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Querverweis auf verwandte
Anmeldung
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Diese
Anmeldung beansprucht den Vorteil der provisorischen US-Patentanmeldung
60/184,147 vom 22. Februar 2007.
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur metallurgischen
Verarbeitung, insbesondere zur Stahlherstellung. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf eine Kühlvorrichtung
für einen
metallurgischen Ofen. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf
eine Art eines Rohres, das in einer Kühlvorrichtung für einen
elektrischen Stahlherstellungs-Lichtbogen-Ofen verwendet wird, und
die Vorrichtung, die das Rohr hierin enthält.
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Hintergrund der Erfindung
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Stahl
wird durch Schmelzen und Raffinieren von Eisen und Stahlabfällen in
einem elektrischen Lichtbogen-Ofen (EAF) hergestellt. Heute wird
der EAF für
den Fachmann der Stahlproduktion als die einzige am stärksten kritische
Vorrichtung in einem Stahlwerk oder einer Gießerei betrachtet. Entsprechend
ist es von lebenswichtiger Bedeutung, dass jeder EAF so lange wie
möglich
betriebsfähig
bleibt.
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Strukturelle
Schäden,
die während
des Ladevorganges hervorgerufen werden, beeinflussen die Betriebsweise
eines EAF. Weil Schrott eine geringere effektive Dichte als geschmolzener
Stahl hat, muss der EAF ein ausreichendes Volumen aufweisen, um
den Schrott aufzunehmen und dennoch die gewünschte Menge an Stahl zu erzeugen.
Während der
Stahl schmilzt, bildet er ein heißes Metallbad in dem Herd oder
dem Schmelzebereich in dem unteren Teil des Ofens. Wenn das Volumen
des Stahls in dem Ofen verringert wird, steigt jedoch das freie
Volumen in dem EAF an. Der Teil des Ofen oberhalb des Herdes oder
des Schmelzbereiches muss gegen die hohen Innentemperaturen des
Ofens geschützt werden.
Die Behälter-Wand,
der Deckel oder das Dach und die Kanäle werden besonders durch massive
thermische chemische und mechanische Beanspruchungen gefährdet, die
durch das Laden und Schmelzen des Stahls hervorgerufen werden. Derartige
Beanspruchungen beschränken
sehr stark die Betriebslebensdauer des Ofens.
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Historisch
gesehen wurde der EAF allgemein als eine geschweißte Stahlstruktur
entwickelt und hergestellt, die gegen die hohen Temperaturen des
Ofens durch eine feuerfeste Auskleidung geschützt war. Die
FR-2,336,648 beschreibt ein Kühlsystem
für einen
Hochofen. Das System beschreibt die Bereitstellung eines Feldes
von Kühlrohren
gegen die Außenoberfläche einer
feuerfesten Auskleidung des Hochofens, um die feuerfeste Auskleidung zu
kühlen.
Das Feld wird durch eine Serie von Rohren gebildet, die Rippen aufweisen,
die von jeder Seite der Mittelachse des Rohres aus vorspringen,
so dass die Rippen benachbarter Rohre miteinander verschweißt werden
können,
um eine einstückige Struktur
zu bilden.
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In
den späten
1970-iger und frühen 1980-iger
Jahren begann die Stahlindustrie, derartige Beanspruchungen durch
Ersetzen der aufwendigen feuerfesten Steine durch wassergekühlte Deckplatten
und wassergekühlte
Seitenwandplatten zu beseitigen, die in Teilen des Ofensbehälters oberhalb des
Schmelzebereiches angeordnet sind. Wassergekühlte Platten wurden auch zur
Auskleidung von Ofen-Kanälen verwendet.
Vorhandene wassergekühlte
Platten werden mit verschiedener Güte und Arten von Platten und
Rohren hergestellt.
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Die
Verwendung von wassergekühlten
Platten hat die Kosten für
feuerfeste Materialien verringert und es weiterhin Stahlherstellern
ermöglicht,
jeden Ofen über
eine größere Anzahl
von Heizvorgängen
zu betreiben. Weiterhin hat es eine wassergekühlte Ausrüstung ermöglicht, dass die Öfen mit
vergrößerten Leistungspegeln
arbeiten. Entsprechend wurde die Produktion vergrößert und
die Ofen-Verfügbarkeit
wurde zunehmend wichtig.
