Die Erfindung bezieht sich auf eine Halterung, nachfolgend auch Injektor- kühlblock genannt, zur Aufnahme mindestens eines Injektors in metallurgischen Gefäßen, insbesondere in Elektrolichtbogenöfen, mit dem Medien wie Gase und/oder Feststoffe in das metallurgische Gefäß eingebracht werden, wobei mittels des Kühlmittelführungen aufweisenden Injektorkühlblocks der jeweilige Injektor über eine Öffnung geschützt an oder in der Gefäßwand des metallurgi- sehen Gefäßes angeordnet ist. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Injektorkühlblocks.

Grundsätzlich ist der Injektorblock ein Bauteil, welches meist aus Kupfer ist, mit einem innen liegenden Kühlwasserkanal. Durch die Wasserkühlung und die große Wärmeleitfähigkeit des Kupfers wird der Kupferwerkstoff auf einer Temperatur gehalten, die eine Zerstörung des Injektorblocks im Innenraum eines Elektrolichtbogenofens verhindert. Der Injektorblock hat eine Öffnung, durch die mit Hilfe eines lnjektionssystemes Gase und/oder Feststoffe in einen Elektrolichtbogenöfen eingeblasen werden können. Der Injektorblock dient dabei als Schutz für das Injektionssystem vor mechanischer Beanspruchung durch

Schrott und Legierungen, starker Wärmeeinwirkung durch Strahlung der heißen Metallschmelze und des Lichtbogens und Kontakt zur schmelzflüssigen Phase. Weiterhin schließt das wassergekühlte Element als spezielle Baueinheit eines Ofenwandelements den Ofeninnenraum nach außen hin ab.

Bei vorbekannten Lösungen für Injektorblöcke oder Injektorelemente handelt es sich zumeist um gegossene Kupferwerkstücke, in welche Kühlrohre mit einem Durchmesser von ca. 70 mm eingegossen werden, die am hinteren Ende des Blocks an einem Wasserzulauf und -ablauf bzw. Wasserkreislauf angeschlos- sen sind. Aufgrund des großen Durchmessers der eingegossenen Kühlrohre fließt das Wasser mit geringer Strömungsgeschwindigkeit durch diese Rohre. Dies u.a. führt zu Ablagerung in den Kühlrohren und somit zu einer starken Verminderung der Wärmeleitfähigkeit.

Vorbekannte Lösungen weisen aufgrund frühzeitiger Zerstörung durch Einwirkung thermischer Belastungen in Elektrolichtbogenöfen eine geringe Lebens- dauer auf. Die gegossenen Kupfer-Kühlelemente weisen aufgrund ihrer Grobkörnigkeit eine schlechte Werkstoffhomogenität- und Festigkeit auf, es besteht die Gefahr, dass während des Gießens des Bauteils Lunker entstehen, die das Gefüge schwächen und eine Gefahr der Undichtigkeit des Bauteils darstellen. Schweißkonstruktionen, die mit konventionellen Schweißverfahren erstellt wur- den, weisen aufgrund der zahlreichen Schweißnähte ebenso Inhomogenitäten auf, die den Werkstoff schwächen. Außerdem sind diese Schweißkonstruktionen unwirtschaftlich.

Bezüglich des Standes der Technik sei dazu beispielhaft auf die folgenden Druckschriften verwiesen:

Die EP 1 553 192 A2 betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme mindestens eines Injektors, mit dem Medien, wie Sauerstoff und/oder kohlenhaltige Brennstoffe, in einen Schmelzofen, insbesondere einen Elektrolichtbogenöfen, eingebracht werden. Der jeweilige Injektor ist mittels der Aufnahmevorrichtung geschützt an oder in der Ofenwand des Schmelzofens angeordnet. Die Aufnahmevorrichtung soll dabei hinsichtlich ihrer Anordnung im Ofen variabler und die Wartung des einem hohen Verschleiss unterlegenden Bauteils einfacher werden, wozu hier vorgesehen ist, dass die Aufnahmevorrichtung mehrteilig ausgebildet ist mit einem unteren Bodenteil, einem oberen Dachteil und Seitenwänden, die sepa- rat voneinander auswechselbar sind.

