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Dokumentenidentifikation DE19526882A1 01.02.1996
Titel Verfahren zum Kühlen einer heißen Oberfläche sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Voest-Alpine Industrieanlagenbau GmbH, Linz, AT
Erfinder Enkner, Bernhard, Dipl.-Ing. Dr., Linz, AT;
Fritz, Ernst, Dipl.-Ing., Linz, AT;
Eysn, Manfred, Ing., Linz, AT;
Gruber, Rudolf, Dipl.-Ing., Linz, AT;
Kickinger, Peter, Ing., Altmünster, AT
Vertreter Jackisch-Kohl und Kollegen, 70469 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 22.07.1995
DE-Aktenzeichen 19526882
Offenlegungstag 01.02.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.1996
IPC-Hauptklasse F27D 1/12
IPC-Nebenklasse F27D 9/00   B22D 41/005   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Kühlen einer heißen Oberfläche (5) wird flüssiges Kühlmedium in einem die Oberfläche (5) umgebenden und zur Atmosphäre offenen Hohlraum (7) mittels einer Mehrzahl von Düsen (9) zerstäubt.
Zur Sicherstellung einer gleichmäßigen, kontinuierlichen, gerade noch ausreichenden Kühlung der heißen Oberfläche (5), wobei die Kühlung eine möglichst konstante Temperatur über einen längeren Zeitraum unter Vermeidung von wechselnden Wärmedehnungen der heißen Oberfläche (5) bewirkt, wird das Kühlmedium mittels Einstoffdüsen (9) kontinuierlich zu einem feinen Nebel (12), dessen Tröpfchengröße in einem Bereich zwischen 4 und 60 µm liegt, zerstäubt, verläßt der Nebel (12) die Einstoffdüsen (9) mit geringer Geschwindigkeit und wird entlang der heißen Oberfläche (5) unter Ausnutzung der natürlichen Thermik (13) in dem die heiße Oberfläche (5) umgebenden Hohlraum (7) bewegt (Fig. 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer heißen Oberfläche, insbesondere eines Mantels eines metallurgischen Gefäßes, wobei ein flüssiges Kühlmedium in einem die Oberfläche umgebenden und zur Atmosphäre offenen Hohlraum mittels einer Mehrzahl von Düsen zerstäubt wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Pyrometallurgische Prozesse erfolgen im allgemeinen in Gefäßen, die einen Mantel aus Stahlblech aufweisen, der mit einem Feuerfestmaterial ausgekleidet ist, um den Erfordernissen der hohen Prozeßtemperaturen, die im Innenraum herrschen, gerecht zu werden.

Diese Auskleidung ist jedoch nicht immer in der Lage, daß die für die Stahlmantelfestigkeit erforderlichen niedrigen Temperaturen eingehalten werden können. Um zu hohe Wandtemperaturen zu vermeiden, ist es bekannt, mittels Zwangskühlung durch gasförmige und/oder flüssige Kühlmittel die Gefäßwand zu kühlen, beispielsweise mittels einer Rieselkühlung.

Gemäß der US-A-4,815,096 wird auf die heiße Oberfläche des Mantels eines metallurgischen Gefäßes Wasser in großer Menge aufgesprüht, u. zw. in einer die heiße Oberfläche geschlossen umgebenden und unter Überdruck stehenden Kammer. Das sich in der Kammer sammelnde, nicht verdampfte bzw. kondensierte Kühlwasser wird hierbei im Kreislauf geführt, wobei jedoch Schwierigkeiten beim Kippen des metallurgischen Gefäßes und damit beim Kippen der heißen Oberfläche wegen des sich sammelnden Kühlwassers zu überwinden sind, vor allem um einen Druckverlust in der Kammer zu vermeiden.

Zwar liegen Vorteile bei dieser Kühlung und auch bei einer Rieselkühlung in den ausgezeichneten Wärmeübergangsverhältnissen, jedoch hat diese Kühlung doch wegen der erforderlichen Abwassersammeleinrichtung den erheblichen Nachteil, daß die gekühlten Gefäße möglichst ortsfest sein sollten. Eine Anwendung für kippbare Konverter bzw. kippbare Deckel etc. ist nur bedingt möglich. Auch ist die mit Kühlungen dieser Art erreichte gute Kühlung gar nicht erwünscht, da durch sie Wärmemengen abtransportiert werden, die im Prozeß mühsam und teuer erzeugt werden müssen.

