DE60113840T2

DE60113840T2 - Induktionofen zur elektrischen stahlherstellung

Info

Publication number: DE60113840T2
Application number: DE60113840T
Authority: DE
Inventors: Louis Johannes Fourie
Original assignee: Fourie Louis Johannes Centurion
Current assignee: Fourie Louis Johannes Centurion
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: US20030103546A1; WO2001099473A8; CN1443434A; EP1295512A2; KR100538701B1; DE60113840D1; TR200202689T2; BR0111824A; EP1295512B1; JP2004510939A; AU1549702A; AU2002215497C1; ES2250501T3; WO2001099473A2; ATE306183T1; CA2413307A1; KR20030031003A; US6819705B2; EA200300034A1; MXPA02012815A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Induktionsöfen, die beim Schmelzen oder Verhütten von Metallen eingesetzt werden, und insbesondere Induktionsöfen, die bei der Stahlerzeugung eingesetzt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren gab es Anstöße in der stahlerzeugenden Industrie, neue Stahlerzeugungsverfahren zu entwickeln, die sich von den traditionellen Wegen der Stahlhochöfen und Stahlerzeugungsöfen unterscheiden.
Auf traditionellem Wege wird Stahl grundsätzlich in zwei Schritten hergestellt. Im ersten Schritt, der in dem Hochofen stattfindet, wird Eisenoxid zu Roheisen reduziert. Im zweiten Schritt, der im Stahlerzeugungsofen stattfindet, werden Elemente wie Kohlenstoff und Mangan auf einen speziellen Wert eingestellt und Elemente wie Silizium, Schwefel und Phosphor größtenteils eliminiert. Stahlerzeugungsöfen schließen Öfen wie Sauerstoffblas- und Elektrolichtbogenöfen ein.
Eines der Probleme mit den traditionellen Verfahren der Stahlerzeugung ist die Notwendigkeit, flüssiges Eisen zwischen den beiden Verfahrensschritten zu transferieren. Der Transfer bedeutet eine teure Kapitalinvestition in die Infrastruktur und birgt in sich das mit dem Transport von flüssigem Eisen verbundene Risiko. Die traditionellen Verfahren sind auch mit Gasemissionen verbunden, die nicht umweltfreundlich sind.
Eine bedeutende Entwicklung in diesem Bereich war die Entwicklung eines kanalartigen Induktionsofens, der mit einem eisenhaltigen Möller beladen wird und Rohstahl erzeugt. Dieser Verfahrenstyp wird im US-Patent 5,411,570 und den Patentanmeldungen PCT/EP97/01999 und PCT/IB99/01281 (Südafrikanische Anmeldung 200/7298) beschrieben.
Der Ofen ist ein kanalartiger Induktionsofen und besteht aus einem Gehäuse, das mit hitzebeständigem Material ausgekleidet ist. Ausgangsmaterial, Eisen enthaltendes Erz und Kohlenstoffreduktionsmittel wird durch Löcher in den Seiten des Ofens zugeführt und dann durch Verbrennung der unterschiedlichen Gase, die beim Erhitzen einer Mischung aus einem Kohlenstoffreduziermittel und Erz gebildet werden, und unter gewissen Umständen durch Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff erhitzt.
Induktionsheizelemente, die am Boden des Metallbads angeordnet sind, heizen das flüssige Metall in dem Ofen auf, welches im Gegenzug den Möller weiter aufheizt und ihn aufschmilzt, um eine flüssige Schlacke und Metall zu bilden. Diese Heizelemente sind an dem Ofen in herkömmlicher Weise befestigt. Das bedeutet, dass der Ofen entsprechende Öffnungen in seinem Gehäuse und Flansche um die Öffnung herum besitzt, um den komplementären Flansch des Induktionsheizelements mit dem Flansch des Gehäuses zu verschrauben. Sowohl der Ofen als auch die Induktionsheizelemente sind mit hitzebeständigem Material ausgekleidet.
Die Dicke des hitzebeständigen Materials des Ofens um die Induktionsheizelementöffnung im Ofen herum bestimmt die Tiefe des Eingangs oder der "Engstelle" zu dem Induktionsheizelement.
Geschmolzenes Metall fließt in das Induktionsheizelement durch die Engstelle hindurch und tritt durch diese auch aus dem Induktionsheizelement aus. Das der inneren Oberfläche des Induktionsheizelements näher liegendste Metall wird erhitzt. Das bedeutet, dass kälteres Metall in die Induktionsheizelementkanäle an der Außenseite fließt und erhitzt wird, wenn es auf die Innenseite des Kanals trifft. Eine Strömung des geschmolzenen Metalls wird durch die unterschiedlichen Dichten zwischen heißem und kaltem Metall erzeugt. Elektromagnetische Kräfte können diesen Effekt unterstützen, um ein Strömungsmuster des geschmolzenen Metalls zu ändern.
