Warning: fopen(111data/log202007121355.log): failed to open stream: No space left on device in /home/pde321/public_html/header.php on line 107

Warning: flock() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 108

Warning: fclose() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 113
OFENWAND-KÜHLBLOCK - Dokument DE60127137T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60127137T2 08.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001309731
Titel OFENWAND-KÜHLBLOCK
Anmelder MacRae, Allan J., Hayward, Calif., US
Erfinder MacRae, Allan J., Hayward, CA 94544, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60127137
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.06.2001
EP-Aktenzeichen 019462639
WO-Anmeldetag 11.06.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/18851
WO-Veröffentlichungsnummer 2001096615
WO-Veröffentlichungsdatum 20.12.2001
EP-Offenlegungsdatum 14.05.2003
EP date of grant 07.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse C21B 7/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F27D 1/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Ofentiegel und betrifft spezieller die hinter den Feuertestlagen in den Wänden der Tiegel verwendeten Kupfer-Kühlblöcke.

Einschlägiger Hintergrund

Die in den Metallöfen zur Anwendung gelangenden hohen Temperaturen sind ausreichend, um selbst Schamotteziegel-Auskleidung zu erodieren. Feuerfestmaterialien finden konventionell Anwendung zum Auskleiden der Innenseiten von Tiegeln, und die herkömmliche Technik hat die Verwendung von Kühlblöcken hinter derartigen Auskleidungen übernommen. Das Betriebsergebnis ist eine dünne Schicht aus schmelzflüssiger Schlacke, Rohstein und/oder Metall, die an den Wänden erstarrt und zu deren Stabilisation gegenüber einem Durchbruch beiträgt. Derartige Kühlblöcke finden auch Anwendung für Brennerblöcke, Gießrinnen, Windformen, Platten, Gießformen, Elektrodenklammern, Abstichlochblöcke und Herd-Anoden. Bei den modernsten pyrometallurgischen Öfen werden zur Stabilisierung der unvermeidlichen Erosion der Wand, des Dachs und der Herdausmauerungen Kühlsysteme verwendet. Grundsätzlich werden Kühlblöcke in einer Reihe unterschiedlicher Formen angewendet. Wände, Dächer und Herde, in die diese einbezogen sind, werden in zylindrischen Öfen verwendet, in ovalen Öfen, in Gebläseöfen, in Schnellschmelzöfen nach Art von Mitsubishi und in Konverteröfen, in IsaSmelt-Öfen, in Lichtbogenöfen, sowohl auf Wechselstrombasis als auch auf Gleichstrombasis, in Sauerstoff-Aufblas-Konvertern, in Elektroschlackereinigungsöfen, Rechtecköfen, in Outokumpu-Schnellschmelz- und Konverteröfen, Inco-Schnellschmelzöfen, Lichtbogenöfen, Schlackereinigungsöfen und in Flammöfen.

Kühlblöcke lassen sich auch in Lagen mit alternierenden Verläufen des Feuerfestmaterials anordnen. Gelegentlich wird ein Schamotteziegel und/oder gießfähiges Feuerfestmaterial für die heiße Seite des Blockes verwendet und kann glatt sein oder Taschen haben und/oder Rillen, die darin eingearbeitet oder eingegossen sind.

Ein Problem entsteht dann, wenn die Kühlrohre und damit Metallgüsse nicht genau aus den gleichen Materialien bestehen. Unterschiedliche Materialien werden unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeftizienten haben und ebenfalls wird die Festigkeit der Bindung zwischen den Röhren und den Gussstücken variieren. Ein ständiger Temperaturwechsel kann das Rohr aus dem Guss lockern, sodass, wenn dieses eintritt, der thermische Wirkungsgrad stark abfällt.

Allerdings werden Rohre, die aus Materialien mit Schmelzpunkten gefertigt sind, die höher sind als das schmelzflüssige Gießmetall, deshalb angestrebt, weil sie einem Weichwerden oder Durchbrechen während des Reingusses widerstehen. Eine herkömmliche Art, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, die Rohre fest mit Sand zu füllen, sodass sie gegen ein Zusammenfallen verstärkt sind. Ein solcher Sand wird nach dem Abkühlen des Gusses ausgewaschen.

Einige Kombinationen von Kühlrohren und Metallgussmaterialien sind nach dem Stand der Technik dafür bekannt, dass sie eine zumindest akzeptable Gebrauchswertdauer bereitstellen können. Beispielsweise hat die Falcon Foundry (Lowellville, Ohio) seit den Jahren ab 1960 in Kupferkühlblöcken gegossene Monel-400-Rohre hergestellt. (Monel-400 ist ein Warenzeichen für eine Legierung mit etwa 63% Nickel und 31% Kupfer). Andere Unternehmen wie Electro-Melt (jetzt nicht mehr existent) und American Bridge (eine frühere Abteilung der US-Steel) haben Kühlblöcke unter Nutzung der Schedule-40 oder Schedule-80-Monel-400-Rohrschlangenbaugruppen konstruiert, mit denen sich Kühlkammern gut bemessen lassen. Beim Gießen von reinem Kupfer ist kein Kühlen der Rohre erforderlich, wie das normalerweise bei Rohren aus Reinkupfer der Fall ist.

Leider haben Fehleranalysen gezeigt, dass die Kupfer-Kühlblöcke sich nicht in vollständigem Kontakt mit dem Monel-400-Rohr befinden. Wenn die Blöcke einer Zerstörungsprüfung unterzogen werden und die Verbindung Monel-Kupfer bewertet wird, lässt sich das Vorhandensein zahlreicher Fehler feststellen. Derartige Verbindungsfehler verringern den Wirkungsgrad des Wärmeüberganges und führen unbekannte Größen in die Gesamtkühlmuster des Ofens ein.

