DE10323944A1

DE10323944A1 - Prozessbehälter mit Kühlelementen

Info

Publication number: DE10323944A1
Application number: DE10323944A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Püllenberg; Andreas Dipl.-Ing. Loebner
Original assignee: Maerz Ofenbau AG
Current assignee: Maerz Ofenbau AG
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16
Also published as: CA2525294A1; PE20050023A1; AU2004243563A1; ATE389158T1; CA2525294C; EP1627195A1; US20060285572A1; US7544321B2; ZA200509452B; AU2004243563B2; CL43473B; EP1627195B1; DE502004006503D1; WO2004106831A1

Abstract

Für die Kühlung eines Prozessbehälters (1) sind an der Außenseite einer metallischen Behälterwand (2) mehrere Kühlelemente (5, 5', 5'') mittels an der Behälterwand (2) an mehreren Stellen angeschweißter Gewindebolzen (21) befestigt. Der Spanndruck von auf die Gewindebolzen (21) aufgeschraubten Muttern (25) ist ausreichend, um eine verhältnismäßig dünne Basisplatte (6) der Kühlelemente (5, 5', 5'') einschließlich ihres aufgeschweißten Kühlkanals (7) zu verformen, so dass die Kühlelemente (5, 5', 5'') sich an die Außenseite der Behälterwand (2) anschmiegen. Für eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung von der Behälterwand (2) auf die Kühlelemente (5, 5', 5'') ist zwischen deren Basisplatte (6) und der Behälterwand (2) eine Wärmeleitplaste vorgesehen, die isolierende Luftspalte verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prozessbehälter mit Kühlelementen und mit mindestens einer auf der Innenseite eines metallischen Behältermantels aufgebrachten feuerfesten Auskleidungsschicht, wobei jedes Kühlelement aus einer Basisplatte und mindestens einem, mit dieser wärmeleitend verbundenen Kühlkanal besteht, dessen Enden jeweils eine Verbindungsanordnung für den Anschluss an den Kühlkanal eines benachbarten Kühlelementes aufweisen.
Die feuerfesten Auskleidungen metallurgischer Behälter müssen beständig sein gegenüber der Einwirkung flüssiger Schmelzen und Schlacken und außerdem isolierend wirken, so dass der Behältermantel kühl genug und somit ausreichend tragfähig bleibt. Der oft erhebliche Verschleiß der Auskleidungen kann durch ihre Kühlung verringert werden.
Für elektrische Schmelzöfen sind Kühlelemente bekannt, die einen wesentlichen statischen Bestandteil der Behälterwandkonstruktion bilden, indem sie verhältnismäßig große, steife Plattenelemente darstellen und in festem Verbund mit der unmittelbar auf ihrer Innenseite aufgebrachten feuerfesten Auskleidungsschicht stehen. Beispiele solcher Kühlelemente sind in den US 3,314,668 , US 4,221,922 , WO02/27042 oder WO 02/081757 zu finden. Die Abmessungen eines solchen Kühlelementes betragen entsprechend den Angaben der genannten US 4,221,922 beispielsweise 1,71 m × 6,10 m und die Dicke ihrer Basisplatte 16 mm.
Die häufig angewandte Kühlung der Behälterwand durch eine äußere Wasserberieselung hat den Nachteil von Wasserverlusten und Ablagerung von Kalk und Verunreinigungen. Es ist auch bekannt, auf den Behältermantel Kühlrohre aufzuschweißen. Dadurch können jedoch im Behältermantel Risse entstehen, durch die Kühlwasser in die Auskleidungsschicht eindringt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prozessbehälter der eingangs genannten Art zu finden, der mit verhältnismäßig geringem Aufwand und damit kostengünstig auch durch Nachrüsten eines vorhandenen Prozessbehälters herstellbar ist und der durch eine Verringerung des Verschleißes seiner feuerfesten Auskleidung einen längeren Betrieb bis zur nächsten Reparatur der Auskleidung ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass die Kühlelemente durch Schraubverbindungen mit jeweils einem an den Behältermantel außen angeschweißten Gewindebolzen außen am Behältermantel befestigt sind, so dass sie sich unter dem Spanndruck der Schraubverbindungen durch Biegeverformung an diesen anschmiegen. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen zu entnehmen. Diese zeigen in
1 einen Radialschnitt durch einen Bereich eines mit Kühlelementen nach 1 ausgerüsteten Behältermantels und in
2 eine vollständige Aufsicht auf ein Kühlelement und eine Teildarstellungen von zwei angrenzend angeschlossenen, gleichartigen, unvollständig dargestellten Kühlelementen.
Der stehend oder liegend angeordnete, beispielsweise zylindrische Prozessbehälter 1 hat einen aus Stahl geformten Behältermantel 2, der gegenüber einem hocherhitzten Behälterinhalt, z.B. einer Metallschmelze durch feuerfeste Auskleidungsschichten 3, 4 geschützt ist. Um die Widerstandsfähigkeit der Auskleidungsschichten 3, 4 und den Schutz des Behältermantels 2 gegen Überhitzung zu erhöhen, sind an der Außenseite des Behältermantels 2 zahlreiche gleichartig ausgeführte Kühlelemente 5, 5', 5'' befestigt.
