DE10129219A1

DE10129219A1 - Process for melting aluminum

Info

Publication number: DE10129219A1
Application number: DE10129219A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Wieck; Davor Spoljaric
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2003-01-09
Also published as: EP1402078A2; AU2002345607A1; ATE387510T1; DE50211788D1; WO2002103067A2; EP1402078B1; WO2002103067A3

Abstract

In order to melt down aluminium in an oven, a method is known whereby a starting material containing aluminium is supplied to an oven, is pre-heated in an upper region of the oven by means of oven flue gas, and is then heated by means of a burner, in order to form an aluminium melt, in a lower region of the oven. An oxygen-rich gas and fuel are supplied to the burner, producing a burner flame acting on the starting material in the melting region and contributing to the formation of the oven flue gas. On the basis of the above, the aim of the invention is to provide a method using an oxygen burner or a mixed burner, whereby the disadvantages in terms of the re-heating of the aluminium starting material are avoided. According to the invention, the oven flue gas is extracted from the upper region of the oven and is reintroduced into the lower region, at least partially, as recirculated, heated gas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschmelzen von Aluminium, umfassend die Verfahrensschritte: Zufuhr eines aluminiumhaltigen Einsatzmaterials zu einem Ofen; Vorwärmen des Einsatzmaterials durch Ofenabgas in einem oberen Bereich des Ofens und Erhitzen des Einsatzmaterials mittels mindestens eines Brenners unter Bildung einer Aluminiumschmelze in einem unteren Bereich des Ofens, wobei dem Brenner ein sauerstoffreiches Gas und Brennstoff zugeführt und damit eine auf das Einsatzmaterial im Schmelzbereich einwirkende und zum Ofenabgas beitragende Brennerflamme erzeugt wird. The present invention relates to a method for melting aluminum, comprising the process steps: supply of an aluminum-containing feed material to an oven; Preheat the feedstock by furnace exhaust in an upper Area of the oven and heating of the feed by means of at least one Burner with the formation of an aluminum melt in a lower region of the Oven, wherein the burner is supplied with an oxygen-rich gas and fuel and thus acting on the feed material in the melting area and for Furnace exhaust gas contributing burner flame is generated.

In Aluminiumgießereien werden häufig Schachtschmelzöfen eingesetzt, in denen Einsatzstoffe in Form von Aluminiumbarren, -kreislauf oder -schrott erschmolzen werden. Bei diesem Ofentyp wird das Abgas der Brenner aus dem Warmhaltebereich und dem Schmelzbereich zur Vorwärmung der Einsatzstoffe genutzt. Diese werden in den Ofenschacht chargiert, darin beim Absinken vorgewärmt und im unteren Bereich mittels Brennern erschmolzen. Das geschmolzene Aluminium fließt über eine Schmelzbrücke in einen Herdbereich, der als Sammler und zum Einstellen der Temperatur erforderlich ist. In aluminum foundries, shaft melting furnaces are often used in which Feedstocks melted in the form of aluminum bars, cycles or scrap become. With this type of furnace, the flue gas from the burner is kept warm and the melting area for preheating the feed materials. These are in charged the furnace shaft, preheated in it when sinking and in the lower area melted by means of burners. The molten aluminum flows over one Melting bridge in a range that serves as a collector and for setting the Temperature is required.

Die Schachtschmelzöfen sind üblicherweise für eine bestimmte Brennerleistung ausgelegt. Eine Erhöhung der Brennerleistung zum Zweck einer Steigerung der Schmelzleistung erfordert daher in der Regel auch eine Anpassung der Abgasführung und der Filteranlage. The shaft melting furnaces are usually for a certain burner output designed. An increase in burner output for the purpose of increasing the Melting performance therefore usually also requires an adaptation of the exhaust gas routing and the filter system.

