WO1992014108A1 - Vorrichtung zum kühlen von gefässteilen eines ofens, insbesondere eines metallurgischen ofens - Google Patents

Vorrichtung zum kühlen von gefässteilen eines ofens, insbesondere eines metallurgischen ofens Download PDF

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cooling
heat exchange
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Kortec Ag
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    • 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
    • F27D9/00—Cooling of furnaces or of charges therein

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling vessel parts of a furnace, in particular a metallurgical one
  • cooling box inserted in a wall or lid area to be cooled or forming a wall or lid area, which faces a heat exchange plate facing the inside of the oven and, opposite, spatially distributed, a plurality of spray nozzles for spraying ner coolant on the heat exchange plate, further includes an outlet for the coolant.
  • a device of this type with a steel plate as a heat exchange plate has become known, for example, from EP 0 044 512 AI or EP 0 197 137 B1.
  • the spraying times of the nozzles individually or in groups by controlling the spraying times of the nozzles individually or in groups, only enough cooling liquid is sprayed against the heat exchange plate that the sprayed cooling liquid essentially evaporates and the enthalpy of vaporization is thus used for cooling .
  • so much cooling liquid is sprayed against the heat exchange plate that it essentially remains in its liquid form. In this case, the coolant consumption is significantly higher than in the former case.
  • Cooling water systems of this type require, in particular in furnaces in which the heat exchange plate is exposed to strong local and temporal fluctuations in thermal stress, a substantially higher quantity of cooling liquid than spray-cooled systems in order to prevent film boiling, that is to say the occurrence of insulating thin vapor layers Thermally stressed areas of the heat exchange surface. This effect would damage the cooling element in this area.
  • AI i.a. describes a cooled wall element for metallurgical furnaces, in particular electric arc furnaces, which contains a steel plate provided on one side with a plating made of copper or a copper alloy and which is covered with metal profiles forming coolant channels on the surface facing away from the plating. Due to the high thermal conductivity of copper, the copper layer on the inner side of the wall element should pass on the absorbed heat very quickly, distribute the heat evenly and ensure rapid heat dissipation, so that material damage is prevented even in the event of local overheating. In addition, the copper layer, which is preferably applied in a thickness of 6 to 10 mm, remains ductile and prevents crack formation in the wall of the cooling element.
  • the object of the invention is to improve the cooling effect in a device of the type mentioned in the introduction and to reduce the total amount of coolant required by reducing the temperature differences between the spraying points of the cooling liquid and the areas lying between them.
  • the risk of local overheating in the event of a failure of individual nozzles is to be prevented and the escape of coolant in the event of any cracking in the steel plate.
  • the heat exchange plate on the side of the spray nozzles has a layer made of a metal which has a substantially greater thermal conductivity than steel, preferably a layer made of copper or a copper alloy, which despite the non-uniform coolant application caused by the cooling system - supply allows a relatively uniform temperature profile over the heat exchange surface.
  • the effect is surprisingly achieved with a thickness of the copper layer of 1 to 2 mm. Due to the reduction in the local temperature differences on the heat dissipation side of the heat exchange plate, a significant reduction in the amount of coolant is possible.
  • Spray nozzles was clad and once a steel plate of 20 mm which was clad with a 2 mm thick copper layer. In the middle of the thickness of the steel plate at various measuring points above and below the direct area of influence of the spray cooling, thermal elements were used to determine the temperature. A cooling water quantity of 100 l / m 2 -min, customary for spray cooling, was set and the temperature at the measuring points was determined. The most unfavorable temperature value when using the steel plate was 99 ° C and when using the steel plate clad with the copper layer 83 ° C (6 mm thick copper layer) or 82 ° C (2 mm thick copper layer).
  • the quantity of spray water was then gradually reduced in the case of the heat exchange plate with the 2 mm thick copper layer, until a temperature of 99.degree. C. was also established at this hottest measuring point.
