DE4432924C2 - Verfahren zum Schmelzen von Metallschrott und elektrischer Lichtbogenofen zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Me­ tallschrott sowie einen entsprechenden elektrischen Lichtbo­ genofen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung der Gasströmung im Innenraum von solchen elektrischen Licht­ bogenöfen.

Normalerweise erzeugen elektrische Lichtbogenöfen eine natür­ liche Konvektionsströmung von heißen Gasen im Innenraum des Ofens, die sich im wesentlichen in Form eines großen Ringwir­ bels bewegt. Der heiße Lichtbogen erzeugt zunächst einmal ein Plasma, das sich von der Elektrode weg radial ausdehnt. Kurz danach steigen aber das Plasma und heiße Gase um die Elek­ trode herum senkrecht nach oben. Dadurch bildet sich ein Sog, und die aufsteigenden heißen Gase werden durch kühlere Gase vom Umfang des Ofens her ersetzt, die zum Zentrum des Ofens strömen. Die dadurch im Ofen erzeugte Zirkulation bewirkt, daß die Temperatur der Elektrode ansteigt. Dieser Temperatur­ anstieg erhöht den Elektrodenverbrauch. Die vertikale Strö­ mung um die Elektrode herum erzeugt außerdem einen Überdruck auf die Elektrodenöffnung, was in zunehmendem Maße zu Emis­ sionen führt. Abgesehen von der Erwärmung der Elektrode pral­ len die heißen Gase auch gegen die feuerfeste Auskleidung, welche die Elektrode umgibt, so daß ein vorzeitiger Ver­ schleiß dieses feuerfesten Materials hervorgerufen wird.

Wenn die aufsteigenden heißen Gase den Deckel des Ofenraumes erreichen, strömen diese heißen Gase in radialer Richtung längs des Deckels zu dessen Umfang. Da der Deckel in den mei­ sten Fällen wassergekühlt ist, verlieren die Gase wertvolle Wärme, die anderweitig genutzt werden könnte, beispielsweise zum Vorheizen von Metallschrott. In ähnlicher Weise entweicht Energie ungenutzt durch einen Abgasauslaß, wobei auch diese Energie genutzt werden könnte, um den Metallschrott vorzuwär­ men.

Es sind bereits Verfahren zur Beeinflussung der Zirkulation von heißen Gasen in einem Ofenraum bekannt. In der europäi­ schen Veröffentlichung EP-A-0 462 898 ist beispielsweise vor­ gesehen, daß Gas in tangentialer Richtung eingeblasen wird, und zwar längs des Umfanges eines Schrott-schmelzenden elek­ trischen Lichtbogenofens in zwei gegeneinander rotierenden horizontalen Ebenen. Gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DE-A-36 29 055 ist vorgesehen, daß Gase in den Ofenraum eingeblasen werden, wobei die Gase auf die kalten Stellen des Ofens gerichtet sind, während zur gleichen Zeit Gas durch Einblasöffnungen eingeblasen wird, welche sich unterhalb des Pegels des flüssigen Metalls bzw. der Metallschmelze befin­ den. Diese beiden Veröffentlichungen geben jedoch keinerlei Anregung, eine Gaszirkulation zu verwenden, mit der die ein­ gangs geschilderten Nachteile ausgeräumt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die zugeführte Energie in vorteilhafter Weise genutzt und die Führung der Gasströme in effizienter Weise verbessert wird, so daß der Wirkungsgrad erhöht wird.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Dabei wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß ein Lichtbogenofen zur Verfügung steht, in welchem die Gase derart in den Ofen­ raum eingeblasen werden, daß eine Umkehrung der sonst auftre­ tenden natürlichen Zirkulation in dem Ofen erzielt wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Lichtbogenofen zur Verfügung steht, bei dem die Gase kräftig in den Ofenraum eingeblasen werden, derart, daß diese heißen Gase in die Schrottmasse eindringen und dadurch den Schrott vorwärmen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Lichtbogenofen zur Verfügung steht, in den ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeblasen wird, mit der Folge, daß die Verbrennung der Gase in dem Ofen unterstützt wird.

Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Lichtbogenofens besteht darin, daß die heißen Gase in der Weise in dem Ofenraum zirkulieren, daß im Bereich der Elek­ trodenöffnung ein niedriger Druck erzielt wird, so daß die Emission nach außen reduziert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtbogenofens ist vorgesehen, daß Einblasdüsen oder Injek­ toren für Gas an dem Deckel des Ofens angebracht bzw. in die­ sen integriert sind. Diese Injektoren sind derart angeordnet, daß das ausgestoßene Gas in der unmittelbaren Umgebung der jeweiligen Elektrode nach unten gerichtet ist. Dadurch wird das Gas in einer solchen Richtung und mit einem solchen Druck eingeblasen, daß die heißen Gase im Inneren des Ofenraumes im unteren Bereich des Ofenraumes radial von der Elektrode weg und dann im oberen Bereich des Ofenraumes zu der Elektrode hin zirkulieren.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Lichtbogenofen herkömm­ licher Bauform;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Lichtbogenofen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die einen her­ kömmlichen Lichtbogenofen 5 zeigt. Der Lichtbogenofen 5 weist eine Gehäusewand 10 mit einem Deckel 20 und einer Basis 30 auf. Die Gehäusewand 10, der Deckel 20 und die Basis 30 sind im allgemeinen mit einer Schicht oder Auskleidung 80 aus feu­ erfestem Material versehen.

