WO2002048406A1 - Kühlsystem für einen metallurgischen schmelzofen - Google Patents

Kühlsystem für einen metallurgischen schmelzofen Download PDF

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WO2002048406A1
WO2002048406A1 PCT/EP2001/014540 EP0114540W WO0248406A1 WO 2002048406 A1 WO2002048406 A1 WO 2002048406A1 EP 0114540 W EP0114540 W EP 0114540W WO 0248406 A1 WO0248406 A1 WO 0248406A1
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cooling
cooling water
cooling system
melting furnace
furnace
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PCT/EP2001/014540
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Robert Schmeler
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Paul Wurth S.A.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/10—Cooling; Devices therefor
    • 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
    • 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
    • F27D9/00—Cooling of furnaces or of charges therein
    • 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
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/10—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B1/24—Cooling arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a cooling system for a metallurgical melting furnace.
  • cooling systems for metallurgical melting furnaces, both crucible and shaft-shaped, are now designed as closed cooling water systems. They include cooling elements that are integrated in the furnace walls and are provided with cooling channels. A pump pumps the cooling water through the cooling channels of the cooling elements. A static pressure maintaining device, e.g. A container with a gas cushion ensures that there is a static pressure of a few bar at every point of the cooling channels. Such cooling systems are referred to below as "pressure circuits".
  • the overpressure in the cooling channels increases the evaporation temperature of the cooling water, which has a positive effect on the safety of the cooling system, since steam formation greatly reduces the cooling capacity and consequently results in local overheating of a cooling element
  • it has long been known that the use of such pressure circuits in metallurgical furnaces is not without risk, even with a small leak relatively large amounts of cooling water are introduced into the melting furnace, causing damage to the refractory lining and possibly can even lead to violent explosions if, for example, cooling water accumulates in the melting furnace and is subsequently covered by liquid metal.
  • sprinkler cooling systems are still used today in metallurgical furnaces, as have been known for more than a hundred years. However, the latter can never provide the same cooling capacity as cooling elements integrated in the furnace wall and are also extremely problematic in terms of their maintenance.
  • Splash water cooling systems have been developed as a "modern" alternative for pressure circuits.
  • the latter comprise cooling boxes which are integrated in the furnace walls and have spray nozzles in an inner chamber which spray the cooling water onto the inner wall of the chamber facing the furnace interior.
  • Most of the excess pressure is in the Spray nozzles removed so that there is only a slight overpressure in the cooling boxes.
  • spray water cooling systems are quite complex to manufacture and also take up a lot of space in the furnace wall. It should also be noted that some parts of metallurgical
  • melting furnaces are still not cooled at all. This is the case, for example, for the bottom of an arc furnace as used in electrical steelworks.
  • This cooling system includes a feed pump, a reservoir for cooling water, a pressure reducing valve, cooling elements connected in parallel, a suction pump and a gas separator.
  • the feed pump pumps the cooling water from the storage container via the pressure reducing valve into the cooling elements, the pressure behind the pressure reducing valve should be less than the atmospheric pressure.
  • the suction pump should then suck the cooling water through the cooling elements and then press it back into the storage container via the gas separator.
  • a similar vacuum cooling system is described in JP 09 287733.
  • the object of the present invention is to propose a reliable cooling system for a metallurgical melting furnace, which has greater security than known pressure circuits, guarantees greater cooling performance than conventional sprinkler cooling, enables the use of more compact and simpler cooling elements than known spray water cooling systems and is safer than those hitherto proposed vacuum cooling systems.
  • This object is achieved by a cooling system according to claim 1.
  • a cooling system according to the invention for a metallurgical melting furnace comprises at least one cooling element which is integrated in a furnace wall of the metallurgical melting furnace.
  • the at least one cooling element has at least one internal cooling channel through which a predetermined cooling water volume flow flows, which ensures the required cooling capacity.
  • the cooling system additionally comprises at least one storage tank for cooling water; and at least one cooling water pump which sucks the cooling water heated in the cooling element and pumps it back into the storage tank Pressure is less than the atmospheric pressure at the installation site of the metallurgical melting furnace, in other words, there is no excess pressure of the cooling water in relation to the ambient pressure in the at least one cooling element tet that in the event of a small leak in the cooling element, no cooling water can enter the melting furnace. Rather, it becomes ambient air or furnace gas sucked into the internal cooling channel of the cooling element due to the leak. Due to the suction of furnace gas, direct leakage monitoring can be carried out using gas detectors. This significantly improves the general safety for people and machines.
  • the known disadvantages of a sprinkler cooling system are eliminated by the forced routing of the cooling water through internal cooling channels of the cooling elements.
  • the cooling elements required for the cooling system according to the invention are also far more compact and cheaper to produce than splash water coolers.
  • the cooling system according to the invention is suitable for metallurgical melting furnaces of both crucible and shaft type. It is possible to configure only part of the furnace cooling as a vacuum system.
