-
Verfahren und Vorrichtung zur Stahlerzeugung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur stahler-Erzeugung, insbesondere unter Verwendung
eines Lichtbogenofens mit ausätzlicher Verbrennung.
-
Insbesondere ist die Erfindung auf ein rasches Schmelzen von Stahl
in einem Lichtbogenofen zur Herstellung von unlegiertem Stahl und Stahllegierungen
aus einer kalten Charge von Schrott als Ausgangsmaterial gerichtet. Außerdem betrifft
die Erfindung insbesondere eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung,
welche eine ergänzte Kombination des Lichtbogenofens, in welchem zur Erzeugung des
zusätz-Sicher Schmelzens ein Ölzerstäubungsbrenner enthalten ist, und ein Abgasbes
eitigungssystem enthält.
-
Die Vorrichtung zur Stahlerzeugung kann fortlaufend betrieben werden
und weist einen hohen Wirkungsgrad über eine lange Periode hin auf mit bemerkenswert
kurzen Stillegungszeiten für die Instandhaltung.
-
In neuerer Zeit hat die Verwendung des sogenannten Ultrahochenergie-Verfahrens
(ultra-high-powered-process, U. H. P. -Verfahren) Anklang gefunden. In einigen Anwendungsfällen
wird dieses Verfahren »r zusätzlichen bzw. unterstützenden Verbrennungssystemen
verwendet, um den Wirkungsgrad der Lichtbogenöfen für die Stahlerzeugung, bei welchen
man von einer kalten Charge von beispielsweise Stahls chrott als Aus -gangsmaterial
ausgeht, zu erhöhen.
-
beim U,H,-P. -Verfahren, das infolge der Vorschläge und Veröffentlichungen
von W. E. Schwabe und anderen große Beachtung gefunden hat, wird ein Transformator
verwendet, dessen Leistungsfähigkeit um das 1, 5- bis 21-facbe dessen von herkömmlichen
Öfen der gleichen Betriebsleistung beträgt, Der Betrieb wird mit einem Kurzschlußlichtbogen
durchgeführt. Bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch noch verschiedene Schwierigkeiten.
Diese liegen in den hohen Investitionskosten bzw.
-
in den hohen Kosten für die Einrichtung und in der Begrenzung des
Platzbedarfes dort, wo eine hohe Energiezufuhr zur Verfügung steht.
-
In der Praxis haben sich die folgenden Schwierigkeiten ergeben, welche
insbesondere darauf beruhen, daß der Betrieb bei einem niedrigen Leistungsfaktor,
bei niedriger Spannung und hohem Strom durchgeführt wird.
-
1. Da bei der Durchführung des U.H. P. -Verfahrens mit hohen Strömen
gearbeitet wird, werden eine hohe Joul'sche Wärme und elektromagnetische Kraft erzeugt.
Hieraus resultiert eine beschleunigte Zerstörung der Elektrodenhalter sowie eine
Oxidation und ein Verschleiß der Elektroden. Außerdem entstehen thermische Spannungen
aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Äußeren und dem feineren der Elektroden,
woraus eine Zerstörung, beispielsweise durch Bruch, Reißen und Absplittern, der
Elektroden resultiert.
-
2. Da die elektrische Leistungsfähigkeit erhöht ist, ist die Sdimelzzett
für den Stahlschrott verringert. Hieraus resultiert eine Verringerung des Verhältnisses
der Gesamtarbeitszeit A vom Beginn bis zum Abstich (d. h. die Zeit, während welcher
die Stahlerzeugung durchgeführt wird) und der Totzeit B vom Abstich bis zum Wiederbeginn
eines neuen Stahlerzeugungsprozesses (d. h. die Zeit vom Abstich bis zur darauffolgenden
Arbeitszeit und der Zeit zum neuen Einbringen von Stahlschrott und zur Reparatur
von Teilen, wie beispielsweise der feuerfesten Wand des Lichtbogenofens). Das bedeutet,
daß die effektive Betriebsrate bzw. das praktische Verhältnis von A/(A+B) x 100
% des Ofens niedrig ist und der Wirkungsgrad der Einrichtungsinvestitition in einigen
Fällen sinkt.
-
3. Da der Abstand zwischen dem Stahlschrott und den Elektroden schwankt,
ist bei einer niedrigen Packungsdichte des Stahl schrottes im Ofen der Betrieb mit
einem kurzen Lichtbogen nachteiliger als der Betrieb mit einem langen Lichtbogen
im Hinblick auf die Verkürzung der Schmelzzeit.
-
4. Bedenklich ist auch, daß lokal infolge Schmelzens der Auskleidung
der Ofenwände eine konzentrierte Zerstörung auftritt, welche aus den energiereichen
Lichtbogen zwischen den Elektroden und dem Stahls chrott resultiert.
-
Wegen der im vorstehenden erwähnten Schwierigkeiten ist in der Praxis
der Wirkungsgrad des Ofens insgesamt verringert, insbesondere vom Gesichtspunkt
eines länger andauernden und fortlaufenden Betriebes. Insofern enthält dieses Verfahren
vhiedene Merkmale, welche in bezug auf Produktivität und Wirtschaftlichkeit keine
Vorteile bringen.
-
Andererseits ist sogenannte "Shell Toroidal"-Brenner, welcher beim
Brennstoff, Sauerstoff und Schrott (F.O.S. -Verfahren), das in England entwickelt
worden ist, verwendet wird, ein repräsentatives Beispiel für einen Hilfsbrenner
bei einem unterstützten bzw. unselbständigen Schmelzverfahren. Die Vorteile, welche
durch den Einbau eines derart igen Systems in einem Lichtbogenofen bei der Stahlerzeugung
sich ergeben, sind die folgenden: 1. Das System kann in einem bereits vorhandenen
Lichtbogenofen relativ leicht eingebaut werden.
-
2. Eine übermäßig große zusätzlich Einrichtung ist im Vergleich zum
U.H.P. -Verfahren nicht notwendig.
-
In der Praxis ergeben sich jedoch einige Schwierigkeiten,von denen
im folgenden die Hauptschwierigkeiten aufgezählt werden sollen. Darüber hinaus ist
dem Wirkungsgrad dieses Systems eine obere Grenze gesetzt.
-
Ein herkömmlicher Brenner, beispielsweise vom Typ des "Shell Toroidal"-Brenners,
wird zur Vorerhitzung und zum Schmelzen des Stahlschrottes mit Hilfe einer Hochtemperaturflamme
verwendet. In einem geschlossenen Ofen, beispielsweise einem Lichtbogenofen, ist
jedoch keine Verbrennungskammer vorgesehen; und es ist schwierig, eine große Menge
an Brennstoff zu verwenden. Folgich ist es notwendig, eine kurze Flamme zu erzeugen.
Es wurden hierzu entsprechende Vorrichtungen vorgesehen, wobei sich jedoch noch
die folgenden Probleme ergaben: 1. Ein niedriger thermischer Wirkungsgrad Im "Shell
Toroidal"-Brenner, in welchem mit Hilfe von reinem Sauerstoff der Brennstoff zerstäubt
wird, erhält man eine theoretische Verbrennungstemperatur von etwa 2.8000 C. Andererseits
wächst in einem Bereich mit hoher Temperatur der Dissoziationskoeffizient von C02
und H2O. Die dadurch gebundene Wärme wird sogar höher als 50 %.
-
Die Durchschnlttstemperatur des Stahlschrottes ist in der Zeitfolge
natürlich niedrig und wenn die Verbrennungsgase das zu erhitzende Material berühren,
erfolgt eine Verbrennung an der äußeren Oberfläche, wobei etne Rekombination in
Erscheinung tritt. Demzufolge wird Reaktionswärme erzeugt. Unter Ausnützung dieser
Eigenschaft ist eine rasche Erhitzung möglich. Wenn jedoch bei der Handhabung des
Brenners ein Fehler unterläuft, erhöht sich die gebundene bzw.
-
latente Wärme im Abgas, woraus ein starkes Absinken des thermischen
Wirkungsgrades resultiert. Hieraus ist zu ersehen, daß während der Anfangszeit,
während der die kalte Charge im Ofen angeordnet worden ist, das Verfahren relativ
wirkungsvoll sich erweist.
-
Der thermische Wirkungsgrad verringert sich jedoch mit der Temperatur,
auf welche das Material erhitzt wird.
-
2. Begrenzung der Anwendungszeit Solange der Stahls chrott mit einer
geeigneten Packungsdichte im Ofen vorhanden ist, verteilt sich die vom Brenner gelieferte
Flamme in geeigneter Weise innerhalb des durch die einzelnen Stahlschrottteile gebildeten
Körpers. Wenn jedoch die geschmolzene Stahlmenge ansteigt, erhöht sich auch die
Dichte des erhitzten Materials, wodurch die Oberfläche dieses Materials geringer
wird. Hieraus resultiert eine Verringerung des Wärmeabs orptionskoeffiz ienten und
gleichzeitig wächst die Temperatur des Abgases. Demzufolge erhält man einen vernünftigen
Wirkungsgrad nur im ersten Teil des Schmelzverfahrens, während im letzten Teil des
Schmelzverfahrens der Wirkungsgrad stark absinkt.
-
3. Hohe Beschädigung der Ofeneinrichtungen An der Brenneraustrittsöffnung
und an den Teilen, welche mit der Flamme in Berührung kommen, treten schwerwiegende
lokale Schmelzbes chädigungen auf. Gleichzeitig ergibt sich aufgrund des übermäßigen
Temperaturanstieges der Atmosphäre im Ofen eine beschleunigte Schmelzzerstörung
der Ofenauskleidung. Hierdurch erhöht sich der Bedarf an Auskleidungssteinen, was
wirtschaftliche Nachteile nach sich zieht. Andererseits ergibt sich aus dem Anwachsen
der Abgastemperatur ein Anwachsen der Temperatur des Kühlwassers des Ofenkörpers,
woraus hinwiederum schwierlgkaten für das Kühlwasserleitungssystem entstehen. Ferner
entstehen Schwierigkeiten am Staubabscheider, wie beispielsweise Riß des Sackfilters
und damit eine mangelhafte Absaugwirkung. Hieraus resultiert eine wachsende Zerstörung
der Zubehörteile des Staubabscheiders.
-
4. Schwierigkeiten bei der Wartung, da der Brennermechanismus und
die gesamte Apparatur einen komplizierten Aufbau aufweisen.
-
In solchen Brennern, in welchen der Brennstoff durch direktes Zerstäuben
mit reinem Sauerstoff verbrannt wird, entstehen Beschädigungen am Bearbeitungsende
aufgrund von Flammenrückschlag bei hoher Temperatur. Falls zur Verhinderung von
Flammenriickschlag innerhalb des Brennerzylinders spezielle Vorkehrungen, wie beispielsweise
eine Sicherheitseinrichtung, vorgesehen sind, ergibt sich ein komplizierter Aufbau
an der Brennerspitze wegen einer ringförmigen Krümmung und einer Einstelleinrichtung
zur proportionalen Steuerung des Brennstoff-Luftverhältnisses. Die gesamte Brennereinrichtung
wird hierdurch kompliziert und aufwendig in der Herstellung und ist schwierig zu
warten.
-
Aufgrund der vorstehenden Probleme 1 und 2 ist die bei diesen Verfahren
erzeugte Ausgangsleistung größenordnungsmäßig auf 20 % der totalen Eingangsleistung
des Lichtbogenofens begrenzt vom Betriebs- und Wirtschaftlichkeitsstandpunkt aus
gesehen, obgleich dies vom Wirkungsgrad des Brenners und dem Preis der elektrischen
Energie des Sauerstoffes und des Brennstoffes noch abhängt.
