DE1408782C

DE1408782C - Verfahren zum Betreiben eines Ofens zum Frischen von Metallen und Ofen zur Durch fuhrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1408782C
Authority: DE
Inventors: Edward Francis Allentown Pa Kurzinski (V St A )
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Publication date: 1972-09-28

Description

Die Hrfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ofens zum Frischen von Metallen, der einen Hoden und Seitenwände besitzt, die eine Schniclz- bzw. Frisch/.one abgrenzen, wobei die Beschickung in fester oder flüssiger Form in diese Zone eingebracht wird.

Bei Öfen zum Frischen von Metallen ist es erforderlich, möglichst schnell und möglichst genau die hochstzulässige Wärmemenge zuzuführen, ohne daß die Atmosphäre innerhalb der verschiedenen Behandlungsstufen gestört wird. Bei bekannten Siemens-Martin-Öfen beispielsweise ist die zuführbare Wärmemenge durch die Hitzebeständigkeit der Auskleidung begrenzt, insbesondere, da von der von der Flamme abgegebenen Wärmestrahlung nur der auf die Beschikkung gerichtete Anteil von der Beschickung, der Rest dagegen von der Wandauskleidung ausgenommen wird. Wenn die Beschickung mit Schlacke bedeckt ist, nimmt zunächst die Schlacke, nicht jedoch direkt die Beschickung die Wärme der Flamme auf.

Aus der belgischen Patentschrift 563 093 ist eine automatische Steuerung einer Anzahl von Gasrohren für Brenngas bekannt. Da der Abstand zwischen den F.nden der Gasrohre und den Wänden des Ofens jedoch groß ist, tritt eine erhebliche Wärmestrahlung in Richtung der Ofenwände auf, so daß die Wärmezufuhr mit Rücksicht auf die Ofenwände beschränkt werden muß.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1015 023 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Hüttenofens zu entnehmen, das einerseits auf eine gute Durchmischung von Gas, Luft und Karburierungsmittel, andererseits darauf gerichtet ist, zu verhindern, daß der aufsteigende Luftstrom die Flamme vom Schmelzbad abhebt. Zu diesem Zweck wird eine relativ kurze, heiße Flamme verwendet, wobei jedoch unter einer »kurzen« Flamme bereits eine Flamme verstanden wird, die weniger als zwei Drittel der Badlänge einnimmt und folglich eine erhebliche Wärmestrahlung an die Ofenwände abgibt.

Die österreichische Patentschrift 203 528 betrifft einen Herdofen mit einer von der Decke aus absenkbaren Blaslanze, die am unteren Ende abgewinkelt ist und im übrigen lediglich dem Einblasen von Sauerstoff dient.

Die Erfindung ist allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung auf die Beschickung eines Frischofens verschiedener Bauart gerichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Ofens zum Frischen von Metal! und einen Frischofen zu schaffen, bei denen die Wärmeübertragung so erfolgt, daß eine erhöhte Menge von Brennstoff in den Ofen eingeführt werden kann, ohne daß die Auskleidung des Ofens beschädigt wird. In diesem Zusammenhang ist die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Kontrolle und Steuerung der Temperatur in einem Frischofen gerichtet, damit die zugeführte Wärmemenge entsprechend den verschiedenen Betriebszuständen des Ofens geändert werden kann. Beispielsweise kann sich bei Zugabe von heißem Material eine schaumförmige Schlacke bilden, die den Wärmeübergang auf das Bad verringert, so daß die Auskleidung stärker hitzebeansprucht wird. Weiterhin ist bei Zugabe von Metallerzen eine vorübergehende Erhöhung der Temperatur zum Einschmelzen dieser Erze erforderlich.

Ferner soll die Atmosphäre in dem Ofen entsprechend verschiedenen Verfahrensstufen regelbar sein. Der Ofen soll leichter und mit geringeren Kosten betrieben werden können und folglich zu preisgünstigeren Produkten führen.