Die WO 03/060169 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur pyrometallurgischen Behandlung von Metallen, Metallschmelzen und/oder Schlacken in einem metallurgischen Aggregat bzw. Schmelzgefäß, insbesondere zum Auf-/Einblasen von sauerstoffreichen Gasen in einem Elektrolichtbogenöfen mit Hilfe einer Injektorvorrichtung, die die sauerstoffhaltigen Gase auf Überschallgeschwindig- keit beschleunigt und aus der dieser Hochgeschwindigkeitsstrahl, durch einen ihn vollständig umhüllenden gasförmigen Mantel schützt, zur pyrometallurgi- schen Behandlung verwendet wird. Dabei ist vorgesehen, dass der gasförmige Mantel ein Heißgas ist, das dem zentralen Hochgeschwindigkeitsstrahl so zugeführt wird, dass die Relativgeschwindigkeit und der Impulsaustausch zwischen dem zentralen Hochgeschwindigkeitsstrahl und dem Heißgasmantelstrahl minimiert wird (quasi isokinetische Zuführung). Diese Druckschrift bezieht sich außerdem auf eine Injektorvorrichtung zur pyrometallurgischen Behandlung von Metallen, Metallschmelzen und/oder Schlacken in einem metallurgischen Aggregat bzw. Schmelzgefäß, insbesondere zum Auf-/Einblasen von sauerstoff- reichen Gasen und/oder kohlenstoffhaltigen Stoffen in einem Elektrolichtbogen- ofen, wobei die Injektorvorrichtung die sauerstoffhaltigen Gase auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und in dem fallweise den sauerstoffreichen Gasen die kohlenstoffhaltigen Stoffe, vorzugsweise Partikel zugemischt werden und aus dem der Hochgeschwindigkeitsstrahl, durch einen umgebenden gasförmi- gen Mantel geschützt, zur pyrometallurgischen Behandlung verwendet wird, insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens. Dabei ist vorgesehen ein modularer Aufbau der einzelnen Baugruppen, bestehend aus einem Sauerstoffinjektor mit Injektorinnenwand und LAVAL- Düse für die Beschleunigung der sauerstoffreichen Gase, umgeben von einem Heißgasstutzen, in dessen Austrittsbereich eine Ringspaltdüse oder eine ähnliche konstruktive Lösung mit vergleichbarer Wirkung für den Durchtritt und die Beschleunigung des Heißgases angeordnet ist. Mit dieser Injektorvorrichtung bzw. dem beschriebenen Verfahren soll es möglich sein, die Länge eines frei in den Innenraum eines metallurgischen Aggregats ausströmenden sauerstoffreichen Gases und seine Eindringtiefe in eine vorhandene Schlackenschicht zu maximieren. Hierbei sollen insbesondere die Nachteile der zuvor bekannten Einrichtungen für den gemeinsamen Einsatz von Sauerstoff und Feststoff bei unterschiedlichen Betriebszuständen, nämlich hoher spezifischer Energieeinsatz, erforderliche Manipulationen bzw. mehrere Öffnungen im metallurgischen Aggregat und komplizierter Aufbau weitgehend vermieden werden. Durch das beschriebene Verfahren, den zentralen sauerstoffreichen Gasstrahl mit einem Heißgas mit möglichst geringem Impulsverlust zu ummanteln, werde eine Maximierung der Länge und der Eindringtiefe des Gasstrahls in die oberhalb der Metallschmelze befindliche Schlackenschicht zur Erzeugung einer intensiven Durchmischung und Bewegung sowie eine Verbesserung der Eindüsung partikelförmiger Feststoffe, beispielsweise Kohlenstoffträger, Stäube oder Zuschlagstoffe erreicht.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen unter Beibehaltung der bisherigen Vorteile in der Weise zu verbessern bzw. weiterzuentwickeln, dass die genannten Nachteile vermieden werden, wobei insbesondere die Lebensdauer und die Bauteilsi- cherheit des Injektorkühlblocks zur Aufnahme eines Injektionssystemes insbesondere im Elektrolichtbogenofen im Vergleich zu Vorbekanntem erhöht werden soll.

Die Aufgabe wird bezüglich der Halterung für einen Injektor erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wandstärke der Halterung zwischen ihrer Heißseite und dem Kühlmittelführungsgrund in Abhängigkeit zur Wärmebeanspruchung der Heißseite der Halterung variabel ausgebildet ist.

Die Wärmebeanspruchung ist in den Bereichen der Heißseite der Halterung am stärksten, die am nächsten zu der Oberfläche der Schmelze bzw. Schlacke liegen. Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Kühlkanäle, deren Grund der Oberfläche der Schmelze am nächsten liegt, mit der geringsten Wandstärke zur Heißseite hin auszubilden.