Die bekannten Kanalinduktionsheizelemente sind von demjenigen Typ, der aus einer elektrischen Spule besteht, die in einem wärmebeständigen Körper eingebaut ist, wobei elektrischen Strom leitende Kanäle in dem wärmebeständigen Material um die Spule herum ausgebildet sind. Der stromleitende Kanal (bzw. die Kanäle) wird auch als Sekundärkreislauf des Induktionsheizelements bezeichnet, der tatsächlich ein kurz geschlossener Wandler ist. Die Spule ist von dem Kanal durch hitzebeständiges Material, wassergekühlte Platte(n) und einen Luftspalt isoliert. Die kombinierten Tiefen des hitzebeständigen Materials auf dem Boden des Ofens, der Dicke des Ofengehäuses, der Dicke des Ofenflansches und des Abstands zwischen dem Ofengehäuse und dem Ofenflansch wird allgemein als die Dicke der Engstelle des Induktionsheizelements anerkannt. Die Engstelle ist im wesentlichen vertikal ausgebildet und führt direkt in die Kanäle des Induktionsheizelements.
In dem kanalartigen Ofen sind mehrere dieser Induktionsheizelemente in einer Reihe entlang der Länge des Ofens angeordnet.
Die Füllung in dem Ofen besteht aus dem geschmolzenen Metallbad, einer Schicht aus Schlacke auf dem Metall und dem festen Möller obenauf. Der Möller wird im Grunde in zwei durchgängige Haufen geteilt, die sich über den größeren Teil der Länge des Ofens erstrecken, wie im US Patent 5,411,570 beschrieben, oder der Ofen kann so beladen werden, dass sich die zwei durchgängigen Möllerhaufen in dem Zentrum des Ofens treffen, um den Spalt zwischen den beiden Möllerhaufen zu schließen, wie in der Patentanmeldung PCT/EP 97/01999 beschrieben.
Das geschmolzene Metall fließt in ein Induktionsheizelement durch dessen Engstelle und tritt aus dem Induktionsheizelement durch seine Engstelle auch wieder aus. Der Ausgangsstrom aus dem Induktionsheizelement ist im wesentlichen vertikal, wodurch er sich mit dem Metall direkt über der Öffnung vermischt. Das kältere Metall, das in das Induktionsheizelement hineingezogen wird, stammt im wesentlichen aus dem Metallbad direkt über dem Induktionsheizelement. Das aufsteigende heiße Metall tauscht die Wärme mit dem absteigenden kalten Metall in der Engstelle.
Das bedeutet, dass das Metallbad über jeder Induktionsheizelementöffnung und in der Engstelle zum großen Teil durch das Induktionsheizelement zirkuliert und wiederholt erhitzt wird. Dies verursacht örtliche Hot-Spots über den Induktions heizelementöffnungen, insbesondere wenn die Tiefe des Metallbads über dem Induktionsheizelement seicht ist. Dadurch wird das Metall in dem Induktionsheizelement auf unnötig und manchmal gefährlich hohe Temperaturen erhitzt.
Das Bestehen von örtlichen Hot-Spots ist nicht ideal bei diesem Ofentyp aus einer Anzahl von Gründen. Der erste ist, dass Hot-Spots ein Teil des Möllers in der Nähe des Hot-Spots bevorzugt zur Schmelze bringt, wodurch dieses Material der Hitze der Brenngase weniger ausgesetzt ist, als der nicht bevorzugt aufgeschmolzene Teil des Möllers. Es existieren daher Bereiche, die der Hitze der Brenngase übermäßig ausgesetzt sind, und Bereiche, die der Hitze der Brenngase zu wenig ausgesetzt sind. Dieser Unterschied der Aussetzung führt zu exzessivem elektrischen Energieverbrauch und nicht vollständige Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie für die Reduktion in den Brenngasen und der erhitzten Decke. Dadurch ergibt sich auch eine zu schnelle Erhitzung von nicht reduziertem Möller, was zur Gasentwicklung in dem flüssigen Stahl und anschließender unerwünschter Siedetätigkeit führt. Die Wirkung daraus ist, dass die Energieeinbringung durch die Induktionsheizelemente reduziert werden muss und demzufolge die Produktionsrate sinkt.
In dieser Beschreibung soll der Begriff "Engstelle" den bzw. die Kommunikationsdurchgänge zwischen dem Ofen und einem Induktionsheizelement im Boden des Ofens bezeichnen. Die Engstellendurchgänge müssen von den Induktionsheizelementkanälen unterschieden werden, indem die Engstellendurchgänge elektrischen Strom nicht signifikant leiten.
In dieser Beschreibung soll der Begriff "Engstellentiefe" den im Betrieb im wesentlichen vertikalen Abstand von dem obersten Ende der Engstelle zu einer durch die Länge einer Spule eines Induktionselements im Boden des Ofens gezogenen Mittellinie bezeichnen.
In dieser Beschreibung soll der Begriff "Betriebslänge" die Länge des Ofens bezeichnen, die jedes Induktionsheizelement während des Betriebs zu heizen hat. Dies ist der im Betrieb im wesentlichen horizontale Abstand von dem Mittelpunkt zwischen einem Induktionsheizelement und einem benachbarten Induktionsheizelement zu dem Mittelpunkt zwischen dem Induktionsheizelement und einem gegenüberliegenden benachbarten Induktionsheizelement oder zu dem Ende des Ofens.
In dieser Beschreibung soll der Begriff "Engstellenlänge" den horizontalen Abstand von einer Seite der Engstelle eines Induktionsheizelements über den Kanal und die Spule des Induktionsheizelements hinüber bis zur anderen Seite bezeichnen. Dieser Abstand wird im wesentlichen parallel zur "Betriebslänge" des Induktionsheizelements gemessen.
