WO2002027042A1

WO2002027042A1 - Verfahren zum kühlen eines hochofens mit kühlplatten

Info

Publication number: WO2002027042A1
Application number: PCT/EP2001/011117
Authority: WO
Inventors: Hartmut Hille; Robert Schmeler
Original assignee: Paul Wurth S.A.
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2002-04-04
Also published as: DE50102007D1; EP1322791B1; AU2001291880A1; ATE264403T1; EP1322791A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Kühlen eines Hochofens mit Staves vorgestellt. Solche Staves sind Kühlplatten die einen massiven Plattenkörper umfassen, in den gerade Kühlkanäle integriert sind. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass besonders in thermisch stark belasteten Bereichen des Hochofens, der Kühlwasserdurchsatz derart herabgesetzt wird, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals kleiner als 1,0 m/s ist, ja sogar kleiner als 0,6 m/s sein kann. Diesen Kühlkanälen mit reduziertem Durchfluss ist jeweils eine Wirbelvorrichtung derart vorgeschaltet, dass sie eine schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse des Kühlkanals erzeugt.

Description

VERFAHREN ZUM KÜHLEN EINES HOCHOFENS MIT

KÜHLPLATTEN

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Hochofens mit Kühlplatten, auch noch Staves genannt.

Bei modernen Hochöfen besteht die Ofenwandkühlung aus sogenannten Staves, die den Ofenpanzer zum Ofeninnern hin auskleiden. Ein solcher Stave ist eine Kühlplatte die einen rechteckigen, massiven Plattenkörper umfasst, in den mehrere senkrechte Kühlkanäle integriert sind. Der massive Plattenkörper kann aus Gusseisen (insbesondere GGG, d.h. Gusseisen mit Kugelgraphit) oder aus Kupfer, bzw. einer Kupferlegierung, gefertigt sein. Bei Kühlplatten aus Gusseisen werden die Kühlkanäle meistens durch eingegossene, U-förmig gebogene Stahlrohre ausgebildet, wobei die Enden des Rohrs als Anschlussstutzen des Kühlkanals aus der Rückseite des Plattenkörpers herausgeführt sind. Bei Staves aus Kupfer werden die Kühlkanäle z.B. in den Plattenkörper gebohrt. Es ist jedoch ebenfalls bekannt, kupferne Staves durch Stranggießen herzustellen, wobei die Kühlkanäle dann beim Stranggießen eingegossen werden. In beiden Fällen werden dann von der Rückseite des kupfernen Plattenkörpers je zwei Anschlussbohrungen pro Kühlkanal gebohrt, die zentral in das obere, bzw. untere Ende des Kühlkanal einmünden. In diesen Anschlussbohrungen werden dann Rohrstutzen als Anschlussstutzen eingelötet oder eingeschweißt. Über ihre Anschlussstutzen sind die Kühlplatten in einen Wasserkühlkreislauf des Hochofens eingebunden. Mehre Kühlplatten sind hierbei kü_.hlwasserseitig in Reihe geschaltet. In diesem Zusammenhang wird ebenfalls auf die WO 00/36154 verwiesen, welche die Aufgabe gelöst hat, die Strömungsverluste bei kupfernen Kühlplatten mit eingegossenen, bzw. gebohrten Kühlkanälen zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Formstück in eine Aussparung im Kühlplattenkörper eingesetzt ist und einen strömungsoptimierten Umlenkkanal für das Kühlmedium ausbildet.

Bei der Auslegung des Wasserkühlkreislaufes des Hochofens ist zu beachten, dass die Bildung eines Dampffilms entlang der Wand eines Kühlkanals

BE TÄTIGUNGÖKOP unbedingt vermieden werden muss. Ein solcher Dampffilm weist in der Tat einen sehr großen Wärmeübergangswiderstand auf, so dass die Kühlung des Plattenkörpers im Bereich des Dampffilms stark beeinträchtigt wird und es zu einer lokalen Überhitzung des Plattenkörpers kommen kann. Um eine solche Dampffilmbildung sicher zu vermeiden wird, besonders in thermisch stark belasteten Bereichen, mit relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten (d.h. 1 ,5 bis 2,0 m/s) in den Kühlkanälen der Kühlplatten und kleinen Temperaturdifferenzen des Kühlwassers zwischen Ein- und Austritt gearbeitet (in der Regel 3°C bis 5°C). Es müssen folglich große Kühlwassermengen im Wasserkühlkreislauf des Hochofens umgewälzt werden (bei einem Hochofen mit einem Gestelldurchmesser von 10 m können dies 2500 bis 3000 m³/h sein). Diese großen Kühlwassermengen verteuern den Wasserkühlkreislauf durch große Rohrquerschnitte und Pumpen. Durch die relativ niedrige Rücklauftemperaturen werden relativ aufwendige Rückkühlanlagen erforderlich. Die Betriebskosten, wie z.B. die Energiekosten für den Betrieb der Umwälzpumpen und die Kosten für die Wasseraufbereitung, sind durch die großen Kühlwassermengen ebenfalls sehr hoch.

