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Dokumentenidentifikation DE19816867A1 21.10.1999
Titel Hochofen
Anmelder SMS Schloemann-Siemag AG, 40237 Düsseldorf, DE
Erfinder Heinrich, Peter, Dr.Ing., 47608 Geldern, DE;
Hille, Hartmut, 47447 Moers, DE;
Hille, Volker, 46149 Oberhausen, DE
Vertreter Hemmerich, Müller & Partner, 57072 Siegen
DE-Anmeldedatum 16.04.1998
DE-Aktenzeichen 19816867
Offenlegungstag 21.10.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.10.1999
IPC-Hauptklasse C21B 7/10
IPC-Nebenklasse C21B 7/06   
Zusammenfassung Um die Gefahr von Durchbrüchen im Gestellbereich (5) beim Betrieb eines Hochofens (1) zu minimieren, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, wassergekühlte Kühlelemente (13), die zwischen der feuerfesten Gestellausmauerung (7) und der sie umgebenden Gestellpanzerung (8) angeordnet sind, aus einem hoch wärmeleitfähigen Material zu fertigen, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens fünfmal größer ist als die von Gußeisen, beispielsweise Kupfer.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Hochofen in Schachtofenbauweise zur kontinuierlichen Verhüttung von aufbereiteten Eisenerzen zu flüssigem Roheisen, mit einer Ofenwand aus feuerfesten Materialien, die insbesondere im unteren Bereich des Hochofens, der Rast und dem darunter angeordneten Gestell, mit einem Metallmantel umhüllt ist und mit zwischen der feuerfesten Ofenwand und dem Metallmantel angeordneten wassergekühlten Kühlelementen, beispielsweise Plattenkühlelementen.

Bei der Verhüttung von aufbereiteten Eisenerzen im Hochofen durch Reduktion und teilweiser Verbrennung der Reduktionsmittel werden im unteren Teil des Hochofens hohe Temperaturen erreicht, die bis zu 1600°C und höher betragen können. Das bei diesen hohen Temperaturen durch Reduktion gewonnene Roheisen liegt in flüssiger Form vor und sammelt sich am Boden im untersten Teil des Hochofens, dem Gestell, mit darüber geschichteter schmelzflüssiger Schlacke an.

Das sich im Gestell ansammelnde Roheisen und die flüssige Schlacke werden von Zeit zu Zeit über entsprechende Öffnungen abgelassen (abgestochen) und ihrer weiteren Verwendung zugeführt.

Um den Hochofen bei diesen hohen Temperaturen und den in ihm herrschenden reduzierenden Bedingungen mechanisch stabil zu erhalten, ist seine Ofenwand aus einem für diese Bedingungen geeigneten feuerfesten Material gefertigt, wobei die Ofenwand zumindest in ihrem unteren Bereich durch einen Metallmantel (Panzerung) umhüllt ist.

Während in den oberen Zonen Alkalidämpfe und Kohlenmonoxid die feuerfesten Materialien angreifen und zerstörend wirken, wobei sich innerhalb der feuerfesten Materialien Kohlenstoff abscheidet, erfolgt in den unteren Hochofenzonen die Infiltration flüssiger Metalle, Metalloxyde und Schlacken, die gleichfalls zu einer Zerstörung der feuerfesten Materialien führt.

Um diese unerwünschten Infiltrationen zu minimieren und möglichst zu vermeiden, ist eine Hauptanforderung an die feuerfesten Materialien neben einer hohen Druckfeuerbeständigkeit eine hohe Rohdichte mit einer entsprechend niedrigen offenen Porosität. Eine ausreichende Haltbarkeit der feuerfesten Materialien ist aber nur zu erreichen, wenn sie zusätzlich von außen gekühlt werden, üblicherweise durch eine Wasserkühlung.

Für den Bereich des Hochofengestells bzw. den unteren Bereich des Hochofens, in dem sich das flüssige Roheisen sowie darüber die flüssige Schlacke sammelt, sind grundsätzlich unterschiedliche Kühlsysteme bekannt, und zwar die von außerhalb und die innerhalb der Hochofenpanzerung wirkende Kühlung, wie ausführlich in Taschenbuch "Hütte", Taschenbuch für Eisenhüttenleute, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf 1961, Seiten 530 und 531 beschrieben ist.

