DE60305321T2

DE60305321T2 - Injektorbrenner für metallurgische schmelzgefässe

Info

Publication number: DE60305321T2
Application number: DE60305321T
Authority: DE
Inventors: Fabio Vecchiet; Milorad Pavlicevic; Alfredo Poloni
Original assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Current assignee: Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: EP1521852B1; ITMI20021526A1; ES2265586T3; ATE326552T1; DE60305321D1; AU2003250018A1; EP1521852A2; AU2003250018A8; WO2004007776A2; US7258831B2; WO2004007776A3; US20060038326A1

Description

Die folgende Erfindung betrifft einen Mehrzweck-Sauerstoffinjektor mit eingebautem Brenner (nachfolgend als Injektorbrenner bezeichnet) zur Verwendung im Hüttenwesen entweder zum Aufheizen und Verhütten von Metallen oder als Hilfsmittel für weitere Aufheiz- und Verhüttungsanlagen, welche beim Schmelzen zum Einsatz gelangen. Dieser Injektorbrenner kann zusätzlich, wenn auch nicht ausschließlich, bei Lichtbogenöfen (oder LBÖ) zur Anwendung kommen.
Die Vorrichtung kann fest an der Wand über dem Pegelstand des flüssigen Metallbades montiert werden. Bei bestimmten Anwendungen kann sie auch in Richtung des Inneren des Ofens bewegt werden, um den Abstand vom Bad zu verringern.
Ein Verfahren für den Einsatz dieser Vorrichtung für Schmelzprozesse in Lichtbogenöfen wird ebenfalls offenbart.
Allgemeiner Stand der Technik
Es sind viele Systeme zur Sauerstoffinjektion von den Ofenwänden her bekannt. Zahlreiche derartige Systeme machen von einer zusätzlichen Flamme Gebrauch, um das anfängliche Aufheizen und das Schmelzen der Metallcharge zu regulieren. Diese Flamme wird gewöhnlich mit Erdgas als Brennstoff und Sauerstoff als Verbrennungsträger betrieben.
Der Nachteil der derzeit verfügbaren Modelle besteht darin, dass die beschriebenen Vorrichtungen nicht ermöglichen, die Form der Flamme in den unterschiedlichen Phasen des Schmelzvorganges nach Belieben zu variieren.
Zu Beginn des Schmelzprozesses wird insbesondere eine diffuse und breite Flamme benötigt, um eine hohe chemische Leistung gleichmäßig durch die feste Charge hindurch zu verteilen. Anschließend daran ist ein konzentrierter Flammenmodus erforderlich, welcher so ausgelegt ist, dass die Wärme auf die restliche feste Charge unterhalb der Einbauhöhe des Injektors übertragen wird
Nach dem Stand der Technik ist keine Injektorvorrichtung bekannt, welche so ausgelegt ist, dass die Form der Flamme zwischen diesen zwei entgegengesetzten Typen reguliert werden kann. Insbesondere Lichtbogenöfen, die nachfolgend als LBÖ bezeichnet werden sollen und bei denen Injektoren nach dem Stand der Technik verwendet werden, leiden unter einer schlechten Wärmeverteilung. Der Typ von Brennern (und Injektoren im Brennermodus), welcher typischerweise bei LBÖ verwendet wird, erzeugt eine konzentrierte Flamme, welche ein etwas ineffizientes Vermengen bewirkt und die Charge in den Anfangsphasen des Schmelzprozesses oxidiert.