-
Aufgrund der vorstehenden Probleme 3 und 4 ergeben sich Schwierigkeiten
bei der Wartung und Instandhaltung des Ofens.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die im vorstehenden beschriebenen Nachteile
zu vermeiden und bei einem Hochleistungsverfahren, welches in Verbindung mit einem
Lichtbogenofen und einem zusätzlichen Verbrennungsverfahren, insbesondere unter
Verwendung eines "hell Toroidal"-Brenners,durchgeführt wird, einen kontinuierlichen
Betrieb mit hohem Wirkungsgrad zu erzielen, der mit hoher Stabilität und Produktivität
über eine lange Periode hin anwendbar ist.
-
Diese Aufgabe wird zum einen durch das Verfahren gemäß Anspruch 1
und zum anderen durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Während bei der Erfindung ein spezieller Ölbrenner mit einer Zerstäubung
durch Sauerstoff (im folgenden als Sauerstoffzerstäubungsbrenner bezeichnet) in
einem Lichtbogenofen zur Anwendung kommt, um gewöhnlichen unlegierten Stahl oder
legierten Stahl aus einer kalten Charge von Stahlschrott als Ausgangsmaterial herzustellen,
ist das Prinzip der Erfindung nicht nur darin zu sehen, daß eine hohe Energie mit
Hilfe eines speziellen Brenners zusätzlich zur elektrischen Energie eingebracht
wird, sondern daß umfassende technische Maßnahmen vorgesehen werden, welche insbesondere
die Verwendung von Ofenwänden mit kohlenstoffhaltigen Steinen und einer Wasserkühlung
zur Verhinderung von Schmelzschäden an den feuerbeständigen Wandauskleidungen des
elektrischen Lichtbogenofens umfassen. Außerdem ist eine Ofenabdeckung mit einem
Kühlwasserring zur Steigerung der Lebensdauer vorgesehen. Ferner ist ein Abgasbeseltigungssystem
zur Aufrechterhaltung eines Betriebes mit hohem Wirkungsgrad und eine ergänzte bzw.
vereinheitlichte Organisation der einzelnen Vorrichtungen vorgesehen.
-
Die Erfindung wird im wesentlichen darin gesehen, daß ein Verfahren
zur Erzeugung von Stahl gezeigt wird, bei dem ein Lichtbogenofen zur Erzeugung von
unlegiertem Stahl und von legiertem Stahl aus einer kalten Charge von Stahlschrott
als Ausgangsmateri al, welches sich im Lichtbogenofen befindet, zur Anwendung kommt.
Bei diesem Verfahren wird Ö1 als Brennstoff und Sauerstoff in das Ofeninnere durch
einen Sauerstoffzerstäubungsbrenner, der mit einem bestimmten Winkel in der Ofenwand
angeordnet ist, eingebracht. Beim Verbrennen des Brennstoffes wird der Lichtbogen
beim raschen Schmelzen des Ausgangsmaterials unterstützt und gleichzeitig wird Abgas
aus dem Ofeninneren
mit Hilfe von Abgasbeseitigungsmitteln abgezogen,
so daß das Ofeninnere unter einem Unterdruck steht, wodurch von außerhalb des Ofens
her Zweitluft in das Ofeninnere gebracht wird, wodurch der Wirkungsgrad der Ofenverbrennung
ansteigt.
-
Ferner sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stahl
vor unter Verwendung eines Lichtbogenofens zur Erzeugung von gewöhnlichem Stahl
und legiertem Stahl aus einer kalten Charge von Stahlschrott als Ausgangsmaterial.
Bei dieser Vorrichtung sind Abgasbeseitigungsmittel zum Entfernen von Abgas und
Staub aus dem Ofeninneren vorgesehen, so daß gleichzeitig ein Unterdruck im Ofeninneren
entsteht.
-
Der Lichtbogenofen ist hierzu gekennzeichnet durch: 1. eine Ofenwand
bzw. Ofenauskleidung, welche knapp oberhalb der Schlackenlinie innerhalb des Ofens
aus kohlenstoffhaltigen Steinen gebildet ist, sowie wassergekühlten Behältern, welche
in die Wand eingebettet sind; 2. eine Ofenabdeckung mit einem äußeren peripherischen
Teil aus stahlgepanzerten Magnesit-Chrom-Ziegelsteinen, ein Mittelstück um die Elektrodeneins
chuböffnungen, welches mit einer hochtonerdehaltigen gestampften Masse versehen
ist, einen um eine Abgasöffnung angeordneten Teil mit einem wassergekühlten Ring
und einer hochtonerdehaltigen gestampften Masse und 3. mehrere Sauerstoffzerstäubungsbrenner,
welcher mit einer spezifischen Orientierung in der Ofenwand angeordnet und in das
Brennerinnere eingeffihrt sind und welche mit Düsen versehen sind zum Aus -stoßen
von Sauerstoff und Brennstoff, um eine Verbrennungsflamme zu erzeugen, welche in
das Ofeninnere eingebracht wird und mit Wasserkühimitteln an dem Teil des Brenners,
der durch die Ofenwand eingesteckt ist, wobei der Teil der Ofenwand um die Wasserkühlungsmittel
mit Ofenziegelsteinen umgeben ist.
-
Bei der Erfindung wird eine kalte Charge aus Stahlschrott in einem
Lichtbogenofen geschmolzen, der mit speziellen Sauerstoffzers täubungs -brennern
ausgestattet ist, wodurch ein rasches Schmelzen gefördert wird. Das Innere des Ofens
wird unter Unterdruck gehalten mit Hilfe einer Ab gasbes e itigungse inrichtung
und F iltrationsmitteln, wodurch Zweitluft von der Außenatmosphäre in das Ofeninnere
eingebracht wird und darüber hinaus die Verbrennungsleistung des Brenners erhöht
ist.
-
Der Lichtbogenofen ist mit Wasserkühlungseinrichtungen versehen, welche
einen wassergekühlten Ring, kohlenstoffhaltige Ziegelsteine, hochtonerdehaltige
gestampfte Massen und Brennerziegeln in Teilen der Ofenwand und der Ofenabdeckung,
insbesondere an den Wandteilen, wo die Brenner befestigt sind, in dem Wandbereich
oberhalb der Schlackenlinie und in dem Ofenabdeckungsbereich, wo der Abgas -auslaß
eingeformt ist, enthalten.
-
Die Ausgangsleistung ist durch einer einheitlichen Schmelzmechanismus
erhöht. Durch das Einbringen von Sauerstoff und Ö1 mit Hilfe von konstruktionsmäßig
verbesserten Brennern und durch Verbesserungen an den Teilen, an denen die Brenner
befestigt sind, werden insbesondere Schwierigkeiten hinsichtlich der Wartung und
Instandhaltung überwunden.
-
In den beiliegenden Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
dargestellt. Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Zdiesen Figuren sind durchwegs für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung die wesentlichen Teile und die Anordnung
eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Erzeugung von Stahl gemäß der
Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht,in Längsrichtung geschnitten,eines
Sauerstoff-Ölbrenners, der bei der Erfindung zur Anwendung kommt; Fig. 3 eine relativ
vergrößerte Seitenansicht, in Längsrichtung geschnitten, für ein Ausführungsbeispiel
einer Düse, welche Teil des in Fig. 2 gezeigten Brenners ist; Fig. 4 in vereinfachter
Darstellung die Anordnung und die Orientierung der eingebauten Sauerstoff-Ölbrenner
im Lichtbogenofen; Fig. 5 den Einbauwinkel eines Brenners relativ zur Horizontalen;
Fig. 6 in vergrößerter Ansicht Teile des Sauerstoff-Ölbrenners, die im Ofen befestigt
sind; Fig. 7 in senkrecht geschnittener Ansicht die Konstruktion der Ofenauskleidung
bzw. der Ofenwand; Fig. 8 einen vertikalen Schnitt durch die Ofenabdeckung; Fig.
9 eine Draufsicht einer Hälfte der Ofenabdeckung der Fig. 8; Fig. 10 eine teilweise
Draufsicht eines Abgasauslasses in der Ofenabdeckung; Fig. 11 eine Teilansicht in
senkrechtem Schnitt eines Abgasauslasses gemäß Fig. 10 und
Fig.
12 ein Betriebsschema bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
-
Das in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält
im wesentlichen einen Lichtbogenofen 1 mit einer Ofenwand 2 und einer Ofenabdeckung
4 sowie mehreren Sauerstoff-Ölbrennern 3, welche in der Ofenwand 2 angeordnet sind.
Außerdem ist ein Abgasbeseitigungssystem vorgesehen, das ein Absaugbogenrohr 6 aufweist,
welches mit der Ofenabdeckung 4 verbunden ist. Ferner enthält das Abgasbeseitigungssystem
noch einen wassergekühlten Kanal 7, der mit dem äußeren Ende des Absaugbogenrohres
6 verbunden ist, eine Rauchkammer 8, welche mit ihrem oberen Teil mit dem anderen
Ende des Kanales 7 verbunden ist, einen Gaskühlturm 10, ein wassergekühltes Rohr
9, welches den oberen Teil des Gaskühlturmes 10 mit dem unteren Teil der Rauchkammer
8 verbindet, eine Ausströmleitung 11 für das Abgas, welche mit dem einen Ende mit
dem unteren Teil des Gaskühlturmes 10 verbunden ist, ein Abgasgebläse 5, welches
mit dem anderen Ende der Ausströmleitung 11 verbunden ist und die Abgase durch die
Ofenabdekkung 4 und durch die im vorstehenden genannten Teile des Abgasbeseitigungssystems
abzieht. Ferner ist ein Sackfilter 12 vorgesehen, durch welches die abgezogenen
Abgase zur Filtration hindurchgeleitet werden und dann an die Atmosphäre abgegeben
werden.
-
Die einzelnen Baukomponenten, aus denen die Vorrichtung zur Erzeugung
von Stahl zusammengesetzt ist, sollen im folgenden im einzelnen beschrieben werden:
1. Sauerstoffzerstäubungsbrenner Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind spezielle
Sauerstoffzerstäubungsbrenner 3 im Lichtbogenofen l befestigt, wodurch ein rasches
Schmelzen
des Stahlschrottes gewährleistet ist. Die Wirkungsweise dieser Brenner beim Schmelzen
des Stahlschrottes unterscheidet sich grundsätzlich von der herkömmlicher Brenner
einer herkömmlichen zusätzlichen Schmelzeinrichtung, bei der mit Hilfe einer Hochtemperatur-Flamme
die kalte Charge, wie beispielsweise Stahlschrott, erhitzt und geschmolzen wird.
-
Die Wirkungsweise der speziellen Brenner, welche bei der Erfindung
zur Anwendung kommen, sind zum einen in der Erhitzung der kalten Charge, wie beispielsweise
Stahlschrott, auf Rotglut durch die Verbrennung des Brennstoffes zu sehen und im
Einbringen einer großen Menge von noch nicht reagiertem Sauerstoff in Form eines
Strahles von hoher Geschwindigkeit (etwa 80 m/sec), wobei der Stahlschrott rasch
und direkt geschmolzen wird. Zum zweiten wird mit dem brennbaren Material (d.h.
mit dem Ö1, das am Stahlschrott haftet) eine wirkungsvolle Oxidation bewirkt. Das
brennbare Material wurde gleichzeitig mit dem Stahlschrott in den Ofen eingebracht.
Die hieraus resultierende Hitze wirkt auf die kalte Charge des Stahlschrottes ein.
-
1-1. Brennermechanismus Jeder der Sauerstoffzerstäubungsbrenner besitzt
einen noch weiter unten näher beschriebenen Aufbau. Ein gemischter Gasstrom, welcher
aus der Zerstäubung von Ö1 mit Luft resultiert, wird durch die Mitte des Arbeitsendes
eines Brennerzylinders ausgestoßen. Eine große Menge an Sauerstoff wird mit hoher
Geschwindigkeit um diesen mittleren Strom, diesen umfassend, ebenfalls ausgestoßen.
