IRNICH, Franz-Josef (Antoniusstrasse 4, Hürtgenwald-Gey, 52393, DE)
BRZOSKA, Ekkehard (Fischenbeck 45-47, Mülheim, 45472, DE)
IRNICH, Franz-Josef (Antoniusstrasse 4, Hürtgenwald-Gey, 52393, DE)
| Patenta nsprüche 1. Absperrvorrichtung für gasförmige Medien hoher Temperatur, insbesondere zur Absperrung der Heißgasleitungen, die von Winderhitzern zu einem Hochofen führen, bestehend aus einem Gehäuse mit durch ein Kühlmedium gekühlten Dichtsitzen und einem in dem Gehäuse beweglich angeordneten, ebenfalls durch ein Kühimedium gekühlten Absperrorgan, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et, d a s s das Kühlmedium führende Leitungen zumindest abschnittweise, insbesondere an im Betrieb thermisch hoch belasteten Bereichen, eine Ablagerungen vermeidende Oberfläche und/oder Oberflächenstruktur aufweisen. 2. Absperrvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n e t, d a ss die Ablagerungen vermeidende Oberfläche superhydrophob ist. 3. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e ke n n z e i c h n e t, d a s s die Ablagerungen vermeidende Oberfläche ein Polymer, insbesondere ein Copolymer, aufweist. 4. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n e t, d a s s die Ablagerungen vermeidende Oberfläche Nanopartikel aufweist. 5. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et, d a s s die Ablagerungen vermeidende Oberfläche ein Metall und/oder Metalloxid und/oder eine Legierung ausgewählt aus der Gruppe der folgenden Metalle aufweist: Titan, Zirkonium, Niob, Tantal. 6. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et, d a s s die Ablagerungen vermeidende Oberfläche eine Oberflächenstruktur im Mikro- und/oder Nanometerbereich aufweist. 7. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et, d a s s das Polymer ein Perfluoraikoxy-Polymer, insbesondere ein Perfluoralkoxy- Copolymer, ist. 8. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et, d a ss die Ablagerungen vermeidende Oberfläche eine Schichtdicke im Nano- bis Mikro-Bereich aufweist (ultradünn). 9. Verfahren zum Herstellen einer Absperrvorrichtung für gasförmige Medien hoher Temperatur, insbesondere zur Absperrung der Heißgasieitungen, die von Winderhitzern zu einem Hochofen führen, bestehend aus einem Gehäuse mit durch ein Kühlmedium gekühlten Dichtsitzen und einem in dem Gehäuse beweglich angeordneten, ebenfalls durch ein Kühlmedium gekühlten Absperrorgan, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et, d a ss das Kühlmedium führende Leitungen, insbesondere nach Zusammenbau der Absperrvorrichtung, mittels Sol-Gel-Verfahren mit einer Ablagerungen vermeidenden Oberfläche und/oder Oberflächenstruktur beschichtet werden. |
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Absperrvorrichtung für gasförmige Medien hoher Temperatur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Absperrvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8. Absperrvorrichtungen der genannten Art werden beispielsweise zur Absperrung von Heißgasleitungen verwendet, die von Winderhitzern zu einem Hochofen führen, wobei bei derartigen bekannten Absperrvorrichtungen mittels eines Kühlmediums gekühlte Dichtsitze sowie ein durch ein Kühlmedium gekühltes Absperrorgan vorgesehen sind. Eine derartige Absperrvorrichtung ist beispielsweise in der DE 41 38 283 Cl beschrie- ben, wobei die dortige Absperrvorrichtung eine hochwärmedämmende Zusatzisolierung für die Flächen aufweist, die mit dem Heißgas in Berührung kommen.