Die bekannten Injektoren weisen, wenn sie im Brennermodus eingesetzt werden, große Anteile von freiem Sauerstoff in der Flamme auf, eine charakteristische Eigenschaft, die sie in Verbindung mit dem stark lokalisierten Aufheizungseffekt der Flamme auf die Charge zwar zu geeigneten Vorrichtungen für das Schneiden der Metallcharge mit Sauerstofflanzen macht, jedoch nicht für ihr gleichmäßiges Aufheizen. Die Oxidation der Charge in den Anfangsphasen des Schmelzprozesses verursacht ernsthafte Verluste in der Gesamtenergiebilanz sowie einen Abfall im endgültigen Ausbringen an Metallen. Weitere Nachteile dieser Art von Vorrichtung werden durch die Konzentration der erzeugten Flamme verursacht. Das Volumen der aufgeheizten Metallcharge bleibt begrenzt, wobei die Durchbohrung der Charge im Lichtbogenbereich eine häufig beobachtete Erscheinung darstellt, welche die Störung des Lichtbogens zur Folge hat und bewirkt, dass die Verbrennungsgase längs der Elektrode aufsteigen, ohne dass sie durch die Charge treten, welcher die Wärme nicht auf effektive Weise überfragen wird. Darüber hinaus wird der im Ofen befindliche Ring der Metallcharge am Boden der Säule auf eine diskontinuierliche Art und Weise vorgeheizt, was zur Folge hat, dass der Ofen eine größere Anzahl von Injektonen enthalten muss.
Zusätzlich zu diesen Einschränkungen beim Brennermodus sind die derzeit verfügbaren Injektonen bei der Injektion von Überschallsauerstoff, Kohlenstoff und Kalk nicht effizient. Der Einbau derartiger Injektonen an den Wänden der LBÖ erfordert, dass die vom Injektor erzeugten Strahlen kohärent sind, zumindest hinsichtlich des Abstandes zwischen Injektor und Schmelze. Diese kennzeichnende Eigenschaft ist bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht mehr gegeben, wenn der Abstand des Einbauortes von der Schmelze größer als 750 mm ist. Die Folge davon ist, dass die Injektionen von die Sauerstoff, Kohlenstoff und Kalk in die Schmelze und die Schlacke uneffizient sind, verbunden mit einer sich daraus ergebenden Verlängerung der Reinigungszeiten und der thermischen Überlastung des Innenvolumens des Ofens und des Rauchgassystems, was durch die über der Schmelze verteilt vorhandenen Reagenzien bewirkt wird.
Nach dem Stand der Technik sind keine Injektoren bekannt, welche so ausgelegt sind, dass mit ihnen Brennstoff wie beispielsweise Methan in die Schlacke und/oder die Schmelze injiziert wird, um eine Karburierungsreaktion der Schmelze zu bewirken und gleichzeitig Hitze zu entwickeln und die Oxide in der Schlacke zu vermindern.
Die Patentunterlagen GB-A-2064094 offenbaren einen Brenner, welcher Löcher aufweist, durch welche der Brennstoff innerhalb einer divergent nach außen gerichteten Umhüllung abgegeben werden kann, und der weitere Durchgänge aufweist, welche den ersten Durchgang kreisförmig umgeben, durch welche ein zerstäubendes Medium in den Brennstoff abgegeben werden kann, wenn dieser den Kopf des Brenners verlässt. Das US-Patent US-A-6289677 offenbart einen Brennstoffinjektor für eine Gasturbinenanlage mit einer Düsenspitze, welche eine ringförmige Anordnung von Luftdurchgängen aufweist, die sich in radialer Richtung in einem gewissen Abstand vom zentralen Durchgang des Kraftstoffbrenners befinden. Die Achsen der Durchgänge sind dergestalt angeordnet, dass sie die Vermischung von Luft und Brennstoff ermöglichen. Es ist eine zweite ringförmige Anordnung von Luftdurchgängen vorhanden, um eine kreisrunde Form der Flamme zu erzeugen.
Die Form der Flamme, welche durch derartige Brenner der bekannten Art erzeugt wird, ist kreisrund und nicht für das Auftreffen von oben herab auf eine Oberfläche geeignet, wodurch ein Teil der Energie oberhalb der Oberfläche verbraucht wird. Darüber hinaus kann damit das Gas nicht mit Überschallgeschwindigkeit abgegeben werden.
