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PYROMETALLURGISCHES REAKTORKÜHLELEMENT UND DESSEN HERSTELLUNG - Dokument DE69919745T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69919745T2 20.01.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001153254
Titel PYROMETALLURGISCHES REAKTORKÜHLELEMENT UND DESSEN HERSTELLUNG
Anmelder Outokumpu Oyj, Espoo, FI
Erfinder HUGG, Eero, FIN-02200 Espoo, FI;
KOJO, Ilkka, FIN-02430 Masala, FI;
MÄKINEN, Pertti, FIN-28610 Pori, FI;
KOOTA, Raimo, FIN-29250 Nakkila, FI
Vertreter Zipse & Habersack, 80639 München
DE-Aktenzeichen 69919745
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.12.1999
EP-Aktenzeichen 999610801
WO-Anmeldetag 14.12.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/FI99/01029
WO-Veröffentlichungsnummer 0000037870
WO-Veröffentlichungsdatum 29.06.2000
EP-Offenlegungsdatum 14.11.2001
EP date of grant 25.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.01.2005
IPC-Hauptklasse F27D 1/12
IPC-Nebenklasse F28F 1/40   B22D 11/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements für pyrometallurgische Reaktoren, welches Element mindestens einen Strömungskanal hat, und die Herstellung des Elements durch ein kontinuierliches Gießverfahren, d. h. ein Schlickerguss-Verfahren vollzogen wird. Um die Wärmeübertrags-Fähigkeit des Elementes zu erhöhen, wird der Wand-Flächenbereich der Kühlkanalwandung bezüglich ihrer runden oder ovalen Querschnittsform erhöht, ohne den Durchmesser oder die Länge des Strömungskanals zu erhöhen. Die Erfindung betrifft ferner das durch dieses Verfahren hergestellte Element.

Die Hitzefestigkeit von Reaktoren bei pyrometallurgischen Verfahren wird durch wassergekühlte Kühlelemente vorgesehen, so dass die von der Feuer-Fläche kommende Hitze über das Kühlelement aufgrund einer Kühlung an das Wasser übertragen wird, wodurch der Verschleiß der Auskleidung im Vergleich zu einem Reaktor ohne Kühlung beträchtlich reduziert ist. Der reduzierte Verschleiß wird durch die Kühlwirkung verursacht, was zur Bildung einer sogenannten autogenen Auskleidung führt, die an der Oberfläche eines wärmebeständigen Belages fixiert ist und die aus Schlacke und anderen, aus den geschmolzenen Phasen abgeschiedenen Substanzen gebildet ist.

Herkömmliche Kühlelemente werden auf zwei Weisen hergestellt: Elemente können erstens durch Sandguss hergestellt sein, bei dem aus thermisch hochleitendem Material, wie beispielsweise Kupfer gefertigte Kühlleitungen in eine aus Sand geformte Gießform gesetzt werden, die während dem Gussvorgang um die Leitungen mit Luft oder Wasser gekühlt werden. Das um die Leitungen gegossene Element ist ebenso aus hochleitendem thermischen Material, wie zum Beispiel Kupfer. Diese Art des Herstellungsverfahrens ist beispielsweise in dem GB-Patent Nr. 1 386 645 beschrieben. Ein Problem bei diesem Verfahren ist die ungleichmäßige Kontaktierung der als Kühlkanal wirkenden Leitung zum umgebenden Gussmaterial, weil einige der Leitungen vollständig frei von dem darum gegossenen Element bleiben und ein Teil der Leitung vollständig aufgeschmolzen sein kann, womit es beschädigt ist. Wenn zwischen der Kühlleitung und dem Rest des Gusselementes darum keine metallische Verbindung gebildet wird, ist der Wärmeübertrag nicht ausreichend. Wenn andererseits die Kühlleitung vollständig schmilzt, wird das die Strömung von Kühlwasser verhindern. Die Gusseigenschaften des Gussmaterials können verbessert sein, indem beispielsweise Phosphor zu dem Kupfer gemischt wird, um die metallische Verbindung zwischen der Leitung und dem Gussmaterial zu verbessern, wobei in diesem Fall die Wärmeübertrag-Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit) des Kupfers bereits durch eine geringfügige Zugabe beträchtlich verschlechtert sind. Ein Vorteil, der es wert ist, hinsichtlich dieses Verfahrens genannt zu werden, sind die vergleichsweise geringen Herstellungskosten und die Unabhängigkeit von Abmessungen.