Aus der Patentliteratur sind viele Vorschläge bekannt die Kühlung von metallurgischen Öfen durch das Erzeugen von turbulenten Strömungen in Kühlelementen zu verbessern.

Die DE 29721941 U1 beschreibt z.B. eine in die Wand eines Elektroofens integrierte Kühlmittelleitung, die im Leitungsinnenraum Schikanen zur Erzeugung von lokalen Turbulenzen und/oder Steigerung der Durchflussgeschwindigkeit enthält. Hierdurch soll eine sich eine eventuell bildende Dampfschicht ständig wieder abbauen. Allerdings wird in der DE 29721941 U1 von einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 m/s ohne Einbauten und weniger als 3 m/s, bzw. 2,5 m/s mit Einbauten ausgegangen, was natürlich immer noch wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten sind, als sie in den Kühlkanälen der Staves vorliegen. Die US 4,210,101 befasst sich mit der Kühlung von einem Hochofen mittels sogenannten Kühlkästen. Im Gegensatz zu Staves, sind solche Kühlkästen Hohlkörper mit einer regelrechten Kühlkammer. Die US 4,210,101 schlägt vor, durch Einbauten in dieser Kühlkammer eine spiralförmige Bewegung des Kühlwassers zu erzeugen. Hierdurch soll die Kühlung des Kühlkastens verbessert werden. Für die Kühlung von modernen Hochöfen werden heute jedoch keine Kühlkästen, sondern vorwiegend kupferne und gusseiserne Staves eingesetzt.

Die SU 386 993 von 1970 betrifft einen Hochofenkühler mit einem gegossenen Gehäuse das eine Kühlschlange enthält. Die Kühlschlange weist einen Kühlwasserzulauf und einem Kühlwasserrücklauf auf. In den Kühlwasserzulauf ist eine Spiralmembrane eingebaut, die einen Wirbel erzeugt und eine turbulente Strömung in der Kühlschlange bewirkt, so dass eine bessere Kühlleistung erreicht wird. Hochofenkühler dieser Bauart konnten sich nicht durchsetzen.

Die SU 439 678 von 1971 betrifft einen rohrförmigen Kühler für metallurgische Öfen. Schikanen in dem Kühlerinnenraum sollen durch Verwirbelung eine turbulente Strömung erzeugen, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Kühlelement und dem Kühlmedium zunimmt.

Die LU 88010 betrifft einen Wandkühler aus Rohren für einen Lichtbogenofen. Parallele Rohrsegmente sind mittels kurzen Rohrstücken verbunden, welche die Kühlflüssigkeit tangential aus einem Rohrsegment ableiten und auch wiederum tangential in das nächste Rohrsegment einspeisen. Hierdurch wird ein spiralförmiger Kühlstrom in den parallelen Rohrsegmenten erzeugt, was die Kühlleistung des Wandkühlers steigern soll.

Betreffend Staves verbleibt anzumerken, dass ihre Kühlleistung nur unwesentlich durch den wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizient beeinflusst wird, so dass eine turbulente Strömung in den Kühlkanälen des Staves nicht unbedingt eine wesentlich bessere Kühlleistung gewährleistet. Andrerseits verursachen turbulente Strömungen natürlich wesentlich mehr Druckverluste, so dass eine turbulente Strömung in den Kühlkanälen der Staves nicht von vornherein von Vorteil ist. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen eines Hochofens mit Staves vorzuschlagen, das es ermöglicht sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten für den Wasserkühlkreisläuf wesentlich zu reduzieren, ohne hierbei an Sicherheit zu verlieren. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, besonders in thermisch stark belasteten Bereichen des Hochofens, der Kühlwasserdurchsatz derart herabgesetzt, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals kleiner als 1 ,0 m/s ist, ja sogar kleiner als 0,5 m/s sein kann. Hierzu ist festzustellen, dass bis zur vorliegenden Erfindung für den Fachmann die Regel galt, dass der Kühlwasserdurchsatz in den Kühlkanälen der Staves derart festgelegt wird, dass eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers von mindestens 1 ,5 m/s gewährleistet wird. Den Kühlkanälen mit dem reduziertem Durchfluss wird hierbei eine Wirbelvorrichtung derart vorgeschaltet, dass sie eine schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse des Kühlkanals erzeugt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit weist demnach im Kühlkanal eine Axial- und eine Umfangskomponente auf. Die Axialkomponente bestimmt den Durchfluss im Kühlkanal. Die Umfangskomponente hat hingegen keinen Einfluss auf den Durchfluss im Kühlkanal. Sie ermöglicht somit die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in der Nähe zur Wand des Kühlkanals zu erhöhen, ohne dass hierbei der Durchfluss der Kühlflüssigkeit im Kühlkanal erhöht wird. Hierdurch wird es möglich die benötigte Sicherheit gegen Dampffilmbildung zu gewährleisten und trotzdem den Durchfluss der Kühlflüssigkeit im Kühlkanal klein zu halten. Kleinere Kühlwassermengen verbilligen den Kühlkreislauf durch kleinere Rohrquerschnitte, kleiner Umwälzpumpen und kleinere Rückkühlanlagen. Die zusätzlichen Wirbelvorrichtungen verursachen zwar eine leichte Verteuerung der Kühlplatten, jedoch ist diese Verteuerung wesentlich niedriger als die vorerwähnten Einsparungen. Das erfindungsgemäße Verfahren verursacht weiterhin niedrigere Betriebskosten, insbesondere durch Einsparung an Energiekosten für die Umwälzung. Die zusätzlichen Wirbelvor- richtungen verursachen zwar einen zusätzlichen Druckverlust in den Kühlplatten, letzterer wird jedoch bei weitem dadurch kompensiert, dass die im Hochofenkühlkreis umgewälzten Wassermengen erfindungsgemäß stark reduziert werden. Es ist weiterhin hervorzuheben, dass durch den geringeren Kühlwasserdurchsatz, eine größere Temperaturdifferenz zwischen Rücklauft und Zulauf des Kühlwassers erzielt wird. Hierdurch wird ein besserer Wirkungsgrad der Rückkühlung erreicht. In thermisch schwächer belasteten Bereichen des Hochofens können