Die Halterung wird nachfolgend auch als Injektorkühlblock bezeichnet.

In bevorzugter Ausgestaltung sind dabei die Kühlmittelführungen des Injektorkühlblocks zur Kühlung z.B. durch Wasser als Kühlbohrungen und/oder Kühlkanäle ausgebildet, vorzugsweise sind die Kühlmittelführungen des Injektor- kühlblocks zur Kühlung z.B. durch Wasser als gebohrte Kühlbohrungen und/oder gefräste Kühlkanäle ausgebildet. Durch einen derart ausgebildeten Injektorkühlblock wird dabei insbesondere die Lebensdauer und die Betriebssicherheit gegenüber den vorbekannten Lösungen deutlich erhöht, wobei die mechanisch gebohrten Kühlbohrungen und/oder die gefrästen Kühlkanäle einen wesentlich kleineren Durchmesser bzw. Öffnungsquerschnitt aufweisen als die gegossenen großen Kühlbohrungen. Diese Kühlbohrungen und/oder Kühlkanä- Ie weisen dabei bevorzugt einen Durchmesser von mindestens 8 mm oder einen schmalen Querschnitt von mindestens 50 mm ² auf. Weil die Kühlkanäle gefräßt und die Kühlbohrungen gebohrt sind, haben sie im Vergleich zu gegossenen Kühlmittelführungen eine glattere Oberfläche und deshalb nur einen geringeren Strömungswiderstand, so dass sich eine hohe Wassergeschwindigkeit einstellt. Durch die Anordnung mehrerer Kühlbohrungen oder Kühlkanäle nebeneinander entsteht eine Rippenkühlung, die zu einer größeren beaufschlagten Wasserfläche führt, da die Wärme auch über die Seitenflanken abgeführt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Vergleichmäßigung der Kühlung um die Öffnung des Injektorkühlblocks die jeweiligen Kühlbohrungen und/oder Kühlkanäle zur Führung des Wassers in einer Richtung um die Öffnung des Injektorkühlblocks herum geführt ausgebildet sind.

Bei einer dazu alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Vergleichmäßigung der Kühlung um die Öffnung des Injektorkühlblocks die jeweiligen Kühlbohrungen und/oder Kühlkanäle zur Führung des Wassers in beiden Richtungen um die Öffnung des Injektorkühlblocks herum geführt ausgebildet sind. In diesem Fall muss der Zu- und Ablauf sich dann kreuzen und über zwei Ebenen geführt werden.

Es empfiehlt sich nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass zur Veränderung der Wassergeschwindigkeit und Wasserführung in den Kühlbohrungen und/oder Kühlkanälen wenigstens ein Verdrängerelement und/oder wenigstens eine Leitplatte angeordnet ist. Dieses Verdrängerelement und/oder die Leitplatte können dabei aus metallischen Werkstoffen oder auch temperaturbeständigen Kunststoffen wie u. a. PTFE bestehen.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Injektorkühlblock eine mit wenigstens einer zwischengeschalteten Verteiler- kammer versehene Anschlussverbindung für die Kühlbohrungen und/oder Kühlkanäle aufweist. Bei dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass in der Verteilerkammer zur Beibehaltung der Gießgeschwindigkeit wenigstens ein Verdrängerelement und/oder wenigstens eine Leitplatte angeordnet ist.

Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlbohrungen und/oder Kühlkanäle zur Verhinderung von Ablagerungen von Innen beschichtet ausgebildet sind. Teilweise ermöglichen diese Beschich- tungen auch durch ihre gegenüber dem wärmeleitenden Werkstoff geringen Wärmeleitfähigkeit die Kühlung des Blockes individuell einzustellen.

Es empfiehlt sich nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass der Injektorkühlbock aus einem stark wärmeleitenden, warmgewalzten und/oder geschmiedeten Werkstoff wie z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Es wird dadurch auf einfache Weise durch das gewalzte oder ge- schmiedete gut wärmeleitende Material wie u.a. Kupfer ein Werkstoff mit sehr guter Homogenität, hoher Wärmeleitfähigkeit und großer Festigkeit bereit gestellt. Dabei ist vorzugsweise zur weiteren Erhöhung der Festigkeit und Härte vorgesehen, dass Injektorkühlblock zusätzlich durch Schmieden und/oder Walzen kaltverfestigt ausgebildet ist.