  • the furnace cooling in a particularly endangered area of a metallurgical melting furnace can be designed as a vacuum system according to the invention, but the rest of the furnace can be designed as a conventional pressure system.
  • the cooling system according to the invention also has a flow tank for cooling water, which is arranged above the at least one cooling element and prevails in the atmospheric pressure.
  • This flow tank supplies the at least one cooling element with cooling water and, due to its geodetic elevation, specifies the idle pressure or pre-pressure in the cooling circuit. It also forms an expansion tank for the cooling water.
  • the static definition of the admission pressure largely prevents dangerous pressure fluctuations in the cooling system.
  • the safety of the cooling system according to the invention is significantly improved compared to known vacuum cooling systems.
  • a cooling system according to the invention it is possible, for example, to provide safe floor cooling for a metallurgical arc furnace.
  • a cooling system according to the invention can also advantageously be used as a cover cooling system for such a metallurgical arc furnace.
  • the cooling system according to the invention is advantageous, inter alia, for cooling the floor.
  • the cooling system is normally designed as a closed circuit. This means that it has a recooling device and at least one cooling water pump. The latter sucks off the cooling water heated in the cooling element and pumps it back into the flow tank via the at least one recooling device.
  • the cooling system it is also possible to operate the cooling system as an open cooling circuit, that is to supply the flow tank with fresh water and to discharge the warm return.
  • a gas detection device makes it possible to detect furnace gases that separate from the cooling water in the degassing container and that indicate a leak in the cooling system in the furnace area.
  • this degassing container comprises a gas space above the cooling water and a vacuum pump for generating an atmospheric vacuum in this gas space.
  • Solid cooling plates made of copper or cast iron can advantageously be used as cooling elements in a cooling system according to the invention.
  • pipe panels and coils are not excluded in some areas of a melting furnace and are also particularly inexpensive.
  • FIG. 1 a circuit diagram of a cooling system according to the invention
  • FIG. 2 a schematic representation of an embodiment variant of a degassing container for the cooling system according to FIG. 1. Description of a preferred embodiment of the invention with reference to the figures
  • FIG. 1 shows a greatly simplified circuit diagram of a cooling system for a metallurgical melting furnace.
  • the reference number 10 denotes a cooling circuit of the melting furnace.
  • These valves 20j and 22 ⁇ make it possible to isolate the corresponding cooling element 16 ⁇ from the cooling circuit 10.
  • (i 1, 2, 3, 4) all connected in parallel. However, it is not excluded that the cooling circuit 10 can also comprise cooling elements connected in series.
  • the reference numeral 24 designates a flow tank for cooling water which is arranged above the cooling water flow collector 12. This flow tank 24 is connected to the atmosphere via a ventilation line 25, so that atmospheric pressure prevails in the flow tank 24 above the cooling water.
  • the cooling water can flow from the flow tank 24 into the lower-lying cooling water flow collector 12 via a flow line 26.
  • An emptying line 27 enables the flow tank 24 to drain into a drain channel 28 if necessary.
  • An overflow device 29 also opens into this drain line 27.
  • Reference numeral 30 in FIG. 1 denotes a closed degassing container into which the cooling water flows from the return collector 14.
  • a vacuum pump 32 is connected to this degassing container 30. The latter creates an atmospheric negative pressure in a gas space 33 above the cooling water.
  • the degassing container 30 is divided by a partition 34 into a decanting basin 36 and a suction basin 38.
  • the cooling water flows into the decanting basin 36 via a return line 40, a large part of the solid particles transported by the cooling water settling out in the decanting basin 36. Since the cooling water level in the degassing container 30 is slightly higher than the partition wall 34, the cooling water flows into the suction basin 38 and can flow into a suction line 42 here.
  • the vacuum pump 32 can e.g. a jet pump operated with compressed air.
  • Reference numeral 44 denotes a compressed air source (i.e. an air compressor or a compressed air distribution network) to which the jet pump 32 is connected for generating a jet of suction air.
  • This suction air jet sucks a negative pressure in the degassing container 30.
  • the outlet of the jet pump 42 can be connected by means of an exhaust air line 46 to a water separator 48, in which cooling water entrained in the degassing container 30 is separated from the exhaust air.
  • This water separator 48 can e.g. Be arranged above the flow tank 24 so that the separated cooling water can be returned to the flow tank 24 by gravity through a line 50.
  • the suction line 42 is connected to a lower-lying pressure-increasing station 52, which for example comprises two pumps 54 and 56 connected in parallel, one of the pumps 54, 56 being in operation and the other in
  • the pumps 54, 56 are centrifugal pumps, the existing NPSH value of the system must of course be greater than the required NPSH value of the Centrifugal pumps. Therefore, the centrifugal pumps may have to be arranged a certain height below the degassing container 30. In order to avoid a deep pump shaft, pumps that are less prone to cavitation can also be used.
