DE4338985A1 - Einrichtung zum Schmelzen von eisenmetallischen Werkstoffen in einem Herd-Schacht-Ofen - Google Patents

Einrichtung zum Schmelzen von eisenmetallischen Werkstoffen in einem Herd-Schacht-Ofen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schmelzen und Überhitzen von eisenmetallischen Werkstoffen, insbesondere von Gußeisen, in einem mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen gefeuerten Herd-Schacht- Ofen mit vollständiger Nachverbrennung der während des Schmelz- und Überhitzungsprozesses entstehenden unverbrannten Gichtgasbestandteile und mit einer mi­ nimierten NOx-Emission im Abgas.
Ein Herd-Schacht-Ofen der genannten Art ist Gegen­ stand des DD-AP 2 99 917 A7. Wesentliche Baugruppen sind die über dem wassergekühlten Rost liegende Schüttsäule mit einer Höhe bis zu 2000 mm, der den gleichmäßig über den Ofenumfang verteilten Luftdüsen angrenzende und als Brennkammer wirkende Ofenschacht mit einer Temperaturmeßstelle und einer Beschickungs­ öffnung sowie ein Rekuperator mit einer weiteren Temperaturmeßstelle. Unterhalb des Halterostes befin­ den sich der als Sammler ausgebildete und seitlich am Ofenschacht fest angeordnete Herd sowie der an der Stirnseite des Herdes installierte Heißwind-Gas-Bren­ ner. Durch DE-AS 22 04 042 ist desweiteren ein Herd- Schacht-Ofen zum Schmelzen von Eisen bekannt, der aus einem vertikalen Schacht mit einer Einsatztür am Oberende, einer zwischen Schacht und Herd angeordne­ ten wassergekühlten Halteeinrichtung für die Schütt­ säule, dem unterhalb des Schachtes und der Halteein­ richtung angeordneten zylindrischen Herd mit einer Wanne zur Aufnahme der Schmelze und einer um den Herd herum angeordneten Brennereinrichtung zur Verwendung einer fluiden Brennstoff/Luft-Mischung besteht. Bei beiden Herd-Schacht-Öfen bewegen sich das metallische Einsatzmaterial und die Zuschlagstoffe im Gegenstrom­ prinzip zu den heißen Verbrennungsprodukten, wobei durch Energieübertragung das metallische Einsatzma­ terial oberhalb der wassergekühlten Halteeinrichtung geschmolzen und teilweise überhitzt und im unterhalb der Halteeinrichtung angeordneten Herd gesammelt und weiter überhitzt wird. Die praktisch bis zu 2000°C heißen Verbrennungsgase der mit Luft umgesetzten gas­ förmigen oder fluiden Brennstoffe strömen durch die Schüttsäule oberhalb der wassergekühlten Halteein­ richtung und kühlen sich hierbei ab. Bei der in DD-AP 2 99 917 A7 dargestellten Variante ist durch die maximale Schüttsäulenhöhe bis zu 2000 mm und durch die den Luftdüsen angrenzende Brennkammer eine voll­ ständige Nachverbrennung der die Schüttung verlassen­ den Ofengase, welche die Selbstzündtemperatur nicht unterschreiten, möglich. Der Nachteil von Herd- Schacht-Öfen mit Brennereinrichtungen zum Umsatz gasförmiger oder fluider Brennstoffe mit Luft, die bis zu Temperaturen von 600°C erwärmt sein kann, be­ steht darin, daß ab Verbrennungstemperaturen von 1300°C nennenswerte Stickstoffmonoxidbildungen auf­ treten, die Stickstoffdioxidemissionen hervorrufen. Diese können in Abhängigkeit von der Temperatur der Verbrennungsluft 800 bis 1100 mg/m³ Abgas betragen. Diese Emissionen sind damit wesentlich höher als die von den Betreibern von Herd-Schacht-Öfen zur Erzeu­ gung von eisenmetallischen Legierungen gewünschten und in Kokskupolöfen erreichbaren Werte < 250 mg Stickoxide/m³ Abgas. Dadurch ist der Einsatz dieser Schmelzaggregate aus