  • the amount of cooling water was 70 l / m 2 -min, ie the measure according to the invention made it possible to save 30% of the amount of cooling water.
  • the composite sheet is preferably produced by plating, such as roll, explosive and weld plating. Because of the small layer thickness, it is also possible to spray on, spread on or otherwise apply the metal layer with greater thermal conductivity. It is also within the scope of the invention to provide only partial areas of the heat exchange plate with the layer of improved thermal conductivity or to form this layer with locally different thicknesses.
  • FIG. 1 shows the vertical section of part of an electric arc furnace with devices for cooling vessel parts according to this invention
  • Fig. 2 in the same representation an arc furnace with a modified cover.
  • the arc furnace 1 shown in FIGS. 1 and 2 consists, in a known manner, of a lower vessel holding the melt with refractory lining, an oven wall placed on the edge of the lower vessel, and a lid placed on the oven wall.
  • the vessel structure of such a furnace is described, for example, in DE 26 59 827 B1 mentioned in the introduction and in EP 0 197 137 B1.
  • the wall and cover are equipped in a known manner with a spray cooling system 3, which spatially distributes a large number of spray nozzles for spraying a cooling liquid, preferably water, onto the heat exchange plate 2 of the cooling boxes facing the furnace interior 6 and one not in FIG. 1 contains the procedure shown for the coolant.
  • the drainage of the cooling liquid can be done by pumping, overpressure in the atmosphere of the cold room or simple downpipes.
  • the heat exchange plate 2 is designed as a composite sheet with one
  • the cover ring 10 is also spray-cooled. However, it can also be cooled by means of a conventional forced water circulation, as shown in FIG. 2.
  • the water of the forced circulation cooling can represent a special cycle, but it can also be used for the spray cooling of the cover plate according to FIG. 2.
  • one or more drains with a downpipe are used, which are attached to the lowest level of the cooling system at easily accessible locations.
  • the outflow is on the tilting side or on the tilting sides.
  • the forced circulation also serves as a flow for the spray cooling system 3.
  • the cooling water inlet is designated by 11 and the cooling water outlet connected to a downpipe is identified by 12.
  • the heat exchange plates 2 of the cooled cover and wall elements are designed as composite sheets.
  • the heat exchange plate of the inner cover ring 14, which receives the insert 15 made of refractory material with bushings for electrodes 16, consists of a composite sheet with a copper layer on the side facing the spray nozzles. If necessary, the inner cover ring 14 can also be sprayed with water.
  • the reference numeral 17 designates a compressed air line which has two nozzles through which compressed air can be blown into the cooling water outlet 12 or into the safety outlet 13 in order to ensure cooling water discharge in all cases, in particular also in the case of a tiltable vessel to reach.
  • the inner surface of the lid is set higher than the upper rim 18 of the vessel, namely by the height of the forced-circulation-cooled lid ring 10. This increases the distance between the inner surface of the lid and the arc at the start of scrap melting and also the leveling process for the operating team relieved when charging the vessel.

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Abstract

Vorrichtung zum Kühlen von Gefäßteilen eines Ofens (1) mit einem in einen zu kühlenden Wand- oder Deckelbereich eingesetzten oder einen Wand- bzw. Deckelbereich bildenden Kühlkasten, der dem Ofeninneren (6) zugewandt, eine Wärmeaustauschplatte (2) enthält, die durch eine Vielzahl von Spritzdüsen (3) mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt wird. Die Wärmeaustauschplatte (2) ist als Verbundblech mit einer Stahlplatte (8) auf der dem Ofeninneren (6) zugewandten Seite und einer Kupferschicht (9) auf der Seite der Spritzdüsen ausgebildet.