Bei diesem Vorgang beschreibt die Luft, welche zur Zerstäubung des Öls bzw. des
Brennstoffes dient, eine spiralförmige Bewegung, die von einer spiralförmigen Steuerfläche,
welche innerhalb des Brennerzylinders angeordnet ist, hervorgerufen wird. Außerdem
erfolgt eine gründliche Durchmischung
des Treibstoffes bzw. Öles
mit Luft durch den Umlauf eines Propellers in einer Mischkammer. Eine Rotationsbewegung
wird dem strömenden Gemisch noch aufgeprägt. Damit das strömende Gemisch eine hohe
Geschwindigkeit erhält, ist eine konische Einschnürung vorgesehen. Das Gemisch wird
durch eine Einspritzöffnung ausgestoßen, so daß man einen stabförmigen Strahl erhält.
Dieser Strahl legt eine bestimmte Strecke zurück, auf welcher er sich nicht in seine
Umgebung verteilt. Auf dieser Strecke ist der Strahl vom Sauerstoff umgeben, der
durch wenigstens drei andere Einspritzöffnungen mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen
wird. Demzufolge nehmen diese Strahlen eine lange gebündelte Gestalt an und sie
können mit hoher Geschwindigkeit und konzentriert auf einen einzelnen bestimmten
Punkt gerichtet werden.
-
Hierdurch wird das Schneiden und Schmelzen des Stahlschrottes gefördert.
-
1-2. Brennerkonstruktion Ein Ausführungsbeispiel eines Brenners ist
in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
-
Der Sauerstoffzerstäubungsbrenner 3 besitzt einen Kühlzylinder 15,
welcher ein äußeres Gehäuse bildet. In diesem Kühlzylinder kann kühlendes Wasser
durch eine Zuführleitung 13 eingebracht werden. Ferner ist eine Ausflußleitung 14
vorgesehen, durch welche das Kühlwasser wieder abfließt. In diesem Kühlzylinder
erstreckt sich in Längsrichtung ein Brennerzylinder 16, der geeignet ist, Brennstoff
bzw. Ö1 und Luft miteinander zu mischen und diese Mischung auszustoßen. Mehrere
(im Ausführungsbeispiel sind es drei) Sauerstoffzufiihrleitungen 17 sind im Kühlzylinder
um den Brennerzylinder 16 herum angeordnet.
-
Der Brennerzylinder 16 weist an seinem rückwärtigen Teil eine Querwand
18 auf. Durch diese Querwand 18 und entlang der Mittellinie des Brennerzylinders
16 erstreckt sich eine relativ dünne Brennstoffzuführleitung 19, beispielsweise
für Öl. Diese Brennstoffzuführleitung erstreckt sich von der Querwand 18 bis zum
vorderen Ende bzw. zum Arbeitsende des Brennerzylinders. In den Fig. 2 und 3 erstreckt
sich diese Leitung von links nach rechts. Der Raum zwischen dem Brennerzylinder
16 und der Brennstoffzuführleitung 19 bildet einen Kanal für Luft, weller durch
eine Luftzuführungsleitung 20 mit Luft versorgt wird. Diese Luftzuführungsleitung
ist mit dem Brennerzylinder 16 am rückwärtigen Teil des Luftkanales verbunden. Eine
spiralförmige Steuerfläche 21 in Form einer Förderschnecke ist um die Brennstoffzuführleitung
19 gewunden.
-
Sie erstreckt sich von der Verbindungsstelle der Luftzuführungsleitung
20 zum vorderen Ende der Brennstoffzuführleitung.
-
Vor dem vorderen offenen Ende der Brennstoffzuführleitung 19 befindet
sich eine Rühreinrichtung 22 in Form eines Propellers, um Luft und Brennstoff miteinander
zu vermischen. Die Rühreinrichtung 22 ist an einer Welle 25, welche koaxial zur
Brennstoffzuführleitung 19 verläuft, gelagert. Die Welle ist drehbar in Lagern 23
und 24, welche an der Innenwand des Brennzylindersl6 befestigt sind, gelagert. Die
Rühreinrichtung wird durch den Brennstoff- und Luftstrom in Drehbewegung versetzt.
-
Das vordere Ausstoßende des Brennerzylinders 16 verjüngt sich zu einer
Düsenöffnung 26. Die Austrittsdüsen der Sauerstoffzuführleitungen 17 sind so gerichtet,
daß ihre Achsen bzw. ihre Fließrichtungen die Achse bzw. Fließrichtung der Düsenöffnung
26 vor der Düsenöffnung 26 bzw.
-
in Fließrichtung gesehen abwärts von der Düsenöffnung schneiden.
-
Bei dem vorbeschriebenen Brenner 3 wird der Brennstoff bzw. das Öl
durch die Bren4°ihrleitung 19 und die Luft durch die Luftzuführungsleitung 20 geliefert.
Durch die Wirkung der spiralförmigen Steuerfläche 21 innerhalb des Brennerzylinders
16 wird die Luft als verwirbelter Strom in Richtung auf das vordere Ende der Brennstoffzuführleitung
19 zu bewegt. Unter dem Einfluß des kombinierten Stromes aus Brennstoff und Luft
dreht sich die Rtiiireinrichtung bzw. Drehflügeleinrichtung 22. Hierdurch werden
der Brennstoff und die Luft miteinander vermischt und in geradliniger Form durch
die Düsenöffnung 26 ausgestoßen. Gleichzeitig wird der Sauerstoff aus der Sauerstoffzuführleitung
17 in der Weise aus -gestoßen, daß er den Strahl des Brennstoff-Luftgemisches umfaßt
bis er diesen Strahl in einem Bereich schneidet, wo die Verbrennung unter Erzeugung
der Maximaltemperatur stattfindet.
-
1-3. Anzahl und Positionierung der Brenner Die Sauerstoffzerstäubungsbrenner
3 sind an kalten Stellen der Ofenwand 2 des Lichtbogenofens untergebracht, wie das
aus den Fig. 4 und 5 zu ersehen ist. Es ist dabei Wert gelegt auf die Höhe und den
Winkel (in bezug auf die Horizontale), so daß ein maximales Schneiden durch Schmelzen
und Schmelzen der kalten Charge des Stahlschrottes und dgl., welcher sich im Ofen
befindet, erzielt wird. Jeder Brenner ist so in den Ofen eingeschoben und so ausgerichtet,
daß die Verlängerung der Mittellinie des Brennerzylinders sich nicht mit Elektroden
27 schneidet, sondern zu diesen einen Abstand aufweist. Diese Mittellinien der Brennerzylinder
schneiden die Ebene der Schlackenlinie nahe der vertikalen Mittellinie des Ofens.
-
Bei einem 50-Tonnen-Lichtbogenofen beispielsweise sind diese Brenner
3 in der Ofenwand an Stellen angeordnet, welche etwa 600 - 1.000 mm über der Schlackenlinie
liegen. Ihre Spitzen schließen dabei gegenüber
der Horizontalen
einen Winkel von etwa 200 ein. Die Brenner sind dabei so ausgerichtet, daß ihre
Längsrichtungen die Elektroden nicht schneiden. Die Anzahl der Brenner ist aufgrund
solcher Faktoren, wie beispielsweise der Ofengröße, ausgewählt. Die Fig. 4 und 5
zeigen die Positionierung und die Anzahl von Sauerstoffzerstäubungsbrennern, welche
in einem 50 -Tonnen -Lichtbogenofen installiert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel
schneiden die Verlängerungen der Mittellinien der Brenner die Schlackenlinie in
der Nähe der vertikalen Mittellinie des Ofens.
-
Das vordere Ende eines jeden Brenners, der im Lichtbogenofen eingebaut
ist, ist so ausgestattet, daß er nicht nur aufgrund seiner Hochtemperaturflamme
erhitzt, sondern es ergibt sich auch eine Erhitzung aufgrund der vom innerhalb des
Ofens befindlichen Brennmaterial zurückgeworfenen Flamme und aufgrund der Wärmestrahlung
des geschmolzenen Stahles. Hieraus resultiert die Gefahr einer erhöhten Oxydation
und Zerstörung des Brenners. Diese Zerstörungsgefahr ist nicht nur auf das vordere
Ende eines jeden Hochtemperaturbrenners begrenzt, sondern kann in gleicher Weise
auch in der Ofenwand in der Nähe eines jeden Brenners auftreten.
-
Eine derartige Zerstörung kann sehr häufig auftreten.
-
Bei den bekannten Öfen muß der Brennerbetrieb nicht nur dann gestoppt
werden, wenn das vordere Ende des Brennerzylinders zerstört ist, sondern auch wenn
die Ofenwand zerstört ist. Aufgrund der häufigen Unterbrechung des Ofenbetriebes
wegen der vorstehend genannten Gründe wird der Wirkungsgrad bei der Stahlerzeugung
g mmdert erheblich was sich auch in erhöhten Herstellungskosten auswirkt.
-
Während man nun einen zerstörten Brennerzylinder ersetzen kann, muß
jedesmal der zerstörte Teil der Ofenwand repariert werden.
-
Da bei diesen Reparaturarbeiten darüber hinaus beachtet werden muß,
daß auch eine Einstecköffnung in der Brennerwand eingeformt wird, ist es notwendig,
teures Material, wie beispielsweise feuerfestes Material mit einer bestimmten Form,zu
verwenden. Man benötigt hierzu Brennerz iegelste ine, welche mit feuerfestem Material
unbestimmter Form, beispielsweise gießfähigen feuerbeständigen Materialien, gefüllt
sind. Auch hierdurch werden die Herstellungskosten erhöht.
-
Eine weitere Schwierigkeit bei einer herkömmlichen Vorrichtung besteht
darin, daß Hitze und Lärm aus dem Ofeninneren zwischen Spalten, die zwischen dem
den Brenner umfassenden Teil und der Innenfläche derBrennereinschuböffnung hindurchdringen,
nach außen gelangen. Die Arbeitsbedingungen werden hierdurch stark beeinträchtigt.
-
1-4. Brennerbefestigungsteile Bei der Erfindung werden diese vorstehenden
Schwierigkeiten überwunden, indem man verbesserte Befestigungsteile für die Brenner
vorsieht. Der Konstruktionsteil um die Öffnungen, durch welche die Brenner in den
Ofen eingesteckt sind und welcher der stark oxidierenden Flamme bei hoher Temperatur
ausgesetzt ist, ist am meisten der Gefahr ausgesetzt, durch Hitze zerstört zu werden.
Dieser Bauteil ist aus einem Material hergestellt, das eine hohe Widerstandsfestigkeit
gegenüber Oxidation und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es eignet sich hierzu
beispielsweise reines Kupfer. Außerdem hat dieses Metall einen Schmelzpunkt von
über loooOC und wird anstelle der feuerfesten Materialien verwendet. Außerdem sind
die Brennerumhüllungen aus Metall, wie beispielsweise Stahl, gefertigt, das eine
gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und gegenüber Oxidation
widerstandsfähig
ist sowie auch bei hohen Temperaturen die notwendige Festigkeit aufweist. Außerdem
ist dieses Metall, welches die aus Kupfer und dgl. bestehenden Brennerfassungen
umgeben, relativ billig. Ferner ist eine Abdichteinrichtung vorgesehen, welche im
wesentlichen als Stahlplatte ausgebildet ist, die unter der Kraft einer Feder steht,
welche auf die Platte drückt und zwischen jedem Brennerkörper und der entsprechenden
Brennerfassung zur vollständigen Abdichtung des dazwischen befindlichen Spaltes
dient. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur 6 dargestellt, welches im folgenden
beschrieben wird.
