DE102010047056B4 - Verfahren zum Einschmelzen von NE-Metallen in einem gasbefeuerten Schachtofen und Schachtofenanlage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Einschmelzen von NE-Metallen, insbesondere Kupferkathoden und Kupferschrotte, in einem gasbefeuerten Schachtofen, wobei das einzuschmelzende NE-Metall im Kopfbereich des Schachtofens zugeführt wird, infolge Schwerkraft sich nach unten absenkt, in einem zylindrischen Ofenabschnitt vorgewärmt wird und in einer sich an den Schacht anschließenden Zone mittels mehrerer betriebener Brenner aufgeschmolzen und als Flüssigmetall aus der Austragsöffnung ausgetragen wird, wobei das einzuschmelzende NE-Metall im Bereich des zylindrischen Ofenabschnittes (10a) zuerst in eine vertikale zylindrische Vorwärmzone (10) gelangt und unter Zuführung von von in einer Ebene ringförmig in gleichen Abständen zueinander, an einer Schnittstelle zwischen der Vorwärmzone (10) und einer Schmelzzone (11), angeordneten Brennern (13) einer ersten Brenneranordnung (12) erzeugter und durch aufsteigende Abgase abgegebene Wärmeenergie aufgeheizt und nachfolgend in einer Schmelzzone (11) über eine in einer Ebene, gleichmäßig über den Umfang verteilte zweite Anordnung von Brennern (22) die zum Schmelzen erforderliche Wärmeenergie zugeführt wird, wobei durch die sich an die Vorwärmzone (10) anschließende Schmelzzone (11) mit in Richtung Ofensohle (18) und Flüssigmetallaustrag (19) folgender Verjüngung ein gezieltes Einschmelzen in Richtung Flüssigmetallaustrag erfolgt, wobei das Flüssigmetall im Bereich der Ofensohle (18) als Gerinne in Richtung Austragsöffnung (19) abfließt und im Bereich des oberen Wandabschnittes über mindestens einen Brenner (24) einer dritten Brenneranordnung (23) Wärmeenergie eingeleitet wird, um einen sicheren kontinuierlichen Austrag des Flüssigmetalls aus der Austragsöffnung (19) zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schnittstelle zwischen Vorwärmzone (10) und Schmelzzone (11) durch eine trapezförmige Erweiterung des zylindrischen Querschnitts, wobei sich die trapezförmige Erweiterung in Richtung Flüssigmetallaustragsöffnung (19) verjüngt, eine gleichmäßig konstante Strömung der Abgase in dem zylindrischen Ofenabschnitt (10a) erfolgt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einschmelzen von NE-Metallen, insbesondere Kupferkathoden und Kupferschrotte, in einem gasbefeuertem Schachtofen, wobei das einzuschmelzende NE-Metall im Kopfbereich des Schachtofens zugeführt, infolge Schwerkraft nach unten sinkt und mittels mehrerer gasbetriebener Brenner aufgeschmolzen wird. Die Erfindung betrifft ferner einen geeigneten Schachtofen zur Durchführung des Verfahrens.
• Ein heute noch in der Praxis zum Einsatz kommender Schachtofen ist aus der US 3 199 977 A und der US 3 366 465 A bekannt. Der Ofen besteht aus einem vertikal angeordneten Ofenschacht mit kreisrundem Querschnitt. Am unteren Ende befindet sich ein flacher, zur Abstichöffnung hin geneigter Boden (Gefälle ca. 16%). Am oberen Ende sitzt eine Abgashaube auf der Ofenöffnung, über die die Ofenabgase abgeführt werden. Die Abgashaube hat eine große Öffnung, durch die Kupfer-Kathoden und Kupferschrott dem Schachtofen zugeführt werden.
• Im unteren Teil des Ofenschachtes verengt sich der Schachtquerschnitt konisch kontinuierlich auf etwa 80% der Querschnittsfläche im oberen Bereich.
• In der Ofenmantelfläche befinden sich in ringförmiger Anordnung acht oder neun Erdgas-Luft-Brenner, die auf einer Höhe liegen. Je nach Ofengröße sind drei oder vier derartiger Brenner-Ringe in unterschiedlichen Höhen (vom Boden aus betrachtet) beabstandet zueinander angeordnet. Der letzte Brennerring ist in einem Fall z.B. in einer Höhe angeordnet, die 36% der Gesamthöhe beträgt. Auch der vorletzte Brennerring ist oberhalb der konischen Verjüngung, im zylindrischen Teil des Ofenschachtes angebracht.
• Aus der DE 692 30 152 T2 eine Verfahrensweise bekannt, mit der die Beheizung des vorgenannten Schachtofens so gesteuert werden kann, dass eine Kupferschmelze entsteht, die nur geringe Mengen an Sauerstoff, Wasserstoff und Schwefel enthält.
