WO2004038317A2 - Metallurgisches schmelzgefäss - Google Patents

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WO2004038317A2
WO2004038317A2 PCT/EP2003/011530 EP0311530W WO2004038317A2 WO 2004038317 A2 WO2004038317 A2 WO 2004038317A2 EP 0311530 W EP0311530 W EP 0311530W WO 2004038317 A2 WO2004038317 A2 WO 2004038317A2
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heat
melting
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steel
refractory material
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Stefan Wallner
Andreas Filzwieser
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Refractory Intellectual Property Gmbh & Co.Kg
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
    • F27B3/24—Cooling arrangements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/10—Cooling; Devices therefor
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    • 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
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    • F27D1/12—Casings; Linings; Walls; Roofs incorporating cooling arrangements
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    • F27D2009/0051—Cooling of furnaces comprising use of studs to transfer heat or retain the liner
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    • F27D2009/0081—Cooling of charges therein the cooling medium being a fluid (other than a gas in direct or indirect contact with the charge)
    • F27D2009/0083—Cooling of charges therein the cooling medium being a fluid (other than a gas in direct or indirect contact with the charge) the fluid being water
    • F27D2009/0086—Cooling of charges therein the cooling medium being a fluid (other than a gas in direct or indirect contact with the charge) the fluid being water applied in spray form

Definitions

  • the invention relates to a metallurgical melting vessel.
  • Metallurgical melting vessels are used to melt and contain metal-containing substances.
  • Metallurgical melting vessels can therefore be, for example, both furnaces for melting metals, for example electric melting furnaces. On the other hand, they can, for example, also be treatment vessels for treating metal melts, for example melting vessels for continuous metal casting, such as, for example, ladles, tundish (intermediate vessel) or crucibles.
  • Metallurgical melting vessels have an outer steel jacket, hereinafter referred to as a steel vessel. This steel vessel has side walls and a bottom. Steel vessels such as ladles or crucibles are open at the top. Electric melting furnaces can be closed at the top.
  • Metallurgical melting vessels have a refractory material on the inside. This fireproof material protects the steel vessel against the (aggressive and hot) metal melts.
  • Cooling of the refractory material may also be desired at so-called "hot spots", that is to say at the locations of the refractory material of an electric arc furnace which are in the vicinity of the electrodes.
  • the increase in heat dissipation in the heavily used area is usually achieved today by arranging cooling boxes through which water flows in these areas on the melting vessels, by means of which these areas of the melting vessels are cooled.
  • the metallic steel jacket of the melting vessel has an opening in the heavily used areas.
  • the steel jacket is replaced by a copper plate.
  • the copper plate has fingers that extend into the interior of the refractory. From the outside, the copper plates are exposed to water and thereby cooled.
  • a particular disadvantage of this type of cooling is that the steel jacket has to be broken through. Existing melting vessels with a continuous steel jacket must therefore be converted extensively. After its conversion, the steel jacket is only for a specific, Cooling unit specially adapted to the opening in the steel jacket.
  • cooling water is in direct contact with a component of the melting vessel (the copper plates) that are not protected by the steel jacket. Due to leaks in the cooling water circuit, water can get directly into the oven, which can lead to the feared water vapor explosions.
  • the invention has for its object to provide a metallurgical melting vessel, the steel vessel can be cooled and which has none of the aforementioned disadvantages.
  • Existing melting vessels should therefore also be usable for assembling the melting vessel without having to partially destroy them in the area of the jacket.
  • the melting vessel to be created should also be able to work safely.
  • the steel vessel has on its inside a refractory material that encloses a free interior;
  • one or more heat-conducting elements made of a good heat-conducting material are arranged between the refractory material and the steel vessel; the heat-conducting elements have webs which extend into the refractory material and end at a distance from the interior;
  • the heat-conducting elements are in contact with the steel vessel via a good heat-conducting intermediate layer.
  • An essential aspect of the invention is that the steel vessel does not have to be broken through in order to be able to cool the heat-conducting elements, for example copper plates. Rather, they can be cooled via a good heat-conducting intermediate layer that is in contact with the steel vessel.
  • the cooling medium, through which the heat-conducting elements can be cooled, does not therefore cool the heat-conducting elements directly; rather, the cooling medium cools the steel vessel, which passes the cooling on to the intermediate layer, which in turn cools the heat-conducting elements.
  • the heat-conducting elements can thus be cooled on the one hand and at the same time embedded in the (continuous) steel vessel.
  • the refractory material with which the steel vessel is lined on the inside can be any refractory material.
  • the refractory material can be a non-metallic ceramic material.
  • "Fireproof material” can be understood, as is customary, to mean those non-metallic ceramic materials (including those which contain proportions of metals) which have a fire resistance, that is to say a cone drop point, of at least 1500 ° C.
  • the type of refractory Materials are also arbitrary; for example, it can consist of shaped products (stones) and / or unshaped products (masses). The material can be based on any material.
  • the material can be based on at least one of the following oxides: SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, CaO, Cr 2 O 3 , TiO 2 or ZrO 2 .
  • the material can have, for example, carbon-containing components.
  • the refractory material can extend to the top of the steel vessel or end up at a complaint.
