Winderhitzer

Landschaftspark Duisburg-Nord – Cowper des Hochofens 5

Ein Winderhitzer ist ein Regenerator mit ortsfester Speichermasse. Er dient dazu, den Heißwind für den Hochofenprozess bereitzustellen. Mit der Verwendung von Gichtgaswärme zur Luftvorwärmung werden erhebliche Brennstoffeinsparungen erreicht.

Cowper

Die zumeist verwendeten Winderhitzer sind nach dem Erfinder und Entwickler der regenerativen Wärmetauschung Edward Alfred Cowper benannt. Cowper arbeiten mit einem zeitlichen Wechsel (Heizen – Kühlen). Sie bestehen aus Zylindern mit einer Höhe von etwa 50 m bei einem Durchmesser von 10 m. Diese Behälter bestehen aus einem Verbrennungsraum und einem Speicherraum, der mit feuerbeständigen Steinen ausgemauert ist. Das Gichtgas wird im Verbrennungsraum mit Erdgas angereichert und nachverbrannt, das dabei anfallende heiße Abgas über die Speichersteine geleitet und abgeführt. Dabei werden die Steine erhitzt und geben, wenn der Winderhitzer auf Frischluftzufuhr umgestellt wird, diese Wärme wieder ab. Die so erwärmte Luft nennt man Heißwind, welcher anschließend mit einer Temperatur von etwa 1300 °C in die Rast des Hochofens geleitet wird. Die Herstellung einiger Roheisensorten wie Ferromangan und Ferrosilicium sind erst mit der Heißwindtechnik möglich geworden.

Den mit Abstand wichtigsten und größten Teil der Cowper nehmen die Besatzsteine, das Gitterwerk, ein. Dieses Gitterwerk bildet die Speichermasse für die Wärme und ist aus feuerfesten Steinen aufgebaut. Je dicker diese Formsteine ausgebildet sind, desto länger muss die Aufwärmphase gewählt werden und desto mehr Wärme kann gespeichert werden.

Neben diesem Gitterschacht befindet sich der deutlich kleinere Brennschacht, in dem zum Beispiel Gichtgas verbrennt und ein heißes Verbrennungsgas erzeugt. Dieses strömt von oben durch das Gitterwerk nach unten und gibt dabei seine Wärme an die Speichermasse ab. Nach dem Umschalten strömt Luft, in der Hüttenindustrie „Wind“ genannt, durch das Gitterwerk von unten nach oben und wird dabei auf hohe Temperaturen erwärmt, der als „Heißwind“ in den Hochofen eingeblasen wird. Beim Einblasen in den Hochofen ist eine möglichst konstante Heißwindtemperatur von etwa 1200 °C notwendig. Damit dies bei einem sich ständig abkühlenden Winderhitzer gewährleistet wird, wird durch Beimischung von unerwärmter Außenluft ein Mischwind erzeugt. Hierbei wird ein zeitlich ständig abnehmender Teil Außenluft durch einen Bypass am Winderhitzer vorbeigeführt und mit dem Heißwind gemischt. Zum Hochofen gelangt so ein regelbarer und nahezu temperaturkonstanter Windstrom. Am Ende jeder Windperiode sollte der Heißwind aus dem Winderhitzer, ohne Beimischung von Außenluft, noch den geforderten Temperaturen genügen.

Bauarten von Cowpern

Es gibt Cowper mit innen- und außenliegendem Brennschacht. Bei der einen Bauweise befindet sich der Brennschacht im Innern des Gitterwerkes, bei der anderen Bauweise ist dieser außerhalb und separat angebracht. Die Winderhitzer mit einem außenliegenden Brennschacht sind deutlich an ihren zwei zylinderförmigen Bauten zu erkennen, die fast 50 m in die Luft ragen.

Die alternative Bauweise ist die Integration des Brennschachtes in den Mantel des Winderhitzers zu einem innenliegenden Brennschacht. Der Vorteil eines innenliegenden Brennschachtes ist die reduzierte Wärmeabstrahlung in die Umgebung. Dem gegenüber steht aber eine schwierigere Wartung des verbauten Brennschachtes. Als entscheidender Nachteil des innenliegenden Brennschachtes ist eine häufige Rissbildung im Mauerwerk zwischen Brennschacht und Gitterwerk zu nennen. Diese „Kurzschlüsse“ treten hauptsächlich im unteren Teil der Trennwand auf, weil in diesem Bereich auf der Brennschachtseite die höchsten Temperaturen beim Aufheizen erreicht werden. Andererseits wird auf der Gitterwerkseite die Wand in der Windphase am stärksten abgekühlt. Diese thermischen Spannungen können zur Rissbildung führen, die den Cowperbetrieb empfindlich stören.

Auch weil im Laufe der Zeit die Anforderungen an sehr hohe Windtemperaturen immer wichtiger wurden, wurde verstärkt auf die Konstruktion eines außenliegenden Brennschachtes übergegangen. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass im Gitterschacht deutlich mehr Besatzsteine untergebracht werden können, die Heizfläche dadurch größer wird und so die Windleistung noch einmal gesteigert werden kann.