Darstellung der Erfindung
Es ist ein neuer Typ von Injektor entwickelt worden, insbesondere für die Verwendung auf dem Gebiet der Verhüttung, und zwar speziell für Schmelzöfen wie beispielsweise Lichtbogenöfen. Das vorrangige Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die weiter vorn erwähnten Nachteile des Standes der Technik dadurch zu überwinden, dass ein Mehrzweck-Injektorbrenner geschaffen wird, welcher in der Lage ist, die Anforderungen einer jeden Phase des Prozesses zu erfüllen und die Energiebilanz, die Produktivität und das Leistungsfähigkeit des Ofens, in welchem er zur Anwendung kommt, zu erhöhen. Der erfindungsgemäße Injektorbrenner umfasst einen zylinderförmigen Körper, welcher eine erste Längsachse festlegt, wobei dieser zylindrische Körper umfasst: einen ersten zentralen Kanal, welcher längs der genannten Achse angeordnet ist, mindestens einen zweiten ringförmigen Kanal, welcher um den genannten zentralen Kanal angeordnet ist, einen dritten ringförmigen Kanal, welcher um den genannten zweiten Kanal angeordnet ist, einen Kopf, der an einem Ende des genannten Körpers befestigt ist und mindestens ein erstes Durchgangsloch aufweist, das koaxial zur ersten Längsachse verläuft und den genannten ersten zentralen Kanal mit der Außenseite des Injektorbrenners verbindet, wobei der Kopf mit zweiten und dritten Durchgangslöchern ausgestattet ist, welche jeweils die genannten zweiten und dritten ringförmigen Kanäle mit der Außenseite des Injektorbrenners verbinden, wobei jedes der zweiten Durchgangslöcher jeweils eine zugehörige zweite Achse festlegt, wobei jede zweite Achse jeweils einen ersten Winkel mit einer Ebene bildet, die durch die erste Achse und den Schnittpunkt der jeweiligen Achse mit der Außenfläche des Kopfes verläuft und wobei außerdem jede zweite zugehörige Achse eine Projektion auf die genannte Ebene festlegt, welche einen zweiten Winkel mit der genannten ersten Achse bildet, bei welchen die zweiten und dritten Löcher in mehrere Gruppen unterteilt sind, wobei diese Gruppen untereinander durch lochfreie Kreissektoren der Außenfläche des Kopfes getrennt sind, wobei die Kreissektoren ihren Scheitelpunkt auf der ersten Achse haben und ihre Öffnungswinkel größer als der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten zweiten Löchern sind.
Das erste Loch befindet sich koaxial zum Zylinderkörper. Ein dritter ringförmiger Kanal ist um den genannten zweiten Kanal herum angeordnet, und der Kopf ist mit dritten Löchern ausgestattet, welche den genannten dritten Kanal mit der Außenseite verbinden. Die genannten dritten Löcher haben jeweils ihre eigene Achse, welche einen ersten Winkel mit einer Ebene bildet, welche durch die genannte erste Achse und den Schnittpunkt der Lochachse mit der Außenfläche des Kopfes verläuft (vorgesehen als Fortsetzung der genannten Fläche bei Nichtbeachtung der Anwesenheit des ersten Loches) und welche eine Projektion auf der genannten Ebene aufweist, welche einen zweiten Winkel mit der genannten ersten Achse des zylindrischen Körpers bildet.
