EP0525136B1 - Device for cooling parts of the vessel of a furnace, especially a metallurgical furnace - Google Patents
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- F27D9/00—Cooling of furnaces or of charges therein
Definitions
- a device of this type with a steel plate as a heat exchange plate has become known, for example, from EP 0 044 512 A1 or EP 0 197 137 B1.
- only enough cooling liquid is sprayed against the heat exchange plate by an individual or group control of the spraying times of the nozzles that the sprayed cooling liquid essentially evaporates and thus the enthalpy of vaporization is used for cooling.
- so much cooling liquid is sprayed against the heat exchange plate that it remains essentially in its liquid form. In this case, the coolant consumption is significantly higher than in the former case.
- the most unfavorable temperature value when using the steel plate was 99 ° C and when using the steel plate clad with the copper layer 83 ° C (6 mm thick copper layer) or 82 ° C (2 mm thick copper layer). It was then gradually reduced the amount of spray water in the heat exchange plate with the 2 mm thick copper layer until a temperature of 99 ° C was reached at this hottest measuring point.
- the amount of cooling water was 70 l / m2 ⁇ min, ie the measure according to the invention made it possible to save 30% of the amount of cooling water.
- the composite sheet is preferably produced by plating, such as roll, explosive and weld plating. Because of the small layer thickness, it is also possible to spray, paint or apply the metal layer with greater thermal conductivity. It is also within the scope of the invention to provide only partial areas of the heat exchange plate with the layer of improved thermal conductivity or to form this layer with locally different thicknesses.
- the heat exchange plate 2 is designed as a composite sheet, with a steel plate 8 on the side facing the furnace interior and a copper layer 9, i.e. a layer of a metal that has a significantly greater thermal conductivity than steel on the side facing the spray nozzles.
- 4 are slag holders for holding heat-insulating slag splashes
- 5 is the refractory lining with 7 the outer cover plate of the cooling boxes.
- one or more drains with a downpipe are used, which are attached to the lowest level of the cooling system in easily accessible places.
- the drain is on the tilt side or on the tilt sides.
- the forced circulation also serves as a flow for the spray cooling system 3.
- the cooling water inlet 11 and 12 the cooling water outlet connected to a downpipe are designated by 11.
- Above the cooling water drain 12 is a safety drain 13 provided, which is also connected to a down pipe.
- the heat exchange plates 2 of the cooled cover and wall elements are designed as composite sheets.
- the heat exchange plate of the inner cover ring 14, which receives the insert 15 made of refractory material with feedthroughs for electrodes 16, consists of a composite sheet with a copper layer on the side facing the spray nozzles. If necessary, the inner cover ring 14 can also be sprayed with water.
- the reference numeral 17 designates a compressed air line which has two nozzles through which compressed air can be blown into the cooling water outlet 12 or into the safety outlet 13 in order to achieve cooling water discharge in all cases, in particular also with a tiltable vessel.
- the inner lid surface is set higher than the upper rim 18 of the vessel, namely by the height of the forced-circulation-cooled lid ring 10. This increases the distance between the inner lid surface and the arc at the start of scrap melting and also the leveling process for charging for the operating team the vessel relieved.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Gefäßteilen eines Ofens, insbesondere eines metallurgischen Ofens, mit einem in einem zu kühlenden Wand- oder Deckelbereich eingesetzten oder einen Wand- bzw. Deckelbereich bildenden Kühlkasten, der dem Ofeninneren zugewandt eine Wärmeaustauschplatte und dieser gegenüberliegend, räumlich verteilt, eine Vielzahl von Spritzdüsen zum Aufspritzen einer Kühlflüssigkeit auf die Wärmeaustauschplatte, ferner einen Ablauf für die Kühlflüssigkeit enthält.The invention relates to a device for cooling vessel parts of a furnace, in particular a metallurgical furnace, with a cooling box inserted in a wall or cover area to be cooled or forming a wall or cover area, which spatially distributes a heat exchange plate facing the inside of the furnace and opposite it , a plurality of spray nozzles for spraying a coolant on the heat exchange plate, further includes a drain for the coolant.