In dieser Beschreibung soll der Begriff "Engstellenweite" den Abstand zwischen den Seitenwänden der Engstelle bezeichnen, und dieser Abstand wird quer zur "Engstellenlänge" gemessen.
In dieser Beschreibung soll der Begriff "herkömmliche Engstellentiefe" für einen herkömmlichen Induktionsofen, der für einen dieser Erfindung ähnlichen Prozess verwendet wird, die kombinierte Dicke aus dem hitzebeständigen Boden, dem den Boden stützenden Ofengehäuse, dem Abstand zwischen dem Ofengehäuse und dem Ofenflansch, der Dicke des Ofens und der Induktionsheizelementflansche, der Dicke der Füllung zwischen dem Ofen und den Induktionsheizelementflanschen, dem Abstand zwischen dem Induktionsheizelementflansch und dem Induktionsheizelementgehäuse, dem Induktionsheizelementgehäuse und der Dicke des hitzebeständigen Induktionsheizelementmaterials von der oberen inneren Oberfläche des Induktionsheizelementgehäuses bis zu einer Höhe parallel zu einer Mittellinie durch die Induktionsheizelementspule bezeichnen.
US 3,595,979 offenbart einen induktionsbeheizten Ofen. Die Aufgabe besteht darin, die Temperaturdifferenz zwischen dem flüssigen Metall in dem Zuführschmelzekanal und den Abführschmelzekanälen zu reduzieren. Dies wird durch Vergrößern der axialen Abmessung der Engstelle erreicht.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Engstelle für einen kanalartigen induktionsbeheizten Ofen zur Verfügung zu stellen, die zumindest teilweise einige der vorgenannten Probleme verringert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dieser Erfindung wird ein induktionsbeheizter Ofen zur Verfügung gestellt, der ein mit hitzebeständigem Material ausgekleidetes Gehäuse umfasst. Der Ofen besitzt zumindest Wände und einen Boden, wobei zumindest ein Induktionsheizelement in dem Boden des Ofens angeordnet ist und das Induktionsheizelement mit dem inneren des Ofens durch eine Engstelle kommuniziert, wobei die Engstellenlänge mehr als das eineinhalbfache der Länge des Induktionsheizelements beträgt.
Der Ofen kann ein kanalartiger Ofen sein und kann zum Schmelzen oder Verhütten von Metallen eingesetzt werden. Der Ofen kann mindestens ein Beladungsloch für Möller, mindestens ein Abstechloch und mindestens einen Gasbrenner innerhalb des Ofens besitzen.
Der Ofen kann bei der Stahlerzeugung eingesetzt werden und kann daher mindestens ein Beladungsloch für Eisen enthaltenden Möller oder für Eisen enthaltenden Möller und Reduktionsmaterial besitzen.
Der Möller kann Altmetall sein und kann reduzierendes Material oder andere Rohmaterialien enthalten.
Die Engstelle kann zumindest eine Prallfläche über dem Zentrum des Induktionsheizelements besitzen. Sie kann in die Seitenwände der Engstelle eingebaut sein und kann die Strömung des geschmolzenen Metalls durch die Engstelle richten. Prallflächen können über die gesamte Engstelle beabstandet vorgesehen sein.
Die Prallflächen sind vorzugsweise keilförmig ausgebildet, wobei die Spitze des Keils zum Zentrum des Induktionsheizelements gerichtet ist. Vorzugsweise hat die zentrale Prallfläche ein Wehr auf ihrer wirksamen oberen Oberfläche, und das Wehr erstreckt sich über dem Pegel des geschmolzenen Metalls im Ofen.
Es kann eine Leitung vorgesehen sein, die sich durch die Prallfläche erstreckt. Die Leitung kann eine Kühlleitung sein.
Die Engstelle kann mindestens zwei Transportkanäle für geschmolzenes Metall umfassen, wobei der erste Kanal mit einem ersten Abschnitt des Schmelzebads über dem Induktionsheizelement kommuniziert und der zweite Kanal mit einem zweiten Abschnitt des Schmelzebads entfernt von dem ersten Abschnitt des Schmelzebads kommuniziert.
Die Engstelle kann drei Transportkanäle für geschmolzenes Metall umfassen. Der zweite und dritte Kanal für geschmolzenes Metall können mit einem zweiten bzw. dritten Abschnitt des Schmelzebads entfernt von dem ersten Abschnitt des Schmelzebads kommunizieren. Der erste Abschnitt des Schmelzebads kann zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt des Schmelzebads liegen. Das im Betrieb obere Ende des ersten Kanals kann einen Verteiler enthalten, der mit einer Vielzahl von Verteilerdurchgängen verbunden ist. Die Durchgänge können mit den im Betrieb oberen Regionen des ersten Abschnitts des Schmelzebads kommunizieren. Der Durchgang kann sich durch einen erhabenen Abschnitt des Ofenbodens erstrecken. Der erste Kanal kann im Betrieb geschmolzenes Metall von dem Induktionsheizelement zu dem Schmelzebad leiten und der zweite und der dritte Kanal können im Betrieb geschmolzenes Metall von dem Schmelzebad zu dem Induktionsheizelement leiten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen:
Ausführungen der Erfindung werden nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Draufsicht auf einen die Erfindung verkörpernden Ofen zeigt.
2 einen Längsschnitt des Ofens aus 1 durch die Induktionsheizelemente und Engstellen zeigt.
