DE19637238A1 - Schmelzofen insbesondere für Metalle mit zumindest einer in seinen Ofenraum einragenden Lanze, Lanze dafür sowie Verfahren zu deren Steuerung - Google Patents
Schmelzofen insbesondere für Metalle mit zumindest einer in seinen Ofenraum einragenden Lanze, Lanze dafür sowie Verfahren zu deren SteuerungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen, insbesondere
einen Lichtbogenofen für Metalle mit zumindest einer seine
Wandung durchsetzenden und in seinen Ofenraum
längenveränderlich einragenden Lanze zum Eintragen von
Strömungsmitteln und/oder Feststoffen. Zudem erfaßt die
Erfindung eine Lanze mit Lanzenkopf und Sauerstofführung
sowie ein Verfahren zu deren Steuerung.
Der Einsatz von etwa vertikal bewegten Lanzen in Metall
schmelzen enthaltenden Gefäßen von deren Scheitel ist bei
spielsweise durch das sogenannte Sauerstoffblasstahlverfah
ren zum Entkohlen (Entphosphorisieren) von Roheisen seit
langem bekannt. Ebenso wird im Elektrostahlverfahren seit
Jahren erfolgreich durch Einblasen von Sauerstoff mittels
verzehrender Sauerstofflanzen mit parallelem Einblasen von
Feststoffen wie Injektionskohle elektrische Energie durch
fossile Energie substituiert.
Als eine der wirkungsvollsten Entwicklungen der letzten
Jahre im Elektrolichtbogenofenprozeß muß die Entwicklung
der wassergekühlten Sauerstoff- bzw. Sauerstoff-Kohle-Lanze
angesehen werden. Diese Lanze kommt vornehmlich in größere
Elektrolichtbogen-Öfen zur Anwendung. Ihr Einsatz bleibt
natürlich auf den Ofenraum oberhalb des flüssigen Stahlba
des beschränkt. Um dennoch ein wirkungsvolles Eindringen
des Sauerstoffes in das Bad zu erreichen, bedient man sich
bei diesem Lanzentyp des Überschallgasstrahles, der durch
eine am Lanzenkopf eingesetzte Lavaldüse hervorgerufen
wird. Zur Begünstigung der exothermen CO-Reaktionen werden
bei diesen Lanzen, wie bei verzehrenden Lanzen auch, durch
eine zweite - ebenfalls wassergekühlte - Lanze Feststoffe
wie beispielsweise Injektionskohle mitgeführt und direkt in
den Strahl oder neben den Sauerstoffstrahl eingeblasen. Der
Arbeitsort dieser wassergekühlten Sauerstofflanzen ist auf
grund ihrer Baugröße bisher ausschließlich auf die Ofentür
beschränkt, d. h. bei Arbeiten der Sauerstofflanze muß die
Ofentür des Ofens offen gehalten werden. Dieser Umstand ist
als großer Nachteil anzusehen; es läßt sich durch verglei
chende Berechnungen der Abgasvolumina einfach belegen, daß
die durch die offene Ofentür verursachten Abgasverluste ei
nen hohen Anteil der durch die Sauerstofflanze eingebrach
ten exothermen Energie wieder aufzehren.
Im Betrieb, insbesondere im Einschmelzbetrieb, wird ein
weiterer schwerwiegender Nachteil der wassergekühlten Lan
zensysteme erkennbar. Bedingt durch den hohen Austragdruck
werden durch Abprallen des Gasstrahles an noch kaltem
Schmelzgut Stahl- und Schlackepartikel sowie auch schon ge
schmolzener Stahl aufgeschleudert. Unangenehme und zum Teil
sehr hinderliche Anbackungen an Wand und Deckel sind die
Folge und schränken die Verwendung von wassergekühlten Lan
zensystemen in der Einschmelzphase am Elektrolichtbogenofen
merklich ein.
Es wurde mehrfach versucht, wassergekühlte Lanzen als kom
binierte Brennerlanzen einzusetzen. Dank der Brennerfunk
tion soll mit ihnen der Schrott vor der Lanze effektiv weg
gebrannt und der Lanze damit ungehindert Zutritt zum flüs
sigen Stahlbad ermöglicht werden.
Der Einsatz von Lanzensystemen durch die Ofenwand selbst
führt zu Problemen; ungeschützte Durchführungen sind star
ken Verbärungen ausgesetzt und daher bezüglich eines stö
rungsfreien Betriebes als kritisch anzusehen.