Die genannten ersten Winkel und die genannten zweiten Winkel der zweiten und dritten Löcher können vorteilhafterweise zwischen 5 und 60° liegen, wobei die ersten und die zweiten Winkel der zweiten Löcher auch von jenen der dritten Löcher verschieden sein können. Das Letztere ist vorzugsweise dergestalt, dass die Achsen der zweiten und dritten Löcher sich paarweise außerhalb des Brenners einander überkreuzen. Um einige besondere Ausführungsformen wie beispielsweise für eine flache oder fächerförmige Flamme herzustellen, können die zweiten Winkel auch für einige Löcher den Wert Null aufweisen. Sind die Löcher so ausgelegt, dass sie Strahlen der Gase aussenden, welche den Kanälen des Injektorbrenners zugeführt werden, ermöglicht diese Vorrichtung ein gutes Vermischen der Gase, die von den zweiten und dritten Löchern herrühren, welche vorzugsweise auf kreisrunden Kränzen angeordnet sein sollten, die konzentrisch zur ersten Achse des zylindrischen Körpers verlaufen. Diese sind in mehrere Gruppen unterteilt, die durch lochfreie Kreissektoren des Kopfes getrennt sind. Die genannten Sektoren sind zwischen zwei Schenkeln eines Winkels festgelegt, welcher seinen Scheitelpunkt an der Mitte des Kopfes (Schnittpunkt zwischen den Achsen des zylindrischen Körpers und der Außenfläche des Kopfes) hat und der größer ist als der Winkel mit seiner Spitze an der Mitte des Kopfes und der als Schenkel diejenigen gerade Linien hat, welche durch die genannte Mitte und die Mitten der zwei benachbarten zweiten oder dritten Löcher verlaufen, falls diese vorhanden sind. Es können zwei oder mehr als zwei derartiger Gruppen vorhanden sein.
Vorteilhafterweise wird die Orientierung der Achsen der zweiten und dritten Löcher des Brenners in Bezug auf die Achse des Brenners selbst so ausgewählt, dass divergente Flammen und Flammenhüllen unterschiedlicher Gestalt erzeugt werden können. Die Gestalt kann im Hinblick auf eine optimale Wärmeverteilung in der Schrottschicht während der gesamten Phase des Schrottschmelzens ausgewählt werden.
Eine besonders vorteilhafte Flammenform ist diejenige mit einer flachen und breiten Flammenhülle. Diese Lösung bietet eine optimale Verwertung der erzeugten Wärme, wodurch die von der Flamme des Brenners erzeugte Aushöhlung über einen längeren Teil der Phase des Schrottschmelzens andauert, bevor eine Öffnung in dem Teil genau oberhalb der Flamme erzeugt wird. Die Vermeidung einer derartigen Öffnung oberhalb der Flamme ist ein wichtiger Vorteil, da durch diese Öffnung ein Teil der Hitze direkt in den oberen Luftraum des Ofens ohne einen thermischen Austausch mit dem Schrott strömt.
Eine derartige Form der Flamme wird erzeugt durch eine geeignete Auswahl der Neigungswinkel der Achse eines jeden Loches oder jeder Gruppe von Löchern, welche am Brennerkopf ausgeführt sind. In diesem Fall haben zwei erste Gruppen von Löchern, die auf dem Kopf symmetrisch und in Bezug auf die Kopfachse einander gegenüberliegend angelegt sind, Lochachsen, welche dergestalt schräg angeordnet sind, dass die ersten Winkel Werte zwischen 5° und 60° und die zweiten Winkel einen Wert von grundsätzlich 0° aufweisen, d. h. die Lochachsen sind zu den Kopfachsen koplanar und schneiden grundsätzlich die Brennerachse. Zusätzlich weisen die zwei zweiten Gruppen zugehörige Achsen auf, welche dergestalt schräg angeordnet sind, dass die ersten und zweiten Winkel von 0° verschiedene Werte aufweisen und folglich nicht koplanar zur Brennerachse sind. Die zwei symmetrischen Flammen, die von der ersten Gruppen der Löcher abgegeben werden, stehen untereinander und mit den von den ersten Gruppen der Löcher abgegebenen Flammen in Wechselwirkung und erzeugen insgesamt eine Flammenhülle, die einer einzigen breiten und annähernd flachen Flamme entspricht.
