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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ofenanlage zum Erschmelzen von Einsatzstoffen, wie Legierungsbestandteile, Ferrolegierungen, Erzen, Mineralstoffen, Schrott oder sogenannten Zuschlägen, um unerwünschte Bestandteile einer Schmelze in die Schlacke zu überführen und damit aus der Schmelze zu entfernen, mit einem im wesentlichen einen rechteckigen Grundriss aufweisenden und mit Seitenwänden versehenen Ofengefäß; und Elektroden zur Zuführung von elektrischer Energie in das Ofengefäß, wobei die Elektroden mit ihren Längsachsen parallel zueinander senkrecht nebeneinander hängend in das Ofengefäß einbringbar sind.
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Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung betrifft die Erzeugung von Schmelzen bei inhomogenen Einsatzstoffen als Ausgangsmaterial. Von inhomogenen Einsatzstoffen spricht man, wenn zum Erschmelzen Ausgangsmaterialien unterschiedlichster Qualitäten und Quantitäten verwendet werden soll. Auch unterschiedliche Aggregatzustände oder physikalische Eigenschaften wie Temperatur oder Dichte der Einsatzstoffe spielen eine Rolle. So kann eine Charge beispielsweise aus Schrott, konfektionierten Konzentraten unterschiedlichster Zusammensetzungen, Stäuben, Zunder und weiteren Zuschlagstoffen bestehen. Während des Schmelzprozesses einer derartigen Charge können erhebliche Schlackenmengen entstehen. Es gilt nun diese Schlackenprozesse und vergleichbare Prozesse in der Schmelze zu steuern, um so die gesamte Schmelze bei inhomogenen Einsatzstoffen homogenisieren zu können.
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Aus der Druckschrift
DE 30 24 223 A1 ist ein Dreiphasen-Lichtbogenschmelz- oder Reduktionsofen mit länglichem Ofengefäß und dessen im Wesentlichen rechteckigem Grundriss nur geringfügig abgerundete Ecken aufweist, wobei zur Durchführung der elektrischen Energie sechs, oder ein ganzzahliges Vielfaches von sechs, Elektroden dienen, die in zwei Reihen in Richtung der Längsachse des Ofengefäßes mit gleichen Abständen angeordnet sind, bekannt.
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In der Druckschrift
DE 677 279 ist ein Lichtbogenofen mit rechtwinkligem oder ovalem Grundriss beschrieben, bei dem sechs Elektroden an der Langseite des Ofengefäßes angeordnet sind.
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Die Druckschrift
DE 973 715 beschreibt einen elektrischen Lichtbogen- oder Reduktionsofen, der mit mehr als drei Elektroden versehen ist und als Kalziumkarbid- und Ferrolegierungsofen verwendet wird. Der Ofen soll den Energiestrom und damit die Temperatur gleichmäßiger verteilen helfen, indem mehr als drei Elektroden auf einem Kreis angeordnet werden.
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Aus der
WO 2012/156108 A1 ist ein Reduktionsofen bekannt, insbesondere zur Siliziumherstellung, mit einem Ofengefäß und einer Mehrzahl von Elektroden mit insbesondere kreisförmigem Querschnitt, die in definierte Anordnung zueinander, insbesondere entlang eines Kreisbogens, in dem Ofengefäß angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Elektroden als Elektrodenbündel aus mehreren Einzelelektroden, insbesondere als Doppelelektrode, ausgebildet ist. Hierdurch soll die Effektivität der Elektroden verbessert werden. Der Siliziumprozess arbeitet ohne Schlackenbad und die Größe der reaktiven Zone im Ofen hängt neben der Leistung vor allem vom Durchmesser der Elektroden und deren Kontaktfläche mit dem Rohmaterial ab.
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Die bekannten Lichtbogen- und Reduktionsöfen haben sich zwar bewährt, haben aber den Nachteil, dass bei inhomogenen Einsatzstoffen die Homogenisierung der Schmelze nur aufwendig zu bewerkstelligen ist.
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Bislang werden beim Schmelzen von z.B. Schlackenwollen üblicherweise Rundöfen mit in der Regel 3 Elektroden und in der Regel AC-Mode verwendet. Die Größe der Öfen richtet sich vor allem nach der Ofenleistung, um den Ausmauerungsverschleiß zu limitieren. Nur große Erfahrung der Ofenbetreiber und eine gute Prozess-Steuerung in Verbindung mit möglichst homogenen Einsatzstoffen führt zu einer gleichbleibenden Qualität der abgestochenen Schlacke. Umgekehrt bedeutet dies, zur Homogenisierung der Schlacke, beispielsweise nachgeschaltete weitere Öfen verwendet werden.
