DE3610498C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Metall in einem Schachtofen gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren wurde bereits vorgeschlagen (DE-OS 34 37 911).

Bei den herkömmlichen Verfahren zum Schmelzen von Metallen, insbesondere Eisen oder Kupfer, werden Kupolöfen unter Verwendung von Koks als Brennstoff eingesetzt. Hierbei sind auch Ver­ fahren bekannt, bei denen zusätzlich zum Koks Brennstoffe, wie Brenngas, Mineralöl oder Kohle­ abfallprodukte verwendet werden. Diesen Verfahren haftet jedoch der wesentliche Nachteil an, daß durch den Koks als Brennstoff die Metallschmelze verunreinigt wird, vorwiegend durch Schwefel und Phosphor, oder Koks nicht in gewünschter Güte verfügbar ist.

Es sind Verfahren zum Schmelzen von Metallen in Schachtöfen bekanntgeworden, bei denen auf Koks als Brennstoff verzichtet und das Metall mit Hilfe von Brenngasen wie Erdgas, Stadtgas, Propan und Butan, oder von Mineralölen geschmolzen wird. Diese Verfahren zeichnen sich in vorteil­ hafter Weise dadurch aus, daß keine Verun­ reinigungen durch den Brennstoff in die Schmelze übertragen werden, da die Kontaktzeit zwischen den gasförmigen Verbrennungsprodukten und dem metallischen Einsatzmaterial relativ kurz ist.

Auch in dem Aufsatz "Das Umschmelzen von Kupfer­ schrott im Flaven-Ofen" von Dr. H. P. Goossens in der Zeitschrift "ERZMETALL", Band 24, Heft 3, März 1971, S. 105-107, ist ein ohne Koks als Brennmaterial arbeitender Schachtofen dargestellt. Das Ofenbett wird von einem Rost aus wasserge­ kühlten Stahlrohren gehalten, der einerseits ein Durchfallen des festen Einsatzes aus dem Schachtofen in den darunterliegenden Herd ver­ hindert und andererseits im Gegenstrom den Durchfluß der heißen Verbrennungsgase gewähr­ leistet.

Auf dem Rost liegt eine ca. 20 cm hohe Schicht aus hochfeuerfesten Stoffen, z. B. Korundbrocken oder Koks mit Kalksteinen.

Die vorstehend genannten bekannten Schacht­ öfen, die als Brennmaterial keinen Koks verwenden, haben somit das Merkmal, daß im Betrieb das Bettmaterial zum Überhitzen des Schmelzgutes notwendig ist und während des Schmelzprozesses einem Verschleiß unterworfen ist. Das Erfordernis eines Überhitzungsbettes ergibt sich aus dem Umstand, daß der zur Verbrennung des Brenn­ materials bereitgestellte Sauerstoff unter­ stöchiometrisch zugeführt werden muß, damit sicher­ gestellt ist, daß keine Oxidation des geschmolzenen Metalls durch nicht verbrannten Sauerstoff erfolgt. Hierdurch ist die Verbrennung des Brennmaterials nicht vollständig, so daß die erreichbare Flammentemperatur relativ niedrig liegt. Zum Schmelzen des Metalls muß daher die Kontaktzeit zwischen diesem und den Wärme an das Metall abgebenden Stoffen möglichst lang gewählt werden. Zu diesem Zweck dient das Über­ hitzungsbett. Die keramischen Stoffe dieses Bettes verschlacken und Koks wird durch die Gaskomponenten CO₂ und H₂O über die Boudouard- bzw. Wassergas-Reaktionen aufgezehrt. Aus diesem Grund muß den Metallchargen, die den Öfen zuge­ führt werden, ständig eine den Verschleiß kompen­ sierende Menge an neuem Bettmaterial beigefügt werden.

Bei der Verwendung von Keramik oder Koks als Bettmaterial treten relativ große Schlacken­ mengen auf, die die Wirtschaftlichkeit des Ofens herabsetzen, da ein erheblicher Teil an Energie für die Erhitzung, Bildung und Überhitzung der Schlacke benötigt wird. Durch das relativ hohe Gewicht der Bettmaterialien werden hierfür beträchtliche Mengen benötigt, die kostenmäßig eine starke Belastung darstellen. Bei Verwendung von keramischem Bettmaterial treten vorzeitige Erweichungen von diesem auf, da es gegen Schlackenangriffe nicht resistent ist.