  • the pumps 54, 56 are therefore connected on the suction side to the degassing container 30 via the suction line 42. On the pressure side, they are connected to the flow tank 24 via a pressure line 58. A recooler 60 for the cooling water is installed in this pressure line 58.
  • the pumps 54, 56 consequently pump the cooling water out of the degassing tank 30 through the recooler 60 back into the flow tank 24.
  • the reference numeral 62 designates a fresh water line, by means of which water losses can be compensated or a water exchange can be carried out.
  • the cooling system is designed hydraulically in such a way that a static pressure which is lower than the atmospheric pressure at the installation site of the metallurgical melting furnace is present in the majority of the cooling channels 18j with a predetermined cooling water flow.
  • the feed lines to the individual cooling elements 16 are designed such that a slight negative pressure is present in the inlet of the cooling channels 18j.
  • the cooling water crosses the cooling channels 18 * from top to bottom.
  • the static pressure can be influenced by local and linear pressure losses (loss energy), the channel cross section (speed energy) and the gradient (position energy). It should be noted here that pressure losses and a reduction in the duct cross-section increase the negative pressure (ie the static absolute pressure decreases), but a gradient causes the negative pressure to decrease (ie the static absolute pressure increases). To slowly increase the vacuum from the flow connection to the return to close at a constant channel cross-section, for example, the energy loss must increase slightly faster than the position energy decreases.
  • the static absolute pressure should not be lower than kP D at any point in the cooling circuit 10, where k is a safety factor greater than i, and PD is the evaporation pressure of the cooling water at the maximum cooling water temperature. For example, one can assume that at a maximum return temperature of the cooling water of 40 ° C, the static absolute pressure should not be lower than 0.4 bar at any point in the cooling circuit.
  • the reference number 70 in FIG. 1 denotes a gas detector which responds to furnace gases which collect in the gas circuit 33 of the degassing container 30 in the event of a leak in the cooling circuit 10. About this gas detector 70 of the O receives' fenbetreiber relatively quickly a reliable indication is that a leak formed in the cooling circuit 10 has.
  • the vacuum pump 32 can optionally be dispensed with.
  • Fig. 2 shows such a degassing tank 130. It is arranged a certain geodetic height H below the return collector 14 and connected to it via a return line 40 with low pressure drops, so that the static absolute pressure of the cooling water in the return line 40 rises sharply and in the return collector 14 is slightly greater than atmospheric pressure.
  • the degassing of the degassing container 30 can consequently via a simple vent valve 132 to the atmosphere.

Abstract

Ein Kühlsystem für einen metallurgischen Schmelzofen, umfasst ein Kühlelement (16i; i=1, 2, 3, 4) das in eine Ofenwand des metallurgischen Schmelzofens integriert ist und mindestens einen internen Kühlkanal (18i; i=1, 2, 3, 4) aufweist, wobei letzterer von einem vorbestimmten Kühlwasser-Volumenstrom (Qi; i=1, 2, 3, 4) durchströmt wird, der die erforderliche Kühlleistung gewährleistet. Das Kühlsystem ist hydraulisch derart ausgelegt, dass im größten Teil des mindestens einen internen Kühlkanals (18i; i=1, 2, 3, 4) bei dem vorbestimmten Kühlwasserstrom (Qi; i=1, 2, 3, 4) ein statischer Absolutdruck vorliegt der kleiner als der atmosphärische Druck am Aufstellungsort des metallurgischen Schmelzofen ist. Ein Vorlaufbehälter (24) für Kühlwasser ist höher als das mindestens eine Kühlelement (16i; i=1, 2, 3, 4) angeordnet, so dass er durch seine geodätische Überhöhung den Ruhedruck im Kühlkreis vorgibt.

Description

KÜHLSYSTEM FÜR EINEN METALLURGISCHEN SCHMELZOFEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen metallurgischen Schmelzofen.
Stand der Technik
Die meistens Kühlsysteme für metallurgische Schmelzöfen, sowohl tie- gelförmiger als auch schachtförmiger Bauart, sind heute als geschlossene Kühlwassersysteme ausgebildet. Sie umfassen Kühlelemente die in die Ofenwände integriert sind und mit Kühlkanälen versehen sind. Eine Pumpe pumpt das Kühlwasser durch die Kühlkanäle der Kühlelemente. Eine statische Druckhaltevorrichtung, wie z.B. ein Behälter mit Gaspolster, gewährleistet hierbei, dass an jeder Stelle der Kühlkanäle ein statischer Druck von einigen Bar vorliegt. Nachfolgend werden solche Kühlsysteme als „Druckkreisläufe" bezeichnet. Einerseits, wird durch den Überdruck in den Kühlkanälen die Verdampfungstemperatur des Kühlwassers heraufgesetzt, was sich positiv auf die Sicherheit des Kühlsystems auswirkt, da eine Dampfbildung die Kühlleistung stark herabsetzt und folglich zu einer lokalen Überhitzung eines Kühlelementes führen kann. Andererseits, ist jedoch auch seit langem gewusst, dass der Einsatz solcher Druckkreisläufe in metallurgischen Öfen nicht ohne Risiko ist. Selbst bei einer kleinen Leckage werden relativ große Mengen an Kühlwasser in den Schmelzofen eingeleitet, was zu Schäden an einer Feuerfestauskleidung und unter Umständen sogar zu heftigen Explosionen führen kann, falls sich z.B. Kühlwasser im Schmelzofen ansammelt und anschließend von flüssigem Metall bedeckt wird.