3 ein Schnitt durch 3-3 in 2 ist.
4 ein Schnitt durch 4-4 in 2 ist.
5 ein Schnitt durch 5-5 in 2 ist.
6 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Ofenbodenengstelle und des Kanals zeigt.
7 einen Längsschnitt eines anderen, die Erfindung verkörpernden Ofens zeigt.
8 eine versetzte Draufsicht des Ofens aus 7 entlang den Linien 8-8 zeigt.
9 ein Schnitt durch 9-9 in 7 ist.
10 ein Schnitt durch 10-10 in 7 ist.
11 ein Schnitt durch 11-11 in 7 ist.
12 ein Schnitt durch einen Ofen gemäß dem Stand der Technik ist.
13 eine Draufsicht des Ofens aus 12 ist.
14 ein Schnitt durch 14-14 in 12 ist.
15 ein Schnitt durch 15-15 in 12 ist.
16 ein Schnitt durch 16-16 in 12 ist.
17 eine perspektivische Draufsicht einer Engstelle und eines Ofenbodens einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist.
18 eine perspektivische Ansicht von unten von der Engstelle und dem Ofenboden der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist.
19 eine perspektivische Ansicht von unten von der Engstelle und dem Ofenboden einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist.
20 eine perspektivische Draufsicht einer Engstelle und eines Ofenbodens der dritten Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG MIT BEZUG ZU DEN ZEICHNUNGEN
Ein den Stand der Technik verkörpernder Ofen (100) ist in 12 gezeigt. Eine Draufsicht des Ofens (100) ist in 13 gezeigt. Der Ofen (100) hat ein Stahlgehäuse (101), das teilweise gezeigt ist mit einer Auskleidung aus hitzebeständigem Material (102) zur Isolierung und Aufnahme von geschmolzenem Stahl (103) in dem Ofen (100).
Im Zentrum des Ofens (100) befindet sich eine Reihe von Induktionsheizelementen (104), von denen zwei in den 12 und 13 zu sehen sind. Die Induktionsheizelemente (104) sind an dem Stahlgehäuse (101) des Ofens (100) mittels komplementärer Flansche (105a, 105b) am Ofen (100) und an den Induktionsheizelementen (104), die miteinander verbunden sind, befestigt. Normalerweise sind die Flansche (105a, 105b) miteinander verschraubt, um sie miteinander zu verbinden.
Der Ofen (100) und jedes Induktionsheizelement (104) stehen über eine Engstelle (106) in Verbindung miteinander. Die Tiefe der Engstelle (106) wird im wesentlichen bestimmt durch den Abstand von der obersten Oberfläche des hitzebeständigen Materials (102) auf dem Boden des Ofens (100) zur Verbindung (109) zwi schen dem Ofen (100) und dem Induktionsheizelements (104). Diese Tiefe wird genauer definiert als die kombinierte Dicke des hitzebeständigen Materials (102) auf dem Boden des Ofens (100), das Stahlgehäuse des Ofens (101), die Lücke (108) zwischen dem Ofengehäuse und dem Ofenflansch (105a) und die Dicke des Ofenflansches (105a).
Im Stand der Technik würde die Engstellentiefe variieren, wenn eine oder mehrere der oben genannten Dimensionen verändert würde. Die Grundaufgabe der Engstelle war es, einen Durchgang für das zwischen dem Ofen und dem Induktionsheizelement fließenden Metall zu sein. Dieser Induktionsofentyp ist in der Patentanmeldung PCT/IB 99/01281 beschrieben.
1 und 2 zeigen einen die Erfindung verkörpernden induktionsbeheizten Kanalofen (1). Der Ofen wird verwendet zur Reduzierung von Eisenerzmöller (2), wie in 3 gezeigt. Das Beladen und Betreiben des Ofens (1) wird im US Patent 5,411,570 und den Patentanmeldungen PCT/EP 97/01999 und PCT/IB 99/01281 beschrieben.
Bei dieser Erfindung hat der Ofen (1) auch ein Stahlgehäuse (3), das mit hitzebeständigem Material (4) auf der Innenseite zu Aufnahme- und Isolierzwecken ausgekleidet ist. Der Möller (2) im Ofen wird durch Strahlung von Flammen erhitzt, die durch Brenngase erzeugt sind, und durch Strahlung aus der Decke des Ofens. Das Metallbad wird mittels zweier Induktionsheizelemente (5) erhitzt, die im Ofen (1) in der Mitte des Bodens (6) befestigt sind.
Die Induktionsheizelemente (5) besitzen jeweils eine Spule (nicht gezeigt), die durch eine Kavität (7) hindurchführen, welche im hitzebeständigen Material (8) gelegen ist, welches das Induktionsheizelementgehäuse (9) ausfüllt. Ein Kanal (10) ist in dem hitzebeständigen Material (9) des Induktionsheizelements um die Kavität (7) herum ausgebildet.
Die Induktionsheizelemente (5) sind mit dem Ofengehäuse (3) durch Bolzen (nicht gezeigt) befestigt, welche an dem Ofen (11a) und den Induktionsheizelementen (11b) komplementär ausgebildete Flansche verbinden.