Der erste Kanal oder das entsprechende erste Loch kann ein konvergent geformtes Düsenteil oder ein wie eine Entspannungsdüse geformtes Düsenteil zur Regulierung der Expansion des im Kanal strömenden Gases vom Versorgungsdruck zum Austrittsdruck aufweisen. Innerhalb des ersten Kanals kann ein weiterer vierter Kanal, welcher vorzugsweise koaxial zu diesem ist, vorhanden sein, um feste oder flüssige Bestandteile zuzuführen, welche vorzugsweise in einem Gas dispergiert sind wie beispielsweise die für den Prozess erforderlichen Pulver, welche durch ein Gas wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff befördert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für das Einleiten eines Gases in einen Metallschmelzofen, insbesondere einen Lichtbogenofen, einschließlich der Zuführung der Gase zu einem Injektorbrenner, wie er weiter vorn beschrieben worden ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für das Aufheizen und/oder die Behandlung eines metallischen Materials in einem Schmelzofen, insbesondere in Lichtbogenöfen, welches umfasst: die Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases zum ersten Kanal eines Injektorbrenners, wie weiter vorn beschrieben wurde, eines Gases, welches einen Brennstoff wie beispielsweise Methan oder Erdgas enthält, zum zweiten Kanal, und eines Gases, welches Sauerstoff enthält, zum dritten Kanal, wo dieser vorhanden ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein weiteres Verfahren der Verarbeitung des Metalls in einem Schmelzofen, bei welchem die Injektion eines Brennstoffes wie beispielsweise Methan in die Schmelze auch durch den ersten Kanal des Injektorbrenners erfolgt.
Dank der kennzeichnenden Eigenschaften, welche die genaue räumliche Anordnung der Löcher am Kopf betreffen, kann der Injektorbrenner eine Flamme mit veränderlicher Gestalt je nach den Erfordernissen der unterschiedlichen Phasen des Schmelzprozesses erzeugen, wenn dieser im Brennermodus verwendet wird.
Er ist auch in der Lage, im Modus Sauerstoffinjektion zu arbeiten (sogar im Überschallbereich), und in den unterschiedlichen Produktionsformen kann mit ihm auch die Injektion von festem pulverförmigem oder kornförmigem Material wie beispielsweise Kohlenstoff oder Kalk betrieben werden.
Die Vorrichtung überwindet die typischen Nachteile des Standes der Technik, da sie während der Schmelzphase im Brennermodus arbeiten kann, wo sie eine diffuse Flamme in der Anfangsphase des Prozesses und eine konzentrierte Flamme in der abschließenden Phase des Schmelzens erzeugt, und nachfolgend im Modus der Überschallinjektion Sauerstoff, der Injektion von Kohlenstoff oder Kalk in der Reinigungsphase der Schmelze.
Das Überwechseln zwischen diesen unterschiedlichen Injektions- und Verbrennungsphasen und Modi erfolgt durch einfaches Regulieren der Volumenströme in den verschiedenen Injektordüsen.
Ein weiterer erreichter Vorteil ist die Erleichterung, mit welcher der Injektorbrenner dieser Erfindung die Injektoren oder Brenner des Standes der Technik bei gewöhnlichen Schmelzofeneinbauten ersetzen kann, wodurch beträchtliche Kosteneinsparungen erzielt werden.
Der Injektor besteht aus einem zylindrischen Körper, welcher aus sehr einfach gebauten konzentrischen Rohren hergestellt ist, die mit einem zylindrischen Kopf, beispielsweise aus Kupfer, verbunden sind. Dieser Injektor ist daher mit den bestehenden Einbauten kompatibel und kann Injektoren des bekannten Typs ersetzen, ohne dass Veränderungen der Gehäuse derartiger Anlagen an den Ofenwänden erforderlich sind. Alternative Anordnungen, welche nicht vom Geist dieser Erfindung abweichen, sind offensichtlich ebenfalls möglich.
Im Modus der Festinstallation kann der Injektorbrenner auf die gleiche Art und Weise an der Wand montiert werden wie diejenigen nach dem Stand der Technik, oder auf der Plattform des EBA (exzentrischer Bodenabstich), d. h. dem typischen exzentrischen Bereich moderner Schmelzöfen, von welchem das Abstechen der geschmolzene Masse am Ende des Prozesses erfolgt.