  • the interior which is surrounded by the refractory material, serves to - absorb the molten metal.
  • one or more heat-conducting elements made of a good heat-conducting material are arranged at least in sections between the refractory material and the steel vessel , Since this transition area is ring-shaped (corresponding to a "ring" which the transition area of a liquid in a vessel forms between liquid and air), the heat-conducting elements can also be arranged in a ring shape along this ring-shaped transition area in the melting vessel.
  • the assembly and arrangement of the heat-conducting elements is any.
  • the heat-conducting elements are only provided in the zone of the refractory material in which the transition area is located when the molten metal is in the interior.
  • heat-conducting elements can consist, for example, of individual “plates” which are placed next to one another, for example, with abutting edges.
  • this can be designed in the form of a ring, for example.
  • This ring is then, of course, arranged in the zone of the refractory material, in which the transition area is located - in the case of molten metal in the melting vessel.
  • the axis of the annular heating element can run essentially coaxially to the axis of the steel vessel.
  • the heat-conducting element can consist of any material that is, however, a good heat conductor. It can consist of a metal or a metal alloy, for example of copper, brass, magnesium or their respective alloys.
  • Good heat conductivity in the sense of the application is a material that has at least a thermal conductivity that is higher than the thermal conductivity of conventional refractory ceramic products. There the latter have a thermal conductivity of generally not more than 10 W / m'K, a good heat-conducting material in the sense of the application can have a thermal conductivity of at least over 10 W / m ' K, for example also of more than 55 W / m ' K ( Lower limit of the thermal conductivity of brass) or of more than 70 W / m'K (lower limit of the thermal conductivity of magnesium alloys) or 395 W / m'K (thermal conductivity of copper).
  • the thermal conductivity of the heat-conducting elements should in principle be so high that they ensure adequate heat dissipation from the areas of the refractory material facing the interior where caking should form.
  • the heat conducting elements In order to improve the heat conduction between the heat conducting elements and the refractory material, the heat conducting elements have webs which extend into the refractory material and which end at a distance from the interior. The refractory material can thus transfer its heat inside to these webs, which conduct the heat to the heat-conducting element faster than the refractory material.
  • These webs can have any shape.
  • they can be rod-shaped elements with, for example, a round, square or circular cross section; the latter are thus assembled in the manner of tubes.
  • the steel vessel is lined with a refractory mass at least in the area of the heat-conducting elements; this can be poured around the webs so that they are tight in the refractory Material are embedded.
  • the webs end at a distance from the interior. Since the webs must not come into contact with the molten metal, the end of the webs facing away from the heat-conducting element must end in the refractory material, so that the webs are protected against the molten metal by the refractory material.
  • the webs and the heat-conducting elements can be monolithic, that is to say formed from “one piece” (for example cast in one piece or welded to one another). Of course, provision can also be made to connect the webs to the heat-conducting elements.
  • the heat-conducting elements or the webs can be constructed, for example, in accordance with WO 95/22732 A1.
  • the heat-conducting elements can be fastened to the steel jacket via holding elements, for example T-profiles. Even with existing melting vessels, such holding elements can be attached to the inside of the steel jacket (e.g. by welding) without having to break through the steel jacket.
  • the heat-conducting elements are in contact with the steel vessel via a good heat-conducting intermediate layer.
  • the intermediate layer offers the advantage, among other things, that physical differences (different expansions due to different coefficients of thermal expansion) or chemical reactions (interface reactions) between the steel vessel and heat-conducting elements can be compensated.
  • the intermediate layer is a good heat-conducting material (in the sense of the application).
  • the intermediate layer can consist, for example, of a refractory material, for example a refractory ceramic mass.
  • a carbon-containing, refractory ceramic mass can also be provided as the intermediate layer.
  • the good heat-conducting intermediate layer can consist of a metal alloy.
  • the metal alloy can be introduced in liquid form or in solid form (for example as a plate, strip or powder) between the steel jacket and the heat-conducting element. As far as the metal alloy is introduced in solid form, it melts in the course of the first heating of the melting vessel with the cooling of the steel jacket switched off. If the cooling of the steel jacket is then activated, this metal alloy solidifies and "welds" to the steel jacket or the adjacent heat-conducting elements.
  • the melting temperature of this metal alloy is below the melting temperature of the heat-conducting elements and the steel vessel. Furthermore, it can be provided in particular that the melting temperature of the metal alloy lies in a range which is exceeded during the heating of the melting vessel, in particular when the cooling device fails, for example due to a defect.
  • the intermediate layer made of a metal alloy acts as a "safety buffer" by using heat of fusion to melt it Subsequent activation of the cooling device, the liquidus temperature of the metal alloy is again fallen below, whereupon it solidifies again.
  • Another advantage of such an intermediate layer lies in its "self-healing effect". If there are cracks or gaps in the area between the steel vessel and the metal alloy, the temperature increases up to the melting temperature of the metal alloy due to the poorer heat dissipation. The metal alloy then flows at these points into the cracks / crevices so that they are filled in by the melt of the metal alloy. This increases the heat flow in them again, whereupon the melt solidifies again. The cracks / crevices are thus "healed”.
  • Alloys of two or more of the metals lead, zinc, tin or antimony can be considered as the material for the metal alloy.