Durch einen Einsatz von Brennstoff-Sauerstoffbrennern oder Luft-Sauerstoff- Mischbrennern lässt sich zwar - im Vergleich zu Schmelzverfahren, bei denen Luft als Oxidationsmittel eingesetzt wird - die Schmelzleistung des Ofens ohne größeren, konstruktiven Aufwand steigern und der Energiebedarf reduzieren. Die Einsparung an Brennstoff beruht jedoch im wesentlichen darauf, dass der Stickstoffanteil der Luft nicht aufgeheizt werden muss. Der im Abgas fehlende Stickstoffanteil und die damit einhergehende, geringere Menge an Brennerabgasen wirkt sich jedoch nachteilig auf die Vorwärmung des Aluminiumeinsatzes im Ofenschacht aus. Als Sauerstoffbrenner kommen auch Mischbrenner (zum Beispiel sogenannte "Kombibrenner") in Betracht, bei denen der Brennstoff mit Luft oder mit sauerstoffangereicherter Luft oder mit Sauerstoff verbrannt wird. By using fuel-oxygen burners or air-oxygen Mixed burners can be compared to melting processes in which air is used Oxidizing agent is used - the melting performance of the furnace without major increase design effort and reduce energy consumption. The saving However, fuel is essentially based on the fact that the nitrogen content in the air does not need to be heated. The lack of nitrogen in the exhaust gas and the result accompanying, smaller amount of burner exhaust gases, however, has an adverse effect preheating the aluminum insert in the furnace shaft. Mixed burners (for example so-called "Combi burner") in which the fuel is air or oxygen-enriched air or burned with oxygen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Einschmelzen von aluminiumhaltigem Einsatzmaterial unter Einsatz eines sauerstoffreichen Gases so zu modifizieren, dass die damit einhergehenden Nachteile hinsichtlich der Vorwärmung des Aluminiumeinsatzes vermieden werden. The invention has for its object the method for melting aluminum-containing feed material using an oxygen-rich gas to modify that the associated disadvantages in terms of Preheating of the aluminum insert can be avoided.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ofenabgas im oberen Bereich des Ofens abgezogen und im unteren Bereich mindestens teilweise als rezirkuliertes, erwärmtes Gas wieder eingeleitet wird. Based on the procedure mentioned at the beginning, this task solved according to the invention in that the furnace exhaust gas in the upper region of the furnace deducted and in the lower area at least partially as a recirculated, heated Gas is reintroduced.

Unter einem "sauerstoffreichen Gas" wird Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verstanden. Das Ofenabgas besteht hauptsächlich aus den Verbrennungsprodukten CO₂ und H₂O. Es wird aus dem Ofen abgesaugt und diesem als rezirkuliertes Gas wieder zugeführt. Durch das Wiedereinleiten des Ofenabgases oder eines Teils davon als "erwärmtes, rezirkuliertes Gas" kann die mit dem Einsatz des sauerstoffreichen Gases einhergehende Verminderung an Brennerabgas ganz oder teilweise kompensiert werden. Die zusätzliche Gasmenge innerhalb des Ofens verbessert die konvektive Wärmeübertragung zur Vorwärmung des Einsatzmaterials im Ofenschacht. An “oxygen-rich gas” is understood to mean oxygen or air enriched with oxygen. The furnace exhaust gas mainly consists of the combustion products CO ₂ and H ₂ O. It is extracted from the furnace and fed back to it as recirculated gas. By reintroducing the furnace exhaust gas or a part thereof as "heated, recirculated gas", the reduction in burner exhaust gas associated with the use of the oxygen-rich gas can be fully or partially compensated for. The additional amount of gas inside the furnace improves the convective heat transfer for preheating the feed material in the furnace shaft.

Ein besonderer Vorteil dieser Verfahrensweise gegenüber einer Einspeisung zusätzlicher Luft besteht darin, dass das Ofenabgas - bei Einsatz eines Sauerstoffbrenners - im wesentlichen stickstofffrei ist und somit die NO_x-Bildung reduziert ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das rezirkulierte Gas bereits erwärmt ist und somit zu einer besseren Energieausnutzung beiträgt. Die Wärmemenge des rezirkulierten Gases erhöht die Schmelzleistung des Ofens zusätzlich. A particular advantage of this procedure compared to feeding in additional air is that the furnace exhaust gas - when using an oxygen burner - is essentially nitrogen-free and thus the NO _x formation is reduced. Another advantage is that the recirculated gas is already warmed up and thus contributes to better energy utilization. The amount of heat from the recirculated gas additionally increases the melting capacity of the furnace.

Es ist ein Brenner vorgesehen oder mehrere Brenner. In einer bevorzugten Verfahrensweise wird das rezirkulierte Gas dem mindestens einen Brenner zugeführt. Eine zusätzliche Öffnung in der Ofenwandung zum Einleiten des rezirkulierten Gases und eine entsprechende Umbaumaßnahme eines bestehenden Ofens können so vermieden werden. One or more burners are provided. In a preferred one In procedure, the recirculated gas is the at least one burner fed. An additional opening in the furnace wall for introducing the recirculated gas and a corresponding renovation of an existing one This way, the oven can be avoided.