ökologischen und umweltschutz­ technischen Gründen heraus eingeschränkt. Ein weite­ res Schmelzaggregat zum Erschmelzen eisenmetallischer Legierungen ist der Drehtrommelofen, der seit Einsatz von Sauerstoffbrennern in der Schmelztechnik eine Renaissance erlebt. Ein solches Schmelzaggregat ist in DE 40 26 414 A1 dargestellt. Wesentliche Baugruppen sind der liegend angeordnete walzenförmige Ofenkörper mit einem stirnseitig angeflanschten Sauerstoff-Gas- oder Sauerstoff-Öl-Brenner und die an der anderen Seite ebenfalls stirnseitig angeflanschte Abgasein­ richtung. Nachteilig ist, daß Drehtrommelöfen grund­ sätzlich im Chargenbetrieb betrieben werden müssen und somit für eine kontinuierliche Flüssigeisenver­ sorgung der Gießerei nur durch Einsatz mehrerer Schmelzaggregate, welche wechselweise im quasikonti­ nuierlichen Betrieb arbeiten, in Frage kommen. Weiterhin ergeben sich Einschränkungen in der bereitstellbaren Menge Flüssigeisen pro Zeiteinheit. Dies führt dazu, daß Drehtrommelöfen grundsätzlich nur für Unternehmen mit einem Flüssigeisenbedarf von max. 2-5 t/h Flüssigeisen effektiv einsetzbar sind. Auf Grund der technischen Anordnung und der reali­ sierten Wärmeübertragung im Ofenkörper auf das Ein­ satzmaterial sowie durch die ausgeprägte oxidierende Fahrweise der Brenner mit Sauerstoffüberschuß ist mit Rauchgasaustrittstemperaturen von 1500 bis 1600°C zu rechnen. Diese müssen vor Eintritt in die Entstau­ bungsanlage zur Realisierung der Emissionsgrenzwerte für Staub von ← 20 mg/m³ Abgas durch Einsatz von Falschluft heruntergekühlt werden. Die oxidierende Fahrweise der Brennereinrichtung führt weiterhin me­ tallurgisch zu erhöhtem Abbrandverhalten bezüglich der Elemente Kohlenstoff, Silizium und Mangan. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht des­ halb darin, eine Einrichtung zum Schmelzen und Über­ hitzen von eisenmetallischen Werkstoffen, insbeson­ dere von Gußeisen, in einem kontinuierlich schmelzenden und mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen gefeuerten Herd-Schacht-Ofen mit voll­ ständiger Nachverbrennung der während des Schmelz- und Überhitzungsprozesses entstehenden unverbrannten Gichtgasbestandteile und mit einer minimierten NOx- Emission im Abgas zu schaffen, die die Bildung von Stickoxiden beim Umsatz der Brennstoffe verhindert und ohne Falschluftzufuhr niedrige Rauchaustritts­ temperaturen garantiert. Erreicht wird dies dadurch, daß die Brennkammer eines Sauerstoff-Gas- oder Sauerstoff-Öl-Brenners über eine Gasleitung mit einer Ofengasabsaugeinrichtung, die unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe angeordnet ist, verbunden ist. Damit kann eine Teilmenge des Ofengases mit Temperaturen < 400°C als Kreislaufgas im Herd-Schacht-Ofen geführt werden. Das über die metallurgischen Reaktionen in der Schüttsäule oberhalb des wassergekühlten Halte­ rostes entstehende Ofengas ist CO-, CO₂- und wasser­ dampfhaltig. Die aus der Verbrennung der Mischung von Gas oder Öl und Kreislaufgas im Brenner resultie­ renden heißen Verbrennungsgase werden im Bereich der Brennerebene, die sich unterhalb des wassergekühlten Halterostes und oberhalb der im Herd gesammelten Schmelzmenge befindet, dem Herd-Schacht-Ofen wieder zugeführt. Auf Grund des ausschließlichen Einsatzes von Sauerstoff und des damit fehlenden Anteiles Luftstickstoff bei der Umsetzung des fluiden bzw. gasförmigen Brennstoffes im Brenner