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Ohne weitere nachgeschaltete Öfen besteht die Gefahr eines inhomogenen Produktes. Der Prozess ist daher von seiner Führung sehr anspruchsvoll und bedarf der ständigen Überwachung und ggf. Nachregelung. Die Nachschaltung eines oder mehrerer Öfen hat die Nachteile, dass jeweils ein Schlackentransport von einem Ofen in den nächsten erforderlich wird (Rinne und/oder Kübel) und zwei oder mehr Öfen zu handhaben sind und eine optimale Aufteilung der einzubringenden Energie schwierig ist, da in jedem einzelnen Ofen sowohl Anbackungen als auch Überhitzungen zu vermeiden sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ofenanlage und ein Verfahren zur Verfügung zustellen, um beim Einsatz von Rohstoffen verschiedener Qualitäten, insbesondere von flüssigen und kalten Einsatzstoffen, eine am Abstich sehr homogene Schmelze gleichmäßiger Zusammensetzung und Temperatur zu erreichen. Die Ofenanlage soll dabei kompakt, einfach zu handhaben, energiesparend und personalsparend zu betreiben sein.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, insbesondere dadurch, dass eine erste und eine zweite Elektrodengruppe, jeweils bestehend aus einer Mehrzahl von den Einzelelektroden, vorgesehen sind, wobei die erste Elektrodengruppe eine Schmelz- und Reduktionszone in dem Ofengefäß repräsentiert und wobei die zweite Elektrodengruppe, welche vorrangig in der Nähe eines Abstichs angeordnet ist, eine Homogenisierungszone in demselben Ofengefäß repräsentiert; dass eine erste Steuerungs- oder Regelungseinrichtung vorgesehen ist zur Ansteuerung der Elektroden der ersten Elektrodengruppe in einem Schmelz- und Reduktionsbetriebsmodus; und dass eine zweite Steuerungs- oder Regelungseinrichtung vorgesehen ist zur Ansteuerung der Elektroden der zweiten Elektrodengruppe in einem Homogenisierungsbetriebsmodus und unabhängig von der ersten Elektrodengruppe ist.
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Hierdurch wird ein Schmelz-Reduktionsofen geschaffen, der elektrisch unabhängig zu steuernde und zu regelnde Ofenbereiche bietet und der eine optimale Anpassung von Ofenleistung und Vermischung (Turbulenz durch Wärmeströmung) ermöglicht. Die Kombination mit einem großen Ofenvolumen sorgt für eine gute Homogenisierung, wobei alles von einem Leitstand bedienbar ist. Des Weiteren gibt es nur einen Bereich, um den Ofen zu chargieren und nur einen Bereich zum Abstechen. Durch die insgesamt kompaktere Anordnung, treten geringere elektrothermische Verluste auf und durch die versetzte Anordnung der Elektroden wird der Kontakt der Einsatzstoffe und der Schmelze mit den Elektroden und deren Wärmeeintrag erheblich verbessert. Dabei ist es vorgesehen, dass der ersten Elektronengruppe und der zweiten Elektronengruppe jeweils eine separate Energieversorgungs- / Trafoeinheit, die sie mit der notwendigen Energie versorgt, zugeordnet ist. Die zweite Elektrodengruppe ist insofern in der Nähe des Abstichs angeordnet, als das die zweite Elektrodengruppe näher an dem Abstich angeordnet ist als die erste Elektrodengruppe.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ofenanlage sind die Elektroden der ersten und / oder der zweiten Elektrodengruppe quer zur Längsrichtung des Ofengefäßes zueinander wechselweise versetzt angeordnet.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ofenanlage kann der Versatz der Elektroden der Elektrodengruppen zwischen 200mm und 800 mm betragen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ofenanlage kann der Versatz (V) der Elektroden (14, 14a) stufenlos einstellt werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden erfindungsgemäßen Ofenanlage kann in Querrichtung des Ofengefäßes ein Wehr angeordnet sein zum Unterteilen des Ofengefäßes bzw. der Schmelze in die Schmelz- und Reduktionszone sowie in die Homogenisierungszone. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass jede der ersten und zweiten Elektrodengruppe aus n mal 3 Elektroden bestehen kann. Denkbar sind auch Elektrodengruppen, die aus mehr als drei Elektroden gebildet werden, beispielsweise vier, fünf oder sechs Elektroden pro Elektrodengruppe. In einer Weiteren Ausführungsform kann das Wehr über die Nachsetzvorrichtung der Elektroden verfahren werden. Auch kann das Wehr mit einen eigenen Verstell- bzw. Verfahrmechanismus (z. B. in der Art der Nachsetzvorrichtung der Elektroden) wirkverbunden sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wehr in der vertikalen Höhe mit den Seitenwänden des Ofengefäßes derart verbunden, dass über eine dem Wehr zugeordnete Überlaufrinne Schlacke aus der Schmelz- und Reduktionszone in die Homogenisierungszone überfließt und in der vertikalen Tiefe mit den Seitenwänden des Ofengefäßes derart verbunden ist, dass eine Schmelze unter dem Wehr hindurch ebenfalls in die Homogenisierungszone überfließen kann. Dieser Vorgang kann über die Eintauchtiefe der Elektroden in die Schmelze und der Energiezufuhr zu den Elektroden gesteuert werden. Dabei kann die Homogenisierungszone, die dem Abstich zugeordnet ist, als Beruhigungsbecken ausgebildet sein.
