ausmauerung 3, welche in Kontakt mit der Schlacke S oder Schmelze M steht. Die Metallplatte 5 sowie die Ausmauerung 3 können eine gebogene Form aufweisen. Insbesondere können die Ausmauerung 3 und die Metallplatte 5 eine seitliche Begrenzung für eine Metallschmelze M bzw. Schlacke S eines Rundofens, z. B. eines Reduktionsofens bilden. In diesem Fall ist die Metallplatte 5 und/oder die Ausmauerung 5 hohlzylinderförmig ausgebildet. Wie bereits in Bezug auf die Figur 1 beschrieben, erstrecken sich die Kupferplatten 7 von einer der Schlacke S gegenüberliegenden Seite (Rückseite) der Metallplatte 5 durch die Metallplatte hindurch in die Ausmauerung 3. Bevorzugt kontaktiert die Ausmauerung 3 dabei die Kupferplatten 7. Die Mittel zur Befestigung der Kupferplatten 7 können Winkelelemente bzw. Konsolelemente umfassen, welche im Wesentlichen senkrecht von der Metallplatte 5 beidseitig einer Kupferplatte 7 abragen, wobei die Kupferplatte 7 vorzugsweise durch Bolzen oder Schrauben an diesen Elemente befestigt wird. Ferner umfassen die Kupferplatten 7 bevorzugt Kühlkanäle bzw. Bohrungen 1 1 . Diese können zur Verbesserung der Betriebssicherheit in einem Bereich der Kupferplatten 7 angeordnet sein, der nicht in die Ausmauerung 3 hineinragt bzw. sich auf einer von der Schmelze M oder Schlacke S abgewandten Seite der Metallplatte 5 befindet.
Im Allgemeinen können die Ausmauerung 3 und/oder die Metallplatte 5 jeweils einstückig ausgebildet sein oder aus mehreren Elementen zusammengesetzt sein. Somit kann die Metallplatte 5 zum Beispiel aus mehreren miteinander verschweißten, vernieteten oder verschraubten (plattenartigen) Elementen bestehen. Der Zusammenbau aus mehreren Elementen kann insbesondere bei großen Ofendurchmessern in der Größenordnung von bis zu 25 m vorteilhaft sein. Die Ausmauerung 3 kann zum Beispiel, wie im Stand der Technik üblich, gemauert oder gegossen sein. Ferner kann im Allgemeinen zwischen der Ausmauerung 3 und der Metallplatte 5 eine Wärmeleitschicht, insbesondere eine kohlenstoffhaltige Wärmeleitschicht vorhanden sein. Diese kann zum Beispiel eine Dicke von mehreren Zentimetern aufweisen. Solche Schichten sind allerdings dem Fachmann geläufig.
Die Figur 3 zeigt einen schematischen Teilquerschnitt in vertikaler Richtung V. Zusätzlich zu den Komponenten der Kühleinrichtung sind weitere Elemente eines Reduktionsofens dargestellt, welche für die vorliegende Erfindung allerdings nicht als wesentlich zu betrachten sind. Gezeigt sind wiederum die Ausmauerung 3, die dahinterliegende bzw. auf einer von der Schlacke S bzw. Schmelze M abgewandten Seite der Ausmauerung 3 liegende Metallplatte 5, sowie eine in die Ausmauerung 3 durch eine Öffnung 13 in der Metallplatte 5 hineinragende Kupferplatte 7. Die Kupferplatte 7 erstreckt sich dabei bevorzugt über mindestens der Hälfte der Dicke der Ausmauerung 3, wodurch eine effektive Kühlung bzw. Wärmeabfuhr ermöglicht wird. Ferner erstreckt sich die Kupferplatte 7 in vertikaler Richtung V vorzugsweise lediglich über einen Bereich des Schlackenbades S jedoch nicht über den Bereich des Metallschmelzenbades M. Insbesondere kann somit die Schlacke S in Kontakt mit der Ausmauerung 3 und/oder der Kupferplatte 7 in einen festen Zustand überführt werden, wodurch die Beschädigung bzw. der Verschleiß dieser Elemente durch die Schlacke S verringert wird. Die Figur 4 offenbart analog zu der Figur 3 einen schematischen Teilquerschnitt einer Kühlvorrichtung bzw. eines Ofens in vertikaler Richtung V, jedoch mit dem Unterschied, dass sich die Kupferplatte 7 zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr durch bzw. über die gesamte Dicke der Ausmauerung 3 erstreckt. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen vor allem dem besseren Verständnis der Erfindung und sollten nicht einschränkend verstanden werden. Der Schutzumfang der vorliegenden Patentanmeldung ergibt sich aus den Patentansprüchen. Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden oder gegeneinander ausgetauscht werden. Ferner können die beschriebenen Merkmale durch den Fachmann an vorhandene Gegebenheiten oder vorliegende Anforderungen angepasst werden.