sowie der gleich­ zeitig einsetzenden Kühlwirkung des im Vergleich zum Brennergas kalten Kreislaufgases, womit wiederum eine Reduzierung der Mischtemperatur des Brennergases bewirkt wird, ist die temperaturabhängige NOx-Bildung und somit die NOx-Beladung des in den Ofen eintreten­ den Brennergases minimiert. Dementsprechend ist die NOx-Emission des Teilstromes von unterhalb der maxi­ malen Schüttsäulenhöhe nicht abgezogenen und weiter der Entstaubung und Gaswirtschaft zugeführten Abgase ebenfalls minimiert. Mit der Reduzierung der Brenner­ gastemperaturen über die Mischung von Kreislaufgas mit den Brennergasen erfolgt gleichzeitig eine Ver­ ringerung des ebenfalls temperaturabhängigen und bei ca. 1700°C beginnenden Dissoziationsverhaltens der Gaskoponenten H₂O, CO₂ und CO, wodurch das oxidierende Verhalten der Brenner-/Ofengase im Herd und im Schacht in der Schüttsäule eingeschränkt wird. Das führt zu einem besseren metallurgischen Schmelz­ verhalten, das im Ergebnis durch eine Verringerung des Kohlenstoff-, Silizium- und Manganabbrandes sowie durch eine eingeschränkte FeO-Bildung im Rostbereich des Herd-Schacht-Ofens und somit durch einen techno­ logisch stabileren Ofengang charakterisiert ist. Weiterhin ist mit der Absaugung des Ofengases unter­ halb der maximalen Schüttsäulenhöhe im Schacht eine wesentliche Verringerung des Volumenstromes der Ab­ gasmenge von öl- oder gasbeheizten Herd-Schacht-Öfen verbunden. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Ver­ ringerung der Anlagenkosten durch Wegfall eines Heißlufterzeugers und eine Minimierung der Gaswirt­ schaft inkl. der Entstaubungsanlage erreicht. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist somit eine umwelt­ technisch unbedenkliche, kostengünstige, kontinuier­ liche und sichere Durchführung des Schmelzens und Überhitzens von eisenmetallischen Werkstoffen im gas- oder ölbeheizten Herd-Schacht-Ofen möglich.
Die Erfindung soll am Beispiel des Schmelzens von Grauguß näher erläutert werden. Hierzu zeigt Fig. 1 einen Herd-Schacht-Ofen mit erfindungsgemäßer Einrichtung im Schnitt. Es ist dargestellt, daß die Brennkammer 11 eines Sauerstoff-Erdgas-Brenners über eine Gasleitung 12 mit einer Ofengasabsaugeinrichtung 4, welche unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe 9 angeordnet ist, verbunden ist. Das Absaugen des Kreislaufgases kann über einen Lüfter oder Radiator bzw. über einen Gasstrahlverdichter durch Nutzung der Ejektorwirkung erfolgen. Die Zuführung des Brenn­ stoffes Erdgas sowie des Sauerstoffes erfolgt über die Zuleitungen 6 und 7 zum Brenner direkt. Das Brennersystem ist unterhalb des wassergekühlten Hal­ terostes 5 sekantenartig zum Herd 8 angeordnet.
Oberhalb der Begichtungsöffnung 2 ist eine Gichtgas­ absaugung 1 installiert, die mit der Gaswirtschaft 13 verbunden ist. Die Begichtungsöffnung 2 ist mit dem Schrägaufzugskübel 14 der Gattierung gekoppelt. Über den Schrägaufzugskübel 14 wird der Herd-Schacht-Ofen mit einer Gattierung, bestehend aus 70% Gußbruch, 28% Kreislaufmaterial und 1% FeSi-75, durch die Gat­ tierungsöffnung 2 beschickt. Dadurch baut sich auf dem wassergekühlten Halterost 5 eine Schüttsäule mit der max. Höhe 9 von 2000 mm auf. Die Beschickung des Ofens ist zeitlich und mengenmäßig so organisiert, daß sich die minimale und auch die maximale Schütt­ säulenhöhe 9 zwischen den Luftdüsen 3 und der Ofengasabsaugung 4 einstellt.