Jedes Kühlelement 5, 5', 5'', von denen auf einem Prozessbehälter 1 mit einem Durchmesser von beispielsweise 3 m und einer Länge von beispielsweise 25 m sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung z.B. jeweils zwanzig nebeneinander angeordnet sind, besteht im Wesentlichen aus einer verhältnismäßig dünnen und dadurch biegsamen Basisplatte 6, mit einer Dicke von weniger als 5 mm und vorzugsweise 3 oder 4 mm und mindestens einem, mit dieser wärmeleitend verbundenen Kühlkanal 7.
Der Kühlkanal 7 erstreckt sich mit mehreren, beispielsweise drei Gängen 8, 9, 10 und verbindenden 180°-Krümmungen schlangenförmig oder serpentinenartig gekrümmt entlang der dem Behältermantel 2 abgekehrten Außenseite der Basisplatte 6 über einen möglichst großen Teil ihrer Oberfläche, um mit dieser auf großer Oberfläche in wärmeleitendem Kontakt zu stehen. Er hat beispielsweise die schalenförmige Querschnittsform eines hälftig aufgeschnittenen Rohres, das entlang seiner Querschnittsenden mit der Basisplatte 6 verschweißt ist, so dass die Basisplatte 6 einen Teil des Kanalquerschnittes bildet. Es können jedoch auch andere Quer schnittsformen gewählt werden, wofür Beispiele durch die genannte US 4,221,922 bekannt sind.
Für den Anschluss an den Kühlkanal 7 eines benachbarten Kühlelementes 5, 5',5 haben die beiden Enden 11, 12 des Kühlkanals 7 jeweils eine Verbindungsanordnung, die aus einem von dem Kühlelement 5, 5', 5'' bzw. vom Prozessbehälter 1 weg nach außen gerichteten, gekrümmten Anschlussstutzen 13, 14 mit einem Endflansch 15, 16 und aus einem die Anschlussstutzen 13, 14 benachbarter Kühlelemente 5, 5',5" verbindenden, Endflansche 17, 18 aufweisenden Kompensationsrohr 19 besteht. Dieses hat einen Wellrohrbereich 20, so dass es Ungenauigkeiten der Zuordnung zwischen benachbarten Kühlelementen 5, 5', 5'' und Wärmedehnungen im Behältermantel 2 kompensieren kann.
Eine lösbare Befestigung der Kühlelemente 5,5',5'' erfolgt mittels zahlreicher, an der Außenseite des Behältermantels 2 aufgeschweißter Gewindebolzen 21, die sich durch mehrere in der Basisplatte 6 an entsprechenden Positionen vorgesehene Bolzenlöcher 22 erstrecken und außerdem entlang der Ränder 27, 28 der Basisplatte 6 in einem Spaltraum zwischen benachbarten Kühlelementen 5, 5', 5'' vorgesehen sind. Ein jeweils auf sie aufgestecktes Druckstück 23, das erheblich breiter ist als die Bolzenlöcher 22 sowie eine Tellerfeder 24 werden durch eine Schraubenmutter 25 verspannt, so dass jede Basisplatte 6 mit elastischer Vorspannung an zahlreichen Stellen entsprechend der Größe des Druckstückes 23 gegen den Behältermantel 2 angedrückt wird und durch Biegeverformung sich an die Oberflächenform des Behältermantels 2 anschmiegt. Diese Verformbarkeit der Basisplatte 6 gewährleistet eine gute Anpassung an Unregelmäßigkeiten der Oberfläche des Behältermantels 2, die herstellungsbedingt sind und sich außerdem durch die Erwärmung des Prozessbehälters und seine Chargierung ergeben, so dass ein umfangreicher wärmeübertragender Kontakt der Kühlelemente 5, 5', 5'' mit dem Behältermantel 2 gewährleistet ist.
Für eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung vom Behältermantel 2 auf die Basisplatte 6 der Kühlelemente 5, 5', 5'' und damit an die in den Kühlkanälen 7 zirkulierende Kühlflüssigkeit ist in bevorzugter Ausführungsform der Erfindung zwischen der Behälterwand 2 und der Basisplatte 6 der Kühlelemente 5, 5', 5'' eine Wärmeleitpaste vorgesehen, durch die Luftspalte verhindert bzw. ausgefüllt werden, die trotz der relativ guten Anschmiegbarkeit der Kühlelemente 5, 5', 5'' an die Behälterwand 2 unvermeidlich wären. Die plastische Verformbarkeit der Wärmeleitpaste gewährleistet eine Anpassung an Form- bzw. Größenverän derungen der ausgefüllten Spalte in Folge der genannten, sich beim Betrieb des Prozessbehälters ergebenden relativen Verformungen zwischen der Basisplatte 6 und der Behälterwand 2. Hierzu trägt auch die elastische Vorspannung der Schraubbefestigung bei, die durch die genannten Tellerfedern 24 erzielt wird.
Zum Nachfüllen oder auch zum Einbringen einer durch verschiedene Hersteller auf dem Markt erhältlichen Wärmeleitpaste zwischen den Behältermantel 2 und die jeweilige Basisplatte 6 sind in der Basisplatte 6 an mehreren Stellen Gewindelöcher 25 vorgesehen, in denen der Nippel einer Pastenpresse angeschlossen werden kann.
Das Einbringen der Wärmeleitpaste hinter die Basisplatte 6 der Kühlelemente 3, 3', 3'' erfolgt beispielsweise so lange, bis sie an Rändern der Basisplatte 6 austritt. Ein Hervorquellen von Wärmeleitpaste an Rändern der Basisplatte 6 kann jedoch auch verhindert oder auf ausgesuchte Stellen begrenzt werden, indem die Basisplatte 6 entlang ihrer Ränder abgedichtet wird. Hierzu eignet sich z.B. eine aushärtende Wärmeleitpaste 30, 31, die außen entlang der Ränder der Basisplatte 6 aufgebracht wird und dabei auch den Spaltraum 31 zwischen benachbarten Kühlelementen 5, 5', 5'' ausfüllen kann. Die Abdichtung entlang der Ränder der Basisplatte 6 gestattet auch die Verwendung einer weniger zähen und hinsichtlich ihrer Wärmeleiteigenschaft optimierten Wärmeleitpaste zwischen dem Behältermantel 2 und der Basisplatte 6 der Kühlelemente 5, 5', 5''.