Problematisch bei diesen Absperrvorrichtungen hat sich die Tatsache erwiesen, dass sich in den das Kühlmedium führenden Leitungen, insbesondere aufgrund der hohen Temperaturen, welchen diese Vorrichtung sowie auch die das Kühlmitte! führenden Leitungen ausgesetzt sind, Ablagerungen, insbesondere von Kalk, an der Innenseite der das Kühlmittel führenden Leitungen bilden, sofern das Kühlmittel, respektive das Kühimedium, Wasser enthält, was aus ökonomischen Gründen sinnvoll ist. Durch eine mit der Zeit zunehmende Ablagerung von Kalk an der Innenseite der das Kühlmedium führenden Leitungen entsteht an dieser Innenseite der Leitungen eine isolierende Kalkschicht, durch welche ein Wärmetransport zwischen Leitungsaußen- wand und Kühlmedium in der Leitung behindert wird, so dass eine Außenwandtemperatur der Leitung, respektive die Temperatur der gekühlten Dichtsitze und/oder des gekühlten Absperrorgans, von einer Betriebstemperatur von etwa 200 °C auf 250 °C und darüber ansteigt. Bei dieser erhöhten Temperatur wird die Streckgrenze des Dichtsitzmaterials, in der Regel Stahl, erreicht und gegebenenfalls überschritten, mit der Folge, dass eine Dehnung des Metalls erfolgt, was zu Rissen im Material, insbesondere an der Heißwindseite der Dichtsitze führt, die zusätzlich dadurch verschlimmert werden, dass, je nach Betriebszustand der Absperrvorrichtung, eine unterschiedliche Temperatur sowie unterschiedliche mechanische Belastungen an den Dichtsitzen anliegen. So ziehen sich die Dichtsitze bei geschlossenem Schieber an der unbelasteten, d.h. der Heißwindseite, zusammen, während eine Dehnung des Dichtsitzmaterials erfolgt, wenn die Absperrvorrichtung wieder geöffnet wird und heißes Gas durch die Absperrvorrichtung strömt. Durch diese wechselnde Belastung, insbesondere der Dichtsitze der Absperrvorrichtung, ist die Lebensdauer eines Dichtsitzes und damit der Schieberplatte des Absperrorgans begrenzt, wobei, bei durchschnittlichem Gebrauch und selbstverständlich in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzgebietes, ein verschleißbedingter Austausch der Schieberplatte mit Dichtsitzen erfolgen muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Prob- lerne eine Absperrvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels der es auf kostengünstige Weise möglich ist, einen gleichbleibenden Wärmeübergang zwischen Kühlmedium und Außenseite der das Kühlmedium führenden Leitungen zu gewährleisten und darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Absperrvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Absperrvorrichtung für gasförmige Medien hoher Temperatur nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Absperrvorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Absperrvorrichtung für gasförmige Medien hoher Temperatur, insbesondere zur Absperrung von Heißgasleitungen, die von Winderhitzern zu einem Hochofen führen, bestehend aus einem Gehäuse mit durch ein Kühlmedium gekühlten Dichtsitzen und einem in dem Gehäuse beweglich angeordneten, ebenfalls durch ein Kühlmedium gekühlten Absperrorgan gelöst, wobei optional mit Ausnahme der Gehäusedichtsitze und der Dichtflächen am Absperrorgan alle mit dem Heißgas in Berührung kommenden Flächen mit einer feuerfesten, zumindest teil- weise zwei- oder mehrschichtigen Verkleidung versehen sind und wobei das Kühlmedium führende Leitungen zumindest abschnittsweise, nämlich insbesondere an im Betrieb thermisch hoch belasteten Bereichen, eine Ablagerungen vermeidende Oberfläche und/oder Oberflächenstruktur aufweisen.
Im Rahmen dieser Erfindung wird unter dem Begriff Oberfläche sowohl die Oberfläche der Leitungen per se, insbesondere an der Leitungsinnenseite der das Kühlmedium führenden Leitungen, als auch eine gesonderte Innenoberflächenbeschichtung dieser Leitungen verstanden.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass durch die zumindest abschnittsweise Ablagerungen vermeidende Oberfläche und/oder Oberflächenstruktur effektiv verhindert wird, dass sich in den ein Kühlmedium führenden Leitungen der Absperrvorrichtung Verschmutzungen und im Falle von Wasser als Kühlmedium Kalk ablagert, wodurch ein gleichmäßiger Wärmeübergang zwischen der Außenseite der das Kühlmedium führenden Leitungen und dem Kühlmedium negativ beeinflusst bzw. verhindert würde.
