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Wassergekühlter Deckel für Industrieöfen
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Die Erfindung betrifft einen wassergekühlten Deckel für Industrieöfen,
insbesondere Lichtbogenöfen, bei welchem die Kühlung zwecks Anpassung an örtlich
unterschiedliche Wärmebelastungen zonenweise erfolgt.
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Zur Lebensdauererhöhung der Deckel von Industrieöfen, wie z.B. Lichtbogenöfen,
ist es bekannt, solche Deckel zu kühlen.
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Diese Kühlung erfolgt meist mit Wasser und bietet ausser genannter
Lebensdauererhöhung der Deckelkonstruktion die Möglichkeit einer Energierückgewinnung
aus dem erwärmten Entsorgungswasser. Es ist ebenfalls bekannt, diese Deckelkühlung
zwecks Anpassung an örtlich unterschiedliche Wärmebelastungen des Deckels zonenweise
durchzuführen, d.h. die Deckelfläche in Zonen einzuteilen, welche gesondert und
individuell je nach den dort herrschenden thermiscnen Beanspruchungen gekühlt werden
können. Eine solche zonenweise Kühlung ist z.B. durch die deutsche Auslegeschrift
25 46 142 bekannt geworden. In dieser wird im wesentlichen vorgeschlagen, einen
doppelbödig ausgelegten Deckel durch radiale Rippen in Kreissegmente, bzw.
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Kreisringsegmente einzuteilen, wodurch individuelle Wasserkammern
entstehen. In diesen wird das Wasser durch eingesetzte Stege approximativ serpentinenartig
geführt. Diese Art der Kühlwasserführung wird bekanntlich auch bei bestimmten Kühlkästenbauarten
zur Kühlung der Wandungen von Industrieöfen, wie z.B. Hochöfen oder auch Elektroöfen,
angewendet, und weist auch deren Nachteile auf. Diese bestehen darin, dass durch
Diskontinuitäten der Strömungsquerschnitte und strömungsmässig ungünstige Wasser
führungen einerseits Wirbelbildung auftritt mit sich daraus ergebenden hohen Strömungswiderständen,
und andererseits Toträume vorhanden sind, in denen die Wassergeschwindigkeiten stark
abfallen, bzw. null werden, wodurch wiederum der Kühleffekt gemindert und die Bildung
von Ablagerungen begünstigt wird. Bilden sich im Laufe der Zeit solche Ablagerungen,
so fällt an diesen Stellen die Kühlung praktisch aus und es kommt zur thermischen
Ueberbeanspruchung des Deckelwerkstoffs. Ein weiterer bekannter Nachteil dieses
Kühlkastensystems besteht darin, dass die Leitstege für die serpentinenartige Führung
des
Kühlwassers aus herstellungstechnischen Gründen nur an einzelnen Punkten mit dem
oberen und/oder unteren Deckelboden verschweisst sind, sodass mehr oder weniger
grosse Spalte zwischen den Stegschmalseiten und den Böden offen bleiben, wodurch
Schleichwasserwege gegeben sind mit sich daraus ergebender Verschlechterung des
Kühlwirkungsgrades. Genannte Spalte bekommen einen noch grösseren Ouerschnitt, mit
entsprechend ungünstigen Folgen, wen, was bei dieser Deckelkonstruktion zu beobachten
ist, die Böden sich aufgrund der thermischen Beanspruchung, der sie ausgesetzt sind,
ausbauchen.
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Eine solche Ausbauchung tritt natürlich vor allem am unteren, dem
heissen Ofeninnern zugekehrten Boden auf. Den thermischen Verformungen der Böden
können sich solche,vom hydrostatischen Druck in den Wasserkammern herrührende überlagern.
Diese Wasserkammern mit ihren ausgedehnten, flachen Begrenzungswänden eignen sich
deshalb aus statischen und Festigkeitsgründen nicht für eine Kühlung mit höheren
Wasserdrücken, und wegen der nicht optimalen Strömungsverhältnisse auch nur begrenzt
für eine solche mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten.
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Weitere Nachteile dieser bekannten Deckelkonstruktion ergeben sich
aus dem Umstand, dass die Kühlkammern integrierender Bestandteil des Deckels sind.
Dieser muss deshalb festigkeitsmässig nicht nur aufgrund des von ihm zu tragenden
Gewichtes ausgelegt werden, sondern darüberhinaus auch unter Berücksichtigung von
thermischen Spannungen, welche wegen der nur approximativ definierten Kühlwirkung
dieses Kiihlsystems schwierig zu schätzen sind. Wegen der Integration der Kühlkammern
in die Deckelkonstruktion muss auch beim Auftreten einer Leckage zur Reparatur gegebenenfalls
der ganze Deckel manipuliert, wenn nicht sogar ersetzt werden.