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Obwohl
wassergekühlte
Platten länger
halten als feuerfeste Ziegel, haben die Platten Probleme hinsichtlich
der Abnutzung, und sie sind Schäden
unterworfen. Ein kritischer Durchbruch von einer oder mehrerer der
Platten erfolgt üblicherweise innerhalb weniger
Monate des Ofen-Betriebs. Wenn ein derartiger Durchbruch auftritt,
muss der EAF aus der Produktion für ungeplante Wartungen herausgenommen werden,
um die beschädigten
wassergekühlten
Platte zu reparieren. Weil geschmolzener Stahl während der Ausfallzeit von dem
Stahlwerk nicht erzeugt wird, können
gelegentlich Verluste von bis zu fünftausend Dollar pro Minute
für die
Herstellung bestimmter Arten von Stahl auftreten. Zusätzlich zu
der verringerten Produktion können
ungeplante Unterbrechungen die Betriebs- und Wartungskosten beträchtlich
vergrößern.
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Um
die Lebensdauer von wassergekühlten Bauteilen
zu vergrößern, werden
Anstrengungen gemacht, das Anhaften von Schlacke an der Oberfläche der
wassergekühlten
Ausrüstungen
zu fördern.
Anhaftende Schlacke „erstarrt", das heißt sie verfestigt sich
an der wassergekühlten
Ausrüstung,
wodurch eine thermische und chemische Sperre zwischen der Kühlausrüstung und
dem Inneren des Ofens gebildet wird.
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Bei
bekannten Öfen
wird das Anhaften der Schlacke an der Kühlausrüstung durch Anschweißen von
Bolzen, Rippen oder schalenförmigen
Bauteilen auf die Oberfläche
der Ausrüstung
oder durch die Verwendung von Schlacken-Stäben oder anderen ähnlichen
Gegenständen
gefördert.
Beispielsweise beschreibt das
US-Patent 4,221,922 eine
Rippe, die an einer wassergekühlten
Platte angeschweißt
ist. Diese typischen Verfahren erzeugen jedoch Spannungsanstiege,
das heißt
den Beginn von Brüchen an
der molekularen Ebene innerhalb des Materials der wassergekühlten Rohre.
Die Spannungsanstiege werden durch örtliche Wärmeunterschiede oder Spannungsunterschiede
während
der Herstellung der Rohre hervorgerufen. Während ein elektrischer Lichtbogen-Ofen
Zyklen durchläuft,
dehnen sich die Bauteile aus und sie ziehen sich zusammen, wodurch
die Korn-Struktur
in dem Material der Rohre aufgebrochen wird und die spannungserhöhenden Bereiche
verbreitert werden, bis ein Rohr in der Kühlvorrichtung vorzeitig ausfällt. Wasser,
das aus einem beschädigten
Rohr in dem Ofen ausleckt, kann möglicherweise zu einer katastrophalen
Reoxidation des heißen
Metalls in dem Ofen führen.
Entsprechend muss ein beschädigtes
Kühlelement
zeitig ersetzt werden.
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Es
besteht daher ein Bedarf an einer verbesserten wassergekühlten Ofenplatten-Vorrichtung, die länger als
vorhandene vergleichbare Platten betriebsfähig bleibt, und weiterhin betriebsfähig bleibt, selbst
wenn irgendwelche strukturelle Schäden auftreten, bis eine geplante
Wartung erfolgt.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein einstückiges dickwandiges Stahl-,
Eisen- oder eisenhaltiges Legierungs-Rohr zur Verwendung in einer
Kühlplatte
in einem elektrischen Lichtbogen-Ofen gerichtet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein dickwandiges Stahl-, Eisen- oder Ferrolegierungs-Rohr
gemäß Anspruch
1 und eine Ofen-Baugruppe gemäß Anspruch
11 geschaffen.
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Die
vorliegende Erfindung ergibt weiterhin ein dickwandiges Stahl-,
Eisen- oder Ferrolegierungs-Rohr, wie es im Anspruch 17 angegeben
ist.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird das einstückige Rohr durch
Extrudieren oder Strangpressen gebildet, wobei die Masse der Hälfte des
rohrförmigen
Abschnittes, der den Wulst einschließt im Wesentlichen äquivalent
zur Masse der anderen Hälfte
des rohrförmigen
Abschnittes ist, die den Basis-Abschnitt einschließt.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der Erfindung schließt das Rohr die folgenden Merkmale einzeln
oder in Kombination ein: eine Anzahl von langgestreckten Wülsten, sich
radial erstreckenden Wülsten,
Wülsten
mit unterschiedlichen Längen
und in Segmente unterteilte Wülste.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Vielzahl von einstückigen Rohren in
einer Serpentinen-Weise miteinander verbunden und mit einer Platte
verbunden. Die Platte ist mit dem Inneren eines elektrischen Lichtbogen-Ofens
verbunden.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Kühlen
der Innenwand eines elektrischen Lichtbogens geschaffen, wie es
im Anspruch 20 angegeben ist. Das Verfahren schließt die Bereitstellung einer
Kühlplatte
mit einer Vielzahl von extrudierten einstückigen Rohren ein. Die Rohre
haben einen kreisförmigen Querschnitt,
einen langgestreckten Wulst und einen Basis-Abschnitt. Das Verfahren
schließt
weiterhin die Schritte des Anbringens der Kühlplatte an dem Inneren des
elektrischen Lichtbogen-Ofens, das Festhalten von vorübergehenden
Material von dem elektrischen Lichtbogen-Ofen an dem langgestreckten Wulst
und die Entfernung der Rohr-Baugruppe aus dem elektrischen Lichtbogen-Ofen
ein.