  • the metal alloys can, for example, have a melting point between 200 ° C. and 500 ° C., that is to say for example also between 230 ° C. and 450 ° C. or between 300 ° C. and 400 ° C.
  • lead alloyed with up to 55% by weight of tin tin alloyed with up to 50% by weight of antimony or zinc alloyed with up to 30% by weight of antimony can be used as the metal alloy.
  • a cooling device can be provided, by means of which the outside (ie the side of the steel vessel facing away from the interior) of the steel vessel can be cooled.
  • a cooling device can be provided, by means of which the outside of the steel vessel can be cooled in the area at which the heat-conducting elements are arranged.
  • a cooling device can be provided, by means of which the outside of the steel vessel to be cooled can be “sprinkled” with a cooling medium (for example sprayable or sprayable)
  • a cooling medium for example sprayable or sprayable
  • the cooling device can be, for example, one through which water or another cooling medium can be supplied to the outside of the steel vessel.
  • Corresponding cooling systems are also known, for example, as so-called cooling boxes.
  • CFM's Composite Furnace Module Cooling Systems
  • Cooling systems for cooling the outside of the steel vessel are designed according to the following principle:
  • the area of the steel vessel to be cooled is covered by one or more box-shaped elements. This creates a free space in the area to be cooled, which is sealed off from the outside and is in contact with the outside only via an inlet opening and an outlet opening.
  • a cooling medium for example Water or another cooling fluid
  • the cooling medium flows past the surface of the steel vessel and absorbs heat from it (or gives off cold to it).
  • the heated fluid leaves the free space through the drain opening.
  • the refractory material can thus be cooled as follows: A cooling medium cools the outside of the steel vessel.
  • the cooled steel vessel transfers the cold to the intermediate layer and this in turn transfers the cold to the heat-conducting elements.
  • the heat-conducting elements and their webs ultimately pass the cold on to the refractory material.
  • the heat of the refractory material is naturally dissipated to the cooling medium in exactly the opposite way.
  • the section of the side wall of the melting vessel is overall with marked with the reference number 1.
  • the visible section of the steel vessel 3 (steel jacket) in the form of a vertically extending wall closes the melting vessel from the outside (here to the left outside).
  • the steel jacket 3 is partially covered by an intermediate element 7 made of a carbon-containing, refractory mass.
  • a heat-conducting element 5 made of copper covers the intermediate element 7 on the inside.
  • Tubular webs 1 1 made of copper extend vertically (here to the right) from the heat-conducting element 5 and into the refractory material 9. Web 11 and heat-conducting element 5 are monolithic (one piece).
  • the refractory material 9 is a monolithic ceramic mass which was cast around the webs 11.
  • the ends of the webs 1 1 facing away from the heat-conducting element 5 end at a distance from the interior I of the melting vessel in the interior of the refractory mass 9.
  • a cooling device 13 for cooling the steel vessel 3 is arranged on the outside 3a of the steel vessel 3.
  • the cooling device 13 is a box-shaped element which faces the outer wall 3 a with its open side and rests with the edges of the opening on the outer wall 3 a, so that the cooling device 13 as a whole clears a space 15 between the outer wall 3 a and the wall the cooling device 13 is created.
  • the free space 15 is in contact with the surroundings only via an inlet opening 17 and an outlet opening 19.
  • the operation of the melting vessel shown is as follows.
  • the molten metal In the operating state, there is a molten metal in the interior of the melting vessel.
  • the molten metal has a metal bath M and a slag zone S (the interfaces of the slag zone are indicated by horizontal lines).
  • a cooling medium water in the present exemplary embodiment, is passed through the inlet opening 17 into the free space 15 of the cooling device 13.
  • the steel vessel 3 is cooled in the area of the cooling device 13 by the cooling medium.
  • the steel vessel 3 transfers the cooling to the intermediate layer 7, which in turn transfers the cooling to the heat-conducting element 5.
  • This passes the cooling on the one hand and on the other hand through the webs 1 1 to the refractory material 9.
  • the refractory material 9 is cooled or its heat (vice versa) is released to the cooling medium via the webs 11, the heat-conducting element 5, the intermediate layer 7 and the steel vessel 3.
  • the cooling medium thus heated is discharged through the drain opening 19 from the free space 15 out of the cooling device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallurgisches Schmelzgefäss.

Description

Metallurgisches Schmelzgefäß
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein metallurgisches Schmelzgefäß.
Metallurgische Schmelzgefäße dienen zum Erschmelzen metallhaltiger Stoffe und deren Behandlung.
Metallurgische Schmelzgefäße können damit zum einen beispielsweise sowohl Öfen zum Erschmelzen von Metallen sein, zum Beispiel Elektroschmelzöfen. Zum anderen können sie beispielsweise auch Behandlungsgefäße zum Behandeln von Metallschmelzen sein, beispielsweise Schmelzgefäße für den Metall-Strangguss, wie beispielsweise Gießpfannen, Tundish (Zwischengefäß) oder Tiegel. Metallurgische Schmelzgefäße weisen einen äußeren Stahlmantel auf, im folgenden Stahlgefäß genannt. Dieses Stahlgefäß weist seitliche Wandungen und einen Boden auf. Stahlgefäße wie beispielsweise Gießpfannen oder Tiegel sind nach oben offen. Elektroschmelzöfen können oben geschlossen sein.