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Zur Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik ist es Aufgabe
der Erfindung, einen wassergekühlten Ofendeckel eingangs erwähnter Gattung vorzuschlagen,
bei welchem eine optimale gezielte Kühlwirkung ermöglicht wird indem in fein unterteilten
Kühlfeldern
hohe Kühlmittelgeschwindigkeiten und -drücke bei bestem Wirkungsgrad möglich sind,
die tragende Konstruktion des Deckels nicht durch vom Kühl system berruhrende thermische
Spannungen belastet wird, und ftir Wartung und Reparatur nur einzelne Teile des
Kühlsystems ausgetauscht bzw. manipuliert werden müssen.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem wassergekühlten Deckel der
eingangs erwähnten Gattung durch die im.hennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten
Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte weitere Merkmale der Erfindung sowie Ausgestaltungsvarianten
derselben sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1, den Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines wassergekühlten Ofendeckels; Figur 2,
die Draufsicht auf den Deckel nach Figur 1; Figur 3, den Längsschnitt durch ein
zweites Ausführungsbeispiel eines wassergekühlten Ofendeckels; Figur 4, die Draufsicht
auf den Deckel nach Figur 3; Figuren 5a und 5b, Ausführungsbeispiele für die dichte
Befestigung von Kühlsegmenten an der Tragkonstruktion des Ofendeckels.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Referenzzahlen
versehen.
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Die Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels eines wassergekühlten
Ofendeckels der vorgeschlagenen Art geschieht anhand der gleichzeitigen Betrachtung
der Figuren 1 und 2.
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Die Tragkonstruktion des Ofendeckels 8 besteht aus einem kreisförmig
gebogenen aus seren Tragrohr 10 und einem ebenfalls kreisförmigen inneren Tragrohr
12, welche mittels radial verlaufenden Rohren 14 miteinander verbunden sind. Diese
Tragkonstruktion hat deshalb in der Draufsicht (Figur 2) radähnliche Form mit einem
Aussenkranz 10, einer "Nabe" 12 und "Speichen" 14. Die offenen Felder 16 zwischen
Aussenkranz 10, Nabe 12 und den Speichen 14 sind mit Kühlelementen 18 in einer Rohr-an-Rohr
Konstruktion zugelegt, in welchen das Kühlwasser serpentinenartig geführt wird.
Der Aussenkranz 10 liegt bei geschlossenem Deckel einfach auf der Ofenseitenwand
20 auf.
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Die Kühlwassereinspeisung erfolgt in den Aussenkranz 10, z.B. an
zwei diametral gegenüberliegenden Stellen (nicht gezeigt). Vom Aussenkranz gelangt
das Wasser durch die Speichen 14 in den Innenkranz (Nabe) 12, welcher als Kühlwasserverteiler
fungiert, indem von hier aus einerseits die Kühlelemente 18 und andererseits ein
vorteilhafterweise konischer Kühlkranz 22 mit Kühlwasser versorgt werden. Die Kühlsegmente
18 sind zwecks Intensivierung der Kühlung vorteilhafterweise in mehrere Sektoren
eingeteilt, im gezeigten Beispiel in die beiden Sektoren 18a und 18b, welche separat
mit Kühlwasser aus dem Innenring 12 versorgt werden. Dies geschieht für den Innensektor
18a durch eie Speiseleitung 28 und für den Aussensektor 18b durch eine Speiseleitung
30. Der Austritt des Kühlwassers geschieht durch Leitungen 32, bzw. 34 in eine periphere
Entsorgungsleitung 36, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel ausserhalb des Tragrohrs
10 verläuft, jedoch selbst keine tragende Funktion hat. Die verschiedenen Zu- und
Ableitungen, wie z.B. die Leitungen 28, 30, 32, 34 bestehen vorteilhafterweise aus
flexiblem Material.
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Die Trennung der Kühlwasserkreisläufe in den beiden Sektoren 18a
und 18b geschieht durch eine Zwischenwand 38 in einem der Kühlrohre des Kühlsegments
18. An dieser Zwischenwand
endet die Zirkulation im Sektor 13a
und das Wasser tritt durch die Leitung 32 aus, während die Zirkulation im Sektor
18b hinter dieser Zwischenwlnd beginnt, indem Kühlwasser durch die Leitung 30 eingespeist
wird.
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Aus der Entsorgungsleitung 36 wird das Kühlwasser durch einen oder
mehrere fleolrible Schläuche (nicht gezeigt) einer (nicht gezeigten) Kühlwasseraufbereitungsanlage
zugeführt, in welcher gegebenenfalls auch eine teilweise Rückgewinnung der thermischen
Energie des au-'geheizten Entsorgungswassers durchgeführt werden kann.
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Soll in einem Feld 16 ein bestis tes Areal offen bleiben, wie dies
z.B. für die abführung der Ofenabgase in eine Abgasleitung 40 (Figur 1) oder für
andere Zwecke notwendig ist, so wird vorteilhafterweise eine weitere Speiche 42,
44 vorgesehen, welche um die vorzusehende Oeffnung herum als Ringleitung 45, 48
ausgeführt ist. In diesem Falle wird beidseits der Speichen 2, 44, je ein separates
Kühlelement 50, 52, 54, 56 vorgesehen, anstatt dass ein KühleIerent 18 radial in
zwei Sektoren 18a und 18b eingeteilt wird. Das Kühlwasser tritt dann durch Leitungen
58, 60, 62, 64 in die Kühlelemente 50, 52, 54, 56 ein, um sie durch Leitungen 66,
68, 70, 72 zu verlassen.
