DE3916503C1 - - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen im kokslos betriebenen Kupolofen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen, insbesondere von Gußeisen, im kokslos betriebenen Kupolofen und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens, wobei der kokslos betriebene Kupolofen ein vertikal stehendes Gehäuse aufweist, das innen mit einem Futter aus feuerfestem Material ausgekleidet ist, im unteren Teil einen Rost enthält, der mit einem Bett von lose gepackten feuerfesten Körpern versehen ist, und bei dem unterhalb des Rostes mit einem Abstand vom Rost die Brenner angeordnet sind.

Kokslos betriebene Kupolöfen zum Schmelzen von Metallen sind seit Jahrzehnten bekannt, z. B. gemäß der DE-B 15 83 279 , wobei die zur Schmelze erforderliche Energie vornehmlich mit Hilfe gasförmiger oder flüssiger Energieträger erzeugt wird. Dies hat gegenüber der Koksbefeuerung von Kupolöfen zahlreiche Vorteile.

Durch den Wegfall von Füll- und Satzkoks erhält man eine bessere Ofenfüllung und eine wesentlich erleichterte Schlackenarbeit. Die Temperaturregulierung im Ofen kann einfacher, d. h. schneller und genauer erfolgen. Entstaubung und Reinigung der Abgase, die bei koksbefeuerten Öfen einen großen apparativen und betriebstechnischen Aufwand erfordern, sind auf ein geringes Ausmaß reduziert. Die Schwierigkeiten, die beim koksbefeuerten Ofen durch den Schwefelgehalt des Kokses auftreten, bestehen nicht. Ferner ist der wärmetechnische Wirkungsgrad, welcher bei koksbefeuerten Kupolöfen etwa 30% beträgt, mit bis zu 70 bis 75% bedeutend wirtschaftlicher.

Obwohl Schmelzvorrichtungen und Verfahren zum kokslosen Schmelzen seit langem zum Stand der Technik gehören und wegen des ständig steigenden Umweltbewußtseins, der diesbezüglich immer strengeren Auflagen und ferner aus Gründen einer rationellen Produktion bevorzugt angewendet werden sollten, konnten sie bisher nicht so weit entwickelt werden, daß sie den heute üblichen Anforderungen an Gießereiprodukte in jeder Hinsicht genügen. Befriedigende Ergebnisse hinsichtlich reproduzierbarer und konstanter Qualitätsmerkmale des Schmelzproduktes ließen sich bisher nicht erzielen.

Eine Verbesserung der Verfahrenstechnik bzw. eine Beseitigung der bekannten Nachteile der kokslos betriebenen Kupolöfen wurde bisher nur im apparativen Bereich gesucht, so z. B. mittels nachgeschalteter lnduktionsrinnenöfen (DE-A-32 21 241) oder durch eine Erweiterung des Ofenherdes mit Abschrägung zur Vergrößerung der Abstrahlfläche (DE-B-37 42 349) oder durch Führung des Heizgases durch Leitungen, die in erhitzten Teilen der Ofenauskleidung verlegt sind (DE-B-15 83 279).

Die bekannten Anstrengungen mit dem Ziele der Verfahrens- und Produktoptimierung führten letztlich nur zu apparativen Maßnahmen mit dem Ergebnis einer verbesserten Energieausnutzung der Brennstoffe, aber nicht zum Sicherstellen eines konstanten Schmelzproduktes mit gleichbleibenden Qualitätsmerkmalen. Insbesondere erreichte man weder eine gleichmäßige Graphitausbildung, vorzugsweise als A-Graphit, noch ein homogenes Metallgefüge.

Die oben angeführten Beispiele zum Stand der Technik zeigen ein lebhaftes Bemühen, jedoch wurde nie versucht, die bestehenden Probleme durch verfahrensmäßige Änderungen zu lösen, etwa dadurch, daß man die Schmelze unmittelbar und mit frühzeitig wirksam werdenden Mitteln behandelt, die im Kupolofen selbst während der Verflüssigungsvorgänge und vor dem Abstich bzw. vor der Ansammlung des geschmolzenen Materials im Ofenherd verwendet werden. Derartige qualitätsfördernde Maßnahmen gehören beim koksbefeuerten Kupolofen, bei dem allerdings sowohl in betriebstechnischer als auch in chemischer und metallurgischer Hinsicht gänzlich andere Verhältnisse vorliegen, zum Stand der Technik.

So sind in FR-A-12 26 487 und DE-C-23 29 772 Verfahren für ausschließlich koksbefeuerte Kupolöfen beschrieben, nach denen einerseits Qualitätsverbesserungen und andererseits die Konstanthaltung gewünschter Qualitätsstandards dadurch erreicht werden, daß man in den Kupolofen im Bereich der Schmelzzone, das heißt in dem Ofenbereich, in dem das Metall am glühenden Koks schmilzt und abfließt, bestimmte Substanzen einspritzt. Diesbezüglich ist in der oben angeführten DE-C-23 29 772 ein Verfahren zum Raffinieren, zum Aufsticken sowie zum Aufkohlen oder Entkohlen beschrieben, bei dessen Anwendung sich aus heterogenen Ausgangsmaterialien durch korrigierende Zusätze in Form von chemischen Substanzen definierte Gußqualitäten erschmelzen lassen. Als derartige Zusätze dienen unter anderem Stickstoff und/oder Halogen freisetzende Verbindungen in flüssiger oder gasförmiger Form, und außerdem im Falle eines gewünschten Aufkohlens Verbindungen aus der Destillation von Produkten vegetabilischen Ursprungs und im Falle eines gewünschten Entkohlens solche Verbindungen, die bei Schmelztemperatur Sauerstoff freisetzen.