Die Gattierungsanalyse ergibt sich zu 3,33% C, 3,09% Si, 0,61% Mn, 0,56% P und 0,12% S. Zum Schmelzen erfolgt über den Sauerstoff-Erdgas-Brenner der Umsatz von 70 m³ Erdgas mit 180 m³ Sauerstoff pro Tonne Eisen. Gleichzeitig werden 150 m³ Ofengas pro Tonne Eisen der Brennkammer 11 des Sauerstoff- Erdgas- Brenners zugesetzt. Die heißen Brenngase mit Temperaturen von 1900°C werden durch die sekanten­ artige Brenneranordnung in den Herdbereich 8 einge­ bracht, steigen durch den wassergekühlten Halterost 5 und die Schüttsäule 9 hindurch. Dabei laufen tempera­ tur- und konzentrationsabhängige metallurgische und thermochemische Reaktionen zwischen den Komponenten des Ofengases CO₂ und H₂O sowie den Dissoziations­ produkten CO und H₂ und den Einsatzmaterialien sowie zwischen den beim Aufschmelzen gebildeten Schlacken, Einsatzstoffen bzw. Schlacken und Ofengasen ab. Der aus der Schüttsäule 9 austretende Teilstrom des nicht im Kreislauf gefahrenen Ofengases von 60 m³/t Eisen wird durch gastemperatur- und Lambda-geregelte Luft­ zufuhr über die Luftdüsen 3 in der Nachverbrennungs­ kammer 10 unterhalb der Begichtungsöffnung 2 nach­ verbrannt und nachfolgend von der Gichtgasabsaugung 1 der Gaswirtschaft 13 zugeführt. Über die metallurgi­ schen und thermochemischen Reaktionen im Ofenschacht und über die Wirkung der Brennergase im Ofenherd auf die dort gesammelte Schlacke und Schmelze ergibt sich unter Zusatz von 0,7% Aufkohlungsmittel auf der Rinne des Ofens eine Rinneneisenanalyse von 3,54% C, 2,49% Si, 0,52% Mn, 0,57% P und 0,11% S. Der Teilstrom des in der Gaswirtschaft 13 zu verarbei­ tenden Ofengases beträgt 352 m³ Abgas/t Eisen. Die NO₂-Emission liegt mit 250 mg/m³ Abgas unterhalb der NO₂-Emissionen von gasbeheizten Schmelzöfen im Bereich der NO₂-Emissionen des klassischen Koksku­ polofens. Eine SO₂-Emission tritt durch Einsatz des schwefelfreien Brennstoffes Erdgas nicht auf. Die CO-Emission wird durch Einsatz der Nachverbrennungs­ einrichtung mit < 500 mg/m³ Abgas bestimmt. Der CO₂- Ausstoß wird auf übliche Werte von 100 m³/t Eisen begrenzt. Das Schmelzaggregat arbeitet kontinuierlich mit einem energetischen Wirkungsgrad von 40 Prozent.

Claims (1)

  1. Einrichtung zum Schmelzen und Überhitzen von eisenmetallischen Werkstoffen, insbesondere von Guß­ eisen, in einem mit flüssigen oder gasförmigen Brenn­ stoffen gefeuerten Herd-Schacht-Ofen mit vollständi­ ger Nachverbrennung der während des Schmelz- und Überhitzungsprozesses entstehenden unverbrannten Gichtgasbestandteile und mit einer minimierten NOx Emission im Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (11) eines Sauerstoff-Gas- oder Sauerstoff-Öl-Brenners über eine Gasleitung (12) mit einer Ofengasabsaugeinrichtung (4), die unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe (9) angeordnet ist, ver­ bunden ist.
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