Um diese Risiken auszuschließen, werden auch heute noch an metallurgischen Öfen Berieselungskühlungen eingesetzt, wie sie schon seit mehr als hundert Jahren bekannt sind. Letztere können jedoch nie die gleiche Kühlleis- tung wie in die Ofenwand integrierte Kühlelemente erbringen und sind zudem äußerst problematisch was ihren Unterhalt anbelangt.
Als „moderne" Alternative für Druckkreisläufe wurden Spritzwasserkühlsysteme entwickelt. Letztere umfassen Kühlkästen die in die Ofenwände integriert sind und in einer inneren Kammer Sprühdüsen aufweisen, die das Kühlwasser auf die dem Ofeninnern zugehrte Innenwand der Kammer sprühen. Hierbei wird der größte Teil des Überdrucks in den Sprühdüsen abgebaut, so dass in den Kühlkästen nur mehr ein geringer Überdruck vorherrscht. Solche Spritzwasserkühlsysteme sind jedoch recht aufwendig herzustellen und beanspruchen zudem viel Platz in der Ofenwand. Es ist weiterhin anzumerken, dass manche Teile von metallurgischen
Schmelzöfen aus Sicherheitsgründen auch heute noch überhaupt nicht gekühlt werden. Dies ist zum Beispiel der Fall für den Boden eines Lichtbogenofens wie er in Elektrostahlwerken eingesetzt wird.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, im Kühlsystem eines metallurgi- sehen Schmelzofens einen Unterdruck zu erzeugen. Hierdurch soll verhindert werden, dass im Falle einer kleinen Undichtheit des Kühlelements Kühlwasser in den Schmelzofen eindringen kann. Eine solche Lösung ist zum Beispiel bereits 1984 in der US 4,603,423 im Zusammenhang mit der Wandkühlung eines Lichtbogenofens beschrieben worden. Dieses Kühlsystem umfasst eine Speisepumpe, einen Vorratsbehälter für Kühlwasser, ein Druckreduzierventil, parallel geschaltete Kühlelemente, eine Saugpumpe und einen Gasabscheider. Die Speisepumpe pumpt das Kühlwasser aus dem Vorratsbehälter über das Druckreduzierventil in die Kühlelemente, wobei der Druck hinter dem Druckreduzierventil kleiner als der Atmosphärendruck sein soll. Die Saugpumpe soll das Kühlwasser dann durch die Kühlelemente saugen und anschließend über den Gasabscheider zurück in den Vorratsbehälter drücken. Ein ähnliches Unterdruckkühlsystem ist in der JP 09 287733 beschrieben.
Dass solche Unterdruckkühlsysteme sich in metallurgischen Schmelzöfen bis jetzt nicht durchsetzen konnten, ist höchstwahrscheinlich dadurch bedingt, dass man ihre Sicherheit anzweifelt. In der Tat können bereits kleine Druck- Schwankungen zu Überhitzungen in den Kühlelementen führen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein zuverlässiges Kühlsystem für einen metallurgischen Schmelzofen vorzuschlagen, das eine größere Sicherheit als bekannte Druckkreisläufe aufweist, eine größere Kühlleistung als eine klassische Berieselungskühlung gewährleistet, den Einsatz von kompakteren und einfacheren Kühlelementen als bekannte Spritzwasserkühlsysteme ermöglicht und sicherer als die bis jetzt vorgeschlagenen Unterdruckkühlsyste- me ist. Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem nach Anspruch 1 gelöst.
