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Winderhitzer mit einem aus Mantelschüssen geschweißten
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Mantel Die Erfindung betrifft einen Winderhitzer mit einem aus Mantelschüssen
geschweißten Mantel, an dessen Innenwandung ein Mantelmauerwerk zur Herabsetzung
der Wärmeabfuhr angeordnet ist.
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Winderhitzer dienen bekanntlich zur Erhitzung des Windes, d.h. atmosphärischer
Luft unter Druck, deren Sauerstoff zur Verbrennung des Kokses im Hochofen notwendig
ist.
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Durch Erhitzen des Windes für den Hochofen werden gegenüber der Kaltwindversorgung
wesentliche Ersparnisse an Brennstoff erzielt (eine Erhöhung der Windtemperatur
um jeweils 1000C bringt eine Ersparnis von etwa 4% Koks).
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Außerdem ist durch die Winderhitzung eine bessere Beeinflussung der
Verbrennungsvorgänge im Hochofen und überhaupt erst die Herstellung schwer schmelzbarer
Roheisensorten möglich.
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Prinzipiell unterscheidet man zwei verschiedene Verfahren zur Winderhitzung.
Das periodisch arbeitende Regenerativ-Verfahren erfordert mehrere Winderhitzer,
deren Arbeitsperioden sich überdecken, so daß der Hochofen ständig mit Heißwind
versorgt wird. Während der Arbeitsperiode werden die betreffenden Winderhitzer durch
Verbrennen von Gichtgas bzw. Mischgas bestehend aus Gichtgas und Starkgas aufgeheizt
und in der anschließenden Periode (Windzeit) der
Wind durch sie
hindurchgeleitet, erhitzt und dem Hochofen zugeführt. Die erkalteten Winderhitzer
werden dann wieder aufgeheizt usw..
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Das zweite Verfahren, die Rekuperativ-Winderhitzung, erfordert nur
einen Winderhitzer. Wie bei jedem Rekuperator (Wärmetauscher) findet in einem Röhrensystem
zwischen dem verbrennenden Gichtgas und dem Hochofenwind ein Wärmeaustausch statt.
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Die Erfindung bezieht sich prinzipiell auf Winderhitzer für die Winderhitzung
sowohl nach dem einen als auch nach dem anderen Verfahren.
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Bei modernen Winderhitzern für hohe Temperaturen werden 0 Kuppeltemperaturen
bis zu 1600 C erreicht. Es stellte sich heraus, daß bei derart hohen Heißwindtemperaturen
und gleichzeitig hohen Winddrücken Spannungsrißkorrosion auftritt.
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Während der Verbrennung des Gichtgases und dgl. entstehen Stickoxyde
sowie Schwefel-und Chloroxyde. Außerdem werden beträchtliche Mengen Wasserstoff
aus den zu verbrennenden Kohlenwasserstoffen freigesetzt, der ebenfalls oxydiert
und in die Dampfphase überführt wird. Dieser Dampf schlägt sich in den kälteren
Bereichen des Winderhitzers (Taupunktunterschreitung) nieder und reagiert dann mit
den Stickoxyden und den übrigen säurebildenden Verbindungen unter Bildung von Säuren.
Hierbei führen CO und C02 ebenfalls zu Spannungsrißkorrosion.
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Weiterhin werden auch beträchtliche Mengen von Schwefeldioxyd aus
den Brennstoffen freigesetzt, die in diesen kälteren Bereichen mit dem kondensierten
Wasserdampf unter
Bildung von schwefligen Säuren reagieren. Weiterhin
können auch noch Chloride gebildet werden, falls für die Gaswäsche entsprechend
den örtlichen Gegebenheiten chlorhaltiges Wasser verwendet werden muß.
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Weiterhin werden für Winderhitzer entsprechend den Bauvorschriften
stets niedrig legierte Baustähle verwendet, an denen stets mechanische Zugspannungen
und thermische Spannungen, sowie Schweißeigenspannungen auftreten.
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Alle diese Faktoren, nämlich die Gemische von Säuren, der niedrig
legierte Baustahlesowie die Zugspannungen haben die Spannungsrißkorrosion zur Folge.
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Zur Abhilfe wurden bereits verschiedene Maßnahmen ergriffen. Um eine
Kondensation der Säuregemische von vornherein zu vermeiden, wurden bereits Winderhitzer
mit einer Außenisolation versehen, die eine Unterschreitung des Tauprzktes verhinderte.
Der Nachteil besteht darin, daß der Mantel eines derart isolierten Winderhitzers
einer Inspektion nicht mehr ohne weiteres zugänglich ist. Hinzu tritt noch, daß
insbesondere im Bereich der Flansche und Verschlüsse diese Isolation nur schwierig
anzubringen ist und lokale Temperaturerhöhungen nicht sicher vermieden werden können.
