DE2101784A1

DE2101784A1 - Verfahren zum Einschmelzen von Eisen und Kupolofen zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2101784A1
Application number: DE19712101784
Authority: DE
Inventors: Humphrey James Birmingham Leyshon (Großbritannien). M
Original assignee: British Cast Iron Research Association, Birmingham (Grossbritannien)
Priority date: 1970-01-23
Filing date: 1971-01-15
Publication date: 1971-09-16
Also published as: ZA708545B; NL7100556A; US3702182A; CA924906A; FR2077286B1; FR2077286A1; AU2353470A; GB1326241A

Description

Me Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einschmelzen von Eisen und auf einen Kupolofen zur Durchführung des Verfahrens.

Öfen dieser Art werden im allgemeinen mit Roheisen, Eisen- oder Stahlschrot oder einem Gemisob dieser Materialien mit oder ohne Eisenlegierungen besohickt, wobei außerdem nooh Koks eingesetzt wird, der als Energieträger zur Erzeugung des flüssigen Eisens dient.

Es sind viele Versuche unternommen worden, den Koks als Energiequelle im Kupolofen zu ersetzen und wenigstens teilweise durch flüssige oder gasförmige Brennstoffe. Die

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Ergebnisse, die man dabei erzielte, waren nicht immer voll befriedigend, weil beim Ersatz einer wesentlichen Menge des Kokses duroh einen anderen Brennstoff die Temperatur für viele Anforderungen von Gießereien, die Gußstücke herstellen, nicht ausreicht. In der Absicht, die potentiellen Vorteile derVerwendung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen zum Einschmelzen von Metall zur Erzeugung fLüssigen Eisens vollständiger zu realisieren, hat man Einrichtungen erdacht, die zur Überwindung der Grenzen vorgesehen sind, die sioh durch die Verwendung konventioneller öl- und gasbefeuerter Öfen ergeben, deren Verwendung beschränkt ist. Der größte ITachteil solcher öfen, verglichen mit dem Kupolofen, ist der niedrige thermische Wirkungsgrad, die schlechte Verwendbarkeit solober Öfen für eine kontinuierliche Erzeugung eines flüssigen Metalls und die Kosten des metallischen Ausgangsmaterials zur Erzeugung der meisten Sorten von Eisen, die beträchtlich höher liegen, weil in einem solchen Ofen das Metall nicht befriedigend aufgekohlt werden kann wie im Kupolofen, in welchem es mit dem Koks in direktem Kontakt steht, so daß ein größerer Anteil des teuren Materials mit höherem Kohlenstoffgehalt, beispielsweise Roheisen, in einen solchen Ofen eingesetzt werden muß, um ein flüssiges Eisen mit dem erforderliohen Kohlenstoffgehalt zu erzeugen.

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Einem Faktor hat man besondere Aufmerksamkeit geschenkt, und zwar der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades beim Schmelzen in einem Kupolofen unter Verwendung nicht fester Brennstoffe, indem man Brenner für solche Brennstoffe mit Sauerstoff oder mit sauerstoffangereicberter Luft vorgesehen hat. ·

Die vorliegende Erfindung sieht im Gegensatz dazu zum Schmelzen von Metall einen Kupolofen vor, dessen

Schmelzzone zur Verbrennung flüssiger oder gasförmiger ™

Brennstoffe eingerichtet ist, ohne daß Zuflucht zur Verwendung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft zur Erreichung einer angemessenen Schmelztemperatur genommen wird.

Erfindindungsgemäß wird die Metallcbarge durch die heißen Verbrennungsprodukte eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes geschmolzen, der in Luft in besonderen Verbrennungskammern verbrannt wird, ehe diese Verbrennungsprodukte in die Schmelzzone eintreten, wobei das entstandene m flüssige Metall durch andere Mittel zusätzlich erhitzt wird.

Der Überhitzungsvorgang kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, daß man das flüssige Metall durch ein unabhängiges erhitztes, darunterliegendes Koksbett führt, dessen Temperatur auf dem Überhitzungswert durch Einleitung von Sauerstoff gehalten wird. In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird

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das flüssige Metall durch ein vermittels elektrischer Widerstandsheizung beheiztes Bett geleitet, so daß keine Sauerstoffzuführung erforderlich ist. Als Material für das Bett kann Koks verwendet werden, so daß man den weiteren Vorteil der Zuführung von Kohlenstoff zu Aufkohlungszwecken hat.