Description

VORRICHTUNG ZUM KÜHLEN VON GEFAßTEILEN EINES OFENS, INSBESONDERE EINES METALLURGISCHEN OFENS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Ge- fäßteilen eines Ofens, insbesondere eines metallurgischen
Ofens, mit einem in einem zu kühlenden Wand- oder Deckelbe¬ reich eingesetzten oder einen Wand- bzw. Deckelbereich bil¬ denden Kühlkasten, der dem Ofeninneren zugewandt eine Wär¬ meaustauschplatte und dieser gegenüberliegend, räumlich verteilt, eine Vielzahl von Spritzdüsen zum Aufspritzen ei¬ ner Kühlflüssigkeit auf die Wärmeaustauschplatte, ferner einen Ablauf für die Kühlflüssigkeit enthält.
Eine Vorrichtung dieser Art mir einer Stahlplatte als Wär- metauschplatte ist beispielsweise durch die EP 0 044 512 AI oder die EP 0 197 137 Bl bekannt geworden. Bei der durch die erstgenannte Druckschrift beschriebenen Vorrichtung wird durch eine individuelle oder gruppenweise Steuerung der Spritzzeiten der Düsen nur so viel Kühlflüssigkeit ge- gen die Wärmeaustauschplatte gespritzt, daß die aufge¬ spritzte Kühlflüssigkeit im wesentlichen verdampft und da¬ mit die' Verdampfungsenthalpie zur Kühlung ausgenutzt wird. Bei der anderen Vorrichtung wird gegen die Wärmeaustausch¬ platte soviel Kühlflüssigkeit gespritzt, daß diese im we- sentlichen noch in ihrer flüssigen Form verbleibt. In die¬ sem Fall ist der Kühlmittelverbrauch wesentlich höher als im erstgenannten Fall.
Neben der Spritzkühlung ist es beispielsweise durch die DE 26 59 827 Bl, die DE 28 17 869 B2 und die DE 38 20 448 AI bekannt, bei gekühlten Wand- oder Deckelelementen für me¬ tallurgische Öfen die Wärme über eine zwangsgeführte Kühl¬ wasserströmung von der Wärmeaustauschfläche der Kühlelemen¬ te abzuführen. Derartige Kühlwassersysteme benötigen, ins- besondere bei Öfen, bei denen die Wärmeaustauschplatte starken örtlichen und zeitlichen Schwankungen der thermi¬ schen Beanspruchung ausgesetzt ist, eine wesentlich höhere Kühlflüssigkeitsmenge als spritzgekühlte Systeme um ein Filmsieden zu verhindern, d.h. ein Auftreten von isolieren- den dünnen Dampfschichten an thermisch stark beanspruchten Stellen der Wärmeaustauschfläche. Dieser Effekt hätte eine Beschädigung des Kühlelements in diesem Bereich zur Folge.
In der DE 38 20 448 AI ist u.a. ein gekühltes Wandelement für metallurgische Öfen, insbesondere Elektro-Lichtbogen- öfen beschrieben, das eine einseitig mit einer Plattierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehene Stahlplatte enthält, die auf der der Plattierung abgewandten Fläche mit Kühlmittelkanäle bildenen Metallprofilen besetzt ist. Die Kupferschicht auf der der Innenseite zugewandten Seite des Wandelements soll aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer die aufgenommene Wärme sehr schnell weiterleiten, die Wärme gleichmäßig verteilen und für eine schnelle Wär¬ meabfuhr sorgen, damit auch bei örtlichen Überhitzungen Ma- terialschädigungen verhindert werden. Darüberhinaus bleibt die vorzugsweise in einer Dicke von 6 bis 10 mm aufgetrage¬ ne Kupferschicht duktil und verhindert eine Rißbildung in der Wand des Kühlelements.