Bekannte Ausführungen von Kupferguss- und niedrig legierten Kupfer-Kühlblöcken und Konstruktionstechnik sind kommerziell auch beliefert worden von Outokumpu OY (Finnland), Kvaerner (Stockton, England), Demag (Deutschland), Hundt & Weber (Siegen, Deutschland), Tucson Foundry (Tucson, Arizona), Thos Begbie (Südafrika), Alabama-Kupfer (Alabama), Niagara-Bronze (Niagara Falls, Kanada), Hoogovens (Niederlande) und andre und/oder von diesen konzipiert worden.

Outokumpu und andere konstruieren und erzeugen Kupfer-Kühlblöcke aus Kupferbarren mit Bohrungen in Längsrichtung, die für Wasserpassagen gebohrt werden. Extrudierte Bohrungen wurden ebenfalls für die Wasserpassagen verwendet, wobei jedoch einige von diesen fehleranfällig waren. Ebenfalls einbezogen wurden quergebohrte Bohrungen mit inneren Stopfen, um interne Kühlhäuserkreisläufe zu erzeugen.

Die gebohrten und extrudierten Konstruktionen erfordern alle die Installation von Stopfen in sämtlichen offenen Bohrenden um die Ränder der Barrenblöcke. Stopfen vom Typ der gelöteten, geschweißten und mit Rohrgewinde versehenen sind insgesamt versucht worden. Nicht desto weniger zeigen viele dieser Blöcke jedoch Leckagen, und derartige Leckagen sind in metallurgischen Öfen außerordentlich gefährlich.

Die Größe und Form derartiger Blöcke ist auf die Fähigkeit des Gießens oder Schmiedens der Kupferbarren beschränkt. Oftmals ist die Anordnung der inneren Wasserpassage sehr eingeschränkt, weil die Passagen auf Kombinationen von untereinander verbundenen Bohrlöchern zugeschnitten werden müssen.

Im Gegensatz dazu lassen sich Gussblöcke in einer großen Vielzahl von Blockformen und -größen erzeugen und es ist zumeist jede beliebige Anordnung im Bezug auf die innere Rohrführung möglich. Gussblöcke lassen sich im Vergleich mit den gebohrten und mit Stopfen versehenen Blöcken mit größeren Wärmebelastungen verwenden.

Die Erzeugung von gebohrten Blöcken und von Gussblöcken stellen jeweils ihre eigenen Herausforderungen. Beim Gießen können die Wasserrohre sowohl vorher als nachher einem Strömungstest als auch einem Drucktest unterzogen werden. Die Gefahr einer Leckage durch einen Kupfer-Kühlblock mit Fertigungshohlräumen ist sehr gering, da die Rohrwandungen das Wasser halten können.

Konventionelle gegossene Kühlblöcke werden im typischen Fall hergestellt, indem ein Wasserrohr zu einer gewünschten Anordnung ausgeformt und dieses vorher und nachher mit 150% des bemessenen Arbeitswasserdruckes für mindestens 15 Minuten einem Drucktest unterzogen wird. Bevor der Guss fließt, wird die Außenseite des Rohres gereinigt, um Gasblasenbildung auf ein Minimum herabzusetzen, die sich in porösen Gießsektionen an den Grenzflächen Rohr/ÖI und Guss/Kupfer ergeben kann. Gelegentlich wird zum Füllen des Innenraums der Rohre Sand verwendet, um sie gegen ein Erweichen auszusteifen, jedoch nur dann, wenn ein Rohrschlangenmaterial zur Anwendung gelangt, das einen Schmelzpunkt hat, der nicht wesentlich höher als die Gießtemperatur des Kupfers ist. Beispielsweise muss Monel-400-Rohr ursprünglich vor dem Gießen nicht mit Sand gefüllt werden.

Die Gießformen werden mit zusätzlichen Toleranzen zum spanabhebenden Bearbeiten poröser Profile, Anschnitte, Speiser und Schrumpfungen erzeugt. Diese Formen werden im typischen Fall aus Sand erzeugt, der mit einem Bindemittel gemischt ist. Die ursprünglichen Formen, die in dem Sand gepresst werden, bestehen aus Holz und anderen leicht geformten Materialien.

Die Rohrschlangen werden fest in der korrekten Stellung im Inneren der Sandform befestigt. Von einem Schmelzofen wird Kupfer in eine Gießpfanne gegossen. Wenn das Kupfer in einer nichtinerten Umgebung geschmolzen wird, kann ein Desoxidationsmittel erforderlich sein. Jegliche Oxidschlacke wird abgeschöpft. Um ein vorzeitiges Befestigen des Kupfers während der Handhabung oder des Gießens zu vermeiden, wird eine ausreichende Überhitzung des Kupfers bis über seinen Schmelzpunkt hinaus angewendet. Das verflüssigte Kupfer muss aus der Gießpfanne ausreichend fließfähig sein, um die Form vollständig zu füllen, die Rohrschlangen vollständig zu bedecken und bis zur Oberkante der Speiser aufzusteigen. Etwa alle Gasbläschen werden zur Oberfläche der Speiser aufsteigen.

Sobald das desoxidierte Kupfer aus der Gießpfanne in die Form gegossen wird, lässt man den Guss kühlen, bis er vollständig verfestigt ist. Die Speiser- und Anschnittsysteme werden mechanisch entfernt. Alles überschüssige Material wird abgetragen oder weg geschnitten und Warmkaliber und/oder Taschen ausgeformt oder fertigbearbeitet. Auf der Außenseite werden die Bohrungen gebohrt und abgezogen entweder Positionierung, zum Zusammenbauen oder Anheben des Blockes. Die zusammenpassenden Oberflächen werden zwischen den Blöcken normalerweise bearbeitet. Der Umfang des erforderlichen Bearbeitens hängt von der Endanwendung des Blockes ab.

