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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen von Ersatzstoffen
separat oder gemeinsam mit Zusatzstoffen zum Schmelzen von insbesondere
metallischen und/oder mineralischen Einsatzstoffen mit anorganischen
und/oder organischen Begleitmaterialien in einen Ofen, insbesondere
einen Schacht-Schmelz-Ofen mit Verbrennungsmittelversorgung mit
zumindest einer Luftzuführungsleitung und einer Materialzuführungsleitung.
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Stand der Technik
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Als
Ersatzstoffe werden gasförmige, flüssige, feste,
staubförmige und/oder körnige Materialien und/oder
Ersatzbrennstoffe oder beliebige Kombinationen dieser Materialien
und als Zusatzstoffe werden weitere feste, flüssige oder
gasförmige Stoffe bezeichnet.
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Nach
dem allgemeinen Stand der Technik werden abhängig von der
Materialspezifik und -konsistenz vor allem pastöse, staubförmige
und körnige Materialien oder beliebige Kombinationen davon
in zwei grundsätzlichen Varianten in einen Schacht-Schmelz-Ofen
zugeführt. Gebräuchlich ist einerseits die Herstellung
von Formlingen, bei der sowohl feuchte als auch trockene, pastöse
bis körnige Materialien, wie zum Beispiel Klärschlamm,
Späne und Koksgrus entweder unter hohem Druck und/oder
durch die Beimischung geeigneter Bindemittel kompaktiert und nach
einer Auslagerungszeit mit der Chargierung in den Schacht-Schmelz-Ofen
gattiert werden. Feinkörnige und vergleichsweise trockene
Stoffe, wie zum Beispiel Filterstäube, Aktivkohle und Regeneratrückstände
werden anderseits mittels dem Einblasverfahren über externe
Einblas-/Einsaugdüsen durch Windformen in die Schmelzzone
des Schacht-Schmelz-Ofens gefördert. Der Materialtransport
zu den Windformen erfolgt hierbei pneumatisch oder mechanisch (Ludwig
Ruschitzka u. a.; Gießerei 82 (1995) Nr. 23 S. 860).
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Der
Nachteil des Einsatzes von Formlingen besteht trotz nachgewiesener
Eignung für den Schacht-Schmelz-Ofen im hohen Aufwand für
den Aufbereitungsprozess der Formlinge, wodurch die Akzeptanz potentieller
Anwender eingeschränkt ist. Die Nachteile des Einblasverfahrens
sind neben dem hohen Aufwand für die externe apparative
Anlagentechnik auch mögliche negative Auswirkungen auf
den Schmelzprozess. Diese können beispielsweise bei zu
hohen Einblasraten, durch schlechte Fließ- und Transportfähigkeit verschiedener
Staubqualitäten, durch ein verstärktes Austragen
von Stäuben mit Korngrößen kleiner 0,063 mm
mit dem Gasstrom aus dem Ofen und durch eine möglicherweise
unvollständige Verschlackung der Materialien im Ofen auftreten
(Michael Schaaf u. a.; Gießerei 83 (1996) Nr. 22,
S. 11).
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Der
hohe Aufwand für die externe Anlagentechnik zum Einblasen
resultiert aus der praktizierten Verfahrensweise, die Materialien über
die mit Heiß- oder Kaltwind beaufschlagten Windformen zuzuführen,
wozu externe, anlagen- und betriebstechnisch aufwendige, pneumatisch
oder mechanisch betriebene Transportmechanismen benötigt
werden. Die Beschränkung der Einblasrate wird durch das
sogenannte „Kaltblasen" der Schüttung in der Schmelz-
und Überhitzungszone des Schacht-Schmelz-Ofens vor den
Windformen verursacht, welches sich materialabhängig beispielsweise
durch energieverbrauchende Prozesse zum Spalten von Kohlenwasserstoffen,
zum Reduzieren von oxydischen Anteilen und/oder zum Aufschmelzen
der eingeblasenen Materialien ergibt. Solche Prozesse werden beim
Betrieb von Hochöfen mit technischem Sauerstoff zur Kontrolle
der Formengastemperatur genutzt, indem hier gezielt Zusatzreduktionsmittel
eingeblasen werden (Klaus Scheidig u. a.; Stahl und Eisen
123 (2003) Heft 4, S. 55–60).