Auf ihrer Innenseite weisen metallurgische Schmelzgefäße ein feuerfestes Material auf. Durch dieses feuerfeste Material wird das Stahlgefäß gegenüber den (aggressiven und heißen) Metallschmelzen geschützt.
Grundsätzlich haben sich entsprechende metallurgische Schmelzgefäße bewährt.
Probleme treten jedoch insbesondere im Bereich der Schlackenzone, also dem Bereich der Metallschmelze auf, an dem das Metallbad in den Schlackenbereich übergeht. In diesem Bereich wird das feuerfeste Material stärker durch die Metallschmelze beansprucht als in den anderen Bereichen und ist hier damit einem erhöhten Verschleiß unterworfen. Ist das feuerfeste Material in diesem Bereich des metallurgischen Schmelzgefäßes zu stark verschlissen, kann das gesamte Schmelzgefäß zunächst nicht weiter verwendet werden, obwohl der überwiegende Anteil des feuerfesten Materials (außerhalb des verschlissenen Bereichs) noch weitgehend intakt ist.
Aus dem Stand der Technik sind metallurgische Schmelzgefäße bekannt, bei denen die Wärmeabfuhr im stark beanspruchten Bereich -> -
(also im Übergangsbereich von Metallbad zu Schlacke) erhöht wird. Dadurch kommt es an der der Metallschmelze zugewandten Seite (Heißseite) des feuerfesten Materials zu festen Anbackungen (in der Regel eine Schicht aus erstarrter Schlacke; auch als „Kruste", „Schutzschicht" oder „Ansatz" bezeichnet). Durch diese Anbackungen wird das dahinter liegende, feuerfeste Material vor einem Verschleiß geschützt.
Eine Kühlung des feuerfesten Materials kann auch an sogenannten „hot spots" gewünscht sein, also an den Stellen des feuerfesten Materials eins elektrischen Lichtbogenofens, die in der Nähe der Elektroden liegen.
Die Erhöhung der Wärmeabfuhr im stark beanspruchten Bereich wird heutzutage üblicherweise dadurch erreicht, dass man in diesen Bereichen wasserdurchflossene Kühlkästen an den Schmelzgefäßen anordnet, durch die diese Bereiche der Schmelzgefäße gekühlt werden.
Das Prinzip dieser Kühlkästen wird beispielsweise in WO 95/22732 AI beschrieben. Demnach weist der metallische Stahlmantel des Schmelzgefäßes an den stark beanspruchten Bereichen eine Durchbrechung auf. Im Bereich der Durchbrechung wird der Stahlmantel durch eine Kupferplatte ersetzt. Die Kupferplatte weist Finger auf, die sich in das Innere des feuerfesten Materials erstrecken. Von außen her werden die Kupferplatten mit Wasser beaufschlagt und dadurch gekühlt.
Nachteilig bei dieser Art der Kühlung ist insbesondere, dass der Stahlmantel durchbrochen werden muss. Bestehende Schmelzgefaße mit einem durchgehenden Stahlmantel müssen daher aufwendig umgebaut werden. Nach seinem Umbau ist der Stahlmantel nur für ein konkretes, speziell auf die Öffnung im Stahlmantel abgestimmtes Kühlaggregat verwendbar.
Nachteilig ist ferner, dass das Kühlwasser direkt mit einer Komponente des Schmelzgefäßes (den Kupferplatten) in Kontakt steht, die nicht durch den Stahlmantel geschützt sind. Auf Grund von Leckagen im Kühlwasserkreislauf kann Wasser somit direkt in den Ofen gelangen, wodurch es zu den gefürchteten Wasserdampfexplosionen kommen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallurgisches Schmelzgefäß zur Verfügung zu stellen, dessen Stahlgefäß kühlbar ist und das keines der vorgenannten Nachteile aufweist. Zur Konfektionierung des Schmelzgefäßes sollen mithin auch bestehende Schmelzgefäße verwendbar sein, ohne diese im Bereich des Mantels teilweise zerstören zu müssen. Auch soll das neu zu schaffende Schmelzgefäß sicher arbeiten können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Schmelzgefäß mit den folgenden Merkmalen zur Verfügung gestellt:
einem Stahlgefäß;
das Stahlgefäß weist auf seiner Innenseite ein feuerfestes Material auf, das einen freien Innenraum umschließt;
zumindest abschnittsweise sind zwischen dem feuerfesten Material und dem Stahlgefäß eine oder mehrere Wärmeleitelemente aus einem gut wärmeleitenden Material angeordnet; die Wärmeleitelemente weisen sich in das feuerfeste Material hinein erstreckende Stege auf, die beabstandet zum Innenraum enden;
die Wärmeleitelemente stehen über eine gut wärmeleitende Zwischenschicht in Kontakt mit dem Stahlgefäß.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das Stahlgefäß nicht durchbrochen sein muss, um die Wärmeleitelemente, beispielsweise Kupferplatten, kühlen zu können. Vielmehr sind diese über eine gut wärmeleitende Zwischenschicht, die in Kontakt mit dem Stahlgefäß steht, kühlbar. Das Kühlmedium, durch das die Wärmeleitelemente kühlbar sind, kühlt die Wärmeleitelemente mithin nicht unmittelbar; vielmehr kühlt das Kühlmedium das Stahlgefäß, das die Kühlung an die Zwischenschicht weitergibt, wobei diese wiederum die Wärmeleitelemente kühlt.