Bei einem anderen Verfahren, in welchem die Erfindung verwirklicht werden kann, wird die anschließende zusätzliche Erhitzung elektrisch in einer dritten zusätzlichen Stufe erzielt. Die vorangehende oder zweite Stufe wird mit einer entsprechenden niedrigeren Intensität geführt.

Die Erfindung schlägt auch einen Kupolofen vor, der so ausgestaltet ist, daß er flüssige oder gasförmige Brennstoffe wirkungsvoller zum Niederschmelzen von Eisenmetallen ausnutzt als bisher. Dieser Ofen überwindet auch die Einschränkungen der bestehenden öl- oder gasbefeuerten Öfen und gestattet eine kontinuierliche Lieferung geschmolzenen Metalls mit einer entsprechenden Temperatur für alle Anwendungsgebiete der Gießerei. Er ist ferner in der Lage, das Eisen in dem Ofen aufzukohlen.

Der Kupolofen ist außen im Bereiche der Schmelzzone mit einer Anzahl getrennter und vorzugsweise gleich weit voneinander entfernter Verbrennungskammern, die auf seinem Umfang angeordnet sind und mit der Schmelzzone in Verbindung stehen, ausgestattet. Die vollständige Verbrennung des

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Brennstoffes und der Luft in diesen Kammern, ehe sie in die Schmelzzone gelangen, ergibt einen hohen thermischen Wirkungsgrad und eine angemessene Schmelztemperatur.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele eines solchen Kupolofens dargestellt sind, näher erläutert.

In den Pig. 1 und 2 der Zeichnung sind Kupolofenbeispiele dargestellt.

Gemäß Fig. 1 wird das Metall durch Erzeugung von Yerbrennungspordukten eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in einem mit einer feuerfesten Auskleidung versehenen vertikalen Stahlschacht 1 geschmolzen. Die Verbrennungskammern 2 sind an dem Ofen befestigt und gleich weit voneinander getrennt über seinen Umfang verteilt. Öl- oder Gasbrenner 3 sind mit den Verbrennungskammern verbunden, und wassergekühlte Sauerstoffinjektoren 10 sind weiter unten in die Auskleidung des Ofens einzementiert. Der Boden des Stahlschachtes sitzt auf einer Grundplatte 4, die mit einer Falltür wie bei den übliohen koksbefeuerten Kupolöfen ausgestattet ist. Die Grundplatte und der Schacht sind auf stählernen Säulen 5 befestigt.

Im Betrieb wird auf die Falltür der Grundplatte eine Schicht 6 aus Sand gebracht. Darauf wird eine Sohioht 7 aus Koks aufgeschüttet, die bis über die Verbrennungskammern reicht. Dieses Koksbett wird dann mit einer Gas-

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Luft- oder ölfaokel entzündet und durchbrennen gelassen, bis es gleichmäßig rot ist. Daraufhin werden die Öl- oder Gasbrenner angezündet und das Metall 8 durch die Öffnung 9 in der Nähe des oberen Endes des Schaftes chargiert.

Das Metall schmilzt und die Tröpfchen fallen durch das Koksbett 7 hindurch in den Sumpf, aus dem sie kontinuierlich oder diskontinuierlich, je nach Wunsch wie man den Kupolofen betreibt, abgezogen werden. Wenn die Metalltröpfchen in den Sumpf fallen, werden sie durch den eingeblasenen Sauerstoff in das Koksbett zusätzlich erhitzt.

Bei dem Ausgestaltungsbeispiel nach Fig. 2 wird das Metall durch den Durchgang elektrischen Stromes zwischen den Elektroden 11, die in das Koksbett eingesetzt sind und mit Strom von einem geeigneten Transformator versorgt werden, zusätzlich erhitzt. Für niedrige Leistung wird eine Einphasenversorgung mit zwei Elektroden verwandt, für größere Leistungen eine Dreiphasenversorgung mit drei Elektroden bevorzugt.