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Durch
die
DE 20 2005
002 821 U1 ist weiterhin ein Schacht-Schmelz-Ofen mit einem
Treibdüsensystem zum Zuführen von Gasen, Dämpfen,
Stäuben oder Flüssigkeiten oder beliebigen Kombinationen
dieser Materialien, nachfolgend als Stoffe bezeichnet, beim Schmelzen
von mineralischen und/oder metallischen Einsatzstoffen mit anorganischen
und/oder organischen Begleitmaterialien bekannt. Der in der
DE 20 2005 002 821
U1 dargestellte Schacht-Schmelz-Ofen soll den verfahrenstechnisch
notwendigen Planungs-, Material- und Kostenaufwand für
die notwendigen Anpassungen an die vorhandene Anlagentechnik unter
realen Produktionsbedingungen minimieren und neben dem Einsatz von
Sauerstoff, Pressluft und Luft aus einer Heißwinderzeugungsanlage
oder Luft aus der Umgebungsatmosphäre alternativ die partielle
Zufuhr von Stoffen über eine mit einem Förderorgan
verbundene zusätzlichen Lanze, die durch eine gasdichte
Verschraubung über einen Rohrstutzen in das Ausströmrohr
des Treibdüsensystems führt, ermöglichen.
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So
werden bedarfsabhängig dem Verbrennungsmittel partiell
Stoffe technisch einfach hinzugefügt. Die verfahrenstechnische
Flexibilität wird gesteigert, und durch den gezielten partiellen
Einsatz von flüssigen oder festen, staub- oder gasförmigen
Energieträgern werden die in der Schmelz- und Überhitzungszone
ablaufenden, für den Gesamtprozess entscheidenden, metallurgischen Umsatzreaktionen
durch das Schmelzpersonal direkt beeinflussbar. Die Verfahrenssicherheit
wird insgesamt verbessert. Die Kombination des Treibdüsensystems
und zusätzlicher Lanze mit Verbindung zu einem Förderorgan
lässt eine variable Änderung der am Düsenmund
der Kupferdüse oder des Ausströmrohrs in den Ofenschacht
eintretenden Stoffströme zu.
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Nachteilig
ist aber, dass durch die Anordnung der zusätzlichen Lanze
in das Ausströmrohr eine zusätzliche externe,
pneumatisch über Gasimpulse oder mechanisch arbeitende
Transporteinrichtung zu den in den Winddüsen integrierten
Ausströmrohren oder direkt zu den Düsen erforderlich
ist und damit ein höherer apparativer und betriebstechnischer
Aufwand entsteht.
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Weiter
sind in der
DE 197
29 624 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen
Behandlung eines Rohmaterials dargestellt, die die Behandlungsbedingungen
dadurch verbessern, dass das Behandlungsgas zumindest teilweise
in Form von Gasimpulsen, die gegenüber dem Umgebungsdruck
einen hohen Druck aufweisen, in den Behandlungsraum eingeleitet
wird. Ein weiterer Teil kann dann mit einem konstanten Volumenstrom,
beispielsweise als Mischung aus Sauerstoff und Luft, eingebracht
werden.
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Apparativ
wird eine möglichst homogene Zusammensetzung des Gasgemisches
dadurch realisiert, indem die Mündung der an den Druckbehälter
angeschlossenen Sauerstoff führenden Gasleitung für
die Impulserzeugung im Zentrum der dem Behandlungsraum zugewandten
Luft führenden Gasleitung angeordnet ist. Die Homogenität
soll durch die zueinander koaxiale Anordnung der dem Behandlungsraum
zugewandten Mündungsbereiche der an den Druckbehälter
angeschlossenen und der Luft führenden Gasleitung erreicht werden.