Eine Vorrichtung dieser Art mit einer Stahlplatte als Wärmetauschplatte ist beispielsweise durch die EP 0 044 512 A1 oder die EP 0 197 137 B1 bekannt geworden. Bei der durch die erstgenannte Druckschrift beschriebenen Vorrichtung wird durch eine individuelle oder gruppenweise Steuerung der Spritzzeiten der Düsen nur so viel Kühlflüssigkeit gegen die Wärmeaustauschplatte gespritzt, daß die aufgespritzte Kühlflüssigkeit im wesentlichen verdampft und damit die Verdampfungsenthalpie zur Kühlung ausgenutzt wird. Bei der anderen Vorrichtung wird gegen die Wärmeaustauschplatte soviel Kühlflüssigkeit gespritzt, daß diese im wesentlichen noch in ihrer flüssigen Form verbleibt. In diesem Fall ist der Kühlmittelverbrauch wesentlich höher als im erstgenannten Fall.A device of this type with a steel plate as a heat exchange plate has become known, for example, from EP 0 044 512 A1 or EP 0 197 137 B1. In the device described by the first-mentioned document, only enough cooling liquid is sprayed against the heat exchange plate by an individual or group control of the spraying times of the nozzles that the sprayed cooling liquid essentially evaporates and thus the enthalpy of vaporization is used for cooling. In the other device, so much cooling liquid is sprayed against the heat exchange plate that it remains essentially in its liquid form. In this case, the coolant consumption is significantly higher than in the former case.
Neben der Spritzkühlung ist es beispielsweise durch die DE 26 59 827 B1, die DE 28 17 869 B2 und die DE 38 20 448 A1 bekannt, bei gekühlten Wand- oder Deckelelementen für metallurgische Öfen die Wärme über eine zwangsgeführte Kühlwasserströmung von der Wärmeaustauschfläche der Kühlelemente abzuführen. Derartige Kühlwassersysteme benötigen, insbesondere bei Öfen, bei denen die Wärmeaustauschplatte starken örtlichen und zeitlichen Schwankungen der thermischen Beanspruchung ausgesetzt ist, eine wesentlich höhere Kühlflüssigkeitsmenge als spritzgekühlte Systeme um ein Filmsieden zu verhindern, d.h. ein Auftreten von isolierenden dünnen Dampfschichten an thermisch stark beanspruchten Stellen der Wärmeaustauschfläche. Dieser Effekt hätte eine Beschädigung des Kühlelements in diesem Bereich zur Folge.In addition to spray cooling, it is, for example, by DE 26 59 827 B1, DE 28 17 869 B2 and DE 38 20 448 A1 known to dissipate the heat from the heat exchange surface of the cooling elements via a positively guided cooling water flow in the case of cooled wall or cover elements for metallurgical furnaces. Such cooling water systems, especially in furnaces in which the heat exchange plate is exposed to strong local and temporal fluctuations in thermal stress, require a much higher amount of coolant than spray-cooled systems in order to prevent film boiling, i.e. the occurrence of insulating thin vapor layers at thermally highly stressed points on the heat exchange surface . This effect would damage the cooling element in this area.