Claims

Prozessbehälter mit Kühlelementen und mit mindestens einer auf der Innenseite eines metallischen Behältermantels (2) aufgebrachten feuerfesten Auskleidungsschicht (3, 4), wobei jedes Kühlelement (5, 5', 5'') aus einer Basisplatte (6) und mindestens einem, mit dieser wärmeleitend verbundenen Kühlkanal (7) besteht, dessen Enden (11, 12) jeweils eine Verbindungsanordnung (13-20-9 für den Anschluss an den Kühlkanal (7) eines benachbarten Kühlelementes (5, 5', 5'') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (5, 5', 5'') durch Schraubverbindungen mit jeweils einem an den Behältermantel (2) außen angeschweißten Gewindebolzen (21) außen am Behältermantel (2) befestigt sind, so dass sie sich unter dem Spanndruck der Schraubverbindungen durch Biegeverformung an diesen anschmiegen.
Prozessbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindebolzen (21) sowohl über das jeweilige Kühlelement (5, 5', 5'') verteilt, sich durch in der Basisplatte (6) vorgesehene Bolzenlöcher (22) erstrecken, als auch entlang von Rändern (27, 28) der Basisplatte (6) der Kühlelemente (5, 5', 5'') vorgesehen sind.
Prozessbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindungen durch auf den Gewindebolzen (21) aufgesteckte Tellerfedern (24) federelastisch sind.
Prozessbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basisplatte (6) der Kühlelemente (5, 5', 5'') und dem Behältermantel (2) eine Wärmeleitpaste vorgesehen ist.
Prozessbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über die Basisplatte (6) jedes Kühlelementes (5, 5', 5'') verteilt mehrere Fülllöcher (25) für die Wärmeleitpaste vorgesehen sind.
Prozessbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlelement (5, 5', 5'') einen sich in mindestens zwei Gängen (8, 9, 10) schlangenförmig über die Basisplatte (6) erstreckenden Kühlkanal (7) aufweist, der aus einem im Querschnitt einseitig offenen Hohlprofil gebildet ist, das entlang seiner Kanten mit der Basisplatte (6) verschweißt ist.
Prozessbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden (11, 12) des Kühlkanals (7) ein nach außen gerichteter Anschlussstutzen (13, 14) vorgesehen ist, wobei die Anschlussstutzen (13, 14) benachbarter Kühlelemente (5, 5', 5'') durch ein einen Wellrohrbereich (20) aufweisendes Kompensationsrohr (19) miteinander verbunden sind.
Prozessbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Richtung der Oberfläche des Behältermantels (2) zahlreiche Kühlelemente (5, 5', 5'') nebeneinander angeordnet sind und ihre Basisplatte (6) weniger als 5 mm dick ist.
Prozessbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (6) entlang ihres Umfanges ein Randabdichtungen (30, 31) aufweist und zwischen der Basisplatte (6) und dem Behältermantel (2) eine Wärmeleitpaste vorgesehen ist.
Prozessbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Randabdichtungen (30, 31) aus einer aushärtenden Wärmeleitpaste bestehen.