Ein anderes Herstellungsverfahren wird verwendet, wobei eine Glasrohrleitung in der Form eines Kanals in die Gussform des Kühlelements eingesetzt wird, die nach dem Gießen um einen Kanal innerhalb des Elements zu bilden.

In dem US-Patent 4,382,585 ist ein anderes, vielfach verwendetes Verfahren zur Herstellung von Kühlelementen beschrieben, dem gemäß das Element beispielsweise aus einer gewalzten Kupferplatte hergestellt wird, wobei die notwendigen Kanäle darin eingefräst werden. Der Vorteil eines derartig hergestellten Kühlelementes ist seine dichte, starke Struktur und sein guter Wärmeübertrag von dem Element auf ein Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser. Seine Nachteile liegen in den dimensionalen Begrenzungen (Größe) und den hohen Kosten.

Ein gut bekanntes Verfahren im Stand der Technik liegt in der Herstellung eines Kühlelementes für einen pyrometallurgischen Reaktor, bei dem ein Hohlprofil mittels kontinuierlichem Guss, d. h. Schlickerguss mittels Formkern gegossen wird. Das Element wird aus einem thermisch hochleitfähigem Metall, wie beispielsweise Kupfer hergestellt. Der Vorteil bei diesem Verfahren liegt in einer dichten Guss-Struktur, ein guten Oberflächenqualität und darin, dass der gegossene Kühlkanal einen guten Wärmeübertrag von dem Element auf das Kühlmedium abgibt, so dass keine Einflüsse auftreten, die den Wärmeübertrag behindern könnten; vielmehr wird die von dem Reaktor kommende Wärme ohne einem überschüssigen Wärmeübertragungswiderstand auf das Kühlelement, d. h. auf die Oberfläche des Kanals und von dort auf das Kühlwasser übertragen. Im Querschnitt ist der Kühlkanal im Allgemeinen rund oder oval und der Formkern hat eine glatte Oberfläche. Dieser Typ eines Kühlkanals ist in dem US-Patent 5,772,955 erwähnt.

Um die Wärmeübertragungsfähigkeit eines Kühlelementes zu verbessern, ist es jedoch vorteilhaft, den Wärmeübertragungs-Oberflächenbereich des Elementes zu erhöhen. Wie durch die nachfolgende Erläuterung demonstriert, erfolgt dies gemäß der vorliegenden Erfindung durch Erhöhung des Wand-Oberflächenbereiches des Strömungskanals ohne den Durchmesser zu vergrößern oder die Länge zu erhöhen. Der Wand-Oberflächenbereich des Kühlelement-Strömungskanals ist erhöht, indem Rillen in die Kanalwand während dem Gießen gebildet sind oder durch Fräsen von Rillen oder Gewinden in den Kanal nach einem Guss, so dass der Querschnitt des Kanals im Wesentlichen rund oder oval bleibt. Im Ergebnis wird mit derselben Wärmemenge eine geringere Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und der Strömungskanal-Wandung und selbst auch eine geringere Kühlelement-Temperatur erforderlich. Die Erfindung betrifft ferner Kühlelemente, die mittels diesem Verfahren hergestellt sind. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung gehen aus den beigefügten Patentansprüchen hervor.

Die Fähigkeit eines Kühlelementes zur Aufnahme von Wärme kann mit Hilfe der folgenden Formeln dargestellt werden: Q = a × A × &Dgr;T, wobei Q = Betrag der übertragenen Wärme [W]

a = Wärmeübertrag-Koeffizient zwischen der Strömungskanal-Wandung und dem Wasser [W/Km2]

A = Wärmeübertragungsfläche [m2]

&Dgr;T = Temperaturdifferenz zwischen der Strömungskanal-Wandung und dem Wasser [K]

Der Wärmeübertragungs-Koeffizient kann theoretisch aus der Formel bestimmt werden: Nu = a × D/&lgr; &lgr; = thermische Leitfähigkeit von Wasser [W/mK]

D = hydraulischer Durchmesser [m] Oder Nu = 0.023 × Re^0.8Pr^0.4, wobei Re = w × D × &rgr;/&mgr; w = Geschwindigkeit [m/s)

D = hydraulischer Durchmesser des Kanals [m]

&rgr; = Dichte von Wasser [kg/m3]

&mgr; = dynamische Viskosität

Pr = Prandtl-Zahl []

Gemäß obiger Darstellung ist es somit möglich, die Menge an übertragener Wärme in einem Kühlelement durch Einwirkung auf die Temperaturdifferenz, den Wärmeübertragungs-Koeffizient oder die Wärmeübertragungs-Fläche zu beeinflussen.