Diese Nachteile ließen sich durch eine Kühlung mittels eines gasförmigen Mediums ausschalten, denn es würde dann der Abtransport des heißen Kühlmediums entfallen. Der Hauptnachteil indes ist jedoch das sehr geringe Wärmepotential gasförmiger Medien, d. h. man benötigt sehr große Gasmengen, und überdies sind die Wärmeübergangszahlen niedrig, was hohe Strömungsgeschwindigkeiten erfordert.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es aus der EP-A-0 044 512 bekannt, auf die heiße Oberfläche Wasser auszusprühen, wobei sich die Menge des aufzusprühenden Wassers nach dem an der heißen Oberfläche verdampften Wasser richtet, so daß eine Sammlung rückfließenden Kühlwassers nicht nötig ist. Das Kühlmittel wird in einer geschlossenen Kammer versprüht und das Kondenswasser gesammelt und rückgeführt.

Das Kühlwasser muß hierbei mit einer großen Geschwindigkeit und in großer Menge zugeführt werden, um die Grenzschicht an der heißen Oberfläche zu durchbrechen Zwar wird gemäß der EP-A-0 044 512 bereits eine Tröpfchengröße von maximal 100 µm und die Steuerung der Menge des aufgesprühten Wassers mittels eines Mikroprozessors auf der Grundlage von Temperaturmeßwerten angesprochen, jedoch läßt sich hierdurch eine örtlich und zeitlich zu starke Kühlung nicht vermeiden. Es ist daher notwendig, eine über Thermoelemente gesteuerte Ein- und Ausschaltung vorzusehen. Die dabei auftretenden Temperaturänderungen im zeitlichen Ablauf, also die hohen zeitabhängigen Temperaturgradienten, sind jedoch im Hinblick auf überhöhte Temperaturspannungen und Ermüdungserscheinungen des Gefäßmantels gefährlich. Weiters kommt es zu kalten Stellen im Sprühkegel der direkt gegen die heiße Oberfläche gerichteten Düsen, woraus hohe Temperaturunterschiede und damit hohe Spannungen entstehen.

In der EP-A-0 393 970, von der ausgehend der Oberbegriff des Anspruches 1 gebildet ist, ist eine Variante dieses oben beschriebenen Kühlverfahrens vorgestellt, wobei nicht unmittelbar auf die zu kühlende Oberfläche gesprüht wird, sondern etwa parallel zu dieser. Gemäß diesem Dokument sollen gute gleichmäßige Kühleffekte erzielt werden, u. zw. unter Vermeidung einer allzu schroffen Kühlung und unter Verwendung einer nur geringen Anzahl von Düsen.

Ein Nachteil ist jedoch in der Art und Weise der Versprühung des Kühlmediums zu sehen. Das Kühlmittel wird gemäß der EP-A-0 393 970 mittels einer Zweistoffdüse, also mittels eines gasförmigen Mediums, versprüht. Für die Austrittsgeschwindigkeiten von Zweistoffdüsen gilt folgendes: Das Trägergas tritt aus der Sprühdüse aus und folgt den thermodynamischen Gesetzen. Es erreicht theoretisch die Lavalgeschwindigkeit, also eine Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit. Das ist bei üblichen physikalischen Zuständen eine Geschwindigkeit um 300 m/s. Das Wasser wird nun mit Druck in diesen Strahl eingedüst und mitgerissen und wirkt kaum geschwindigkeitsvermindernd. Daher hat solch eine Düse einen sehr weiten Strahlbereich, in dem diese Geschwindigkeit hoch ist; der Strahlbereich selbst erstreckt sich bis zu 4 m. Beim Auftreffen auf eine etwa normal zur Richtung des Strahles stehende zu kühlende Fläche wird daher eine flächig begrenzte sehr gute Kühlwirkung erreicht. Da dies zu kalten Stellen, sogenannten "cold spots", führt, die, wie oben beschrieben, aus Festigkeitsgründen vermieden werden müssen, sind gemäß der EP-A-0 393 970 die Düsen so angeordnet, daß der Strahl etwa parallel zur zu kühlenden Fläche ausströmt. Weil sich der Strahl jedoch kegelförmig ausbreitet und an der Stelle, an der er auf die zu kühlende Wand auftrifft, immer noch eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweist, ist nach wie vor die Gefahr des Auftretens von "cold spots" gegeben.

Auch hierbei ist man gezwungen, über Thermoelemente eine Ein-Aus-Schaltung der Kühlmittelbeaufschlagung vorzusehen, woraus sich eine starke Abhängigkeit der Temperatur der zu kühlenden Oberfläche über die Zeit ergibt, d. h. die sich einstellenden Temperaturschwankungen zeigen einen sehr großen Gradienten in Abhängigkeit von der Zeit.