3 4

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch ge- Beschickung in Berührung kommt und in der Nähe kennzeichnet, daß ein gasförmiger oder flüssiger Brenn- der höchsten Flammentemperatur liegt, wesentlich stoff und Sauerstoff in getrennten Kanälen einer größer ist, als es bisher der Fall war. Die Oberfläche Brennerlanze in die Schmelz- bzw. Frischzone bis kurz der Flamme, von der eine Strahlung ausgeht, ist über die Beschickung geleitet werden und daß der 5 wesentlich kleiner als bisher üblich. Infolgedessen kann Brennstoff und der Sauerstoff unter Bildung einer die Geschwindigkeit, mit der der Brennstoff zugeführt kurzen, verhältnismäßig heißen Flamme verbrannt wird, und daher auch die Geschwindigkeit, mit der die werden, wobei die Flamme die Beschickung direkt be- Wärme zugeführt wird, vergrößert werden, so daß rührt, und daß ein kontinuierlicher Eintritt von Luft sich die Gesamtzeit der Wärmebehandlung im Verin die Zone unterbunden wird, so daß nur die Gase in io gleich zu bekannten Verfahren verringert,
die Zone strömen, die aus der Brennerlanze austreten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich darin vorteilhafter Weise wird das erfindungsgemäße aus, daß die Ofenatmosphäre vollständig reguliert Verfahren bei einer Beschickung aus flüssigem Roh- werden kann, sogar so weit, daß die Beschickungsluft eisen oder Stahlschrott und Eisenerz angewendet. Als vollständig eliminiert wird und praktisch die gesamte Ofen kann ein Siemens-Martin-Ofen verwendet werden, 15 Ofenatmosphäre durch die Brennerlanze eingeführt wobei die Brennerlanze als Heiz-und Frischvorrichtung wird. Da die Luft zu 78% aus Stickstoff besteht, wäre benutzt wird, weiter kann ein oben offener Konverter es andernfalls erforderlich, diese großen Stickstoffverwendet werden, in den die Brennerlanze von oben mengen zunächst zu erwärmen und die Wärme anbis kurz über das Schmelzbad geführt wird, oder es schließend zurückzugewinnen. Da der Stickstoff aus kann ein Lichtbogenofen verwendet werden. Um die ao der Brennerflamme ferngehalten werden kann, kann relativen Oxydationsgeschwindigkeiten innerhalb des eine wesentlich kleinere Flamme zur Zuführung der Ofens zu regeln, kann zweckmäßigerweise während erforderlichen Wärme verwendet werden, bzw. die zuder Frischperiode das Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis geführte Wärmemenge kann erhöht werden. Eine der Mischung erhöht werden. Besonders vorteilhaft kleinere Flamme kann wiederum näher an das Material ist es, wenn das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis 25 herangebracht werden, so daß Wärmeverluste vermiezwischen dem 0,7- und dem l,8fachen des stöchio- den werden und die Ofenauskleidung geschont wird,
metrischen Mischungsverhältnisses liegt. Zweckmä- Im folgenden werden beispielsweise bevorzugte Ausßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren führungsformen der Erfindung an Hand der Zeichdie Flamme so dicht oberhalb der Oberfläche des nung näher erläutert. Es zeigt

Bades angeordnet, daß ihre Kraft zum Durchbrechen 30 Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäß ausge-

der Schlacke ausreicht. Außerdem kann das Schrott- führten Siemens-Martin-Ofens,

material durch aus dem Konverter kommende Abgase F i g. 2 einen horizontalen Querschnitt entlang der

vorgewärmt werden. Linie 5-5 der F i g. 1;

Der erfindungsgemäße Frischofen ist dadurch ge- F i g. 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Auslaßkennzeichnet, daß sich die langgestreckte Brenner- 35 endes an einer erfindungsgemäßen Düse;
lanze im Ofen in Richtung ihrer eigenen Achse relativ F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Siemenszum Ofen bewegen kann und daß sie zum Verhindern ^v Martin-Ofen und das dazugehörige Kammermauereines kontinuierlichen Luftzutrittes in die Schmelz- werk entsprechend einer weiteren Ausführungsform bzw. Frischzone an ihrem Auslaßende trichterförmig der Erfindung;

erweitert ist. 46 . F i g. 5 zeigt in-einer Ansicht, ähnlich wie F i g. 1, Erfindungsgemäß werden Brennstoff und Sauerstoff eine weitere Ausführungsform des Ofens als Konin einen Ofen durch eine Brennerlanze bis zu einer verter;

Stelle im Ofen geleitet, die von den Ofenwänden einen F i g. 6 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung der Abstand aufweist und sehr nah über dem im Ofen be- F i g. 5, einschließlich, der erfindungsgemäßen Befindlichen Material liegt. Hier bildet sich eine rasch 45 schickungseinrichtung;

strömende Flamme mit sehr hoher Temperatur aus, F i g. 7 ist eine Ansicht ähnlich F i g. 1 und 5 einer

die direkt und aus. kurzer Entfernung auf das an- weiteren Ausführungsform des Ofens als Elektroofen;

grenzende Material auftritt. Während des Nieder- F i g. 8 zeigt eine teilweise geschnittene Draufsicht

schmelzens umspült die Flamme das Material im Ofen. der Vorrichtung der F i g. 7.

Wenn die Beschickung flüssig ist, z. B. während des 50 In F i g. 1 ist dem Grundaufbau nach ein üblicher

Frischens anschließend an das Niederschmelzen, wird Siemens-Martin-Ofen dargestellt, der jedoch erfin-

die Flamme aus kurzem Abstand auf die Beschickung dungsgemäß abgewandelt ist.

gerichtet, und die Achse der Flamme bildet mit der Einmal werden keine an der Stirnwand angebrachten Beschickung einen Winkel von, mehr als 25°. Die Brenner verwendet, zum anderen werden die Brenner-Flamme hat eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit, 55 lanzen durch die Decke und nicht durch die Stirnso daß sie die Schlacke auseinandertreiben kann, die wände geführt, und es ist kein Vorwärmschachtsystem auf der Oberfläche der flüssigen Beschickung liegt, so vorhanden.

daß die Flamme direkt das geschmolzene Metall er- Betrachtet man die F i g. 1 genauer, dann sieht man

reicht. Der Unterschied zu bekannten Verfahren liegt einen langen Ofen vom Typ des S.M.-Ofens, der einen

darin, daß die Wärme der Flamme direkt auf die Be- 60 Boden 47, eine Vorderwand 48, eine Rückwand 49