Bei den eingangs genannten Spritzkühlsystemen, die sich ge¬ genüber Kühlsystemen mit zwangsgeführter Kühlflüssigkeit durch einen stark verringerten Kühlmittelverbrauch aus¬ zeichnen, besteht das Problem, daß die Wärmeabfuhr von der Wärmeaustauschplatte nicht gleichmäßig erfolgt. Aufgrund der räumlich verteilten Anordnung einzelner Spritzdüsen und darüberhinaus der manchmal bestehenden Notwendigkeit aus Platzgründen einzelne Düsen schräg anordnen zu müssen, so daß diese die Kühlflüssigkeit nur unter einem schrägen Win¬ kel gegen die Wärmeaustauschplatte spritzen, ist die Kühl- mittelbeaufschlagung der Wärmeaustauschplatte ungleichmä¬ ßig. Die Wärmeaustauschplatte wird an den Aufspritzstellen der Kühlflüssigkeit wesentlich stärker als in den Bereichen dazwischen gekühlt. Um zu verhindern, daß an den weniger stark gekühlten Stellen die zulässige Temperatur über- schritten wird, muß mit einer größeren Gesamtkühlmittelmen¬ ge gearbeitet werden. Hierbei muß auch die örtlich und zeitlich unterschiedlich große thermische Belastung, wie sie z.B. beim Einschmelzen von Schrott in einem Lichtbogen¬ ofen auftritt, berücksichtigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung der einleitend genannten Art die Kühlwirkung zu verbessern und durch eine Verringerung der Temperaturunterschiede zwischen den Aufspritzstellen der Kühlflüssigkeit und den dazwischen liegenden Bereichen die insgesamt erforderliche Kühlmittel¬ menge zu reduzieren. Außerdem soll die Gefahr örtlicher Überhitzungen bei einem Ausfall einzelner Düsen verringert und bei einer etwaigen Rißbildung in der Stahlplatte der Austritt von Kühlmittel verhindert werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des An¬ spruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin¬ dung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Wärmeaus¬ tauschplatte auf der Seite der Spritzdüsen eine Schicht aus einem Metall auf, das eine wesentlich größere Wärmeleitfä¬ higkeit als Stahl besitzt, vorzugsweise eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die trotz der durch das Kühlsystem bedingten ungleichmäßigen Kühlmittelbeaufschla- gung ein verhältnismäßig gleichmäßiges Temperaturprofil über die Wärmeaustauschfläche ermöglicht. Der Effekt wird überraschenderweise bereits bei einer Dicke der Kupfer¬ schicht von 1 bis 2 mm erreicht. Aufgrund der Verringerung der örtlichen Temperaturunterschiede auf der Wärmeabfuhr¬ seite der Wärmeaustauschplatte ist eine wesentliche Verrin¬ gerung der Kühlmittelmenge möglich.
Es wurden die folgenden Vergleichsversuche durchgeführt:
Bei Kühlkästen des gleichen konstruktiven Aufbaus und der gleichen thermischen Belastung wurde als Wärmeaustausch¬ platte einmal eine Stahlplatte einer Dicke von 20 mm einge¬ setzt, einmal eine Stahlplatte einer Dicke von 20 mm die mit einer 6 mm starken Kupferschicht auf der Seite der
Spritzdüsen plattiert war und einmal eine Stahlplatte von 20 mm die mit einer 2 mm starken Kupferschicht plattiert war. In die Stahlplatte waren in der Mitte der Dicke der Stahlplatte an verschiedenen Meßstellen oberhalb und unter- halb des direkten Einflußbereiches der Spritzkühlung Ther- moelmente eingesetzt, mit denen die Temperatur ermittelt wurde. Es wurde eine für Spritzkühlung übliche Kühlwasser¬ menge von 100 1/m2 -min eingestellt und die Temperatur an den Meßstellen ermittelt. Der ungünstigste Temperaturwert betrug bei Einsatz der Stahlplatte 99°C und bei Einsatz der mit der Kupferschicht plattierten Stahlplatte 83°C (6 mm starke KupferSchicht) bzw. 82°C (2 mm starke Kupfer¬ schicht) . Es wurde dann bei der Wärmeaustauschplatte mit der 2 mm starken Kupferschicht die Spritzwassermenge stu- fenweise verringert, bis sich auch bei dieser Wärmeaus¬ tauschplatte an der heißesten Meßstelle eine Temperatur von 99°C einstellte. Die Kühlwassermenge betrug 70 1/m2 -min, d.h. durch die erfindungsgemäße Maßnahme war es möglich, 30% der Kühlwassermenge einzusparen. Das Verbundblech wird vorzugsweise durch Plattieren, wie Walz-, Spreng- und Schweißplattieren erzeugt. Es ist wegen der geringen Schichtdicke auch möglich, die Metallschicht größerer Wärmeleitfähigkeit aufzuspritzen, aufzustreichen oder auf andere Weise aufzubringen. Es liegt im Rahmen der Erfindung auch nur Teilbereiche der Wärmeaustauschplatte mit der Schicht verbesserter Wärmeleitfähigkeit zu versehen oder diese Schicht mit örtlich verschiedenen Dicken auszu¬ bilden.
Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 den senkrechten Schnitt eines Teils eines Lichtbo¬ genofens mit Vorrichtungen zum Kühlen von Gefäßtei¬ len gemäß dieser Erfindung;
Fig. 2 in gleicher Darstellung einen Lichtbogenofen mit modifiziertem Deckel.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Lichtbogenofen 1 besteht in bekannter Weise aus einem die Schmelze aufneh¬ menden Untergefäß mit feuerfester Ausmauerung, einer auf den Rand des Untergefäßes aufgesetzten Ofenwandung, und ei¬ nem auf die Ofenwandung aufgesetzten Deckel. Der Gefäßauf¬ bau eines solchen Ofens ist beispielsweise in der einlei¬ tend genannten DE 26 59 827 Bl und in der EP 0 197 137 Bl beschrieben. Wand und Deckel sind in bekannter Weise mit einem Spritzkühlsystem 3 ausgestattet, das räumlich ver¬ teilt eine Vielzahl von Spritzdüsen zum Aufspritzen einer Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, auf die dem Ofeninne¬ ren 6 zugewandten Wärmeaustauschplatte 2 der Kühlkästen, und einen in Fig. 1 nicht dargestellten Ablauf für die Kühlflüssigkeit enthält. Das Ableiten der Kühlflüsigkeit kann durch Abpumpen, Überdruck in der Atmosphäre des Kühl- raums oder einfache Fallrohre erfolgen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Wärmeaus- tauschplatte 2 als Verbundblech ausgebildet, mit einer
Stahlplatte 8 auf der dem Ofeninneren zugewandten Seite und einer Kupferschicht 9, d.h. einer Schicht aus einem Metall das eine wesentliche größere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, auf der den Spritzdüsen zugewandten Seite. Mit 4 sind Schlackenhalter zum Festhalten wärmeisolierender
Schlackenspritzer, mit 5 ist die feuerfeste Ausmauerung mit 7 das äußere Abdeckblech der Kühlkästen bezeichnet.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Lichtbogenofen ist der Dek- kelring 10 ebenfalls spritzgekühlt. Er kann jedoch auch mittels eines konventionellen Wasserzwangsumlauf gekühlt werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Wasser der Zwangsumlaufkühlung kann einen besonderen Kreislauf dar¬ stellen, es kann aber auch entsprechend Fig. 2 für die Spritzkühlung des Deckelbleches verwendet werden.
Zur Ableitung der auf die Wärmeaustauschplatten aufge¬ spritzten Kühlflüssigkeit werden ein oder mehrere Abflüsse mit Fallrohr angewendet, die an dem tiefsten Niveau des Kühlsystem an gut zugänglichen Stellen angebracht sind. Bei kippbaren Gefäßen und den damit verbundenen Deckeln befin¬ det sich der Abfluß auf der Kippseite bzw. auf den Kippsei¬ ten.