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Durch
die impulsförmige Gaseinleitung wird die Einstellung des
Strömungsgleichgewichtes im Behandlungsraum verringert
und die durch die mit den Gasimpulsen erzeugten kurzen Druckstöße
entstehenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten werden über
größere Strecken aufrechterhalten. Sie fallen
also nicht wie bei Gasinjektionen mit Lanzen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten
vom Austrittspunkt aus der Lanze vergleichsweise schnell, d. h.
nach einer vergleichsweise kurzen Wegstrecke stark ab. Damit soll
eine Belüftung des Zentrums des Behandlungsraumes erreicht
werden, die der Belüftung der Randzone entspricht. Es wird so
eine gleichmäßigere und effektivere Behandlung
des Roh- und/oder Verbrennungsmaterials bei einer Reduzierung der
Schadstoffmengen erreicht und eine höhere Flexibilität
sowie eine bessere Einstellbarkeit der Reaktionsbedingungen sind
die Folge.
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Eine
derartige Behandlung des Rohmaterials hat den Nachteil, dass einerseits
hinsichtlich Geschwindigkeit, Druck und Konzentration eine mehrfach
gestaffelte Zufuhr des Sauerstoffes und der Luft und andererseits
das Zuführen von Ersatz- und/oder Zusatzstoffen separat
oder gemeinsam auf Grund konstruktiver Merkmale nicht möglich
ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Treibdüsensystem
für das mehrstufige Zuführen von Ersatzstoffen
separat oder gemeinsam mit Zusatzstoffen zum Schmelzen von metallischen
und/oder mineralischen Einsatzstoffen mit anorganischen und/oder
organischen Begleitmaterialien, insbesondere in einem Schacht-Schmelz-Ofen
mit Verbrennungsmittelversorgung vorzuschlagen, das ohne die externe
Erzeugung zusätzlicher pneumatisch, über Gasimpulse
oder mechanisch arbeitende Transportmechanismen zu dem Ausströmrohr
oder der Windform die Ersatz- und/oder Zusatzstoffe sicher zuführt.
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Lösung
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Zur
Lösung der Aufgabe führt, dass Materialzuführungsleitung
und Luftzuführungsleitung zusammen mit zumindest einer
Sauerstoffzuleitung in einen Düsenstock münden,
wobei Material, Sauerstoff und/oder Luft aus den jeweiligen Zuführleitungen über
eine Mischdüse dem Ofen zuleitbar sind.
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Die
Ansprüche 2 bis 17 stellen günstige Ausgestaltungsformen
der Vorrichtung dar.
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Das
erfindungsgemäße Treibdüsensystem hat
den Vorteil, dass bedarfsabhängig dem Verbrennungsmittel
Ersatz- und/oder Zusatzstoffe ohne die externe Erzeugung zusätzlicher
pneumatisch, über Gasimpulse, oder mechanisch arbeitende
Transportmechanismen zu dem Ausströmrohr oder zur Windform
technisch einfach hinzugefügt werden können. Weiter
vorteilhaft werden diese Materialien direkt und gemeinsam mit dem Verbrennungsmittel
Luft-Sauerstoff-Gemisch, Sauerstoff oder Luft intensiv bereits außerhalb
der Schmelz- und Überhitzungszone vermischt, bereits hier
ein effizientes Reaktionsgemisch hergestellt, in die Schmelz- und Überhitzungszone
des Schacht-Schmelz-Ofens geführt und dort unmittelbar
stofflich und energetisch umgesetzt. Abhängig von den materialspezifischen
Eigenschaften der eingesetzten Ersatz- und/oder Zusatzstoffe kann
durch die Wahl des Sauerstoffgehaltes im Verbrennungsmittelgemisch
die Umsatzgeschwindigkeit und Energiedichte im Schacht-Schmelz-Ofen
vor den Windformen reguliert werden. Dadurch sind einerseits wesentlich
höhere Einblasraten ohne negative Beeinflussung der Temperaturen
vor der Windform und andererseits eine vollständige Verbrennung/Umsetzung
der Ersatz- und/oder Zusatzstoffe realisierbar. Das Ofenpersonal
kann somit in Abhängigkeit des Schmelzergebnisses auf den
Schmelzprozess einwirken, wodurch die verfahrenstechnische Flexibilität
des Schacht-Schmelz-Ofens gesteigert wird.