Schickung übertragen wird, gleichgültig, ob es sich um und zwei Stirnwände 51 aufweist, von denen nur eine

eine feste oder flüssige Beschickung handelt, wobei dargestellt ist. Die Decke des Ofens ist mit 53 be/eich-

die Wärmeübertragung nur durch Konvektion und net, und der Ofen ist mit üblichen feuerfesten Ziegeln

weniger durch Strahlung erfolgt. Insbesondere wurde ausgekleidet, so daß ein Herd 55. gebildet wird, der

festgestellt, daß der Temperaturgradient durch eine 65 eine Beschickung eines Materials aufnehmen kann,

erfindungsgemäß ausgebildete Flamme geringer ist als im vorliegenden Beispiel ein geschmolzenes Metall 57.,

bei bisher üblichen Verfahren, bei denen Luft ver- das als Beschickung während des in der Zeichnung

wendet wurde, so daß der Teil der Flamme, der mit der dargestellten Frischvorganges verwendet wird.

Es sind mehrere langgestreckte Brennerlanzen 59 vorgesehen, die in Längsrichtung des Ofens in Abständen angeordnet sind, und durch jede solche Einrichtung wird der darunterliegende Teil des Bades behandelt. -Die Brennerlanzen führen durch die Decke und nicht durch die Stirnwände, und hierzu ist eine Halterung 61 vorgesehen, die in Längsrichtung gleitend angeordnet ist und die die Brennerlanze 59 trägt, wobei lediglich eine vertikale, axiale Verschiebung möglich ist. Jede dieser Brennerlanzen 59 ist mit einer Zahnstange 63 ausgestaltet, die in Längsrichtung daran befestigt ist und im Eingriff mit einem Zahnrad steht, das um eine horizontale Achse vermittels eines Handrades 65 drehbar ist, wobei die aus Zahnrad und Handrad bestehende Anordnung an einer vertikalen Hülse 67 befestigt ist, in welcher die Brennerlanze 59 und die Zahnstange 63 für eine vertikale, gleitende Bewegung gelagert sind. Die Hülse 67 ist wiederum durch Stützen am Ofen befestigt, unmittelbar oberhalb des Lagers 61. Bei einer derartigen Anordnung wird durch eine Betätigung des Handrades 65 die Brennerlanze 59 gcwünschtenfalls gehoben oder gesenkt.

Um eine Auflage für diese Anordnung zu erhalten, ist ein Rahmen 69 aus I-Trägern vorgesehen, der eine Mehrzahl von senkrechten Säulen 71 längs der Stirn- und Scitenwände des Ofens enthält, die an ihren oberen Enden durch Längsträger 73 und durch Querträger 75 verbunden sind, wobei die Träger 73 und 75 an ihren oberen Flächen Deckplatten 77 tragen, die mit Öffnungen versehen sind, die für die Brennerlanzen dienen. Die Lager 63 liegen auf den Deckplatten 77 als Arbeitsbühne auf.

Da die Brennerlanzen bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 nicht universell beweglich, sondern nur in vertikaler Richtung einstellbar sind, so würden sich die [lammen nur auf eine einzige Stelle konzentrieren, wenn die unteren Enden einfach zylindrisch ausgebildet wären. Die unteren Enden der Brennerlanzen sind daher erweitert odsr in Glockenform ausgebildet, wie dies am besten aus dem Schnitt der F i g. 3 zu ersehen ist. Jede dieser Brennerlanzen hat ein konisches unteres Ende oder eine Düse 79, und die mittlere Leitung 81, welche den Brennstoff führt, erstreckt sich nicht wesentlich unter den zylindrischen Teil der Brennerlanze. Die äußere Leitung 83 ist der oberen zylindrischen und der unteren trichterförmigen Ausbildung der Brennerlanze angepaßt, und zwischen den Rohren 81 und 83 wird der Sauerstoff geführt. Der ringförmige Kanal, der durch das Rohr 83 abgegrenzt wird, endet unten in einer Mehrzahl getrennter, divergierende Auslässe 85. Diese sind nach unten in Winkeln zur Horizontalen gerichtet, die wesentlich mehr als 25° betragen. Ein Wassermantel 87 wird durch den äußeren Mantel der Brennerlanze gebildet, und er hat nach außen von dem Rohr 83 Abstand, so daß eine obere zylindrische und eine untere trichterförmige Wasserkammer entstehen, die in Längsrichtung der Brennerlanzen in zwei getrennte Abteilungen unterteilt sind, die nur am unteren Ende miteinander Verbindimg haben, so daß das Kühlwasser einer Bahn folgen muß. Auf diese Weise erhält man eine F.inrichtung, bei welcher Flammen 89 aus der Düse 79 divergierend nach unten austreten, so daß sie sich gleichmütiger über die Berührungsfläche der Flamme mit dem Bad verteilen, wie dies durch die Kreise 89 in I·' i g. 2 angedeutet ist.