Was den Wirkungsgrad der Zweistoffdüsen, die, wie im Stand der Technik beschrieben, parallel zur zu kühlenden Wand eindüsen, im Hinblick auf ihre Wärmeumsetzung betrifft, ist festzustellen, daß ein Großteil der Kühlwirkung des Kühlmediums verloren geht, da, wie beschrieben, eine äußere Begrenzungswand, die relativ kalt ist, wegen der kegelförmigen Ausbreitung des austretenden Strahles, die auch mit besonders ausgeführten Flachdüsen nicht zu verhindern ist, stark in den Kühlprozeß miteinbezogen wird. An dieser kühlen äußeren Begrenzungswand erfolgt ein Niederschlagen einer beträchtlichen Menge des Gas- Wassergemisches. Dieses Wasser ist an der Umsetzung nur mehr wenig beteiligt und rinnt die Außenwand entlang ab. Es kann hierdurch auch ein Kondensieren von bereits gebildetem Dampf eintreten.

Im Falle der Anwendung dieser Kühlung für einen Stahlwerkskonverter sind zwei Leitungen (Kühlmittel und gasförmiges Medium) durch eine Dreheinführung am Tragzapfen einer Konvertertrageinrichtung (Tragring), durchzuführen. Das stellt sowohl konstruktiv als auch für die Wartung einen erhöhten Aufwand dar.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche eine gleichmäßige und kontinuierliche und geringe, jedoch noch ausreichende Kühlung der heißen Oberfläche sicherstellen, ohne zuviel Wärme abzuführen. Insbesondere sollen "cold spots" vermieden werden sowie eine über die Zeit möglichst konstante Temperatur an der heißen Oberfläche eingehalten werden können, so daß wechselnde Wärmedehnungen sowie ein zeitweises Abschalten der Kühlung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das flüssige Kühlmedium mittels Einstoffdüsen kontinuierlich zu einem feinen Nebel, dessen Tröpfchengröße in einem Bereich zwischen 4 und 60 µm liegt, zerstäubt wird, daß der Nebel die Einstoffdüsen mit geringer Geschwindigkeit verläßt und entlang der heißen Oberfläche unter Ausnutzung der natürlichen Thermik in dem die heiße Oberfläche umgebenden Hohlraum bewegt wird.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem in Betrieb befindlichen metallurgischen Gefäß durch den natürlichen Auftrieb, der sich auf Grund der natürlichen Thermik einstellt, eine Geschwindigkeit der sich entlang der heißen Oberfläche bewegenden Gase von etwa 1,5 bis 2 m/s einstellt. Hierdurch ergibt sich eine sehr effektive Wärmeübertragung alleine infolge des Auftriebes auch bei sehr geringer Austrittsgeschwindigkeit bzw. Reichweite des Kühlmittels. In Kombination mit der Verwendung von Einstoffdüsen, bei denen die Strahlgeschwindigkeit schon nach einer wesentlich kürzeren Distanz nach dem Austritt aus der Düse deutlich geringer ist als bei einer Zweistoffdüse (eine deutliche Geschwindigkeitsreduzierung ist bei Einstoffdüsen bereits nach 200 mm Entfernung von der Düse, bei Zweistoffdüsen erst ca. nach mindestens 1 m von der Düse entfernt festzustellen), kommt es zu einer sehr guten Ausbreitung und Durchmischung des aus der Einstoffdüse austretenden Strahles mit der umgebenden Atmosphäre. Infolge des von der Einstoffdüse gebildeten und nur sehr kleine Tröpfchen aufweisenden Nebels weist dieser verbunden mit der guten Durchmischung eine sehr lange Lebensdauer auf. Ein Kondensieren des Nebels an kühlen Flächen ist zwar auch bei Verwendung einer Einstoffdüse nicht vermeidbar, es ist jedoch wegen der langen Lebensdauer des Nebels ein Kondensieren erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt zu erwarten. Da zudem wegen des starken Auftriebes mit einer geringeren Kühlmittelmenge das Auslangen gefunden wird, ergibt sich eine wesentlich geringere Kondensatbildung als gemäß dem Stand der Technik.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Einstoffdüse weist gegenüber der bekannten Zweistoffdüse eine wesentlich bessere Regelbarkeit auf, so daß ein zeitkonstantes Kühlverhalten, also eine über einen langen Zeitraum gleichmäßige Temperatur der heißen Oberfläche, wesentlich einfacher sicherzustellen ist als bei einer Zweistoffdüse. Das gasförmige Medium muß nämlich bei der Zweistoffdüse die maximal erreichbare Austrittsgeschwindigkeit, d. h. Lavallgeschwindigkeit, erreichen. Diese bleibt bis zu einem vom Medium des Gases in seinen physikalischen Zuständen abhängigen kritischen Druck konstant und kann nicht geregelt werden. Erst unterhalb dieses Druckes ist die Geschwindigkeit regelbar. Die Gasmenge folgt oberhalb des kritischen Drucks einem Wurzelgesetz und ist daher nur geringfügig von einer Druckänderung abhängig.