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Die
Erfindung ist ein dickwandiges Rohr für eine Kühlplatte, wobei das Rohr rippenartige
Strukturen aufweist, die sich von der Oberfläche des Rohres aus erstrecken.
Eine Gruppe der Rohre ist entlang der Innenwand eines elektrischen
Lichtbogen-Ofens oberhalb des Herdes angeordnet, wodurch eine Kühloberfläche zwischen
dem Inneren und Außenwand
des Ofens gebildet wird.
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Die
Rippen oder Wülste,
die sich von der Rohroberfläche
erstrecken, wirken im Sinne eines Festhaltens von Schlacke und versprühtem Material von
der Eisen-Schlacke-Mischung
in dem elektrischen Lichtbogen-Ofen während des Raffinierens des
geschmolzenen Materials in dem Ofen. Die Schlacke wird durch die
Rippen gesammelt und gegen die Rohroberfläche festgehalten. Die festgehaltene
Schlacke wirkt als eine Isoliersperre zwischen dem geschmolzenen
Eisenmaterial und den Kühlrohren
sowie der Wand, die die Rohre trägt.
Dies schützt die
Wand und die Rohre gegen die extreme Hitze und chemisch reaktive
Bedingungen innerhalb eines typischen elektrischen Lichtbogen-Ofens
und vergrößert entsprechend
die Langlebigkeit der Rohre und der Kühlplatten-Vorrichtung insgesamt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorstehenden und andere Ziele werden ohne Weiteres unter Bezugnahme
auf die folgende ausführliche
Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen
ersichtlich, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Anordnung von Wärmetauscher-Rohren ist, die mit einer Platte gemäß der vorliegenden
Erfindung verbunden sind;
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2 eine
Querschnittsansicht des Rohres mit einem einzigen Wulst ist;
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3 eine
Querschnittsansicht des Rohres mit einer Vielzahl von Wülsten ist;
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4 eine
Querschnittsansicht des Rohres mit einer Vielzahl von Wülsten mit
unterschiedlicher Querschnittsfläche
ist;
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5 eine
Vorderansicht eines Rohres mit einem in Segmente unterteilten Wulst
ist; und
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6 eine
Vorderansicht einer Anordnung von Wärmetauscher-Rohren bei Betrachtung
von der Innenseite eines Ofens aus ist.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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1 zeigt
eine Anordnung von Wärmetauscher-Rohren 10,
die einen rohrförmigen
Querschnitt 12, Rippen oder Wülste 14 und einen
Basis-Abschnitt 16 gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweisen. Das Wärmetauscher-Rohr 10 ist
an einer Platte 18 befestigt und zwischen dem Inneren und
einer Wand eines elektrischen Lichtbogen-Ofens 19, 20 angeordnet.
Die Wärmetauscher-Rohre 10 werden
zum Kühlen
der Wand des Ofens 20 oberhalb des Herdes verwendet. Die
Wülste 14 verbessern
das Festhalten von Schlacke auf den Kühlrohren 10. Anhaftende Schlacke
erstarrt an den wassergekühlten
Rohren 10, wodurch eine chemische und thermische Sperre zwischen
den Kühlrohren 10 und
dem Inneren des Ofens 19 gebildet wird.
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Wie
dies in den 2, 3 und 4 gezeigt
ist, schließt
das Rohr 10 einen rohrförmigen
Abschnitt 12, einen Basis-Abschnitt 16 und zumindest eine
Rippe oder einen Wulst 14 ein. Der rohrförmige Abschnitt 12 ist
hohl, um Wasser oder andere Kühlflüssigkeiten
zu transportieren. Der Basis-Abschnitt 16 weist einen ebenen
Boden 22 zur Verbindung mit der Platte 18 auf.