Vorzugsweise wird das Ofenabgas mittels eines Gebläses abgezogen und dient gleichzeitig dazu, dem Brenner das Ofenabgas - oder einen Teil davon - als rezirkuliertes Gas wieder zuzuführen. Das Gebläse sorgt somit für die Zirkulation des Ofenabgases. Durch Veränderung der Gebläsedrehzahl kann die Menge des abgezogenen Ofenabgases den Erfordernissen angepasst werden. Zu dem Zweck eignet sich insbesondere ein regelbares Heißgasgebläse. The furnace exhaust gas is preferably drawn off and used by means of a blower at the same time, the burner exhaust gas - or part of it - as to recirculate the gas. The blower thus ensures the circulation of the Furnace exhaust gas. By changing the fan speed, the amount of extracted furnace exhaust gas can be adapted to the requirements. For the purpose A controllable hot gas blower is particularly suitable.

Im Hinblick hierauf hat es sich als günstig erwiesen, eine für die Ofenatmosphäre charakteristische Kenngröße zu erfassen und die Leistung des Gebläses in Abhängigkeit von der Kenngröße zu regeln. Als charakteristische Kenngröße werden vorzugsweise der Sauerstoffgehalt oder die Temperatur erfasst. In view of this, it has proven to be beneficial, one for the furnace atmosphere to record characteristic parameter and the performance of the blower in To regulate depending on the parameter. As a characteristic parameter preferably the oxygen content or the temperature recorded.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre gemessen und der Messwert als Stellgröße für eine Regelung einer Sauerstoffzufuhr zum Brenner eingesetzt. Damit ist es möglich, die Stöchiometrie der Brennerflamme in Bezug auf Sauerstoff konstant zu halten. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the Oxygen content of the furnace atmosphere measured and the measured value as a manipulated variable for regulation of an oxygen supply to the burner is used. It is possible to keep the stoichiometry of the burner flame constant with respect to oxygen.

Dies macht sich insbesondere dann vorteilhaft bemerkbar, wenn in den Ofen zusätzlich brennbare Bestandteile gelangen, wie zum Beispiel Öl auf Aluminiumspänen. In dem Fall gewährleistet die Messung des Sauerstoffgehalts in der Ofenatmosphäre einen stabilen und reproduzierbaren Schmelzvorgang durch eine Regelung der Flammenstöchiometrie. This is particularly noticeable when in the oven flammable constituents such as oil also appear Aluminum shavings. In this case, the measurement of the oxygen content in ensures the furnace atmosphere through a stable and reproducible melting process a regulation of flame stoichiometry.

Dies spielt auch bei einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Rolle, bei der im Gebläse eine Nachverbrennung brennbarer Bestandteile der Ofenatmosphäre erfolgt. Durch die Nachverbrennung werden brennbare Bestandteile der Ofenatmosphäre, wie Öl auf Aluminiumspänen, aus dem Ofenabgas beseitigt und damit eine stabile Verbrennung gewährleistet. Hierfür ist eine geregelte Zufuhr von Sauerstoff vorteilhaft, die durch eine Messung des Sauerstoffgehalts in der Ofenatmosphäre gewährleistet wird. This also plays a role in a further advantageous development of the invention Role in which afterburning of combustible components of the Oven atmosphere takes place. Afterburning makes flammable components the furnace atmosphere, such as oil on aluminum chips, is removed from the furnace exhaust and thus ensures stable combustion. There is a regulated supply for this of oxygen advantageous by measuring the oxygen content in the Furnace atmosphere is guaranteed.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird das rezirkulierte Gas oberhalb und/oder unterhalb der Brennerflamme in den Ofen eingeleitet. Das rezirkulierte Gas ist kälter als die Brennerflamme und trägt daher zu einer Verringerung von deren Temperatur bei. Dadurch wird die Bildung von NO_x gesenkt. Bei dieser Verfahrensweise wird insbesondere das Gewölbe vor der Strahlung der Brennerflamme zusätzlich geschützt und dadurch der Verschleiß an Feuerfestmaterial reduziert. Im Hinblick hierauf wird im Idealfall das rezirkulierte Gas derart in den Ofen eingeleitet, dass es die Brennerflamme umhüllt. In a particularly preferred process variant, the recirculated gas is introduced into the furnace above and / or below the burner flame. The recirculated gas is colder than the burner flame and therefore helps to reduce its temperature. This reduces the formation of NO _x . With this procedure, the vault in particular is additionally protected against the radiation of the burner flame and the wear on refractory material is thereby reduced. In view of this, the recirculated gas is ideally introduced into the furnace in such a way that it envelops the burner flame.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel betrifft die Umrüstung eines bisher mit Luftbrennern betriebenen Schachtabschmelzofens für Aluminiumbarren und -kreislaufmaterial mit Sauerstoffbrennern. The method according to the invention is described below using a Embodiment explained in more detail. The embodiment relates to the retrofitting of a shaft melting furnace previously operated with air burners for Aluminum ingot and circuit material with oxygen burners.