Die Wärmeleitelemente sind damit zum einen kühlbar und zum anderen gleichzeitig im (durchgehenden) Stahlgefäß eingebettet.
Das feuerfeste Material, mit dem das Stahlgefäß auf seiner Innenseite ausgekleidet ist, kann ein beliebiges feuerfestes Material sein. Beispielsweise kann das feuerfeste Material ein nichtmetallischer keramischer Werkstoff sein. Unter "feuerfestem Material" können gemäß üblicher Festlegung solche nichtmetallischen keramischen Werkstoffe (einschließlich solcher, die Anteile an Metallen enthalten) verstanden werden, die eine Feuerfestigkeit, das heißt einen Kegelfallpunkt, von wenigstens 1500°C haben. Die Art des feuerfesten Materials ist ebenfalls beliebig; beispielsweise kann es aus geformten Erzeugnissen (Steinen) und/oder ungeformten Erzeugnissen (Massen) bestehen. Das Material kann auf einem beliebigen Werkstoff basieren. Der Werkstoff kann auf wenigstens einem der folgenden Oxide basieren: SiO2, Al2O3, MgO, CaO, Cr2O3, TiO2 oder ZrO2. Daneben kann das Material/der Werkstoff beispielsweise kohlenstoffhaltige Anteile aufweisen.
Das feuerfeste Material kann bis zum oberen Rand des Stahlgefäßes reichen oder beanstandet zu diesem enden.
Der Innenraum, den das feuerfeste Material umschließt, dient zur - Aufnahme der Metallschmelze.
Zur Kühlung des feuerfesten Materials in dem Bereich, in dem (bei im Innenraum befindlicher Metallschmelze) das Metallbad der Metallschmelze in den Schlackenbereich übergeht (Übergangsbereich), sind zumindest abschnittsweise zwischen dem feuerfesten Material und dem Stahlgefäß eine oder mehrere Wärmeleitelemente aus einem gut wärmeleitenden Material angeordnet. Da dieser Übergangsbereich ringförmig ist (entsprechend einem "Ring", den der Übergangsbereich einer in einem Gefäß befindlichen Flüssigkeit zwischen Flüssigkeit und Luft bildet), können auch die Wärmeleitelemente entlang dieses ringförmigen Übergangsbereichs ringförmig im Schmelzgefäß angeordnet sein.
Die Konfektionierung und Anordnung der Wärmeleitelemente ist beliebig. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Wärmeleitelemente nur in der Zone des feuerfesten Materials vorgesehen sind, bei der sich bei im Innenraum befindlicher Metallschmelze der Übergangsbereich befindet.
Es können mehrere oder nur ein Wärmeelement vorgesehen sein.
Mehrere Wärmeleitelemente können beispielsweise aus einzelnen "Platten" bestehen, die beispielsweise mit aneinanderstoßenden Kanten nebeneinandergelegt sind.
Soweit nur ein Wärmeleitelement vorgesehen ist, kahh dieses beispielsweise ringförmig gestaltet sein. Dieser Ring ist dann selbstverständlich in der Zone des feuerfesten Materials angeordnet, in der sich - bei im Schmelzgefäß befindlicher Metallschmelze - der Übergangsbereich befindet. Mit anderen Worten: Die Achse des ringförmigen Wärmeelementes kann im wesentlichen koaxial zur Achse des Stahlgefäßes verlaufen.
Das Wärmeleitelement kann aus einem beliebigen, jedoch gut wärmeleitendem Material bestehen. Es kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, beispielsweise aus Kupfer, Messing, Magnesium oder deren jeweiligen Legierungen.
"Gut wärmeleitend" im anmeldungsgemäßen Sinne ist ein Material, das zumindest eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, die über der Wärmeleitfähigkeit üblicher feuerfester, keramischer Produkte liegt. Da letztere eine Wärmeleitfähigkeit von in der Regel nicht über 10 W/m'K aufweisen, kann ein gut wärmeleitendes Material im anmeldungsgemäßen Sinne eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest über 10 W/m'K aufweisen, also beispielsweise auch von über 55 W/m'K (Untergrenze der Wärmeleitfähigkeit von Messing) oder von über 70 W/m'K (Untergrenze der Wärmeleitfähigkeit von Magnesiumlegierungen) oder von 395 W/m'K (Wärmeleitfähigkeit von Kupfer).
Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitelemente sollte grundsätzlich so hoch sein, dass sie eine ausreichende Wärmeabfuhr von den, dem Innenraum zugewandten Stellen des feuerfesten Materials gewährleisten, an denen sich Anbackungen bilden sollen.