Die Induktionsheizelementkanäle (10) kommunizieren mit dem Ofeninneren (15) durch eine Engstelle (16). Die Tiefe (22) der Engstelle (16) ist definiert als der Abstand von der oberen Oberfläche (16A) der Engstelle (16) an dem Ofenboden (6) zu der Verbindung zwischen dem Ofen (11A) und dem Induktionsheizelement (11B). Dieser Abstand ist wesentlich größer als der ähnlich definierte Abstand in einem herkömmlichen Ofen, wie er in dem US Patent 5,411,570 und den Patentanmeldungen PCT/EP 97/01999 und PCT/IB 99/01281 beschrieben ist. Die Länge (20) einer jeden Engstelle (16) ist in 2 gezeigt.
Jede Enstelle (16) besitzt auch Seitenwände (23). Der durchschnittliche Abstand (nicht gezeigt) zwischen den Seitenwänden (23) ist definiert als die Engstellenweite. Die Engstellenweite ist geringer als die zweifache Kanalweite des Induktionsheizelements (5).
Zwischen den Seitenwänden (23) in der Engstelle (16) erstreckt sich eine Prallfläche (24) über jedem Induktionsheizelement (5).
Die Prallflächen sind allgemein keilförmig, wobei die Spitze eines jeden Keils (25) nach unten auf ein Induktionsheizelement (5) gerichtet ist. Die Spitze (25) einer jeden Prallfläche (24) erstreckt sich bis nahe über die Ofen-Induktionsheizelement-Verbindung (14).
Oben auf einer Prallfläche (24) befindet sich ein Wehr (26), das auf die flache obere Oberfläche (27) der Prallfläche (24) gebaut ist. Das Wehr (26) ist hoch genug, um sich über einen Badpegel (28) in dem Ofen (1) zu erstrecken, und es erstreckt sich auch von Seite zu Seite in dem Ofen, wodurch ein Bewegen des flüssigen Stahls über die Prallfläche (24) verhindert oder behindert wird. Das Wehr (26) behindert nicht die Schlackeströmung von einer Seite des Ofens (1) zur anderen Seite und es (26) kann einen Durchbruch (nicht gezeigt) besitzen, um einen beschränkten Metallfluss über die Prallfläche (24) zu ermöglichen. Der Ofen ist in 1 auch als Draufsicht gezeigt, und Abschnitte durch den Ofen sind in den 3, 4 und 5 gezeigt, um den Aufbau des Ofens weiter zu erläutern. Die perspektivische Darstellung in 6 zeigt beispielhaft die Ausbildung der Engstelle (16), der Prallfläche (24) und des Induktionsheizelements (5).
Der Ofen (1) wird in ähnlicher Weise betrieben, wie im US Patent 5,411,570 und den Patentanmeldungen PCT/EP 97/01999 und PCT/IB 99/01281 offenbart. Der Ofen wird mit eisenhaltigem Erz oder teilweise reduziertem Erz, das kohlenstoffhaltiges Reduziermaterial enthält, beladen. Der Möller wird durch Eingänge (12) in den Seiten des Ofens (1) zugeführt. Die Beladungseingänge (12) sind entlang der Länge des Ofens (1) beabstandet.
Wenn der Möller in den Ofen geladen wird, bilden sich Möllerhaufen auf beiden Seiten des Ofens aus. Wenn genug Material in den Ofen geladen worden ist, vereinigen sich die Haufen auf jeder Seite und bilden zwei Möllerreihen auf jeder Seite des Ofens.
Wie in der Patentanmeldung PCT/EP 97/01999 offenbart ist, kann das Beladen auch in der Weise erfolgen, dass sich die beiden Reihen in der Mitte des Ofens (29) vereinigen, wodurch sie die Schlackeschicht (19) auf dem flüssigen Stahl (30) vollständig bedecken.
Während des Betriebs des Ofens wird der Möller bei der vorliegenden Erfindung durch Verbrennen von Sauerstoff, der in der Luft oder so enthalten ist, und anderen Gasen über dem im Ofen befindlichen Möller (nicht gezeigt) und von unten durch den flüssigen Stahl erhitzt. Der Stahl wird flüssig gehalten durch Beheizen mittels der Induktionsheizelemente.
Der Möller wird im festen Zustand reduziert. Der Teil des Möllers am Boden und genauer gesagt der Teil des Möllers der mit dem Bad aus flüssigem Stahl (30) in Kontakt ist, wird aufgeschmolzen. In diesem Teil des Möllers sind die Reduktionsreaktionen vollständig erfolgt, was bedeutet, dass im wesentlichen alle Kohlenstoffe aufgebraucht sind. Daher werden im wesentlichen keine Gase gebildet, wenn die Partikel schmelzen. Das Schmelzen verbraucht sehr wenig Energie, weil die Partikel bereits reduziert und vorerwärmt sind.
Jedes Induktionsheizelement (5) hat eine vorgegebene Länge des Ofens (1) die es bedienen (mit Hitze zum Schmelzen versorgen) muss. Heißes Metall, das aus dem Induktionsheizelement (5) austritt, zirkuliert und verliert einen Teil seiner Wärme und wird irgendwann als kälteres Metall zurückkehren, um wieder aufge heizt zu werden. Es gibt eine maximale Länge des flüssigen Stahlbads in einem Ofen, die das Induktionsheizelement (5) in geschmolzenem Zustand halten kann. Dies hängt ab von der Engstellenlänge (20), dem Stahltyp, Engergieabgabe des Induktionsheizelements, Wärmeverlusten und -verbrauch und Badtiefe.