Das der Zweistoffdüse zugeführte Wasser wird ebenfalls mit Überdruck in den Gasstrom eingedüst, wobei die Menge der Austrittsgeschwindigkeit proportional ist und die Austrittsgeschwindigkeit ebenfalls einem Wurzelgesetz des Druckes der Flüssigkeit folgt, u. zw. über den gesamten Druckbereich.

Aus all den Gründen läßt sich bei Zweistoffdüsen eine Regelung im Zusammenspiel beider Medien nicht einfach bewerkstelligen. Gemäß dem Stand der Technik umgeht man dieses Problem durch zeitweises Zu- und Abschalten des Wasser- und Gaskreislaufes, wofür an der heißen Oberfläche angebrachte Thermoelemente sorgen. Diese Thermoelemente wirken auf außerhalb des Systems liegende Regelventile, die auf einen Minimalwert und Maximalwert der heißen Oberfläche reagieren.

Erfindungsgemäß hingegen können Perioden, in denen zu stark abgekühlt wird, und Perioden, in denen gar nicht gekühlt wird (damit die heiße Oberfläche wieder auf das gewünschte Temperaturniveau kommt), vermieden werden, da für eine Einstoffdüse eine wesentlich einfachere Regelung der Menge des Kühlmediums erfolgen kann; für die Einstellung der Menge des Kühlmediums genügt ein einfach angesteuertes Druckminderventil. Dies ermöglicht, ohne irgendeinen zusätzlichen steuerungstechnischen Aufwand, eine über den gesamten Zeitraum wirksame mengengeregelte bzw. mengengesteuerte Beaufschlagung, u. zw. ohne jede Unterbrechung der Kühlwirkung.

Erfindungsgemäß kommt es somit trotz verminderter Wassermenge infolge des natürlichen Auftriebes und der langen Lebensdauer des Nebels zu einer besonders wirksamen, jedoch infolge der feinen Tröpfchen des Nebels besonders sanften Kühlung, die auch über sehr lange Zeiträume eine konstante Temperatur an der heißen Oberfläche sicherstellt, ohne daß ein periodisches Ein- und Ausschalten der Kühlung notwendig ist.

Vorzugsweise wird Nebel mit einer Tröpfchengröße zwischen 4 und 10 µm erzeugt. Dieser feine Nebel hat eine besonders hohe Beständigkeit.

Erfindungsgemäß ist die Geschwindigkeit des Austritts des Kühlmittels aus den Einstoffdüsen besonders gering. Sie liegt vorzugsweise zwischen 10 und 30 m/s, also etwa um eine Zehnerpotenz niedriger als bei einer Zweistoffdüse.

Hiermit wird auch eine geringe Reichweite des aus der Einstoffdüse austretenden Nebels sichergestellt. Dies liegt zwischen 100 und 400 mm, vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 200 und 300 mm, d. h. mit anderen Worten, daß - läßt man die natürliche Thermik unberücksichtigt - der Nebel nach Austritt aus der Einstoffdüse nach maximal 400 mm, vorzugsweise nach maximal 300 mm, zum Stillstand gelangt, was für eine sanfte gleichmäßige Kühlung wesentlich ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bewegt sich der Nebel beim Austritt aus den Einstoffdüsen zunächst in eine Richtung etwa senkrecht zur heißen Oberfläche und erfolgt eine Umlenkung der Bewegung des Nebels in eine Richtung etwa parallel zur heißen Oberfläche durch die natürliche Thermik.

Vorzugsweise wird in unmittelbarer Umgebung der Einstoffdüsen eine Teilkondensation des aus den Einstoffdüsen austretenden Nebels ausgelöst. Hierdurch gelingt es, eine Kondensation an unerwünschten Stellen zu vermeiden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zonen mit unterschiedlicher Wärmebeaufschlagung mit Düsengruppen versehen, bei denen die Kühlmittelmenge der jeweiligen Wärmebeaufschlagung angepaßt ist.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem eine heiße Oberfläche aufweisenden Körper, insbesondere einem einen heißen Mantel aufweisenden metallurgischen Gefäß, wobei die heiße Oberfläche im Abstand von einer einen zur Atmosphäre offenen Hohlraum bildenden Abschirmung umgeben ist, und mit einer Mehrzahl von Kühlmedium in den Hohlraum einleitenden Düsen, ist dadurch gekennzeichnet, daß als Düsen Einstoffdüsen vorgesehen sind.