Dies hat zur Folge, daß die Winderhitzer an diesen Stellen reißen bzw. explodieren
können.
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Es wurde auch weiterhin versucht, die Spannungsrißkorrosion durch
Innenanstriche zu unterbinden. Da diese Anstriche stets eine Kunststoffkomponente
aufweisen, zersetzen sie sich an den kritischen Stellen, nämlich an denjenigen,
deren Temperaturen oberhalb von 1500C liegen.
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Es wurden auch bereits auf der Innenwandung des Winderhitzers
Aluminium-
bzw. Edelstahl-Folienbahnen befestigt, deren Material gegen Spannungsrißkorrosion
unempfindlich ist.
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Diese Folienbahnen haben jedoch den Nachteil, daß sie wegen ihrer
sehr geringen Wandstärke nicht gasdicht miteinapder verschweißt werden können. Ein
Verkleben führte ebenfalls nicht zu dem gewünschten Erfolg, da sich das Klebstoffmaterial
bei höheren Temperaturen zersetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Winderhitzer derart auszubilden,
daß sie unter den gegenwärtigen Betriebsbedingungen, insbesondere unter den hohen
Betriebstemperaturen, bei 15000 C und auch unter den in Zukunft voraussichtlich
noch darüberliegenden Betriebstemperaturen betrieben werden können, ohne daß Spannungsrißkorrosion
auftritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem
Mantel und dem Mantelmauerwerk ein von der Kuppel bis zu einer Höhe unterhalb der
Brenner für das Gichtgas bzw. Brenngas reichender, nach unten offener unter den
thermischen und mechanischen Spannungen elastisch verformbarer Schutzmantel angeordnet
ist und der Rand des Schutzmantels mit der Innenwandung des Mantels verschweißt
ist. Erfindungsgemäß werden für die Konstruktion von Winderhitzern völlig neue,
vom Stand der Technik völlig abweichende Wege eingeschlagen.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß der Mantel
des Winderhitzers auf seiner Innenseite gewissermaßen durch eine Schutzhaut abgeschirmt
wird, in der infolge ihrer Elastizität unter den thermischen und mechanischen Spannungen
keine Spannungen aufgebaut werden, so daß unter der Voraussetzung, daß falls bei
ihrer Herstellung Eigenspannungen und Schweißspannungen vermieden wurden,
Spannungsrißkorrosion
auch nach längeren Betriebszeiten nicht auftreten kann. Aus diesen Gründen kann
der Schutzmantel aus den bisher verwendeten niedrig legierten Baustählen bestehen,
es kann auch aus dem gleichen Grunde ebenfalls wie bisher Aluminium, Bronze und
dgl. verwendet werden, ohne daß die bisherige Nachteile auftreten. Infolge seiner
Elastizität kann dieser Schutzmantel auch wechselnden Betriebsdrücken leicht folgen
und kann sich unter extrem hohen Drücken an die Innenwandung des Mantels des Winderhitzers
anschmiegen, der folglich nur noch die Reaktionskräfte aufzubringen hat.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Schutzmantel aus
hochlegiertem Edelstahl. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der Schutzmantel
resistent gegen Spannungsrißkorrosion ist, auch dann, wenn beim Zusammen- bzw. Einbau
geringfügig Spannungen aufgebracht worden sind. Uberraschenderweise zeigte es sich,
daß hochlegierte Stähle folgender Zusammensetzung für den erfindungsgemäßen Zweck
besonders geeignet sind: C maximal 0,030 Gewichtsprozent Si maximal 1,000 Mn maximal
2,000 P maximal 0,030 II S maximal 0,020 Cr 21,000 - 23,000 Mo 2,500 - 3,500 Ni
4,500 - 6,500 N 0,08 - 0,20 Rest Eisen Der Mantel des Winderhitzers ist hierbei
in üblicher Weise aus Mantelschüssen aus niedrig legierten Stählen zusammengeschweißt.
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Gemäß einem ersten Ausführungsprinzip besteht der elastische Schutzmantel
aus Mantelschußabschnitten, die zueinander distanziert
angeordnet
sind, wobei die gegenüberliegenden Randzonen von jeweils zwei Mantclschußabschnitten
mit den Schenkeln eines U-Profils verschweißt sind. Durch diese Maßnahmen wird erreicht,
daß auch bei unterschiedlichen Temperaturen in den einzelnen Bereichen eines Mantelschusses
die Mantelschußabschnitte infolge ihrer distanzierten Anordnung sich ausdehnen bzw.
sich relativ zueinander bewegen können und diese Bewegungen und Dehnungen von den
Schenkeln der U-Profile mitgemacht werden. Auch in radialer Richtung können die
Mantelschußabschnitte unterschiedliche Bewegungen ausführen, da U-Profile in dieser
Richtung senkrecht zur Mantelfläche ebenfalls Federungseigenschaften aufweisen.