Durch die EP-A-0 418656 wurde ein Verfahren zum gleichzei
tigen Beaufschlagen einer Metallschmelze in einem metallur
gischen Gefäß mit einem Gas sowie mit Feststoffen einer be
vorzugten Korngröße von 0,01 mm bis 1 mm bekannt, bei dem
das Gas über eine wassergekühlte Lanze sowie die Feststoffe
- in einem Förderstrom mit Luft oder einem Inertgas als
Transportmedium - über eine zweite Lanze so zugeführt wer
den, daß jener Förderstrom nach dem Verlassen seiner Lanze
von dem aus der anderen Lanze mit Überschallgeschwindigkeit
austretenden Gasstrom umgelenkt und mit diesem der Metall
schmelze zugeführt wird. Zudem wird eine dritte Lanze vor
geschlagen, durch die - unbeeinflußt von den Austrägen der
beiden vorgenannten Lanzen - Sauerstoff in die im Gefäß
gebildete Schlackenschicht eingetragen wird, um für ein ge
zieltes Nachverbrennen von Kohlenmonoxyd in einem der Me
tallschmelze benachbarten Bereich Sauerstoff bereitzustel
len; die beim Nachverbrennen gewonnene Wärmeenergie soll
unmittelbar der Metallschmelze zugeführt werden.
Es wird dort beschrieben, daß die Lanzen durch Bereiche der
Gefäßwand in das Gefäßinnere geführt und in diesem durch
ein Paneel aus Kühlrohren vor einer direkten Wärmeeinwir
kung durch den Lichtbogen und die Schmelze geschützt wer
den. Diese Paneele bilden zur Metallschmelze hin offene
Trichter; von ihrer unerwünschten Fähigkeit, Aufsteigendes
einzufangen, abgesehen, ist ihr Einsatz stets mit einem er
höhten Risiko eines Wassereinbruchs bei Beschädigung des
von der Ofenwand in den Ofenraum abragenden - mittels Was
serdurchfluß gekühlten - Dachpaneels durch herabfallenden
Schrott verbunden. Auch können solche Paneele oftmals dem
erhöhten thermischen Einfluß des Lichtbogens sowie der
thermischen Belastung der unter diesen Paneelen herausra
genden Überschall-Lanzen nicht standhalten. Aus diesen
Gründen war der Fachmann bislang geneigt, solchen Paneelen
nach wie vor die Arbeitstür des Ofens mit allen dazu be
kannten Nachteilen als einzig realisierbarer Einsatzort für
Lanzen der beschriebenen Art vorzuziehen.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das
Ziel gesetzt, die erkannten Mängel zu beseitigen und eine
von der Ofentür unabhängige Lanzenlagerung zu schaffen,
welche auch bei hohen Temperaturen betriebssicher einsetz
bar ist. Zudem soll eine Lanze angeboten werden, die vor
allem für den eingangs erwähnten Schmelzofen geeignet ist,
sowie eine Möglichkeit, diese effizient zu steuern.
Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängi
gen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Aus
gestaltungen an.
Erfindungsgemäß wird die Lanze von einem in einem Durch
bruch der Wandung des Ofens angelenkten, diesen Wanddurch
bruch abdichtenden und seinerseits gekühlten Lagerkörper
geführt. Das Gelenk verbindet in einer bevorzugten Ausfüh
rung die tiefste Kante des Lagerkörpers mit der benachbar
ten Schwelle des Wanddurchbruches und erlaubt es, den La
gerkörper relativ zum Ofeninnenraum um die Gelenkachse zu
bewegen.
Der erfindungsgemäße Lagerkörper ist kastenartig ausgebil
det und bietet firstwärts eine querschnittlich um die Ge
lenkachse gekrümmte glatte Oberfläche an, die einer den
Wanddurchbruch begrenzenden Kopffläche des benachbarten
oberen Wandpaneels in jeder Schwenkstellung des Lagerkör
pers dichtend anliegt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der - bevorzugt aus
einem Kupfergußkörper mit innenliegenden Kühlschleifen be
stehende - Lagerkörper mit zwei um eine etwa mittige Dreh
achse gekrümmten Oberflächen ausgestattet, die an entspre
chenden Krümmungsflächen der Ofenwand bewegbar sind; es
handelt sich um eine etwa säulenstumpfartig liegende Form
des Lagerkörpers, der innerhalb der Ofenwandung in einem
begrenzten Winkel gedreht zu werden vermag.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Lager
körper in Schwenkrichtung von einer Durchgangsführung -
beispielsweise einem Gußrohr - als Gleitbahn für die Lanze
durchsetzt. Eine an der Gleitbahnmündung ofenseitig ange
setzte Abstreif-Manschette verhindert innenseitige Beschä
digungen der empfindlichen Gleitbahn und erlaubt ein von
möglichen Stahl und Schlackenansätzen unbehindertes Ein-
und Ausfahren des Lanzenkörpers.