Je nach den Anforderungen des Endanwenders können unter Umständen etwaige Oberflächenfehler repariert werden. Derartige Fehler werden ausgeschliffen, mit Schweißwerkstoff gefüllt und glatt geschliffen. Die kompletten Blöcke werden unter Anwendung einer oder mehrer Prüfmethoden mit Röntgenstrahl, durch visuelle Inspektion, durch infrarotthermische Inspektion und durch Prüfung unter hydrostatischem oder pneumatischem Druck auf Leckagen untersucht. Das thermische und/oder elektrische Prüfen gelangt zur Anwendung, um festzustellen, ob der Block den Mindestanforderungen an Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit genügt. Ebenfalls werden Dimensionstoleranzen kontrolliert. In einem Programm zur Zerstörungsprüfung können Proben verwendet werden, wobei ein vorbestimmter prozentualer Anteil der Gesamtzahl identischer oder ähnlicher Blöcke, die hergestellt werden sollen, aufgetrennt und inspiziert werden.

Kühlblöcke mit Stahl- und/oder Eisenrohren und innenvergossenen Kupferrohren haben mehrere Vorteile. Die Rohrschlange ist kostengünstig und sehr leicht herzustellen, zu biegen, zu schweißen und mit Fittingen zu verbinden. Rohrschlangen aus Stahl und Eisen schmelzen nicht, wenn schmelzflüssiges Kupfer in die Form gegossen wird. Die resultierenden Blöcke haben exakt definierte Wasserpassagen.

Die Nachteile schließen jedoch Gasblasen ein, Porosität, Luftspalte und eine schlechte Fusion von Rohrguss. Derartige Fehler sind durch Prüfen mit Röntgenstrahl und durch Zerstörungsprüfung nachweisbar. Kupferguss bildet keine gute metallurgische Verbindung mit der Außenseite von Stahl- und Eisenrohren. Eine Zerstörungsprüfung zeigt, dass sich solche Rohre leicht von dem Kupferguss trennen. Proben werden normalerweise bis zu einer Dicke von 0,25 bis 1,00 Inch geschnitten, um die Rohrquerschnitte freizulegen. Ein Schneiden über dem Querschnitt der Scheibe, sodass das Rohr mechanisch nicht eingeklemmt wird, wird normalerweise die schlechte Bindung von Stahl-Kupfer bestätigen. Derartige Rohre fallen oftmals aus, bevor ein Pressluftmeißel angesetzt wird.

Die Wärmeübertragung von Kupfer auf das Rohr ist in Folge fehlender Verschmelzung und häufiger Fehler an der Grenzfläche Rohr/Kupfer vermindert. Daher neigt der Kühlblock dazu, heißer zu werden, als Versionen, bei denen Kupferrohre verwendet werden. Die sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeit von Stahl und Eisen in dem Rohr macht diese Unzulänglichkeit nur noch schlimmer. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl beträgt etwa 33 BTU/h/°F im Vergleich zu 226 BTU/h/°F für Elektrolytkupfer, was eine siebenfache Differenz bedeutet.

Ebenfalls gibt es große Differenzen hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Stahl in den Rohren und dem Kupferguss. Spannungen an der Rohr/Kupfer-Grenzfläche überschreiten leicht die Kupfer-Streckgrenze, sodass das Kupfer in dem Block unter thermischer Wechselbelastung reißen wird. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten betragen etwa 6,9 × 10-6 Inch/Inch/°F bei Stahl und 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F bei UNS C81100-Kupferguss.

Rostfreie Stahlrohre oder Rohre mit Kupfer, das um sie herum gegossen ist, haben mehrere Vorteile. Eine Rohrschlange aus rostfreiem Stahl ist lediglich geringfügig teurer als Rohr aus Stahl oder Kohlenstoffstahl und ist etwa genau so gut herzustellen, zu wiegen, zu schweißen und. zu Fittingen zu verarbeiten. Eine Rohrschlange aus rostfreiem Stahl wird nicht schmelzen, wenn schmelzflüssiges Kupfer in eine Form gegossen wird. Der resultierende Block hat eine wohldefinierte Wasserpassage. Die Nachteile sind weniger ausgeprägt und seltener, jedoch sind Gasbläschen, Porosität, Luftspalte und andere Zeichen eines mangelhaften Schmelzens an der Grenzfläche des Rohres mit dem Kupfer häufig.

Hier bildet der Kupferguss ebenfalls keine gute metallurgische Verbindung mit der Außenseite des rostfreien Stahlrohres aus. Zerstörungsprüfungen bestätigen, dass sich das Rohr aus rostfreiem Stahl ebenfalls von dem Kupferguss leicht entfernen lässt. Die Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl ist sehr viel schlechter als die von Stahl, zum Beispiel lediglich etwa 9,4 BTU/h/°F. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von rostfreiem Stahl beträgt etwa 9,6 × 10-6 Inch/Inch/°F im Vergleich zu 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F bei UNS C81100 Kupferguss.

Monel-400-Rohre oder Röhren haben, wenn sie im Inneren von Kupferkühlblöcken vergossen werden, den Vorteil, dass das Monel-400 nicht schmelzen wird, wenn das schmelzflüssige Kupfer in die Form gegossen wird. Damit wird der resultierende Block eine wohldefinierte Wasserpassage haben. Schmelzflüssiges Kupfer benetzt Monel-400 sehr gut. Damit werden die Rohrschlange und der Kupferguss eine feste innige Grenzfläche ausbilden. Allerdings sind Rohrschlangen aus Monel-400 die teuersten Rohrschlangen, die kommerziell mit Kupferguss verwendet werden. Sie lassen sich sehr viel schwieriger herstellen.