Durch diese distanzierte Anordnung einerseits und durch die Verbindung der U-Profile
andererseits ist es möglich, den Schutzmantel frei von Eigenspannungen sowie von
Schweißspannungen zusammen zu schweißen und gleichzeitig zu vermeiden, daß während
längerer Betriebszeiten infolge der unterschiedlichen thermischen und mechanischen
Belastungen in einzelnen Bereichen Eigenspannungen in den Mantelschüssen bzw. Mantelschußabschnitten
aufbauen, die, wie bereits oben erwähnt, zur Spannungsrißkorrosion führen könnten.
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In vorteilhafter Weise sind in Richtung zur Kuppel die Mantelschußabschnitte
der aufeinanderfolgenden Mantelschüsse zueinander versetzt angeordnet, wobei an
den Stoßstellen von jeweils drei Mantelschußabschnitten jeweils zwei U-Profile ein
T-förmiges Element bilden. Einerseits wird durch diese versetzte Anordnung entsprechend
den üblichen Bedingungen und Vorschriften der Schweißtechnik genüge getan und andererseits
durch die Verwendung dieser T-förmigen Elemente ein rationelles Herstellen des erfindungsgemäßen
Schutzmantels möglich.
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In vorteilhafter Weise sind die U-Profile bzw. die T-förmigen Elemente
auf der dem Mantelmauerwerk zugewandten Seite des Schutzmantels angeordnet, so daß
sich bei extrem hohen Betriebsdrücken der Schutzmantel ohne weiteres an die Innenwandung
des Mantels anschmiegen kann, der dann als Widerlager und
zum Aufbringen
der Reaktionskräfte dient.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des elastischen Schutzmantels
besteht dieser aus Mantelschüssen, wobei die Mantelschüsse jeweils mit ihrem oberen,
zur Kuppel gerichteten Rand mit der Innenwandung des Mantels und mit ihrem unteren
Rand den oberen Rand des in Gegenrichtung zur Kuppel benachbarten Mantelschusses
in einer Zone übergreifen und mit ihm verschweißt sind. Durch diese Maßnahmen ist
ein Schutzmantel geschaffen, der nach Art eines Faltenbalges ausgebildet ist und
aus diesem Grund ohne weiteres den thermischen und mechanischen Belastungen folgen
kann. Hierbei sind die Mantelschußabschnitte der einzelnen Mantelschüsse durchgehend
miteinander verschweißt, d.h., sie sind nicht wie nach dem ersten Ausführungsprinzip
distanziert zueinander angeordnet.
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Eine Kombination des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels ist ebenfalls
möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl
bei dem Schutzmantel nach dem ersten als auch nach dem zweiten Ausführungsprinzip
die Mantelschußabschnitte mit Sicken versehen, so daß sich die Mantelschußabschnitte
bei wechselnden thermischen und mechanischen Beanspruchungen im Bereich dieser Sicken
verformen können, so daR durch diese zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen dafür Sorge
getragen ist, daß unter allen Betriebsbedingungen der Aufbau von Eigenspannungen
vermieden wird.
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Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen Winderhitzer
mit aussenstehendem Brennschacht in vereinfachter Darstellung;
Fig.
2 in perspektivischer Darstellung zwei Mantelschüsse des Schutzmantels gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel; Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 und die Verbindung
von zwei benachbarten Mantelschußabscbnitten mittels eines U-förmigen Profils; Fig.
4 ebenfalls einen Ausschnitt aus Fig. 2 mit einem T-förmigen Element; Fig. 5 in
perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt von der Innenwandung des Mantels,
mit dem ebenfalls im Ausschnitt dargestellten Schutzmantel gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
und Fig. 6 einen Mantelschußabschnitt mit Sicken.
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In Fig. 1 ist ein Winderhitzer mit außenstehendem Brennschacht im
Schnitt schematisch dargestellt. Er besteht aus dem Brennschacht 1, dem Besatzschacht
2 und der beide Schächte verbindenden Kuppel 3. Der Brennschacht und der Besatzschacht
sind jeweils auf einem Fundament 4 bzw. 5 angeordnet.