Demgegenüber wurde jedoch nie erwogen, eine derartige Verfahrensweise auch beim kokslos betriebenen Kupolofen zu nutzen. Einer solchen Überlegung stand nämlich unter anderem die Vorstellung entgegen, daß die Schmelzzone, die ja nur oberhalb des auf dem Rost liegenden Bettes aus feuerfesten Körpern liegt, in ihrer Höhe (etwa 16 cm) viel zu gering sei, als daß die zugesetzten Substanzen ihre Wirkung entfalten könnten. Bei den bekannten Verfahren wurde immer hervorgehoben, daß die zugesetzten Substanzen in der am glühenden Koks abfließenden Schmelze, also sofort bei der Verflüssigung des Metalls, zur Reaktion kommen müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen in einem kokslos betriebenen Kupolofen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, bei deren Anwendung ein konstantes Schmelzprodukt und gleichbleibende Qualitätsstandards des Erzeugnisses, insbesondere ein gleichmäßiges Kristallgefüge und eine definierte Graphitausbildung erreicht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens gemäß der kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß man bei kokslos betriebenen Kupolöfen dann zu hervorragenden Ergebnissen kommt, wenn man - im Gegensatz zu dem beim koksbefeuerten Kupolofen bekannten Verfahren - die Substanzen nicht in die Schmelzzone, sondern in den zwischen den Brennern und dem mit dem Bett aus feuerfesten Körpern versehenen Rost gelegenen Raum einspritzt. Diese Injektion kann mittels Lanzen oder Düsen erfolgen. Im allgemeinen beginnt man den Schmelzprozeß unter Beachtung aller beim konventionellen Schmelzen üblichen Bedingungen und führt gleichzeitig die vorgesehenen Substanzen zu.

Es konnte nicht erwartet werden, daß bei der kurzen Einwirkungszeit der Substanzen auf die vom Rost herabfallenden Schmelztropfen gleiche Ergebnisse möglich sein könnten wie bei der nach dem Stand der Technik üblichen Zuführung der Substanzen in die am glühenden Koks abfließende Schmelze. Auch wegen der Oberflächenspannung der freifallenden Tropfen war man gehindert, zu vermuten, daß die gemäß der Erfindung erteilte Lehre zum Erfolg führen könnte.

Hinzu kommt, daß die Temperatur der gesammelten Schmelze beim kokslos betriebenen Kupolofen etwa um 200°C niedriger ist als beim koksbefeuerten Kupolofen. Dies bedeutet, daß die die chemischen Reaktionen begünstigende höhere Temperatur beim kokslosen Kupolofen nicht zur Verfügung steht.

Überraschend ist auch, daß man gemäß der Erfindung beim kokslos betriebenen Kupolofen gegenüber dem bekannten Verfahren am koksbefeuerten Kupolofen mit etwa der halben Menge an Zusatzsubstanzen pro Tonne Metall auskommt, z. B. mit 1 bis 2 Liter pro Tonne.

Die zuzusetzenden Substanzen können beispielsweise zur Raffinierung und/oder Keimanreicherung dienen. Solche Substanzen können dieselben sein, wie sie in der oben beschriebenen DE-C-23 29 772 offenbart sind, und zwar insbesondere Stickstoff freisetzende Verbindungen, z. B.
Wasserstoffverbindungen des Stickstoffs, wie Ammoniak oder Hydrazin bzw. deren Derivate, ferner organische Nitroverbindungen, wie Nitrobenzol;
Halogen freisetzende Verbindungen, wie Methylchlorid, Chlorbenzol oder Fluorbenzol;
Halogen und Stickstoff freisetzende Verbindungen als monochlorierte und nitrierte organische Verbindungen.

In vorteilhafter Weise werden von den genannten Substanzen solche, die bei Hitzeeinwirkung zur Verkokung neigen, als Lösung, und zwar in einem die Verkokung verhindernden Lösungsmittel, eingespritzt. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Cyclohexan, Toluol oder Xylol, ferner chlorierte Lösungsmittel, die bei Schmelztemperatur Chlor freisetzen.

Erfindungsgemäß gewinnt man beispielsweise in zuverlässiger Weise einen Grauguß verringerter Wanddickenempfindlichkeit und perlitischer Gefügeausbildung und mit einer überwiegenden Graphitausbildung vom Typ A.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist im Patentanspruch 9 angegeben und in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Der Kupolofen 1 hat ein vertikal stehendes, zylindrisches Gehäuse 2, das innen mit einem Futter 3 aus feuerfestem Material ausgekleidet ist. Im unteren Teil des Kupolofens 1 befindet sich der Rost 4, auf dem ein Bett 5 aus feuerfesten Körpern gepackt ist. Oberhalb dieses Bettes 5 wird der Kupolofen 1 mit dem zu schmelzenden Material beschickt.