Selbst unter diesen Umständen bildet der Kupferguss normalerweise keine gute metallurgische Verbindung mit der Außenseite des Monel-400-Rohres aus. Ein Pressluftmeißel kann normalerweise die zwei in Zerstörungsprüfungen voneinander trennen. Sobald sie getrennt sind, bedecken Kupferpartikel über dem Monel-400-Rohr weniger als 10% der Gesamtoberfläche. Mindestens 90% der Oberfläche eines typischen Monel-400-Rohrabschnittes sind mechanisch und metallurgisch nicht miteinander verbunden.

Mit Monel-400-Rohr hergestellte Kühlblöcke machen etwa 30% der Kosten des Giessens aus. Standardrückläufe und Fittinge in Monel-400 sind. schwieriger zu erhalten als ihre Gegenstücke aus rostfreiem Stahl, Kohlenstoffstahl oder Eisenrohr. Ein gewisser Verzug der Rohrschlange aus Monel-400 ist beim Gießen typisch, jedoch nicht ausgeprägt. Ein Aussteifen der Rohrschlange aus Monel-400 mit einer Sandmischung ist normalerweise nicht erforderlich. Gasbläschen, Porosität, Luftspalte und andere Anzeichen von mangelndem Verschmelzen sind an der Grenzfläche des Rohres mit dem Kupfer nicht häufig unter der Voraussetzung, dass angemessene Schritte für die Sauberkeit der Oberfläche der Rohrschlange unternommen werden.

Die Wärmeübertragung von dem Kupfer auf das Monel-400-Rohr ist durch das Fehlen einer Metallschmelze an der Grenzfläche Rohr/Kupfer beschränkt. Die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Rohrschlange aus Monel-400 und dem Kupferguss sind noch zu groß. Der Belastungszustand an der Grenzfläche Monel-400/Kupfer wird die Streckgrenze des Kupfers selbst bei mäßigen thermischen Belastungen überschreiten. Unter thermischer Wechselbelastung wird ein zunehmendes Versagen auftreten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für Monel-400 beträgt etwa 7,7 × 10-6 Inch/Inch/°F im Vergleich zu 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F für Kupferguss UNS C81100. Unter nahezu stationären Betriebsbedingungen kann Monel-400-Rohr in Kupferguss-Kühlblöcken einen guten Dienst leisten.

Rohrschlangen aus reinem Kupfer sind weniger kostspielig als aus Monel-400, sind jedoch kostspieliger als Rohr aus Kohlenstoffstahl oder Eisen. Es ist relativ leicht zu verarbeiten, biegen, schweißen usw. Der resultierende Kupferblock hat eine wohldefinierte Wasserpassage, und es kann eine ausgeprägt Verbindung des Kupfergusses mit dem Kupferrohr erfolgen.

Der resultierende Kupfer-Kühlblock neigt dazu, der kühlste von allen zu sein unter der Voraussetzung, dass der Kupferguss mit der Außenseite der Rohrschlange aus reinem Kupfer verbunden worden ist. Die Grenzfläche der Rohrschlange mit dem Kupferguss ist verhältnismäßig gut, und es wird ursprünglich eine solche metallurgische Verbindung in bekannten Ausführungen nicht erreicht.

Bei Verwendung in zu großen Gussstücken wird die Rohrschlange aus Reinkupfer jedoch weich werden oder schmelzen. Bei der Erzeugung mittlerer bis großer Blöcke muss die Rohrschlange während des Gießens der Gussware gekühlt werden. Eine besondere Möglichkeit ist das Durchschmelzen des Rohres und speziell an den jeweiligen Ecken. Ein ungleichmäßiges Kühlen während des Gießens und der dünnen Wandungen an den Außenseiten der Rohrbiegungen tragen zum Durchschmelzen bei. Die Rohrschlange aus Reinkupfer muss über sehr viel dickere Wandungen verfügen als jeder andere Rohrschlangentyp. Normalerweise wird das Äquivalent eines Progammes-120 oder Programmes-160 im Vergleich zum Programm-40 oder weniger für die anderen Rohrschlangentypen angewendet. Eine nachteilige Folge der dickeren Wandungen besteht darin, dass der Mittenabstand der Wasserpassagen sehr viel größer sein muss. Die Wasseroberfläche im Inneren des Blockes wird verringert. Im Vergleich zu Rohrmaterialien aus Monel-400 und Stahllegierung ist die Kapazität der Ableitung der Gleichgewichtswärme verringert. Der während des Gießens erforderliche Kühlaufwand braucht eine erhebliche Gießerei-Erfahrung.

Gasbläschen, Porosität, Luftspalten und andere Zeichen eines mangelnden Metallschmelzens können noch an der Grenzfläche des Rohres mit dem Kupfer auftreten, jedoch in einem sehr viel geringeren Umfang als sowohl bei Stahl- als auch Eisenrohren. Wenn ein zu starkes Gießen der Rohre während des Gießens der Gussstücke zur Anwendung gelangt, kommt es nicht zu einer ausreichenden metallurgischen Verbindung mit der Außenseite des Rohres. Gelangt jedoch eine zu geringe Kühlung zur Anwendung, kann in den Wandungen des Kupferrohres ein Durchschmelzen erfolgen. Ein derartiges Durchschmelzen kann den Kühlwasserdurchsatz behindern, sodass der Kühlblock unbrauchbar wird. Wenn das schmelzflüssige Kupfer das Rohr durchschmelzen lässt und mit dem Kühlmedium während des Gießens der Gussware in Kontakt gelangt, kann es zu einer gefährlichen Explosion kommen.