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Das Wehr trennt die Homogenisierungszone von der Schmelz- und Reduktionszone derart ab, dass die übertretende Schlacke und Schmelze in der Homogenisierungszone strömungsberuhig ist, während zeitgleich die Schlacke und Schmelze in der Schmelz- und Reduktionszone strömungsturbulent durchmischt werden kann.
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Das Wehr besteht in dieser Ausführungsform aus einer Feuerfestkeramik, die beispielsweise doppelwandig ausgeführt ist und Mittel zur Kühlung mit Luft zugeordnet werden können. Denkbar als Material ist auch Graphit, idealerweise in beschichteter (oxidationshemmender) Form.
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Der erfindungsgemäße Schmelz-Reduktionsofen ist als ein Wechselstromofen oder als ein Gleichstromofen ausgebildet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, es ein Verfahren zum Erschmelzen von Einsatzstoffen, wie Legierungsbestandteile, Ferrolegierungen oder sogenannten Zuschlägen bereitzustellen, um unerwünschte Bestandteile einer Schmelze in die Schlacke zu überführen und damit aus der Schmelze zu entfernen.
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Diese Aufgabe wird gemäß dem Anspruch 12 gelöst, insbesondere durch eine erste Steuerungs- oder Regelungseinrichtung, die Elektroden der ersten Elektrodengruppe in einem Schmelz- und Reduktionsbetriebsmodus ansteuert; und eine zweite Steuerungs- oder Regelungseinrichtung, die Elektroden der zweiten Elektrodengruppe in einem Homogenisierungsbetriebsmodus ansteuert, so dass hierdurch die getrennte Ansteuerung der Elektrodengruppen in dem Ofengefäß zeitgleich durchgeführt wird und eine Schmelz- und Reduktionszone sowie eine Homogenisierungszone in dem selben Ofengefäß gleichzeitig ausgebildet wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ofenanlage in einer Seitenansicht in Querrichtung mit Blick auf die der Ofenquerwand angeordneten Abstichvorrichtungen;
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2 die schematische Darstellung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ofenanlage, in einer Seitenansicht in Längsrichtung des erfindungsgemäßen, mit Chargiervorrichtung und Abstichvorrichtung an den jeweiligen Querseiten, Ofentraggerüst mit Ofenfundament und Elektrodengruppe;
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3 die schematische Darstellung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ofenanlage in einer Draufsicht.
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Wie die 1, 2 und 3 zeigen, besteht die Ofenanlage 10 im Wesentlichen aus einem Ofengefäß 11, in das Elektroden 14 und 14a in Einbaulage von oben nach unten eingefahren oder umgekehrt wieder herausgefahren werden können. Die Elektroden 14 und 14a sind in Längsrichtung 13 des Ofengefäßes 11 (strichpunktierte Linie) zu Elektrodengruppen 12 und 12a zusammengefasst. Der Übersichtlichkeit halber werden jeweils nur eine dargestellte Elektrode 14 bzw. 14a mit dem entsprechenden Bezugszeichen in den Figuren versehen.
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Die zu Elektrodengruppen 12 und 12a zusammengefassten Elektroden 14, 14a sind in Längsrichtung 13 des Ofengefäßes 11 wechselweise aus der Ofenmitte heraus zu den Seitenwänden 15, 16 des Ofengefäßes 11 hin versetzt angeordnet, so dass die Elektroden 14 14a einer jeden Elektrodengruppe 12, 12a mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander in Längsrichtung 13 mit einem Versatz V versetzt zueinander angeordnet sind. Mit anderen Worten die Elektroden 14, 14a sind wechselseitig in Längsrichtung 13 des Ofengefäßes 11 aus dessen Ofenmitte heraus zu den Seitenwänden 15, 16 versetz angeordnet.