Die Atmosphäre in dem Ofen da F i g. 1 besieht im wesentlichen vollständig aus den durch die Brennerlanzen 59 zugeführten Gasen, einschließlich der gasförmigen Reaktionsprodukte solcher Gase mit den Verunreinigungen oder mit anderen Substanzen der Beschickung. Bei der Herstellung von Stahl z. B., bei der ein Kohlenwasserstoffbrennstoff gemischt mit Sauerstoff durch diese Düsen eingeführt wird und bei der das Material, das in Dampfphase aus der Beschickung abgezogen wird, überwiegend aus Kohlenstoff besteht, besteht die Ofenatmosphäre hauptsächlich aus Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd und Wasserdampf sowie aus überschüssigem Kohlenwasserstoffbrennstoff oder überschüssigem Sauerstoff. Man kann annehmen, daß das Eisenoxyd in fester Phase als Rauch vorliegt. Das Volumen der Gase, die aus dem Ofen abgeführt werden müssen, ist daher slark verringert, und es kann mit einer verhältnismäßig kleinen Auslaßleitung 78 abgeführt werden. Es besteht keine Notwendigkeit, ein Wärmeaustauschsystem für dieses verhältnismäßig kleine Gasvolumen vorzusehen, und das Gas kann direkt zur Erwärmung der einzelnen Bestandteile der Brennstoff- oder Sauerstoffbeschickung für die Brennerlanze verwendet werden oder zum Vorwärmen der Beschickung. Die hier beschriebene Einrichtung ist also im Vergleich zu den üblichen Ofenkonstruktionen stark vereinfacht, da die üblichen, umfangreichen Wärmeaustauschsysteme und die Einrichtungen zur Behandlung des Gases fortfallen. Die Brennerlanzen gemäß F i g. 1 könnten gewünschtenfalls durch Brennerlanzen ersetzt warden, die durch die Stirnwände oder durch die Rückwand führen.

Die in F i g. 4 dargestellte, weitere Ausführungsform weicht nicht so stark von den üblichen S.M.-Öfen ab. Der in dieser Figur dargestellte Ofen 91 ist in einem in Querrichtung verlaufenden Schnitt gezeigt, wobei dieser Ofen mit einer Rückwand 93 und mit einer Wanne 95 ausgestattet ist. Das Vorwärmsystem für diesen Ofen ist beibehalten, jedoch abgeändert. An den Stirnseiten des Ofens haben die Gaskanäle Verbindung zwischen dem Inneren des Ofens und einer Schlackenwanne 97, die wiederum zu dem Vorwärmer 99 führt. Der Vorwärmer 99 ist über die Züge 101 mit der Atmosphäre der Umgebung verbunden. Die Ausführungsform gemäß F i g. 4 unterscheidet sich von den üblichen Konstruktionen in zwei Punkten:

1. Die für den Betrieb erforderliche Wärme wird durch Sauerstoff-Brennstoff-Brennerlanzen geliefert, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind und die durch die Decke oder durch die S.tirnwände oder durch die Rückwand der Vorrichtung führen.

2. Ein Teil 103 der Vorwärmer ist weggelassen, und die Wand 105 der Vorwärmkammer, die als Trennwand dient, hat dementsprechend eine andere Lage, wie dies durch gestrichelte Linien in F i g. 4 angedeutet ist, so daß eine Vorwärmkammer mit verringertem Volumen entsteht, was der Verringerung der Menge des Wärmeaustauschmaterials entspricht. Da in der Ofenatmosphäre kein oder wesentlich weniger Stickstoff vorhanden ist, weil Sauerstoff-Brennstoff-Mischungen gemäß der Erfindung verwendet werden, so kann ein kleineres und billigeres Wärmeaustauschsystem verwendet

_c werden.

Fine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der Ur-(indung ist in F i g. 5 dargestellt. Hier ist ein Ofen l, der die Form eines Konverters 109 hai, der

mit einem nach unten abgeschrägten Boden 111 und mit zylindrischen Seitenwänden 113 ausgestattet ist, die nach oben in einem kegelförmig sich verengenden Kopfteil münden. Die Seitenwände 113 tragen einander gegenüberliegende, in axialer Richtung ausgerichtete Zapfen 115, die drehbar in festen Lagern ruhen, so daß der Konverter 109 um eine horizontale Achse geschwenkt werden kann.

In diesen Konverter 109 führt eine langgestreckte Brennerlanze 117, die kurz oberhalb des Bades endet und einen vertikal angeordneten Endabschnitt 119 besitzt, der im wesentlichen innerhalb des Konverters liegt, sowie einen horizontalen Teil 121. Die Brennerlanze 117 wird durch eine Hülse 123 gehalten, die lösbar an den Teil 121 geklemmt ist, so daß der Teil 121 beim Lockern der Hülse in dieser Hülse gedreht werden kann, so daß der vertikale Abschnitt 119 aus dem Konverter herausgezogen werden kann. Die Hülse 123 ist wiederum an einer vertikalen Zahnstange 125 befestigt, die gleitend in einer Laufkatze 127 angeordnet ist, die auf horizontalen Schienen 129 läuft. Ein Motor 131 ist an der Laufkatze 127 befestigt, und er treibt ein Zahnrad 133 an, das mit der Zahnstange 125 relativ zur Laufkatze 127 gehoben und gesenkt werden kann, so daß die Höhe der Brennerlanze 117 geändert werden kann.

Kühlflüssigkeit wird zu der Brennerlanze 117 durch die Zu- und Abführwasserleitungen 135 geführt, und die Bestandteile der Brennmischung werden durch die Brennstoff- und Sauerstoffleitungen 137 zugeführt, wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen.