-
Die Brennerwand 2 ist an den Teilen, welche zum Einschieben der Sauerstoffzerstäubungsbrenner
3 bestimmt sind, jeweils mit einer inneren und äußeren Fassung 30 und 31 versehen,
die mit (KUM) wasser gefüllt sind. Die innere mit Wasser gefüllte Fassung 30 besitzt
eine hohlzylindrische Form mit einer Mittelbohrung 32 zum Einsetzen des vorderen
Endes bzw. des Arbeitsendes des Brenners 3 und ist aus Metall, wie beispielsweise
reinem Kupfer, gefertigt.
-
Die Fassung ist daher gegen Oxidation beständig und weist dne hohe
Wärmeleitfähigkeit auf. Der Schmelzpunkt liegt über 1000°C. Die innere wassergeftillte
Fassung 30 ist mit einem Kühlwassereiniaß undauslaß34 und 33 versehen.
-
Die äußere mit Wasser gefüllte Fassung 31 ist aus einfach bearbeitbarem
Eisen hergestellt und trägt die innere Fassung 30 in der Ofenwand 2. Die äußere
Fassung 31 ist mit einem Kühlwassereinlaß und -auslaß 36 und 35 versehen. Sie dient
zur Kühlung des inneren Endes der inneren Fassung 30 und zur Kühlung des Wandbereiches
2, welcher um die Brennereinschubbohrung 32 angeordnet ist.
-
Der Sauerstoffzerstäubungsbrenner 3 ist ferner mit einem beweglichen
Gestell
versehen, das jedoch in den Figuren nicht näher dargestellt ist. Dieses kann frei
nach vorne und nach rückwärts bewegt werden, wozu ein geeigneter Antriebsmechanismus
vorgesehen ist. Für die Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen dienen ein Motor und zugeordnete
Teile. Der Brenner 3 ist ferner mit einem festen Flansch 37 an seinem rückwärtigen
Teil ausgestattet. Eine bewegliche ringförmige Abdichtplatte 38 ist verschiebbar
um den Brenner herum angeordnet und gegen den festen Flansch 37 abgestützt. Die
Abstützung der Abdichtplatte 38 gegenüber dem festen Flansch 37 erfolgt mit Hilfe
einer Spiralfeder 39, welche dazwischen und um den Brenner 3 herum angeordnet ist.
Sie kann zurückgezogen werden, wobei sie jedoch für eine Verschiebebewegung in Vorwärtsrichtung
weiterhin eine elastische Kraft aufrechterhält. Dies ist dann der Fall, wenn beispielsweise
vom vorderen Ende des Brenners her auf die Feder eine Druckkraft ausgeübt wird.
-
Der Sauerstoffzerstäubungsbrenner 3 wird mit seinen zugeordneten im
vorstehenden beschriebenen Teilen in folgender Weise in die Betriebsstellung gebracht.
Der nach vorne bewegte Brenner wird mit seinem vorderen Ende in die Brennereinschubbohrung
32 eingesteckt.
-
Bei anwachsender Einschublänge wird die Abdichtplatte 38, welche am
äußeren Ende der inneren mit Wasser gefüllten Fassung 30 anschlägt, gestoppt. Diese
Platte wird mit wachsender Kraft gegen die äußere Endfläche der inneren Fassung
3Q angedrückt. Hierdurch wird der Spalt zwischen dem Brenner 3 und der inneren Fassung
30 abgedichtet. Diese Betriebslage ist in der Figur 6 mit strichpunktierten Linien
angedeutet.
-
Wenn si ch der Brenner in der Betriebsstellung befindet wird vom vorderen
Ende des Brenners 3 eine Flamme in das Ofeninnere eingebracht. Demzufolge ist das
vordere Ende des Brenners 3 einer hohen
Erhitzung ausgesetzt. Diese
resultiert nicht nur allein aus der Heizwirkung des Brenners selbst, sondern auch
durch die vom im Ofen befindlichen Brennmaterial zurückgeworfene Hitze und aus der
Hitze, welche durch die Strahlung des geschmolzenen Stahles sich ergibt.
-
Aufgrund der dargestellten Konstruktion erfolgt jedoch eine Kühlung,
welche durch das Kühlwasser, welches durch die innere Fassung 30 fließt, hervorgerufen
wird. Außerdem wird die innere Fassung 30 und der Teil der Ofenwand 2, welche die
Brennerbefestigungsteile umgeben, durch Kühlwasser gekühlt, welches durch die äußere
Fassung 31 hindurchfließt. Die entsprechenden Teile des Brenners 3 und die den Brenner
umgebenden Teile der Ofenwand 2, welche einer hohen Erhitzung ausgesetzt sind, werden
daher in verstärktem Maße gekühlt und in einem sicheren Betriebszustand gehalten.
-
Ein weiteres Sicherheitsmerkmal der im vorstehenden beschriebenen
Brennerbefestigung wird darin gesehen, daß der Spalt zwischen der inneren Fassung
30 und dem Brenner 3 an der Brennereinschubbohrung 32 durch die Abdichtplatte 38
dicht verschlossen ist. Hierdurch wird verhindert, daß Feuer und Hitze aus dem Ofeninneren
nach außen dringt. Auch erfolgt kein Lärmaustritt aus dem Ofeninneren.
-
1-5. Brenneraufbau und andere Einzelheiten Nachdem der Sauerstoffzerstäubungsbrenner
3 in Betriebsstellung in den Lichtbogenofen eingebracht ist, können beispielsweise
folgende Standard- und Maximal mengen an Brennstoff- bzw. Ölverbrauch, an Sauerstoffbedarf
und Luft zur Erzeugung einer Tonne geschmolzenen Stahls mit hoher Wirksamkeit eingesetzt
werden, wie sie in der folgenden Tabelle 1 angegeben sind.
-
TABELLE 1 Verbrauch an Ö1, Sauerstoff und Luft in einem Lichtbogenofen
mit Sauerstoffzerstäubungsbrennern.
-
Verbrauchtes Standard -Verbrauch Maximaler Material Verbrauch Öl 6.0
l/t 8.0 l/t Sauerstoff 35 Nm3/t 55 Nm3/t (28 Nm3/t f.d.Brenner (42 Nm3/t f.d.Brenner
Luft 2.0Nm3/t) 2.5 Nm3/t) In der Tabelle 2 sind im einzelnen Werte angegeben bei
einem Betrieb eines Lichtbogenofens mit 50 Tonnen Nominalkapazität, bei welchem
Sauerstoffzerstänbungsbrenner zum Einsatz gekommen sind. Die Einzelheiten des kerstoffzerstäubungsbrenners
sind in der Tabelle 3 dargestellt.
-
Tabelle 2
| a> 9 |
| n |
| 0 0 |
| = |
| 0 0 u m |
| 0 ,8 0 |
| = L 0> 0> |
| .bo 0 0 0 |
| c: - N N= = = |
| 0> 0 |
| m 0> 0> 0> Z |
| 0> |
| - -- - 0> 5 |
| 0> = 0> bO 0> N i m 0> 0> |
| c: - 0> 0 - 0 0> 0> > 0> |
| 0> 0> = =bo c: |
| N 0> » E 0> v tia 0> |
| --0> s |
| 0 0> 0> - = 0> |
| Co 0> :0 w |
| 1 2398 6014 45 14 8 007 52,300 49,260 291 5.9 j2D40 41.4 17,700
359 |
| 2 2399 7021 46 13 6 1°05 j 52,580 49,460 268 5.4 020 40.8 16,000
335 |
| 3 2400 8026 48 13 6 1°07 53,200 48,280 272 5.6 180 45.0 16,300
337 |
| 4 2401 9033 50 12 7 1°09 52,640 47,020 287 6.1 2080 44.2!15,900
338 |
| 5 2402 10042 47 11 8 1°06 53,460 47,920 278 5.8 850 38.6 16,400
344 |
| 6 2403 11°48 50 13 6 1°09 52,935 49,460 273 5.5 130 43.1 17,100
346 |
| 7 2404 12057 48 12 6 1006 52,820 47,130 277 5.9 110 44.8 16,600
352 |
| 8 2405 14003 48 14 8 1°10 53,100 49,180 291 5.9 290 46.6 16,600
337 |
| 9 2406 15013 51 10 6 1007 52,580 49,080 311 6.3 270 46.3 17,200
350 |
| wo 2407 16020 43 12 7 1°02 52,510 48,130 310 6.4 280 47.4 15,100
314 |
| 11 2408 17022 48 12 5 1°05 52,660 47,500 308 6.5 210 46.5 16,200
341 |
| 12 2409 18027 46 13 7 1°06 52,760 50,080 338-6.8 300 45.9 16,300
326 |
| 13 2410 19033 43 10 7 1000 51,180 48,100 312 6.5 2020 42.0
14,700 306 |
| 14 2411 20033 47 11 6 1004 52,540 49,520 312 6.3 2250 45.4
15,500 313 |
| 15 2412 21037 52 13 6 1011 52,120 49,390 295 6.0 270 46.0 16,400
332 |
| 16 2413 22048 47 15 6 1008 52,580 49,790 252 5.1 200 44.2 16,600
333 |
| 17 2414 23055 49 12 6 1007 52,640 49,480 296 6.0 350 47.5 16,100
325 |
| 18 2415 1004 50 13 6 1009 51,960 47,490 265 5.6 260 47.6 16,200
341 |
| 19 2416 2012 48 14 6 1008 52,200 48,580 277 5.7 380 49.0 16,200
334 |
| 20 2417 3017 47 12 6 1005 51,940 47,350 280 5.9 2je00 48.6
16,200 343 |
| 0 |
| 21 2418 4026 51 12 6 1 09 | 52,420 48,680 295 6.1 360 48.5
16,400 338 |
| 22 2419 5036 52 11 7 1010 152,280 48,670 296 6.1 2320 47.7
15,300 315 |
| Durchschnitt 48 12 6 1 07 , ,> 290 (>.0 2191 f-0 2191
45.1 16,250 335 |
TABELLE 3 Einzelheiten des Sauerstoffzers täubungsbrenners Brennerdaten
Zahlenwerte Abmessungen des Brennerkörpers Länge des Brennerzylinders 650 mm Außendurchmesser
d. Brennerzylin- 665 mm ders Durchmesser d. Ölzuführungsleitung 10 mm Durchmesser
d. Sauerstoffzufüh- 5 mm rungsleitung Verwendete Stoffe Öl als Brennerstoff Max.
500 1/her. ( 2 kg/cm2) Sauerstoff Max. 1.000Nm3/hr.
-
7 kg/cm2) Luft Max. 150 Nm/hr.( 4kg/cm2) Brennerkörpere ins chub
Einschublänge in den Ofen 250 mm Aus dem Ofen ragende Länge 600 mm 2. Ofenwand und
-abdeckung Für den Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung von Stahl wird der im vorstehenden
beschriebene Sauerstoffzerstäubungsbrenner bei der Erfindung verwendet um eine hohe
Energie durch Verbrennung des Öles in den Lichtbogenofen einzubringen. Hierdurch
wird ein rasches Schmelzen des Stahlschrottes erzielt. Um diesen Betrieb über eine
lange Zeitdauer hin in stabiler Weise durchzuführen, ist es notwendig, daß die Ofenwand
2 und die Ofenabdeckung 4 des Lichtbogenofens 1 e ine verstärkte Beständigkeit gegenüber
hoher Hitze aufweist. Dieses Problem wird bei der Erfindung durch eine verbesserte
Ofenwand
und durch eine verbesserte Ofenabdeckung, die feuerbeständig
sind, gelöst. Der Aufbau der Ofenwand und der Ofenabdeckung soll im folgenden beschrieben
werden.