• Hierzu wird jeder Brenner mit einem Erdgas-LuftGemisch versorgt, das kontinuierlich analysiert wird. Das Analyseergebnis ist ein CO-Wert, der mit einem Sollwert verglichen und dann dazu benutzt wird, um das Verhältnis von Erdgas und Luft so zu verändern, dass die Brennerflamme reduzierend eingestellt ist.
• Der Nachteil dieses Ofens besteht darin, dass der feuerungstechnische Wirkungsgrad gering ist. Im praktischen Betrieb (Aufheizen, Anheizen, schlechtere Auslastung) werden nur Werte von knapp über 40% erreicht. Die Betriebkosten dieses Schachtofens sind sehr hoch. Außerdem fällt verfahrensbedingt ein relativ hoher Anteil an CO₂ pro Tonne Kupferschmelze an, wodurch die Umwelt belastet wird.
• Bekannt ist auch ein Schachtschmelzofen ( DE 3 603 251 A1 ) zum Schmelzen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen, der aus einem zylindrischen Schacht und einem Ofenherd, der konkav und steil abfallend ausgebildet ist, sowie einem Auslasstrog besteht. Herd und Auslasstrog verlaufen gegen die Absticheinrichtung nach unten geneigt. Die Brenner zum Beheizen des Schmelzgutes sind im Herd und im Schacht in verschiedenen Höhen angeordnet. Die Austrittsöffnungen der Brenner sind so gewählt, dass deren Achsen abwärts geneigt verlaufen, um zu verhindern, dass Metalltröpfchen an die gegenüberliegende Wandung bzw. die Brenneröffnung gelangen können. Der Auslasstrog muss mit einem separaten Brenner heiß gehalten werden. Das heiße Metall soll dadurch so schnell wie möglich in Richtung Austritt fließen.
• Im Falle von Kupfer würde sich dies als Nachteil erweisen, weil die Überhitzung (Temperaturdifferenz zwischen Flüssigmetall und Schmelztemperatur) des Metalls sehr gering bleibt.
• Dieser Ofen ist daher zum Schmelzen von Kupfer ungeeignet.
• Da die Schmelztemperatur von Kupfer höher liegt als die von Aluminium wären auch geringere Wirkungsgrade zu erwarten.
• Die EP 2 284 130 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Mineralwolle, wobei ein mineralisches Ausgangsmaterial in einem Kupolofen geschmolzen wird, wobei der Kupolofen einen Schacht zur Aufnahme des Ausgangsmaterials aufweist, wobei im unteren Teil eine Brennkammer mit einem oder mehreren Brennern beheizt wird. Erfindungsgemäß werden die Brenner so betrieben, dass die Menge und der Sauerstoffgehalt des sauerstoffhaltigen Gases in Abhängigkeit von mindestens einem den Schmelzprozess charakterisierenden Parameter geregelt werden.
• Die DE 36 03 251 A1 betrifft ein Verfahren sowie einen vertikalen Schachtofen zum Schmelzen von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Der vertikale Schachtofen weist eine im Wesentlichen zylindrische Querschnittsform, eine feuerfeste Auskleidung und einen gegossenen, feuerfesten Herd auf, der eine konkave, im Wesentlichen konische Form besitzt. Eine Mehrzahl abwärts geneigter Brenner ist in den Wänden des Ofens so angeordnet, sodass verhindert wird, dass die mit hoher Geschwindigkeit strömenden Brennerflammen Aluminiummaterial, das geschmolzen werden soll, durch den Ofen hindurch und in die Brenner hineinblasen, die an der gegenüberliegenden Ofenwand angeordnet sind.
• Die DE 20 62 144 A beschreibt ein Verfahren und einen Vertikalofen für die Schmelzraffination von Kupfer mittels heißer Gase, die durch Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs, der verhältnismäßig viel Schwefel enthalten kann, erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird unreines Kupfer, wie Roh- oder Blisterkupfer, mittels heißer Gase im Vertikalofen geschmolzen. Dies hat den Vorteil eines Wärmeübergangs durch Konvektion anstelle eines Wärmeübergangs durch Strahlung, wie er bei den Flammöfen stattfindet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einschmelzen von NE-Metallen in einem gasbetriebenen Schachtofen zu schaffen, das sich im Vergleich zu den bekannten Verfahren durch einen höheren Wirkungsgrad auszeichnet und zu geringeren Umweltbelastungen führt. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schachtofenanlage geschaffen werden.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