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Vorteilhaft
ist auch, dass durch die technisch einfache Kombination von einem
konstanten, beispielsweise als Mischung aus Sauerstoff und Luft
bestehenden Volumenstrom und von gegenüber dem Umgebungsdruck
einen hohen Druck aufweisenden Sauerstoffimpulsen sowie der Zuführung
von Ersatz- und/oder Zusatzstoffen erreicht wird, dass neben der
Grundversorgung mit technologisch praktikablen Sauerstoffanreicherungen
im Randbereich des Kupolofens auch Sauerstoff in technischer Konzentration,
Ersatz- und/oder Zusatzstoffe auf tiefere Bereiche der Schüttung
in der Schmelz- und Überhitzungszone einwirken und dann
zumindest lokal die Reaktionen im Kern der Schüttung beeinflussbar
werden.
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Durch
die interne Einbindung der Materialzuführungsleitungen
für Ersatz- und/oder Zusatzstoffe in das Treibdüsensystem,
die mit einem oder mehreren Vorratsbehältern mit Druckausgleich
bezüglich des Ofendruckes gekoppelt sind, wird vorteilhafterweise
verhindert, dass es in den Vorratsbehältern zu Verdichtungserscheinungen
kommt, die den Materialfluss beeinträchtigen.
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Figurenbeschreibung
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Das
beanspruchte Treibdüsensystem soll nachfolgend an zwei
prinzipiellen Ausführungsformen beschrieben werden. Die
zugehörigen Zeichnungen zeigen in
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1 das
Treibdüsensystem in "hängender" Ausführung
im Schnitt;
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2 das
Treibdüsensystem in "liegender" Ausführung im
Schnitt; und
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3 eine
Variante des Treibdüsensystems gemäss 1 im
Schnitt.
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1 stellt
die sogenannte "hängende" Ausführung dar, bei
der eine Luftzuführungsleitung 3 des Treibdüsensystems über
einen nicht dargestellten Rohrstutzen und/oder Flansch direkt mit
dem nicht dargestellten Windring des Schacht-Schmelz-Ofens verbunden
ist und ein Flansch 8 an einer Mischdüse 6 des Treibdüsensystems
zur Verbindung mit weiteren, nicht dargestellten Rohrleitungselementen,
als Rohrleitungen, Rohrverbindungselemente und/oder Armaturen ausgeführt,
bis zum nicht dargestellten Ausströmrohr oder der nicht
dargestellten Windform genutzt wird.
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2 stellt
die so genannte "liegende" Ausführung dar, bei der die
Luftzuführungsleitung 3 des Treibdüsensystems
mit weiteren, nicht dargestellten Rohrleitungselementen, als Rohrleitungen,
Rohrverbindungselemente und/oder Armaturen ausgeführt,
und mit dem ebenfalls nicht dargestellten Windring des Schacht-Schmelz-Ofens
verbunden ist und der Flansch 8 an der Mischdüse 6 direkt
mit dem nicht dargestellten Ausströmrohr oder der nicht
dargestellten Windform verbunden ist.