-
2-1. Feuerbeständige Bauteile der Ofenwand Die Ofenwand 2 des Lichtbogenofens,
welcher bei der Erfindung zur Anwendung kommt, ist aufgebaut aus speziellen kohlenstoffhaltigen
Steinen und Wasserkühlungsmitteln, welche miteinander kombiniert sind. Sie sind
in Sandwich-Bauweise in Reihen angeordnet.
-
Im allgemeinen gilt, daß die Ofenwand des Ofens, welcher Metalle schmelzen
soll, eine hohe Beständigkeit gegenüber Feuer und Erosion aufweist. Außerdem soll
die Ofenwand wärmeisolierend sein und eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen
aufweisen. Während dies bei anderen Glühofenarten erreicht werden kann, ergibt sich
jedoch bei einem Ofen zur Erzeugung von Stahl aus Stahlschrott als Ausgangsmaterial
noch die spezielle Notwendigkeit, daß die Ofenwand in hervorragendem Maße widerstandsfähig
gegenüber Zerstbrung,wie beispielsweise Absplitterung der Oberflächen der Ofensteine,ist.
-
Um dies zu erreichen, werden bei der Erfindung kohlenstoffhaltige
Steine verwendet, die ein derartiges Gefüge aufweisen, daß Kohlenstoff zu einem
feuerbeständigen Material, wie beispielsweise Magnesit, als Zuschlag hinzugegeben
wird. Diese Steine haben eine Erweic hungstemperatur von 1500 - 1900°C. Sie sind
widerstandsfähig gegenüber Erhitzung und Abspaltung. Auch ist die Festigkeit bei
hohen Temperaturen bedeutend besser als bei anderen Ofensteinen, die zum Aufbau
der Ofenwand dienen. Durch die Verwendung von kohlenstoffhaltigen Ofensteinen ergibt
sich jedoch die Schwierigkeit, daß die Widerstandsfestigkeit gegen Schlackenangriff
bei hohen Temperaturen herabgesetzt wird. Außerdem ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit,
welche fast zehnmal
höher ist als die von herkömmlichen Ofensteinen.
-
Bei der Erfindung enthält die Ofenwand feuerfeste Materialien, bei
denen die Eigenschaften hoher Wärmeleitfähigkeit der kohlenstoffhaltigen Steine
in vorteilhafter Weise ausgenützt wird. Man erhält eine hervorragende wärmebeständige
Auskleidung des Lichtbogenofens, der zur Erzeugung von Stahl dient. Diese Eigenschaft
ist kombiniert mit einer ausgezeichneten Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze, Schlackenangriff
und hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen.
-
Die Ofenwand ist von einer Linie, die gering über der Schlackenlinie
des Lichtbogenofens liegt, aus kohlenstoffhaltigen Steinen hergestellt und darüber
hinaus sind mehrere Reihen von Wasserkühlmitteln vorgesehen, zwischen denen die
kohlenstoffhaltigen Steine in Sandwich-Bauweise angeordnet sind. Durch diesen Aufbau
wird ein überhöhter Temperaturanstieg der kohlenstoffhaltigen Steine selbst verhindert.
-
Die Widerstandsfesti{3keit der kohlenstoffhaltigen Steine gegen Schlackenangriff
wird hierdurch erhöht und es werden die anderen erwünschten Eigenschaften dieser
Steine wirkungsvoll ausgenützt.
-
Die kohlenstffialtigen Steine, welche zur Anwendung kommen, haben
einen KohlenstoSgehalt, der höher ist als 99%. Sie weisen eine Porosität von 28
- 291i6 auf. Die Blockdichte beträgt 1,5 - 1,6.
-
Die thermische Leitfähigkeit beträgt 120 - 150 kcal/mh °C.
-
Bei dem in der Figur 7 dargestellten Lichtbogenofen 1 ist eine obere
Ofenwand 2 gezeigt, welche in einer Höhe von etwa 200 mm oberhalb der Schlackenlinie
40 beginnt. Dieser Teil der Ofenwand ist aus kohlenstofftialtigen Steinen aufgebaut.
Ferner enthält die Ofenwand 2 mehrere Reihen (im dargestellten Ausführungsbeisplel
sind es drei) von eingebauten wassergekühlten Behältern 41. Die unterste Reihe dieser
Behälter ist etwa 300 - 500 mm über der
Schlackenlinie 40 angeordnet.
Die übrigen Reihen sind übereinander vorgesehen, wobei die Abstände etwa 300 mm
betragen.
-
Für den Fall, daß die Dicke der Ofenwand 2 etwa 350 mm beispielsweise
beträgt, ist jeder wassergekühlte Behälter 41 parallel zu den Abmessungen der Ofenwand
2 ausgebildet und weist Richtung der Dicke der Ofenwand eine Dicke von 200 mm und
eine Höhe von etwa 130 mm auf. Die Behälter sind näher der äußeren Oberfläche der
Ofenwand angeordnet. Bei einem Ausführungsbeispiel flir den wassergekühlten Behälter
41 ist dieser in einer Ofenwand mit einer Dicke von etwa 350 mm angeordnet (Dicke
der kohlenstoffhaltigen Teile). Der Querschnitt des wassergekühlten Behälters beträgt
etwa 130 x 200 mm. Das Kühlwasser wird unter einem Druck von 2 kg/cm2 geliefert
und fließt innerhalb des Behälters mit einer Geschwindigkeit von 9,5 - 10 m/min.
Der Grund hierfür liegt darin, daß bei Anwendung einer großen Berührungsflåche mit
den kohlenstoffhaltigen Teilen der Kühleffekt erhöht wird und die Wirkung auf die
Atmosphäre im Inneren des Ofens verringert wird. Durch eine konstant gehaltene 2
Querschnittsfläche für jeden Behälter 41 von weniger als 0,03 m läßt sich die Formgebung
des Steines beim Aufeinanderbau der Steine erleichtern. Außerdem läßt sich die gewünschte
Fließgeschwindigkeit innerhalb des Behälters auf über 8m/min. ohne weiteres halten,
so daß die bei der Erfindung gewünschten Effekte erzielt werden können.
-
Ferner kann in jeder Reihe der wassergekühlte Behälter 41 eine einfache
ringförmige durchgehende Form aufweisen. Er kann jedoch auch in Umfangsrichtung
gesehen in drei oder vier Blöcke unterteilt sein, wobei jeder Block durch hindurchzirkulierendes
Kühlwasser gekühlt wird. Das Wasser wird hierbei durch einen Kühlwassereinlaß und
einen Kühlwasserauslaß geleitet. Durch Unterteilung der wassergekühlten Behälter
41 in jeder Reihe ist es möglich, die Instandsetzungsarbeiten,
insbesondere
bei Ausbesserungen, welche beispiels -weise bei Lecken von Wasser notwendig werden,
zu erleichtern.
-
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 sind drei Reihen von wassergekühlten
Behältern 41 gezeigt. Der Wasserbehälter 41 in jedem Block ist in drei Blöcke unterteilt.
Die Anzahl der Reihen (d. h. 2 oder 4) und die Anzahl der Unterteilungen (d.h. 2,
3 oder 4) des wassergegekühlten Behälters in jeder Reihe kann in Abhängigkeit von
beispielsweise der Größe des Lichtbogenofens entsprechend ausgewählt werden.
-
Indem Wasser durch die in der Ofenwand 2 angeordneten wassergekühlten
Behälter 41 geleitet wird, wird die Ofenwand aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit
der kohlenstoffhaltigen Steine gekühlt.
-
Es wird demzufolge eine Erhitzung der kohlenstoffhaltigen Teile auf
eine hohe Temperatur verhindert. Die Gefahr der Zerstörung und das Anhaften von
Metalloxiden, wie beispielsweise Eisenoxid, ist in beträchtlichem Maße herabgemindert.
Die Ofenwand 2 behält ihren gewünschten Zustand bei und zeigt eine hohe Widerstandskraft
gegenüber Hitze. Außerdem ist sie widerstandsfähig gegenüber Abspalten und sie besitzt
eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen.
-
Diese Vorteile ergeben sich aus den Eigenschaften der kohlenstoffhaltigen
Teile. Demzufolge hat der Lichtbogenofen eine umfassende hohe Leistungsfähigkeit.
-
Es wurden eine Reihe von Versuchen durchgeführt mit eine m Lichtbogenofen
für 50 Tonnen, bei welchem kohlenstoffhaltige Steine und Wasserkühlmittel in der
Ofenwand verwendet wurden. Dieser Lichtbogenofen wurde mit hohem Wirkungsgrad unter
Verwendung von drei Sauerstoffzerstäubungsbrennern betrieben. Es hat sich heraus
-gestellt, daß die Ofenwand eine betriebsfähige Lebensdauer von
240
Erhitzungsvorgängen an dem Teil der Ofenwand, wo der Abstand zwischen einer Elektrode
urdder Ofenwand am kürzesten ist und demzufolge eine überhitzte Stelle auftrat,
aufwies. Die Ofenwand wies eine Gesamtlebensdauer von 1440 Erhitzungsvorgängen auf,
wenn man diesen Teil der Ofenwand reparierte. Es hat sich herausgestellt, daß der
Verbrauch an Steinen für die Ofenwand während der letzten 6 Monate bei Durchführung
dieses Verfahrens weniger als 1, 8 kg/ton betrug. Dies ist ein ausgezeichnetes Ergebnis
und dieser Verbrauch an Steinen entspricht etwa dem halben bis ein Drittel Verbrauch
an Steinen bei herkömmlichen Vorrichtungen.
-
2-2. Feuerfeste Einrichtungen für die Ofenabdeckung Die Ofenabdeckung,
welche beim Lichtbogenofen gemäß der Erfindung zur Anwendung kommt, muß mit feuerfesten
Einrichtungen versehen sein, damit sie widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen
ist und eine hohe betriebsfähige Lebenszeit aufweist, um einen stabilen und wirkungsvollen
Betrieb des Lichtbogenofens während einer langen Periode zu ermöglichen. Zu diesem
Zweck werden stahlgepaazerte Magnesit-Qiromsteine als feuerbeständiges Material
im äußeren Umfangsteil der Ofenabdeckung verwendet. Eine gestampfte hochtonerdige
(Al203)-haltige Masse wird im mittleren Teil. der Ofenabdeckung um die Einschuböffnungen
der Elektroden herum verwendet. Ein wassergekühlte Ring wird an der Abgasaustrittsöffnung
verwendet, da die Gefahr der Beschädigung und des Verlustes an Feuerbeständigkeit
an diesen Stellen der Ofenabdeckung am größten ist. Die gestampfte hochtonerdehaltige
Masse ist um diesen Ring herum geformt.
-
Im allgemeinen werden für die feuerbeständigen Teile der Ofenabdeckung
bei der Stahlerzeugung Silikasteine (mehr als 96% Siliziumdioxid) und Bauxitsteine
verwendet. Diese haben eine außerordentlich gute Widerstandskraft gegenüber Hitze
und eine gute Festigkeit bei hohen Temperaturen
und sind relativ
billig. Bei dem im vorstehenden beschriebenen UHP-Verfahren und bei dem zusätzlichen
Verbrennungsverfahren, welches hierbei zur Anwendung kommt, werden jedoch hohe Energien
in den Ofen eingebracht. Die Dauerhaftigkeit herkömmlicher Silikasteine erweist
sich hierbei als mangelhaft, so daß man in der Praxis den Tonerdegehalt im Stein
erhöht hat oder Magnesit-Chromsteine verwendet hat. Wenn jedoch ein Staubabscheider
mit direktem Abzug verwendet wird, um die Umgebung des Stahlwerkes nicht zu beeinträchtigen,
war es nicht möglich, eine Verringerung der Lebensdauer der feuerbeständigen Einrichtungen
der Ofenabdeckung zu verhindern wegen Schmelzbeschädigungen an den Teilen, welche
die Abgasöffnung in der Ofenabdeckung umgeben.