Der Basis-Abschnitt 16 ist mit vorspringenden Enden 24 versehen,
die vorzugsweise die Strecke des Außendurchmessers des Rohres 10 erweitern,
um einen Kontakt mit dem Basis-Abschnitt 16 eines
benachbarten Rohres 10 herzustellen. Alternativ können sich
die vorspringenden Enden 24 mehr oder weniger als der Außendurchmesser
des Rohres 10 erstrecken. Der Basis-Abschnitt 16 wirkt zusätzlich als
eine Dichtungsstange zur Erleichterung des Herstellungs-Verfahrens.
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Der
Wulst oder die Rippe 14 ist auf dem Außendurchmesser des rohrförmigen Abschnittes 12 gegenüberliegend
zu dem Basis-Abschnitt 16 angeordnet. Das Rohr 10 kann
eine Rippe 14 aufweisen, wie dies in 2 gezeigt
ist, oder eine Vielzahl von Rippen 14, wie dies in den 3 und 4 gezeigt ist.
Weiterhin müssen,
wie dies in 4 gezeigt ist, die eine längere mittlere
Rippe und kürzere
Seitenrippen aufweist, die Rippen 14 des gleichen Rohres 10 keine
sich über
die gleiche Strecke erstreckende Größe oder Querschnittsform aufweisen.
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Bei
jeder Ausführungsform
ist die Rippe 14 langgestreckt und erstreckt sich entlang
der Länge des
rohrförmigen
Abschnittes 12 und springt von der Außenoberfläche des rohrförmigen Abschnittes 12 vor.
Die Rippe 14 springt unter einem rechten Winkel von einer
Tangente an den rohrförmigen
Abschnitt 12 nach außen
vor. Vorzugsweise hat die Rippe 14 einen gleichförmigen allgemein
trapezförmigen
Querschnitt, der sich geringfügig
in Richtung auf das äußere Ende 28 verjüngt. Zwei
Seiten 26 der Rippe 14 stehen mit dem rohrförmigen Abschnitt 12 in
einer sanften kontinuierlichen Weise in Verbindung und bilden jeweils
eine konkave Oberfläche.
Alternative Konstruktionen, Formen und Ausrichtungen der Rippe 14 können verwendet
werden, die das Anhaften von Schlacke an dem Kühlrohr fördern. Beispielsweise kann
die Rippe 14 unter einem schrägen oder spitzen Winkel von
der Tangente an dem rohrförmige Querschnitt 12 aus
vorspringen. Zusätzlich
können die
Seiten 26 und/oder das äußere Ende
von der Rippe 14 mit einer weiteren Rippe versehen werden.
Der Begriff Rippe soll eine Vielzahl von Rippen, Wülsten, Wellen
oder Einkerbungen einschließen.
Weiterhin kann die Rippe 14 diskontinuierlich sein, das
heißt, sie
kann aus unterbrochenen Segmenten der Rippe 14 gebildet
sein, wie dies in 5 gezeigt ist.
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Wie
dies in 3 gezeigt ist, sind die Rippe 14 und
der Basis-Abschnitt 16 so ausgerichtet, dass sie auf gegenüberliegenden
Seiten einer Mittellinie 30 des rohrförmigen Abschnittes 12 liegen.
Weiterhin ist die Größe und Position
der Rippe 14 und des Basis-Abschnittes 16 derart,
dass die Masse auf jeder Seite der Mittellinie 30 äquivalent
ist. Entsprechend wird, wenn die Anzahl der Rippen 14 vergrößert wird, entweder
der Basis-Abschnitt 16 vergrößert oder die Querschnittsfläche der
Rippe 14 wird verkleinert. Die Querschnittsfläche kann
dadurch verringert werden, dass die Rippe 14 schmaler gemacht
wird und/oder die Strecke verringert wird, über die sich die Rippe 14 von
dem rohrförmigen
Querschnitt 14 aus erstreckt.