Während des Betriebes erzeugen die heißen Gase im Innenraum des elektrischen Lichtbogenofens 5 eine natürliche kreisför­ mige Konvektionsströmung, die mit Pfeilen B angedeutet ist. Diese Strömung wird durch das heiße elektrische Lichtbogen­ plasma erzeugt, die sich von der Spitze einer Elektrode 40 in radialer Richtung nach außen ausbreitet und die aufgrund der sehr geringen Dichte der Gase um die Elektrode 40 herum nach oben aufsteigt. Dieser Effekt ist mit Pfeilen A angedeutet.

Diese Strömung entlang der Elektrode 40 erhöht die Temperatur der Elektrode 40 und führt zu einem erhöhten Elektrodenver­ brauch. Die nach oben gerichtete Strömung der heißen Gase be­ wirkt einen Überdruck an einer spaltförmigen Elektrodenöff­ nung 50. Dies führt zu erhöhten Emissionen aus dem Raum zwi­ schen der Elektrode 40 und der Elektrodenöffnung 50, was mit Pfeilen C angedeutet ist. Es kommt hinzu, daß das heiße Gas, welches gegen die die Elektrode 40 umgebende Schicht 80 aus feuerfestem Material prallt, dieses feuerfeste Material ver­ brennt. Wenn das aufsteigende Gas den Deckel 20 erreicht, strömt es von der Elektrode 40 weg radial nach außen in un­ mittelbarer Nähe unter dem Deckel 20, der im allgemeinen eine niedrigere Temperatur besitzt. Dadurch verliert das heiße Gas wertvolle Wärme. Es kommt hinzu, daß ein Teil des Gases durch den Abgasauslaß 60 entweicht, ohne daß es mit dem Schrott 70 in Kontakt gekommen ist. Dieser Effekt ist mit dem Pfeil D angedeutet. Auf diese Weise entsteht ein zusätzlicher Ener­ gieverlust.

Fig. 2 zeigt einen elektrischen Lichtbogenofen 5a gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder entsprechende Elemente wie diejenigen in Fig. 1 auch die gleichen Bezugszeichen tragen. Gemäß der Erfindung blasen die Einblasdüsen oder Injektoren 90 Gas in den elektrischen Lichtbogenofen ein, der hier mit dem Bezugszeichen 5a be­ zeichnet ist. Dies ist mit Pfeilen E angedeutet. Die Injekto­ ren 90 können als Rohre oder in Form von sonstigen geeignet geformten Öffnungen ausgebildet sein, welche ein Gas in den elektrischen Lichtbogenofen 5a einblasen.

Der Druckgradient, der durch das Einblasen des Gases nach un­ ten in den Ofen hervorgerufen wird, erzeugt einen Impuls bzw. eine Strömungsbewegung in der Richtung, die allgemein mit den Pfeilen F angedeutet ist. Das Gas, welches in dieser Richtung F strömt, dringt in den Schrott 70 ein und überträgt dadurch Wärmeenergie auf den Schrott 70. Der auf diese Weise vorge­ heizte Schrott 70 schmilzt schneller als in einem herkömmli­ chen Lichtbogenofen 5 gemäß dem Stand der Technik. Infolge­ dessen wird in dem erfindungsgemäßen Lichtbogenofen 5a in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Schrott 70 gleichmäßi­ ger und in effizienterer Weise mit geringeren Wärmeenergie­ verlusten schmilzt.

Die durch das Einblasen des Gases in den Lichtbogenofen 5a auf diese Weise erzeugte kreisförmige Bewegung bewirkt außer­ dem einen Unterdruck unter einer Elektrodenöffnung bzw. einem Spalt 55 um die Elektrode 40 herum, mit der Folge, daß Gas­ emissionen durch die Elektrodenöffnung 50 nach außen redu­ ziert werden. Außerdem ist es so, daß Gas, welches durch den Abgasauslaß 60 nach außen entweicht, wie es mit dem Pfeil G angedeutet ist, bereits mit dem Schrott 70 in Kontakt gewesen ist und diesen durchströmt hat, so daß es einen wesentlichen Betrag seiner verwendbaren Wärmeenergie an diesen abgegeben hat.