In der eingangs genannten, gattungsgemäßen älteren Patentanmeldung P 34 37 911.8 wird das Verfahren zum Schmelzen von Metall im Schachtofen unter Verwendung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs be­ schrieben, bei dem im unteren Abschnitt des Schachtofens ein Trenn- und Überhitzungsbett für das Metall angeordnet wird, das durch die von unterhalb des Bettes nach oben durch den Schachtofen hindurchgeführten Verbrennungs­ produkte aufgeheizt wird, wodurch das Metall geschmolzen und in diesem Zustand unterhalb des Bettes gesammelt wird. Die dem Brenner zugeführte Verbrennungsluft wird vorher er­ wärmt, wobei diese Verbrennung rekuperativ durch die Abgase des Schachtofens erfolgt. Durch diese Maßnahme wird die Flammen­ temperatur des Brenners erhöht und die Wirtschaft­ lichkeit des Schachtofens verbessert. Jedoch kommt man auch bei diesem Verfahren nicht ohne ein Überhitzungsbett aus und die Flammen­ temperatur kann nicht über den Grad der Erwärmung der Verbrennungsluft gesteuert werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, die bekannten Verfahren derart zu verbessern, daß die gewünschte Temperatur für das ge­ schmolzene Metall auf einfache Weise einstellbar ist und auch ohne Verwendung eines Überhitzungs­ betts erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange­ gebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bevorzugte Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases vor der Verbrennung in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur des geschmolzenen Metalls eingestellt wird. Hierbei wird das sauerstoffhaltige Gas rekuperativ durch die Schachtofen-Abgase erwärmt und die Einstellung seiner Temperatur durch Steuerung der Abzugsgeschwindigkeit der Abgase des Schachtofens und/oder durch eine gesteuerte Nachverbrennung der Abgase des Schachtofens vor der Rekuperation und/oder durch Zumischen von Kühlluft zu den Abgasen des Schachtofens vor der Rekuperation erfolgen. Die Einstellung der Temperatur wird somit durch eine ent­ sprechende Änderung systeminterner Parameter durchgeführt, wodurch der Schmelzprozeß auf einfache Weise gesteuert werden kann. Wenn das sauerstoffhaltige Gas auf ca. 400-600°C vorgewärmt wird, kann die Flammentemperatur mindestens 1800°C erreichen, was ausreicht, um beispielsweise eine Eisenschmelze mit einer Temperatur von 1450°C zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt einen Schacht­ schmelzofen teilweise in der Ansicht und teilweise in einer senkrechten Schnittdar­ stellung.

Der gezeigte Schachtofen besitzt einen vertikalen Ofenschacht 1, unter dem sich ein sich in horizontaler Richtung erstreckender Ofenherd 2 befindet. In den Ofenherd 2 mündet ein Brenner 3, der an nicht gezeigte Zuführungsleitungen für den Brennstoff und die Verbrennungsluft ange­ schlossen ist. Die zugeführte Verbrennungs­ luft wird zuvor in einem Rekuperator 4, der zwischen dem Ofenschacht 1 und einem Kamin 5 angeordnet ist und von den heißen Abgasen des Schachtofens durchströmt wird, vorgewärmt. Zwischen dem Ofenschacht 1 und dem Ofenherd 2 befindet sich ein wassergekühlter Tragrost 6. Dieser trägt das zu schmelzende Metall, das über eine Beschickungsöffnung 7 in den Ofen­ schacht 1 eingegeben wird. Direkt auf dem Tragrost 6 kann ein Füllbett ausgebildet sein, das die Stöße durch das herabfallende Metall mildert und damit den Tragrost vor Beschädigungen schützt und das gegebenenfalls auch eine Trennfunktion für das aufschmelzende Metall besitzt. Den Schmelzvorgang selbst beeinflußt dieses Füllbett jedoch nicht.

Die heißen Verbrennungsgase des Brenners 3 strömen aus dem Ofenherd 2 in den Ofenschacht 1, so daß das Metall über dem Tragrost 6 schmilzt und durch diesen hindurchtropft. Am Boden des Ofenherdes 2 sammelt sich die Metallschmelze, deren Temperatur durch die über sie hinweg­ streichenden Brenngase gehalten oder sogar noch erhöht wird. Dem Brenner 3 wird in bezug zum Brennstoff nur so viel Verbrennungsluft zugeführt, daß der in dieser enthaltene Sauerstoff mit Sicherheit vollständig ver­ brannt wird. Diese Maßnahme ist erforderlich, da sonst die Gefahr bestünde, daß das geschmolzene Metall oder etwaige Legierungszusätze oxidieren. Daher ist die allein aus der Verbrennung ge­ wonnene Wärmeenergie in der Regel nicht aus­ reichend, das Metall ohne die Verwendung eines Überhitzungsbettes zu schmelzen.

Durch die rekuperative Erwärmung der Verbrennungs­ luft wird zusätzlich zu der Verbrennungsenergie Wärme über den Brenner 3 in den Ofenherd 2 eingeführt. Hierdurch ergibt sich eine Erhöhung der Flammentemperatur, so daß bei einer Vorer­ wärmung der Verbrennungsluft auf etwa 400-600°C eine Flammentemperatur im Bereich von ca. 1800-2000°C erzielt wird. Mit diesen Flammen­ temperaturen läßt sich die Metallschmelze auf etwa 1450-1600°C aufheizen. In diesem Bereich liegt die geeignete Abstichtemperatur für Eisen.