Rohr aus Reinkupfer in Kupferguss-Kühlblöcken liefert eine gute Arbeit bei mittlerer und zyklischer Wärmebelastung jedoch nur dann, wenn der Block gut verarbeitet ist.

Zur Festlegung der Wasserpassagen im Inneren der Kupfergussware können Sandkerne anstelle des Rohres verwendet werden, so wie beispielsweise Motorblöcke in der Autoindustrie gefertigt werden. Der Sand wird mit einem organischen Bindemittel gemischt und die Methode ist sehr viel kostengünstiger als die Verwendung von inneren vorgeformten Metallrohrschlangen. Die resultierenden Blöcke können über wohldefinierte Wasserpassagen verfügen und der Sand wird nach dem Erstarren der Gussware leicht entfernt. Das Kühlwasser befindet sich in innigem Kontakt mit dem Kupferguss-Kühlblock womit die Wärmeübertragung auf ein Maximum gebracht wird.

Während des Gießens können Anteile des Sandes jedoch verschoben werden und die Wasserumschließung ruinieren. Die Konstruktion der Wasserpassagen ist sehr viel weniger flexibel als mit vorgeformten Rohrschlangen, das die Sandkerne mechanisch gehalten werden müssen. Zur Erzeugung einer solchen Gussware sind umfangreiche Gießerei-Erfahrungen erforderlich. Gasbläschen, Porosität, Luftspalten und Schmelzfehler können in Erscheinung treten. Die Innenseite der Wasserpassagen ist nicht so glatt wie bei Rohren, was zu höheren hydraulischen Gradienten führt. Oftmals werden größere Versorgungspumpen und Rohrleitung benötigt. Die Ausschussrate von Gussblöcken mit Sandkernen ist größer als die mit Rohren mit Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt.

Das Fehlen einer inneren Rohrschlange erhöht das Risiko einer potentiellen Leckage. Stahl-Lüftungs-Halterohre für die Sandkerne müssen unter Verwendung eines Stopfens und/oder Schweißen versiegelt werden. Sofern keine Lüftungen vorhanden sind, wird der sich der Guss mit Gasblasen füllen. Die Halterohre sind erforderlich, da die Sandkerne andernfalls durchhängen würden. Diese Stahlrohre können auch eine Quelle für Porosität oder für durch die Dicke hindurchgehende Fehler sein.

Die Sandkern/Kupferguss-Kühlblöcke haben die Neigung, von allen Typen am kühlsten zu laufen. Dieses gewährt einen guten Dienst bei mäßiger und zyklischer Wärmebelastung unter der Voraussetzung, dass der Block gut verarbeitet ist.

Ein typischer Kühlblock weist Stahl- oder Kupfer-Wasserrohr gefüllt mit Sand auf und ist im Inneren eines Stahlblockes oder Kupferblockes gegossen. Beispielsweise beschreibt die US-P-5 904 893, erteilt am 18. Mai, 1990 an Ulrich Stein, einen Plattenkühler für metallurgische Öfen der Eisen- und Stahlindustrie, Hochöfen, Reaktoren für die direkte Reduktion und Gaserzeugungseinheiten mit Feuerfestauskleidungen. Im Inneren einer Form wird ein Muster dickwandiger Kupferrohre angeordnet und schmelzflüssiges Kupfer in die Form gegossen. Die Verwendung einiger unterschiedlicher Kupferlegierungen wird ebenfalls diskutiert. Eine innige Verbindung des Kupfergussblockes mit dem Kühlrohr ist erforderlich, um den thermischen Wirkungsgrad des Kühlblockes aufrechtzuerhalten. Angeblich soll es zu einem leichten Schmelzen der dickwandigen Rohre während des Gießens des schmelzflüssigen Kupfers um die Rohrleitung herum kommen, wodurch diese mit dem Guss verbunden werden.

In der US-P-3 829 595 vom 13. August, 1974 von Nanjyo et al. wird ein Querschnitt eines Gleichstrom-Bogenofens mit Kühlblöcken in den Wandungen veranschaulicht. Diese Patentschrift und alle anderen hierin genannten, sind damit als Fundstellen einbezogen. Die Kühlblöcke werden speziell aus Kohlenstoffstahl mit Wasserkühlrohren aus Stahl beschrieben. Schamottziegel werden in horizontal in die Warmflächen der Kühlblöcke eingefrästen Rillen festgehalten, um sie mechanisch zu stabilisieren und die Wärmeübertragung zu verbessern.

Von Axel Kubbutat et al. wurde eine Hochofen-Kühlplatte in der US-P-5 676 908, erteilt am 14. Oktober, 1997, beschrieben. Eine solche Kühlplatte wird hinter einer Feuerfestauskleidung verwendet und wird als eine Verbesserung gegenüber Vorrichtungen bekannter Ausführung beschrieben, die aus Gusseisen erzeugt sind. Außerdem werden Kupferguss-Kühlplatten insofern kritisiert, als dass sie über eine geringere Fähigkeit zur Wärmeleitung im Vergleich zu dichterem geschmiedeten oder gewalzten Kupfermaterial haben. Damit wird eine Ofenkühlplatte mit verstärkten Kopfenden gelehrt, die in das Kühlsystem integriert ist.