In der DE 38 20 448 A1 ist u.a. ein gekühltes Wandelement für metallurgische Öfen, insbesondere Elektro-Lichtbogenöfen beschrieben, das eine einseitig mit einer Plattierung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehene Stahlplatte enthält, die auf der der Plattierung abgewandten Fläche mit Kühlmittelkanäle bildenen Metallprofilen besetzt ist. Die Kupferschicht auf der der Innenseite zugewandten Seite des Wandelements soll aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer die aufgenommene Wärme sehr schnell weiterleiten, die Wärme gleichmäßig verteilen und für eine schnelle Wärmeabfuhr sorgen, damit auch bei örtlichen Überhitzungen Materialschädigungen verhindert werden. Darüberhinaus bleibt die vorzugsweise in einer Dicke von 6 bis 10 mm aufgetragene Kupferschicht duktil und verhindert eine Rißbildung in der Wand des Kühlelements.In DE 38 20 448 A1, inter alia, describes a cooled wall element for metallurgical furnaces, in particular electric arc furnaces, which contains a steel plate provided on one side with a plating made of copper or a copper alloy, which is covered with metal profiles forming coolant channels on the surface facing away from the plating. Due to the high thermal conductivity of copper, the copper layer on the inside of the wall element should transmit the absorbed heat very quickly, distribute the heat evenly and ensure rapid heat dissipation, so that material damage is prevented even in the event of local overheating. In addition, the copper layer, which is preferably applied in a thickness of 6 to 10 mm, remains ductile and prevents crack formation in the wall of the cooling element.
Bei den eingangs genannten Spritzkühlsystemen, die sich gegenüber Kühlsystemen mit zwangsgeführter Kühlflüssigkeit durch einen stark verringerten Kühlmittelverbrauch auszeichnen, besteht das Problem, daß die Wärmeabfuhr von der Wärmeaustauschplatte nicht gleichmäßig erfolgt. Aufgrund der räumlich verteilten Anordnung einzelner Spritzdüsen und darüberhinaus der manchmal bestehenden Notwendigkeit aus Platzgründen einzelne Düsen schräg anordnen zu müssen, so daß diese die Kühlflüssigkeit nur unter einem schrägen Winkel gegen die Wärmeaustauschplatte spritzen, ist die Kühlmittelbeaufschlagung der Wärmeaustauschplatte ungleichmäßig. Die Wärmeaustauschplatte wird an den Aufspritzstellen der Kühlflüssigkeit wesentlich stärker als in den Bereichen dazwischen gekühlt. Um zu verhindern, daß an den weniger stark gekühlten Stellen die zulässige Temperatur überschritten wird, muß mit einer größeren Gesamtkühlmittelmenge gearbeitet werden. Hierbei muß auch die örtlich und zeitlich unterschiedlich große thermische Belastung, wie sie z.B. beim Einschmelzen von Schrott in einem Lichtbogenofen auftritt, berücksichtigt werden.In the spray cooling systems mentioned at the outset, which are distinguished by a greatly reduced coolant consumption compared to cooling systems with positively guided cooling liquid, there is the problem that the heat removal from the heat exchange plate does not take place uniformly. Due to the spatially distributed arrangement of individual spray nozzles and moreover, due to the sometimes necessary need to arrange individual nozzles at an angle for reasons of space so that they only spray the coolant against the heat exchange plate at an oblique angle, the application of coolant to the heat exchange plate is uneven. The heat exchange plate is cooled considerably more at the injection points of the cooling liquid than in the areas in between. In order to prevent the permissible temperature from being exceeded at the less strongly cooled points, a larger total amount of coolant must be used. The thermal load, which differs in terms of location and time, as occurs, for example, when melting scrap in an electric arc furnace, must also be taken into account.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung der einleitend genannten Art die Kühlwirkung zu verbessern und durch eine Verringerung der Temperaturunterschiede zwischen den Aufspritzstellen der Kühlflüssigkeit und den dazwischen liegenden Bereichen die insgesamt erforderliche Kühlmittelmenge zu reduzieren. Außerdem soll die Gefahr örtlicher Überhitzungen bei einem Ausfall einzelner Düsen verringert und bei einer etwaigen Rißbildung in der Stahlplatte der Austritt von Kühlmittel verhindert werden.The object of the invention is to improve the cooling effect in a device of the type mentioned in the introduction and to reduce the total amount of coolant required by reducing the temperature differences between the injection points of the cooling liquid and the areas lying between them. In addition, the risk of local overheating in the event of a failure of individual nozzles is to be prevented and the escape of coolant in the event of any cracking in the steel plate.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.According to the invention the object is achieved by the features of
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Wärmeaustauschplatte auf der Seite der Spritzdüsen eine Schicht aus einem Metall auf, das eine wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit als Stahl besitzt, vorzugsweise eine Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die trotz der durch das Kühlsystem bedingten ungleichmäßigen Kühlmittelbeaufschlagung ein verhältnismäßig gleichmäßiges Temperaturprofil über die Wärmeaustauschfläche ermöglicht. Der Effekt wird überraschenderweise bereits bei einer Dicke der Kupferschicht von 1 bis 2 mm erreicht. Aufgrund der Verringerung der örtlichen Temperaturunterschiede auf der Wärmeabfuhrseite der Wärmeaustauschplatte ist eine wesentliche Verringerung der Kühlmittelmenge möglich.In the device according to the invention, the heat exchange plate on the side of the spray nozzles has a layer made of a metal which has a significantly greater thermal conductivity than steel, preferably a layer made of copper or a copper alloy which, despite the uneven coolant loading caused by the cooling system enables a relatively uniform temperature profile over the heat exchange surface. The effect is surprisingly achieved with a thickness of the copper layer of 1 to 2 mm. Due to the reduction in local temperature differences on the heat dissipation side of the heat exchange plate, a significant reduction in the amount of coolant is possible.
