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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Kupolofens Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kupolofens zur Eisenumschmelzung sowie
die entsprechende Ausbildung des Kupolofens.
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Ein mit festen Brennstoffen betriebener Schachtofen hat eine reduzierende
Ofenatmosphäre, die im unteren Teil des Ofenschachtes erwünscht ist, weil sie z:
B. bei der Eisenerzeugung die Reduktionsarbeit leistet und z. B. bei der Eisenumschmelzung
den Abbrand des Eisens und der erwünschten Eisenbegleiter in erträglichen Grenzen
hält. Aus wärmewirtschaftlichen Gründen wäre eine neutrale Ofenatmosphäre günstiger,
die im oberen Teil des Ofenschachtes keine metallurgischen Nachteile bringen würde.
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Zur Erzielung eines wirtschaftlichen Schachtofenbetriebes ist es üblich,
über den ganzen Ofenschacht eine reduzierende Ofenatmosphäre aufrechtzuerhalten,
das Gichtgas im oberen Teil des Ofenschachtes ganz oder teilweise abzusaugen, außerhalb
des Ofens zu verbrennen und die gewonnene Wärme mittels Rekuperator oder Regenerator
über den Ofenwind dem Ofen wieder zuzuführen. Dieses sogenannte Heißwindverfahren
bringt außer der Brennstoffersparnis wesentliche metallurgische Vorteile, weil durch
die mit dem Ofenwind eingebrachte Wärme eine Erhöhung der Schmelzzonentemperatur
erfolgt, wodurch sich sämtliche Reaktionsgleichgewichte im günstigen Sinne verschieben.
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Dem Vorteil des Heißwindverfahrens steht der Nachteil großer Investitionskosten
gegenüber. Letztere wachsen mit den Anlagekosten degressiv, so daß Großanlagen bevorzugt
sind.
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Die Erfindung bezweckt, durch einfache und dementsprechend billige
Mittel und Maßnahmen einen wirtschaftlichen Schachtofenbetrieb zu erzielen, wobei
gleichzeitig die vom Heißwindverfahren bekannten metallurgischen Vorteile erhalten
werden. Die Umstellung des Betriebes sämtlicher Klein-Schachtofenanlagen auf das
erfindungsgemäße Verfahren würde allein durch die Brennstoff- und Siliziumersparnisse
großen volkswirtschaftlichen Nutzen bringen.
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Die Vorteile des Heißwindverfahrens werden durch die Erhöhung der
Schmelzzonentemperatur infolge der zusätzlich mit dem Ofenwind eingebrachten Wärme
erzielt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ebenfalls durch die
Erhöhung der Schmelzzonentemperatur erzielt, nur daß hierbei die zusätzliche Wärme
durch das Gichtgut in die Schmelzzone eingebracht wird. Da die metallurgischen Vorteile
eine Folge der Verschiebung der Reaktionsgleichgewichte durch die Temperatursteigerung
sind, müssen sie bei beiden Verfahren gleich sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dem Ofenschacht Gichtgas
zu entnehmen, dieses außerhalb des Ofens zu verbrennen und oberhalb der Ofenwinddüsen
dem Ofenschaft wieder zuzuführen, ohne daß den verbrannten Gasen auf dem Wege zu
den Zuführöffnungen Wärme entzogen wird. Dadurch wird das Gichtgut einem um die
durch die Verbrennung bewirkte Temperaturaufstockung vergrößerten Temperaturgefälle
ausgesetzt, -so daß infolgedessen ein starker Wärmeübergang an das Eisen stattfindet,
der noch dadurch begünstigt wird, daß der thermochemisch neutrale Stickstoffanteil
seine Wärme von chemischen Vorgängen unbelastet an das Eisen abgeben kann. Des weiteren
ist zu beachten, däß wegen des stationären Vorganges in der Reaktionsgleichung für
die Reduktion der Kohlensäure zu Kohlenoxyd die während der Zeit für einen Formelumsatz
erforderliche Wärmemenge Q, die proportional der Temperaturdifferenz zwischen Gas
und Eisenoberfläche ist, zu berücksichtigen ist, woraus folgt: C02 -I- C -f- 38
200 kcal/kMol = 2 CO -i- Qt.
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Je größer das Temperaturgefälle ist, desto größer ist das Glied Qt,
was dieselbe Wirkung hat wie eine Verminderung der Reaktionswärme oder eine entsprechende
Verlagerung der Reaktionstemperatur. Die Kohlensäure-Reduktion wird also um so mehr
unterdrückt, je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem zugeführten Gas und
dem Eisen ist. Die Verbrennung des Ofengases muß außerhalb des Ofens durchgeführt
werden, weil nur bei Abwesenheit von Kohlenstoff die exotherme Reaktion 2 C0-1-0.,--58
800 kcal/kMol=2 CO., stattfindet, was die Voraussetzung für die Steigerung der Gastemperatur
ist.
Es ist bekannt, einem Kupolofen im Bereich der Reduktionszone
der Kohlensäure durch Abzugsöffnungen Ofengase zu entnehmen, diese durch Zuführung
von Verbrennungsluft außerhalb des Ofenschachtes in einem geschlossenen System zu
verbrennen, um sie in einem Vorherd zur Aufheizung von geschmolzenem Ciußeisen oder
zu schmelzendem Stahlschrott heranuziehen und sie darauf dem Ofen als Abgas wieder-
zuzuleiten. Wegen der Wärmeabgabe im Vorherd ist das Gas nicht mehr in der Lage,
den erfindungsgemäßen Effekt auszulösen.