Wenn Sauerstoff als Mittel zur zusätzlichen Erhitzung des Metalls verwandt wird, muß mit der Metalloharge Koks zugesetzt werden, um den sich verbrauchenden Koks im Koksbett zu ergänzen. Ein Teil des Kokses wird auch durch das Metall gelöst. Außerdem wird ein Teil des Kokses durch die gasartigen Verbrennungsprodukte des Brennstoffes verbraucht, weil das Kohlendioxid und der Wasserdampf der Yerbrennungsprodukte

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mit dem Kohlenstoff reagieren, und Kohlenmonoxid und Wasserstoff bilden.

Der Verbrauch von Kohlenstoff durch die Verbrennungsprodukte beeinträchtigt nachteilig den thermischen Wirkungsgrad, ist aber insgesamt nicht unerwünscht, weil die Gegenwart von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in den Gasen, die durch den Schacht hindurchstreicben, das Oxidationsvermögen der Gase verringert, so daß ein geringerer Verlust an Eisen, * Silizium und Mangan in dem Metall während des Vorwärmens und Sehmelzens entsteht.

Der thermische Wirkungsgrad des Kupolofens gemäß der vorliegenden Erfindung bei Ölfeuerung und optimaler Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit in der Überbitzungszone zeigte sich geringer als beim Betrieb des Ofens in herkömmlicher Weise, d. h. bei der Feuerung mit Koks, wenn man Metall bei Temperaturen unter 1475°C erzeugt, aber höher, wenn man diese Temperatur überschreitet.

Verwendet man elektrische Einrichtungen zur Über- ^j hitzung des Metalls in einem Koksbett, ist die Menge des Kokses, die man der Charge zusetzen muß, gerade so groß, daß jene Menge ersetzt wird, die durota die Verbrennungsprodukte des Brennstoffes und durch jene Menge, die sich in dem Eisen löst, verbraucht wird.

Der Kupolofen gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Erzeugung einer Reihe von Eisensorten verschiedener

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Zusammensetzung verwendet worden und auch die Charge variierte von reinem Gußeisensohrott bis zu Chargen aus Stahl. Das in derSohmelzzone als Brennstoff verwandte öl ist ein handelsübliches Gasöl mit einem kalorisohen Wert von etwa 19 600 Btu/lb. Wenn man Chargengemische mit einem hohen Kohlenstoffäquivalentwert einschmilzt, tritt nur ein sehr geringer oder gar kein Verlust an den hauptsächlichsten legierungselementen ein. Eine Charge, die ganz und gar aus Gußeisenschrott bestand und eine Analyse von 3,00 % Gesamtkohlenstoff, 2,04 # Si, 0,36 $> Mn, 0,120 # S und 1,20 ?ί Ρ besitzt, ist in einem kleinen Ofen durch die Verbrennung von 14,3 Gallonen öl pro Stunde niedergesohmolzen worden. Die zusätzliche Wärme in erster Linie zur zusätzlichen Erhitzung des Metalls wurde durch die Chargierung von 4 Pfund gewöbiiobem Gießereikoks pro 100 Pfund Metall erzeugt und durob das Einblasen von 15 Kubikfuß Sauerstoff pro Minute in den Sumpf des Ofens. Zur Bildung einer flüssigen Sohlacke, die man leicht aus dem Ofen ablassen kann, wurden außerdem mit jeweils 100 Pfund Metall 2 Pfund Kalkgestein eingesetzt. Unter diesen Betriebsbedingungen konnte Eisen mit einer Geschwindigkeit von 0,94 t/h und bei einer Temperatur von 1435⁰C niedeTgeschmolzen werden. Die Zusammensetzung des ereeugten Metalls war folgende: 3,00 # Gesamtkohlenstoff, 2,03 £ Si, 0,37 1» Mn, O,132# S und 1,26 £ P. Es zeigte sich auch, daß die Koksoharge, die zur Erzeugung der obigen

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Temperatur erforderlich war, nur ein Drittel der Menge betrug, die man beim Betrieb des Ofens in herkömmlicher Art mit Koks benötigte.