Von Ulrich Stein wird in der US-P-S 904 893, erteilt am 18. Mai, 1999, ein Plattenkühler beschrieben. Zur Anwendung gelangt Kupferguss mit einem niedriglegierten Kupfer. Genannt werden sowohl Kühlplatten mit gerippter/gerillter als auch mit glatter Oberfläche. Die Tatsache, dass Reinkupferrohre zur Anwendung gelangen, veranlasst Ulrich Stein zu dem Hinweis, dass Rohre mit dickeren Wandungen verwendet werden müssen, als sie kommerziell verfügbar sind. (Siehe hierzu Spalte 3, Zeile 65 bis Spalte 4, Zeile 3). Nach dem Gießen der Gussware schmilzt etwa 1 bis 5 mm der Rohrwandungen.

Bei einem typischen Gießen der Gussware wird die Form überfüllt, sodass Verunreinigungen aufschwimmen. Eine sich bildende poröse Oberschicht lässt sich abfräsen bis zu den benötigten Fertigmaßen. Die Innenseite des Rohrgusses wird vorher und nachher einem Drucktest unterworfen. Ein typischer Kühlblock kann bis herab zu 2 Pound und bis zu mehreren Tonnen wiegen, was von der Ofenanwendung abhängt.

Was benötigt wird, ist ein Kühlblock, der aus leicht erhältlichen und relativ kostengünstigen kommerziell verfügbaren Materialien gefertigt werden kann und dennoch ein starkes Schmelzen zwischen der Verrohrung und dem Gussmaterial erzielt. Der differentielle Wärmeausdehnungskoeffizient muss außerdem so beschaffen sein, dass hohe Wärmelasten und eine konstante thermische Wechselbeanspruchung über die Betriebsfähigkeitsdauer ohne Rissbildung oder andere Versagensarten der Materialien toleriert werden können.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Kühlblockes, der hohe Wärmebelastungen und konstante thermische Wechselbelastungen über seine Betriebsfähigkeitsdauer tolerieren kann.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Kühlblockes, der aus leicht erhältlichen und relativ kostengünstigen kommerziell verfügbaren Materialien gefertigt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Kühlblockes, in welchem die innere Rohrleitung enge glatte Biegungen annehmen kann, ohne auf reversierende Kappen, innere Stopfen, Winkelstücke oder andere Fittinge mit scharfen Kanten zurückgreifen zu müssen, die während des Gießens Fehler hervorrufen können.

Zusammengefasst umfasst die Ofenkühlblock-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein innen vergossenes Wasserrohr vom UNS-Typ C71500, Programm-40, ein Guss von Elektrolytkupfer UNS-Typ C11000-desoxidiert während des Gießprozesses, um ein Kupfer mit hohem Kupfergehalt zu erzeugen, das sich dem UNS-Typ 81200 nähert. Das resultierende Verschmelzen des Rohres mit dem Gussmaterial erfolgt derart, dass die differentiellen Wärmeausdehnungskoeffizienten der zwei beteiligten Kupferlegierungen die Streckgrenze des Kupfergusses während der betriebsbedingten thermischen Wechselbelastung nicht überschreiten. Der Schmelzpunkt der in dem Rohr verwendeten Kupferlegierung ist so groß, dass ein relativ dünnwandiges Rohr mit Sandfüllung während des Schmelzens verwendet werden kann.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Ofenkühlblock bereitgestellt wird, der zwischen der heißen Seite und dem während des Betriebs in der Rohrleitung umlaufenden Kühlwasser einen geringen Wärmewiderstand hat.

Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Ofenkühlblock bereitgestellt wird, der bei Anwendungen mit hoher Wärmebelastung und thermischer Wechselbelastung verwendet werden kann.

Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Ofenkühlblock bereitgestellt wird, der sich kostengünstig herstellen lässt.

Die vorgenannten und noch weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Hinzunahme der folgenden detaillierten Beschreibung spezieller Ausführungsformen davon und speziell dann offensichtlich, wenn dies in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

1A und 1B Seiten- und Draufsichten auf Projektionen einer Ausführungsform eines Ofenkühlsystems der vorliegenden Erfindung;

2 eine Ansicht einer Rohrschleife ähnlich derjenigen, wie sie in dem Ofenkühlsystem der 1A bis 1B verwendet werden;

3 ein Kupfer-Nickel-Phasendiagramm, welches zeigt, dass die Legierung vom UNS-Typ C71500 bei etwa 1.125° C (2.150° F) zu schmelzen beginnt;

4A bis 4D eine Draufsicht, eine Ansicht im Längsschnitt, eine Ansicht von unten und Seitenquerschnitte einer Ausführungsform eines Kühlblockes der vorliegenden Erfindung.

Beste Ausführungsart der Erfindung und gewerbliche Anwendbarkeit

1A bis 1B stellen eine Ausführungsform eines Ofenkühlsystems der vorliegenden Erfindung dar und werden hierin mit der allgemeinen Bezugszahl 100 bezeichnet. Das Ofenkühlsystem 100 umfasst ein Rohr 102, das zu einer Schleife gebogen ist und im Inneren eines Kühlblockes 104 vergossen ist. Ein paar Flansche 106 und 108 ermöglichen den Zusammenbau des Ofenkühlsystems 100 in einem Gießereiofentiegel, ein Paar Rohrfittinge 112 und 114, die die Verbindungen für ein Umlaufsystem zur Wasserkühlung bereitstellen.