-
Bei der Erfindung wird eine Erhöhung der Dauerhaftigkeit der Ofenabdeckung
erzielt, und zwar indem ein wassergekühlter Ring an der Abgasöffnung in der Ofenabdeckung
angeordnet wird.
-
Wie aus den Figuren 8 - 11 zu ersehen ist, weist die Ofenabdeckung
4 einen wassergekühlten Ringkörper 42 auf. Dieser Ringkörper ist in Abweichung von
bekannten Ausführungsformen, bei denen die Kühlung an den feuerbeständigen Teilen
der Ofenabdeckung nach der Fertigstellung angebracht werden, in den zu schützenden
feuerbeständigen Teilen eingebettet. Der ringförmige Körper 42 ist mit Hilfe eines
Schraubbolzens 45 durch einen Träger 44 an einem wassergekühlten ringförmigen Gestell
43 befestigt. Der den rin«rmigen wassergekühlsten Körper 42 umgebende Aufbau wird
von einer gestampften hochtonerdehaltigen Masse 46 gebildet. Der wassergekühlte
ringförmige Körper 42 ist mit einer Kühlwasserzuführle itung 47 und einer Wasserabflußleitung
48 versehen.
-
Es besteht die Gefahr, daß die feuerfesten Einrichtungen der Abgasaustrittsöffnung
beschädigt
werden und die Durchtrittsöffnung aufgrund des Durchtrittes des Hochtemperaturgases
aus dem Ofeninneren expandiert und die Abgasaustrittsöffnung demzufolge für den
weiteren Gebrauch nicht mehr verwendet werden kann. Hierdurch wird die Lebensdauer
der gesamten Ofenabdeckung verringert. Bei der Erfindung wird jedoch aufgrund der
Verwendung des wassergekfihlten ringförmigen Körpers 42 eine Verringerung der Lebensdauer
der Ofenabdeckung wegen der Expansion der Abgasaustrittsöffnung verhindert. Die
Lebensdauer der gesamten Ofenabdeckung wird hierdurch erhöht.
-
Bei der Durchführung eines Versuches wurde die Ofenabdeckung 4 auf
einem 50-Tonnen-Lichtbogenofen angeordnet. Es wurde der Betrieb des Ofens mit hohem
Wirkungsgrad durchgeführt. Die Lebensdauer der gestampften hochtonerdehaltigen Masse
betrug 120 - 130 Erhitzungen. Die Lebensdauer des Teiles aus stahlgepanzerten Magnesit-Chromsteinen
am äußeren Umfangsbereich und die Lebensdauer der Abgasaustr ittsöffnung, welche
mit dem wasser gekühlten ringförmigen Körper 42 versehen war, betrug 240 - 250 Erhitzungen.
-
Bei Wiederherstellung der Ofenabdeckung 4 nach 120 - 130 Erhitzungen
betrug somit die Lebensdauer der gesamten Ofenabdeckung 240 - 250 Erhitzungen. Wenn
man im Vergleich dazu den wassergekühlten Ring nach dem Zusammenbau der feuerbeständigen
Teile auf diesen anbringt, wie das herkömmlich der Fall ist, beträgt die Lebensdauer
er Abgasaustrittsöffnung 100 - 120 Erhitzungen. Wenn man die feuerbeständigen Teile
dieses Teiles zusammen mit dem mittleren Teil entfernt, fallen auch die übrigen
Teile der Ofenabdeckung aus den Magnesit-Chromsteinen aus. Die Lebensdauer der gesamten
Ofenabdeckung unterscheidet sich daher nicht von der Lebensdauer des mittleren Teiles
und des Teiles, der die Abgasaustrittsöffnung umgibt.
-
3. Abgasbeseitungseinrichtung Um die Verbrennungswirkung der Sauers
toffzerstäubungsbrenner zu erhöhen, ist es unerläßlich, den Druck innerhalb des
Lichtbogenofens während des Schmelzvorganges zu regulieren. Es hat sich ergeben,
daß die Verbrennungswirksamkeit erhöht werden kann, wenn im Ofeninneren ein Unterdruck
im Bereich von-0, 5bs2, 5 mm H2O aufrechterhalten wird.
-
Es hat sich herausgestellt, daß bei höherem Druck als -0,5 mm H2O
die von außen her in das Ofeninnere eingezogene Luftmenge zu gering ist, so daß
die Brennstoffe, welche zusammen mit der kalten Charge des Schrottes eingebracht
worden sind, nicht vollständig verbrannt werden. Der thermische Wirkungsgrad der
Brenner wird hierdurch merklich gesenkt. Wenn der Druck innerhalb des Ofens über
Atmosphärendruckliegt, werden durch die Öffnungen im Ofen Flammen ausgestoßen. Wenn
andererseits der Druck geringer als-2,5 mm H2O ist, wird die eindringende Luftmenge
zu groß. Hierdurch ergibt sich die Gefahr der Erosion der Elektroden und der Ofenwand.
Außerdem ergeben sich gleichzeitig Schwierigkeiten bezüglich der Abgasaustrittsöffnung
und des Abgasbeseitigungssystemes wegen der Hochtemperaturgase, die durch die Abgasaustrittsöffnung
hindurchtreten. Demzufolge ist die Abgasbeseitigungseinrichtung als direkte Absaugung
ausgebildet, so daß innerhalb des Ofens ein Druck von -0,5 bis -2, 5 mm H2O aufrechterhalten
werden kann.
-
Um die Verbrennungsleistung der Sauerstoffzerstäubungsbrenner 3 zu
erhöhen, wird der Druck innerhalb des Lichtbogenofens während des Schmelzens des
Stahles ständig im Bereich eines Unterdruckes gehalten so daß ständig von außen
Luft durch Öffnungen, wie beispielsweise durch die Schlackenöffnung,in das Ofeninnere
gesaugt wird.
-
Das Abgasbeseitigungssystem ist demzufolge so ausgebildet, daß die
Abgasbeseitigung durch direkte Absaugung erfolgt.
-
Es wurde ein Ausführungsbeispiel untersucht um die Leistungsfähigkeit
(Volumen des behandelten Gases) der Abgasbeseitigungseinrichtung, welche bei der
Erfindung zur Anwendung kommt, zu unterst hen.
-
Die Abgasbsseitigungseinrichtung wurde in einem Lichtbogenofen int
50 Tonnen Nominalleistung eingebaut. Dieser Ofen war mit den Sauerstoffzerstäbungsölbrennern
der im vorstehenden beschriebenen Ofenwand, den Wasserkühleinrichtungen und den
anderen zur Verlängerung der Lebensdauer vorgesehenen Einrichtungen versehen. Der
Ofen wurde mit hohem Wirkungsgrad betrieben.
-
Der Lichtbogenofen wies einen Hohlraum mit einem Innendurchmesser
von 5,1 m und eine Transbrmatorleistung von 22.000 kVA auf. Er war mit drei Sauerstoffzerstäbungsbrennern
ausgestattet. Die Arbeitsbedingungen dieses Ofens waren durch einen Ölverbrauch
von 6 1/ton.
-
Stahl, einem Sauerstoffverbrauch von 35 Nm3/ton (28 Nm3/ton f(ir Brenner
allein), einen elektrischen Verbrauch von 360 kWH/ton und einer Zeit von Abstich
zu Abstich von einer Stunde und 10 Minuten gekennzeichnet.
-
Es sei angenommen, daß die anderen brennbaren Stoffe (d.h. Öl, Schmierfette
und andere verbrennbare Stoffe, welche am Stahlschrott haften), welche in den Ofen
eingebracht wurden, Koks, welches als Zusatzmittel und zur Kohlung verwendet wird
und andere Stoffe vollständig verbrannt werden, wenn das Öl durch die Brenner eingesprüht
wird und daß beim gleichzeitigen Einbringen des Sauerstoffes durch die Brenner während
des Stahlschmelzens COZPZO und andere Produkte entstehen und daß jeglicher Sauerstoffbedarf
durch den Sauerstoff der in das Ofeninnere eindringenden Luft, welche durch Öffnungen
wie
beispielsweise die Schlackenöffnung eindringt, ergänzt wird,
so daß eine vollstandige Verbrennung stattfindet.
-
Die Gesamtmenge an Abgas beträgt dann etwa 375 Nm³/min. Die Temperatur
beträgt etwa 13000C. Dieses Hochtemperaturgas kann mit Luft vermischt werden, welche
durch Spalte zwischen dem wassergekühlten Absangbogenrohr und der Leitung für das
Kühlwasser eindringt und mit Luft, welche durch andere Öffnungen im Wasserkühlsystem
eindringt. Un ein gemischtes Gas mit einer Temperatur von 600°C zu erhalten, ist
eine Einziehgeschwindigkeit von Luft von etwa 600 Nm3/min notwendig. Demzufolge
muß die gesamte Sauggeschwin-3 digkeit 975 Nm /min betragen. Für eine Betriebstemperatur
von 2500C muß die Gesamtgeschwindigkeit etwa 1870 m3/min betragen.
-
Für die Gasreinigung werden Sackfilter beim Abgasbeseitigungssystem
verwendet. Die Sackfilter bestehen aus mit Silikon bearbeiteten Fasern und werden
periodisch mit Hilfe eines Rückflusses gereinigter Luft 3 von etwa 300 m /min gereinigt.
Diese Fließgeschwindigkeit addiert 3 sich zur Gesamtfließgeschwindigkeit, welche
somit 2170 m /min beträgt. Dies ist die Gesamtfließgeschwindigkeit des zu bearbeitenden
Abgases, d. h. die Leistungsfähigkeit des Abgasbeseitigungssystemes.
-
Um das gewünschte Ergebnis zu erreichen, wurde die Leistungsfähig-3
0 keit auf 2200 m /min (bei 250°C) bemessen.
-
4. Praktisehes Ausführungsbeispiel Im folgenden sclll ein Ausführungsbeispiel
beschrieben werden, bei dem eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stahl gemäß der Erfindung
zur Anwendung kommt. Diese enthält einen 50 -Tonnen -Lichtbogenofen mit den folgenden
Einzelheiten.
-
4-1. Schmelzen mit hohem Wirkungsgrad
Die Einzelheiten
des Lichtbogenofens sind in der Tabelle 4 wiedergegeben. Bei diesem Lichtbogenofen
kommen drei Sauerstoffzerstäubungsbrenner, wie sie im einzelnen in der Tabelle 3
beschrieben sind, zur Anwendung. Die Konstruktionsmerkmale dieses Ofens und entsprechende
Bauteile sind beschrieben und es kommt ein Abgasbeseitiungssystem zur Anwendung,
das im einzelnen in der Tabelle 5 beschrieben ist.
-
TABELLE 4 Einzelheiten des 50-Tonnen-Lichtbogenofens
| Bestandteile Zahlenwerte |
| Ofenaufbau |
| Nennleistung |
| Chargengröße 54 Tonnen |
| Ofeninnendurchmesser 5,100 mm |
| Ofenraumhöhe 3,635 mm |
| Schmelzbadtiefè 850 mm |
| 3- |
| Ofen innenvolumen 40 m |
| Transformator |
| Leistung 22, 000 kVA |
| Primärspannung 22 kV |
| Sekundärspannung 145 - 400 V |
| abgeschätzte Sekundärspannung 366 V |
| abgeschätzter Strom 31, 700 A |
| Elektroden |
| Durchmesser 18 / 457.2 mm |
TABELLE 5 Einzelheiten des Ab gasbese itigungssys tems
| Bauteilart Zahlenwerte |
| Absaugtyp Direktabsaugung im oberen |
| Ofente il |
| F iltertyp Sackfilter |
| zu behandelnde Gasmenge 22,000 m3/min ( 250°C) |
| 2 |
| Filterfläche 3, 000 m (ungefähr) |
| Saugmotor 450 kW, 1.200 U/min. |
-
Der Lichtbogenofen, welcher in der Tabelle 4 beschrieben ist, fällt
aufgrund seiner Transformatorleistungsfähigkeit in den Bereich der Öfen, mit denen
Hochenergie -Verfahren durchgeführt werden. Dieser Ofentyp befindet sich im unteren
Bereich des Hochenergiebereiches.