Kennzeichnung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem für einen metallurgischen Schmelz- ofen umfasst mindestens ein Kühlelement das in eine Ofenwand des metallurgischen Schmelzofens integriert ist. Die Bezeichnung „Ofenwand" umfasst hierbei sowohl die seitlichen Wände des Schmelzofens, als auch den Boden oder Deckel des Schmelzofens. Das mindestens eine Kühlelement weist mindestens einen internen Kühlkanal auf, der von einem vorbestimmten Kühlwasser- Volumenstrom durchströmt wird, welcher die erforderliche Kühlleistung gewährleistet. Das Kühlsystem umfasst zusätzlich mindestens einen Vorratsbehälter für Kühlwasser; und mindestens eine Kühlwasserpumpe die das im Kühlelement erhitzte Kühlwasser absaugt und in den Vorratsbehälter zurückpumpt. Das Kühlsystem ist hierbei hydraulisch derart ausgelegt, dass im größten Teil des mindestens einen internen Kühlkanals bei dem vorbestimmten Kühlwasserstrom ein statischer Druck vorliegt der kleiner als der atmosphärische Druck am Aufstellungsort des metallurgischen Schmelzofens ist. In anderen Worten, in dem mindestens einem Kühlelement besteht kein Überdruck des Kühlwassers gegenüber dem Umgebungsdruck. Dies bedeutet, dass im Falle einer kleinen Undichtheit des Kühlelements kein Kühlwasser in den Schmelzofen eindringen kann. Es wird vielmehr Umgebungsluft, bzw. Ofengas durch die Undichtheit in den internen Kühlkanal des Kühlelements eingesaugt. Bedingt durch das Ansaugen von Ofengas kann eine direkte Leckageüberwachung mittels Gasdetektoren erfolgen. Hierdurch wird die allgemeine Sicherheit für Mensch und Maschine wesentlich verbessert. Durch die Zwangsführung des Kühlwassers durch interne Kühlkanäle der Kühlelemente werden die bekannten Nachteile einer Berieselungskühlung beseitigt. Die für das erfindungsgemäße Kühlsystem benötigten Kühlelemente sind zudem weitaus kompakter und billiger herzustellen als Spritzwasser-Kühlkästen. Es bleibt anzumerken, dass das erfindungsgemäße Kühlsystem für metallurgische Schmelzöfen von sowohl tiegelförmiger, als auch schachtförmiger Bauart geeignet ist. Es ist hierbei möglich nur einen Teil der Ofenkühlung als Unterdrucksystem auszugestalten. So kann z.B. die Ofenkühlung in einem besonders gefährdeten Bereich eines metallurgischen Schmelzofens als erfindungsgemäßes Unterdrucksystem, der übrige Teil des Ofens jedoch als klassisches Überdrucksystem ausgelegt sein. Das erfindungsgemäße Kühlsystem weist zudem einen Vorlaufbehälter für Kühlwasser auf, der oberhalb des mindestens einen Kühlelements angeordnet ist und in dem Atmosphärendruck vorherrscht. Dieser Vorlaufbehälter versorgt das mindestens eine Kühlelement mit Kühlwasser und gibt, durch seine geodätische Überhöhung, den Ruhedruck, bzw. Vordruck, im Kühlkreis vor. Er bildet zudem ein Ausdehnungsgefäß für das Kühlwasser aus. Durch die statische Festlegung des Vordrucks werden gefährliche Druckschwankungen im Kühlsystem weitgehend vermieden. Hierdurch wird die Sicherheit des erfindungsgemäßen Kühlsystems, im Vergleich zu bekannten Unterdruckkühl- systemen, wesentlich verbessert. Mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist es zum Beispiel möglich eine sichere Bodenkühlung für einen metallurgischen Lichtbogenofen zu schaffen. Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem kann ebenfalls vorteilhaft als Deckelkühlung eines solchen metallurgischen Lichtbogenofens eingesetzt werden. Am Hochofen eignet sich das erfindungsgemäße Kühlsystem u.a. vorteilhaft für die Bodenkühlung. In all diesen Fällen ist die große Leckagesicherheit des erfindungsgemäßen Kühlsystems von besonderer Bedeutung. Das Kühlsystem ist im Normalfall als geschlossener Kreislauf ausgebildet. Das heißt, es weist eine Rückkühlvorrichtung und mindestens eine Kühlwasserpumpe auf. Letztere saugt das im Kühlelement erhitzte Kühlwasser ab und pumpt es über die mindestens eine Rückkühlvorrichtung in den Vorlaufbehälter zurück. Es ist jedoch ebenfalls möglich, das Kühlsystem als offenen Kühlkreis zu betreiben, das heißt den Vorlaufbehälter mit Frischwasser zu versorgen und den warmen Rücklauf zu abzuführen.
Zwischen Kühlwasserpumpe(n) und Kühlelement(en) ist vorteilhaft ein
Entgasungsbehälter angeordnet. Eine Gasspürvorrichtung ermöglicht es Ofengase aufzuspüren, die sich im Entgasungsbehälter aus dem Kühlwasser absondern und die auf eine Undichtheit des Kühlsystems im Ofenbereich hindeuten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst dieser Entgasungsbehälter einen Gasraum oberhalb des Kühlwassers und eine Unterdruckpumpe zum Erzeugen eines atmosphärischen Unterdrucks in diesem Gasraum.
In einem erfindungsgemäßen Kühlsystem sind vorteilhaft massive Kühlplatten aus Kupfer oder Gusseisen als Kühlelemente einsetzbar. Rohrpaneele und Rohrschlangen sind in manchen Bereichen eines Schmelzofens jedoch nicht ausgeschlossen und zudem besonders kostengünstig.