Nach der Beschickung des in F i g. 5 dargestellten Konverters ist es nur erforderlich, die Laufkatze 127 längs der Schienen 129 so weit zu verschieben, bis der Abschnitt 119 der Brennerlanze 117 direkt über der öffnung des Konverters 109 liegt. Anschließend wird der Motor 131 eingeschaltet, um die Brennerlanze auf die gewünschte Höhe innerhalb des Konverters zu senken. Wenn der Konverter mit Schrott oder mit anderen Feststoffen beschickt worden ist, dann liegt das untere Ende des Abschnittes 119 anfänglich höher als dies in F i g. 5 dargestellt ist, und nach Beendigung der Niederschmelzperiode wird der Motor 131 neuerdings eingeschaltet, damit die Brennerlanze bis zu der in F i g. 5 dargestellten Stellung gesenkt werden kann. Wenn während des Frischens Schlacke abgegossen werden soll, dann wird die Brennerlanze angehoben und weggeschoben, worauf das gefrischte Metall aus dem senkrecht stehenden Konverter abgezogen oder aus einem gekippten Konverter ausgegossen wird.

Die Anwendung der Erfindung auf Konverter von der in F i g. 5 gezeigten Art bedeutet einen großen Fortschritt in der pyrometallurgischen Technik. Bisher war die Verarbeitung von Schrott in solchen Konvertern dadurch begrenzt, daß es wirtschaftlich nicht durchführbar war, die Wärmemenge zuzuführen, die notwendig war, wenn festes Beschickungsmaterial, wie Schrott oder Erze od. dgl., verwendet wurde. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein beliebiger Teil oder die gesamte für das Verfahren erforderliche Wärme zugeführt werden, auch wenn eine große Schrottmenge verwendet wird, und es kann ein beliebiger Teil oder die gesamte, erforderliche Atmosphäre zugeführt werden, gleichgültig welche Art von oder welche Konverterkonstruktion verwendet wird. So kann erstmalig in einem Konverter eine große Menge festen Beschickungsmaterials verarbeitet werden.

Es ist wünschenswert, einen Teil der Wärme wiederzugewinnen, der sonst verlorengehen würde. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die hierfür entwickelt wurde, ist in F i g. 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 6 werden der gleiche Konverter und die gleiche Brennerlanze wie in Fi g. 5 verwendet, und entsprechende Teile sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, die jedoch mit einem Strich versehen sind. Außerdem ist in F i g. 6 eine Vorwärmkammer 139 vorgesehen, die sich in vertikaler Richtung erstreckt und die zylindrische Seitenwände 141 besitzt und eine Beschickung 143 enthält, die gerade für die nächste Erwärmung ausreicht, so daß durch die Abgase von einer Erwärmung die feste Be-Schickung für die nächste Erwärmung vorgewärmt wird. Der Boden der Kammer 139 wird durch einen in horizontaler Richtung gleitenden, gasdurchlässigen Rost 145 gebildet, der weggezogen werden kann, so daß die Beschickung in den Konverter fällt. Die Konvertergase strömen so durch den Rost 145 und durch die Beschickung 143 und treten aus dem oberen Teil der Kammer 139 durch die Auslaßleitung 147 aus, wo sie dann zum Vorwärmen des Sauerstoffs und Brennstoffs verwendet oder in die Atmosphäre abgelassen werden können. In jedem Fall werden durch diese Einrichtung die Wärmemenge der aus dem Konverter austretenden Gase wiedergewonnen.

Da die aus dem Konverter austretenden Gase nicht vollständig verbrannt sind, können weitere Wärmemengen aus diesen Gasen dadurch gewonnen werden, daß Luft durch ein Gebläse 149 in einen Windring 151 eingeleitet wird, der den unteren Teil der Seitenwand 141 umgibt und mit dem Inneren der Kammer 139 durch Öffnungen in Verbindung steht, die in diesen Seitenwänden angebracht sind. Die Beschickung wird in die Kammer 139 vermittels eines Trichters 153 eingebracht, in dem eine Menge der festen Beschickung gelagert ist, z. B. Schrott oder Erz oder Kalk oder Kalkstein od. dgl. Damit der Trichter 153 leichter entladen werden kann, ist ein in horizontaler Richtung hin- und herbeweglicher Kolben 155 vorgesehen, durch welchen das Material vom Trichter durch eine Auslaßleitung 157 geführt wird und von dort in die Kammer 139 eintritt. Der Schüttwinkel der Beschickung in der Auslaßleitung 157 ist derart, daß das Beschickungsmaterial nicht vom Trichter 153 in die Kammer 139 gelangen kann, wenn der Kolben 155 nicht bewegt wird.

