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Dokumentenidentifikation DE112004000914T5 11.05.2006
Titel Kühlungselement und Verfahren zur Herstellung eines Kühlungselements
Anmelder Outokumpu Copper Products Oy, Espoo, FI
Erfinder Mäkinen, Pertti, Pori, FI
Vertreter Zipse & Habersack, 80639 München
DE-Aktenzeichen 112004000914
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, EP, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG
WO-Anmeldetag 10.06.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/FI2004/000354
WO-Veröffentlichungsnummer 2004111275
WO-Veröffentlichungsdatum 23.12.2004
Date of publication of WO application in German translation 11.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.05.2006
IPC-Hauptklasse C21B 7/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F27D 1/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlungselement, das in den unabhängigen Ansprüchen definiert ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung des Kühlungselements.

In Verbindung mit industriellen Reaktoren, insbesondere Reaktoren, die bei der Herstellung von Metallen verwendet werden, wie beispielsweise Schwebeschmelzöfen, Hochöfen und Elektroöfen, werden massive Kühlungselemente verwendet, die im allgemeinen aus Kupfer hergestellt sind. Typischerweise sind die Kühlungselemente wassergekühlt und somit mit einem Kühlwasserkanalsystem versehen. Oft werden die Kühlungselemente für das Schützen der Reaktorauskleidungen der Reaktoren gegen pyrometallurgische Prozesse verwendet, wobei die Hitze, die auf die Auskleidungsoberfläche gestrahlt wird, durch das Kühlungselement auf das Wasser übertragen wird, und somit im Vergleich zu einem Reaktor, der nicht gekühlt wird, eine Abnutzung der Auskleidung wesentlich reduziert wird. Die Reduktion der Abnutzung wird durch eine sogenannte autogene Auskleidung, die auf der Oberfläche der feuerfesten Auskleidung durch das Kühlungsverfahren verfestigt ist, unterstützt, wobei die autogene Auskleidung aus Schlacke und anderem Material, das aus den geschmolzenen Phasen abgetrennt wird, besteht.

Die Arbeitsbedingungen im Reaktor sind extrem, wenn die Kühlungselemente intensiven Korrosions- und Erosionsbelastungen, die durch die Ofenatmosphäre und durch Kontakte mit dem geschmolzenen Material verursacht werden, unterworfen werden. Auch Gaszirkulationen im Reaktor können für die Auskleidungen auf der Reaktorwand schädlich sein. Für einen effizienten Betrieb des Kühlungselements ist es unter anderem wichtig, dass die Verbindung zwischen den feuerfesten Ziegeln und dem Kühlungselement gut ist, so dass ein wirksamer Wärmeübertragungskontakt erhalten wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Kühlungselement einzuführen. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein dauerhaftes Kühlungselement einzuführen, das neben dem Kühlen auch die Auskleidungen auf der Reaktorwand stützt und die Gaszirkulation im Reaktor verbessert.

Die FI 109233 gibt ein Kühlungselement insbesondere für solche Öfen an, wo eine korrosionsfeste Oberflächenschicht auf der Elementoberfläche durch eine Diffusionsverbindung ausgebildet wird, wobei die korrosionsfeste Oberfläche aus Stahl hergestellt ist.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch das, was in den kennzeichnenden Teilen der unabhängigen Ansprüche angegeben ist. Andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch das gekennzeichnet, was im Rest der Ansprüche angegeben ist.

Bemerkenswerte Vorteile werden durch die Anordnung gemäß der Erfindung erzielt. Wenn eine Schulter mit dem gekühlten Gehäuse des Kühlungselements verbunden wird, so wird die interne Gaszirkulation im Reaktor, wie einem Ofen, durch diese Struktur wesentlich verbessert; zusätzlich stützt das Kühlungselement zur selben Zeit die Auskleidung der Reaktorwand ab und kühlt sie. Wenn das Kühlungselement im wesentlichen unterhalb der Auskleidung der Reaktorwand angeordnet ist, stützen das Gehäuse und die Schulter die Wandauskleidung. Wenn eine Schulter im Kühlungselement nur am oberen Rand des Gehäuses und nicht entlang der gesamten Höhe des Gehäuses angeordnet ist, so wird im Reaktor mehr Raum gelassen, der in seiner Breitenrichtung verwendet werden kann, das heißt, es wird im Prinzip der Reaktordurchmesser erweitert. Vorteilhafterweise wird dort der notwendige Kühlungseffekt für das Kühlungselement erreicht. Durch seine Form wendet die Schulter die Richtung der Gaszirkulation vorzugsweise weg von der Wandauskleidung, was bedeutet, dass ihre korrodierenden Wirkungen in der Auskleidung reduziert werden. Wenn die gesamte Dicke der Schulter und des Gehäuses gleich der Dicke der Auskleidung, die oberhalb vorgesehen ist, ist, stützt das Kühlungselement die Auskleidung auf bessere Weise. Durch das Ausbilden einer metallurgischen Verbindung zwischen der Schulter und dem Gehäuse, wird eine gute Wärmeleitung zwischen den verschiedenen Elementen erreicht. Gemäß der Erfindung ist die metallurgische Verbindung als eine Diffusionsverbindung ausgebildet, durch die eine extrem verschleißfeste und lang haltende Verbindung zwischen der Schulter und dem Gehäuse geschaffen wird, wobei diese Verbindung den herausfordernden Prozessbedingungen im pyrometallurgischen Reaktor gut widersteht. Zusätzlich kann die Verbindung zwischen der Schulter und dem Gehäuse durch ein Verschweißen der Schulter an ihrer Kante mit dem Gehäuse verstärkt werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist ein schneller, einfacher und preisgünstiger Weg, um Elemente, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sind, zu verbinden, wenn man dies beispielsweise mit einer Situation vergleicht, bei der die Schulter im Gehäuse durch Schmieden hergestellt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die angefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.