Kühlplatten ohne Wirbelvorrichtung eingesetzt werden, wobei der Kühlwasserdurchsatz dann derart ausgelegt ist, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals mindestens 1 ,5 m/s beträgt. Diese Kühlplatten ohne Wirbelvorrichtung werden dann vorteilhaft mit dem Kühlwasser beaufschlagt das sich bereits in den Kühlplatten mit Wirbelvorrichtung erwärmt hat. Hierzu wird ein Kühlkanal mit Wirbelvorrichtung einer ersten Kühlplatte mit einem Kühlkanal ohne Wirbelvorrichtung einer zweiten Kühlpatte in Reihe geschaltet. Der Querschnitt des Kühlkanals ohne Wirbelvorrichtung kann hierbei durch einen zentralen Verdrängungskörper ringförmig reduziert sein, so dass, bei gleichem Kühlwasserdurchsatz, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals kleiner als 1 ,0 m/s im Kühlkanal mit Wirbelvorrichtung ist und mindestens 1 ,5 m/s im Kühlkanal mit Verdrängungskörper beträgt.

In einer ersten Ausführung umfasst die Wirbelvorrichtung einen Einlass- stutzen der die Kühlflüssigkeit innerhalb des Plattenkörpers tangential in den

Kühlkanal einleitet. Die schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die

Längsachse des Kühlkanals wird somit unmittelbar am Anfang des Kühlkanals erzeugt.

Die Wirbelvorrichtung kann die Kühlflüssigkeit jedoch auch außerhalb des Plattenkörpers tangential in einen Anschlussstutzen einleiten der aus dem Plattenkörper herausgeführt ist.

Der Kühlkanal weist normalerweise eine glatte Oberfläche zur Kühlflüssigkeit auf. Um die schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse des Kühlkanals zu unterstützen kann der Kühlkanal jedoch auch, wie ein Kanonenlauf, eine Oberfläche mit schraubenförmigen Zügen aufweisen. Aus dem gleichen Grund kann man in den Kühlkanal auch mindestens einen axialen Drallkörper integrieren.

Der Kühlkanal kann ebenfalls einen zentralen Verdrängungskörper aufweisen, so dass in dem Kühlkanal ein Ringkanal für die Kühlflüssigkeit ausgebildet ist. Bei gleicher Wärmeaustauschfläche zum Kühlwasser (d.h. gleichem Durchmesser des Kühlkanals) und gleichem Durchfluss, vergrößert der zentrale Verdrängungskörper die axiale Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit im Kühlkanal und erhöht somit ebenfalls die Sicherheit gegen Dampffilmbildung. In anderen Worten, durch den zentralen Verdrängungskörper man kann mit einem geringeren Kühlwasserdurchfluss arbeiten, ohne dass hierbei ein größeres Risiko in Kauf genommen wird, dass die Kühlplatte durch lokale Dampffilmbildung überhitzt.