Es wurden die folgenden Vergleichsversuche durchgeführt:
Bei Kühlkästen des gleichen konstruktiven Aufbaus und der gleichen thermischen Belastung wurde als Wärmeaustauschplatte einmal eine Stahlplatte einer Dicke von 20 mm eingesetzt, einmal eine Stahlplatte einer Dicke von 20 mm die mit einer 6 mm starken Kupferschicht auf der Seite der Spritzdüsen plattiert war und einmal eine Stahlplatte von 20 mm die mit einer 2 mm starken Kupferschicht plattiert war. In die Stahlplatte waren in der Mitte der Dicke der Stahlplatte an verschiedenen Meßstellen oberhalb und unterhalb des direkten Einflußbereiches der Spritzkühlung Thermoelmente eingesetzt, mit denen die Temperatur ermittelt wurde. Es wurde eine für Spritzkühlung übliche Kühlwassermenge von 100 l/m²·min eingestellt und die Temperatur an den Meßstellen ermittelt. Der ungünstigste Temperaturwert betrug bei Einsatz der Stahlplatte 99°C und bei Einsatz der mit der Kupferschicht plattierten Stahlplatte 83°C (6 mm starke Kupferschicht) bzw. 82°C (2 mm starke Kupferschicht). Es wurde dann bei der Wärmeaustauschplatte mit der 2 mm starken Kupferschicht die Spritzwassermenge stufenweise verringert, bis sich auch bei dieser Wärmeaustauschplatte an der heißesten Meßstelle eine Temperatur von 99°C einstellte. Die Kühlwassermenge betrug 70 l/m²·min, d.h. durch die erfindungsgemäße Maßnahme war es möglich, 30% der Kühlwassermenge einzusparen.The following comparative tests were carried out:
In cooling boxes of the same construction and the same thermal load, a steel plate with a thickness of 20 mm was used as the heat exchange plate, once a steel plate with a thickness of 20 mm, which was clad with a 6 mm thick copper layer on the side of the spray nozzles, and once a steel plate of 20 mm which was clad with a 2 mm thick copper layer. In the steel plate in the middle of the thickness of the steel plate, at various measuring points above and below the direct area of influence of the spray cooling, thermocouples were used to determine the temperature. A cooling water quantity of 100 l / m 2 · min customary for spray cooling was set and the temperature at the measuring points was determined. The most unfavorable temperature value when using the steel plate was 99 ° C and when using the steel plate clad with the copper layer 83 ° C (6 mm thick copper layer) or 82 ° C (2 mm thick copper layer). It was then gradually reduced the amount of spray water in the heat exchange plate with the 2 mm thick copper layer until a temperature of 99 ° C was reached at this hottest measuring point. The amount of cooling water was 70 l / m² · min, ie the measure according to the invention made it possible to save 30% of the amount of cooling water.