Obwohl die Erfindung vorstehend im Hinblick auf einen Licht­ bogenofen 5a beschrieben worden ist, der nur eine Elektrode 40 aufweist, ist die Erfindung selbstverständlich auch an­ wendbar auf einen elektrischen Lichtbogenofen, der mit Dreh­ strom arbeitet und drei Elektroden aufweist.

Die Auslegung und Konfiguration der Injektoren 90 bei dem Verfahren und dem Lichtbogenofen gemäß der Erfindung ist nicht von Besonderheiten abhängig, um die Gasströmungen zu erzeugen, die mit den Pfeilen E und F bezeichnet sind, um die Vorteile der Erfindung zu erzielen. Auch die genaue Position der Injektoren 90 und die Anzahl der Injektoren 90 sind nicht kritisch. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang lediglich, daß die nach unten gerichtete Gasströmung um die jeweilige Elektrode 40 herum und an dieser entlang nach unten erzielt wird, damit sich aufgrund der Einblasströmung E dann die kreisförmige Strömung F in dem Lichtbogenofen ausbildet.

Wenn man das oben beschriebene Verfahren fortsetzt, nachdem der Schrott 70 geschmolzen ist, so kann die Erfindung in vor­ teilhafter Weise auch dazu dienen, die Temperatur von ge­ schmolzenem Metall 75 zu erhöhen, nämlich dadurch, daß die Temperatur der Atmosphäre im Innenraum des elektrischen Lichtbogenofens 5a erhöht und die hohe Geschwindigkeit der Gasströmung von dem elektrischen Lichtbogenplasma radial nach außen zum Umfang des Lichtbogenofens aufrechterhalten wird. Wenn dabei ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder Sauerstoff selbst eingeblasen wird, kann dabei in vorteilhafter Weise die Verbrennung von Gasen im Innenraum des Lichtbogenofens unterstützt werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf einen Lichtbo­ genofen mit einer Elektrode beschränkt, vielmehr können auch beliebig viele Elektroden vorgesehen sein, insbesondere eine Anordnung mit drei Elektroden, die an eine Drehstromversor­ gung angeschlossen sind. Bei jeder dieser Elektroden ist zweckmäßigerweise die Anordnung so getroffen, daß Injektoren 90 eine Gasströmung in der vorstehend beschriebenen Weise ausbilden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Schmelzen von Metallschrott (70) im Innen­ raum eines elektrischen Lichtbogenofens (5a), der minde­ stens eine Elektrode (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes des elektrischen Lichtbogen­ ofens (5a) über eine Einblaseinrichtung (90) in unmittel­ barer Nähe der mindestens einen Elektrode (40) ein Gas so in den Lichtbogenofen (5a) eingeblasen wird, daß es in der unmittelbaren Umgebung der jeweiligen Elektrode (40) nach unten in den Ofenraum strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einblasen des Gases eine Einblaseinrichtung (90) in einem Deckel (20) des Lichtbogenofens (5a) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch die Einblaseinrichtung (90) unter einem vorgegebenen Winkel eingeblasen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einblasen des Gases durch die nach unten gerich­ tete Strömung des Gases ein niedrigerer Atmosphärendruck unterhalb einer Elektrodenöffnung (55) für die jeweilige Elektrode (40) ausgebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (40) während des Betriebes des Lichtbo­ genofens (5a) mit Gleichstrom versorgt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes des Lichtbogenofens (5a) drei Elektroden (40) mit Drehstrom versorgt werden, welche mit einer nach unten gerichteten Gasströmung umgeben werden.

7. Elektrischer Lichtbogenofen (5a) mit einem Herd (10, 30) und einem Deckel (20) sowie mindestens einer durch den Deckel (20) in den Ofenraum ragenden Elektrode (40), gekennzeichnet durch mindestens eine in der Nähe der mindestens einen Elek­ trode (40) im Deckel (20) vorgesehene Einrichtung (90) zum Einblasen von Gas in den elektrischen Lichtbogenofen (5a).

8. Lichtbogenofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einblasen von Gas mindestens ein Injektor (90) ist, der an dem Deckel (20) angebracht oder integral mit diesem ausgebildet ist.

9. Lichtbogenofen nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (20) eine Elektrodenöffnung (55) zur Durchführung der jeweiligen Elektrode (40) aufweist, der­ art, daß die nach unten gerichtete Strömung unterhalb der Elektrodenöffnung (55) einen niedrigen Atmosphärendruck ausbildet.

10. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenofen (5a) eine Elektrode (40) aufweist, die an eine Gleichstromversorgung angeschlossen ist.

11. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenofen (5a) drei Elektroden aufweist, die an eine Drehstromversorgung angeschlossen sind.

12. Lichtbogenofen nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Einrichtungen (90) zum Einblasen von Gas unter einem Winkel zu den Elektroden (40) angeordnet sind.