Im Hochofen werden kupferne Kühlplatten mit Wirbelvorrichtung vorteilhaft im Bereich des Kohlensacks und des unteren Schachts eingesetzt. In diesen Bereichen ist die thermische Belastung in der Tat am größten. Im Bereich des oberen Schachts des Hochofens können dann z.B. Kühlplatten aus Gusseisen eingesetzt werden, welche schlechtere thermische Eigenschaften aufweisen, jedoch verschließfester als kupferne Kühlplatten sind. Die Kühlkanäle der Kühlplatten aus Gusseisen weisen vorteilhaft einen zentralen Verdrängungskörper auf. Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren illustriert. Es zeigen:

Fig.1 : einen Längsschnitt durch eine erste Kühlplatte mit einer Wirbelvorrichtung;

Fig.2: einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2'-2" der Fig. 1 durch die Wirbelvor- richtung der Fig. 1 ;

Fig.3: einen Querschnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Kühlkanals mit zentralem Verdrängungskörper;

Fig.4: einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Kühlkanals mit zentralem Verdrängungskörper; Fig.5: einen Längsschnitt durch eine zweite Kühlplatte mit einer Wirbelvorrichtung; Fig.6: eine Draufsicht auf die Wirbelvorrichtung der Fig. 5;

Fig.7: einen Längsschnitt durch eine Kühlplatte mit Verdrängungskörper;

Fig.8: einen Querschnitt durch eine erste Ausgestaltung eines Kühlkanals mit zentralem Verdrängungskörper; Fig.9: einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines Kühlkanals mit zentralem Verdrängungskörper; Fig.10: einen dreidimensionalen Ausschnitt einer dritten Ausgestaltung einer

Kühlplatte mit Wirbelvorrichtungen; und Fig.H : einen dreidimensionalen Ausschnitt einer weiteren Ausgestaltung einer Kühlplatte mit Wirbelvorrichtungen.

Die Figuren 1 , 5, 7, 10 und 11 zeigen Kühlplatten 10, 110, 210, 310, 410, auch noch Staves genannt, wie sie in Hochöfen eingesetzt werden. Diese

Kühlplatten 10, 110, 210, 310, 410 werden hierbei an der Innenseite des Hochofenpanzers angebracht und können zum Ofeninnern hin mit einem feuerfesten Material ausgekleidet werden.

Die in Fig. 1 gezeigte Kühlplatte 10 umfasst einen im wesentlichen rechteckigen Plattenkörper 12 aus niedrig legiertem Kupfer, dessen Vorderseite 14 mit Rippen 16 zum Erzielen einer besseren Verbindung mit dem Feuerfestmate- rial versehen ist. Eine glatte Rückseite 18 des Plattenkörper 12 wird dem Ofenpanzer zugekehrt. Diese Rückseite 18, bzw. der ganze Plattenkörper 12, kann eine Krümmung aufweisen, die der Krümmung des Ofenpanzers ange- passt ist.

In Fig. 1 ist ein Kühlkanal 20 im Längsschnitt gezeigt. Der Plattenkörper 12 wird von mehreren solchen Kühlkanälen durchzogen, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Man beachte dass der Kühlkanal 20 an seinen beiden Enden jeweils in axialer Richtung verschlossen ist. Ein solcher Plattenkörper 12 kann z.B. vorteilhaft nach dem in der WO 98/30345 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, indem eine Vorform des Plattenkörpers mit Durchgangskanälen stranggegossen wird. Er kann jedoch auch nach dem in der US 4382585 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, wobei die Kühlkanäle in einen geschmiedeten oder gewalzten Kupferblock gebohrt werden.

Mit dem Bezugszeichen 22 ist in Fig. 1 und Fig. 2 global eine Wirbelvorrichtung bezeichnet, die dem Kühlkanal 20 vorgeschaltet ist. Diese Wirbelvor- richtung 22 umfasst einen trichterförmigen Einlassstutzen 26 der in einen gefrästen Schlitz in der Rückseite 18 des Plattenkörper 12 eingeschweißt, bzw. eingelötet ist. Dieser trichterförmige Einlassstutzen 26 bildet einen sich verjüngenden Einlasskanal 30 mit rechteckigem Querschnitt aus, der in dem Plattenkörper tangential in den Kühlkanal 20 einmündet. Man beachte, dass die Höhe „h" des Einlasskanals 30 an der Einmündung in den Kühlkanal 20 kleiner als der halbe Durchmesser des Kühlkanals 20 ist. Die Breite „b" des Einlasskanals 30 beträgt ungefähr den zweifachen Durchmesser des Kühlkanals 20 (siehe Fig. 1). Der Winkel „α" zwischen den zwei Ebenen 32, 34, die den sich verjüngenden Einlasskanal 30 ausbilden, beträgt in der gezeigten Ausführung ungefähr 18°. Durch den tangential Eintritt der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanal 20 erfährt die Kühlflüssigkeit eine Unfangsbeschleunigung, so dass sich im Kühlkanal 20 eine schraubenförmige Strömung um die Längsachse X des Kühlkanals 20 ergibt.