Das Verbundblech wird vorzugsweise durch Plattieren, wie Walz-, Spreng- und Schweißplattieren erzeugt. Es ist wegen der geringen Schichtdicke auch möglich, die Metallschicht größerer Wärmeleitfähigkeit aufzuspritzen, aufzustreichen oder auf andere Weise aufzubringen. Es liegt im Rahmen der Erfindung auch nur Teilbereiche der Wärmeaustauschplatte mit der Schicht verbesserter Wärmeleitfähigkeit zu versehen oder diese Schicht mit örtlich verschiedenen Dicken auszubilden.The composite sheet is preferably produced by plating, such as roll, explosive and weld plating. Because of the small layer thickness, it is also possible to spray, paint or apply the metal layer with greater thermal conductivity. It is also within the scope of the invention to provide only partial areas of the heat exchange plate with the layer of improved thermal conductivity or to form this layer with locally different thicknesses.
Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- Fig. 1
- den senkrechten Schnitt eines Teils eines Lichtbogenofens mit Vorrichtungen zum Kühlen von Gefäßteilen gemäß dieser Erfindung;
- Fig. 2
- in gleicher Darstellung einen Lichtbogenofen mit modifiziertem Deckel.
- Fig. 1
- the vertical section of part of an arc furnace with devices for cooling vessel parts according to this invention;
- Fig. 2
- in the same representation an arc furnace with a modified cover.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Lichtbogenofen 1 besteht in bekannter Weise aus einem die Schmelze aufnehmenden Untergefäß mit feuerfester Ausmauerung, einer auf den Rand des Untergefäßes aufgesetzten Ofenwandung, und einem auf die Ofenwandung aufgesetzten Deckel. Der Gefäßaufbau eines solchen Ofens ist beispielsweise in der einleitend genannten DE 26 59 827 B1 und in der EP 0 197 137 B1 beschrieben. Wand und Deckel sind in bekannter Weise mit einem Spritzkühlsystem 3 ausgestattet, das räumlich verteilt eine Vielzahl von Spritzdüsen zum Aufspritzen einer Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, auf die dem Ofeninneren 6 zugewandten Wärmeaustauschplatte 2 der Kühlkästen, und einen in Fig. 1 nicht dargestellten Ablauf für die Kühlflüssigkeit enthält. Das Ableiten der Kühlflüsigkeit kann durch Abpumpen, Überdruck in der Atmosphäre des Kühlraums oder einfache Fallrohre erfolgen.The
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Wärmeaustauschplatte 2 als Verbundblech ausgebildet, mit einer Stahlplatte 8 auf der dem Ofeninneren zugewandten Seite und einer Kupferschicht 9, d.h. einer Schicht aus einem Metall das eine wesentliche größere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, auf der den Spritzdüsen zugewandten Seite. Mit 4 sind Schlackenhalter zum Festhalten wärmeisolierender Schlackenspritzer, mit 5 ist die feuerfeste Ausmauerung mit 7 das äußere Abdeckblech der Kühlkästen bezeichnet.In the device according to the invention, the heat exchange plate 2 is designed as a composite sheet, with a
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Lichtbogenofen ist der Dekkelring 10 ebenfalls spritzgekühlt. Er kann jedoch auch mittels eines konventionellen Wasserzwangsumlauf gekühlt werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Wasser der Zwangsumlaufkühlung kann einen besonderen Kreislauf darstellen, es kann aber auch entsprechend Fig. 2 für die Spritzkühlung des Deckelbleches verwendet werden.In the arc furnace shown in FIG. 1, the
Zur Ableitung der auf die Wärmeaustauschplatten aufgespritzten Kühlflüssigkeit werden ein oder mehrere Abflüsse mit Fallrohr angewendet, die an dem tiefsten Niveau des Kühlsystem an gut zugänglichen Stellen angebracht sind. Bei kippbaren Gefäßen und den damit verbundenen Deckeln befindet sich der Abfluß auf der Kippseite bzw. auf den Kippseiten.To drain the cooling liquid sprayed onto the heat exchange plates, one or more drains with a downpipe are used, which are attached to the lowest level of the cooling system in easily accessible places. In the case of tiltable vessels and the associated lids, the drain is on the tilt side or on the tilt sides.