Mit dieser Erfindung beträgt die Engstellenlänge (20) einen größeren Prozentsatz der Betriebslänge des Induktionsheizelements (5) im Vergleich zu Engstellenlängen und Betriebslängen heutiger Öfen. Dies führt zu effizienterer Wärmeverteilung. Die Wirkung besteht in einer Erhöhung der Anzahl und einer Senkung der Intensität von Hot-Spots, weil die Wärme gleichmäßiger entlang der Mittellinie des Ofens verteilt wird, anstatt an einer Stelle konzentriert zu werden.
Die Prallflächen (24) helfen bei der Minimierung der Intensität von Hot-Spots durch Verteilen des heißeren Metalls auf beide Seiten der Prallfläche (24), anstatt direkt nach oben. Das heißere Metall wird daher gezwungen, sich entlang der Mittellinie des Bads zu bewegen, anstatt direkt nach oben.
Das bedeutet, dass der Möller entlang seiner Mittellinie geschmolzen wird. Die Wirkung davon besteht darin, es den Partikeln zu ermöglichen, sich von weiter oben auf jeder Seite stetig entlang der Neigung des Möllerhaufens in Richtung auf das Zentrum des Ofens zu bewegen. Das Problem der Partikel, die eine Abkürzung nehmen, wird dadurch minimiert, weil der Möller (2) an einer Stelle stetig abgeschmolzen wird, die von den Beladungseingängen (12) am weitesten entfernt liegen.
Wenn eine geeignete Menge Stahl in dem Ofen (1) gebildet worden ist, kann es aus dem Ofen (1) durch das Abstechloch (nicht gezeigt) abgestochen werden. Der Stahl kann kontinuierlich mit etwa der selben Geschwindigkeit abgestochen werden, mit der die Partikel in dem Ofen geschmolzen werden. Schlacke (19) kann ebenfalls durch das Abstechloch (nicht gezeigt) abgestochen werden.
Die 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung. 7 zeigt einen Schnitt durch die Induktionsheizelemente (5) und Engstellen (16) des Ofens (1A), und 8 zeigt eine gestufte Draufsicht des Ofens (8) in 7 entlang den Linien 8-8.
Wie in 7 gezeigt, haben die Engstellen (16) zusätzlich zu der Prallfläche (24), die bereits in der in 1 bis 6 offenbarten Ausführungsform gezeigt ist, weitere Prallflächen (31), (32) und (33). Die zusätzlichen Prallflächen (31), (32) und (33) haben die Funktion, den Strom aus geschmolzenem Metall in der Engstelle (16) zu richten. Der Eingang (35) zu den Kanälen (10) der Induktionsheizelemente (5) ist in der Längsrichtung ebenfalls konisch, um den Bereich direkt über den Kanälen zu vergrößern und um den Abstand zwischen aufsteigenden heißeren und absteigenden kühleren Metallströmen zu vergrößern.
Das aufgeheizte geschmolzene Metall tritt aus den Durchgängen (10) aus und in die Engstelle (16) ein, wo es zunächst auf die Prallflächen (24, 33) trifft. In 7 zeigen die Pfeile die Metallströmung an. Die unteren Prallflächen (24) teilen das Metall in zwei Ströme auf, die durch die von den Prallflächen (24, 33) gebildeten Durchgänge (42) aufwärts fließen. Während die Prallflächen (24) das aufsteigende heißere Metall teilen, dienen die Prallflächen (33) dazu, heißere aufsteigende Metallströme in Kanälen (42) und kühlere absinkende Metallströme in Kanälen (41) zu trennen und den Wärmeaustausch dazwischen zu minimieren.
Die Seitenprallflächen (32) dienen desweiteren dazu, das heißere aufsteigende Metall im Bereich (47) von dem kühleren absteigenden Metall im Bereich (45) zu trennen.
Die zwei zentralen aufsteigenden, durch die Durchgänge (42) hindurch fließenden Ströme fließen in den Bereich (47), von wo sie in kleinere Ströme aufgeteilt werden, welche den Bereich (46) versorgen, wo das Schmelzen des reduzierten Materials stattfindet. Die Wirkung davon ist, die Strömung des erhitzten Metalls entlang des Badniveaus (28) zu verteilen, wodurch die Bildung von Hot-Spots in dem Bad verhindert wird.
Die Wirkung der Prallflächen besteht darin, dass die auf das geschmolzene Metall durch die Induktionsheizelemente übertragene Wärme effektiver über die gesamte Betriebslänge des Induktionsheizelements verteilt wird. Dies reduziert die Bildung von Hot-Spots und optimiert den elektrischen Energieverbrauch des Ofens durch bessere Ausnutzung der Verbrennungsenergie in dem Ofen.
9, 10 und 11 zeigen Schnitte durch den Ofen (1A) der 7 entlang der Linien, wie oben angegeben. Diese Figuren zeigen beispielhaft die in 7 und 8 gezeigte Ausführungsform.
Eine zweite Ausführungsform ist in den 17 und 18 gezeigt. Eine Engstelle und Ofenboden ist allgemein mit der Bezugsziffer (110) in 17 bezeichnet. Wie in 17 und 18 gezeigt, wird das geschmolzene Metall durch bestimmte Durchgänge hindurch geleitet, welche einen zentralen Durchgang (113) und zwei Seitendurchgänge (112) umfassen.