Mit dem Bezugszeichen 40 ist in Fig. 1 ein Auslassstutzen bezeichnet, der die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal 20 ableitet. In der gezeigten Ausführung ist dieser Auslassstutzen 40 ähnlich wie der bereits beschriebene Einlassstutzen 26 ausgebildet, das heißt dass die Kühlflüssigkeit auch wiederum tangential aus dem Kühlkanal 20 abgeleitet wird. Es bleibt jedoch anzumerken, dass der tangentiale Austritt der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal 20 einen wesentlich geringeren Beitrag zum Aufbau einer schraubenförmigen Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse X des Kühlkanals 20 liefert als der tangentiale Eintritt in den Kühlkanal 20. In den meisten Fällen kann deshalb auf einen tangentialen Austritt der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal 20 verzichtet werden. Ein zylindrischer Auslassstutzen kann dann in bekannter Art und Weise mittig in den Kühlkanal 20 einmünden.

Wie bereits eingehend erläutert, ermöglicht es die Rotation der Kühlflüs- sigkeit um die Längsachse X des Kühlkanals 20, den Durchfluss der Kühlflüssigkeit im Kühlkanal zu reduzieren, ohne die Sicherheit gegen Dampffilmbildung zu reduzieren. In anderen Worten, die Kühlplatte 10 kann einen wesentlich geringeren Kühlwasserdurchfluss als bekannte Kühlplatten aufweisen, ohne dass hierbei ein größeres Risiko in Kauf genommen wird, dass die Kühlplatte 10 durch lokale Dampffilmbildung überhitzt.

Erste Berechnungen haben ergeben, dass man bei einer Rotation des Kühlwassers, den Kühlwasserdurchfluss auf 20 % und weniger des üblichen Kühlwasserdurchflusses reduzieren kann (d.h. dass die mittlere axiale Ge- schwindigkeit im Kühlkanal 20 z.B. 0,3 m/s anstatt der üblichen 1 ,5 - 2 m/s beträgt). Diese Berechnungen haben ebenfalls erwiesen, dass die durch eine wesentliche Reduzierung des Kühlwasserdurchflusses bedingte Reduzierung der Druckverluste im Gesamtkühlkreislauf des Hochofens, die durch die Rotation des Kühlwassers bedingten zusätzlichen Druckverluste in den Kühl- platten mit Wirbelvorrichtung bei weitem übertrifft. Es erfolgt somit eine wesentliche Einsparung an Energie für die Umwälzung des Kühlwassers. Durch eine Reduzierung des Kühlwasserdurchflusses erhöht sich natürlich auch die Differenz zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur des Kühlwassers, so dass eine wirtschaftliche Wärmerückgewinnung möglich wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann ein zentraler Verdrängungskörper 42 im Kühlkanal 20 angeordnet werden, so dass in dem Kühlkanal 20 lediglich ein Ringkanal 44 für die Kühlflüssigkeit übrigbleibt. Bei gleichem Durchfluss vergrößert der zentrale Verdrängungskörper 42 hierbei die axiale Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit im Kühlkanal 20 und erhöht somit ebenfalls die Sicher- heit gegen Dampffilmbildung. In anderen Worten, man kann mit einem geringeren Kühlwasserdurchfluss arbeiten, ohne dass hierbei ein größeres Risiko in Kauf genommen wird, dass die Kühlplatte durch lokale Dampffilmbildung überhitzt. In Fig. 4 ist als weitere Ausgestaltungsmöglichkeit ein Kühlkanal 20' mit ovalem Querschnitt und einem zentralen Verdrängungskörper 42' gezeigt, der ebenfalls einen ovalen Querschnitt aufweist. Man beachte, dass άer ovale Querschnitt zwar größere Strömungsverluste verursacht, jedoch den eindeutigen Vorteil aufweist, dass die Wärmeaustauschfläche zur Kühlflüssigkeit vergrößert werden kann, ohne dass die Dicke des Plattenkörpers 12 vergrößert werden muss. Solche Verdrängungskörper 42, 42', die im wesentlichen die gleiche Länge wie der Kühlkanal 20, 20' aufweisen, werden z.B. axial in den Kühlkanal 20, 20' eingeschoben, bevor letzterer axial verschlossen wird. Abstandshalter 46, 46', die in gewissen Abständen entlang des Verdrängungskörpers 42, 42' angeordnet sind, zentrieren hierbei den Verdrängungskörper 42, 42' auf der Längsachse X des Kühlkanals 20, 20'.

Um bei einer dem Kühlkanal 20 vorgeschalteten Wirbelvorrichtung 22 zu gewährleisten, dass eine ausreichende Rotation des Kühlwassers bis zum Ausgang des Kühlkanals 20 vorliegt, kann in den Kühlkanal 20 mindestens ein axialer Drallkörper (nicht gezeigt) integriert werden, der die schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse X des Kühlkanals 20 unterstützt. Zum gleichen Zweck kann der Kühlkanal 20 auch eine Oberfläche mit schraubenförmigen Zügen aufweisen (nicht gezeigt), die ebenfalls eine schrau- benförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse X des Kühlkanals 20 unterstützt. Solche schraubenförmige Züge können auch in der Oberfläche der Verdrängungskörper 42, 42' eingearbeitet sein.