Im Rahmen der Erfindung liegt die besondere Ausbildung
einer Lanze bzw. ihres freien Endes, für die eigenständiger
Schutz begehrt wird; ihr Lanzenkopf weist vorteilhafter
weise achsparallele oder bevorzugt koaxiale Zuführkanäle
für Gas sowie für ein Gemisch aus Blaskohle und Förderluft
auf. Es entsteht so eine Kombination aus einem Sauer
stoff/Gas-Brenner und einer wassergekühlten Frischlanze in
kompakter Einheit.
Der in Kupferguß gefertigte Lanzenkopf geht in einen
stählernen Rohrteil über, welcher in ein mehrteiliges Me
dienversorgungsteil eingeschweißt ist. Letzteres besteht
bevorzugt aus Stahlhohlprofilen, die durch ihre gegen
seitige Abdichtung zwei Gasmedien sowie Förderkohle mit
Förderluft und das Kühlwasser sicher separiert voneinander
dem Lanzenkörper zuführen. Bei dieser Konzeption wird in
besonderem Maße der reparaturfreundlichen Auslegung sowie
der universellen Auswechselbarkeit von Bauteilen Rechnung
getragen. Die Schweißstellen sind so angeordnet, daß
schrittweise in einer vorgegebenen Reihenfolge die
einzelnen Rohrpartien auch von relativ uneingewiesenen
Schweißern zusammengesetzt werden können, wobei jedoch das
Verbindungsschweißen von Kupfer auf Stahl eine gewisse Vor
kenntnis erfordert.
Das in einer Kupferlegierung ausgeführte Gußteil des Lan
zenkopfes trägt eine Lavaldüse, welche formschlüssig mit
dem Lanzenkopf verbunden wird und dazu ausgelegt ist, auch
während des Betriebes durch einfaches Herausdrehen mittels
eines besonderen Werkzeugs ausgetauscht werden zu können.
Die bevorzugt ebenfalls in einer Kupferlegierung ausge
führte Lavaldüse ist aufgrund ihrer besonderen Gestaltung
nicht nur auf die zentrische Einleitung von Sauerstoff be
rechnet; durch eine Vielzahl von schräg in den Diffusorbe
reich der hier eingesetzten Lavaldüse einmündende Bohrungen
wird während des Brennerbetriebes wirkungsvoll Erdgas -
optional auch ein Ölnebel - eingedüst, welches ein
optimales Gasgemisch aus Erdgas und Sauerstoff bewirkt.
Zusätzlich zu den vorgenannten gasförmigen Medien können
über ein zentrisches Rohr Schäumkohle oder auch andere
feste Materialien in den Brennkegel eingebracht werden.
Grundsätzlich ist eine Lavaldüse auf nur einen Volumenstrom
bei einem bestimmten Druck ausgelegt. Eine Änderung des
Volumenstromes über die Varianz des Mediendruckes ist nur
in einem relativ schmalen Varianzband möglich, ohne die
laminare Strömungscharakteristik des Medienstromes - und
damit die Überschallgeschwindigkeit - nachhaltig zu stö
ren. Im praktischen Betrieb mit Überschalldüsen hat es sich
gezeigt, daß Düsen, die bewußt oder unbewußt im Unter
schallbereich - das heißt praktisch: mit geringerem
Mediendruck und damit auch mit geringerem Medienfluß als
mit dem Auslegungsdruck - gefahren wurden, sich innerhalb
kürzester Zeit selbst zerstören. Dieses Phänomen läßt sich
damit erklären, daß der Medienstrom innerhalb der Düse ab
reißt; durch den nicht mehr gegebenen 100%igen Füllgrad
der Düse entsteht eine turbulente Strömung innerhalb der
Düse durch Einsaugen von umgebenden heißen und hochaggres
siven Ofengasen, die letztendlich die Düse zerstören.
Will man also - wie im vorliegenden Fall - eine mit einer
Lavaldüse ausgerüstete Lanze kombiniert als Frischlanze und
als Brenner betreiben, muß man die vorgängig beschriebenen
Phänomene kennen und berücksichtigen. In der Praxis heißt
das, daß der Volumenstrom am Düsenende sowohl für den
Frischlanzen-Betrieb mit reinem Sauerstoff - als Gasmedium
- als auch für den Brennerbetrieb mit einem Gasgemisch,
bestehend aus Sauerstoff und Erdgas, gleich sein muß.
Unbedingt zu berücksichtigen ist auch, daß für einen
effizienten Brennerbetrieb das stöchiometrisch richtige
Sauerstoff-Erdgas-Verhältnis 2,3/1 beträgt. Aus der
Kenntnis dieses vorgegebenen Volumenverhältnisses ergeben
sich die notwendigen Teil-Volumenströme für Sauerstoff und
Erdgas, es ergibt sich weiterhin, daß der auf 2/3 des Nomi
nalvolumens abgesenkte Sauerstoffdurchfluß durch Einleitung
von Erdgas wieder aufgefüllt werden muß, um einen für einen
Überschallbetrieb notwendigen 100%igen Füllgrad der Düse
zu gewährleisten. Der Mündungsabstand der Erdgas-Einleitung
in die Lavaldüse ergibt sich damit aus dem rechnerischen
Abreißpunkt des Sauerstoffstrahles bei reduziertem Sauer
stoffdurchfluß im Brennerbetrieb.