Die den Ofenschacht 1 verlassenden Abgase haben noch eine Temperatur von etwa 1000°C. Es ist daher möglich, die rekuperative Erwärmung der Verbrennungsluft über einen weiten Bereich auf einen gewünschten Wert einzustellen. Diese Einstellung kann selbsttätig in Abhängigkeit von verschiedenen gemessenen Parametern erfolgen. Solche Parameter sind beispielsweise die Temperatur der Metallschmelze und die Temperatur im Feuerraum vor dem Brenner 3.

Zur Einstellung der Temperatur der vorerwärmten Verbrennungsluft können verschiedene Maßnahmen einzeln oder in Kombination getroffen werden. Eine dieser Maßnahmen ist die gesteuerte Zufuhr von Kühlluft über eine nicht gezeigte Öffnung in den oberen Teil des Schachtofens 1, das heißt in den Bereich zwischen dem zu schmelzenden Metall und dem Rekuperator 4. Eine weitere Maßnahme ist die Anordnung eines steuerbaren Saugzuggebläses im Kamin 5, das beispielsweise aus einer verstellbaren Drosselklappe und einem Ventilator besteht. Hiermit kann die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase durch den Rekuperator 4 gesteuert werden, wodurch auch die Wärmeabgabe von den Abgasen auf die Ver­ brennungsluft im Rekuperator 4 beeinflußt wird. Da der zur Verbrennung benötigte Sauerstoff unterstöchiometrisch zugeführt wurde, ist der über den Brenner 3 eingebrachte Brennstoff nur unvollständig verbrannt, so daß die Ver­ brennungsgase beispielsweise noch CO enthalten. Durch Zuführung von Luft in die das zu schmelzende Metall verlassenden Abgase kann daher eine Nachverbrennung durchgeführt werden, durch die die Abgase weiter aufgeheizt werden und damit auch eine Temperaturerhöhung der Verbrennungs­ luft im Rekuperator 4 möglich ist. Hierzu ver­ läuft um den Ofenschacht 1 herum eine Ringleitung 8, über die der zur Nachverbrennung benötigte Sauerstoff durch geeignete Öffnungen in der Wandung des Ofenschachts 1 in diesen einge­ leitet wird. Diese drei Maßnahmen bieten die Möglichkeit, die Temperatur der vorgewärmten Verbrennungsluft über einen weiten Bereich in gewünschter Weise einzustellen. Damit läßt sich auch die Flammentemperatur bis zu Tempera­ turen von etwa 2000°C zur Erzielung der ge­ wünschten Abstichtemperatur der Schmelze regeln.

Claims (9)

1. Verfahren zum Schmelzen von Metall in einem Schachtofen unter Verwendung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs mit einem unteren Ende des Schachtofens befindlichen Rost zur Stützung des in den Schachtofen eingebrachten, noch nicht geschmolzenen Metalls, das durch die von unten nach oben durch den Schachtofen hindurchgeführten Verbrennungsprodukte geschmolzen und in diesem Zu­ stand unterhalb des Rostes gesammelt wird, wobei das zur Verbrennung des Brennstoffs benötigte sauer­ stoffhaltige Gas vor der Verbrennung rekuperativ durch die Abgase des Schachtofens erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des sauerstoffhaltigen Gases in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur des geschmolzenen Metalls dadurch eingestellt wird, daß eine gesteuerte Temperaturbeeinflussung des sauerstoffhaltigen Gases vor der Rekuperation erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas auf ca. 400-600°C vor­ gewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammentemperatur mindestens 1800°C beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Temperaturbeein­ flussung durch Steuerung der Abzugsgeschwindigkeit der Abgase erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gesteuerte Temperaturbeein­ flussung durch Nachverbrennung der Abgase er­ folgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gesteuerte Temperaturbe­ einflussung durch Zumischung von Kühlluft zu den Abgasen vor der Rekuperation erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens am Beginn des Schmelz­ vorganges ein den Rost (6) vor mechanischen Be­ schädigungen durch das nicht geschmolzene Metall schützendes Bett im Schachtofen (1) aufgebaut wird.

8. Schachtofen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kamin (5) des Schachtofens (1) mit einem Rekuperator (4) ausgestattet und oberhalb des Rekuperators (4) ein steuerbares Gichtgas-Saugzuggebläse ange­ ordnet ist.

9. Schachtofen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Ofenschacht (1) oberhalb des für die Aufnahme des zu schmelzenden Metalls vorgesehenen Abschnitts Einlaßöffnungen für die Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases vorgesehen sind.