Figurenaufstellung
Im folgenden wird nun eine Ausgestaltung der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
FIG. 1 : ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Kühlsystems; FIG. 2: ein schematische Darstellung einer Ausgestaltungsvariante eines Entgasungsbehälters für das Kühlsystems nach FIG. 1. Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung anhand der Figuren
FIG. 1 zeigt ein stark vereinfachtes Schaltschema eines Kühlsystems für einen metallurgischen Schmelzofen. Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Kühlkreis des Schmelzofens bezeichnet. Dieser Kühlkreis 10 umfasst einen Kühlwasser-Vorlaufkollektor 12 und einen Kühlwasser-Rücklaufkollektor 14. Zwi- sehen Kühlwasser- Vorlaufkollektor 12 und Kühlwasser-Rücklaufkollektor 14 sind mehrere Kühlelemente 16- (i=1 , 2, 3, 4) geschaltet. Bei den gezeigten Kühlelementen 16j (i=1 , 2, 3, 4) handelt es sich z.B. um massive Kühlplatten aus Kupfer oder Gusseisen mit integrierten Kühlkanälen 18-, (i=1 , 2, 3, 4) für das Kühlwasser. Diese Kühlplatten 16, (i=1 , 2, 3, 4) sind innerhalb eines äußeren Ofenpanzers angebracht und meistens von einer Ofenauskieidung aus einem Feuerfestmaterial bedeckt. Es bleibt anzumerken, dass der Fachmann solche Kühlelemente 1 βj (i=1 , 2, 3, 4) auch noch als sogenannte „Staves" kennt.
Jedes Kühlelement 16j (i=1 , 2, 3, 4) weist in seinem Vorlaufanschluss ein Ventil 20i (i=1 , 2, 3, 4) und in seinem Rücklaufanschluss ein Ventil 22* (i=1 , 2, 3, 4) auf. Diese Ventile 20j und 22ι ermöglichen es das entsprechende Kühlelement 16ι aus dem Kühlkreis 10 zu isolieren. Mindest eines der beiden Ventile 20j und 22| ist ebenfalls dazu ausgelegt um eine Feinabstimmung der Druckverluste in dem entsprechenden Kühlelement 16- (i=1 , 2, 3, 4) zu ermöglichen. In FIG. 1 sind die Kühlelemente 16| (i=1 , 2, 3, 4) alle parallel geschaltet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass der Kühlkreis 10 auch in Reihe geschaltete Kühlelemente umfassen kann.
Das Bezugszeichen 24 bezeichnet einen Vorlaufbehälter für Kühlwasser der oberhalb des Kühlwasser- Vorlaufkollektors 12 angeordnet ist. Dieser Vorlaufbehälter 24 steht über eine Entlüftungsleitung 25 mit der Atmosphäre in Verbindung, so dass oberhalb des Kühlwassers im Vorlaufbehälter 24 Atmosphärendruck im vorherrscht. Über eine Vorlaufleitung 26 kann das Kühlwasser aus dem Vorlaufbehälter 24 in den tieferliegenden Kühlwasser-Vorlaufkollektor 12 einströmen. Eine Entleerungsleitung 27 ermöglicht es den Vorlaufbehälter 24 bei Bedarf in einen Abflusskanal 28 zu entleeren. In diese Entleerungsleitung 27 mündet ebenfalls eine Überlaufvorrichtung 29 ein.
Das Bezugszeichen 30 in FIG. 1 bezeichnet einen geschlossenen Entgasungsbehälter in den das Kühlwasser aus dem Rücklaufkollektor 14 einströmt. An diesen Entgasungsbehälter 30 ist eine Unterdruckpumpe 32 angeschlossen. Letztere erzeugt einen atmosphärischen Unterdruck in einem Gasraum 33 oberhalb des Kühlwassers. Es ist weiterhin hervorzuheben, dass der Entgasungsbehälter 30 durch eine Trennwand 34 in ein Dekantierbecken 36 und ein Absaugbecken 38 unterteilt ist. In das Dekantierbecken 36 strömt das Kühlwas- ser über eine Rücklaufleitung 40 ein, wobei sich ein Großteil der vom Kühlwasser transportierten Festpartikel im Dekantierbecken 36 absetzt. Da der Kühlwasserspiegel im Entgasungsbehälter 30 leicht höher als die Trennwand 34 ist, strömt das Kühlwasser in das Absaugbecken 38 über und kann hier in eine Saugleitung 42 einströmen. Bei der Unterdruckpumpe 32 kann es sich z.B. um eine mit Druckluft betriebene Strahlpumpe handeln. Das Bezugszeichen 44 bezeichnet eine Druckluftquelle (d.h. einen Druckluftkompressor oder ein Druckluftverteilernetz) an den die Strahlpumpe 32 zwecks Erzeugen eines Saugluftstrahls angeschlossen ist. Dieser Saugluftstrahl saugt einen Unterdruck in dem Entgasungsbehälter 30. Wie weiterhin in FIG. 1 gezeigt, kann der Ausgang der Strahlpumpe 42 mittels einer Abluftleitung 46 an einen Wasserabscheider 48 angeschlossen werden, in dem aus dem Entgasungsbehälter 30 mitgerissenes Kühlwasser aus der Abluft abgeschieden wird. Dieser Wasserabscheider 48 kann z.B. oberhalb des Vorlaufbehälters 24 angeordnet sein, so dass das abgeschiedene Kühlwasser über eine Leitung 50 durch Schwerkraft in den Vorlaufbehälter 24 zurückgeführt werden kann.