Im Frischbetrieb wird die Lavaldüse wie normal mit dem
nominalen Sauerstoff-Durchsatz gefahren, entsprechend der
gewählten Auslegung. Es hat sich gezeigt, daß solche La
valdüsen problemlos bis 3500 Nm³/h zu betreiben sind;
entsprechend dem vorgenannten Mischungsverhältnis wäre eine
solche Lavaldüse auch problemlos auf Brennerleistungen von
bis zu 3,5 MW/h auszulegen.
Die Lavaldüse selbst kann relativ einfach aus einem Rohling
auf einer CNC-Drehbank gedreht werden, dies entsprechend
den berechneten Vorgaben aus der Computerberechnung.
Da die Lanze durch die Ofen-Seitenwand fährt, kann der
Ofenbediener die Lanze bzw. deren Arbeitsort nicht beobach
ten. Man weiß aber, daß solche wassergekühlten Systeme im
Ofenraum bei Berührung mit Schmelzgut starken Beschädigun
gen oder auch Zerstörungen ausgesetzt sind, wenn sie in ir
gendeiner Weise mit metallischem Schmelzgut in Berührung
kommen. Hauptursachen für derartige Ausfälle sind elektri
sche Überschläge und das sogenannte "flash back", worunter
man ein Zurückschlagen der an einem festen Schmelzgut abge
lenkten Flamme versteht.
Es gibt verschiedene Überlegungen zur Lösung dieses Pro
blems, für die ebenfalls selbständiger Schutz beansprucht
wird.
Eine nach einer Zeitautomatik in den Ofen einfahrende Lanze
ist die sicherlich einfachste Möglichkeit für eine
Lanzensteuerung. Sie ist zu realisieren, wenn die
Schrottpackung immer aus der weitgehend gleichen
Zusammensetzung besteht, bleibt aber energetisch sicherlich
nicht ideal, da man in den meisten Phasen einen zu großen
Sicherheitsabstand zum Schmelzgut einhalten muß. Diese
Lösung kann also nur in geringer Weise der Forderung des
Brennerbetriebes nahe dem Schmelzgut entsprechen.
Der bessere Lösungsansatz zielt in Richtung einer
"fühlenden" Lanze. Da optische Näherungssysteme in dieser
Umgebung nicht einsetzbar sind, muß man eine Lösung des
Problems auf der mechanischen Seite suchen. Als "Taststock"
für eine solche Lanze kann die Vortriebskraft des
Lanzenantriebs herangezogen werden. Der Impuls des Laval-
Gasstrahles übt einen Gegendruck auf die Vortriebskraft der
Lanze aus, dieser Gegendruck ist solange gering, die die
Lanze in einen leeren Ofenraum einfährt; er steigt aber
nach einer Exponentialfunktion auf dem Weg zu einem
Hindernis, d. h. zu einem Schrottstück. Da die Lanze dieses
Schrottstück schneiden soll, muß man einen bestimmten
Schwellwert zulassen, auf dem die Lanze still steht; wird
dieser Schwellwert überschritten - was in der Praxis eine
unerlaubte Annäherung an ein Schrottstück oder sogar ein
Entgegenfallen eines Schrottstückes bedeutet - so muß die
Lanze schnell zurückgezogen werden, um danach eine neue
Annäherung an das Schmelzgut einzuleiten. Dieser neuerliche
Vorschub kann beginnen, sobald ein unterer Schwellwert un
terschritten wird. Eine solche Tastschaltung ist relativ
einfach und kostengünstig zu realisieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese
zeigt in
Fig. 1 die teilweise geschnittene Frontansicht
eines Ausschnittes der Außenseite einer
Wand eines Elektrolichtbogen-Ofens mit
Gelenklagerung für eine - hier in Ru
hestellung etwa horizontal verlaufende
- Lanze;
Fig. 2 den Schnitt durch Fig. 1 nach deren Li
nie II-II bei geneigt stehender Lanze;
Fig. 3, 5 der Fig. 2 entsprechende Schnittskizzen
zu weiteren Ausgestaltungen der Gelen
klagerung;
Fig. 4, 6 Ansichten zu Fig. 3, 5 von der Ofenin
nenseite;
Fig. 7 bis Fig. 16 skizzenhafte Darstellungen unterschied
licher Lanzenpositionen;
Fig. 17 den Längsschnitt durch einen Lanzen
kopf;
Fig. 18, 19 skizzierte Längsschnitte durch einen
Teil des Lanzenkopfes sowie eine La
valdüse;
Fig. 20 die Lavaldüse der Fig. 19 in Brenner
funktion;
Fig. 21 die Lavaldüse der Fig. 19 in Sauer
stoff-Blas-Funktion.