Das Rohr 102 weist eine Kupfer-Nickellegierung vom UNS-Typ C71500 auf und wird mit Sand gefüllt, um ein Zusammenfallen während des Gießens des Blockes 104 zu vermeiden. (Von der Copper Development Association wird die Kupfer-Nickellegierung vom UNS-Typ C71500 auch bezeichnet mit der Nummer 715). Der Kühlblock wird bevorzugt mit Elektrolytkupfer vom UNS-Typ C11000 gegossen, das während des Gießprozesses desoxidiert wird. Damit wird schließlich ein Guss mit einer kupferreichen Legierung erzeugt, die dem UNS-Typ 81200 äquivalent ist. In alternativen Ausführungsformen werden Gussstücke mit einer kupferreichen Legierung erzeugt, die dem UNS-Typ 81100 äquivalent ist.

2 veranschaulicht eine Rohrschleife 200 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 bevor sie im Inneren eines Kühlblocks gegossen wird. Vor der Gießoperation wird sie entfettet und gründlich desoxidiert, um ein gutes Schmelzen und Verbinden zu gewährleisten. Reines Kupfer schmilzt bei etwa 1.082° C (1.980° F) und erfordert gewöhnlich beim Schweißen ein Vorwärmen, sodass es vorteilhaft ist, die Rohrschleife 200 unmittelbar vor dem Gießen im Inneren des Blockes vorzuwärmen. Das Vorwärmen unterstützt auch das Verdampfen der Feuchtigkeit des Wassers sowohl aus der Form als auch aus der Rohrschlange. 2 zeigt eine Rohrschleife 200, die aus einem Stück eines glattwandigen Rohrstückes zu der gewünschten Form verarbeitet wurde. Sofern das erforderliche Muster auf diese Weise nicht konstruiert werden kann, werden Rohrfittinge benötigt. Diese Fittinge müssen mit allen abgeschliffenen scharfen Kanten aufgeschweißt werden. Andernfalls sammeln sich in den Stößen Einschlüsse in dem Gussstück oder bewirken eine Erzeugung von Hohlräumen.

In Zerstörungsprüfungen, die an einem Prototyp des Ofenkühlsystems 100 ausgeführt wurden, wurde der Block 104 aufgetrennt, sodass etwa 25% des Umfanges der Rohrschlange 102 freigelegt waren, die zu fünf Achtel Inch lange Stücke aufgetrennt wurden. In einem Versuch, das Rohr von dem Kupfer abzutrennen, wurde ein Luftdruckmeißel verwendet. Das Rohr blieb mit dem Kupferguss verschmolzen. In früheren Versuchen mit Vorrichtungen bekannter Ausführung und unter Verwendung anderer Nickel-Kupfer-Legierungen oder Monel-400 für die Rohrschlange war es oftmals möglich, das Segment der Rohrschlange von dem Kupferguss mit nicht mehr als dem Meißel zu trennen.

Das in der Cominco Research-Einrichtung in Trail, British Columbia, Kanada verwendete Elektronenrastermikroskop wies nach, dass Körner des Kupfergusses metallurgisch mit dem Rohrkupfer verbunden waren. Ein derartiges Verschweißen verhindert, dass Rohr aus der Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 von dem Kupferguss abgetrennt wird. Eine derartige gute metallurgische Verbindung ist normalerweise in Schlangenmaterialien irgendwelcher bekannter Ausführungen nicht beobachtet worden, zum Beispiel Kupferrohr, Monel-400-Rohr, usw.

In der nachfolgenden Tabelle I ist die ungefähre Zusammensetzung des C71500 vom UNS-Typ gegeben.

Tabelle I

Selbst wenn es weniger wahrscheinlich ist, dass Kupferlegierung vom UNS-Typ C71500 durch Handhabung und Lagerung kontaminiert ist, als das bei Monel-400 der Fall ist, wurden vorzugsweise bei der Erzeugung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die gleichen Vorsichtsmaßnahmen und Reinigungsprozeduren getroffen und ausgeführt, wie sie für Monel-400 üblich sind. Beispielsweise darf das Rohr nicht mit bloßen Händen gehandhabt werden und sollte auf Karton abgelegt werden. Monel-400 neigt dazu, sehr leicht Eisen aufzunehmen. Auf dem Rohr während des Gießens zurückgelassene Verschmutzungsstoffe werden zu Gasen umgewandelt, die nach der Erstarrung in dem Kupferguss Porosität hervorrufen können.

3 ist ein Kupfer-Nickel-Phasendiagramm und zeigt, dass die Legierung vom UNS Typ C71500 bei etwa 1.125° C (2.150° F) zu schmelzen beginnt. Der Schmelzpunkt von Monel-400 ist lediglich geringfügig höher als dieser. Damit wird eine gute Grenzflächenverschmelzung erhalten, ohne dass dieses in irgendeiner Weise auf Kosten des Schmelzpunktes geht.

In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überschreiten die üblichen Spannungen eine Grenzfläche des Rohres mit dem Kupferguss nicht die Grenze für Kupferguss, bezogen auf das dreidimensionale finite Element thermomechanischer Spannungsanalysen. Wechselbelastungsprüfungen sind daher entbehrlich. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer-Nickel-Legierung des UNS-Typs C71500 beträgt etwa 9,0 × 10-6 Inch/Inch/°F und 9,8 × 10-6 Inch/Inch/°F für UNS C81100-Kupferguss. Die Differenz beträgt daher lediglich 0,8 × 10-6 Inch/Inch/°F. Die Steckgrenze von Kupferguss beträgt etwa 9,0 ksi und 30 bis 40 ksi für Monel-400.

Rohr nach dem ASTM Programm-40 oder dünner lässt sich daher für Rohrschlangen aus Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 verwenden. Es sind dichtere Abstände der Wasserpassage möglich. Die kommerziellen Kosten sind kleiner als die von Monel-400-Rohr. Der fertig bearbeitete Kupferguss läuft in Folge der höheren Wärmeleitfähigkeit der neuen Legierung im Vergleich zu Monel-400 kühler.