Geschmolzenes Metall (nicht gezeigt) wird in dem Induktionsheizelementkanal (114) erwärmt. Da die Dichte des erwärmten geschmolzenen Metalls geringer ist als die Dichte des nicht erwärmten geschmolzenen Metalls, wird das erwärmte geschmolzene Metall durch den zentralen Durchgang (113) aufsteigen.
Die zwei Seitendurchgänge (112) transportieren geschmolzenes Metall von den entferntesten Stellen der Engstellenbetriebslänge. Da die Temperatur des geschmolzenen Metalls hier niedriger ist als die des geschmolzenen Metalls direkt über dem Induktionsheizelement, wird das niedriger temperierte geschmolzene Metall durch die Seitendurchgänge (112) eingezogen. Das durch die Seitendurchgänge (112) eingezogene niedriger temperierte geschmolzene Metall wird dem Induktionsheizelementkanal (114) zugeleitet. Das niedriger temperierte geschmolzene Metall wird in die Seitendurchgänge (112) hineingezogen als Ergebnis der Bewegung des geschmolzenen Metalls, die durch das Aufsteigen des hochtemperierten geschmolzenen Metalls in dem zentralen Durchgang (113) verursacht wird.
Wie in 18 gezeigt ist, ist es möglich, dass der zentrale Durchgang (113) einen Verteiler (115) besitzt, der Verteilerdurchgänge (116) aufweist, die sich von dem Verteiler (115) durch einen erhabenen Abschnitt (117) des Ofenbodens (111) hindurch erstrecken. Die Durchgänge (116) öffnen sich an der oberen Oberfläche des erhabenen Abschnitts (117) des Ofenbodens (111). Dies ermöglicht es dem hochtemperierten geschmolzenen Metall, sich gleichmäßig in der oberen Region (nicht gezeigt) des geschmolzenen Metallbads (nicht gezeigt) zu verteilen.
Tests haben gezeigt, dass die in den 17 und 18 gezeigte zweite Ausführungsform eine bessere Wärmeverteilung in einem Ofen erzielen kann als die in 1 und 2 gezeigte erste Ausführungsform.
Dies wird primär bedingt durch die verbesserten Strömungscharakteristiken des geschmolzenen Metalls in der zweiten Ausführungsform, die aus der Nutzung der Engstellendurchgänge resultieren, um das geschmolzene Metall dahin zu leiten, wo es die beste Wärmeverteilung erzielen kann.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in 19 und 20 gezeigt. Diese Ausführungsform ist ähnlich der zweiten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform ist eine Engstelle und Ofenboden allgemein mit der Bezugsziffer (120) in den Figuren bezeichnet.
Diese Ausführungsform (120) wird bei Doppelkreislaufinduktionsheizelementen eingesetzt. Ein solches Induktionsheizelement umfasst zwei Kanäle (121), jeweils um eine Spule (nicht gezeigt). Die Kanäle (121) teilen sich einen einzigen zentralen Kanal (122). Die Strömungsrichtung des geschmolzenen Metalls durch solch ein Induktionsheizelement ist entgegengesetzt zu der der zweiten Ausführungsform. Geschmolzenes Metall wird in den zentralen Kanal (122) des Induktionsheizelements eingezogen und tritt aus dem Induktionsheizelement durch die Seitenkanal(121)-öffnungen aus.
Die Engstelle besitzt Durchgänge für geschmolzenes Metall, die den Induktionsheizelementkanälen angepasst sind. Das bedeutet, dass es in der Engstelle zwei Seitendurchgänge (123) für geschmolzenes Metall und einen einzigen zentralen Durchgang (124) für geschmolzenes Metall gibt.
Der zentrale Durchgang (124) hat keinen Verteiler wie in der zweiten Ausführungsform. Stattdessen besitzen die beiden Seitendurchgänge (123) jeweils ihren eigenen Verteiler (125). Jeder Verteiler (125) besitzt eine Anzahl von Verteilerdurchgängen (126), welche den Verteiler mit dem Metallschmelzebad (nicht gezeigt) verbindet.
Die Verteiler (125) dieser dritten Ausführungsform sind kürzer als der einzige Verteiler der zweiten Ausführungsform. Der Vorteil davon besteht darin, dass der Ofen zwei kürzere Verteiler besitzt anstelle eines zentralen Verteilers, was die Verteilung des erhitzten Metalls verbessert.
Selbstverständlich sind diese Ausführungformen nur beispielhaft beschrieben, und es gibt andere Ausführungsformen, die auch im Rahmen der Erfindung liegen. Beispielsweise kann die Anzahl der Induktionsheizelemente für ein spezielles Verfahren geändert werden. Es ist auch möglich, die Erfindung auf das Induktionsschmelzen anderer Metalle, z.B. Kupfer, Messing und Aluminium oder Altmetall anzuwenden.
Es ist auch möglich, die Form und Ausbildung der in 7 gezeigten Prallflächen abzuwandeln. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den oberen Prallflächen variiert werden und die Form der oberen Prallflächen kann keilartig abgewandelt werden, um das Strömungsmuster des geschmolzenen Stahls für bestimmte Umstände zu ändern.