Typische Daten dieses Schachtabschmelzofens vor der Umrüstung waren:

Schmelzleistung: 1,4 t/h (bei Einsatz von Luftbrennern)
Vorwärmtemperatur: 200 bis 450°C
Energieverbrauch: 1000 kWh/t Aluminium
Krätzeanfall: 3 bis 4%
Typical data of this shaft melting furnace before the conversion were:

Melting capacity: 1.4 t / h (when using air burners)
Preheating temperature: 200 to 450 ° C
Energy consumption: 1000 kWh / t aluminum
Itching: 3 to 4%

Das Aluminium wird dabei über eine automatische Chargierung in den Schacht befördert, dort beim Absinken vorgewärmt und mit Brennern geschmolzen. Das geschmolzene Metall fließt in einen Herdbereich, der als Sammler und zum Einstellen der Temperatur erforderlich ist. Bei diesem Ofentyp wird das Abgas zur Vorwärmung des festen Aluminiums genutzt. The aluminum is automatically loaded into the shaft transported, preheated when sinking and melted with burners. The molten metal flows into a stove area, which is used as a collector and Setting the temperature is necessary. With this type of furnace, the exhaust gas becomes Preheating of the solid aluminum used.

Aus den oben genannten Gründen ist der Einsatz von Sauerstoff auch bei Schachtabschmelzöfen von Vorteil. Für die entsprechende Umrüstung des Ofens wurden Sauerstoff-Brenner, die in einem keramischen Block eingebaut sind, eingesetzt. Der keramische Block wird einfach in die Mauerung des Ofens montiert. Eine Kühlung des Brenners ist nicht erforderlich. For the reasons mentioned above, the use of oxygen is also at Shaft melting furnaces are an advantage. For the corresponding conversion of the furnace oxygen burners built into a ceramic block used. The ceramic block is simply installed in the wall of the furnace. It is not necessary to cool the burner.

Aufgrund der niedrigeren Abgasmengen beim Einsatz von Sauerstoff geht weniger Energie mit dem Abgas verloren. Die geringeren Abgasmengen verringern aber auch den konvektiven Wärmeübergang bei der Schrottvorwärmung im Schacht. Um eine hohe Schmelzleistung bei niedrigen NO_x-Werten zu erhalten, wurde der Ofen deshalb zusätzlich mit einer Heißgasrezirkulierung ausgestattet. Due to the lower exhaust gas quantities when using oxygen, less energy is lost with the exhaust gas. The lower amounts of exhaust gas also reduce the convective heat transfer during scrap preheating in the shaft. In order to obtain a high melting performance with low NO _x values, the furnace was therefore additionally equipped with a hot gas recirculation.

Hierzu wurde am oberen Ende des Ofenschachts ein Heißgasgebläse installiert, mittels dem das Verbrennungs-Abgas abgezogen und über den Brenner dem Ofen wieder zugeführt wird. Dadurch wird ein großes Gasvolumen für den konvektiven Wärmeübergang erhalten, das - abhängig von der Ofengröße - bis zu 10.000 m³/h beträgt. Das Abgas tritt aus dem Brenner über eine ringförmige Außendüse aus, so dass die Sauerstoffflamme von heißem Ofengas umhüllt wird. Diese Abschirmung der Brennerflamme schützt die feuerfeste Auskleidung vor Überhitzung. Zusätzlich wird die Flammentemperatur und der Stickstoffgehalt der Ofenatmosphäre gesenkt und dadurch die NO_x-Bildung reduziert. For this purpose, a hot gas blower was installed at the upper end of the furnace shaft, by means of which the combustion exhaust gas is drawn off and returned to the furnace via the burner. This results in a large gas volume for the convective heat transfer, which - depending on the size of the furnace - is up to 10,000 m ³ / h. The exhaust gas exits the burner via an annular outer nozzle so that the furnace flame is enveloped by hot furnace gas. This shielding of the burner flame protects the refractory lining from overheating. In addition, the flame temperature and nitrogen content in the furnace atmosphere are reduced, thereby reducing NO _x formation.