Nach einem bezüglich des Injektorkühlbocks letzten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Injektorkühlblock aus zwei in einem Winkel zueinander stehenden, aus einem gemeinsamen Plattenelement gefertigten Platten besteht, wobei dieses mit Hilfe einer Biegevorrichtung entsprechend dem Winkel gebogen werden kann. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird außerdem durch das Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Bezüglich der sich dabei ergebenden Vorteile wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Injektorkühlblocks verwiesen.

Mit dem gewalzten oder geschmiedeten gut wärmeleitenden Material wie u.a. Kupfer wird wie erwähnt ein Werkstoff mit sehr guter Homogenität, hoher Wärmeleitfähigkeit und großer Festigkeit eingesetzt und durch dass beschriebene Kühldesign und das beschriebene Fertigungsverfahren können Schwachstellen in thermisch stark beanspruchten Zonen des Injektorblocks vermieden werden. Die Kühlung des Blockes wird wesentlich verbessert und gemäß der Variation des Bohrungsdurchmessers oder des Kühlkanalquerschnitts, der Fließrichtung und der Wassergeschwindigkeit sowie dem Abstand des Bohrungs- und Kühlkanalgrundes zur Heißseite hin individuell den Temperaturenbeanspruchungen angepaßt. Die Wasserführung kann über die zu kühlende Fläche durch einen Richtungswechsel vergleichmäßigt werden. Die wasserbeaufschlagte Fläche vergrößert sich erheblich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird. Dabei sind neben den oben angeführten Kombinationen von Merkmalen auch Merkmale allein oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Oberansicht des erfindungsgemäßen Injektorkühlblockes in einer ersten Äusführungsform, und

Fig. 2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Injektorkühlblockes ge- maß der Linie A - A der Fig. 1 , Der erfindungsgemäße Injektorkühlblock, d. h. die Halterung ist generell mit 10 bezeichnet und dient zur Aufnahme mindestens eines Injektors 20 in metallurgischen Gefäßen, insbesondere in Elektrolichtbogenöfen, mit dem Medien wie Gase und/oder Feststoffe in das metallurgische Gefäß eingebracht werden, wobei mittels des Kühlmittelführungen 14, 15 aufweisenden Injektorkühlblocks 10 der jeweilige Injektor über eine Öffnung 11 geschützt an oder in der Gefäßwand 30 des metallurgischen Gefäßes angeordnet ist. Es ist dazu in den Fig. der Zeichnung der erfindungsgernäße Injektorkühlblock 10 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Injektorkühlblocks 10.

Bei dem erfindungsgemäßen Injektorkühlblock 10 ist dabei vorgesehen, dass der Injektorkühlblock 10 aus einem stark wärmeleitenden, warmgewalzten und/oder geschmiedeten Werkstoff wie z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung (wie z.B. CuAg, CuCrZr oder auch CuNiBe) besteht. Entsprechend ist vorgesehen, dass bei der Herstellung des Injektorkühlblocks 10 ein stark wärmeleitender Werkstoff wie z.B. Kupfer oder eine Kupferlegierung durch ein Warmwalzen und/oder Schmieden umgeformt und warmverfestigt wird. Es wird dadurch auf einfache Weise durch das gewalzte oder geschmiedete gut wärmeleitende Ma- terial wie u.a. Kupfer ein Werkstoff mit sehr guter Homogenität, hoher Wärmeleitfähigkeit und großer Festigkeit bereit gestellt. Der Injektorkühlblock 10 kann bevorzugt zusätzlich durch Schmieden und/oder Walzen kaltverfestigt ausgebildet sein.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektorkühlblocks 10 besteht dieser Injektorkühlblock 10 aus zwei in einem Winkel zueinander stehenden, aus einem gemeinsamen Plattenelement gefertigten Platten 12,13. Dieses Plattenelement kann dabei mit Hilfe einer Biegevorrich- tung entsprechend einem vorgegebenen Winkel α gebogen werden. Bei der in den Fig. dargestellten Ausführungsform weist außerdem der Injektorkühlblock 10 zur Kühlung z.B. durch Wasser Kühlbohrungen 14 auf, es können weiterhin auch zusätzlich oder alternativ Kühlkanäle 15 vorgesehen sein. Diese Kühlbohrungen 14 und/oder Kühlkanäle weisen dabei bevorzugt einen Durchmesser von mindestens 8 mm oder einen schmalen Querschnitt von mindes- tens 50 mm ² auf, es werden dabei die Kühlkanäle gefräßt ausgeführt.so dass sich eine hohe Wassergeschwindigkeit einstellt. Durch die Anordnung von jeweils mehreren Kühlbohrungen 14 und Kühlkanälen 15 nebeneinander entsteht eine Rippenkühlung, die zu einer größeren beaufschlagten Wasserfläche führt, da die Wärme auch über die Seitenflanken abgeführt wird.