Die außenliegende Kühlung wird entweder durch eine offene Berieselung der Gestellpanzerung mit Wasser oder durch eine Führung des Kühlwassers mit Hilfe von auf den Metallpanzer parallel aufgeschweißten Kühlkassetten realisiert.

Zur innenliegenden Kühlung werden wassergekühlte Plattenkühler aus Gußeisen verwendet, die zwischen der feuerfesten Ofenwand und dem Hochofenpanzer parallel zu diesem angeordnet sind. Das Kühlwasser wird in Stahlrohren geführt, die in den Körper des Plattenkühlers eingegossen sind. Die Rohre treten durch entsprechende Öffnungen im Hochofenpanzer nach außen, wo sie mit einer Kühlwasserzulauf- und Kühlwasserablaufleitung verbunden sind.

Trotz dieser bekannten intensiven Kühlvorrichtungen kommt es immer wieder im Bereich der Gestellwand vor, daß nach einem Versagen der feuerfesten Gestellwand unter dem Einfluß der flüssigen Phasen, die von innen auf die feuerfesten Materialien einwirken, ein Durchschmelzen der Hochofenpanzerung erfolgt, wonach flüssige Phasen (Schlacke, Roheisen), feste Bestandteile (Koks, Möller) und, solange bis der Hochofen drucklos ist, auch Gase unkontrolliert austreten.

Hierbei versagen auch die bekannten Gestellwandkühlungen bei direktem Kontakt mit dem flüssigen Roheisen, weil sie aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit nicht in der Lage sind, die großen Wärmemengen aus dem flüssigen Roheisen so schnell abzuführen, daß das Roheisen erstarrt, bevor das Material der Kühlelemente oder der Gestellpanzerung aufschmilzt.

Keiner der beiden Kühlvarianten ist in der Lage, flüssiges Roheisen im Gestell zu halten, wenn die feuerfeste Gestellausmauerung versagt. Ein Durchbruch ist in einem solchen Fall unvermeidbar.

Durchbrüche verursachen durch unmittelbare Einwirkung der austretenden Stoffe, durch Strahlungswärme und durch Knallgasexplosionen, die auftreten können, wenn Wasser aus defekten Kühlelementen mit Roheisen in Berührung kommt, Zerstörungen im gesamten Ofenbereich. Der Hochofen fällt als Folge eines solchen Schadens oft für längere Zeit (Tage bis Wochen) aus. Kennzeichnend für viele Durchbrüche ist, daß sie plötzlich und ohne warnende Vorzeichen auftreten. Bedingt durch die Zerstörungen im Bereich der Durchbruchstelle ist die Ursache meist nicht zu rekonstruieren.

Neben den Kosten für die eigentliche Reparatur müssen daher besonders die Verluste durch Produktionsausfall erwähnt werden. Diese Verluste haben heute, bei der Konzentration der Produktion auf wenige Hochöfen höchster Leistungsfähigkeit und damit aufgrund fehlender Ersatzkapazitäten stark an Bedeutung gewonnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung des Hochofengestells so zu verbessern, daß die flüssigen Phasen den Hochofenpanzer nicht mehr durchschmelzen können, wenn die feuerfeste Gestellausmauerung aus irgend einem Grunde versagt.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Hochofen der beschriebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die im Gestellbereich des Hochofens zwischen der Gestellofenwand und dem sie umhüllenden Metallmantel, dem Gestellpanzer, angeordneten wassergekühlten Kühlelemente aus einem hochwärmeleitfähigen Material gefertigt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens fünfmal so groß ist wie die von Gußeisen, beispielsweise Kupfer.

Durch dieses erfindungsgemäße Merkmal wird erreicht, daß das flüssige Roheisen bei einem Durchbruch durch das feuerfeste Mauerwerk zu einer festen Schicht auf den Plattenkühlern oder bereits auf der Außenseite der feuerfesten Gestellwand erstarrt. Die Kühlung besitzt damit einen Selbstschutzmechanismus, da die erstarrte Schicht vor einem weiteren Angriff durch flüssiges Roheisen oder flüssiger Schlacke schützt. Zusätzlich wird Zeit gewonnen und die Möglichkeit geschaffen, den Hochofen planmäßig stillzusetzen und die notwendigen Reparaturarbeitsmaßnahmen vorzubereiten.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind dabei auf die Variante der innenliegenden Kühlung beschränkt, da sich der Wärmewiderstand des Gestellpanzers selbst nicht nennenswert verringert, wenn die außenliegenden Kühlelemente aus einem hochwärmeleitfähigem Material gefertigt sind.