1 zeigt ein Kühlungselement gemäß der Erfindung.

2 zeigt ein Kühlungselement gemäß der Erfindung.

Die 1 und 2 zeigen ein Kühlungselement 1 gemäß der Erfindung, das in der Struktur eines pyrometallurgischen Reaktors, wie eines Ofens, der in Metallprozessen verwendet wird, zu verwenden ist, wobei das Kühlungselement ein Gehäuse 2 umfasst, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, das mit einem Kanalsystem 3 für die Zirkulation des Kühlungsmittels versehen ist. Das Kühlungselement 1, das in den 1 und 2 dargestellt ist, ist ein Element, das in einem Ofen verwendet wird. 2 zeigt eine Ausführungsform der 1 in Richtung von A. Gemäß der Erfindung ist eine Schulter 6, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, mit dem Gehäuse 2 verbunden und im wesentlichen unterhalb der Auskleidung 5 der Reaktorwand 4 angebracht, so dass die metallurgische Verbindung in der Verbindung 7 zwischen dem Gehäuse 2 und der Schulter 6 geschaffen wird. Gemäß der Erfindung ist die Schulter 6 in Verbindung mit dem gekühlten Gehäuse 2 des Kühlungselements 1 so ausgebildet, dass die Schulter 6 die Gaszirkulation im Reaktor führt, als auch die Auskleidung 5 der Reaktorwand 4 stützt und kühlt. Das Gehäuse 2 gemäß der Erfindung, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, wird beispielsweise durch das Gießen eines plattenförmigen Walzblocks, der, sofern es notwendig ist, gewalzt wird, ausgebildet. Ein Kanalsystem 3 für die Zirkulation des Kühlungsmittels ist auf dem Walzblock beispielsweise durch Bohren oder andere bekannte Maßnahmen angeordnet. Das Kanalsystem 3 ist mit einem Kanal 12 zur Zuführung des Kühlungsmittels zum Kanalsystem verbunden. Die Schulter 6 wird durch das Formen eines Objekts aus Kupfer oder einer Kupferlegierung beispielsweise durch Gießen oder Walzen hergestellt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die metallurgische Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Schulter als eine Diffusionsverbindung ausgebildet. In diesem Fall findet die Ausbildung der Verbindung als ein Ergebnis einer Diffusion einer geschmolzenen und festen Substanz und nachfolgender Phasenänderungsreaktionen statt, wenn das Gehäuse 2 und die Schulter 6 aneinander gepresst werden, und das Verbindungsgebiet 7 in mindestens einem Schritt erhitzt wird. Im Verbindungsgebiet 7 zwischen dem Gehäuse 2 und der Schulter 6 wird ein Lötmittel, das mindestens Silber, Kupfer oder Zinn enthält, zugeführt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Lötmittel, das zwischen dem Gehäuse 2 und der Schulter 6 angeordnet ist, im wesentlichen ein dünner Silberfilm. Der Silberfilm kann auch zinnbeschichtet sein. Typischerweise erfordert das Schaffen der Verbindung eine Temperatur von ungefähr 600 bis 800 Grad, und die Dicke der Verbindung liegt in der Größenordnung von mehreren Zehn Mikrometern.