Um die Wärmeleitung zwischen den Wärmeleitelementen und dem feuerfesten Material zu verbessern, weisen die Wärmeleitelemente sich in das feuerfeste Material hinein erstreckende Stege auf, die beanstandet zum Innenraum enden. Das feuerfeste Material kann seine Wärme in seinem Inneren damit an diese Stege abgeben, die die Wärme schneller zum Wärmeleitelement leiten als das feuerfeste Material.
Diese Stege können eine beliebige Form haben. Sie können beispielsweise stabförmige Elemente mit beispielsweise rundem, eckigem oder kreisförmigem Querschnitt sein; letztere sind damit nach Art von Rohren konfektioniert.
Es kann vorgesehen sein, dass das Stahlgefäß zumindest im Bereich der Wärmeleitelemente mit einer feuerfesten Masse ausgekleidet ist; diese kann um die Stege gegossen werden, so dass diese dicht im feuerfesten Material eingebettet sind.
Die Stege enden beabstandet zum Innenraum. Da die Stege nicht in Kontakt mit der Metallschmelze treten dürfen, muss das dem Wärmeleitelement abgewandte Ende der Stege im feuerfesten Material enden, so dass die Stege gegen die Metallschmelze durch das feuerfeste Material geschützt sind.
Die Stege und die Wärmeleitelemente können monolithisch ausgebildet sein, also aus "einem Stück", geformt (zum Beispiel einstückig gegossen oder miteinander verschweißt) sein. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, die Stege mit den Wärmeleitelementen zu verbinden. Der Aufbau der Wärmeleitelemente beziehungsweise der Stege kann beispielsweise gemäß WO 95/22732 AI erfolgen.
Die Wärmeleitelemente können über Halteelemente, beispielsweise T- Profile, am Stahlmantel befestigt sein. Auch bei bestehenden Schmelzgefäßen können solche Halteelemente an der Innenseite des Stahlmantels (z. B. durch Anschweißen) angebracht werden, ohne den Stahlmantel durchbrechen zu müssen.
Die Wärmeleitelemente stehen über eine gut wärmeleitende Zwischenschicht in Kontakt mit dem Stahlgefäß. Zwar wäre es theoretisch auch möglich, die Wärmeelemente direkt mit dem Stahlgefäß zu kontaktieren. Die Zwischenschicht bietet jedoch unter anderem dem Vorteil, dass physikalische Differenzen (unterschiedliche Ausdehnungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten) oder chemische Reaktionen (Grenzflächenreaktionen) zwischen Stahlgefäß und Wärmeleitelementen kompensiert werden können. Auf jeden Fall handelt es sich bei der Zwischenschicht um ein gut wärmeleitendes Material (im anmeldungsgemäßen Sinne).
Die Zwischenschicht kann beispielsweise aus einem feuerfesten Material bestehen, beispielsweise einer feuerfesten keramischen Masse.
Als Zwischenschicht kann auch eine kohlenstoffhaltige, feuerfeste keramische Masse vorgesehen sein.
Nach einer alternativen Ausführungsform kann die gut wärmeleitende , Zwischenschicht aus einer Metalllegierung bestehen. Die Metalllegierung kann in flüssiger Form oder in fester Form (beispielsweise als Platte, Streifen oder als Pulver) zwischen Stahlmantel und Wärmeleitelement eingebracht sein. Soweit die Metalllegierung in fester Form eingebracht ist, schmilzt sie im Zuge des ersten Aufheizens des Schmelzgefäßes bei abgeschalteter Kühlung des Stahlmantels auf. Wird anschließend die Kühlung des Stahlmantels aktiviert, so erstarrt diese Metalllegierung und „verschweißt" mit dem Stahlmantel beziehungsweise den benachbarten Wärmeleitelementen.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schmelztemperatur dieser Metalllegierung unter der Schmelztemperatur der Wärmeleitelemente und des Stahlgefäßes liegt. Weiter kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schmelztemperatur der Metalllegierung in einem Bereich liegt, der während der Beheizung des Schmelzgefäßes insbesondere dann überschritten wird, wenn die Kühleinrichtung ausfällt, beispielsweise aufgrund eines Defekts. Denn in diesem Fall wirkt die Zwischenschicht aus einer Metalllegierung als „Sicherheitspuffer", indem sie Schmelzwärme zu ihrem Aufschmelzen verbraucht. Bei anschließender Aktivierung der Kühleinrichtung wird die Liquidustemperatur der Metalllegierung wieder unterschritten, woraufhin sie sich wieder verfestigt.
Ein weiterer Vorteil einer solchen Zwischenschicht liegt in ihrem „Selbstheilungseffekt". Denn sollten sich Risse oder Spalten im Bereich zwischen Stahlgefäß und Metalllegierung ergeben, erhöht sich aufgrund der hier dann schlechteren Wärmeabfuhr die Temperatur bis zur Schmelztemperatur der Metalllegierung. Die Metalllegierung fließt an diesen Stellen dann in die Risse/Spalten, so dass diese durch die Schmelze der MetalUegierung verfüllt werden. Dadurch erhöht sich in diesen der Wärmefluss wieder, woraufhin die Schmelze hier wieder erstarrt. Die Risse/Spalten sind damit „geheilt".