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Brennschacht, Besatzschacht und Kuppel bestehen in an sich bekannter
Weise aus miteinander verschweißten Mantelschußabschnitten. Wie aus Fig. 1 ersichtlich,
ist zur Wärmedämmung und Herabsetzung der Wärmestrahlung nach außen ein Mantelmauerwerk
6 in an sich bekannter Weise im Bereich der Innenwandung des Mantels 12 angeordnet.
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Der Brennschacht weist einen Stutzen 7 sowie einen Stutzen 8 für die
Zuführung des Gichtgases bzw. eines anderen Brenngases sowie einen Stutzen 9 für
den Heißwind auf. Das Gichtgas
bzw. Brenngas wird mit der zugefiihrten
Luft im schematisch dargestellten Brenner 10 verbrnnt, wobei Temperaturen bis zu
17000C erreicht werden. In dem Besatzschacht ist ein nicht dargestelltes Gitterwerk
aus feuerfesten Besatzsteinen angeordnet, durch dessen Kanäle die heißen Verbrennungsgase
hindurchgeführt werden und über den Auslaß 11 einem nicht dargestellten Kamin während
der sogenannten eizzeit zugeführt werden. Sobald die Besatzsteine eine vorgegebene
Temperatur erreicht haben, wird von der Heizzeit durch Betätigen von Schiebern auf
die Windzeit umgeschaltet und der zu erhitzende Wind über den Stutzen 11 durch die
Besatzsteine geleitet, der dann über den Austrittsstutzen 9 dem Hochofen zugeführt
wird.
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Zwischen dem Mantel 12 des Winderhitzers und dem Mantelmauerwerk 6,
das nur schematisch zum Teil für den Besatzschacht dargestellt ist, ist der erfindungsgemäße
unter den thermischen und mechanischen Spannungen elastische Schutzmantel 13, der
nach unten offen ist, angeordnet. Er ist an seinem unteren Ende durch die Schweißnaht
14 im Brennschacht und im Besatzschacht durch die Schweißnaht 15 mit der Innenwandung
des Mantels 12 verschweißt. Diese beiden Schweißnähte 14 und 15 liegen in einem
Bereich, in dem stets derartige Betriebstemperaturen herrschen, so daß Spannungsrißkorrosion
nicht auftreten kann.
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In der Fig. 1 verlaufen die beiden Schweißnähte 14 land15 in einer
Höhe unterhalb des Brenners, so daß von vornherein sichergestellt ist, daß die für
das Auftreten von Spannungsrißkorrosion auftretenden Temperaturen nicht erreicht
werden.
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Gemäß dem ersten Ausführungsprinzip besteht der Schutzmantel aus zueinander
distanziert angeordneten Mantelschußabschnitten, wobei die gegenüberliegenden Randzonen
von
jeweils zwei Mantelschußabschnitten mit den Schenkeln eines
U-Profils verschweißt sind.
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Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung zwei Mantelschüsse eines
derartigen Schutzmantels. Die aufeinanderfolgenden Mantelschüsse sind mit 16 bzw.
17 bezeichnet, wobei sich an den Nantelschuß 17 wiederum ein Mantelschuß 16 und
an diesen ein Nantelschuß 17 anschließt. Diese Mantel schüsse bestehen aus den Mantelschußabschnitten
16', 16", 16"' bzw. 17, 17', 17",...
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Im vorliegenden Fall haben die Mantelschüsse 16', 16", usw.
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sowie die Mantelschußabschnitte 17', 17" usw. die gleichen Abmessungen.
Die Mantelschüsse 16 und 17 unterscheiden sich nur dadurch, daß ihre Mantelschußabschnitte
versetzt zueinander angeordnet sind.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die gegenüberliegenden Randzonen
von jeweils zwei Mantelschußabschnitten mit den Schenkeln eines U-Profils 18 verbunden.
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Fig. 3 zeigt eine derartige Verbindung in perspektivischer Darstellung
im Ausschnitt. Die Kanten 21 und 22 der Mantelschußabschnitte 17' bzw. 17" befinden
sich auf einem derartigen gegenseitigen Abstand, daß bei allen Dehnungen dieser
beiden Mantelschußabschnitte in ihrer Ebene sich beide Kanten nicht berühren. Hierbei
ist der Steg 18' des U-Profils wesentlich breiter als der gegenseitige Abstand dieser
beiden Kanten 21 und 22, so daß die beiden Schenkel 20 und 19 dieses U-Profils in
einem vorgegebenen Abstand zu diesen Kanten mit diesen Mantelschußabschnitten verschweißt
sind. Bei Dehnungen der beiden Mantelschußabschnitte 17' und 17" in ihrer Ebene
können die beiden Schenkel 19 und 20 diesen Bewegungen, wie dies durch die Doppelpfeile
23 dargestellt ist, elastisch folgen, während andererseits
beispielsweise
bei einer Bewegung des Mantelschußabschnittes 17" in Richtung des Pfeiles 24 der
Steg 18' und der Schenkel 19 nach Art eines Federelementes dieser Bewegung ebenfalls
elastisch und reversibel folgen können. Durch diese erfindungsgemäße Verbindung
der distanziert zueinander angeordneten Mantelschußabschnitte mit den U-Profilen
ergibt sich eine sehr elastische Verbindung, durch die der Aufbau von Spannungen
auch während längerer Betriebszeiten sicher vermieden wird.