Somit ist durch diese Maßnahme auf einfache Weise gewährleistet, dass die durch das Kühlmedium gekühlten Dichtsitze zum einen sowie das durch das Kühimedium gekühlte Absperrorgan übermäßig hohen, zu Rissbildung beitragenden, Temperaturen ausgesetzt werden, da die Innenseiten der das Kühlmedium führenden Leitungen ablagerungsfrei bleiben und auf diese Weise ein kontinuierlicher und gleichmäßiger Wärmetransfer von den Dichtsitzen bzw. dem Absperrorgan bzw. der Außenseite der das Kühlmedium führenden Leitungen in das Kühlmedium gewährleistet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Ablagerungen vermeidende Oberfläche vorteil hafterweise superhydrophob ausgebildet, so dass polare Kühlmedien und insbesondere Wasser mit der Ablagerungen vermeidenden Oberfläche einen Kontakt- winke! von mindestens 120°, bevorzugt einen Kontaktwinkel von mehr als 140° und besonders bevorzugt einen Kontaktwinkel im Bereich von 160° aufweisen. Durch die zumindest abschnittsweise superhydrophobe Ausbildung der Innenoberfläche der Kühlmedium führenden Leitungen wird in diesen Abschnitten der Leitung ein Lotuseffekt bewirkt, durch welchen eine Ablagerung von Verschmutzungen und insbesondere auch Kalk an der Leitungsinnenseite vermieden wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass sich an der Innenseite der Kühlmedium führenden Leitun- gen und Wandabschnitten keine wärmeisolierend wirkende Schmutz- oder Kalkschicht ausbilden kann, wodurch wiederum gewährleistet wird, dass der Wärmedurchgang durch die Wandung der Kühlmedium führenden Leitungen und Wandungen gleichbleibend optimal ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Ablagerungen vermeidende Oberfläche ein Polymer, insbesondere ein Copolymer auf, das seinerseits eine Antihaftwirkung ausbildet und darüber hinaus korrosions- und verschleißhemmend wirkt. Das Polymer ist vorzugsweise mit äußerst geringer Schichtdicke auf der Innenseite der Leitungen aufbringbar, so dass der Leitungsquerschnitt der Kühlmedium führenden Leitungen nicht nennenswert beeinflusst wird. Die Schichtdicke des Polymers liegt hierbei erfindungsgemäß im Bereich von 5 μηι bis 100 μιτι, bevorzugt Bereich von 15 μηι bis 75 pm und besonders bevorzugt Bereich von 20 pm bis 50 pm. Darüber hinaus weist das Polymer eine hohe Temperaturbeständigkeit, vorzugsweise bis zu einem Bereich von 250°C bis 300°C, und, je nach Einsatzgebiet, optional auch eine hohe chemische Beständigkeit auf. Das Polymer weist vorzugsweise zumindest blockweise hydrophobe und/oder superhydrophobe Abschnitte auf und ist in vorgenannte superhydrophobe Oberfläche integrierbar. Ein erfindungsgemäß eingesetztes und bevorzugtes Polymer ist an dieser Stelle ein
Perfluor-Polymer, bevorzugt ein Perfluoralkoxy-Polymer, insbesondere ein Perfluoralk- oxy-Copolymer.
Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ablagerungen vermeidende Oberfläche Nanopartikel aufweist, mit welchen es möglich ist, die erfindungsgemäßen superhydrophobe Oberflächeneigenschaften zu erzielen und/oder eine Ablagerungen vermeidende Oberflächestruktur zu erzeugen um eine Oberfläche darzustellen, an welcher Verschmutzungen und/oder Kalk keinen Halt finden und/oder leicht, d.h. beispielsweise durch eine einfache Strömung von Wasser, zu entfernen sind.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Ablagerungen vermeidende Oberfläche ein Metali und/oder Metalloxid und/oder eine Legierung aufweist, die, respektive das aus den Metallen Titan, Zirkonium, Niob und/oder Tantal gebildet ist bzw. diese Metalle umfaßt. An dieser Stelle sei erwähnt, dass auch eine Mischung von Metalloxi- den mit den reinen Metallen oder mit Legierungen der genannten Metalle an der inne- ren Oberfläche der Leitungen aufgebracht sein kann, um die Ablagerungen vermeidende Oberfläche zur Verfügung zu stellen.
Des Weiteren sei betont, dass die Ablagerungen vermeidende Oberfläche eine Ober- flächenstruktur im Mikro- und/oder Nanometerbereich aufweist, wobei darauf hingewiesen sei, dass eine Mikrometerstruktur in vorteilhafter Weise eine Unterstrukturie- rung im Nanometerbereich aufweisen kann. Eine solche ultradünne Schichtdicke hat praktisch keinen Einfluß auf den Wärmeübergang. Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe insbesondere durch ein Verfahren zum Herstellen einer Absperrvorrichtung für gasförmige Medien hoher Temperatur, insbesondere zur Absperrung der Heißgasleitungen, die von Winderhitzern zu einem Hochofen führen, bestehend aus einem Gehäuse mit durch ein Kühlmedium gekühlten Dichtsitzen und einem in dem Gehäuse beweglich angeordneten, ebenfalls durch ein Kühlmedium gekühlten Absperrorgan gelöst, wobei mit Ausnahme der Gehäusedichtsitze und der Dichtflächen am Absperrorgan alle mit dem Heißgas in Berührung kommenden Flächen mit einer feuerfesten, zumindest teilweise zwei- oder mehrschichtigen Verkleidung versehen sind, und wobei das Kühlmedium führende Leitungen, insbesondere nach Zusammenbau der Absperrvorrichtung, mittels Sol-Gel-Verfahren mit einer Ablagerungen vermeidenden Oberfläche und/oder Oberflächenstruktur beschichtet werden.