Als Material für die Metalllegierung kommen beispielsweise Legierungen aus zwei oder mehreren der Metalle Blei, Zink, Zinn oder Antimon in Frage. Die Metalllegierungen können beispielsweise einen Schmelzpunkt zwischen 200°C und 500°C aufweisen, also beispielsweise auch zwischen 230°C und 450°C oder zwischen 300°C und 400°C. Beispielsweise kann mit bis zu 55 Gew.-% Zinn legiertes Blei, mit bis zu 50 Gew.-% Antimon legiertes Zinn oder mit bis zu 30 Gew.-% Antimon legiertes Zink als Metalllegierung zur Anwendung kommen.
Es kann vorgesehen sein, dass am Schmelzgefäß, beispielsweise im oberen Bereich des feuerfesten Materials, ein Depot für die Metalllegierung vorhanden ist, aus dem die zur Füllung der Risse/Spalten erforderliche Menge an Metalllegierung ergänzt werden kann, also sich beispielsweise auch selbsttätig aufgrund der Schwerkraft in den Bereich der Zwischenschicht bewegt. Um das Stahlgefäß zu kühlen, kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, durch die die Außenseite (also die dem Innenraum abgewandte Seite des Stahlgefäßes) des Stahlgefäßes kühlbar ist. Um das feuerfeste Material insbesondere im Übergangsbereich kühlen zu können (siehe oben), kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, durch die die Außenseite des Stahlgefäßes an dem Bereich kühlbar ist, an dem die Wärmeleitelemente angeordnet sind.
Im einfachsten Fall kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, durch die die zu kühlende Außenseite des Stahlgefäßes mit einem Kühlmedium „berieselbar" (beispielsweise besprüh- oder bespritzbar) ist
Die Kühleinrichtung kann beispielsweise eine solche sein, durch die der Außenseite des Stahlgefäßes Wasser oder ein sonstiges Kühlmedium zuführbar ist.
Entsprechende Kühlanlagen sind beispielsweise auch als sogenannte Kühlkästen bekannt. Eine der jüngsten Varianten dieser Kühlkästen ist unter dem Akronym CFM's (Composite Furnace Module Cooling Systems) bekannt; ein solches System ist beispielsweise in WO 95/22732 AI beschrieben.
Kühlanlagen zur Kühlung der Außenseite des Stahlgefäßes sind nach dem folgenden Prinzip konzipiert: Der zu kühlende Bereich des Stahlgefäßes wird durch eines oder mehrere kastenförmige Elemente abgedeckt. Dadurch wird im abzukühlenden Bereich ein Freiraum geschaffen, der nach außen abgedichtet wird und nur über eine Zulauföffnung und eine Ablauföffnung in Kontakt mit dem Außenraum steht. Über die Zulauföffnung wird ein Kühlmedium (zum Beispiel Wasser oder ein sonstiges Kühlfluid) in den Freiraum geleitet. Im Freiraum strömt das Kühlmedium an der Oberfläche des Stahlgefäßes vorbei und nimmt Wärme von diesem auf (beziehungsweise gibt Kälte an dieses ab). Das aufgewärmte Fluid verlässt den Freiraum durch die Ablauföffnung.
Gemäß den vorgemachten Ausführungen ist das feuerfeste Material damit wie folgt kühlbar: Ein Kühlmedium kühlt die Außenseite des Stahlgefäßes. Das gekühlte Stahlgefäß gibt die Kälte an die Zwischenschicht und diese wiederum die Kälte an die Wärmeleitelemente weiter. Die Wärmeleitelemente und deren Stege geben schließlich die Kälte an das feuerfeste Material weiter.
Die Abfuhr der Wärme des feuerfesten Materials an das Kühlmedium erfolgt selbstverständlich genau andersherum.
Selbstverständlich können sämtliche der vorgenannten Merkmale des Schmelzgefäßes beliebig miteinander kombiniert werden, auch soweit dies nicht ausdrücklich offenbart ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Fig. 1 , die stark schematisiert eine seitliche Schnittansicht durch einen Abschnitt der Seitenwandung im Übergangsbereich eines anmeldungsgemäßen Schmelzgefäßes zeigt,
näher erläutert.
Der Abschnitt der Seitenwandung des Schmelzgefäßes ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
Der sichtbare Abschnitt des Stahlgefäßes 3 (Stahlmantels) in Form einer sich vertikal erstreckenden Wand schließt das Schmelzgefäß nach außen (hier nach links außen) ab.
Innenseitig ist der Stahlmantel 3 teilweise durch ein Zwischenelement 7 aus einer kohlenstoffhaltigen, feuerfesten Masse bedeckt.
Ein Wärmeleitelement 5 aus Kupfer bedeckt das Zwischenelement 7 innenseitig.
Vom Wärmeleitelement 5 erstrecken sich senkrecht (hier nach rechts) rohrförmige Stege 1 1 aus Kupfer weg und in das feuerfeste Material 9 hinein. Stege 11 und Wärmeleitelement 5 sind monolithisch (einteilig) ausgebildet.
Im dargestellten Abschnitt des Schmelzgefäßes 1 handelt es sich bei dem feuerfesten Material 9 um eine monolithische keramische Masse, die um die Stege 1 1 herum gegossen wurde. Die dem Wärmeleitelement 5 abgewandten Enden der Stege 1 1 enden mit Abstand zum Innenraum I des Schmelzgefäßes im Inneren der feuerfesten Masse 9.