Der Einbau in diesem Bereich des Schmelzofens ermöglicht die Aufheizung und Behandlung der flüssigen Masse in einem Bereich des Ofens, welcher gewöhnlich kalt ist, was kritisch für die Geschwindigkeit der Schmelzoperationen ist.
Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass der Injektorbrenner in Bezug auf den Ofen mobil ist, so dass er sich in Richtung auf das Innere während des Schmelzens und des Reinigens der geschmolzenen Masse innerhalb des Ofens bewegen lässt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere kennzeichnende Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden weiterhin offenkundig angesichts der ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten, wenn auch nicht ausschließlichen, Ausführungsform eines Brenners für einen Lichtbogenofen, wie er anhand eines den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht einschränkenden Beispiels mit Hilfe der angefügten Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen sind:
1 zeigt die Vorderansicht des Typs von Injektorbrenner gemäß der Erfindung;
2, 3, 4 und 5 zeigen in Längsrichtung verlaufende Schnitte von Injektorbrennern gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt verschiedene Anordnungsdiagramme der zweiten und dritten Löcher des Kopfes eines erfindungsgemäßen Injektorbrenners zusammen mit der Schnittdarstellung der von ihnen erzeugten Flamme normal zur Achse des Injektorbrenners;
7 zeigt die Muster der Volumenströme der Gase, welche dem hier beschriebenen Injektorbrenner in den verschiedenen Phasen eines Eisenschrott-Schmelzprozesses in einem Lichtbogenofen zugeführt werden;
8 zeigt den Kurvenverlauf, welchen der Prozentsatz des an der Reaktion beteiligten Brennstoffs als Funktion des Abstandes vom Kopf des im Brennermodus eingesetzten erfindungsgemäßen Injektorbrenners nimmt, verglichen mit dem einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
9 zeigt eine dreidimensionale Zeichnung der Entwicklung der Flamme, die vom Injektorbrenner in seinem Betriebsmodus zur Ausbildung einer breiten Flamme erzeugt wird;
10 zeigt eine dreidimensionale Zeichnung der Entwicklung der Flamme, die vom Injektorbrenner in seinem Betriebsmodus zur Ausbildung einer konzentrierten Flamme erzeugt wird;
11 zeigt eine schematische Ansicht des Verlaufs einer flachen breiten Flamme, welche von einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners erzeugt wird;
12 zeigt eine schematische Perspektivansicht von mehreren Verläufen der Flamme von
11 während ihrer Ausbreitung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es soll nun besonderer Bezug auf die 1 genommen werden, wo die Vorderansicht eines Injektorbrenners zur die Erzeugung von Hitze und zur metallurgischen Behandlung in einem Lichtbogenofen dargestellt ist. Dieser Injektorbrenner umfasste einen Kopf 2, welcher aus einem geeigneten Material, gewöhnlich Kupfer, hergestellt ist, und einen zylindrischen Körper 3. Der Kopf 2 weist eine gewisse Anzahl von Löchern auf, welche längs der Umfänge oder von umfänglichen Bögen angeordnet sind, die konzentrisch zur Achse des Kopfes und des Brenners verlaufen. Der zylindrische Körper 3 des Brenners 1 legt eine Achse 6 fest und besteht aus mehreren koaxialen Rohren, die sich jeweils ineinander befinden. Die Richtungen 4 und 4' der Achsen der Löcher 5 und 5' der zweiten beziehungsweise dritten Löcher sind dargestellt. Jede Achse der Löcher 5 und 5' ist in Bezug auf die Achse 6 schräg angeordnet, so dass auf diese Weise zwei Winkel festgelegt werden:

i) der Winkel α, der von Null verschieden ist, ist festgelegt als Winkel zwischen der Projektion der Achse des Loches auf eine radiale Ebene, welche durch die Achse 6 und durch die Mitte des Loches verläuft, und der Achse 6 des Körpers 3;
ii) der Winkel β, festgelegt als der Winkel, unter welchem die Achse des Loches eine radiale Ebene kreuzt, welche durch die Achse 6 und durch die Mitte des Loches verläuft.

