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Dokumentenidentifikation DE10249333A1 19.05.2004
Titel Metallurgisches Schmelzgefäß
Anmelder Refractory Intellectual Property GmbH & Co.KG, Wien, AT
Erfinder Wallner, Stefan, Wien, AT;
Filzwieser, Andreas, Wien, AT
Vertreter Becker und Kollegen, 40878 Ratingen
DE-Anmeldedatum 22.10.2002
DE-Aktenzeichen 10249333
Offenlegungstag 19.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.2004
IPC-Hauptklasse F27D 1/12
IPC-Nebenklasse C21B 7/10   F27B 3/24   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein metallurgisches Schmelzgefäß.

Beschreibung[de]

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 A1 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 Schmelzgefäße 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, kann 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 Wärmeelement 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 einstöckig 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 A1 erfolgen.

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.

Es kann eine Zwischenschicht aus einer kohlenstoffhaltigen, feuerfesten keramischen Masse vorgesehen sein.

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 A1 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 schließ1ich 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

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 11 aus Kupfer weg und in das feuerfeste Material 9 hinein. Stege 11 und Wärmeleitelement 5 sind monolithisch ausgebildet.

Im dargestellten Abschnitt des Schmelzgefäßes 1 handelt es sich bei dem feuerfesten Material 9 um eine monolithische keramische Masse, die um die Stege 11 herum gegossen wurde. Die dem Wärmeleitelement 5 abgewandten Enden der Stege 11 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 3a 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 15 geleitet.

Durch das Kühlmedium wird das Stahlgefäß 3 im Bereich der Kühleinrichtung 15 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 11 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 Stahlgefäß 3 an das Kühlmedium ab. Das dadurch aufgewärmte Kühlmedium wird durch die Ablauföffnung 19 aus dem Freiraum 15 aus der Kühleinrichtung ausgeleitet.


Anspruch[de]
  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 (11) 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.
  11. Schmelzgefäß nach Anspruch 10 mit einer Zwischenschicht (7) aus einer kohlenstoffhaltigen Masse.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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