Damit ein möglichst großer Teil der aus dem Konverter austretenden Gase durch die Beschickung geleitet wird und diese vorwärmt, kann ein herausnehmbarer Schild vorgesehen werden, so daß ein begrenzter Gaskanal zwischen dem Konverter 109' und der Kammer 139 gebildet wird. Dieser Schirm enthält zwei gegenüberliegende, etwa halbzylindrische Schirmhälften 159, die gegenübergestellte, sich berührende vertikale Kanten haben, wobei die Kanten auf der rechten Seite der F i g. 6 gegenüberliegende Aussparungen aufweisen, die einen Schlitz 161 bilden, der

eine lange vertikale Öffnung darstellt, in welcher die Brennerlanze 117' bewegt werden kann. Am horitalen Teil 121 der Brennerlanze 117' ist ein Schirm 163 befestigt, der sich zusammen mit der Brennerlanze bewegt und den Schlitz 161 in allen Lagen der Brennerlanze relativ zum Schirm 159 verschließt. An der anderen Seite der Schirmhälften 159, in der linken Seite der F i g. 6, ist die Halterung der Schirmhälftcn 159 dargestellt, vermittels der sie nach Art der Clreifei-

209 640Ί3

packer geschwenkt werden können. Die beiden Schirmhälften 159 sind an Scharnieren befestigt, die vertikal im Abstand und ausgerichtet voneinander angeordnet sind und die am äußeren Ende der Träger 165 befestigt sind. Jede Hälfte 159 ist mit einer Bedienungsstange 167 ausgestattet und gelenkig damit verbunden, so daß die Schirmhälften 159 zusammen geöffnet oder geschlossen werden können.

Wenn die Brennerlanze 117' aus dem Konverter 109' herausgenommen werden soll, dann müssen nur die Schirmhälften 159 durch Betätigung der Stangen 167 in die geöffnete Stellung gebracht werden und die Brennerlanze durch Einschalten des Motors 13Γ in der entsprechenden Richtung gehoben und die Hülse 123' gelockert und die Laufkatze 127' längs der Schienen 129' verschoben werden, so daß die Brennerlanze aus dem Raum unter der ortsfesten Vorwärmkammer 139 herausgeführt werden kann. Zur Einstellung der Höhe der Brennerlanze bei geschlossenem Schirm, beispielsweise zwischen verschiedenen Erwärmungsstufen, ist es nur erforderlich, den Motor 131' in entsprechender Richtung einzuschalten, worauf die Brennerlanze vertikal im Schlitz 161 bewegt wird.

Die Erfindung kann bei den verschiedenartigsten Öfen angewendet werden, z. B. bei dem Lichtbogenelektroofen. Die F i g. 7 und 8 zeigen einen Elektroofen 169 mit Direktlichtbogen, der gemäß der Erfindung umgebaut ist. Wie es bei solchen öfen üblich ist, enthält der Ofenaufbau einen im allgemeinen kreisförmigen Boden 171, eine zylindrische Seitenwand 173 und eine gewölbte Decke 175. Die Decke 175 kann abnehmbar ausgebildet sein, so daß der Ofen gewünschtenfalls von oben beschickt werden kann, oder die Beschickung kann durch eine oder mehrere Beschikkungsklappen 177 eingeführt werden. Eine Auslaufrinne 179 dient zum Ablassen der Schlacke, wenn der Ofen um seine, in der Zeichnung nicht dargestellte Drehzapfen um eine horizontale Achse geschwenkt wird oder wenn die geschmolzene Beschickung 181 in Formen gegossen wird. Der Ofen, wie er bis jetzt an Hand der F i g. 10 und 11 beschrieben wurde, entspricht den üblichen elektrischen Lichtbogenofen.

Solche elektrische Lichtbogenofen haben weiterhin üblicherweise Kohle- oder Graphitelektroden, die durch die Decke führen. Gemäß der Erfindung sind jedoch eine oder mehrere oder alle solche Elektroden durch Brennerlanzen ersetzt, durch welche Sauerstoff und Brennstoff geliefert wird, wie dies oben beschrieben wurde, oder es kann eine solche Sauerstoff und Brennstoff liefernde Lanze zusätzlich vorgesehen werden. Wenn alle Elektroden durch Brennerlanzen ersetzt sind, dann kann der Ofen nicht mehr als elektrischer Lichtbogenofen bezeichnet werden. Die Ausführungsform gemäß F i g. 7 und 8 sollte daher nicht von dem Standpunkt einer Verbesserung elektrischer Lichtbogenofen betrachtet werden, sondern vielmehr unter dem Gesichtspunkt, daß bereits vorhandene elektrische Lichtbogenofen für die Durchführung der Erfindung verwendbar sind.

Gemäß der Erfindung unterscheidet sich der Aufbau gemäß F i g. 7 und 8 vom üblichen Elektroofen dadurch, daß an Stelle von Elektroden Brennerlanzen 183 durch die Decke, durch die darin angebrachten öffnungen für die Elektroden führen, wobei die Brennerlanzen bis zu einer Stelle kurz über der Beschickung 181 reichen. Die Brennerlanzen 183 sind die gleichen wie die Brennerlanzen 59 der F i g. 1, und sie sind an der Decke 175 befestigt und vertikal relativ zu der Ofenbeschickung vermittels einer Einstellvorrichtung 185 einstellbar, die der Einstelleinrichtung der F i g. 1 entspricht. In den F i g. 7 und 8 sind alle drei Elektroden durch Brennerlanzen ersetzt, jedoch kann bei Öfen mit mehreren Elektroden auch eine kleine Anzahl der Elektroden ersetzt werden.

Das Wesen der Erfindung wird besser verständlich, wenn man die Arbeitsvorgänge betrachtet, die bei einer Erwärmungsstufe vorgenommen werden. Zum Zwecke der Erläuterung wird ein spezielles Beispiel mit einem S.M.-Ofen für eine Stahlproduktion beschrieben, jedoch wird praktisch die gleiche Arbeitsweise auch bei der Produktion anderer geläuterter Metalle angewandt, aus denen andere oder zusätzlich zur Kohle noch Stoffe während des Frischens entfernt werden.