Ein in der Zeichnung lediglich angedeuteter Elektrolichtbo
gen-Ofen 10 weist in einer Wand 12 einen von gekühlten
Wandpaneelen 14 der Dicke a begrenzten Durchbruch 16 der
Breite b und der Höhe h auf; in diesem ist ein seinen Quer
schnitt ausfüllender Lagerkörper 18 für eine Lanze 20 mit
tels eines an der Kante 22 des Körpertiefsten verlaufenden
horizontalen Gelenkes 24 drehbar mit der Schwellenkante 26
des unteren Wandpaneels 14 t verbunden.
Die Gelenkachse des Gelenkes 24 ist mit A kenntlich ge
macht, der einstellbare Neigungswinkel der Lanze 20 zur Ho
rizontalen mit z; letzterer liegt zwischen 30 und 40°. Dem
entsprechend ist die Größe des Neigungswinkels w zwischen
der Vertikalen und der ebenen Innenfläche 28 des Lagerkör
pers 18 anzusehen.
Sowohl die zum Ofeninnenraum 11 weisende Innenseite oder
Innenfläche 28 als auch die querschnittlich in einem Radius
r um jene Achse A gekrümmte Firstwand 30 des Lagerkörpers
18 sind bevorzugt aus Kupferblech gefertigt. Gleiches gilt
für eine Bodenplatte 32 mit von deren Endkante 33 rechtwin
kelig ausgehendem Sockelblech 34 - das an einer Naht 35
mit jener Firstwand 30 verbunden ist - sowie für zwei
Flankenwände 36, denen Wangenflächen 27 der Ofenwand 12
bzw. der Wandpaneele 14 zugeordnet sind.
Im Zentrum der Innenfläche 28 ist diese von der zu ihr
rechtwinkeligen Längsachse Q der Lanze 20 durchdrungen.
Letztere ruht in einem Führungsrohr 38 aus Gußeisen, das in
nicht dargestellter Weise fest mit dem kastenartigen Lager
körper 18 verbunden und gegebenenfalls mit - sich seit
lich bzw. boden- und firstwärts abstützenden - Flanschaus
formungen versehen ist.
Der Lagerkörper 18 ist wassergekühlt und dazu innenseitig
mit Strömungsquerschnitten - beispielsweise Kühlrohren 40
- ausgestattet. Die Strömungsquerschnitte sind mittels
flexibler Leitungen od. dgl. ebenso an ein Kühlmittelsystem
angeschlossen, wie - nicht gezeigte - Kühlrohre der Wand
paneele 14, 14 t.
In Fig. 1 ist mit 42 eine Dichtungskante des oberen Wandpa
neels 14 an der Kopffläche 17 des Wanddurchbruches 16 ver
deutlicht, die auf der Oberfläche 31 der gekrümmten
Firstwand 30 schleift und diese von Schmutzansätzen frei
hält. Ihn horizontaler Lanzenstellung verläuft die Dich
tungskante 42 an der oberen Kastenecke 29 des Lagerkörpers
18.
Die Ausgestaltung nach Fig. 3, 4 zeigt einen Lagerkörper
18 a mit die Wandpaneele 14, 14 t des Ofens 10 fortsetzender
Innenwand 44, welche von einem gußeisernen Führungsrohr 38 a
mit ofenwärtigem Flanschkragen 39 durchsetzt ist.
Eine weitere Ausführungsform des Lagerkörpers 18 b weist
nach Fig. 5, 6 einen Kupfergußkörper 46 mit innenliegenden
Kühlschleifen 41 und jenem Führungsrohr 38 a auf. Der Ab
stand zwischen dem im Durchbruch 16 drehbaren Kupfergußkör
per 46 sowie der ihn aufnehmenden Ofenwand 12 ist überhöht
wiedergegeben; er weist zwei um eine hier etwa in Körper
mitte verlaufende Drehachse gekrümmte Oberflächen 31 a, 32 a
auf, an denen entlang jene Kühlschleifen 41 zu erkennen
sind.
Jene Oberflächen 31 a, 32 a schmiegen sich an entsprechende
Krümmungsflächen 17 a, 26 a der Ofenwand 12.