Die in Fig. 5 gezeigte Kühlplatte 110 umfasst einen im wesentlichen rechteckigen Plattenkörper 112 aus GGG (d.h. Gusseisen mit Kugelgraphit), der von mehreren parallelen Kühlkanälen durchzogen ist. Ein solcher Kühlkanal 120 wird durch ein U-förmig gebogenes Rohr 121 ausgebildet, das in den Plattenkörper 112 eingegossen ist. Die beiden Enden des Rohrs 121 sind als Anschlussstutzen 123, 125 des Kühlkanals 120 aus dem Plattenkörper 112 herausgeführt. Mit dem Bezugszeichen 122 ist in Fig. 5 und Fig. 6 global eine Wirbelvorrichtung 122 bezeichnet, welche die Kühlflüssigkeit außerhalb des Plattenkörpers 112 tangential in den Anschlussstutzen 123 einleitet. Wie die Wirbelvorrichtung 22, umfasst auch die Wirbelvorrichtung 122 einen trichter örmigen Einlassstutzen 126. Letzterer ist seitlich an den Anschlussstutzen 123 angeschweißt, so dass er die Kühlflüssigkeit tangential in den Anschlussstutzen 123 einleitet. Im Anschlussstutzen 123 baut sich folglich eine schraubenförmige Strömung auf, die sich anschließend in den eigentlichen Kühlkanal 120 fortpflanzt. Um zu vermeiden, dass die Rotation der Kühlflüssigkeit im Rohrbogen 127 abgebremst wird, kann man den trichterförmigen Einlassstutzen 126 direkt an das untere Ende des geraden Abschnitts des Rohrs 121 anschweißen. Hierbei muss man jedoch in Kauf nehmen, dass eine Schweißnaht in den Plattenkörper 112 eingegossen wird. Fig. 7 zeigt ebenfalls eine Kühlplatte 210, die ebenfalls aus Gusseisen gefertigt ist. Diese Kühlplatte 210 unterscheidet sich von der Kühlplatte 110 hauptsächlich dadurch, dass die Wirbelvorrichtung 122, durch einen zentralen Verdrängungskörper 242 ersetzt ist (siehe auch Fig. 8). Dieser zentrale Verdrängungskörper 242 lässt in dem Kühlkanal 220 lediglich einen Ringkanal 244 für die Kühlflüssigkeit übrig. Bei gleicher Wärmeaustauschfläche zum Kühlwasser (d.h. gleichem Durchmesser des Kühlkanals 220) und gleichem Durchfluss, vergrößert der zentrale Verdrängungskörper 242 die axiale Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit im Kühlkanal 220 und erhöht somit ebenfalls die Sicherheit gegen Dampffilmbildung. In anderen Worten, durch den zentralen Verdrängungskörper 242 kann man mit einem geringeren Kühlwasserdurchfluss arbeiten, ohne dass hierbei ein größeres Risiko in Kauf genommen wird, dass die Kühlplatte 210 durch lokale Dampffilmbildung überhitzt.

Der Verdrängungskörper 242 wird z.B. in das Rohr 221 eingeschoben bevor letzteres gebogen wird. Abstandshalter 246, die in gewissen Abständen entlang des Verdrängungskörpers 242 angeordnet sind, zentrieren hierbei den Verdrängungskörper 242 auf der Längsachse des Kühlkanals 220. Um das Biegen des Rohrs 221 zu erleichtern kann der Ringkanal 244 mit Sand aufgefüllt werden, der nach dem Biegen wieder entfernt wird.

Fig. 9 zeigt, dass auch ein Rohr 221 ' mit einem abgeflachten Querschnitt in den Plattenköper eingegossen werden kann. Wie bereits weiter oben erwähnt, weist ein abgeflachter Querschnitt den Vorteil auf, dass die Wärmeaustauschfläche zur Kühlflüssigkeit vergrößert werden kann, ohne dass die Dicke des Plattenkörpers vergrößert werden muss. Fig. 9 zeigt ebenfalls, dass in das Rohr 221 ' mit ovalem Querschnitt ein Verdrängungskörper 242' mit ovalem Querschnitt integriert werden kann.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer kupfernen Kühlplatte 310 im Bereich des Kühlwassereintritts. Bei dieser Kühlplatte 310 ist die Wirbelvorrichtung durch ein vorgefertigtes, massives Formstück 322 ausgebildet. Letzteres ist ein massives Gießstück das einen bogenförmigen Übergangskanal 330 mit eingeformten, schraubenförmigen Zügen 331 ausbildet. Letztere erzeugen eine schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse des Kühlkanals 320. Ein Anschlussstutzen 333 kann in das Formstück 322 eingelötet, eingeschweißt oder sogar beim Gießen des Formstück 322 eingegossen werden. Ein massiver Sockelansatz 335 am Formstück 322 erleichtert ein sicheres Befestigen des Anschlussstutzens 333 und dient zusätzlich als Distanzhalter für die Kühlplatte 310 bei der Montage an der Ofenwand. Die Aussparung für das Formstück 322 ist vorteilhaft von der Rückseite her in den kupfernen Kühlplattenkörper 312 eingefräst, wobei die Aussparung in eine Stirnseite 337 des Kühlplattenkörpers 312 einmündet und die Tiefe der Aussparung kleiner als die Dicke des Kühlplattenkörpers 312 ist. Die Nahtstelle zwischen dem Kühlplattenkörper 312 und dem Formstück 322 wird rundum an der Oberfläche zugeschweißt oder zugelötet. Durch die relativ einfache Form dieser Nahtstelle können diese Schweiß-, bzw. Lötarbeiten schnell und sicher ausgeführt werden. Es bleibt anzumerken, dass in der Ausführung nach Fig. 10 der Anschlussstutzen 333 und der Kühlkanal 320 im Kühlplattenkörper 312 jeweils den gleichen Querschnitt aufweisen.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Kühlplatte 410, weist der Kühlkanal 420 im kupfernen Kühlplattenkörper 412 einen ovalen Querschnitt auf, wohingegen der