• Gemäß der vorgeschlagenen Verfahrensweise gelangt das einzuschmelzende Metall (Vorlaufmaterial) zuerst in eine vertikale zylindrische Vorwärmzone. Über eine erste Anordnung von Brennern, die an der Phasengrenze zwischen Vorwärmzone und Schmelzzone im Schachtofen ringförmig in gleichen radialen Abständen zueinander eingebaut sind, sowie durch die durch aufsteigende, heiße Abgase abgegebene Wärmeenergie wird das Vorlaufmaterial aufgeheizt. Die Aufheizung wird so gesteuert, dass das Vorlaufmaterial gleichmäßig aufgeheizt wird, bis auf einen Temperaturbereich nahe der Schmelztemperatur, die im unteren Austrittsbereich der Vorwärmzone erreicht wird. In axialer Richtung des Schmelzofens besteht ein Temperaturgefälle. Die Regulierung der Wärmezufuhr in den Schachtofen wird so abgestimmt, dass in der Vorwärmzone noch kein Schmelzvorgang stattfindet.
• Das weiter nach unten sinkende Heiße Vorlaufmaterial wird in der nachfolgenden Schmelzzone vollständig zu Flüssigmetall aufgeschmolzen.
• Der hierzu erforderliche Wärmeeintrag erfolgt über eine zweite Brenneranordnung, wobei die Brenner in einer Ebene, gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind, vorzugsweise in einem radialen Versatz zu den Brennern der ersten Anordnung.
• Die Schmelzzone unterscheidet sich in ihrer Ofengeometrie deutlich von der Vorwärmzone. An der Phasengrenze zwischen Vorwärm- und Schmelzzone erfolgt eine trapezförmige Erweiterung des zylindrischen Querschnitts mit anschließender kontinuierlicher Querschnittsverengung des Ofeninnenraumes in Richtung Austragsöffnung. Beispielsweise entspricht die Geometrie des Ofeninnenraumes der Schmelzzone der äußeren Form eines Obelisk.
• Diese spezielle Gestaltung des Ofeninnenraumes in Verbindung mit der gezielten Wärmezuführung ermöglicht ein gezieltes Einschmelzen in Richtung Flüssigmetallaustrag. Im Bereich der Ofensohle fließt das Flüssigmetall als Gerinne in Richtung Austragsöffnung ab.
• Im Bereich der Austragsöffnung wird über eine dritte Brenneranordnung, die aus einem Brenner bestehen kann, ebenfalls Wärmeenergie zugeführt. Diese Maßnahme gewährleistet einen sicheren kontinuierlichen Austrag des Flüssigmetalls aus der Austragsöffnung und eine gegebene Flüssigmetallüberhitzung.
• Während des Betriebes des Schachtofens wird die Temperatur der Abgase am Ofenkopf kontinuierlich gemessen und durch Steuerung der Ofenleistung (Schmelzleistung) und/oder durch Veränderung der thermischen Leistung der Brenner so geregelt, dass diese auf einen Wert im Bereich von 600 bis 800°C konstant gehalten wird. Bei bekannten Schachtöfen zum Schmelzen von Kupferschrott liegen die Abgastemperaturen am Kopf des Schachtofens bei über 1000°C.
• Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Reduzierung der Abgastemperatur sind für eine wirtschaftliche Betriebsweise von entscheidender Bedeutung. Die spezielle Ofengeometrie wirkt sich vorteilhaft auf eine Absenkung der Abgastemperatur aus, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Schmelzleistung. Die Ofengeometrie sorgt für eine gleichmäßig konstante Strömung des Abgases im Ofenschacht. Die vorgeschlagene Verfahrensweise ermöglicht die Erzielung feuerungstechnischer Wirkungsgrade ηf von ca. 0,70. Der Verbrauch an Brenn- bzw. Erdgas, um eine Tonne Kupferschrott zu schmelzen, lässt sich somit in Abhängigkeit der jeweils gewählten Schmelzleistung um ca. 20 bis 25% verringern.
• Die Zuführung von Wärmeenergie in die Vorwärmzone und Schmelzzone kann separat voneinander geregelt werden. Dadurch kann die Feuerungsleistung gezielt auf die Qualität und Beschaffenheit des Vorlaufmaterials abgestimmt werden.
• Die am Schachtofenkopf gemessene Abgastemperatur wird als Leitgröße zur Steuerung und Regelung der Prozessparameter verwendet.
• Über die in der Vorwärmzone vorgesehene erste Anordnung an Brennern können 40 bis 50% und über die in der Schmelzzone vorgesehene zweite und dritte Anordnung an Brennern 50 bis 60% der Gesamtfeuerleistung zugeführt werden.
• Die Ofenabgase werden abgesaugt und einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Entsprechend der Betriebsweise kann die Abwärme der anfallenden Abgase primär oder sekundär genutzt werden. Der Ofenraumdruck im Kopfbereich des Schachtofens wird vorzugsweise durch Veränderung der Förderleistung zur Abgasabsaugung auf einen Wert < Nullniveau konstant eingeregelt.