-
Aufgrund des hochwirksamen Betriebs der Vorrichtung der Erfindung
kann die Stahlerzeugungszeit (von Abstich zu Abstich) um eine Stunde verringert
werden. Mit zwei derartigen Lichtbogenöfen kann die Jahresproduktion von fortlaufend
gegossenen Barren auf etwa 600. 000 Tonnen gebracht werden Im allgemeinen kann die
Produktionsleistungsfähigkeit eines Lichtbogenofens durch die Anzahl der Erhitzungen
pro Tag (24 Stunden) zum Aus -druck gebracht werden. Die Leistungsfähigkeit eines
Lichtbogenofens mit Nennrate in der Größenordnung von 50 Tonnen beträgt etwa 8 -
10 Erhitzungen pro Tag und selbst für den Fall, daß man eine hochempfindliche Bemessung,
beispielsweise bei Verwendung eines UHP-Verfahrens oder des F.O.S-Verfahrens zur
Anwendung bringt, schätzt man auf 12 - 14 Erhitzungen pro Tag. Es wurde gefunden,
daß jedoch bei Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß
der
Erfindung eine Verbesserung auf 20 - 22 Erhitzungen pro Tag bei fortlaufendem Betrieb
über eine lange Zeitdauer hin erreicht werden konnten.
-
Während die Tabelle 2 die Ergebnisse eines Betriebes während eines
Tages wiedergibt, können verschiedene Vorteile aus dieser Tabelle abgelesen werden.
Beispielsweise beträgt die Stahlerzeugungszeit (von Abstich zu Abstich) minimal
eine Stunde und maximal eine Stunde und 11 Minuten. Die Durchschnittszeit beträgt
eine Stunde und 7 Minuten, was sehr kurz ist. Ferner ist zu ersehen, daß die verbrauchte
Sauerstoffmenge 45,1 Nm³/ton (eine große Menge) ist. Die verbrauchte Brennstoffmenge
ist geringer als die des Sauerstoffs.
-
Die elektrische Energie, welche verbraucht wurde, beträgt 335 kWH/ton,
was ein geringer Betrag ist.
-
Zm vorbeschriebenen Lichtbogenofen werden drei Sauerstoffzerstäubungsbrenner
eingebaut. Der Vorteil bei ihrem Betrieb ist, daß die Sauerstoffmenge im Vergleich
zum Brennstoffverbrauch hoch ist. Theoretisch beträgt die zur vollständigen Verbrennung
von einem Liter Öl benötigte Menge an reinem Sauerstoff etwa 2,2 Nm3. Als tatsächliches
Ergebnis ergibt sich jedoch 36, 5 Nm³/ton, was etwa 80 % der Gesamtmenge 3 an Sauerstoff
von 45, 1 Nm /ton entspricht. Diese Menge wurde in den Brennern verbraucht. Das
bedeutet, daß der Sauerstoff mit etwa der 2, 8-fachen Menge als theoretisch errechnet,
in den Brennern verbraucht wurde. Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß dieser
Überschuß an Sauerstoff zum Schneiden und Schmelzen des Stahlschrottes verbraucht
wurde, und zwar aufgrund der direkten Oxidationswirkung mit dem Stahlschrott und
aufgrund der Verbrennung der brennbaren Teile, die zusammen mit dem Stahlschrott
in den Ofen eingebracht wurden (es handelt sich hierbei hauptsächlich um am Stahlschrott
anhaftenden Stoffen wie Öl, Fette und dgl.). Die restlichen 20% der
Gesamtmenge
an Sauerstoff wird beim Frischen verwendet, welches gleichzeitig beim Schneiden
und Oxidieren des Stahlschrottes durchgeführt wird. Das Frischen erfolgt mit Hilfe
von Lanzen, die durch die Schlackenöffnungen und Überwachungsöffnungen eingesteckt
werden.
-
Das Frischen wird hiebei auf herkömmliche Weise durchgeführt.
-
Die Energieversorgungsquelle beim Betrieb eines herkömmlichen Lichtbogenofens
leistet im allgemeinen 500 - 550 kWH/ton. Beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
betrug der Energiebdarf 335 kWH/ Tonne, was sehr niedrig ist. Die einzige Erklärung
hierfür ist, daß die Verbrennungswärme des Öles sowie die Oxidationserwärmung aufgrund
des Sauerstoffüberschusses und die Erwärmung aufgrund der zusammen mit dem Stahlschrott
eingebrachten brennbaren Bestandteile beim Schmelzen des Stahls chrottes zusammenwirken.
Der Sauerstoffüberschuß bewirkt auch ein Schneiden des Stahlschrottes durch Schmelzen.
-
4-2. Beispiel für die Wärmebilanzanalyse Der Energiebedarf beträgt
bei einem Lichtbogenofen, welcher in herkömmlicher Weise betrieben wird, 500 - 550
kWH/ton. Die allein für das Schmelzen des Stahlschrottes verbrauchte Energie beträgt
etwa 410 - 440 kWH/ton. Der Restbetrag der Energie von 90 - 110 kwH/ton wird anschließend
an den Schmelzvorgang verbraucht, d. h.
-
beim Frischen.
-
Beim Ausführungsbeispiel in der Tabelle 2 beträgt der Energiebedarf
335 kWH/ton. Die zum Schmelzen des Stahls chrottes verbrauchte Energie beträgt 278
kWH/ton. Für das Frischen wird eine Energie von 57 kWH/tQn verbraucht. Betrachtet
man die verbrauchte Energie während der Schmelzperiode, so ergibt sich eine Differenz
von 1 32 -162 kWH/ton. Zwischen der im vorstehenden benötigten Menge und
der
Menge, welche in einem Lichtbogenofen verbraucht wird, der nach einem herkömmlichen
Verfahren betrieben wird. Diese Differenz ist vergleichbar mit der Gesamtverbrennungswärme
des Öles, der beim Schneiden des Stahlschrottes durch Schmelzen infolge des Sauerstoffüberschusses
erzeugten Wärme und der Verbrennungswärme der anderen brennbaren Stoffe, welche
gleichzeitig mit dem Stahlschrott in den Ofen eingebracht worden sind.
-
Im einzelnen beträgt der Sauerstoffverbrauch für die vollständige
Verbrennung von Litern/Tonne Öl etwa 13 Nm3/ton und die so erzeugte Wärmemenge beträgt
59.400 kcal/ton. Die Gesamtsauerstoffmenge, 3 welche in den Brennern verbraucht
wurde, beträgt 36, 5 Nm /ton.
-
Wenn man die Sauerstoffmenge, welche zur Verbrennung des Öles verwendet
wird, hiervon subtrahiert, verbleibt eine Sauerstoffmenge von 23,3 Nm3/ton. Wenn
40% bzw. 9 Nm3/ton dieses Restes für das Schneiden des Stahlschrottes durch Schmelzen
verwendet wird, während 60% bzw. 14,3 Nm³3/ton zur Verbrennung der anderen brennbaren
Bestandteile, welche zusammen mit dem Stahlschrott in den Ofen eingebracht wurden,
verwendet werden, ergibt sich eine Wärmemenge bei ersterem von 51.813 kcal/ton während
bei lezterem 16. 874 kcal/ton erzeugt werden.
-
Der Gesamtbetrag der erzeugten Wärmemenge aufgrund des Öles und des
Sau£rstoffübschusses beträgt 128.087 kcal/ton. Das ergibt 149 kWH/ton umgerechnet
in elektrische Energie. Dies ergibt im wesentlichen eine Übereinstimmung zwischen
diesem Wert und der Differenz von 132 - 162 kWH/ton beim Energiebedarf des Ausführungsbeispieles
in der Tabelle 3 und dem Lichtbogenofen, der in herkömmlicher Weise betrieben wird.
Hieraus wird ersichtlich, daß die bei der Erfindung zur Anwendung kommenden SauerstoffzerstSbungsbrenner
den Schmelzprozeß des Stahlschrottes stark fördern.
-
Beim Frischen wird eine Sauerstoffmenge von 8,6 Nm3/ton, welche aus
der Subtraktion der Sauerstoffmenge von 36,5 Nm³/ton, welche nur in den Brennern
verwendet wird, von der Gesamtsauerstoffmenge von 45,1 Nm /ton in der Tabelle 2
resultiert, in das geschmolzene Stahlbad geblasen. Diese Sauerstoffmenge dient zur
Förderung der Durchmischung und zum Frischen des geschmolzenen Stahles. Bei der
Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung beträgt jedoch der Kohlenstoffgehalt
im geschmolzenen Stahlbad im Anfangsteil des Frischens etwa 0,20%. Der größte Teil
des Sauerstoffes, der in den geschmolzenen Stahl eingeblasen wird, wird zur Oxidation
mit Fe verwendet.
-
Vorteilhaft bei der Erfindung ist es, daß beim Einblasen von Sauerstoff
in das geschmolzene Stahlbad auch eine hohe Energie miteingebracht wird, wodurch
ein Temperaturanstieg hervorgerufen wird. Die Oxidationswärme des Fe trägt somit
direkt zum Temperaturanstieg bei.
-
Die Oxidationswärme von Fe beträgt durch 8,6 Nm³/ton von Sauerstoff
49. 540 kcal/ton, dies entspricht 57,6 kWH/ton. Hieraus erklärt sich die Verringerung
beim Energiebedarf während des Frischens auf einen Wert von 57 kWH/ton.
-
4-3. Feuerfeste Einrichtungen der Ofenwand Wie im vorstehenden schon
erwähnt, ergibt sich beim Einbringen einer hohen thermischen Energiemenge innerhalb
einer kurzen Zeit in den Lichtbogenofen die Gefahr, daß die Steine der Ofenwand
durch Erhitzung zerstört werden, wenn diese Steine in herkömmlicher Weise aus Magnesit
oder Magnesit-Chrom bestehen. Die Steine der Ofenwand können dann diese Betriebsart
nicht aushalten. Wegen der Notwendigkeit von Reparaturen erniedrigt sich der Wirkungsgrad
des Ofens.
-
Diese Schwierigkeit tritt insbesondere im Zusammenhang mit dem schon
im vorstehenden erwähnten UHP-Verfahren und dem FOS-Verfahren
auf.
Dieses Problem war auch beim Zustandekommen der Erfindung zu lösen.
-
Bei der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß man eine
Ofenwand verwendet, die nach einem völlig neuen Konzept aufgebaut ist. Bei der Ofenwand
gemäß der Erfindung werden kohlenstoffhaltige Steine und Wasserkühlungsmittel in
kombinierter Form, wie das im vorstehenden schon beschrieben worden ist, verwendet.
-
Im vorstehend beschriebenen Lichtbogenofen mit 50 Tonnen Nennleistung
wird der hochwirksame Betrieb mit drei Sauerstoffzerstäubungs -brennern durchgeführt.
Die verbesserte Auskleidung des Ofens wird über die gesamte Ofenwand hin zwischen
einer Linie, die etwa 300 mm über der Schlackenlinie verläuft und einer Linie, welche
etwa 700 mm unter dem oberen Ende der Ofenwand verläuft, zur Anwendung gebracht.