Wie in 1 dargestellt ist, schneiden die Achsen einander vorzugsweise in Gruppen von zwei, sie öffnen nach außen, und sie haben eine tangentiale Komponente in Bezug zur Achse des Injektorbrenners. Mit der Zuführung von Brennstoff zu den zweiten Löchern und von die Verbrennung unterstützenden Mitteln zu den dritten Löchern (oder umgekehrt) werden Flammen erhalten, welche um die Achse 6 des zylindrischen Körpers 3 rotieren und dabei einen Dralleffekt erzeugen. Das erste Loch 7 ist ebenfalls sichtbar.
2 zeigt einen Längsschnitt eines Injektorbrenners, welcher gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist. Sie zeigt den ersten Kanal 8, den zweiten Kanal 10 und den dritten Kanal 9 und auch einen Mantel 11, welcher wahlweise vorhanden und für die Umwälzung eines Kühlmittels, beispielsweise Wasser, bestimmt ist und welcher durch verschiedene koaxiale Rohre festgelegt ist, die gemeinsam die Bezugszahl 12 haben. Die Kanäle 13 und 13' dienen der Zuführung und Abführung des genannten Mittels. Die Gase werden den Kanälen durch Leitungen wie beispielsweise jenen, die mit 14 bezeichnet sind, zugeführt. Das erste Loch 7 befindet sich koaxial zum zylindrischen Körper 3. Die Zeichnung zeigt auch den Einschnürabschnitt 15 am Ende des ersten Kanals 8, welcher insbesondere in dem Fall geeignet ist, wo Gas mit Überschallgeschwindigkeit im ersten Kanal 8 ausströmt. Der Einschnürabschnitt ist vorzugsweise in einer derartigen Weise gestaltet, dass er den Zuführungsdruck in den Austrittsdruck umwandelt, welcher einer hyperbolisch verlaufenden Tangentenrichtung längs des Abschnittes folgt.
Entweder Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas kann dem ersten Kanal eingeführt werden.
Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform weist der Kopf 2 zwei ringförmige Kammern 19 und 19' auf, welche der Aufteilung des Gases des zweiten Kanals und des Gases des dritten Kanals auf die zweiten und dritten Löchern 5 und 5' dienen, welche von diesen herführen, wobei diese Gase im Allgemeinen ein Verbrennungsträger und ein Brennstoff sind wie beispielsweise Sauerstoff bzw. Methan (auch wenn es durchaus möglich ist, die Reihenfolge der Zuführungsströme zu ändern, falls dies notwendig ist). Dessen ungeachtet sind weitere Ausführungsformen möglich, beispielsweise mit mehreren Kammern, welche für die Verteilung des Brennstoffes und des Verbrennungsträgers bestimmt sind und die nach außen durch eine Anzahl von Verteilungen von konzentrischen Löchern verbunden sind, welche im Kopf 2 angelegt sind.
3 stellt einen Längsschnitt durch einen Injektorbrenner dar, welcher gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist. In diesem Fall ist der Einschnürabschnitt durch einen einfachen konvergent verlaufenden Abschnitt 15' ersetzt. Der Durchmesser des ersten Loches 7 und des ersten Kanals 8 sind so gewählt, dass sie zu den Kenndaten der Abschnitte 15 oder 15' passen.