Anschlussstutzen 433 einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Ein progressiver

Übergang vom kreisrunden auf den ovalen Querschnitt wird hierbei durch den Übergangskanal 430 des Formstücks 422 gewährleistet.

Es bleibt anzumerken, dass die Ausführungen der Figuren 10 und 11 , im

Vergleich zu den Ausführungen der Figuren 1 bis 4, den Vorteil aufweisen, dass das Einleiten des Kühlwassers in den Kühlkanal, durch den strömungstechnisch optimierten, bogenförmigen Übergangskanal 330 mit eingeformten, schrau- benförmigen Zügen 331 , mit einem wesentlich geπngeren Druckverlust erfolgt.

Im Hochofen werden kupferne Kühlplatten 10, 310, 410 mit Wirbelvor- richtung besonders vorteilhaft im thermisch stark belasteten Bereich des Kohlensacks und des unteren Schachts eingesetzt. Gusseiserne Kühlplatten 110, 210 mit Wirbelvorrichtung und/oder Verdrängungskörper werden besonders vorteilhaft im Bereich des oberen Schachts eingesetzt. Der Durchfluss des Kühlwassers in den Kühlkanälen der Kühlplatten wird hierbei vorteilhaft derart festgelegt, dass: in den Kühlkanälen mit Wirbelvorrichtung die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals vorteilhaft kleiner als 1 ,0 m/s, bzw. sogar kleiner als 0,5 m/s ist; und

> in den Kühlkanälen ohne Wirbelvorrichtung die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals vorteilhaft größer als 1 ,5 m/s, bzw. sogar größer als 2,0 m/s ist; wobei diese Geschwindigkeit durch einen eingesetzten Verdrängungs- körper erzielt werden kann.

Abschließend ist anzumerken, dass die vorgestellten Kühlplatten selbstverständlich nicht nur in Hochofen und anderen Schachtöfen, sondern auch in Tiegelöfen einsetzbar sind.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Kühlen eines Hochofens mit Kühlplatten, die einen massiven Plattenkörper (12, 112, 312, 412) umfassen in den gerade Kühlkanäle (20, 120, 320, 420) integriert sind, welche von Kühlwasser durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass besonders in thermisch stark belasteten Bereichen des Hochofens, der

Kühlwasserdurchsatz derart herabgesetzt wird, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals kleiner als 1 ,0 m/s ist, wobei diesen Kühlkanälen (20, 120, 320, 420) mit reduziertem Durchfluss eine Wirbelvorrichtung (22, 122, 322, 422) derart vorgeschaltet ist, dass sie eine schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse (X) des Kühlkanals (20, 120, 320, 420) erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals kleiner als 0,5 m/s ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in thermisch schwächer belasteten Bereichen des Hochofens, Kühlplatten ohne Wirbelvorrichtung (22, 122, 322, 422) eingesetzt werden, wobei der Kühlwasserdurchsatz derart ausgelegt ist, dass die mittlere Strömungsge- schwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals mindestens 1 ,5 m/s beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal mit Wirbelvorrichtung einer ersten Kühlplatte mit einem Kühlkanal ohne Wirbelvorrichtung einer zweiten Kühlpatte in Reihe geschaltet ist, wobei der Querschnitt des Kühlkanals ohne Wirbelvorrichtung durch einen zentralen