Erfindungsgemäß wird der Ofen mit Erz, Schrott und Kalkstein beschickt, und zerstäubter Brennstoff wird auf übliche Art zugeführt. Die Brennerlanze wird so angeordnet, daß ihr Flammenende nur einen kurzen Abstand von der festen Beschickung hat. Während dieses Stadiums wird das Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff so ausgewählt, daß die größtmögliche Wärmemenge entsteht und daß im Ofen eine oxydierende Atmosphäre erzeugt wird. Wenn die Beschickung vollständig verflüssigt ist, kann die verhältnismäßig kurze, rasch strömende und sehr heiße Flamme auf die flüssige Oberfläche der Beschickung gerichtet werden, wobei die Lanzenspitze nur einen geringen Abstand von der Oberfläche des Bades aufweist und die auf dem Bad befindliche Schlacke zerteilt.

Wenn bei der Zugabe von heißem Metall eine schaumige Schlacke auf dem Bad entsteht, treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Schwierigkeiten auf, da die sehr schnell strömende Flamme einen ausreichenden Impuls aufweist, um die Schlackenschicht zu durchstoßen und auf das Metallbad zu gelangen. Es ist also nicht wie bisher erforderlich, die Brennstoffzufuhr zum Ofen vorübergehend abzustellen.

Wenn eine sehr hohe Heizwirkung erwünscht ist, können zugleich ununterbrochen Sauerstoff und Brennstoff während der Erwärmung und bis in die Frischstufe zugeführt werden. Andererseits kann die Zufuhr von Brennstoff vermindert und schließlich ganz unterbrochen werden, so daß allein Sauerstoff durch die Brennerlanze während der letzten Frischperiode eingeblasen wird. Die Erfindung betrifft also eine Vorrichtung, die sowohl zur Regelung der Wärmezufuhr als auch zur Entfernung der Verunreinigungen verwendet werden kann, wobei beide Arbeitsgänge entweder nacheinander oder gleichzeitig durchgeführt werden können.

Weiterhin besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, auch andere Stoffe als Sauerstoff und Brennstoff durch die Brennerlanze zuzuführen. So kann beispielsweise bei der Herstellung von Stahl gepulverter Kalk oder Erz in Suspension in einem Sauerstoffstrom eingeführt werden.

Die Brennlanzen werden an verhältnismäßig hohen Stellen während des Niederschmelzens oder während der ersten Zeit der Erwärmung verwendet, und sie werden während des Frischens oder während anderer Erwärmungsstufen, bei denen die Beschickung in erster Linie in flüssiger Phase vorliegt, abgesenkt. Bei den Ausführungsformen nach F i g. 5 und 6, bei denen die Beschickung im Trichter 153 vorzugsweise eine einheitliche Zusammensetzung hat und bei denen es offensichtlich erwünscht ist, die Einführung der Be-

1 4UÖ /ÖZ

Schickung verschiedener Zusammensetzung vermittels der Kammer 139 zu vermeiden, tritt der Vorteil besonders hervor, daß ein Teil der Beschickung in fester Phase in Suspension in dem gasförmigen Material eingeführt werden kann, das durch die Brennerlanze strömt, so daß auf diese Weise die Zusammensetzung je nach der Stufe der Erwärmung verändert werden kann. .

Bei der Herstellung von Stahl verläuft, wenn Sauerstoff verwendet wird, die Reaktion folgendermaßen:

2C + O₂ -> 200.

Mit der gemäß der Erfindung ausgebildeten Flamme nimmt man z. B. bei Verwendung von Methan als Brennstoff die folgende Reaktion an:

GH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O,

und anschließend treten im Bad die weiteren Reaktionen auf:

CO₂ + C -> 2CO

H₂O + C -» CO + H₂.

Die oben angegebenen Reaktionen zeigen, daß mit reinem Sauerstoff durch 1 Mol Sauerstoff 2 Mol Kohlenstoff entfernt werden, während bei einer Sauerstoff-Methan-Flamme 2 Mol Sauerstoff 3 Mol Kohlenstoff entfernen können. Hier liegt ein beachtlicher Unterschied zwischen der Einleitung eines Sauerstoffstrahls zum Frischen und der vorliegenden Erfindung, bei der Brennstoff und Sauerstoff in Mischung miteinander eingeleitet und verbrannt werden, um eine Flamme zu bilden, die dazu verwendet wird, daß sie einen Teil des Frischvorganges übernimmt. Die gemäß der Erfindung vorgesehene Flamme entfernt weniger Kohlenstoff pro Mol Sauerstoff und gibt daher eine viel weniger heftige Reaktion als ein Sauerstoffstrahl. Diese Sauerstoff-Brennstoff-Technik trägt durch Verminderung der Geschwindigkeit der Kohlenstoffreaktion wesentlich zur Wärmezuführung zum Bad bei, ohne daß der Kohlenstoff zu rasch vermindert wird, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Kohlenstoffgehalt im Bad genauer kontrolliert werden können. In jedem Fall ist es offensichtlich, daß vermittels der Erfindung die Gesamtzeit für die Erwärmung , wesentlich vermindert wird. Darüber hinaus sind vergleichbare Vorteile bei anderen Metallen zu erhalten, die andere Verunreinigungen enthalten, die während des Frischens entfernt werden sollen.