Die geringere Schmelztemperatur der Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 im Vergleich zu Monel-400 bedeutet, dass vorgeformte Rohrschlangen mit einer Mischung eines Sandmix und organischen Bindemittels gefüllt werden müssen, um die Rohre während des Gießprozesses auszusteifen. Ein Kühlen ist entscheidender Maßen jedoch nicht erforderlich. Wenn die Rohrschlangen nicht mit Sand ausgesteift sind, werden sie entweder durchhängen oder Abschnitte werden durchbiegen und sich näher an die heiße Seite des Blockes bewegen. Das Auftreten beider Fälle kann den Kühlblock unbrauchbar machen. Der Sandmix wird entfernt, nachdem das Gussstück erstarrt ist.

Generell treffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Gleichgewicht zwischen den differentiellen Schmelzpunkten und den differentiellen Ausdehnungskoeffizienten des Rohres und der Gießmaterialien. Es werden hohe differentielle Schmelzpunkte benötigt, sodass das Rohr nicht schmilzt oder während des Gießens weich wird, sodass dünnwandige Rohre verwendet werden können, die sich leicht formen lassen. Allerdings werden niedrige differentielle Ausdehnungskoeffizienten des Rohres und der Gießmaterialien benötigt, sodass die Steckgrenzen der Materialien während der der verfahrensbedingten Temperaturwechselbelastungen nicht überschritten werden. Normalerweise sind Kupferlegierungen für das Rohr und die Gießmaterialien bevorzugt, was auf ihre überlegene Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Materialkosten zurückzuführen ist. Daher müssen die entsprechenden Kupferlegierungen, die in dem Rohr und dem Guss verwendet werden, ausreichend unterschiedlich sein, um eine maximale Differenz des Schmelzpunktes zu ergeben, und müssen in ausreichendem Maße gleich sein, um eine minimale Differenz der Ausdehnungskoeffizienten zu ergeben. Angesichts dieser generellen Einschränkungen bestand eine empirische Lösung darin, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Kupfer-Nickel-Legierung vom UNS-Typ C71500 auszuführen und den Guss mit UNS C81100-Kupferguss. Die Wärmeleitfähigkeit des Kupfers herrscht vor und die Streckgrenze an der zusammengeschmolzenen Grenzfläche wird durch die verfahrenstechnisch bedingte Temperaturwechselbeanspruchung nicht überfordert.

Die Streckgrenzen des Rohrs und des Gusses nehmen beide mit Zunahme des Kupfergehaltes der entsprechenden Legierungen ab. Beispielsweise ist die maximale Kupfergussspannung an der Rohr-Grenzfläche zumeist direkt proportional von 8.000 psi bei 30% W-Kupfer bis 2.000 psi bei 100% W-Kupfer. Die maximale Rohrspannung ist zumeist direkt proportional von 14.000 psi bei 30% W-Kupfer bis 2.000 psi bei 100% W-Kupfer.

Tabelle II

Bei einem aufgebrachten Wärmestrom vom 50.000 BTU/ft2/h sind:

A
= Rohrtemperatur in °F, außen;
B
= Rohrtemperatur in °F, innen;
C
= Kupfertemperatur in °F, Spitze;
D
= Kupferspannung (PSI), am Rohr;
E
= Rohrspannung (PSI);
F
= Oberflächentyp

4A bis 4D veranschaulichen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen Kühlblock, der hierin mit der allgemeinen Bezugszahl 400 bezeichnet ist. In den Kühlblock 400 einbezogen ist eine warme Seite 402 gegenüber einer Installationsseite 404. Ein Paar von Rohren 406 und 407 aus Kupfer-Nickel-Legierung UNS C71500 sind mit entsprechenden Rohrkupplungen 408 bis 411 ausgestattet. Die Rohre 406 und 407 sind im Inneren eines massiven Kupferblockes 412 vergossen. Die Fertigung des Kühlblockes 400 erfolgt ähnlich wie die des Ofenkühlsystems 100 von 1.

Obgleich spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben und veranschaulicht worden sind, ist dieses nicht als eine Einschränkung der Erfindung auszulegen. Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet sind Modifikationen und Änderungen zweifelsfrei offensichtlich und die Erfindung gilt lediglich als beschränkt durch den Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche.


Anspruch[de]
Ofenkühlsystem, umfassend:

eine Rohrschlange mit einer Kuper-Nickellegierung vom UNS-Typ C71500 mit mindestens 60 Gew.% Kupfer, um eine Kühlwasserpassage bereitzustellen und

einen Ofenkühlblock, der eine Kupferlegierung, die mindestens 50 Gew.% Kupfer aufweist,

wobei ein Kreislauf der Rohrschlange nicht gekühlt wird, wenn sie im Inneren des Ofenkühlblockes gegossen wird.
Ofenkühlsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend:

ein Füllmaterial aus sandähnlichem Material, mit dem die Rohrschlange wahrend des Gießens des Ofenkühlblockes gefüllt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Ofenkühlsystem, welches Verfahren umfasst:

Auswählen einer Rohrschlange, die eine Kupferlegierung vom UNS-Typ C71500 aufweist und

Gießen eines Ofenkühlblockes aus einem UNS C11000 gleichwertigen Kupfers hoher Reinheit im Inneren einer Form um die Rohrschlange, ohne die Rohrschlange zu kühlen, so dass die Rohrschlange eine Kühlwasserpassage in dem Block bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, welches Verfahren ferner umfasst:

Ausfüllen der Rohrschlange mit einem Füllmaterial aus sandähnlichem Material vor dem Gießen des Ofenkühlblockes.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com