• Insbesondere zum sauerstoffarmen Einschmelzen von Kupfer wird die Gasbefeuerung aller Brenner über eine Gas/Luft/Verhältnisregelung vorgenommen.
• Eine geeignete Schachtofenanlage zum Einschmelzen von NE-Metallen, insbesondere Kupferkathoden und Kupferschrotte, ist durch folgende Merkmale charakterisiert:
1. a) einer unterhalb der Beschickungsöffnung vertikal angeordneten Vorwärmzone mit einem zylindrischen Ofeninnenraum, dessen Ofenvolumen 60 bis 80% des Gesamtvolumens des Schachtofens beträgt,
2. b) einer sich an die Vorwärmzone anschließenden Schmelzzone, mit einem den vorderen Teil der Schmelzzone bildenden, abgewinkelten Abschnitt als geschlossene Ofenverlängerung mit einer an der Grenze zur Vorwärmzone befindlichen trapezförmigen Erweiterung, die sich in Richtung Flüssigmetallaustragsöffnung verjüngt, wobei die Schmelzzone durch eine in Fließrichtung leicht geneigt angeordnete ebene Ofensohle, an deren Ende sich die Austragsöffnung befindet, begrenzt ist,
3. c) einer ersten Anordnung gasbefeuerter Brenner, die an der Phasengrenze zwischen Vorwärmzone und Schmelzzone in der zylindrischen Wandung in einer Ebene ringförmig angeordnet ist und
4. d) einer zweiten Anordnung gasbefeuerter Brenner, die im unteren Bereich der Schmelzzone in der Wandung in einer Ebene angeordnet ist, und
5. e) in dem gegenüberliegend zur Ofensohle angeordneten Wandabschnitt eine dritte Anordnung mit mindestens einem gasbefeuerter Brenner vorgesehen ist, wobei die vertikale Achse der Brenner in Richtung vertikaler Mittelachse Schachtofen geneigt ist.
• Die Höhe bzw. Länge der Vorwärmzone beträgt ca. 4 D bis 6 D, wobei D der lichte Innendurchmesser des Ofenschachtes ist.
• Die Höhe der Schmelzzone, bezogen auf die Mittelachse des Schachtofens liegt im Bereich von ca. 1 D bis 1,5 D.
• Die Länge der Ofensohle ab Mittelachse Schachtofen beträgt ca. 1,07 D bis 1,2 D.
• Die in der Wandung der Vorwärmzone angeordneten Brenner sind in Achsrichtung in einem Winkel von ca. 8 bis 15° nach unten geneigt angeordnet.
• Die in der Wandung von Vorwärmzone und Schmelzzone angeordneten Brenner sind als erste Anordnung und zweite Anordnung in ihren Ebenen zueinander radial versetzt.
• Die Beschickungsöffnung ist verschließbar und am Kopf des Schachtofens ist eine unter Saugkraft stehende Abgasleitung mit einer Temperaturmesseinrichtung vorgesehen.
• Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
• 1 eine erfindungsgemäße Schachtschmelzofenanlage in vereinfachter schematischer Darstellung, als Längsschnitt,
• 2 den mittleren und unteren Teil des Schachtschmelzofens gemäß 1 in perspektivischer Darstellung,
• 3 den unteren Teil des Schachtschmelzofens gemäß 1 als Längsschnitt,
• 4 einen Schnitt gemäß der Linie B-B in 3
• 5 einen Schnitt gemäß der Linie A-A in 3, und
• 6 die Einzelheit X in 4 als Längsschnitt.
• Die in 1 gezeigte Schachtschmelzofenanlage besteht aus einem gasbeheizten Schachtofen 1 und einem Schachtofen-Oberteil 2 mit einer Beschickungsschleuse 3 und einem Schacht 4 zur Zuführung von einzuschmelzendem Material, wie Kupferkathoden und Kupferschrott, sowie einer Abgasleitung bzw. Abgaskanal 5. In die Abgasleitung 5 sind eine Notesse 6 und ein Saugzug 7 eingebunden. Außerdem ist in der Wandung der Abgasleitung ein Temperaturfühler 8 installiert, mit dem kontinuierlich die Abgastemperatur gemessen wird. Die gemessenen Werte werden an eine computergestützte, nicht weiter gezeigte Steuer und Regeleinheit übermittelt, auf die nachfolgend noch kurz eingegangen wird. Zur Beschickungsschleuse 3 gehört mindestens ein Schleusentor 9 mit Schieber 9a. Über das Schleusentor 9 wird die Öffnung des Beschickungsschachtes 4 verschlossen.
• Der Schachtofen 1 besteht aus einem vertikal angeordneten, zylindrischen Ofenschacht 10a, als Vorwärmzone 10, an den sich ein Abschnitt 11a anschließt, der die Schmelzzone 11 bildet. Der Innenraum dieses Abschnittes 11a bzw. der Schmelzzone 11 besteht aus einer vertikalen Schachtverlängerung als halbkreisförmiger Abschnitt 16, an den sich in horizontaler Richtung ein obeliskartiger Verlängerungsabschnitt 14 anschließt, der den vorderen Teil der Schmelzzone 11 bildet.