Wie oben bereits erwähnt, ist es gemäß der Erfindung auch vorgesehen, das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff, die in den Ofen längs der abgegrenzten Bahn eingeführt werden, mit Hilfe der Brennerlanze einzustellen, um die Atmosphäre und Temperatur des Ofens so zu regulieren^ daß die speziellen Erfordernisse während der verschiedenen Stufen der Erwärmung erfüllt werden. Wenn beispielsweise die Anwendung von möglichst großer Wärme erwünscht ist, dann wird das Verhältnis von Sauerstoff so eingestellt, daß eine stöchiometrische Mischung ,gebildet wird, während, wenn keine größtmögliche Wärme gewünscht ist, das Verhältnis so eingestellt wird, daß ein Überschuß von Sauerstoff oder Brennstoff vorhanden ist, je nachdem, ob eine oxydierende oder eine nichtoxydierende Atmosphäre gewünscht ist. Wenn das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff keine stöchiometrische Mischung ergibt, dann hängt die Abweichung von der stöchiometrischen Mischung, gleichgültig, ob überschüssiger Sauerstoff oder Brennstoff vorhanden ist, von den speziellen Erfordernissen des Ofens ab.

Es wurde festgelegt, daß das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff in einem Bereich vom etwa 0,7fachen einer stöchiometrischen Mischung bis zum etwa l,8fachen der stöchiometrischen Mischung gehalten werden kann und daß für die erforderliche Regelung der Temperatur und der Atmosphäre während der Verfahrensstufen bei einem S.M.-Prozeß gesorgt wird, wenn Brennstoff durch die Brennerlanze zugegeben werden soll. Der Bereich der Verhältnisse des Sauerstoffs zu einem Teil des Brennstoffs für verschiedene Brennstoffsorten ergibt sich aus der folgenden Zusammenstellung:

Brennstoffsorte	Bereich der (Volumen-) Anteile des Sauerstoffs
Naturgas Propan Stadtgas öl (Bunker C)	1,3 bis 3,0 3,5 bis 9,0 0,35 bis 0,9 32,2 m³/l

Für jeden Brennstoff ist das Sauerstoffverhältnis, bei dem eine stöchiometrische Mischung entsteht, das bevorzugte Verhältnis, wenn möglichst viel Wärme gewünscht ist.

Die Erfindung kann unter Verwendung von reinem Sauerstoff oder von unreinem Sauerstoff innerhalb gewisser Grenzen durchgeführt werden, die wenigstens zum Teil durch die Wärmemenge festgelegt sind, welche die Beschickung aufnehmen kann; ferner durch die Menge des Stickstoffes, der in innige Berührung mit dem Bad treten kann, ohne daß die gewünschten Eigenschaften des Produktes nachteilig beeinflußt werden. Im allgemeinen wird Sauerstoff mit einer Reinheit über 50 % verwendet. Die Reinheit des Sauerstoffs kann während des Verfahrens geändert werden, so kann z. B. Sauerstoff mit geringer Reinheit während der ersten Zeit des Verfahrens verwendet werden, wenn die Beschickung verhältnismäßig kalt ist, und Sauerstoff höherer Reinheit wird während des Frischens verwendet, insbesondere, wenn Sauerstoff allein eingeleitet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines Ofens zum Frischen von Metallen, der einen Hoden und Seitenwände besitzt, die eine Schmelz- bzw. Frischzone abgrenzen, wobei die Beschickung in fester oder flüssiger Form in diese Zone eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff und Sauerstoff in getrennten Kanälen einer Brennerlanze in die Schmelz- bzw. Frischzone bis kurz über die Beschickung geleitet werden und daß der Brennstoff und der Sauerstoff unter Bildung einer kurzen, verhältnismäßig heißen Flamme verbrannt werden, wobei die Flamme die Beschickung direkt berührt, und daß ein kontinuierlicher Eintritt von Luft in die Zone unterbunden wird, so daß nur die Gase in die Zone strömen, die aus der Brennerlanze austreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickung aus flüssigem Roheisen oder Stahlschrott und Eisenerz besteht.

3. Verfahren'nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ofen ein Siemens-Martin-Ofen verwendet wird und die Brennerlanze als Heiz- und Frischvorrichtung benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ofen ein oben offener Konverter verwendet wird, in den die Brennerlanze von oben bis kurz über das Schmelzbad geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ofen ein Lichtbogenofen verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis der Mischung während der Frischperiode erhöht wird, wodurch die relativen Oxydationsgeschwindigkeiten innerhalb des Ofens geregelt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis zwischen dem 0,7- und dem l,8fachen des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses liegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flamme so dicht oberhalb der Oberfläche des Bades angeordnet wird, daß ihre Kraft zum Durchbrechen der Schlacke ausreicht.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrottmaterial durch aus dem Konverter kommende Abgase vorgewärmt wird.

10. Frischofen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die langgestreckte Brennerlanze im Ofen in Richtung ihrer eigenen Achse relativ zum Ofen bewegen kann und daß sie zum Verhindern eines kontinuierlichen Luftzutrittes in die Schmelz- bzw. Frischzone an ihrem Auslaßende trichterförmig erweitert ist.