Gemäß der Erfindung ist die Schulter 6 an der unteren Kante 8 vorteilhafterweise abgeschrägt, so dass die Schulter auf der Seite des Gehäuses 2 dicker ist. Somit wandern die Reaktorgaszirkulationen in der Richtung des Pfeils, der in der Zeichnung angegeben ist, das heißt vorteilhafterweise weg von den Auskleidungen der Reaktorwand. Die Schulter ist am oberen Rand des Gehäuses 2, das heißt an der Kante, die im Reaktor oben angeordnet ist, angeordnet. Die Schulter erstreckt sich im wesentlichen entlang der gesamten Breite der Oberkante 9 des Gehäuses und nur entlang eines Teils der Höhe des Gehäuses. Die Tiefe 10 der Schulter 6 beträgt gemäß der Erfindung vorteilhafterweise 130 – 180 Millimeter. Die gesamte Dicke 11 der Schulter 6 und des Gehäuses 2 ist mindestens so groß wie die Dicke der Auskleidung 5 der oberen Wand. Nun stützt das Kühlelement 1 vorzugsweise die Wandauskleidung 5, die oberhalb von ihm angeordnet ist. Die Schulter 6 kann auch mit einer Kühlmittelzirkulation versehen sein, was bedeutet, dass die Kühlwirkung des Kühlungselements erhöht wird. Gemäß dem Beispiel ist die Schulter 6 im Reaktor auf der Seite des Gehäuseelements angeordnet, die sich in Kontakt mit der Schmelze befindet.

Eine erfindungsgemäße Schulter könne auch auf der Seite des Gehäuseelements, die sich in Kontakt mit der Wand befindet, angeordnet sein.

Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die oben dargestellten Beispiele beschränkt sind sondern innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche variieren können.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlungselement (1), das in der Struktur eines pyrometallischen Reaktors, wie eines Ofens, der in Metallprozessen verwendet wird, verwendet werden soll, wobei das Kühlungselement ein Gehäuse (2), das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, umfasst, und mit einem Kanalsystem (3) für die Kühlmittelzirkulation versehen ist, so dass sich im Gehäuse (2) eine Schulter (6), die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt und im wesentlichen unterhalb der Auskleidung (5) der Reaktorwand (4) angeordnet ist, befindet, so dass eine metallurgische Verbindung an der Verbindung (7) zwischen dem Gehäuse und der Schulter geschaffen wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren für das Herstellen eines Kühlungselements, das in der Struktur eines pyrometallurgischen Reaktors, wie eines Ofens, der in Metallprozessen verwendet wird, verwendet werden soll.


Anspruch[de]
  1. Kühlungselement (1) für die Verwendung in der Struktur eines pyrometallurgischen Reaktors, wie eines Ofens, der in Metallprozessen verwendet wird, wobei das Kühlungselement ein Gehäuse (2), das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt und das mit einem Kanalsystem (3) für die Zirkulation des Kühlungsmittels versehen ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schulter (6), die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, mit dem Gehäuse (2) verbunden und im wesentlichen unterhalb der Auskleidung (5) der Reaktorwand (4) angeordnet ist, so dass eine metallurgische Verbindung an der Verbindung (7) zwischen dem Gehäuse und der Schulter geschaffen wird.
  2. Kühlungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (6) vorzugsweise an ihrem unteren Rand (8) abgeschrägt ist, so dass die Schulter auf der Seite des Gehäuses (2) dicker ist.
  3. Kühlungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter am oberen Rand des Gehäuses (2) angeordnet ist.
  4. Kühlungselement nach Anspruch 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (6) sich im wesentlichen entlang der gesamten Breite (9) des oberen Rands des Gehäuses (2) und nur entlang eines Teils der Gehäusehöhe erstreckt.
  5. Kühlungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (10) der Schulter vorteilhafterweise 130 – 180 Millimeter beträgt.
  6. Kühlungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Dicke (11) der Schulter (6) und des Gehäuses (2) mindestens so groß wie die Dicke der Auskleidung (5) der Wand über ihr ist.
  7. Kühlungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (6) mit einer Kühlmittelzirkulation versehen ist.
  8. Kühlungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (6) auf der Seite des Gehäuseelements angeordnet ist, die sich in Kontakt mit der Schmelze befindet.
  9. Kühlungselement nach Anspruch 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (6) auf der Seite des Gehäuseelements angeordnet ist, die sich in Kontakt mit der Wand (4) befindet.
  10. Verfahren für das Herstellen eines Kühlungselements, das in einem pyrometallurgischen Reaktor, wie einem Ofen, der in Metallprozessen verwendet wird, angewandt wird, wobei das Kühlungselement ein Gehäuse (2) umfasst, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt und mit einem Kanalsystem (3) für die Kühlmittelzirkulation versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Gehäuse (2) eine Schulter (6), die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, im wesentlichen unterhalb der Auskleidung (5) der Reaktorwand (4) verbunden ist, so dass eine metallurgische Verbindung an der Verbindung (7) zwischen dem Gehäuse und der Schulter geschaffen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und die Schulter (6) durch eine Diffusionsverbindung miteinander verbunden sind.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (2) und der Schulter (6) ein Lötmittel zugeführt wird, und dass das Verbindungsgebiet in mindestens einem Schritt erhitzt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötmittel mindestens Silber, Kupfer oder Zinn enthält.
  14. Verfahren nach Anspruch 10 – 13, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Lötmittel ein Silberfilm ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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