Die Absaugleitung 42 ist an eine tieferliegende Druckerhöhungsstation 52 angeschlossen, die zum Beispiel zwei parallel geschaltete Pumpen 54 und 56 umfasst, wobei jeweils eine der Pumpen 54, 56 in Betrieb ist und die andere in
Reserve ist. Falls die Pumpen 54, 56 Kreiselpumpen sind, muss der vorhande- ne NPSH-Wert der Anlage natürlich größer als der erforderliche NPSH-Wert der Kreiselpumpen sein. Deshalb müssen die Kreiselpumpen ggf. eine gewisse Höhe unter dem Entgasungsbehälter 30 angeordnet sein. Um einen tiefen Pumpenschacht zu vermeiden, können allerdings auch Pumpen eingesetzt werden die wenig kavitationsanfällig sind. Die Pumpen 54, 56 sind also saugseitig über die Absaugleitung 42 mit dem Entgasungsbehälter 30 verbunden. Druckseitig sind sie über eine Druckleitung 58 mit dem Vorlaufbehälter 24 verbunden. In diese Druckleitung 58 ist ein Rückkühler 60 für das Kühlwasser eingebaut. Die Pumpen 54, 56 pumpen folglich das Kühlwasser aus dem Entgasungsbehälter 30 durch den Rückkühler 60 in den Vorlaufbehälter 24 zurück. Mit dem Bezugszeichen 62 ist eine Frischwasserleitung bezeichnet, mittels der Wasserverluste kompensiert werden können oder ein Wasseraustausch vorgenommen werden kann.
Entsprechend einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Kühlsystem hydraulisch derart ausgelegt, dass im größten Teil der Kühlkanäle 18j bei einem vorbestimmten Kühlwasserstrom ein statischer Druck vorliegt der kleiner als der atmosphärische Druck am Aufstellungsort des metallurgischen Schmelzofen ist. In FIG. 1 bezeichnet Qi (i=1 , 2, 3, 4) jeweils den vorbestimmten Kühlwasserstrom der in dem jeweiligen Kühlelement 16-, (i=1 , 2, 3, 4) erforderlich ist um die gewünschte Wärmemenge bei einer vorgegebenen Vorlauf- und Rücklauftemperatur des Kühlwassers abzuführen. Die Zuleitungen zu den einzelnen Kühlelementen 16ι werden derart ausgelegt, dass im Eintritt der Kühlkanäle 18j ein leichter Unterdruck vorliegt. Das Kühlwasser durchquert die Kühlkanäle 18* von oben nach unten. In den Kühlkanälen 18j kann der statische Druck durch lokale und lineare Druckverluste (Verlustenergie), den Kanalquerschnitt (Geschwindigkeitsenergie) und das Gefälle (Positionsenergie) beeinflusst werden. Hierzu ist anzumerken, dass Druckverluste und eine Reduzierung des Kanalquerschnitts eine Erhöhung des Unterdrucks bewirken (d.h. der statische Absolutdruck nimmt ab), ein Gefälle jedoch eine Abnahme des Unterdrucks bewirkt (d.h. der statische Absolutdruck nimmt zu). Um ein langsames Ansteigen des Unterdrucks vom Vorlaufanschluss zum Rücklaufan- schluss bei einem gleichbleibenden Kanalquerschnitt zu bewirken, muss z.B. die Verlustenergie leicht schneller ansteigen als die Positionsenergie abnimmt.
Eine sehr genaue Berechnung des vorhandenen statistischen Druckes an jeder Stelle des Kühlkreises 10 ist unbedingt notwendig um das Kavitations- problem in den Griff zu bekommen. Mit modernen Computerprogrammen für die Berechnung von Strömungen in Rohrleitungen ist dies für den Fachmann jedoch kein Problem. Um eine ausreichende Sicherheit gegen Kavitation in den Kühlkanälen zu erreichen, soll der statische Absolutdruck an keiner Stelle des Kühlkreises 10 kleiner als kPD sein, wobei k ein Sicherheitsfaktor größer als i ist, und PD der Verdampfungsdruck des Kühlwassers bei maximaler Kühlwassertemperatur ist. So kann man z.B. davon ausgehen, dass bei einer maximalen Rücklauftemperatur des Kühlwassers von 40°C, der statische Absolutdruck an keiner Stelle des Kühlkreises tiefer als 0.4 bar sein soll.