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Übereinstimmend
bei den Ausführungen gemäß 1 und 2 ist,
dass an einem Kopf 11 des Treibdüsensystems über
eine Aufnahmeplatte 12 an einem Düsenstock 2,
eine Sauerstoffzuleitung 1 mit einer zentrisch in die Aufnahmeplatte 12 ragenden
Sauerstoff-Treibdüse 9 verbunden ist, die Sauerstoff-Treibdüse 9 im
Treibdüsensystem mit der Mischdüse 6 einen
Ringspalt 10 bildet und die Mischdüse 6 mit
dem Flansch 8 verbunden ist. Die Mischdüse 6 geht
auf der gegenüberliegenden Seite zum Flansch 8 direkt
oder über einen Einlaufring in den Kopf 11 des
Treibdüsensystems über, der mit der in einem Winkel
zur Achse der Sauerstoff-Treibdüse 9 angeordneten
Luftzuführungsleitung 3, als Rohrbogen oder alternativ
als nicht dargestellter senkrechter oder mit strömungsbegünstigendem
Einlaufwinkel angeordnetem Rohrstutzen ausgeführt, verbunden
ist. Im Bereich des Ringspaltes 10 ist am Kopf 11 des
Treibdüsensystems ein Schauloch/eine Revisionsöffnung 5 angebracht.
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Bei
der "hängenden" Ausführungsform gemäss 1 wird
eine Materialzuführungsleitung 7 für
Ersatzstoffe, welche mit einer Kontrolleinrichtung 4 verbunden
ist, stirnseitig, parallel zur Achse der zentrisch angeordneten
Sauerstoff-Treibdüse 9 in die Aufnahmeplatte 12 eingebunden.
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Bei
der "liegenden" Ausführung gemäss 2 wird
eine Materialzuführungsleitung 7.1, welche mit
der Kontrolleinrichtung 4 verbunden ist, unmittelbar vor
der Mischdüse 6 und dem Ringspalt 10 radial,
senkrecht zur Achse der zentrisch angeordneten Sauerstoff-Treibdüse 9 in
das Treibdüsensystem eingebunden. Strömungstechnisch
vorteilhafter ist, wenn diese Einbindung nicht, wie in 2 dargestellt,
senkrecht, sondern bezüglich der Strömung mit
einem diese unterstützenden Einlaufwinkel realisiert wird.
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Zusätzlich
ist das Treibdüsensystem gemäss 1 und 2 mit
weiteren, nicht dargestellten, in den Kopf 11 oder in die
nach dem Flansch 8 folgenden Rohrleitungen, in das Ausströmrohr
oder in die Windform integrierten Zuführungseinrichtungen
und/oder Lanzen zur Zuführung von Zusatzstoffen komplettiert,
wobei diese Lanzen mit einer externen, druck- oder impulsbasierenden
Fördereinrichtung für die zuzuführenden
Zusatzstoffe gekoppelt sind.
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Die
Materialzuführungsleitung 7 gemäss 1 und 2 ist über
die Kontrolleinrichtung 4 und weiteren nicht dargestellten
Rohrleitungen, Rohrverbindungselementen und Armaturen mit einem
ebenfalls nicht dargestellten Vorratsbehälter für
Ersatzstoffe verbunden, der in Abhängigkeit von der Materialspezifik
bei Bedarf über Druckausgleichsleitungen mit dem Windring
des Schacht-Schmelz-Ofens verbunden ist und eine ebenfalls nicht
dargestellte Materialzuführungsschleuse hat.
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3 stellt
eine Variante der "hängenden" Ausführung gemäss 1 dar,
die im wesentlichen aus einer Sauerstoffzuleitung 1, dem
Düsenstock 2, der Luftzuführungsleitung 3,
der Sauerstoff-Treibdüse 9 und der Materialzuführungsleitung 7 besteht
und die mit einer weiteren Sauerstoffimpulslanze 15 sowie
einer zusätzlichen Materialzuführung 14 ergänzt
ist und über Rohrleitungselemente 16 mit einer
Ausströmdüse 18 in eine Windform 22 ragt,
die am Ofenmantel 20 angeflanscht ist. Die Sauerstoffimpulslanze 15 ist
mit einer Zentrierung 19 im Rohrverbindungselement 16 fixiert
und zentriert. Die Windform 22 ist über eine Windversorgungsdüse 21 mit
einem Windring 17 verbunden.