Vorzugsweise sind die Austrittsöffnungen der Einstoffdüsen derart gerichtet, daß ein Nebel mit einer Bewegungsrichtung an den Austrittsöffnungen, die etwa senkrecht zur heißen Oberfläche gerichtet ist, erzeugt wird, wobei vorteilhaft die Einstoffdüsen in einem Abstand zwischen 100 und 300 mm von der heißen Oberfläche angeordnet sind sowie weiters zweckmäßig die Einstoffdüsen jeweils in einem in den von der Abschirmung erzeugten Hohlraum mündenden Schutzrohr angeordnet sind.

Es ist von Vorteil, wenn an der Einmündung des Schutzrohres in den Hohlraum eine Tröpfchenbarriere angeordnet ist, wodurch eine Teilkondensation an einer Stelle des Austritts des Nebels absichtlich ausgelöst wird, um eine Kondensation an unerwünschten Stellen zu vermeiden.

Zweckmäßig sind die Einstoffdüsen in einem Abstand von der Einmündung des Schutzrohres in den Hohlraum angeordnet, der etwa dem Durchmesser des Schutzrohres entspricht, wobei vorteilhaft der Durchmesser des Schutzrohres etwa dem halben Abstand zwischen der Abschirmung und der heißen Oberfläche entspricht.

Vorzugsweise ist an der heißen Oberfläche mindestens eine Temperaturmeßeinrichtung vorgesehen, die mit der Ansteuerung einer Druckeinstellungseinrichtung für zumindest eine der Einstoffdüsen gekoppelt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Temperaturmeßeinrichtung eine Bimetalleinrichtung und ist ein von dieser Bimetalleinrichtung ausgehendes Hebelsystem vorgesehen, mit dessen Hilfe die Druckeinstellung für die Einstoffdüsen erfolgt.

Zweckmäßig ist zum Ausgleich von Veränderungen der Lage der heißen Oberfläche gegenüber dem Hebelsystem ein Längen-Ausgleichsglied mit einem Dämpfungszylinder vorgesehen, das zwei Einstellungen, nämlich für eine maximale und für eine minimale Auslenkung des Dämpfungszylinders, für eine Neueichung ermöglicht.

Vorzugsweise ist jeder der Einstoffdüsen eine Temperaturmeßeinrichtung zugeordnet und ist jede der Einstoffdüsen einzeln hinsichtlich Druck und/oder Menge des Kühlmediums einstellbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Oberfläche von einem Mantel eines Elektro-Lichtbogenofens gebildet ist, wobei sich der von der Abschirmung gebildete Hohlraum bis zu der bzw. bis zu den Elektroden erstreckt und dort mittels einer sich peripher um die Elektrode(n) erstreckenden Ringöffnung mit der Atmosphäre verbunden ist. Hierdurch gelingt es, eine besonders effektive Kühlung nicht nur der heißen Oberfläche, sondern auch der die heiße Oberfläche durchsetzenden Elektrode zu erzielen.

Vorzugsweise sind als Einstoffdüsen Hydraulik-Einstoffdüsen oder Ultraschall-Einstoffdüsen vorgesehen.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der Zeichnung an mehreren besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Fig. 1 eine erste Ausführungsform im Schnitt in schematischer Darstellung veranschaulicht. Die Fig. 2 und 3 zeigen in zu Fig. 1 analoger Darstellung weitere Ausführungsformen. Fig. 4 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung für einen Elektro-Lichtbogenofen. In den Fig. 5 und 6 ist eine Regeleinrichtung zur Einstellung der Nebelmenge, die mittels der Einstoffdüsen erzeugt wird, veranschaulicht, u. zw. zeigt Fig. 5 einen Schnitt analog zu Fig. 1 und Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VI der Fig. 5.

Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein metallurgisches Gefäß 1 außenseitig von einem Mantel 2 aus Stahlblech umgeben, an dem innenseitig eine feuerfeste Auskleidung 3 angeordnet ist. In etwa äquidistantem Abstand 4 zur Oberfläche 5 des Mantels 2 des metallurgischen Gefäßes 1 ist eine Abschirmung 6, beispielsweise eine Schlackenschutzeinrichtung (bzw. im Falle eines Konverters eine Seitenwand eines Tragringes des kippbaren Stahlwerkskonverters) vorgesehen, die ebenfalls von einem Stahlblech gebildet ist. Durch diese Abschirmung 6 wird ein zur Atmosphäre hin oben und unten offener Hohlraum 7 gebildet, der den Mantel 2 des metallurgischen Gefäßes 1 peripher umgibt.