Wenn als hochwärmeleitfähiges Material entsprechend der Erfindung das Metall Kupfer verwendet wird, dessen Wärmeleitfähigkeit bei 20°C mit Lambda = 370 W/m.k fast zehnmal größer ist als das normalerweise zum Einsatz kommende Metall Eisen in Form von Gußeisen, wird bei entsprechend großer Durchflußmenge des Kühlmittels Wasser die mögliche Gefahr eines Durchbruchs deutlich reduziert.

Mit Vorteil kann dabei dieses hochwärmeleitfähige Material auch gemäß der Erfindung dazu verwendet werden, in Form von entsprechend gestalteten Kühlelementen eine intensive Kühlung des Gestellbodens herbeizuführen. Auf diese Weise können auch hier Schäden an der feuerfesten Zustellung verhindert werden, die zu Vertiefungen im Boden (Ofensau) führen und die oft mehrere Meter Tiefe bei längerer Betriebszeit des Hochofens erreichen können.

Durch die intensive und äußerst schnell wirkende Kühlung gemäß der Erfindung wird nicht nur mit Erfolg das Entstehen von Durchbrüchen verhindert, sondern durch die nun wesentlich intensivere Kühlung gegenüber bekannten Kühlvorrichtungen ist es nun möglich, eine Vergleichmäßigung der Wandstärken des üblicherweise vorgebauten feuerfesten Materials im Gestell herbeizuführen. Denn da das feuerfeste Material intensiver als bisher üblich gekühlt wird, und somit der thermisch bedingte Verschleiß durch den Kontakt mit den flüssigen Phasen langsamer fortschreitet und langsamer als bisher üblich zum Stillstand kommt, kann an diesen Stellen die feuerfeste Zustellung vergleichmäßigt, d. h. dünner ausgeführt werden. Damit kann auch der Gestellpanzer bei Neubauten zylindrisch ausgeführt werden und die bisher übliche zum Boden hin weitende konische Form zur Aufnahme zusätzlichen Feuerfest-Materialvolumens wird nicht mehr benötigt. Neben der Einsparung an Kosten für die feuerfesten Materialien durch die Vergleichmäßigung der Wandstärken im Gestellbereich entfällt auch der bisherige Nachteil, daß der Ofeninnendruck und die thermische Ausdehnung des feuerfesten Materials bei der üblichen konischen Ausbildung erhebliche Kräfte senkrecht zum Ofenfundament erzeugen, die durch entsprechend dimensionierte und teure Verankerungen aufgenommen werden müssen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an schematischen Zeichnungsfiguren eines Ausführungsbeispiels eines Hochofens in einem Vertikalschnitt näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Hochofen,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1.

Das in der Fig. 1 in einem Vertikalschnitt dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Hochofen 1 bekannter üblicher Bauart, in dem nach dem Gegenstromprinzip aufbereitete Eisenerze verhüttet werden. Der Hochofen 1 gliedert sich bekanntermaßen im wesentlichen in vier verschiedene Bereiche; es sind dies die Gicht 2, der Schacht 3, die Rast 4 und das Gestell 5.

Die Einsatzstoffe, bestehend aus den Erzen, Zuschlägen und dem Reduktionsmittel Koks, werden dem Hochofen 1 in seinem oberen Teil, der Gicht 2 aufgegeben. Den während der Ofenreise langsam nach unten wandernden Einsatzstoffen strömt der "Wind" entgegen, der außerhalb des Hochofens (in der Figur nicht dargestellt) erhitzt und über eine Ringleitung 11 und Blasformen 6 im unteren Teil des Hochofens 1 eingeblasen wird. Durch diesen Wind werden die Einsatzstoffe erhitzt und es finden Verbrennungsreaktoren und die Reduktion der Eisenerze statt. Diese Reaktionen finden im mittleren Teil des Hochofens 1, dem Schacht 3 sowie darunter in der Rast 4 statt und es bilden sich schmelzflüssiges Roheisen und schmelzflüssige Schlacke, die sich im Gestell 5 ansammeln, wobei das flüssige Roheisen aufgrund seiner höheren Dichte sich unterhalb der Schlacke anordnet. Über Auslaßöffnungen, die sich in der Höhe des Pfeils 10 befinden, wird das flüssige Roheisen abgelassen. Auslaßöffnungen für die schmelzflüssige Schlacke befinden sich darüber, sind in Fig. 1 aber nicht angegeben.