Fig. 2 zeigt den Ofendeckel eines kippbaren Lichtbogenofens mit durch Zwangsumlauf gekühltem Deckelring 10. Der Zwangsumlauf dient gleichzeitig als Vorlauf für das Spritzkühlsystem 3. Mit 11 ist der Kühlwasserzulauf und mit 12 der an ein Fallrohr angeschlossene Kühlwasserablauf bezeichnet. Oberhalb des Kühlwasserablaufes 12 ist noch ein Sicherheitsablauf 13 vorgesehen, der ebenfalls an ein Fallrohr angeschlossen ist. Die Wärmeaustauschplatten 2 der gekühlten Deckel- und Wandelemente sind als Verbundbleche ausgebildet. Ebenso besteht die Wärmeaustauschplatte des inneren Deckelrings 14, der den Einsatz 15 aus feuerfestem Material mit Durchführungen für Elektroden 16 aufnimmt, aus einem Verbundblech mit einer Kupferschicht auf der den Spritzdüsen zugewandten Seiten. Der innere Deckelring 14 kann im Bedarfsfall auch mit Spritzwasser beaufschlagt werden.2 shows the furnace cover of a tiltable arc furnace with a
Mit dem Bezugszeichen 17 ist eine Preßluftleitung bezeichnet, die zwei Düsen aufweist, durch die Preßluft in den Kühlwasserablauf 12 bzw. in den Sicherheitsablauf 13 geblasen werden kann, um in allen Fällen, insbesondere auch bei einem kippbaren Gefäß mit Sicherheit eine Kühlwasserabfuhr zu erreichen.The
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ofendeckel ist die Deckelinnenfläche gegenüber dem oberen Gefäßrand 18 höher gelegt und zwar um die Höhe des zwangsumlaufgekühlten Deckelrings 10. Dadurch wird bei Beginn des Schrotteinschmelzens der Abstand der Deckelinnenfläche vom Lichtbogen vergrößert und außerdem für die Bedienungsmannschaft der Nivelliervorgang beim Chargieren des Gefäßes erleichtert.In the furnace lid shown in Fig. 2, the inner lid surface is set higher than the
Claims (7)
- Apparatus for cooling parts of the vessel of a furnace (1), particularly a metallurgical furnace, with a cooling box which is inserted into a wall or cover region to be cooled or constitutes a wall or cover region and which includes a heat exchange plate (2) directed towards the interior of the furnace and, opposed to it, a plurality of spatially distributed spray nozzles (3) for spraying a cooling liquid onto the heat exchange plate (2) and a discharge (12) for the cooling liquid, characterised in that the heat exchange plate (2) is constructed as a composite sheet with a steel plate (8) on the side directed towards the interior (6) of the furnace and a layer (9) of metal, which has a substantially larger thermal conductivity than steel, on the side directed towards the spray nozzles.
- Apparatus as claimed in Claim 1, characterised in that the metal layer (9) of larger thermal conductivity has a larger ductility than the steel plate (8).
- Apparatus as claimed in Claim 1 or 2, characterised in that the metal layer (9) of larger thermal conductivity has a thickness in the range of 1 to 7 mm.
- Apparatus as claimed in Claim 3, characterised in that the metal layer of larger thermal conductivity has a thickness in the range of 2 to 3 mm.
- Apparatus as claimed in one of Claims 1 to 4, characterised in that the metal layer (9) of larger thermal conductivity is a layer of copper or of a copper alloy.
- Apparatus as claimed in one of Claims 1 to 5, characterised in that the composite sheet is manufactured by plating.
- Apparatus as claimed in one of Claims 1 to 6, characterised in that the metal layer (9) of larger thermal conductivity is sprayed on.
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