Dieses Verfahren ist vor allem deshalb besonders zu bevorzugen, da auf diese Weise eine Nachbeschichtung von fertigen Absperrvorrichtungen der erfindungsgemäßen Art, jedoch auch anderer, ähnlich aufgebauter Absperrvorrichtungen, möglich ist. In besonders vorteilhafter Weise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bereits im Betrieb befindliche, d.h. gebrauchte Absperrvorrichtungen nachträglich beschichtet werden, nämlich nachdem eine Reinigung der Kühlmedium führenden Leitungen vorgenommen wurde, beispielsweise durch Herauslösen von Kalk aus diesen Leitungen, beispielsweise mittels einer geeigneten Säure. Selbstverständlich ist dieses Verfahren auch auf vollkommen neue Absperrvorrichtungen der genannten Art sowie ähnlicher Absperrvorrichtungen anwendbar.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Linteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der Abbildung näher erläutert wird. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Absperrvorrich- tungsabschnitts.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet. In Fig. 1 ist das im Wesentlichen kreisrund ausgebildete Schiebergehäuse einer erfindungsgemäßen Absperrvorrichtung mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Schiebergehäuse 1 weist innen zwei von Kühlmittel durchströmte ringförmige Dichtsitze 2 und 3 auf, die in Durchströmungsrichtung einen Abstand voneinander haben und in radialer Richtung möglichst schmal ausgebildet sind, um die Wärmeverluste zu mini- mieren. Zwischen die Dichtsitze 2 und 3 ist eine als Absperrorgan dienende Schieberplatte 4 einschiebbar. Diese Schieberplatte 4 ist als Hohlkörper ausgebildet und innen mit spiralförmig verlaufenden Kühlmitteikanälen versehen, die von einem Kühlmittel, insbesondere von Kühlwasser, durchströmt werden. Am äußeren Umfang der Schieberplatte 4 befinden sich an einem ringförmigen Hohlkörper 5 die Dichtflächen 6 und 7 der Schieberplatte 4. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind sowohl die Dichtsitze 2 und 3, als auch die Schieberplatte 4 und die Dichtflächen 6 und 7 der Schieberplatte 4 von Kühlmedium durchströmt, wobei die das Kühlmedium führenden Leitungen 8 auf Ihrer Innenseite 9 eine Oberflächenbeschichtung aus Perfiuoralkoxy-Copolymer aufweisen, die eine Schichtdicke von 35 μιτι hat. Alternativ zu der Oberflächenbeschichtung aus Perfiuoralkoxy-Copolymer ist an dieser Stelle auch eine Beschichtung mit Zirkonium- oxid-Nanopartikeln möglich, die mittels Sol-Ge!verfahren an der Innenseite 9 der das Kühlmedium führenden Leitungen 8 abgeschieden werden. Die Dichtsitze 2 und 3 von Gehäuse und Schieberplatte bestehen jeweils aus Stahl. Die Bezugszeichen 10, 11, 12 bezeichnen jeweils Feuerfestmaterial-Schichten bzw. Auskleidungen.
Es sei noch erwähnt, daß die beschriebene Beschichtung vorzugsweise an allen Stellen eines Heißwindschiebers vorgenommen wird, also in allen Leitungen und Wasserkammern sowohl des Schiebers als auch des Gehäuses samt Haube, in die der Schieber in Offenstellung der Heißwindleitung gefahren wird. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in der Zeichnung dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichen liste:
1 Schiebergehäuse
2 Dichtsitz
3 Dichtsitz
4 Schieberplatte
5 Hohlkörper
6 Dichtfläche der Schieberplatte
7 Dichtfläche der Schieberplatte
8 Kühlmedium führenden Leitung
9 Innenseite der das Kühlmedium führenden Leitung