Die skizzenhafte Darstellung der Fig. 7 zeigt die Ruhelage
des Lagerkörpers 18 beim Chargieren und beim Brennen des
Ofens 10 mit der Lanze 20 in Brennerstellung. Die Bren
ner/Sauerstoff-Lanze 20 soll im ersten Arbeitstakt als rei
ner Sauerstoff/Erdgas oder Sauerstoff/Schweröl-Wandbrenner
mit bis zu 5 MW/h arbeiten. Dabei wird Schrott vor dem
Brennermund weggebrannt, durch schrittweises Kippen in
Badrichtung schneidet der Brenner den Schrott, konsequen
terweise folgt dabei die Brennerlanze 20 dem zurückschmel
zenden Schmelzgut bis in die Nähe des Spiegels 48 des flüs
sigen Sumpfes im Ofenherd.
In Fig. 8, 11 wird dazu die für das Brennen einer Schneise
leicht abwärts gekippte Lanze 20 verdeutlicht, deren Flamme
mit 21 kenntlich gemacht ist. Die Lanze 20 folgt gemäß
Fig. 9, 12, 13 dem niederschmelzenden Schrott 50.
Sobald der Schrott 50 genügend durchgängig vorgewärmt ist,
d. h. flüssiges Bad vor der Brennerlanze 20 steht, wird das
Erdgas abgeschaltet bzw. durch Sauerstoff ersetzt, die
Brennerlanze 20 arbeitet als Sauerstoff/Kohle-Lanze in Bad
nähe und erzeugt dabei die für Hochleistungsöfen notwendige
Schaumschlacke. Diese zweite Arbeitsphase in unmittelbarer
Badnähe ermöglicht höchstes Energie-Einbringen über die
CO-Reaktion, die dafür nötige Schäumkohle wird dabei zentrisch
in den Sauerstoffstrahl eingeblasen.
In Fig. 10, 15, 16 befindet sich die Brennerlanze 20 in
Frischposition; sie bläst nahe am Badspiegel 48 Sauerstoff
und Kohle zur Schlackenschäumung.
Nicht dargestellt ist eine Abstreifmanschette an der ofen
seitigen Mündung des als Gleitbahn für die Lanze 20 dienen
den Innenraums 37 des Führungsrohres 38 zu dessen Schutz
gegen Stahl- und Schlackenansätze.
Das ofenwärtige Lanzenende weist nach Fig. 17 einen hauben
förmigen Lanzenkopf 52 des Durchmessers d von hier 180 mm
sowie der axialen Länge e an einem Stahlrohr 54 auf. Diese
Länge e kann bei einer nicht dargestellten Ausführung bis
zu 300 mm betragen.
Der in Kupferguß gefertigte Lanzenkopf 52 kreisförmigen
Querschnittes geht in das Stahlrohr 54 über, welches ent
sprechend der notwendigen Rohrlänge in ein mehrteiliges Me
dienversorgungsteil 56 eingeschweißt wird; das Stahlrohr 54
umgibt drei koaxiale Rohrelemente 58, 60, 62 aus Stahl,
welche in gegenseitiger Abdichtung beispielsweise Kanäle
für Erdgas 59, Sauerstoff 61 sowie Förderkohle 63 mit
Förderluft, zudem in einem äußeren Ringraum 64 Kühlwasser
65 separiert voneinander dem Lanzenkopf 52 zuführen. Die
Erdgaszuführung ist mit 67, die Sauerstoffzuführung mit 68,
die Kühlwasserzuführung mit 69 bezeichnet. Da das
Kühlwasser 65 nicht verbraucht wird, verläßt es den
Ringraum 64 an einem Auslaß 70. Zur reparaturfreundlichen
Auslegung sowie zur universellen Auswechselbarkeit von Bau
teilen sind Schweißstellen 57 am Medienversorgungsteil 56
so vorgesehen, daß die einzelnen Rohrpartien schrittweise
in vorgegebener Reihenfolge zusammengesetzt werden können.
Das aus einer Kupferlegierung bestehende Gußteil des Lan
zenkopfes 52 bietet ein Gewinde 72 zum Einschrauben einer
Lavaldüse 74 an sowie für diese eine hochwarmfeste Dichtung
73. Die Lavaldüse 74 wird mittels einer Schraubverbindung
formschlüssig mit dem Lanzenkopf 52 verbunden und ist
darauf ausgelegt, auch während des Betriebes - durch Ein
satz eines besonderen Werkzeuges - einfach herausgedreht
und ausgetauscht werden zu können.
Die ebenfalls aus einer Kupferlegierung bestehende La
valdüse 74 mit sich von einem engsten Querschnitt 75 beid
seits konisch erweiternden Düsenkanal 76 nimmt mit ihrer
Heckmündung 77 den Sauerstoff aus dessen Kanal 61 zentrisch
auf. Durch eine Vielzahl von schräg in den Diffursorbereich
76 der Lavaldüse 74 bei 79 einmündender Bohrungen 80 wird
während des Brennerbetriebes wirkungsvoll Erdgas eingedüst,
welches ein optimales Gasgemisch aus Erdgas und Sauerstoff
bewirkt. Den Mündungen 79 steht das zentrische Rohr 62
gegenüber, das sich bis zur Frontmündung 78 der Düse 74
erstreckt.