• Die Vorwärmzone 10 und die Schmelzzone 11 unterscheiden sich in ihrer Geometrie. Die Höhe bzw. Länge der Vorwärmzone beträgt 4D bis 6D, wobei D der lichte Innendurchmesser des Ofenschachtes ist und z.B. 1,5 bis 2 m beträgt. Unter Innendurchmesser D ist nachfolgend immer der lichte Innendurchmesser gemeint. Die Höhe eines Schachtofens 1 beträgt in etwa das 5 bis 7,5 fache des Innendurchmessers D.
• Das Ofenvolumen der Vorwärmzone beträgt ca. 80 bis 90% des Gesamtofenvolumens.
• Die Vorwärmzone 10 ist ausschließlich als zylindrischer Raum mit konstantem Innendurchmesser D ausgeführt. An der Phasengrenze zwischen Vorwärmzone 10 und Schmelzzone 11 befindet sich eine erste ringförmige Brenneranordnung 12, wie in den 1 bis 3 zu sehen ist. Insgesamt sind neun gasbetriebene Brenner 13 in gleichen radialen Abständen (jeweils 40°) zueinander in einer Ebene angeordnet. Wie in 6 gezeigt, sind die einzelnen Brenner 13 so angeordnet, dass die Brennerachsen leicht nach unten, in Richtung Ofensohle 18 zeigen. In der Zeichnung sind die Brenner nicht detailliert dargestellt, sondern nur die entsprechenden Einsätze 13 zur Aufnahme der Brenner. Die Bezeichnung Brennereinsatz ist somit auch gleichbedeutend für Brenner. Unmittelbar nach der Brenneranordnung 12, beginnt die Schmelzzone 11, wobei die zylindrische Querschnittsfläche in eine trapezförmige Erweiterung 15 übergeht, die sich in Richtung Austragsöffnung 19 konisch verjüngt. Die Schmelzzone 11 ist nach unten durch eine ebene Ofensohle 18 begrenzt, die leicht geneigt in Fließrichtung verläuft. Am vorderen Ende der Ofensohle 18 befindet sich die Austragsöffnung 19 für das Flüssigmetall. An den hinteren Abschnitt der Ofensohle 18 schließt sich in vertikaler Richtung der halbkreisförmige Abschnitt 16 des Schachtofens 1 an, wie insbesondere in den 2 und 4 zu sehen ist. Die sich an diesen Abschnitt 16 anschließenden Seitenwände 17 verlaufen konisch verjüngt in Richtung Austragsöffnung 19. Der obere Wandabschnitt 20 verläuft in etwa parallel zur Ofensohle 18. Der horizontale Abschnitt 14 des Schachtofens 1 ist in seiner Geometrie obeliskartig ausgeführt. Die Ofensohle 18 hat eine birnenförmige Querschnittsform, wie in 4 zu sehen.
• Im unteren Bereich der Schmelzzone 11, oberhalb der Ofensohle 18, ist eine zweite Brenneranordnung 21 vorgesehenen. Die Brenner 22 sind in gleichen Abständen zueinander in einer Ebene angeordnet (1 bis 3). Die im halbreisförmigen Abschnitt 16 vorgesehenen Brenner sind in einem radialen Abstand von 36° angeordnet, bezogen auf die erste Anordnung von Brennern 12, 13 sind die Brenner 22, um die Hälfte des radialen Abstandes versetzt angeordnet (3). In der zugehörigen Zeichnung sind nur die Brennereinsätze 22 gezeigt.
• Zusätzlich ist in dem oberen Wandabschnitt 20 noch ein Brenner 23 als dritte Anordnung vorgesehen. Über diesen Brenner 23 wird im Dauerbetriebszustand dem Bereich in unmittelbarer Nähe der Austragsöffnung 19 so viel Wärmeenergie zugeführt, dass das Flüssigmetall kontinuierlich abfließen kann. Gegebenenfalls kann über diesen Brenner 23 auch eine Überhitzung des Flüssigmetallgerinnes erzeugt werden. Dieser Brenner 23 ist in Richtung zur Mittelachse des Schachtofens 1 geneigt (1) und so angeordnet, dass ein möglicher Einlauf von Flüssigmetall weitgehend ausgeschlossen ist.
• Die untere Brennerbestückung umfasst zehn Brenner, neun Brenner 23 gehören zu der zweiten Brenneranordnung 21 und ein Brenner 23 bildet die dritte Brenneranordnung. Der gezeigte Schachtofen 1 ist insgesamt mit zwanzig Brennern ausgerüstet. Durch die versetzte Anordnung der Brenner 13 und 22 der beiden Brennerreihen 12 und 21 wird im Betriebszustand eine kontinuierliche Querschnittswärmebelastung erzielt, die sich günstig auf den Schmelzprozess auswirkt.
• Bezogen auf eine Auslegung des gasbeheizten Schachtschmelzofens mit einer Schmelzleistung von 30 t/h (Kupferkathoden und Kupferschrotte) ist von folgenden charakteristischen Ofendaten auszugehen:
• -Gesamthöhe des Schachtofens 5 bis 7 fache des lichten Schachtofendurchmessers, bezogen auf Leerrohrgeschwindigkeit im Normzustand,
• -Lichter Ofenschachtdurchmesser 1,5 m bis 2 m,
• -Anzahl der Brenner 20 Stück (Anordnung wie vorstehend),