Claims

Induktionsbeheizter Ofen (1), welcher ein Gehäuse (3) aufweist, das mit hitzebeständigem Material (4) ausgekleidet ist, wobei der Ofen (1) mindestens Wände und einen Boden (6) besitzt, wobei mindestens ein Induktionsheizelement (5) im Boden (6) des Ofens (1) angeordnet ist, wobei das Induktionsheizelement (5) mit dem Innenraum (15) des Ofens (1) durch eine Engstelle (16) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass die Engstellenlänge (20) mehr als mindestens eineinhalbfach der Länge des Induktionsheizelementes (15) ist.
Ofen nach Anspruch 1, wobei der Ofen (1) mindestens ein Beladungsloch (12) besitzt, durch welches Eisen, welches Möller und optional Reduktionsmaterial aufweist, zugeführt werden kann, wenn der Ofen für eine Stahlproduktion verwendet wird.
Ofen nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem der Ofen (1) ein Kanalofen ist, der geeignet ist, beim Schmelzen oder Verhütten von Metall zum Einsatz zu kommen, wobei der Ofen (1) mindestens ein Möller-Beladungsloch (12) und mindestens ein Abstechloch besitzt, und wobei der Ofen (1) darin mindestens einen Gasbrenner besitzt.
Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Engstelle (16) mindestens eine Prallfläche (24) besitzt, welche oberhalb des Induktionsheizelementes angeordnet ist, wobei die Prallfläche (24) in die Seitenwände (23) der Engstelle (16) eingebaut ist, und wobei im Einsatzfall die Prallfläche (24) den Fluß geschmolzenen Metalls durch die Engstelle (16) leitet.
Ofen nach Anspruch 4, wobei eine Vielzahl von Prallflächen (24) in der Engstelle (16) angeordnet ist, wobei die Prallflächen voneinander im Abstand angeordnet sind.
Ofen nach Anspruch 4 oder 5, wobei jede Prallfläche (24) keilförmig ausgebildet ist, und wobei der Keil in der Engstelle (16) so angeordnet ist, dass die Spitze (25) des Keils zum Zentrum des Induktionsheizelementes gerichtet ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei mindestens ein Abschnitt von mindestens einer Prallfläche (24) sich oberhalb des Pegels des geschmolzenen Metalls im Ofen wirksam erstreckt.
Ofen nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei mindestens eine der Prallflächen (24) dort hindurch eine Kühlleitung besitzt.
Ofen nach Anspruch 1, bei dem die Engstelle mindestens zwei Engstellendurchgänge aufweist, wobei der erste Durchgang mit einem ersten Abschnitt des geschmolzenen Bades oberhalb des Induktionsheizelementes kommuniziert, und der zweite Durchgang mit einem zweiten Abschnitt des geschmolzenen Bades kommuniziert, welcher vom ersten Abschnitt des geschmolzenen Bades entfernt ist.
Ofen nach Anspruch 1, bei dem die Engstelle drei Engstellendurchgänge (112, 113) aufweist, wobei der erste Durchgang (113) mit einem ersten Abschnitt des geschmolzenen Bades oberhalb des Induktionsheizelementes kommuniziert, und der zweite Durchgang (112) mit einem zweiten Abschnitt des geschmolzenen Bades kommuniziert, welcher vom ersten Abschnitt des geschmolzenen Bades entfernt ist, wobei der dritte Durchgang (112) mit einem dritten Abschnitt des geschmolzenen Bades kommuniziert, welcher vom ersten Abschnitt des geschmolzenen Bades entfernt ist, und der erste Abschnitt des geschmolzenen Bades zwischen dem zweiten Abschnitt und dem dritten Abschnitt des geschmolzenen Bades angeordnet ist.
Ofen nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das wirksame obere Ende des ersten Engstellendurchganges einen Verteiler (115) aufweist, und der Verteiler (115) mit einer Vielzahl von Verteilerdurchgängen (116) verbunden ist, wobei die Durchgänge (116) mit der wirksamen oberen Region des ersten Abschnittes des geschmolzenen Bades kommunizieren.
Ofen nach Anspruch 11, bei dem sich die Durchgänge (126) durch einen angehobenen Abschnitt (117) des Ofenbodens erstrecken.
Ofen nach Anspruch 10, bei dem das wirksame obere Ende des zweiten Engstellendurchganges (123) einen Verteiler (125) aufweist, und der Verteiler (125) mit einer Vielzahl von Verteilerdurchgängen (126) verbunden ist, wobei die Durchgänge (126) mit der wirksamen oberen Region des zweiten Abschnittes des geschmolzenen Bades kommunizieren.
Ofen nach Anspruch 13, bei dem das wirksame obere Ende des zweiten Engstellendurchganges (123) einen Verteiler (125) aufweist, und das wirksame obere Ende des dritten Engstellendurchganges (123) einen Verteiler (126) aufweist, wobei der Verteiler des zweiten Durchganges und der Verteiler des dritten Durchganges mit einer Vielzahl von Verteilerdurchgängen (126) verbunden sind, wobei die Durchgänge (126) des Verteilers der zweiten Engstelle mit der wirksamen oberen Region des zweiten Abschnittes des geschmolzenen Bades kommunizieren, und wobei die Durchgänge des Verteilers der dritten Engstelle mit der wirksamen oberen Region des dritten Abschnittes des geschmolzenen Bades kommunizieren.
Ofen nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei dem sich die Durchgänge durch einen angehobenen Abschnitt des Ofenbodens hindurch erstrecken.