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Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung die Stoßstelle von drei
Mantelschußabschnitten, wobei die Mantelschußabschnitte 16" und 16"' zu dem einen
Mantelschuß 16 und der Mantelschußabschnitt 17' zu einem Mantelschuß 17 gehört.
An diese Stoßstelle ist zur Verbindung der beiden Mantelschußabschnitte 16" und
16"' untereinander sowie ihrer Verbindung mit dem Mantelschußabschnitt 17 ein aus
zwei U-Profilen bestehendes T-förmiges Element 25 vorgesehen, dessen Stege 26 und
27 jeweils breiter sind als der gegenseitige Abstand der Mantelschußabschnitte 16"
und 16"' bzw. der Mantelschußabschnitte 16' und 17' bzw.
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16"' und 17', so daß eine Verbindung entsprechend Fig. 3 durch dieses
T-förmige Element geschaffen ist. Auch die versetzte Anordnung dieser T-förmigen
Elemente kann die Schutzhaut den Bewegungen des Mantels folgen, ohne daß in ihr
Spannungen aufgebaut werden können.
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Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt des
Schutzmantels gemäß dem zweiten Ausführungsprinzip. Dieser ist mit 30 bezeichnet
und besteht aus den aufeinanderfolgenden Rinnenschüssen 31 und 32. Jeder Rinnenschuß
31 bzw. 32 besteht aus Rinnenschußabschnitten 31', 31",..., sowie 32', 32", 32"',
die jeweils über
Schweißnähte 33 bzw. 34 zu konusartigen Ringflächen
zusammengeschweißt sind. Diese Mantelschüsse sind jeweils mit ihrem oberen, zur
Kuppel gerichteten Rand 35 bzw. 36 an der Innenwandung des Mantels angeschweißt,
ragen mit ihrem unteren Rand 37 bzw. 38 über die Schweißnaht 35 bzw. 36 des in Gegenrichtung
zur Kuppel benachbarten Mantelschusses 31 bzw. 32 und sind mit diesem durch eine
Schweißnaht 37 bzw. 38 verbunden. Der Schutzmantel hat auf diese Weise die elastischen
Eigenschaften eines Faltenbalges und kann mechanischen bzw. thermischen Beanspruchungen
ohne weiteres folgen, sowie sich bei sehr hohen Arbeitsdrücken an die Wandung des
Mantels anschmiegen. Die Schweißnähte 33 und 34 sowie 37 und 38 können mit T-förmigen
Profilen 25 bzw. U-förmigen Profilen 18 überbrückt werden. Dadurch wird die Elastizität
des Schutzmantels noch vergrößert. Spannungen können nicht entstehen.
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Fig. 6 zeigt einen Mantelschußabschnitt 17", der zusätzlich Sicken
aufweist. Bei extrem hohen Druckbeanspruchungen verformt sich der Mantelschußabschnitt
im Bereich dieser Sicken, so daß der Aufbau von Spannungen zusätzlich auch durch
diese Sicken vermieden wird.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein vom Stande der Technik
völlig neuer Weg bei Winderhitzern beschritten, wobei durch die erfindungsgemäßen
Maßnahmen von vornherein das Auftreten der Spannungsrißkorrosion bei den derzeit
herrschenden und auch zukünftigen Arbeitsbedingungen, wie Druck und Temperatur,
sicher vermieden wird.
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Durch die Verwendung von hochlegiertem Edelstahl der Zusammensetzung:
C maximal 0,030 Gewichtsprozent Si maximal 1,000 Mn maximal 2,000 P maximal 0,030
S maximal 0,020 Cr 21,000 - 23,000 Mo 2,500 - 3,500 Ni 4,500 - 6,500 N 0,08 - 0,20
Rest Eisen ergibt sich ein Höchstmaß an Sicherheit, auch dann, wenn beim Zusammenschweißen
des erfindungsgemäßen Schutzmantels Spannungen sich gebildet haben sollten.
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- Ansprüche -
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