• -Brennerleistung je Brenner ≤ 450 kW (ohne primäre Abwärmerückführung)
• -Brenngas: Erdgas H
• Nachfolgend wird die Verfahrensweise, insbesondere unter Bezug auf die 7, näher erläutert. Die Brenner des Schachtofens 1 werden mit Erdgas H als Brenngas betrieben. Die Parameter dieses Brenngases sind allgemein bekannt. Zur Einhaltung eines sauerstoffarmen Einschmelzens erfolgt die Befeuerung über die Brenner 12, 21 und 23 mit einer Gas/Luft/Verhältnisregelung. Gegebenenfalls kann auch noch eine Verbrennungsluftvorerwärmung erfolgen.
• Das zu schmelzende Vorlaufmaterial (Kupferkathoden, Kupferschrotte) wird aus einer Beschickungsschleuse 3 in den zylindrischen Ofenschacht 4 entsprechend der jeweils geforderten Schmelzleistung abgesenkt.
• In der Vorwärmzone 10 wird das zugeführte Vorlaufmaterial durch die spezifische Feuerungsleistung der ringförmig angeordneten Brenner 13 und der aufsteigenden heißen Abgase auf Temperaturen nahe Schmelzpunkt aufgeheizt. Da die Abgase entsprechende Wärme an das Vorlaufmaterial abgeben, wird deren Temperatur gesenkt. Durch die Absaugung der Abgase (künstlicher Zug) wird im Bereich der Vorwärmzone 10 eine auf den gesamten Ofenquerschnitt bezogene kontinuierliche Abgasumströmung des Vorlaufmaterials erreicht. Gleichzeitig wird somit auch der Ofenrauminnendruck geregelt. Die Regelung ist so vorzunehmen, dass die Nulldruckebene im Bereich der Schnittstelle zwischen Vorwärmzone 10 und Schmelzzone 11 liegt, insbesondere, um Falschluftansaugungen über den Flüssigmetallaustritt zu vermeiden.
• Verfahrenstechnisch wird somit sichergestellt, dass das Abgas gleichmäßig abströmt und keinen größeren Temperaturschwankungen unterworfen ist.
• Dadurch kann die Abgastemperatur als Leitgröße bzw. wesentlicher Regelparameter für die gesamte Prozessteuerung des Schmelzofens verwendet werden
• Die Abgastemperatur wird mittels Temperaturfühler 8 am oberen Ende der Vorwärmzone 10 kontinuierlich gemessen und durch mengenmäßige Veränderung bzgl. der Zuführung von Vorlaufmaterial (Schmelzleistung) und/oder Veränderung der Feuerungsleistung, insbesondere der Brenner 13 an der Phasengrenze zwischen Vorwärmzone 10 Schmelzzone 11, so eingestellt, dass die tatsächliche Abgastemperatur im Dauerbetrieb immer im Bereich von 600 bis 800 °C liegt. Der Vorteil der vergleichsweise niedrigen Abgastemperatur besteht in einer erheblich kostenmindernden Nachbehandlung (Reinigung) des Abgases. Zusätzlich kann das gereinigte Abgas noch als Sekundärenergie wirtschaftlich genutzt werden.
• In der Schmelzzone 11 wird das zugeführte vorgewärmte Vorlaufmaterial geschmolzen, die hierzu erforderliche Wärmeenergiezuführung erfolgt über die beiden Gasbrenneranordnungen 12 und 21. Die vorgeschlagene Ofengeometrie, insbesondere die trapezförmige Querschnittserweiterung 15 mit nachfolgender kontinuierlicher Verjüngung 17 unter Ausbildung eines obeliskartigen Ofenabschnittes 14, sorgt für ein flächenmäßig kontinuierliches Einschmelzen sowie eine gleichmäßige und annähernd konstante Temperaturverteilung im Flüssigmetall. Das zu Flüssigmetall geschmolzene Vorlaufmaterial sammelt sich als Gerinne auf der leicht schräg geneigten Ofensohle 18 und fließt am Ende der Ofensohle über die Austragsöffnung 19 ab.
• Die geometrische Auslegung der Schmelzzone 11 in Verbindung mit der Anordnung der Brenner, insbesondere des Brenners 23, ermöglichen einen kontinuierlichen und konstanten Flüssigmetallaustrag.
• Über eine auf einem Rechner installierte Software wird ausgehend von der momentan gemessenen Abgastemperatur die aktuelle Schmelzleistung ermittelt und angezeigt. Auch der aktuelle Verbrauch an Erdgas wird für jeden Brenner gesondert angezeigt sowie als Gesamtverbrauchswert. Liegt die gemessene Abgastemperatur außerhalb der Obergrenze des vorgegebenen Temperaturbereiches (600 bis 800 °C), so wird zuerst berechnet ob eine Korrektur über die Anpassung der Schmelzleistung erfolgen kann. Ist dies nicht möglich, so muss die Feuerungsleistung angepasst werden.
• Sowohl die Vorwärmzone als auch die Schmelzzone können technologisch unabhängig voneinander geregelt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Schachtofen