Die Temperaturdifferenz zwischen der Wand und der Rohrleitung ist durch die Tatsache begrenzt, dass Wasser bei 100°C siedet, wenn die Wärmeübertragungs-Eigenschaften bei Normaldruck aufgrund des Siedens außerordentlich schlecht werden. In der Praxis ist es vorteilhafter, bei der möglichst geringsten Temperatur der Strömungskanal-Wandung zu arbeiten.

Der Wärmeübertragungs-Koeffizient kann beträchtlich durch Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit, d. h. durch Einwirkung auf den Reynold-Zahl, beeinflusst werden. Dies ist jedoch durch den erhöhten Druckverlust in der Rohrleitung mit Ansteigen der Strömungsrate begrenzt, was die Kosten eines Durchpumpens des Kühlwassers und die Investitionskosten der Pumpe anhebt, die nach dem Übersteigen eines bestimmten Schwellenwertes beträchtlich ansteigen.

Bei einer herkömmlichen Lösung kann die Wärmeübertragungs-Fläche entweder durch Erhöhen des Durchmessers des Kühlkanals und/oder durch dessen Länge beeinflusst werden. Der Kühlkanal-Durchmesser kann innerhalb eines noch wirtschaftlich vernünftigen Rahmens nicht unbeschränkt erhöht werden, da eine Erhöhung im Kanaldurchmesser die Menge an Wasser erhöht, die erforderlich ist, um eine bestimmte Strömungsrate und überdies die Energieleistung zum Pumpen zu erhalten. Auf der anderen Seite ist der Kanaldurchmesser durch die bauliche Größe des Kühlelements begrenzt, das aus Gründen einer Minimierung von Investitionskosten vorzugsweise so klein und leicht wie möglich zu fertigen ist. Eine andere Begrenzung bezüglich der Länge ist die bauliche Größe des Kühlelements selbst, d. h. die Quantität des Kühlkanals, der in einen gegebenen Bereich passt.

Wenn es erwünscht ist, die Wärmeübertragungsfläche des hier dargestellten Kühlelementes zu erhöhen, wird dies durch Veränderung der Wandform des Schlickerguss-Kühlelement-Strömungskanals vollzogen, um eine größere Wärmeübertragungsfläche zu erhalten, die pro Strömungskanal-Längeneinheit berechnet wird mit demselben Strömungs-Querschnitt (dieselbe Rate wird erreicht mit derselben Menge an Wasser). Diese Erhöhung des Oberflächenbereiches wird beispielsweise durch die folgende Maßnahme erreicht:

  • – Zumindest ein Strömungskanal, der im Wesentlichen im Querschnitt rund ist, wird in dem Schlickerguss-Kühlelement während dem Vergießen gebildet, wobei Gewinde in den Strömungskanal nach dem Guss eingearbeitet werden.
  • – Mindestens ein Strömungskanal, der im Wesentlichen im Querschnitt rund ist, ist in dem Schlickerguss-Kühlelement während dem Schlickergießen gebildet, wobei rillenförmige Vertiefungen in den Strömungskanal nach einem Guss eingearbeitet sind. Die Vertiefungen werden vorteilhafterweise unter Verwendung eines sogenannten Spreizdorns gefertigt, der durch den Strömungskanal gezogen wird. Eine Einrillung kann beispielsweise an einem Loch nahe eines Endes gefertigt werden, in welchem Fall der Spreizdorn nach außen gezogen wird. Eine in dem Kanal gefertigte Bohrung, die an beiden Enden offen ist, wird durch entweder Schieben oder Ziehen eines zum Zweck geeigneten Werkzeuges durch den Kanal gefertigt.
  • – Die vorteilhafteste Erhöhung im Oberflächenbereich wird durch Ausbilden eines oder mehrerer mit Rillen versehenen, vorzugsweise geradlinig gerillten Strömungskanals während dem Vergießen in dem Kühlelement erhalten, wobei ein zweckdienlicher verrillter Guss-Formkern verwendet wird. Ungeachtet der Verrillung ist die Form des Strömungskanals im Wesentlichen rund oder oval im Querschnitt. Unter Verwendung dieses Verfahrens werden mechanische Verarbeitungs-Phasen nach dem Gießen vermieden. Bei all den oben beschriebenen Verfahren ist offensichtlich, dass im Falle von Kanalteilen in dem Strömungskanal quer zur Gießrichtung diese Teile durch eine mechanische Bearbeitung, zum Beispiel durch Bohren gefertigt sind, wobei die nicht zu dem Kanal gehörenden Öffnungen mit Stopfen verschlossen werden.