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Das
Treibdüsensystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 soll gemäss 2 in "liegender" Ausführung
am Beispiel des Zusatzes von Tiermehl als Ersatzbrennstoff für
Satzkoks in einem Kupolofen näher beschrieben werden.
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Hierzu
ist das Treibdüsensystem im Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone
des Kupolofens, der eine nominelle Schmelzleistung von ca. 360 Kg/h
Flüssigeisen bei 15% Satzkoks hat, zu installieren.
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Das
Einsatzmaterial für diesen Kupolofen ist in Chargen zu
je 30 kg metallischer Satz zuzüglich der Koks-, Kalkstein-
und Kieselmengen zusammenzustellen.
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Der
metallische Einsatz hat nachstehende Zusammensetzung:
| C | Si | Mn | P | S |
| 3,650% | 1,280% | 0,360% | 0,128% | 0,124% |
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Der
Ofen ist in gewohnter Weise für koksgefeuerte Kupolöfen
vorzubereiten, d. h. mit Koks bis auf normale Betriebstemperatur
aufzuheizen und anschließend bis zur Beschickungsöffnung
zu füllen.
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Über
die wassergekühlte Kupferdüse wird dann Sauerstoff
und Heißwind als Verbrennungsmittel zugeführt.
Die Sauerstoffmenge mit ca. 20 m3/h ist über
den gesamten Schmelzprozess konstant geblieben. Die Heißwindmenge
wird mit Beginn des Schmelzens auf ca. 250 m3/h
eingestellt und die zuzuführende Tiermehlmenge ist entsprechend
der Satzfolge und dem reduzierten Koksanteil mittels einer externen
Dosierschnecke vorzudosieren und sukzessive zu erhöhen.
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Entsprechend
der üblichen Schmelzweise der Kupolofenanlage sind sowohl
das Eisen als auch die Schlacke diskontinuierlich abzustechen.
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Über
den Schmelzverlauf ist es dann möglich, den Koksanteil
der Chargen sukzessive bis auf 11,3% zu verringern und durch das
Einblasen von Tiermehl bis auf 24,8 kg/t Flüssigeisen zu
kompensieren.
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Durch
den Tiermehlzusatz, der problemlos in die Schmelzzone eingeblasen
werden kann und dort auch umgesetzt wird, kann der Koks bis um 25%
reduziert werden.
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Die
Schlacke ist sehr gut fließfähig. Bezugszeichenliste
| 1 | Sauerstoffzuleitung |
| 2 | Düsenstock |
| 3 | Luftzuführungsleitung |
| 4 | Kontrolleinrichtung |
| 5 | Schauloch/Revisionsöffnung |
| 6 | Mischdüse |
| 7 | Materialzuführungsleitung |
| 8 | Flansch |
| 9 | Sauserstoff-Treibdüse |
| 10 | Ringspalt |
| 11 | Kopf |
| 12 | Aufnahmeplatte |
| 13 | Einlaufring |
| 14 | Zus.
Materialzuführung |
| 15 | Sauerstoffimpulslanze |
| 16 | Rohrleitungselement |
| 17 | Windring |
| 18 | Ausströmdüse |
| 19 | Zentrierung |
| 20 | Ofenmantel |
| 21 | Windversorgungsdüse |
| 22 | Windform |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202005002821
U1 [0006, 0006]
- - DE 19729624 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Ludwig Ruschitzka
u. a.; Gießerei 82 (1995) Nr. 23 S. 860 [0003]
- - Michael Schaaf u. a.; Gießerei 83 (1996) Nr. 22,
S. 11 [0004]
- - Klaus Scheidig u. a.; Stahl und Eisen 123 (2003) Heft 4, S.
55–60 [0005]