2

Aufsatz

3

Beschickungsschleuse

4

Schacht

5

Abgasleitung

6

Notesse

7

Saugzug

8

Temperaturfühler

9

Beschickungselement

10

Vorwärmzone

10a

zylindrischer Ofenabschnitt

11

Schmelzzone

11a

horizontal abgewinkelter Ofenabschnitt

12

obere Brenneranordnung

13

Brenner

14

obeliskartiger Abschnitt

15

trapezförmige Erweiterung

16

halbkreisförmiger Abschnitt

17

konisch zulaufende Seitenwände

18

Ofensohle

19

Austragsöffnung

20

oberer Wandabschnitt

21

untere Brenneranordnung

22

Brennereinsatz

23

Brennereinsatz

Claims (14)

1. Verfahren zum Einschmelzen von NE-Metallen, insbesondere Kupferkathoden und Kupferschrotte, in einem gasbefeuerten Schachtofen, wobei das einzuschmelzende NE-Metall im Kopfbereich des Schachtofens zugeführt wird, infolge Schwerkraft sich nach unten absenkt, in einem zylindrischen Ofenabschnitt vorgewärmt wird und in einer sich an den Schacht anschließenden Zone mittels mehrerer betriebener Brenner aufgeschmolzen und als Flüssigmetall aus der Austragsöffnung ausgetragen wird, wobei das einzuschmelzende NE-Metall im Bereich des zylindrischen Ofenabschnittes (10a) zuerst in eine vertikale zylindrische Vorwärmzone (10) gelangt und unter Zuführung von von in einer Ebene ringförmig in gleichen Abständen zueinander, an einer Schnittstelle zwischen der Vorwärmzone (10) und einer Schmelzzone (11), angeordneten Brennern (13) einer ersten Brenneranordnung (12) erzeugter und durch aufsteigende Abgase abgegebene Wärmeenergie aufgeheizt und nachfolgend in einer Schmelzzone (11) über eine in einer Ebene, gleichmäßig über den Umfang verteilte zweite Anordnung von Brennern (22) die zum Schmelzen erforderliche Wärmeenergie zugeführt wird, wobei durch die sich an die Vorwärmzone (10) anschließende Schmelzzone (11) mit in Richtung Ofensohle (18) und Flüssigmetallaustrag (19) folgender Verjüngung ein gezieltes Einschmelzen in Richtung Flüssigmetallaustrag erfolgt, wobei das Flüssigmetall im Bereich der Ofensohle (18) als Gerinne in Richtung Austragsöffnung (19) abfließt und im Bereich des oberen Wandabschnittes über mindestens einen Brenner (24) einer dritten Brenneranordnung (23) Wärmeenergie eingeleitet wird, um einen sicheren kontinuierlichen Austrag des Flüssigmetalls aus der Austragsöffnung (19) zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, dass an der Schnittstelle zwischen Vorwärmzone (10) und Schmelzzone (11) durch eine trapezförmige Erweiterung des zylindrischen Querschnitts, wobei sich die trapezförmige Erweiterung in Richtung Flüssigmetallaustragsöffnung (19) verjüngt, eine gleichmäßig konstante Strömung der Abgase in dem zylindrischen Ofenabschnitt (10a) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Wärmeenergie in die Vorwärmzone (10) und Schmelzzone (11) separat voneinander geregelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Abgastemperatur als Leitgröße zur Steuerung und Regelung der Prozessparameter verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über die in der Vorwärmzone (10) vorgesehenen Brenner der ersten Brenneranordnung (12) 40 bis 50% der Gesamtfeuerungsleistung zugeführt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über die in der Schmelzzone (11) vorgesehenen Brenner (22, 24) der zweiten und dritten Brenneranordnung (21, 23) 50 bis 60% der Gesamtfeuerungsleistung zugeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenraumdruck im Kopfbereich des Schachtofens (1) durch Veränderung der Förderleistung zur Abgasabsaugung auf einen Wert < Nullniveau konstant eingeregelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum sauerstoffarmen Einschmelzen von Kupfer die Gasbeheizung aller Brenner (13, 22, 24) über eine Gas/Luft/Verhältnisregelung vorgenommen wird.