Diese Abschirmung 6 ist in bestimmten Abständen mit etwa senkrecht zur Oberfläche des Mantels gerichteten Rohren 8 versehen, die in den zwischen der Abschirmung 6 und dem Mantel 2 gebildeten Hohlraum 7 einmünden. Diese Rohre 8 dienen als Schutzrohre zur Aufnahme von Einstoffdüsen 9, wie beispielsweise Hydraulik-Einstoffdüsen oder Ultraschall- Einstoffdüsen. Die Rohre 8 weisen einen Innendurchmesser 10 auf, der dem Abstand 11 der Einstoffdüsen 9 von der Einmündung der Rohre 8 in den Hohlraum 7 und etwa dem halben Abstand 4 zwischen der Abschirmung 6 und der Oberfläche 5 des Mantels 2 entspricht.

Mittels der Einstoffdüsen 9 wird ein sehr feiner Nebel 12 (Tröpfchengröße vorzugsweise zwischen 4 bis 10 µm) erzeugt, der zwar gegen die Oberfläche 5 des Mantels in etwa im rechten Winkel gerichtet ist, jedoch durch den enormen Auftrieb (bis zu 2 m/s) (veranschaulicht durch die Pfeile 13) und die relativ geringe Austrittsgeschwindigkeit der Tröpfchen aus den Einstoffdüsen 9 sofort nach Eintritt in den zwischen der Abschirmung 6 und dem Mantel 2 des metallurgischen Gefäßes 1 gebildeten Hohlraum 7 nach oben umgelenkt wird. Der Auftrieb trägt somit wesentlich zur Strömungsbildung bei und verteilt den feinen Nebel 12 gleichmäßig in dem Hohlraum 7. Durch den Auftrieb, der als Transportmittel dient, wird der Nebel 12 mit großer Sicherheit an die zu kühlenden Flächen, d. h. die heiße Oberfläche 5 des Mantels 2 des metallurgischen Gefäßes 1, gebracht.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist an der Einmündung des Rohres 8 in den Hohlraum 7 - welche Einmündung in Richtung zur heißen Oberfläche 5 trichterförmig (bei 14) erweitert ist - eine Prall- und Rückhalteeinrichtung 15 für den Nebel 12 vorgesehen, die dazu dient, bei extrem niedrigen Temperaturen der Abschirmung 6 eine Kondensatbildung an der Abschirmung 6 selbst zu vermeiden. Das Kondensat 16 bildet sich hierdurch an der Prall- und Rückhalteeinrichtung 15 und nicht an unerwünschten Stellen innerhalb des Hohlraumes 7. Das Kondensat 16 wird über eine Ableitung 17 aus dem Schutzrohr 8 strömen gelassen.

Fig. 3 zeigt eine beinahe waagrecht liegende heiße Oberfläche 5 eines metallurgischen Gefäßes 1. Hierbei ist die Einstoffdüse 9 nahezu bei der Einmündung des Rohres 8 in den Hohlraum 7 liegend angeordnet. Die heiße Oberfläche 5 kann z. B. von einem Deckel eines metallurgischen Gefäßes 1 gebildet sein. Bei einer fast waagrecht liegenden heißen Oberfläche spielt die Auftriebserhöhung durch den entstehenden Dampf eine große Rolle.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der Einstoffdüsen 9 an einem Deckel 18 eines metallurgischen Gefäßes 1, das als Elektro-Lichtbogenofen ausgebildet ist. Die die heiße Oberfläche 5 des Mantels 2 des metallurgischen Gefäßes 1, d. h. dessen Deckel 18, umgebende Abschirmung 6 endet mit einer Distanz 19 zu den Elektroden 20, so daß zwischen der Abschirmung 6 und den Elektroden 20 eine freie Ringöffnung 21 gebildet ist. Luft strömt in der Randzone 22 des Deckels 18 ein und tritt beim Zentrum des Deckels 18, also in dem zwischen der Abschirmung 6 und den Elektroden 20 gebildeten Ringraum 21, aus. Hierdurch ergibt sich ein besonders guter Effekt für den Wärmeübergang, da die Strömungsgeschwindigkeiten, die radial zum Zentrum gerichtet sind, in Richtung zum Zentrum stark zunehmen. Da die Elektroden 20 im allgemeinen zentrisch angeordnet sind und zentrisch angeordnet durch den Deckel 18 des Elektro-Lichtbogenofens geführt sind, also an der Stelle in das metallurgische Gefäß 1 ragen, an der das Kühlmedium mit den höchsten Geschwindigkeiten den Hohlraum 7 zwischen Abschirmung 6 und heißer Oberfläche 5 verläßt, ergibt sich ein besonders guter Kühleffekt für die Elektroden 20, u. zw. trotz niedriger Ausströmgeschwindigkeit des Nebels 12 aus den Einstoffdüsen 9.