-
Bei einem über 6 Monate hin verlaufenden Versuchsergebnis hat sich
gezeigt, daß der Gesamtbedarf an Steinen für die gesamte Ofenwand 1, 8 kg/ton betrug.
Der Verbrauch an kohlenstoffhaltigen Steinen allein betrug 1,2 kg/ton. Die Lebensdauer
der aus den kohlenstoffhaltigen Steinen bestehenden Teile variierte in Abhängigkeit
von der entsprechenden Lage in der Ofenwand. Die Reparaturen wurden durch den speziellen
Austausch der kohlenstoffhaltigen Teile durchgeführt.
-
Insgesamt ergab sich eine Lebensdauer von 1440 Erhitzungen.
-
4-4. Feuerfeste Einrichtungen in der Ofenabdeckung Die feuerfesten
Einrichtungen in der Ofenabdeckung wurden in der gleichen Weise entwickelt wie die
feuerfesten Einrichtungen der Ofenwand. Wenn Silikasteine (mehr als 97% Siliziumdioxid)
oder Bauxit-Steine in bekannter Weise verwendet werden, können diese Steine das
Einbringen hoher Energie in den Ofen nicht aushalten. Sie werden daher ersetzt durch
basische Steine oder hochtonerdehaltige Steine.
-
In einem Lichtbogenofen, der jedoch mit einem Abgasbeseitigungssystem
mit direkter Absaugung versehen ist, muß für das Abziehen des Abgases aus dem Ofen
als vierte Öffnung zusätzlich zu den Öffnungen für die drei Elektroden eine Abgasabsaugöffnung
vorgesehen werden.
-
Für die feuerfesten Einrichtungen in dem Bereich, der diese vierte
Öffnung umgibt, besteht die Gefahr mechanischer und physikalischer Zerstörung aufgrund
des Hochtemperaturabgases, das an diesen feuerfesten Einrichtungen vorbeiströmt.
Die Lebensdauer der feuerfesten Einrichtungen in der Ofenabdeckung sind daher bei
den bekannten Lichtbogenöfen äußerst kurz.
-
Bei der Erfindung wird zur Überwindung dieses Problems ein wassergekühlter
Metallring vorgesehen, wie er im vorstehenden schon beschrieben wurde. Dieser umgibt
die vierte Öffnung. Ferner sind feuerbeständige Einrichtungen, wie sie im vorstehenden
schon beschrieben worden sind, um diese vierte Öffnung angeordnet. Die Lebensdauer
der Ofenabdeckung konnte hierdurch wesentlich verlängert werden. Bei dem vorbeschriebenen
Lichtbogenofen mit 50 Tonnen Nennleistung wurden die vorstehenden Ergebnisse bei
Anwendung einer mit einem wassergekühlten Ring versehenen Ofenabdeckung erzielt.
-
Die Lebensdauer dieser Gienabdeckung betrug insgesamt 240 - 250 Erhitzungen.
Dies ist mehr als das Doppelte von dem, was bei bekannten Einrichtungen erzielt
wird.
-
4-5. Abgasbeseitigungssystem Um in der Praxis einen wirkungsvollen
Betrieb des mit den Sauerstoffzerstäbungsbrennern versehenen Lichtbogenofens zu
erzielen, kommt dem Abgasbeseitigungssystem eine äußerst wichtige und notwendige
Funktion
zu. Um mit Hilfe der Sauerstoffzerstäubungsbrenner eine wirkungsvolle Verbrennung
zu gewährleisten, hat es sich als notwendig erwiesen, das Ofeninnere ständig während
des Schmelzens und dem Betrieb dieser Brenner auf Unterdruck zu halten. Auf diese
Weise wird es ermöglicht, daß Luft durch Spalte und Öffnungen, beispielsweise in
der Schlackenausflußöffnung und dgl., in das Ofeninnere gelangt. Dieses Merkmal
gewährleistet einen wesentlichen Fortschritt bei der Erfindung.
-
Bei einem Ausfiihrungsbeispiel wurde der im vorstehenden beschrie-.
-
bene Lichtbogenofen mit 50 Tonnen Nennleistung, welcher mit den Sauerstoffzerstäubungsbrennern
ausgerüstet war, bei der Stahlerzeugung verwendet. Ferner enthielt die Vorrichtung
zur Stahlerzeugung ein Abgasbeseitigungssystem, wie es in der Tabelle 5 beschrieben
ist.
-
Die zu behandelnde Menge des Abgases von 2.200 m³/min. (bei 250°C)
ergab sich in der vorbeschriebenen Weise. Diese Menge ist größer als bei einem herkömmlichen
50-Tonnen-Lichtbogenofen. Bei diesem Abgasbeseitigungssystem kommt ein Staubabscheider
mit direkter Abscheidung zur Anwendung. Das Abgas wird durch die vierte Öffnung
in der Ofenabdeckung, d. h. durch die Abgasabzugsöffnung, abgezogen.
-
Es gelangt hierbei durch das wassergekühlte Absaugbogenrohr vom Doppelrohrtyp
und durch einen wassergekühlten Kanal zu der ebenfalls gekühlten Rauchkammer 8 vom
Doppelrohrtyp. Eine verschiebbare Wasserkühlleitung vom Doppelrohrtyp ist zwischen
dem Absaugbogenrohr und der wassergekühlten Leitung angeordnet. Durch die verschiebbare
Anordnung wird das Eindringen von Sekundärluft durch den Spalt zwischen dem Absaugbogenrohr
und der Leitung auf ein Minimum gehalten.
-
Unvollständig verbrannte Gase, welche aus dem Lichtbogenofen abgezogen
wurden, sowie unvollständig verbranntes CO-Gas wird daher
im oberen
Teil der Rauchkammer bzw. Verbrennungskammer mit eingezogener Luft verbrannt und
gleichzeitig wird durch eine größere Menge an Kühlluft die Temperatur des Abgases
erniedrigt. Die Gase, welche durch die Rauchkammer bzw. Verbrennungskammer hindurchgegangen
sind, gelangen durch ein wassergekühltes Doppelrohr zu einem senkrechten Gaskühlturm,
wo sie auf etwa 3000C abgekühlt werden. Diese Kühlung erfolgt durch indirekte Wasserkühlung.
Der Kühlturm ist außerhalb der Einrichtungen für den Schmelzbetrieb angeordnet.
Daraufhin gelangen die Abgase durch luftgekühlte Leitungen unter Aufrechterhaltung
des Förderdruckes bis sie das Gebläse erreichen und nach Abkühlung auf einer bestimmten
Gastemperatur in das Sackfilter weiterbefördert werden.
-
Im folgenden werden Meßwerte für verschiedene Stellen dem Abgas -beseitigungssystem
bei einem Ausführungsbeispiel wiedergegeben.
-
Die Geschwindigkeit der durch die Schlackenöffnung eindringenden Luft
betrug 4, 8 - 5, 5 m/sec. Wenn man diesen Wert in die folgende Gleichung (1) einsetzt,
ergibt sich als Druck innerhalb des Ofens ein Unterdruck von -1,0bS,0 O mm H2O.
-
v P - P , ----- (1) 2g wobei v die Gasgeschwindigkeit in m/sec.
-
g die Beschleunigung in m/sec.
-
p die Luftdichte und P den Druck in mlil H20 bedeuten.
-
Die Ergebnisse der Gasanalyse des Abgases im Bereich der Absaugöffnung
sind in der Tabelle 6 wiedergegeben. Die Probenentnahmezeit betrug 6 Minuten nach
der zweiten Charge.
-
TABELLE 6
| Bestandteile Anteil (%) |
| O2 0.3 |
| CO2 25 |
| CO 11 |
| andere 63.7 |
Die Fließgeschwindigkeit und die Temperatur des Abgases unmittelbar vor dem Gebläse
betrug 1180 m3/min und 1800C. Das Betriebsschema für den zeitlichen Ablauf ist in
der Figur 12 wiedergegeben.
-
Dieses Betriebsschema ist für die Erhitzungsnummer 2400 in der Tabelle
2 aufgenommen worden.
-
Wie aus der Tabelle 2 zu entnehmen ist, ergaben sich für diese Erhitzung
folgende Werte: Ein Ölverbrauch von 5,4 1/ton, ein Sauerstoffverbrauch von 45,0
Nm³/ton. (die in den Brennern ver-3 brauchte Sauerstoffmenge betrug hierbei 36 Nm
/ton), eine Schmelzperiode von 48 Minuten (während welcher die Brenner in drei getrennten
Zeiten für insgesamt 36 Minuten eingeschaltet waren), eine Zeit für das Frischen
von 13 Minuten, die Zeit von Abstich zu Abstich betrug 67 Minuten und der Energiebedarf
war 337 kWH/ton.
-
Ausgehend von diesen Werten sei der Staubabscheider mit direkter Absaugung
betrachtet. Der Kohlenstoff aus dem als Brennstoff dienenden Öl, welches durch die
Brenner in den Ofen eingeblasen wurde, von den brennbaren Stoffen, welche zusammen
mit dem Schrott in den
Ofen eingebracht wurden (unter der Annahme,
daß 1, 5 % Öl am übergehenden Schrott, welcher in einer Menge von 25% geschmolzen
ist, anhaftet) von den Elektroden, von den kohlenstoffhaltigen Steinen, von kohlenden
Mitteln und von ähnlichen Stoffen wird in CO und CO2 durch den von den Brennern
eingebrachten Sauerstoff umgewandelt.
-
Ein 02 -Mangel wird durch den durch Öffnungen, wie beispielsweise
der Schlackenausflußöffnung, eindringenden Sauerstoff ausgeglichen, wobei CO- und
O2Xase gleichzeitig in einem Verhältnis von 11:25 erzeugt werden.
-
Die Mengenangabe von 63, 70je für "andere Stoffe" in Tabelle 6 kann
für N2-Gas angenommen werden. Es stellt sich dann ein Gleichgewicht zwischen der
Gesamtmenge des Abgases der Menge des eingeblasenen Sauerstoffs und der Menge der
eingedrungenen Luft ein. Die Menge an O2 im Abgas unmittelbar nach dem Absaugen
aus dem Ofen ist äußerst gering und liegt 0, 3SO unter dem tatsächlichen Ergebnis.
Dies besagt, daß das Einbringen von durch die Schlackenöffnung in das Ofeninnere
eingedrungener Luft zur Erhöhung der Verbrennungswirkung der Brenner keine übermäßig
oxidierende Atmosphäre im Ofeninneren hervorruft. Ferner ist zu ersehen, daß bei
der Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Stahl gemäß der Erfindung ein
hoher Wirkungsgrad für den Lichtbogenofen erzielt wird.
-
Die Wirksamkeit des Abgasbeseitigungssystems bei der Vorrichtung zur
Erzeugung von Stahl kann, wie im vorstehenden beschrieben, berechnet werden. Es
hat sich hierbei herausgestellt, daß eine bestimmte Beziehung zwischen der Schmelzleistungsfähigkeit
(ton/Std.) nur während der Schmelzperiode und der Fließgeschwindigkeit des Abgases
(Nm³/min) des Lichtbogenofens besteht. Das Abgas hat eine Fließgeschwindigkeit A
und die Schmelzleistung sei mit B angenommen.
-
Die folgende Gleichung (2) ist dann immer konstant.
-
A = ~~~~~~~~- (2)
Hierbei bedeutet K eine Konstante.
Wenn man diese Konstante K in die folgende Gleichung (3) einsetzt, erhält man den
Wert für die Leistungsfähigkeit (Fließgeschwindigkeit des zu behandelnden Abgases)
des Abgasbeseitigungssystemes.
-
TK = V ------- ---- (3) wobei V die Leistungsfähigkeit (Nm /min)
des Abgasbeseitigungssystems und T die Leistungsfähigkeit bei der Stahlerzeugung
(Tonnen/Std.) bedeuten.