8. Schachtofenanlage zum Einschmelzen von NE-Metallen, insbesondere Kupferkathoden und Kupferschrotte, mit folgenden Merkmalen: a) einer unterhalb einer Beschickungsöffnung (4) vertikal angeordneten Vorwärmzone (10) mit einem zylindrischen Ofeninnenraum, dessen Ofenvolumen 60 bis 80% des Gesamtvolumens des Schachtofens (1) beträgt, b) einer sich an einer Schnittstelle an die Vorwärmzone (10) anschließenden Schmelzzone (11), die sich in Richtung Flüssigmetallaustragsöffnung (19) verjüngt, wobei die Schmelzzone (11) durch eine in Fließrichtung leicht geneigt angeordnete ebene Ofensohle (18), an deren Ende sich die Austragsöffnung (19) befindet, begrenzt ist, c) einer ersten Brenneranordnung (12) mit gasbetriebenen Brennern (13), die an der Schnittstelle zwischen Vorwärmzone (10) und Schmelzzone (11) in der zylindrischen Wandung in einer Ebene ringförmig angeordnet ist, d) einer zweiten Brenneranordnung (21) mit gasbetriebenen Brennern (22), die im unteren Bereich der Schmelzzone (11) in der Wandung (16, 17) in einer Ebene angeordnet ist, e) einer dritten Brenneranordnung (23) mit mindestens einem gasbetriebenen Brenner (24), die in dem gegenüberliegend zur Ofensohle (18) angeordneten oberen Wandabschnitt (20) angeordnet ist, wobei die vertikale Achse der Brenner (24) in Richtung zur vertikalen Mittelachse (X) des Schachtofens (1) geneigt ist, und f) einer Messeinrichtung für die Abgastemperatur sowie einer computergestützten Steuer- und Regeleinheit mindestens zur Veränderung der Vorlaufmaterialmenge und/oder Feuerleistung der Brenner der ersten und/ oder zweiten Brenneranordnung (12, 21), dadurch gekennzeichnet, dass die Schachtofenanlage an der Schnittstelle zwischen der Vorwärmzone (10) und der Schmelzzone (11) eine trapezförmige Erweiterung des zylindrischen Querschnittes aufweist, wobei sich die trapezförmige Erweiterung in Richtung Flüssigmetallaustragsrichtung (19) verjüngt, sodass eine gleichmäßig konstante Strömung von Abgasen im zylindrischen Offeninnenraum erreichbar ist.
9. Schachtofenanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (Länge) der Vorwärmzone (10) 4D bis 6D beträgt, wobei D der lichte Innendurchmesser des Ofenschachtes ist.
10. Schachtofenanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Schmelzzone (11), bezogen auf die Mittelachse (X) des Schachtofens (1) 1D bis 1,5D beträgt.
11. Schachtofenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Ofensohle (18) ab Mittelachse (X) des Schachtofens (1) 1,07D bis 1,2D beträgt.
12. Schachtofenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Wandung der Vorwärmzone (10) angeordneten Brenner (13) in Achsrichtung in einem Winkel von 8 bis 15° nach unten, in Richtung Ofensohle (18), geneigt angeordnet sind.
13. Schachtofenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Wandung von Vorwärmzone (10) und Schmelzzone (11) angeordneten Brenner (13, 22) als erste Anordnung (12) und zweite Anordnung (21) in ihren Ebenen zueinander radial versetzt sind.
14. Schachtofenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschickungsöffnung (4) verschließbar ist und am Kopf des Schachtofens (1) eine unter Saugkraft stehende Abgasleitung (5) mit einer Temperaturmesseinrichtung (8) vorgesehen ist.

Images