Einen nur geringen steuerungstechnischen Aufwand erfordernde Temperaturmeßeinrichtungen 23, die eine Druckregelung bzw. Drucksteuerung des Kühlmediums an den Einstoffdüsen 9 ermöglichen, sind in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht. Die in Fig. 5 dargestellte Temperaturmeßeinrichtung 23 weist ein Bimetall 24 auf, das an einer Bimetall-Halterung 25, die am Mantel 2 des metallurgischen Gefäßes 1 angeordnet ist, befestigt ist. Die Bimetall- Halterung 25 ist von Schutzblechen umgeben, die die direkte Kühlwirkung des Kühlmediums vermeiden. Das Bimetall 24 wirkt auf eine Übertragungseinheit 26, die als Drehhebel ausgebildet ist. Eine auf diesen Drehhebel 26 wirkende Druckfeder 27 stellt den erforderlichen Anpreßdruck zwischen Bimetall 24 und Drehhebelspitze 28 her. Hierdurch wird ein sicherer Kontakt dieser beiden Teile sichergestellt.

Bei einer Temperaturänderung wird über die Winkeländerung des Bimetalls 24 und über den Drehhebel 26 ein vom Drehhebel 26 angesteuertes Druckminderventil 29 angesprochen und hierdurch die Kühlmedium-Menge, die aus der Einstoffdüse 9 austritt, verändert. Um bei einer Änderung der Lage der heißen Oberfläche 5, beispielsweise eines Konverters, die sich bei Temperaturerhöhung ausdehnt, die Funktion der Temperaturmeßeinrichtung 23 davon unbeeinflußt zu lassen, ist zwischen dem Drehhebel 26 und dem Druckminderventil 29 ein Längen-Ausgleichsglied 30 zwischengeschaltet, das zwei Einstellungen aufweist und das einem Zylinder 31 Endpositionen aufzwingt. Diese Endpositionen entsprechen auch den Endpositionen des Druckminderventils 29. Ein Dämpfungskolben 32 in diesem Zylinder gestattet jede Stellung der beteiligten Teile zueinander und ist trotzdem imstande, die Stellkräfte zu übertragen.

Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Regelungs- bzw. Steuerungssystem arbeitet verzögerungsfrei und unmittelbar.

Bei örtlich begrenzten hohem Verschleiß der feuerfesten Auskleidung, z. B. im Fall eines drohenden Durchbruches, kommt es bei metallurgischen Gefäßen zu örtlichen Überhitzungen, "hot spots" genannt, der zu kühlenden Flächen. Ist eine Mehrzahl von Düsen 9 regelungstechnisch bzw. steuerungstechnisch zusammengeschlossen, kann im Falle einer örtlich begrenzten Überhitzung nicht auf den örtlich begrenzten erforderlichen Wärmeabtransport richtig reagiert werden. Entweder wird die Kühlung überhaupt nicht reagieren, wenn z. B. das Thermoelement nicht unmittelbar bei oder nicht in der Nähe dieser heißen zu kühlenden Fläche liegt, oder es wird eine zu große Fläche zu sehr abgekühlt.