Zur Leistungsregelung des Heißgasbläses ist eine Drehzahlregelung installiert. Außerdem wird der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre gemessen. Der Messwert wird für die Regelung der Sauerstoffzufuhr zu den Brennern verwendet, in der Art, dass die Brenner mit konstanter Flammenstöchiometrie betrieben werden. A speed control is installed to control the output of the hot gas blower. In addition, the oxygen content of the furnace atmosphere is measured. The measured value is used to regulate the oxygen supply to the burners, in the way that the burners are operated with constant flame stoichiometry.

Die Temperatur des Ofenabgases im Gebläse liegt bei ca. 1200°C. Durch die Zufuhr von Sauerstoff wird im Gebläse eine Nachverbrennung von Pyrolysegas, das brennbare Bestandteile enthält, ermöglicht. The temperature of the furnace exhaust gas in the fan is around 1200 ° C. Through the feed of oxygen in the blower is an afterburning of pyrolysis gas, the contains flammable components.

Im konkreten Ausführungsbeispiel wird der Schachtabschmelzofen mit zwei Brennern betrieben, wobei der Volumenanteil des zugeführten Ofenabgases je nach Betriebsweise zwischen dem 2- bis 10-fachen der übrigen Brennergase (Brenngase und Sauerstoff) beträgt. In the specific exemplary embodiment, the shaft melting furnace is equipped with two burners operated, the volume fraction of the furnace exhaust gas depending on Operating mode between 2 and 10 times the other burner gases (fuel gases and oxygen).

Durch den Einsatz von Sauerstoff wird der thermische Wirkungsgrad bei der Verbrennung erhöht, so dass die Schmelzleistung von 1,4 t/h (bei Einsatz von Luftbrennern, Chargierung 50% Kreislauf/50% Masseln) auf 3,5 t/h gesteigert und der Energieverbrauch mehr als halbiert werden konnte. By using oxygen, the thermal efficiency at Combustion increased so that the melting rate of 1.4 t / h (when using Air burners, charging 50% cycle / 50% ingots) increased to 3.5 t / h and the Energy consumption could be halved.

Die hohe Schmelzleistung und weitere Verbesserungen am Ofen verminderten die Metallverluste um ca. 50%. Ein Vergleich verschiedener Parameter bei einem Luftbrenner, einem Luft/Sauerstoff-Brenner und einem erfindungsgemäßen Sauerstoff-Brenner + Heißgasgebläse bei einem 15-Tonnen-Schachtschmelzofen sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1

The high melting capacity and further improvements to the furnace reduced the metal losses by approx. 50%. A comparison of various parameters for an air burner, an air / oxygen burner and an oxygen burner + hot gas blower according to the invention in a 15-ton shaft melting furnace are summarized in the following Table 1: Table 1

Die Energieersparnisse und das höhere Metallausbringen garantieren trotz der Kosten für Sauerstoff eine erhebliche Kostenersparnis durch die Reduzierung der Energiekosten, eine Verringerung der Krätzemengen und Einsparung an Personalkosten. The energy savings and the higher metal yield guarantee despite Oxygen costs a significant cost saving by reducing the Energy costs, a reduction in the amount of dross and savings Personnel costs.

Claims

1. A process for melting aluminum, comprising the process steps: feeding an aluminum-containing feed material to a furnace; Preheating the feed material by furnace exhaust gas in an upper region of the furnace and heating the feed material by means of at least one burner with formation of an aluminum melt in a lower region of the furnace, wherein an oxygen-rich gas and fuel are fed to the burner and thus act and act on the feed material in the melting region Furnace exhaust gas contributing burner flame is generated, characterized in that the furnace exhaust gas is drawn off in the upper region of the furnace and at least partially reintroduced in the lower region as a recirculated, heated gas.

2. The method according to claim 1, characterized in that the recirculated Gas is supplied to the at least one burner.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Extracted furnace exhaust gas by means of a fan and at least part of it is fed back to the burner as the recirculated gas.

4. The method according to claim 3, characterized in that one for Oven atmosphere characteristic parameter recorded and the performance of the Blower is regulated depending on the parameter.

5. The method according to claim 4, characterized in that as characteristic parameter of the oxygen content or the temperature recorded becomes.

6. The method according to claim 5, characterized in that the Oxygen content of the furnace atmosphere measured and the measured value as Control variable used for regulating an oxygen supply to the burner becomes.

7. The method according to claim 3 and claim 6, characterized in that in Fan afterburning combustible components of the furnace atmosphere he follows.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the recirculated gas above and / or below the Burner flame is introduced into the furnace.

9. The method according to claim 8, characterized in that the recirculated Gas is introduced into the furnace in such a way that it envelops the burner flame.