Fig. 2 zeigt den Ofendeckel eines kippbaren Lichtbogenofens mit durch Zwangsumlauf gekühltem Deckelring 10. Der Zwangs¬ umlauf dient gleichzeitig als Vorlauf für das Spritzkühlsy¬ stem 3. Mit 11 ist der Kühlwasserzulauf und mit 12 der an ein Fallrohr angeschlossene Kühlwasserablauf bezeichnet. Oberhalb des Kühlwasserablaufes 12 ist noch ein Sicher- heitsablauf 13 vorgesehen, der ebenfalls an ein Fallrohr angeschlossen ist. Die Wärmeaustauschplatten 2 der gekühl¬ ten Deckel- und Wandelemente sind als Verbundbleche ausge¬ bildet. Ebenso besteht die Wärmeaustauschplatte des inneren Deckelrings 14, der den Einsatz 15 aus feuerfestem Material mit Durchführungen für Elektroden 16 aufnimmt, aus einem Verbundblech mit einer Kupferschicht auf der den Spritzdü¬ sen zugewandten Seiten. Der innere Deckelring 14 kann im Bedarfsfall auch mit Spritzwasser beaufschlagt werden.
Mit dem Bezugszeichen 17 ist eine Preßluftleitung bezeich¬ net, die zwei Düsen aufweist, durch die Preßluft in den Kühlwasserablauf 12 bzw. in den Sicherheitsablauf 13 gebla¬ sen werden kann, um in allen Fällen, insbesondere auch bei einem kippbaren Gefäß mit Sicherheit eine Kühlwasserabfuhr zu erreichen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ofendeσkel ist die Deckel¬ innenfläche gegenüber dem oberen Gefäßrand 18 höher gelegt und zwar um die Höhe des zwangsumlaufgekühlten Deckelrings 10. Dadurch wird bei Beginn des Schrotteinschmelzens der Abstand der Deckelinnenfläche vom Lichtbogen vergrößert und außerdem für die Bedienungsmannschaft der Nivelliervorgang beim Chargieren des Gefäßes erleichtert.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Kühlen von Gefäßteilen eines Ofens (1) , insbesondere eines metallurgischen Ofens, mit einem in einen zu kühlenden Wand- oder Deckelbereich eingesetzten oder einen Wand- bzw. Deckelbereich bildenden Kühlkasten, der dem Ofeninneren zugewandt eine Wärmeaustauschplatte (2) und dieser gegenüberliegend, räumlich verteilt eine Viel¬ zahl von Spritzdüsen (3) zum Aufspritzen einer Kühlflüssig- keit auf die Wärmeaustauschplatte (2) , ferner einen Ablauf (12) für die Kühlflüssigkeit enthält, dadurch g e e n n¬ z e i c h n e t , daß die Wärmeaustauschplatte (2) als Ver¬ bundblech ausgebildet ist, mit einer Stahlplatte (8) auf der dem Ofeninneren (6) zugewandten Seite und einer Schicht (9) aus Metall, das eine wesentlich größere Wärmeleitfähig¬ keit als Stahl aufweist, auf der den Spritzdüsen zugewand¬ ten Seite.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n- z e i c h n e t , daß die Metallschicht (8) größerer Wär¬ meleitfähigkeit eine größere Duktilität als die Stahlplatte (9) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e- k e n n z e i c h n e t , daß die Metallschicht (8) größe¬ rer Wärmeleitfähigkeit eine Dicke im Bereich von 1 bis 7 mm aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n- z e i c h n e t , daß die Metallschicht größerer Wärme¬ leitfähigkeit eine Dicke im Bereich von 2 bis 3 mm auf¬ weist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Metall¬ schicht (8) größerer Wärmeleitfähigkeit eine Schicht aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verbundblech durch Plattieren hergestellt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Metallschicht (8) größerer Wärmeleitfähigkeit aufgespritzt ist.
PCT/EP1992/000177 1991-02-06 1992-01-28 Vorrichtung zum kühlen von gefässteilen eines ofens, insbesondere eines metallurgischen ofens WO1992014108A1 (de)

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