Um Nachteile dieser Art zu vermeiden, ist es zweckmäßig, eine bestimmte Anzahl von Einstoffdüsen 9 zusätzlich anzuordnen und mit Ventilen auszurüsten, die jeweils erst ab einem bestimmten Temperaturniveau - das von der Art des metallurgischen Gefäßes abhängig ist - ansprechen.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsformen, sondern kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden. Beispielsweise ist auch eine Strahlrichtung der Einstoffdüsen abweichend von einer Richtung senkrecht zur heißen Oberfläche möglich und für bestimmte Einsatzzwecke (z. B. Lagen der heißen Oberfläche) sogar zweckmäßig.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Kühlen einer heißen Oberfläche (5), insbesondere eines Mantels (2) eines metallurgischen Gefäßes (1), wobei ein flüssiges Kühlmedium in einem die Oberfläche (5) umgebenden und zur Atmosphäre offenen Hohlraum (7) mittels einer Mehrzahl von Düsen (9) zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kühlmedium mittels Einstoffdüsen (9) kontinuierlich zu einem feinen Nebel (12), dessen Tröpfchengröße in einem Bereich zwischen 4 und 60 µm liegt, zerstäubt wird, daß der Nebel (12) die Einstoffdüsen (9) mit geringer Geschwindigkeit verläßt und entlang der heißen Oberfläche (5) unter Ausnutzung der natürlichen Thermik (13) in dem die heiße Oberfläche (5) umgebenden Hohlraum (7) bewegt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Nebel (12) mit einer Tröpfchengröße zwischen 4 und 10 µm erzeugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebel (12) aus der Einstoffdüse (9) mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 30 m/s austritt.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstoffdüse (9) verwendet wird, bei der der erzeugte Nebel (12) - unter Nichtberücksichtigung der natürlichen Thermik - bis maximal zu einer Entfernung zwischen 100 und 400 mm, vorzugsweise in der Größenordnung von 200 bis 300 mm, versprüht wird.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebel (12) beim Austritt aus den Einstoffdüsen (9) sich zunächst in eine Richtung etwa senkrecht zur heißen Oberfläche (5) bewegt und eine Umlenkung der Bewegung des Nebels (12) in eine Richtung etwa parallel zur heißen Oberfläche (5) durch die natürliche Thermik (13) erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Umgebung der Einstoffdüsen (9) eine Teilkondensation des aus den Einstoffdüsen (9) austretenden Nebels (12) ausgelöst wird.
  7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Kühlmediums durch Einstellung des Drucks des Kühlmediums an der Einstoffdüse (9) eingestellt wird.
  8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 für Bereiche der zu kühlenden heißen Oberfläche (5), die in verschiedenen Zonen mit unterschiedlichen Wärmemengen beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen mit unterschiedlicher Wärmebeaufschlagung mit Düsengruppen versehen sind, bei denen die Kühlmittelmenge der jeweiligen Wärmebeaufschlagung angepaßt ist.
  9. 9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, mit einem eine heiße Oberfläche (5) aufweisenden Körper (2), insbesondere einem einen heißen Mantel (2) aufweisenden metallurgischen Gefäß (1), wobei die heiße Oberfläche (5) im Abstand (4) von einer einen zur Atmosphäre offenen Hohlraum (7) bildenden Abschirmung (6) umgeben ist, und mit einer Mehrzahl von Kühlmedium in den Hohlraum (7) einleitenden Düsen (9), dadurch gekennzeichnet, daß als Düsen Einstoffdüsen (9) vorgesehen sind.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen der Einstoffdüsen (9) derart gerichtet sind, daß ein Nebel (12) mit einer Bewegungsrichtung an den Austrittsöffnungen, die etwa senkrecht zur heißen Oberfläche (5) gerichtet ist, erzeugt wird.
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstoffdüsen (9) in einem Abstand zwischen 100 und 300 mm von der heißen Oberfläche (5) angeordnet sind.
  12. 12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstoffdüsen (9) jeweils in einem in den von der Abschirmung (6) erzeugten Hohlraum (7) mündenden Schutzrohr (8) angeordnet sind.
  13. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einmündung des Schutzrohres (8) in den Hohlraum (7) eine Tröpfchenbarriere (15) angeordnet ist.
  14. 14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstoffdüsen (9) in einem Abstand (11) von der Einmündung des Schutzrohres (8) in den Hohlraum (7) angeordnet sind, der etwa dem Durchmesser (10) des Schutzrohres (8) entspricht.
  15. 15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (10) des Schutzrohres (8) etwa dem halben Abstand (4) zwischen der Abschirmung (6) und der heißen Oberfläche (5) entspricht.
  16. 16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an der heißen Oberfläche (5) mindestens eine Temperaturmeßeinrichtung (23) vorgesehen ist, die mit der Ansteuerung einer Druckeinstellungseinrichtung (29) für zumindest eine der Einstoffdüsen (9) gekoppelt ist.
  17. 17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (23) eine Bimetalleinrichtung (24) umfaßt und ein von dieser Bimetalleinrichtung (24) ausgehendes Hebelsystem (26, 30) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Druckeinstellung für die Einstoffdüsen (9) erfolgt.
  18. 18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Veränderungen der Lage der heißen Oberfläche (5) gegenüber dem Hebelsystem (26, 30) ein Längen-Ausgleichsglied (30) mit einem Dämpfungszylinder (32) vorgesehen ist, das zwei Einstellungen, nämlich für eine maximale und für eine minimale Auslenkung des Dämpfungszylinders (32), für eine Neueichung ermöglicht.
  19. 19. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Einstoffdüsen (9) eine Temperaturmeßeinrichtung (23) zugeordnet ist und jede der Einstoffdüsen (9) einzeln hinsichtlich Druck und/oder Menge des Kühlmediums einstellbar ist.
  20. 20. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Oberfläche (5) von einem Mantel (2) eines Elektro- Lichtbogenofens gebildet ist, wobei sich der von der Abschirmung (6) gebildete Hohlraum (7) bis zu der bzw. bis zu den Elektroden (20) erstreckt und dort mittels einer sich peripher um die Elektrode(n) erstreckenden Ringöffnung (21) mit der Atmosphäre verbunden ist.
  21. 21. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Einstoffdüsen (9) Hydraulik-Einstoffdüsen vorgesehen sind.
  22. 22. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Einstoffdüsen (9) Ultraschall-Einstoffdüsen vorgesehen sind.






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