Der Nutzen des Verfahrens zur Erhöhung der Wärmeübertragungs-Fläche nach Beschreibung dieser Erfindung wurde mit einem Verfahren im Stand der Technik mit Hilfe des folgenden Beispieles verglichen. Bezüglich des Beispieles werden einige Diagramme dargestellt, die die Erfindung darstellen, wobei

1 eine Prinzipzeichnung des in den Tests verwendeten Kühlelements ist,

2 ein Querschnittsprofil des getesteten Kühlelements zeigt,

3a3d die Temperatur innerhalb des Elements bei verschiedenen Messpunkten als Funktion der Schmelztemperatur aufzeigen,

4 den Wärmeübertragungs-Koeffizient darstellt, der aus den Messungen als eine Funktion der Schmelze berechnet wurde, und

5 die Temperaturdifferenzen des Kühlwassers und der Kanal-Wandung bei verschiedenen Kühlniveaus von normalisierten Kühlelement darstellt.

Beispiel

Die auf die vorliegende Erfindung bezogenen Kühlelemente wurden in praktischen Tests getestet, wobei die Elemente A, B, C und D in geschmolzenes Blei mit einer Tiefe von 1 cm von der Grundoberfläche eingetaucht wurden. Das Kühlelement A hatte einen herkömmlichen Kanal mit glatter Oberfläche, wobei dieses Element für Vergleichsmessungen verwendet wurde. Die Menge an Kühlwasser und die Temperaturen sowohl vor dem Zuführen des Wassers in das Kühlelement als auch danach wurden in den Tests sorgfältig gemessen. Die Temperatur des geschmolzenen Bleis und die Temperaturen innerhalb des Kühlelements selbst wurden ebenso sorgfältig bei sieben verschiedenen Messpunkten gemessen.

1 zeigt das Kühlelement, wie es in den Tests verwendet wurde, mit dem Strömungskanal 2 darin. Die Abmessungen des Kühlelements waren wie folgt: Höhe 300 mm, Breite 400 mm und Dicke 75 mm. Das Kühlrohr oder der Strömungskanal wurde innerhalb des Elementes wie in 1 angeordnet, so dass das Zentrum des horizontalen Teils des Rohres in der Figur 87 mm vom Boden des Elements oder jedes vertikale Teilstück 50 mm vom Rand der Platte entfernt lag. Der horizontale Teil des Rohres wurde mittels Bohrens gefertigt, wobei ein Ende der horizontalen Öffnung verschlossen wurde (im Detail nicht gezeigt). 1 zeigt ferner die Platzierung der Temperaturmesspunkte T1–T7. 2 zeigt die Flächenformen des Kühlkanals und Tabelle 1 enthält die Abmessungen der Test-Kühlelement-Kanäle und die berechneten Wärmeübertragungs-Flächen pro Meter, wie auch die relativen Wärmeübertragungs-Flächen.

Tabelle 1

3a3d demonstrieren, dass die Temperaturen der Kühlelemente B, C und D bei allen Kühlwasserströmungsraten geringer waren als die Bezugsmessungen bei dem Kühlelement A. Da jedoch die Strömungsquerschnitte der Teststücke mit verschiedenen Abmessungen aus Gründen einer technischen Herstellung gefertigt wurden, kann die Wirkung der Wärmeübertragung aus den Ergebnissen in den 3a3d nicht direkt miteinander verglichen werden. Daher wurden die Testergebnisse wie folgt normalisiert:

Ein stationärer Wärmeübertrag zwischen zwei Punkten kann dargestellt werden als: Q = S × &lgr; × (T1 – T2), wobei

Q = die Menge des Wärmeübertrags zwischen den Punkten [W]

S = Formfaktor (abhängig von der Geometrie) [m]

&lgr; = thermische Leitfähigkeit des Mediums [W/mK]

T1 = Temperatur am Punkt 1 [K]

T2 = Temperatur am Punkt 2 [K]

Die Anwendung der obigen Gleichung auf die Testergebnisse lieferte folgende Quantitäten:

Q = gemessene thermische Arbeit, die auf das Kühlwasser übertragen wurde

&lgr; = die thermische Leitfähigkeit von Kupfer [W/mK]

T1 = Temperatur am Boden des Elements, wie berechnet aus den Tests [K]

T2 = Temperatur der Wasserkanal-Wandung, wie berechnet aus den Tests [K]

S = Formfaktor für einen finiten Zylinder in einem einseitig-unendlichen Element (Länge L, Durchmesser D), wobei der Formfaktor gemäß der Gleichung bestimmt werden kann S = 2&pgr;L/1n(4z/D), mit Z > 1.5D,

z = Eintauchtiefe gemessen von der Mittellinie des Zylinders [m].