Das Gestell 5 ist mit einem geeigneten feuerfesten Material 7, 7' ummauert, das im Kontakt mit schmelzflüssigem Eisen und schmelzflüssiger Schlacke weitgehend resistent ist und nicht zerstört wird. Die feuerfeste Ausmauerung 7 des Gestells 5 ist bis zur Höhe des Pfeils 9 ausgeführt. Zwischen dieser feuerfesten Ausmauerung 7 und den sie umhüllenden Metallmantel 8, der Gestellpanzerung, sind Kühlelemente 13, beispielsweise Plattenkühlelemente angeordnet, die gemäß der Erfindung aus einem hochwärmeleitfähigen Material gefertigt sind. Gemäß der Erfindung sind auch im Gestellboden 12 diese Kühlelemente angeordnet.

Durch die nun auf diese Weise stattfindende intensiv wirkende Kühlung ist es möglich, insbesondere bei Hochofenneubauten, den schräg nach außen verlaufenden Teil 7' der feuerfesten Ausmauerung 7 zu vergleichmäßigen und zylindrisch zu gestalten, wodurch feuerfestes Material eingespart und die nun gleichfalls zylindrische Gestellpanzerung ohne die sonst üblichen konstenaufwendigen Verankerungen installiert werden kann.

In Fig. 2 ist der Gegenstand der Erfindung in einem vergrößerten Teilausschnitt der Fig. 1 dargestellt und zeigt in einer vereinfachten Darstellung das Gestell 5, die Rast 4 sowie den unteren Teil des Schachtes 3 des Hochofens 1. Gestell 5 und Rast 4 sind aus einem feuerfesten Material, der Ausmauerung 7, 7' gefertigt, die von einem Metallmantel 8, der Panzerung, umhüllt ist. Die feuerfeste Ausmauerung 7 reicht im dargestellten Ausführungsbeispiel bis zum oberen Ende der Rast 4.

Zwischen dem Metallmantel 8 und der feuerfesten Ausmauerung 7, 7' sind Kühlelemente 13 angeordnet, die gemäß der Erfindung aus einem hochwärmeleitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt sind. In Fig. 2 reichen diese Kühlelemente 13 vom Gestellboden 12 über die Blasformen 6 bis zur Höhe des Pfeils 9. Die Kühlelemente 13 sind mit einem außerhalb des Metallmantels 8 angeordneten Rohrsystems 14 verbunden, durch das die Versorgung der Kühlelemente 13 mit einer ausreichend großen Kühlwassermenge sichergestellt ist.

In den Fig. 1 und 2 sind die Kühlelemente 13 auf Grund der Größenverhältnisse nur schematisch darstellbar, so daß den Figuren die Ausbildung der Kühlelemente 13 nicht entnommen werden kann. Dies ist aber auch nicht erforderlich, da bekannte und bewährte Kühlelemente, wie beispielsweise Plattenkühlelemente, verwendet werden können, vorausgesetzt, sie sind gemäß der Erfindung aus einem hochwärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt.


Anspruch[de]
  1. 1. Hochofen in Schachtofenbauweise zur kontinuierlichen Verhüttung von aufbereiteten Eisenerzen zu flüssigem Roheisen, mit einer Ofenwand aus feuerfesten Materialien, die insbesondere im unteren Bereich des Hochofens, der Rast und dem darunter angeordnetem Gestell, mit einem Metallmantel umhüllt ist und mit zwischen der feuerfesten Ofenwand und dem Metallmantel angeordneten wassergekühlten Kühlelementen, beispielsweise Plattenkühlelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gestellbereich (5) des Hochofens (1) zwischen der Gestellofenwand (7) und dem sie umhüllenden Metallmantel (8), der Gestellpanzerung, angeordneten wassergekühlten Kühlelemente aus einem hochwärmeleitfähigen Material gefertigt sind, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens fünfmal so groß ist wie die von Gußeisen, beispielsweise Kupfer.
  2. 2. Hochofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich im Gestellboden (12) wassergekühlte Kühlelemente aus hochwärmeleitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, angeordnet sind.
  3. 3. Hochofen (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gestellbereich (5) die Wandstärke der feuerfesten Gestellofenwand (7) vergleichmäßigt und der diese Gestellofenwand (7) umhüllende Gestellpanzer (8) zylindrisch ausgebildet ist.






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