Bei der in den Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Injektorkühlblocks 10 sind zur Vergleichmäßigung der Kühlung die jeweiligen Kühlbohrungen 14 und/oder Kühlkanäle 15 um die Öffnung 11 des Injektorkühlblocks 10 herum geführt ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass das Was- ser in den benachbarten Kühlmittelführungen gleichgerichtet, im oder entgegen dem Uhrzeigersinn, oder abwechselnd in entgegengesetzten Drehrichtungen geführt ist. In letzterem Fall muss sich der Zu- und Ablauf dann kreuzen und über zwei Ebenen geführt werden.

Die Kühlkanäle werden auf der Rückseite durch eine Metallplatte 19, die auch aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen kann, geschlossen. Diese Platte wird mit Hilfe von Schrauben oder einer Schweißung wie u.a. dem Elektro- nenstrahlschweißen befestigt. Zwischen der Platte und dem Bauteil ist eine temperaturbeständige Dichtung eingebracht.

Es ist auch möglich, zur Veränderung der Wassergeschwindigkeit und Wasserführung in den Kühlbohrungen 14 und/oder -kanälen 15 Verdrängerelemente 21 und Leitplatten einzubringen, die aus metallischen Werkstoffen oder auch temperaturbeständigen Kunststoffen wie u.a. PTFE bestehen. Die Verbindung der Kϋhlbohrungen 14 mit den Kühlkanälen 15 kann direkt oder über zwischengeschaltete Verteilerkammern 18 erfolgen. Zur Beibehaltung der Gießgeschwindigkeit in den Verteilerkammern können in diese ebenfalls Verdrängerelemente und Leitplatten eingebracht werden.

Dadurch, dass die Kühlbohrungen 14 und/oder -kanäle 15 mechanisch hergestellt werden, verfügen diese über eine wesentlich geringere Rauhigkeit als gegossene Kühlmittelführungen, wodurch die Strömungsverluste des Wassers verringert werden.

Zur Verhinderung von Ablagerungen können die Kühlbohrungen 14 und/oder - kanäle 15 auch von Innen beschichtet sein. Teilweise ermöglichen diese Be- schichtungen auch durch ihre gegenüber dem wärmeleitenden Werkstoff geringe Wärmeleitfähigkeit die Kühlung des Blockes individuell einzustellen.

Figur 2 zeigt, dass die Wandstärken W der Halterung zwischen dem Grund der einzelnen Kühlkanäle und der Heißseite H der Halterung unterschiedlich sein können. Erfindungsgemäß ist diese Wandstärke entsprechend der Wärmebelastung der Heißseite H unterschiedlich. In Figur 2 ist der Kühlkanal 15-2 tiefer ausgefräst als der Kühlkanal 15-4, weil sein Kühlkanalgrund einen geringeren Abstand zur Oberfläche der Schmelze bzw. Schlacke aufweist als der Grund des Kühlkanals 15-4, dass heißt weil H1 kleiner H2 ist. Die tiefere Ausbildung des Kühlkanals 15-2 gegenüber dem Kühlkanal 15-4 bedeutet, dass die Wandstärke zwischen dem Grund des Kühlkanals und der Heißseite der Halterung kleiner ist als die Wandstärke zwischen dem Grund des Kühlkanals 15-4 und der Heißseite; das heißt W1 kleiner W2. Bezugszeichenliste

10 Halterung / Injektorkühlblock 11 Öffnung

12 erste Platte

13 zweite Platte

14 Kühlbohrung

15 Kühlkanäle 18 Verteilerkammer

20 Injektor

30 Gefäßwand

40 Schlacke oder Schmelze

H Heißseite

W Wandstärke / Abstand hi _,2 Abstände Kühlkanalgrund / Oberfläche Schlacke bzw. Schmelze