Die auf obige Weise bestimmten Wärmeübertragungs-Koeffizienten sind in 4 dargestellt. Gemäß einer Mehrfachanalyse wurde eine sehr gute Korrelation zwischen dem Wärmeübertragungs-Koeffizient und der Wasserströmungsrate wie auch der an das Wasser übertragenen Wärmemenge erhalten. Die Wärmeübertragungs-Koeffizienten der Regressionsgleichung für jedes Kühlelement sind in Tabelle 2 dargestellt. Folglich ist &agr; [W/m2K] = c + a × v [m/s] + b × Q [kW].

Tabelle 2

Um die Ergebnisse vergleichbar zu machen, wurden die Querschnitts-Flächen der Strömungskanäle normalisiert, so dass die Menge an Strömungswasser derselben Strömungsrate entspricht. Die Dimensionen des Strömungskanals und die Wärmeübertragungs-Flächen, die gemäß der Strömungsmenge und -rate normalisiert wurden, sind in Tabelle 3 dargestellt. Unter Verwendung der Abmessungen, wie sie in Tabelle 3 für die Fälle A', B', C' und D' verwendet wurden, sowie die gemäß obiger Ausführung bestimmten Wärmeübertragungs-Koeffizienten, die Temperaturdifferenz von Wand und Wasser für normalisierte Fälle hinsichtlich der Strömungsmenge wurden als eine Funktion der Wasserströmungsrate für 5, 10, 20 und 30 kW Wärmemengen mit der Gleichung &Dgr;T = Q/(&agr; × A) berechnet.

Tabelle 3

Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. Die Figur zeigt, dass all die gemäß der Erfindung hergestellten Kühlelemente eine bestimmte Wärmeübertragungs-Menge mit einer geringeren Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und der Kühlkanal-Wandung erreichen, was die wirksame Arbeitsweise des Verfahrens veranschaulicht. Beispielsweise ist bei einer Kühlleistung von 30 kW und einer Wasserströmungsrate von 3 m/s die Temperaturdifferenz zwischen der Wand und dem Wasser in verschiedenen Fällen:

Tabelle 4

Wenn diese Ergebnisse mit den Wärmeübertragungsflächen verglichen werden, ist zu ersehen, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Wand und dem Wasser, die zum Übertragen derselben Menge an Wärme erforderlich ist, umgekehrt proportional zur relativen Wärmeübertragungs-Fläche ist. Das bedeutet, dass die Veränderungen in der Oberfläche gemäß Erfindungsbeschreibung die Leistung des Wärmeübertrags beträchtlich beeinflussen kann.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung einer pyrometallurgischen Reaktor-Kühlplatte, welche Platte im Schlickergussverfahren aus thermisch hoch leitfähigem Kupfer hergestellt wird und die mindestens einen Kühlwasser-Strömungskanal hat, der im Querschnitt im Wesentlichen rund oder oval ist, welcher Kühlwasser-Strömungskanal in der Kühlplatte während dem Gießverfahren gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Wärmeübertragungs-Fähigkeit der Kühlplatte der Wandflächenbereich des mindestens einen Strömungskanals innerhalb der Kühlplatte durch Ausbilden einer oder mehrerer Rillen in der Oberfläche des Kühlkanals mit Hilfe eines verrillten Formkerns während dem Gießen erhöht wird, oder durch Einarbeiten eines Gewindes oder von rillenförmigen Vertiefungen nach dem Vergießen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rillenförmigen Vertiefungen mittels eines Spreizdorns gefertigt werden.
  3. Pyrometallurgische Reaktor-Kühlplatte, die im Schlickergussverfahren aus thermisch hoch leitfähigem Kupfer hergestellt ist und mindestens einen Kühlwasser-Strömungskanal hat, der im Querschnitt im Wesentlichen rund oder oval ist, dadurch gekennzeichnet, dass er gemäß Anspruch 1 hergestellt ist und zur Erhöhung der Wärmeübertragungs-Fähigkeit des Kühlelements die Wandfläche des zumindest einen Strömungskanals innerhalb des Kühlelements mit Hilfe von Rillen, Gewinden oder rillenförmigen Vertiefungen oder dergleichen vergrößert ist.
  4. Kühlplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rillenförmigen Vertiefungen mittels eines Spreizdornes gefertigt sind.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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