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Es ist weiter bekannt; einem Schachtofen oberhalb der Gicht ungereinigtes
Lichtgas zu entnehmen, dieses in Lichtgasbrennern zu verbrennen, dabei seinen Druck
zu erhöhen, um es unterhalb der Gicht im Bereich der Lichtsäule wieder einführen
zu können. Das Lichtgas hat kaum noch fühlbare Wärme, so daß die Verbrennung des
-Kohlenoxyds nicht die für den erfindungsgemäßen Effekt notwendige Temperaturhöhe
erreicht.
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Ferner ist es bekannt, innerhalb des Ofenschachtes das Ofengas bei
Anwesenheit von Brennstoff durch Sekundärdüsen unter Erzeugung einer für das Metall
schädlichen oxydierenden Atmosphäre nachzuverbrennen. Wegen der Anwesenheit von
Kohlenstoff kann aber die zum Erreichen der Temperaturhöhe geeignete exotherme Reaktion
zwischen dem Sauerstoff und dem Kohlenoxyd nicht stattfinden, weil gleichzeitig
die endotherme Reaktion zwischen der entstehenden Kohlensäure und dem Kohlenstoff
abläuft.
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Bei der Erfindung wird demgegenüber das dem Ofenschacht im Bereich
der Reduktionszone der Kohlensäure anfallende sehr heiße Ofengas entzogen, außerhalb
des Ofens bei Abwesenheit von Kohlenstoff verbrannt und anschließend mit entsprechend
erhöhter Temperatur dem Ofenschacht im Bereich der Lichtsäule wieder zugeführt.
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Abb.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In den Ofenschacht
1 wird über den Windkasten 2 durch die Düsen 3 der Ofenwind eingeblasen. Vor den
Düsen 3 bildet sich im Lichtgut die Schmelzzone 4 aus. Das entstehende Lichtgas
will unter Überwindunwg des großen Strömungswiderstandes der Lichtsäule nach oben
entweichen. Oberhalb der Schmelzzone.4 hat der Ofenschacht 1 eine oder mehrere Öffnungen
5, die mit einem vorzugsweise ringförmigen Brennraum 6 verbunden sind. Zur Verbrennung
des in den Brennraum 6 strömenden Gichtgasanteils wird vorzugsweise tangential über
die Leitungen 7, die im einfachsten Falle mit dem Windkasten 2 verbunden sind, Verbrennungsluft
zugeführt. Das verbrannte Lichtgas tritt durch eine oder mehrere Öffnungen 8 wieder
in den Ofenschacht ein. Wegen seiner hohen Temperatur heizt es die Lichtsäule gut
auf. Der Strömungswiderstand ist zwischen den Öffnungen 5 und 8 auf dem Weg über
den Brennraum 6 wesentlich geringer als auf dem Weg durch die Lichtsäule, so daß
der größte Teil des Lichtgases durch den Brennraum 6 strömt. Der restliche, durch
die Lichtsäule zwischen den Öffnungen 5 und 8 strömende Teil des Lichtgases bleibt
unverbrannt und bewirkt, daß, falls die Verbrennung im Brennraum 6 mit Luftüberschuß
erfolgt, der freie Sauerstoff nach der Wiedervereinigung der Gichtgasströme bei
den Öffnungen 8 gebunden wird, so daß eine praktisch neutrale Ofenatmosphäre entsteht.
Die oberhalb der Öffnungen 8 der Lichtsäule zugeführte Wärme wandert beim Absinken
der Lichtsäule in die Schmelzzone 4 und bewirkt dort die beabsichtigte Temperaturerhöhung.
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Gegenüber dem bekannten Heißwindverfahren bringt die Erfindung jedoch
noch einen weiteren nicht zu unterschätzenden Vorteil: Bekanntlich reduziert sich
bei intensiver Verbrennung Siliziumdioxyd zum Teil in das gasförmige Siliziumoxyd,
das in das Lichtgas übergeht. Bei der Verbrennung des Lichtgases oxydiert das Siliziumoxyd
zu Siliziumdioxyd, das einen sehr hohen Schmelzpunkt hat und deshalb nicht koaguliert,
also als Feinststaub mit dem verbrannten Lichtgas fortgetragen wird. Beim Heißwindverfahren
gelangt dieser Kieselsäurestaub in den Rekuperator und führt dort zu Verschmutzung
der Heizfläche. Der Anteil, der nicht im Rekuperator zurückbleibt, wird mit dem
Abgas in die freie Atmosphäre ausgestoßen. Es entsteht also ein ständiger Verlust
von teurem Silizium und eine unangenehme Staubbelästigung. Diese Nachteile werden
durch die Erfindung vermieden, weil der im Brennraum 6 entstehende Kieselsäurefeinststaub
durch die Öffnungen 8 in den Ofenschacht geführt wird und an der stark aufgeheizten
Oberfläche des Lichtgutes haftenbleibt. Der Kieselsäurestaub gelangt also in äußerst
reaktionsfähiger Form immer wieder in die Schmelzzone 4 zurück und kann dort vom
flüssigen Eisen als Silizium aufgenommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
bringt also gegenüber dem Heißwindverfahren einen beträchtlichen Gewinn an Silizium
und den hygienischen Vorteil, daß eine Belästigung der Nachbarschaft durch Kieselsäurestaub
vermieden wird.
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Abb. 2 zeigt ein weiteres Beispiel der Erfindung. Hier sind die Öffnungen
5 unterhalb der Schmelzzone 4 angeordnet. Die Wirkungsweise entspricht der gemäß
Anordnung nach Abb. 1, jedoch hat die Anordnung nach Abb. 2 den weiteren Vorteil,
daß der durch die Düsen 3 eintretende Ofenwind keine Kühlwirkung auf das geschmolzene
Eisen ausüben kann, weil das Schmelzen unterhalb der Düsen stattfindet.