Zusätzlich zu den vorgenannten gasförmigen Medien können
über das zentrische Rohr 62 - das aus Sicherheitsgründen
noch von einem Führungsrohr 82 umgeben ist - Schäumkohle
od. dgl. feste Schüttgüter wie Stäube in den entstehenden
Brennkegel eingedüst werden.
Das Führungsrohr 82 lagert mit seiner Heckkante 83 in einem
mehrteiligen, die Sauerstoffzuführung 68 enthaltenden Trag
körper 84 des i.w. aus Stahl bestehenden Lanzenkörpers 84.
Dieser Tragkörper 84 ist frontseitig mit dem den Sauer
stoffkanal 61 umgebenden Rohrelement 60 thermisch
verbunden, also verschweißt, und grenzt dicht an einen
Ringkörper 86. Dieser wiederum ist mit dem den Erdgaskanal
59 nach außen begrenzenden Rohrelement 58 verschweißt und
enthält die Erdgaszuführung 67. Ebenfalls ist an den
Ringkörper 86 jenes äußere Stahlrohr 54 thermisch
angeschlossen worden, das anderseits an einer Zylinderwand
51 des Lanzenkopfes 52 festgelegt ist. Das Stahlrohr 4
enthält die beiden Kühlwasserdurchlässe 69, 70 und begrenzt
zudem mit dem erwähnten konzentrischen Rohrelement 58 den
Kühlwasserringraum 64. Letzterer geht in einen andernends
geschlossenen Ringraum 53 des kupfernen Lanzenkopfes 52
über.
Dank dieser Ausgestaltung können beispielsweise feinkörnige
Filterstäube - für die es bis heute keine befriedigende
Rückleitung in den Schmelzprozeß gibt - unter Zuhilfenahme
der beschriebenen Brennerfunktion der Lanze 20 effizient
wieder in die Schmelze zurückgeführt werden; es wird erfin
dungsgemäß also eine Kombination der Lanze 20 als Brenner
und als Frischlanze angeboten.
Fig. 20 verdeutlicht die Lavaldüse 74 in ihrer Brennerfunk
tion mit durch die Bohrungen 80 in den Düsenkanal 76
einströmenden Erdgas bei dem durch seinen Kanal 61
zugeführten Sauerstoff. In Fig. 21 wird die Sauerstoff-
Blas-Funktion mit gleichzeitiger Einleitung von
Injektionskohle durch den zentralen Kanal 63 angedeutet.
Claims (27)
1. Schmelzofen, insbesondere Lichtbogenofen für Metalle,
mit zumindest einer seine Wandung durchsetzenden und
in seinen Ofenraum längenveränderlich einragenden
Lanze zum Eintragen von Strömungsmitteln und/oder
Feststoffen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lanze (20) in einem schwenkbaren Lagerkörper
(18, 18 a, 18 b) axial verschieblich angeordnet und der
Lagerkörper in einem Durchbruch (16) der Wandung (12)
des Schmelzofens (10) angelenkt ist, wobei der Wand
durchbruch von dem kühlbar ausgebildeten Lagerkörper
abgedichtet ist.
2. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß den Lagerkörper (18, 18 a, 18 b) zumindest ein Gelenk
(24) mit dem Schwellenbereich (26) des Wanddurchbruchs
(16) verbindet.
3. Schmelzofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das/die Gelenk/e (24) an der ofenwärtigen Innen
seite (28) des Lagerkörpers (18, 18 a, 18 b) angeordnet
ist/sind.
4. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lagerkörper (18, 18 a, 18 b) rela
tiv zum Ofeninneraum (11) um die Achse (A) der/des Ge
lenke/s (24) führbar ist.
5. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lagerkörper (18, 18 a, 18 b) mit
Außenflächen (28, 30, 32, 36) aus Bundmetall versehen,
bevorzugt als Kupfergußkörper ausgebildet, sowie mit
einer an seiner Innenwand (44) mündenden Durchgangs
führung (38) als Gleitbahn für die Lanze (20) ausge
stattet ist.
6. Schmelzofen nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine
rechteckige Umrißform der Innenwand (44) des Lagerkör
pers (18, 18 a, 18 b).
7. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest der ofenseitigen Innen
wand (44) des Lagerkörpers (18, 18 a, 18 b) Kühlrohre (40)
oder Kühlschleifen (41) als Kühleinrichtungen zur
Führung eines strömenden Kühlmittels zugeordnet sind.