Verdrängungskörper (42, 42') ringförmig reduziert ist, derart dass, bei gleichem Kühlwasserdurchsatz, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals kleiner als 1 ,0 m/s im Kühlkanal mit Wirbelvorrichtung ist und mindestens 1 ,5 m/s im Kühlkanal mit Verdrängungskörper beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelvorrichtung (22) einen Einlassstutzen (26) umfasst der die Kühlflüssigkeit innerhalb des Plattenkörpers (12) tangential in den Kühlkanal (22) einleitet.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelvorrichtung (22) einen Auslassstutzen (40) umfasst der die Kühlflüssigkeit tangential aus dem Kühlkanal (20) ableitet.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der massive Plattenkörper (12) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist, und der Einlass- bzw. Auslassstutzen (22, 40) in den Plattenkörper (12) eingeschweißt oder eingelötet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte einen ersten Anschlussstutzen (123) umfasst der den Kühlkanal (120) nach außen verlängert, wobei die Wirbelvorrichtung (122) die Kühlflüssigkeit au- ßerhalb des Plattenkörpers (112) tangential in den Anschlussstutzen (123) einleitet.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenkörper (112) aus Gusseisen gefertigt ist, wobei der Kühlkanal (120) durch ein eingegossenes U-förmig gebogenes Rohr (121) ausgebildet wird und die beiden Enden des Rohrs (121) jeweils als Anschlussstutzen (123, 125) des

Kühlkanals (120) aus dem Plattenkörper herausragen, und wobei die Wirbelvorrichtung (122) die Kühlflüssigkeit außerhalb des Plattenkörpers (112) tangential in einen der beiden Anschlussstutzen (123) einleitet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (20, 120) eine glatte Oberfläche zur Kühlflüssigkeit aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal eine Oberfläche mit schraubenförmigen Zügen aufweist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (20, 20') einen zentralen Verdrängungskörper (42, 42') aufweist, so dass in dem Kühlkanal (20, 20') ein Ringkanal für die Kühlflüssigkeit ausgebildet ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlkanal mindestens ein axialer Drallkörper integriert ist, der die schraubenförmige Strömung der Kühlflüssigkeit um die Längsachse des

Kühlkanals unterstützt.

14. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelvorrichtung durch ein vorgefertigtes massives Formstück (322, 422) ausgebildet wird, das in eine von außen zugängliche Aussparung in dem Kühlplatten- körper (312, 412) eingelötet oder eingeschweißt ist und einen bogenförmigen Übergangskanal (330, 430) mit eingeformten, schraubenförmigen Zügen (331 , 431 ) aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Formstück (322, 422) ein Gießstück ist.

16. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (310, 410) mindestens einen Anschlussstutzen (333) aufweist der in das Formstück (322, 422) eingeschweißt, eingelötet oder eingegossen ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass: die Kühlplatte (310, 410) einen kupfernen Kühlplattenkörper (312, 412) aufweist; und die Aussparung für das Formstück (322, 422) von der Rückseite her in den kupfernen Kühlplattenkörper eingefräst ist, wobei die Tiefe der Aussparung kleiner als die Dicke des Kühlplattenkörpers (312, 412) ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass: die Aussparung für das Formstück (322) in eine Stirnseite (337) des Kühlplattenkörpers (312) einmündet und die Tiefe der Aussparung kleiner als die Dicke des Kühlplattenkörpers (312) ist; und die Nahtstelle zwischen dem Kühlplattenkörper (312) und dem Formstück (322) rundum an der Oberfläche zugeschweißt oder zugelötet ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass: die Kühlplatte (410) einen Anschlussstutzen (433) aufweist der in den Übergangskanal (430) des Formstücks (422) einmündet; und der Kühlkanal (420) im Kühlplattenkörper (412) einen ersten Querschnitt und der Anschlussstutzen (433) einen zweiten, unterschiedlichen Querschnitt aufweist, wobei im Übergangskanal (430) der Übergang vom ersten auf den zweiten Querschnitt progressiv erfolgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Querschnitt oval und der zweite Querschnitt kreisrund ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Hochofen einen Kohlensack, einen unteren Schacht und einen oberen Schacht umfasst die mittels Kühlplatten gekühlt sind, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen die Kühlplatten des Kohlensacks und des unteren Schachts Wirbelvorrichtungen (22, 122, 322, 422) aufweisen.

22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenkörper (12, 112) der Kühlplatten des Kohlensacks und des unteren Schachts aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist.

23. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Schacht durch Kühlplatten aus Gusseisen (210) gekühlt ist.

24. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten aus Gusseisen (210) in ihren Kühlkanälen einen zentralen Verdrängungs- körper (242, 242') )aufweisen.

25. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten aus Gusseisen Kühlkanäle mit einem ovalen Querschnitt aufweisen.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss des Kühlwassers in den Kühlkanälen der Kühlplatten derart festgelegt ist, dass: in den Kühlkanälen mit Wirbelvorrichtung die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals kleiner als 1 ,0 m/s ist; und in den Kühlkanälen aus Gusseisen ohne Wirbelvorrichtung die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Richtung der Längsachse des Kühlkanals größer als 1 ,5 m/s ist.