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Zusätzlich zu
der Massen-Symmetrie wird die Querschnittsform, die Anzahl, Länge und
radiale Trennung der Rippen 14 durch die Schlackehalte- und
Wärmeübertragungs-Charakteristiken
des Rohres 10 und der Kühlvorrichtung
insgesamt bestimmt. Irgendeine Anzahl von Rippen 14 kann
vorgesehen werden, wie zum Beispiel von einer bis sechs Rippen,
und vorzugsweise zwei Rippen. Weiterhin kann sich die Rippe 14 nach
außen
hin über
irgendeine Länge
erstrecken, vorzugsweise von 6 mm (1/4 Zoll) bis zu 10 cm (vier
Zoll), und besonders bevorzugt ungefähr 16 mm (5/8 Zoll). Weiterhin
können
die Rippen 14 einen Abstand voneinander von bis zu 120
Grad und vorzugsweise von ungefähr
45 Grad aufweisen. 3 zeigt die bevorzugte Ausführungsform
des Rohres 10 mit zwei Rippen 14, die sich über ungefähr 16 mm
(5/8 Zoll) nach außen
erstrecken, wobei die Rippen 14 einen gegenseitigen Abstand
von ungefähr
45 Grad haben.
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Wie
dies in 1 gezeigt ist, ist eine Vielzahl von
Rohren 10 mit der Platte 18 verbunden. Die Rohre 10 sind
parallel zueinander, und sie sind vorzugsweise so angeordnet, dass
der Basis-Abschnitt 16 jedes Rohres 10 an dem
Basis-Abschnitt 16 eines benachbarten Rohres 10 anliegt.
Die Rohre 10 sind serpentinenförmig miteinander verbunden,
das heißt
ein (nicht gezeigter) Krümmer
verbindet jedes Rohr 10 mit dem nachfolgenden Rohr 10.
Die Platten der Rohre 10 können in einer horizontalen
Weise oder in einer vertikalen Weise angeordnet sein. Weiterhin können die
Rohre 10 geradlinig sein, oder die Rohre 10 können gekrümmt sein,
um den Innenumriss der Ofen-Wand 20 zu folgen.
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Das
Wärmetauscher-Rohr 10 unter
Einschluss des rohrförmigen
Abschnittes 12, der Rippe 14 und des Basis-Abschnittes 16 ist
einstückig
und wird vorzugsweise durch einen Strangpress-Vorgang erzeugt, es
können
jedoch auch andere Verfahren, wie zum Beispiel ein Gießen verwendet
werden. Unter einstückig
wird verstanden, dass das Rohr 10 (das heißt der rohrförmige Abschnitt 12,
die Rippe 14 und der Basis-Abschnitt 16) in einer
kontinuierlichen Vorrichtung geformt wird, im Gegensatz zu den getrennten
Teilen, die beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden werden,
um eine Vorrichtung zu bilden. Zum Extrudieren wird das Rohr 10 aus
einem dickwandigen Stahl-Eisen- oder Ferrolegierung-Material geformt.
Vorzugsweise ist die Masse auf jeder Seite der Mittellinie des rohrförmigen Abschnittes 12 äquivalent,
so dass Spannungsanstiege während
der Herstellung des Rohres 10 nicht erzeugt werden. Weil
eine relativ gleichförmige
Temperatur unter Beanspruchs-Charakteristiken in dem Material des
Rohres 10 während
seiner Herstellung aufrecht erhalten wird, ist das Rohr weniger
Schäden
ausgesetzt, die durch dramatische Temperaturänderungen hervorgerufen werden,
die beim zyklischen Betrieb des elektrischen Lichtbogen-Ofens hervorgerufen werden.
Zum Gießen
kann das Rohr 10 aus einer Gußlegierung hergestellt werden,
beispielsweise aus Gußeisen
oder Gußstahl.
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Im
Betrieb werden die extrudierten Wärmetauscher-Rohre 10 an
der Platte 18 befestigt. Die Platte 18 ist in
dem elektrischen Lichtbogen-Ofen aufgehängt. Zirkulierende Flüssigkeit,
die an die Rohre 10 geliefert wird, durchströmt jedes
der Rohre 10 in einer Serpentinen-Weise. Schlacke, die
von dem Herd des Ofens auf die Rohre 10 aufspritzt, wird durch
die Oberfläche
der Rohre 10 und die Rippen 14 festgehalten. Die
durch die Rohre 10 gekühlte
Schlacke erstarrt an den Rohren 10 und bildet eine Isoliersperre
zwischen dem Inneren des Ofens und den Rohren 10 und entsprechend
der Ofen-Wand 20. Bei Ausfall eines Rohres 10 kann
die Platte von Rohren zu Reparatur-Zwecken entfernt und durch eine
neue Platte von Rohren ersetzt werden.
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Obwohl
spezielle Ausführungsformen
der Erfindung ausführlich
beschrieben wurden, ist es verständlich,
dass die Erfindung alle Änderungen
und Modifikationen einschließt,
die unter die Formulierung der Ansprüche fallen, die hier beigefügt sind.