8. Schmelzofen mit die Innenflächen des Ofens bildenden,
durch ein Strömungsmittel gekühlten Wandpaneelen nach
einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühleinrichtung der Wandpaneele (14, 14 t) des
Schmelzofens (10) mit der Kühleinrichtung (40, 41) des
Lagerkörpers (18, 18 a, 18 b) verbunden ist.
9. Schmelzofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gelenkachse
(A) ferne Firstwand (30) des Lagerkörpers (18, 18 a, 18 b)
eine querschnittlich um jene Gelenkachse gekrümmte
Oberfläche (31) aufweist, die einer den Wanddurchbruch
(16) begrenzenden Kopffläche (17) des oberen Ab
schnitts der Ofenwand (14) in jeder Schwenkstellung
des Lagerkörpers dichtend anliegt.
10. Schmelzofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder
4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkörper
(18 b) zwei um eine etwa mittige Drehachse gekrümmte
Oberflächen (31 a, 32 a) aufweist, denen entsprechende
Krümmungsflächen (17 a, 26 a) der Ofenwand (12) dichtend
zugeordnet sind.
11. Schmelzofen nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet
durch zumindest eine sich der firstwärtigen Oberfläche
(31, 31 a) des Lagerkörpers (18, 18 a, 18 b) anschmiegende
Dichtungskante (42) in der Kopffläche (17, 17a) des
oberen Abschnitts der Ofenwand (12).
12. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn
zeichnet durch eine im Lagerkörper (18, 18 a, 18 b) fest
liegende Durchgangsführung (38) mit ofenseitigem
Flanschkragen (39).
13. Schmelzofen nach Anspruch 6 oder 12, gekennzeichnet
durch eine rechteckige Umrißform des Flanschkragens
(39) der Durchgangsführung (38).
14. Schmelzofen nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet
durch eine Durchgangsführung (38) aus einem Gußrohr.
15. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekenn
zeichnet durch eine ofenseitig an der Mündung der
Durchgangsführung (38) vorgesehene und die Lanze (20)
dicht umfangende Abstützmanschette.
16. Lanze mit Lanzenkopf und Sauerstofführung,
insbesondere für einen Schmelzofen nach wenigstens
einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß in ihrem Lanzenkopf (52) koaxiale oder
achsparallele Zuführkanäle (59, 63) für Gas sowie ein
Gemisch aus Blaskohle und Förderluft vorgesehen sind.
17. Lanze nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zuführkanal (63) für das Gemisch aus Blaskohle und
Förderluft axial verläuft und von einem Kanal (61) für
den Sauerstoff umgeben ist, wobei der Sauerstoffkanal
an einer vom zentralen Zuführkanal durchsetzten La
valdüse (74) endet.
18. Lanze nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der zentrale Zuführkanal (63) an der Frontmündung (78)
des Düsenkanals (76) der Düse (74) endet.
19. Lanze nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeich
net, daß der zentrale Zuführkanal (63) endwärts von
einem Führungsrohr (82) umgeben ist.
20. Lanze nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Ende des Sauerstoffkanals (61)
einerseits sowie in der Düsenwand vorgesehene Zuführ
bohrungen (80) für das Gas anderseits an unterschied
lichen Seiten eines engsten Querschnitts (75) der Düse
(74) liegen.
21. Lanze nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die den Kanal (59) für das Gas mit dem Düsenkanal (76)
der Düse (74) verbindenden Bohrungen (80) an der mün
dungsnahen Seite des engsten Querschnittes (75) ange
ordnet sind.
22. Lanze nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Düse (74) von dem Lanzenkopf
(52) umgeben und dessen Wandung (51) an ein axiales
Rohr (54) angeschlossen ist, welches einen Kühlwasser
kanal (64) umgibt.
23. Lanze nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Kühlwasserkanal (64) zwischen zwei radialen
Anschlußstutzen (69, 70) erstreckt.
24. Lanze nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeich
net, daß der Lanzenkopf (52) aus einer Kupferlegierung
geformt und an das Rohr (54) aus Stahl angeschlossen
ist.
25. Lanze nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (59) zwischen
Kühlwasserkanal (64) und Sauerstoffkanal (61) verläuft
und sich zwischen den Bohrungen (80) sowie einer
radialen Gaszuführung (67) erstreckt.
26. Verfahren zum Steuern eines Lanzenkopfes, insbesondere
des Lanzenkopfes der Lanze nach wenigstens einem der
Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vortriebskraft für die Lanze gemessen und ein
Schwellwert festgestellt, bei dessen Überschreitung
die Rückführung der Lanze ausgelöst wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen
zweiten Schwellwert, mittels dessen der Vorschub der
Lanze ausgelöst wird.
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