Wenn man Chargengemische niedersohmilzt, die veränderliche Anteile von Stahl enthalten einschließlich reiner Stahlohargen, ist das Bisen in der Lage, während des Sobraelzens und Überhitzens Kohlenstoff zu absorbieren wie beim Sohmelzen in einem Kupolofen. Als Beispiel wird folgendes dargelegt. M

Der Ofen wurde mit einem Metallgemisoh besohiokt, das aus 80 i» Stahlschrott und aus 20 Ji Gußeisensobrott bestand ' mit einem Zusatz von Ferrosilizium, so daß sioh eine Chargen- ' analyse wie folgt ergab: 0,82 # Gesamtkoblenstoff, 0,94 % Si, 0,82 fi Mn, 0,050 # S und 0,25 # P. Öl wurde in einer Menge von 14,7 Gallonen pro Stunde verbrannt und für die Auflösung von Koks duroh das Metall 6,5 Pfund Koks mit 100 Pfund Metall ; eingesetzt, der duroh Einblasen von Sauerstoff in den Sumpf des Ofens in einer Menge von 20 Kubikfuß pro Minute ver- ^! M brannt wurde. Außerdem wurden pro 100 Pfund Metall zur Bildung einer flüssigen Schlacke 2 Pfund Kalk eingesetzt. Unter diesen Bedingungen wurden pro Stunde 0,97 t Metall bei einer Temperatur von 1520⁰C erzeugt. Das Eisen, welobes so hergestellt wurde, hatte folgende Zusammensetzung: 2,66 f> Gesamtkohlenstoff, 0,75 1* Si, 0,36 % Mn, 0,094 t S und 0,24 l· P.

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Im falle von Cbargengemisoben, die aus Gußeisensohrott besteben, beträgt die Kokscharge, die erforderlich ist, diese Temperatur zu erzeugen, etwa ein Drittel der Koks menge, die im herkömmlichen Arbeitsverfahren eingesetzt werden muß.

Der Ofen und das Sobmelzverfahren, das mit ihm durchführbar ist und oben beschrieben wurde, schafft die Mögliobkeit, flüssige oder gasförmige Brennstoffe als Hauptenergiequelle zu verwenden und alle Gießzweoke zu berücksichtigen. Solohe Brennstoffe können sowohl als Hauptenergiequelle zum Vorsohmelzen des Eisens in den beiden oben erwähnten Stufen verwandt werden, wobei das Überhitzen des Metalls in der letzten Stufe in einem elektrischen Ofen herkömmlicher Ausgestaltung durchgeführt wird. Aufgrund der verhältnismäßig hoben Kosten der elektrischen Erhitzung ist ein derartiges "Verfahren geeignet unter Wahrung der wirtschaftlichen Vorteile, die bequeme Verwendung der elektrischen Energie für diese letzte zusätzliche Erwärmung des Metalls auszunutzen und zur AufreobterbaItung der Wärme, was erforderlich ist, wenn man geschmolzenes Metall mit der richtigen Temperatur und in der richtigen Zusammensetzung einer Gießerei zuführen muß.

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Claims

Ansprüche in einem Elektroofen zugeführt wird. 109838/1067

1. Verfahren zum Niederschmelzen von Eisen in einem Kupolofen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metalloharge alt den heißen Verbrennungsprodukten eines flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffes, der mit luft in einer getrennten Verbrennungszone oder -zonen verbrannt wird, niederschmilet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß solche Brennstoffe in Verbrennungskammern verbrannt werden oder außerhalb des Kupolofens.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zunächst niedergesohmolzene Metall durch Berührung mit einem brennenden Koksbett, in das Sauerstoff eingeblasen wird, überhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, ,· Jj daß das zunächst niedergesohmolzene Metall durch elektrische ; ^A-'r Widerstandsheizung überhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Widerstandsheizung ein Koksbett ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3» 4 oder 5» daduroh gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall einer weiteren Überhitzung

7. Kupolofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, daduroh gekennzeichnet, daß der Kupolofen mit einer Mehrzahl von getrennten Verbrennungskammern (2) versehen ist, die auf seiner äußeren Fläohe angeordnet sind.

8. Kupolofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammern (2) über den Umfang des Ofens verteilt angeordnet und gleiobweit voneinander entfernt sind.

9. Kupolofen nach Anspruoh 7 oder 8, daduroh gekennzeichnet, daß der Kupolofen mit einer Mehrzahl von wassergekühlten Sauerstoffinjektoren (1*0) versehen ist, die unterhalb der Verbrennungskammern (2) angeordnet sind.

10. Kupolofen nach Anspruoh 7 oder 8, daduroh gekennzeichnet, daß er mit einer elektrischen Viderstandsbeizung (11) ausgestattet ist, die unterhalb der Verbrennungskammern angeordnet ist.

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