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Das Herzstück 24 des Ofendeckels mit den Oeffnungen 26 für die (nicht
gezeigten) Elektroden besteht aus feuerfester Masse und wird besonders wirkungsvoll
gekühlt, indem der konische Kranz 22 aus einer Rohr-an-Rohr Konstruktion von miteinander
verschweissten Rohren direkt als Ausmauerungsrahmen für die feuerfeste Masse dieses
Herzstücks 24 fungiert. Dieser konische Kühlkranz 22 ruht auf dem inneren Tragring
12 und kann an diesem befestigt werden, indem Laschen 74 am Kranz 22 mit Bolzen
76 am Tragring 12 in Eingriff gebracht werden. Klemmquerkeile 78 erlauben ein schnelles
Befestigen und Lösen dieser Verbindung.
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Die Kühlwasserversorgung des Kühlkranzes 22 erfolgt ebenfalls
aus
dem inneren Tragrohr 12, die Entsorgung in das Entsorgungsrohr 36 (nicht gezeigt).
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Aufhängungspunkte 80 am aus seren Tragring 10 dienen zum Hochheben
des Deckels beim Beschicken des Ofens.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Ausführungsvariante eines wassergekühlten
Ofendeckis. Dr Entsorgungsring 36' ist hier nicht radial auswärts vom dusseren Tragring
10' angeordnet wie in den Figuren L und 2, sondern er liegt auf diesem auf. Der
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass bei unterschiedlicher Ausdehnung der
beiden Ringe keine Spannungen zwischen denselben auftreten können. Ein weiterer
Unterschied besteht in der Kühlung des Areals im Bereich der beiden, durch die Speichenringe
46' und 48' definierten Oeffnungen im Ofendeckel. Dieses Areal kann hier von drei
Kühlsegmenten 82, 84, 86 gekühlt werden, während in der Ausführung nach den Figuren
1 und 2 hierfür vier Segmente 50, 52, 54, 56 notwendig sind.
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Da durch die Anordnung des Entsorgungsrohres 36' auf dem Tragring
10' ein peripheres Bord gebildet wird, welches das Ansammeln von Staubablagerungen
hinter dem Rohr 36' begünstigen und das Entfernen dieser Ablagerungen erschweren
könnte, kann fakultativ eine Blechabdeckung 88 vorgesehen werden, von welcher solche
eventuelle Ablagerungen leicht entfernt werden können.
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Bei der Auslegung des neuen Ofendeckels wurde ganz besonders darauf
geachtet, thermische Verspannungen zwischen den einzelnen Deckelkomponenten weitestgehend
zu verunmöglichen. Wie soeben beschrieben, werden solche Verspannungen zwischen
den Rohren 10 und 36 z.B. dadurch vermieden, dass das Rohr 36' auf dem Rohr 10'
aufliegend angeordnet wird. Ebenso können die thermischen
Verformunyen
im Bereiche des 02- anherz stücks durch die Möglichkeit der intensiven Kühlung mittels
des Kühlkranzes 22 unter Kontrolle gehalten werden.
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Eine weitere Massnahme in diesem Sinne ist die Anordnung der Kühlsegmente
18, 50, 52, 54, 56, 82, 84, 86, welche lose auf den angrenzenden Elementen der Trafs-Monstruktion
10, 12, 14 aufliegen und somit den nötigen Spielraum für eine gegenüber diesen Elementen
eventuell unterschiedliche Wärmeausdehnung haben. Um die Kühlsegmente sicher in
ihrer Lage zu halten ohne diese Bewegungsfreiheit zu behindern, sowie zur Abdichtung
des Deckels nach aussen wird eine Halterung gemäss den Figuren 5a und 5b vorgeschlagen.
Diese besteht aus Bügeln 90, 92, welche mit den Speichen 14, bzw. den Tragrohren
12 (nicht gezeigt) und 10 verschraubt sind und die Kühlsegmente 18 in ihrer Lage
sichern, ohne jedoch thermische Verformungen zu behindern. Zur Abdichtung gegen
das Austreten von Gasen und Staub aus dem Ofeninnern sind die Hohlräume innerhalb
der Haltebügel mit Asbest 94 oder dgl. aufgefüllt.
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Um die thermische Beanspruchung des Deckels nicht grösser als notwendig
werden zu lassen, ist auf das ganze Rohrsystem an der Deckelunterseite eine feierfeste
Schicht aufgespritzt.
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Zwecks Optimierung des ganzen Deckelkühlsystems können an den verschiedenen
Rühlwasserzu- und/oder -ableitungen Regelventile vorgesehen werden, durch welche
die Temperatur des aus den einzelnen Kühlzonen abgeleiteten Kühlwassers individuell
reguliert werden kann.
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