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.