Das Fußende des Kupolofens 1 ist als Sammelraum 8 für die Schmelze ausgebildet. Ein seitlich angesetzter Syphon 9 führt mit einem Steigrohr 10 zur Abflußrinne 11; ein Fallrohr 12 führt zum Schlackenabzug 13.

In deutlichem Abstand unterhalb des Rostes 4 (z. B. von etwa 90 cm bei einem gegebenen Ofendurchmesser von 130 cm) sind in einer radialen Ebene die Brenner 7 mit ihren Flammenführungen 6 angeordnet. Für eine gute und gleichmäßige Beheizung sind mehrere Brenner 7 erforderlich. Die Anzahl der Brenner 7 richtet sich nach dem Ofendurchmesser. Die Brenner 7 sind gleichmäßig über den Ofenumfang verteilt. Erfindungsgemäß ist in den Raum zwischen dem Rost 4 und den Brennern 7 wenigstens eine Lanze 15 durch eine Führung 14 in der Ofenwand eingeführt. Die Lanze 15 dient zur lnjektion der qualitätsverbessernden Substanzen. Die Lanzenspitze schließt mit der Innenwand des Ofens ab. Eine Lanze 15 ist vorzugsweise schräg nach unten gerichtet, und ihre Mündung ist so ausgebildet, daß der austretende Strahl nach oben gegen den Rost 4 gerichtet ist.

Anstelle von Lanzen 15 können auch lnjektionsdüsen vorgesehen sein, deren Anzahl sich ebenfalls nach dem Ofendurchmesser richtet.

Um einen gleichmäßig verteilten Heizgasstrom zwischen der Ebene der Brenner 7 und dem Rost 4 zu gewährleisten, werden die einzelnen Brenner 7 mittels einer Computersteuerung für die Luft- und Brennstoffzuleitung ständig auf gleicher Leistung gehalten.

Für die Durchführung der Erfindung können kokslos arbeitende Kupolöfen bekannter Konstruktion nach entsprechender Umrüstung verwendet werden. Als besonders geeignet hat sich der in der oben erwähnten DE-A-32 21 241 offenbarte Ofen (Düker) erwiesen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Schmelzen von Metallen, insbesondere von Gußeisen, im kokslos betriebenen Kupolofen, bei welchem auf einem Rost (4) ein Bett von feuerfesten Körpern gepackt ist und unter dem Rost (4) mit Abstand von diesem Brenner (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum zwischen Rost (4) und Brenner (7) Substanzen eingespritzt werden, die eine Qualitätsverbesserung und eine Konstanthaltung der Qualität des Gießprodukts bewirken.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schmelzprozeß unter Beachtung aller beim konventionellen Schmelzen üblichen Bedingungen beginnt und gleichzeitig die vorgesehenen Substanzen mittels Lanzen (15) oder Düsen einspritzt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Substanzen einspritzt, die eine Raffinierung und/oder Keimanreicherung bewirken.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Stickstoff freisetzende Verbindungen, insbesondere Wasserstoffverbindungen des Stickstoffs, wie Ammoniak oder Hydrazin oder deren Derivate oder organische Nitroverbindungen, insbesondere Nitrobenzol, einspritzt.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Halogen freisetzende Verbindungen, vorzugsweise Methylchlorid, Chlorbenzol, Fluorbenzol, einspritzt.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Stickstoff und Halogen freisetzende Verbindungen, vorzugsweise monochlorierte und nitrierte organische Verbindungen, einspritzt.

7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Substanzen in einem ihre Verkokung verhindernden Lösungsmittel gelöst einspritzt.

8. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als verkokungsverhinderndes Lösungsmittel Cyclohexan, Toluol, Xylol oder chlorierte Verbindungen, die bei Schmelztemperatur Chlor freisetzen, verwendet.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8, bestehend aus einem kokslos betriebenen Kupolofen (1) mit einem vertikal stehenden Gehäuse (2), das innen mit einem Futter (3) aus feuerfestem Material ausgekleidet ist, wobei im unteren Teil des Ofens (1) ein Rost (4) mit einem Bett (5) lose gepackter feuerfester Körper angeordnet ist, und unterhalb des Rostes (4) mit Abstand zu ihm Brenner (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rost (4) und den Brennern (7) wenigstens eine Lanze (15) durch eine Führung (14) in der Ofenwand eingeführt ist, wobei sich die Anzahl der Lanzen (15) nach dem Durchmesser des Ofens (1) richtet.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lanze (15) schräg nach unten gerichtet ist, und ihre Mündung so ausgebildet ist, daß der austretende Strahl nach oben gerichtet ist.

11. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von Lanzen (15) Düsen vorgesehen sind, deren Anzahl sich nach dem Durchmesser des Ofens (1) richtet.

12. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine die Leistung der Brenner (7) konstanthaltende Computersteuerung für die Luft- und Brennstoffzuleitung zu den Brennern (7).