Bezugszeichenliste
3 Ausmauerung
5 Metallplatte
7 Kupferplatte
9 Kühlkanäle
1 1 Kühlkanal in Kupferplatte
13 Schlitze in Metallplatte
15 Halterung der Kupferplatte
17 Kühlmitteleinlass der Kupferplatte
19 Kühlmittelauslass der Kupferplatte
21 Kühlmitteleinlass des Kühlkanals
23 Kühlmittelauslass des Kühlkanals
A Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Schlitzen
H horizontale Richtung
M Metallschmelzenbad
S Schmelze / Schlacke
V Vertikale Richtung / Längsrichtung des Hohlzylinders

Claims

Patentansprüche
1 . Eine Kühleinrichtung für einen Schmelzofen, insbesondere zum Kühlen einer flüssigen Schlacke (S) in einem Reduktionsofen, umfassend:
eine Ausmauerung (3) zur seitlichen Abschirmung eines flüssigen Metallschmelzenbads (M) und einer sich darauf befindenden flüssigen Schlacke (S);
eine Metallplatte (5), welche auf einer dem Metallschmelzenbad (M) und der Schlacke (S) gegenüberliegenden Seite der Ausmauerung (3) angeordnet ist; eine Vielzahl von Kupferplatten (7) zur Kühlung der Ausmauerung (3);
dadurch gekennzeichnet, dass
die Metallplatte (5) eine Vielzahl von im Wesentlichen vertikal ausgerichteten und nebeneinander angeordneten Schlitzen (13) umfasst, wobei sich durch zumindest einzelne der Schlitze (13) jeweils eine der Kupferplatten (7) im Wesentlichen senkrecht zu der Metallplatte (5) in die Ausmauerung (3) hinein erstreckt und
wobei die Vorrichtung weiterhin mit Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle (9) umfasst, welche jeweils zwischen zwei nebeneinander angeordneten Schlitzen (13) und den sich durch diese Schlitze (13) erstreckenden Kupferplatten (7) auf der von dem Metallschmelzenbad (M) und der Schlacke (S) abgewandten Seite der Metallplatte (5) angeordnet sind.
2. Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei der Abstand (A) der nebeneinander angeordneten Schlitze (13) dem 1 -fachen bis 8-fachen, vorzugsweise dem 2-fachen bis 6-fachen der Breite der Schlitze (13) entspricht und/oder die Dicke der Kupferplatten (7) jeweils mindestens 70%, vorzugsweise mindestens 90% der Breite der Schlitze (13) entspricht.
3. Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die auf der Metallplatte (5) angeordneten Kühlkanäle (9) sich mindestens über einen Bereich einer vertikalen Länge von 80% der vertikalen Länge der Kupferplatten (7), vorzugsweise über 100% dieser Länge oder vorzugsweise sogar über mehr als 100% dieser Länge, erstrecken.
4. Die Kühleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Kühlkanäle (9) zwischen zwei nebeneinander angeordneten Schlitzen (13) in horizontaler Richtung (H) über einen Bereich von 40%- 100%, vorzugsweise von 50%-90% des Abstands zwischen den zwei nebeneinander angeordneten Schlitzen (13) erstrecken.
5. Die Kühleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Kupferplatten (7) über mehr als 40% der Dicke der Ausmauerung (3) in die Ausmauerung (3) hinein erstrecken oder sich vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Dicke der Ausmauerung (3) erstrecken.
6. Die Kühleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupferplatten (7) in unmittelbarem Kontakt mit der Ausmauerung (3) stehen.
7. Die Kühleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupferplatten (7) ebenfalls mit Kühlmittel durchströmbare Kanäle (1 1 ) umfassen, welche vorzugsweise in einem dem Metallschmelzenbad (M) und der Schlacke (S) abgewandten Endbereich der Kupferplatten (7) angeordnet sind.
8. Die Kühleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmauerung (3) eine Dicke von 400 mm bis 800 mm und vorzugsweise eine Dicke von 450 mm bis 650 mm aufweist.
9. Die Kühleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmauerung (3) und die an die Ausmauerung (3) angrenzende Stahlplatte (5) jeweils im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sind, sodass im Inneren der hohlzylinderförmigen Ausmauerung (3) ein Raum zum seitlichen Einschließen eines Metallschmelzenbads (M) und einer sich darauf befindenden Schlacke (S) gebildet ist.
5 10. Ein Ofen, vorzugsweise ein Reduktionsofen, umfassend die Kühleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
1 1 . Der Ofen gemäß Anspruch 10, wobei die Kühleinrichtung eine seitliche Begrenzung eines Ofengefäßes zum Aufnehmen eines
10 Metallschmelzenbades (M) und sich darüber befindender flüssiger Schlacke
(S) bildet und sich die Kupferplatten (7) im Wesentlichen in vertikaler Richtung (V) maximal über die Höhe der Schlacke (S) erstrecken.
12. Ein Verfahren zum Herstellen eines Schmelzofens oder einer Kühleinrichtung 15 für einen solchen, vorzugsweise eines Ofens oder einer Einrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Metallplatte (5) mit in Umfangsrichtung der Metallplatte (5) nebeneinander angeordneten Schlitzen (13), welche sich jeweils senkrecht zur Umfangsrichtung 20 erstrecken;
hohlzylinderförmiges Ausmauern der Innenwandung der hohlzylinderförmigen Metallplatte (5); und
Einführen jeweils einer Kupferplatte (7) in die Schlitze (13).
25 13. Das Verfahren gemäß Anspruch 12, weiterhin umfassend den Schritt des
Aufbringens von Kühlkanälen (9) auf der Außenwandung der hohlzylinderförmigen Metallplatte (5) in einem Bereich zwischen den nebeneinanderliegenden Schlitzen (13).
30 14. Das Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Ausmauern (3) derart erfolgt, dass die durch die Schlitze (13) eingebrachten Kupferplatten (7) die Ausmauerung (3) kontaktieren und/oder die Ausmauerung (3) Schlitze (13) zum Einführen der Kupferplatten (7) umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Kupferplatten (7) sich mindestens über 50% der Dicke der Ausmauerung (3) erstrecken und/oder sich die Kühlkanäle (9) senkrecht zur Umfangsrichtung der hohizylinderformigen Metallplatte (5) mindestens über einen Bereich von 80% der in gleicher Richtung verlaufenden Länge der Schlitze (13) erstrecken.
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