Der Unterdruck in den Kühlelementen 16j (i=1 , 2, 3, 4) gewährleistet, dass bei einer kleinen Undichtheit im Kühlkreis 10 kein Kühlwasser in den Schmelzofen austritt. Es werden vielmehr Luft oder Ofengase durch die Undichtheit in den Kühlkreis 10 eingesaugt. Mit dem Bezugszeichen 70 ist in FIG. 1 ein Gasdetektor bezeichnet, der auf Ofengase anspricht, die sich im Falle einer Undichtheit im Kühlkreis 10 in dem Gasraum 33 des Entgasungsbehälters 30 sammeln. Über diesen Gasdetektor 70 erhält der O'fenbetreiber relativ rasch eine zuverlässige Angabe, dass sich eine Undichtheit im Kühlkreis 10 gebildet hat.
Falls der Entgasungsbehälter 30 wesentlich tiefer als der Rücklaufkollektor 14 angeordnet werden kann, kann gegebenenfalls auf die Unterdruckpumpe 32 verzichtet werden. Fig. 2 zeigt einen solchen Entgasungsbehälter 130. Er ist eine gewisse geodätische Höhe H unter dem Rücklauf kollektor 14 angeordnet und mit diesem über eine Rücklaufleitung 40 mit geringen Druckverlusten verbunden, so dass der statische Absolutdruck des Kühlwassers in der Rücklaufleitung 40 stark ansteigt und im Rücklaufkollektor 14 leicht größer als der Atmosphärendruck ist. Die Entgasung des Entgasungsbehälters 30 kann folglich über ein einfaches Entlüftungsventil 132 zur Atmosphäre erfolgen. Mit dem Bezugszeichen 134 ist in FIG. 2 ein Gasdetektor bezeichnet, der auf Ofengase anspricht, die sich im Falle einer Undichtheit im Kühlkreis 10 vor dem Entlüftungsventil 132 des Entgasungsbehälters 130 sammeln, bis das Entlüf- tungsventil öffnet. Auch über diesen Gasdetektor 132 erhält der Ofenbetreiber relativ rasch eine zuverlässige Angabe, dass sich eine Undichtheit im Kühlkreis 10 gebildet hat.

Claims

Patentansprüche
1. Kühlsystem für einen metallurgischen Schmelzofen, umfassend: mindestens ein Kühlelement (16ι; i=1 , 2, 3, 4) das in eine Ofenwand des metallurgischen Schmelzofens integriert ist und mindestens einen internen Kühlkanal (18ι; i=1 , 2, 3, 4) aufweist, wobei letzterer von einem vorbe- stimmten Kühlwasser-Volumenstrom (Q-; i=1 , 2, 3, 4) durchströmt wird, der die erforderliche Kühlleistung gewährleistet; mindestens einen Vorratsbehälter für Kühlwasser; und mindestens eine Kühlwasserpumpe (54, 56) die das im Kühlelement (16ι; i=1 , 2, 3, 4) erhitzte Kühlwasser absaugt und in den Vorratsbehälter zurückpumpt; wobei das Kühlsystem hydraulisch derart ausgelegt ist, dass im größten Teil des mindestens einen internen Kühlkanals (18ι; i=1 , 2, 3, 4) bei dem vorbestimmten Kühlwasserstrom (Q-; i=1 , 2, 3, 4) ein statischer Absolutdruck vorliegt der kleiner als der atmosphärische Druck am Aufstellungsort des me- tallurgischen Schmelzofen ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter für das Kühlwasser durch einen Vorlaufbehälter (24) für Kühlwasser ausgebildet wird, der höher als das mindestens eine Kühlelement (16ι; i=1 , 2, 3, 4) angeordnet ist.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Rückkühlvorrichtung (60) die hydraulisch zwischen der mindestens einen Kühlwasserpumpe (54, 56) und dem Vorlaufbehälter (24) angeordnet ist.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Entgasungsbehälter (30, 130) der hydraulisch zwischen der Kühlwasserpumpe (54, 56) und dem mindestens einen Kühlelement (16ι; i=1 , 2, 3, 4) angeordnet ist; und eine Gasspürvorrichtung (70, 134) zum Aufspüren von Ofengasen die sich im Entgasungsbehälter (30, 130) aus dem Kühlwasser absondern.
4. Kühlsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Gasraum (33) oberhalb des Kühlwassers im Entgasungsbehälter (30); und eine Unterdruckpumpe (32) zum Erzeugen eines atmosphärischen Unterdrucks in dem Gasraum (33) oberhalb des Kühlwassers.
5. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kühlelement (16jj i=1 , 2, 3, 4) eine massive Kühlplatte aus Kupfer oder Gusseisen ist.
6. Metallurgischer Schmelzofen umfassend mindestens ein Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Metallurgischer Schmelzofen nach Anspruch 6, wobei mindestens ein Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Bodenkühlung des Schmelzofens ausgebildet ist.
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