An der Außenseite 3a des Stahlgefäßes 3 ist eine Kühleinrichtung 13 zur Kühlung des Stahlgefäßes 3 angeordnet. Bei der Kühleinrichtung 13 handelt es sich um ein kastenförmiges Element, das mit seiner offenen Seite der Außenwand 3 a zugewandt ist und mit den Rändern der Öffnung auf der Außenwand 3a aufliegt, so dass durch die Kühleinrichtung 13 insgesamt ein Freiraum 15 zwischen Außenwand 3a und der Wandung der Kühleinrichtung 13 geschaffen wird. Der Freiraum 15 steht nur über eine Zulauföffnung 17 und eine Ablauföffnung 19 in Kontakt mit der Umgebung.
Die Funktionsweise des dargestellten Schmelzgefäßes ist wie folgt.
Im Betriebszustand befindet sich eine Metallschmelze in Innenraum des Schmelzgefäßes. Die Metallschmelze weist ein Metallbad M und eine Schlackenzone S auf (die Grenzflächen der Schlackenzone sind durch horizontale Linien angedeutet).
In dem Bereich, in dem das Metallbad M in die Schlackenzone S übergeht, befindet sich der Übergangsbereich, an dem das feuerfeste Material 9 besonders stark beansprucht wird.
Zur Kühlung dieses Bereiches wird ein Kühlmedium, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Wasser, durch die Zulauföffnung 17 in den Freiraum 15 der Kühleinrichtung 13 geleitet.
Durch das Kühlmedium wird das Stahlgefäß 3 im Bereich der Kühleinrichtung 13 gekühlt. Das Stahlgefäß 3 überträgt die Kühlung auf die Zwischenschicht 7, die die Kühlung wiederum auf das Wärmeleitelement 5 überträgt. Dieses gibt die Kühlung zum einen unmittelbar und zum andere durch die Stege 1 1 an das feuerfeste Material 9 weiter. Dadurch wird das feuerfeste Material 9 gekühlt, beziehungsweise es gibt seine Wärme (vice versa) über die Stege 11 , das Wärmeleitelement 5, die Zwischenschicht 7 und das Stahlgefaß 3 an das Kühlmedium ab. Das dadurch aufgewärmte Kühlmedium wird durch die Ablauföffnung 19 aus dem Freiraum 15 aus der Kühleinrichtung ausgeleitet.

Claims

Metallurgisches SchmelzgefäßPatentansprüche
1.
Metallurgisches Schmelzgefäß mit folgenden Merkmalen: a) einem Stahlgefäß (3); b) das Stahlgefäß (3) weist auf seiner Innenseite ein feuerfestes Material (9) auf, das einen freien Innenraum (I) umschließt; c) zumindest abschnittsweise sind zwischen dem feuerfesten Material (9) und dem Stahlgefäß (3) eine oder mehrere Wärmeleitelemente (5) aus einem gut wärmeleitenden Material angeordnet; d) die Wärmeleitelemente (5) weisen sich in das feuerfeste Material (9) hinein erstreckende Stege (1 1) auf, die beabstandet zum Innenraum (I) enden; e) die Wärmeleitelemente (5) stehen über eine gut wärmeleitende Zwischenschicht (7) in Kontakt mit dem Stahlgefäß (3).
2.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einer Kühleinrichtung (13), durch die die Außenseite (3a) des Stahlgefäßes (3) kühlbar ist.
3.
Schmelzgefäß nach Anspruch 2 mit einer Kühleinrichtung (13), durch die die Außenseite (3a) des Stahlgefäßes (3) an dem Bereich kühlbar ist, an dem die Wärmeleitelemente (5) angeordnet sind.
4.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einer Kühleinrichtung (13), durch die der Außenseite (3a) des Stahlgefäßes (3) Wasser oder ein sonstiges. Kühlmedium zuführbar ist.
5.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einem ringförmigen Wärmeleitelement (5), dessen Achse im wesentlichen koaxial zur Achse des Stahlgefäßes (3) verläuft.
6.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einem Wärmeleitelement (5) aus
Kupfer oder einer Kupferlegierung.
7.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit stab- oder rohrförmigen
Stegen (11 ).
8.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1, bei dem die Stege (11) und das
Wärmeleitelement (5) monolithisch ausgebildet sind.
9.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einer Zwischenschicht (7) aus einem feuerfesten Material.
10.
Schmelzgefäß nach Anspruch 9 mit einer Zwischenschicht (7) aus einer feuerfesten monolithischen Masse.
1 1.
Schmelzgefäß nach Anspruch 9 mit einer Zwischenschicht (7) aus einer kohlenstoffhaltigen Masse.
12.
Schmelzgefäß nach Anspruch 1 mit einer Zwischenschicht (7) aus einer
Metalllegierung.
13.
Schmelzgefäß nach Anspruch 12, bei der die Schmelztemperatur der Zwischenschicht (7) unter der Schmelztemperatur der Wärmeleitelemente (5) liegt.
14.
Schmelzgefäß nach Anspruch 12, bei dem die Schmelztemperatur der
Metalllegierung zwischen 200°C und 500°C liegt.
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