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Der Versatz V der Elektroden 14, 14a zueinander und der Abstand A der Elektroden 14, 14a einer jeden Elektrodengruppe 12, 12a zu den Seitenwänden 15, 16 hin ist in dieser Ausführungsform dabei stufenlos einstellbar.
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Das im Wesentlichen rechteckig ausgebildete Ofengefäß 10, dessen Seitenwände 15, 16 und Querwände 17, 18 jeweils im rechten Winkel aufeinanderstoßen, kann geringfügig abgerundete Ecken aufweisen.
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Das Ofengefäß 11 wird von einem Traggerüst 19, aus einer Vielzahl von Träger 20 gehalten. Die Träger 20 sind wiederum mit einem Fundament 21 verbunden, das in dieser Ausführungsform als ein aus einer Vielzahl von in Querrichtung 22 des Ofengefäßes 10 angeordneten Fundamentstreifen ausgebildet ist.
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Der in Querrichtung 22 des Ofengefäßes 11 angeordneten Seitenwand 17 ist ein Chargiermittel 23 zugeordnet. Über das Chargiermittel 23 kann das Ofengefäß 11 mit dem zu schmelzenden Roh- bzw. Ausgangstoffen beschickt werden. Dabei soll es keine Rolle spielen, ob diese fest, flüssig, kalt oder heiß sind.
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Der in Querrichtung 22 des Ofengefäßes 11 angeordneten Seitenwand 18 sind Abstechmittel bzw. ein Abstich 24 zugeordnet, über die die Schmelze und/oder die Schlacke abgestochen werden kann. Durch die Elektrodengruppen 12, 12a wird in ein und demselben Ofengefäß 11 eine Schmelz- und Reduktionszone 23a und eine Homogenisierungszone 24a ausgebildet.
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Zwischen den Elektrodengruppen 12 und 12a kann, wie in 3 dargestellt, ein Wehr 25 angeordnet sein. Das Wehr 25 kann in Einbaulage von oben in das Ofengefäß 11 eingehängt werden und mit den nicht dargestellten Elektrodentragarm bzw. der Nachsetzvorrichtung für die Elektroden (nicht dargestellt) vertikal bzw. horizontal verfahren werden.
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Es können entweder zwei oder vier oder sechs oder acht oder zehn Elektroden, bevorzugt drei oder sechs oder neun Elektroden 14, 14a (entsprechend zwei energetischen Zonen) dem Ofengefäß 11 zugeordnet sein.
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In dieser Ausführungsform ist das Wehr 25 in der vertikalen Höhe mit den Seitenwänden 15, 16 des Ofengefäßes 11 derart verbunden, dass über eine dem Wehr 25 zugeordnete Überlaufrinne 26 Schlacke aus der Schmelz- und Reduktionszone 23a des Ofengefäß 11 in die, durch das Wehr 25 abgeteilte Homogenisierungszone 24a des Ofengefäßes 11 überfließen kann. In der vertikalen Tiefe ist das Wehr 25 mit den Seitewänden 15, 16 des Ofengefäßes 11 derart verbunden, dass eine Schmelze unter dem Wehr 25 hindurch aus der Schmelz- und Reduktionszone 23a ebenfalls in die Homogenisierungszone 24a fließen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ofenanlage
- 11
- Ofengefäß
- 12, 12a
- Elektrodengruppe
- 13
- Längsrichtung
- 14, 14a
- Elektroden
- 15
- Seitenwand in Längsrichtung
- 16
- Seitenwand in Längsrichtung
- 17
- Seitenwand in Querrichtung
- 18
- Seitenwand in Querrichtung
- 19
- Traggerüst
- 20
- Träger
- 21
- Fundament
- 22
- Querrichtung des Ofengefäßes
- 23
- Chargiermittel
- 23a
- Schmelz- und Reduktionszone
- 24
- Abstechmittel
- 24a
- Homogenisierungszone
- 25
- Wehr
- 26
- Überlaufrinne
- A
- Abstand der Elektroden zur Seitenwand
- V
- Versatz der Elektroden der Elektrodengruppe zueinander
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3024223 A1 [0003]
- DE 677279 [0004]
- DE 973715 [0005]
- WO 2012/156108 A1 [0006]