Die 4 und 5 betreffen einen Längsschnitt durch Ausführungsformen, welche den Einschnürabschnitt und den vierten Kanal 16 aufweisen, welcher vom ersten Kanal 8 durch das Rohr 17 getrennt ist, wobei der genannte vierte Kanal für die Einleitung von Pulver oder Körnchen (wie beispielsweise Kohlenstoff oder Kalk) verwendet wird, welche beispielsweise durch einen geeigneten Gasstrom befördert werden, und bei welchen der erste Kanal gerade verläuft ohne konvergente oder Einschnürabschnitte, der verwendet werden kann, damit zusammen mit dem Gas des ersten Kanals Pulver injiziert werden kann. In diesem letzten Fall kann das erste Loch ein Abschmelzrohr (20 in 5) enthalten, welches aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material hergestellt ist und dazu dient, die Wände des ersten Kanals der Vorrichtung vor der schleifenden Wirkung des Pulvers oder der Körnchen zu schützen; gemäß einem Aspekt der Erfindung erfolgt die Einleitung von festen Bestandteilen in einen Gasstrom, dessen Ausströmung aus dem Kopf des Injektorbrenners im Unterschallbereich erfolgt.
Weitere Kombinationen sind je nach dem Anforderungen möglich, die das Verfahren und die Anlage stellen.
Wie weiter vorn bemerkt wurde, sollten die zweiten und dritten Löcher (falls vorhanden) vorzugsweise auf zwei kreisrunden konzentrischen Kränzen verteilt sein, wie dies in 1 dargestellt ist. Sie können in eine Anzahl von Gruppen unterteilt sein, die durch lochfreie Kreissektoren des Kopfes getrennt sind. Die genannten Sektoren sind zwischen zwei Schenkeln eines Winkels festgelegt, welcher seine Spitze an der Mitte des Kopfes hat (Schnittpunkt zwischen der Achse des zylindrischen Körpers und der Außenfläche des Kopfes) und welcher größer ist als der Winkel mit der Spitze an der Mitte des Kopfes und Schenkeln von geraden Linien, welche durch die genannte Mitte und die Mitten der zwei benachbarten zweiten und dritten Löcher (falls vorhanden) verlaufen. Zwei oder mehr als zwei Gruppen können vorhanden sein, um zwei oder mehr als zwei Flammen zu bilden, welche sich um die Achse des Injektorbrenners herum winden, wodurch sie eine gute Hitzevermischung und -verteilung ergeben. Die Richtung der zweiten und dritten Löcher ist dergestalt, dass sie den Gasstrahlen eine Richtungskomponente gibt, die tangential zur Achse des Injektorbrenners verläuft. In den 6a–6e sind unterschiedliche mögliche Lochanordnungen veranschaulicht, welche unterschiedliche Flammentypen beim Betrieb im Injektorbrennermodus ergeben, in welchem die Injektion des Brennstoffes und eines Verbrennungsträgers durch derartige Löcher erfolgt, und welche je nach den Erfordernissen ausgewählt werden können. Mit einer geeigneten Lochanordnung und -ausrichtung werden Flammen der gewünschten Gestalt erhalten, wobei die Gestalt so eingestellt werden kann, dass sie den Erfordernissen des Prozesses gerecht werden. Neben einem jeden Typ des Kopfes ist der Querschnitt der erzeugten Flamme dargestellt, und zwar normal zur Achse des Injektorbrenners und in einem gewissen Abstand von ihm, eine Flamme, die insbesondere beim Betrieb im Modus "diffuse Flamme" erzeugt wird, wie weiter unten noch beschrieben wird.
Die 6b veranschaulicht einen besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung.
Die zweiten und dritten Löcher können auch so geformt sein, dass konvergente Düsen oder Entspannungsdüsen gebildet werden, um eine Überschallausströmung der zugeführten Gase zu ergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders für die Erzeugung von breiten und flachen Flammen geeignet.
Bei dieser Ausführungsform sind die Löcher 4' und 4'' auf dem Brennerkopf in eine oder mehrere erste Gruppen 5 von Löchern mit Zwischenräumen unter einem Winkels gruppiert, welcher größer als der Winkel 6 ist, der zwei benachbarte Löcher trennt. Vorzugsweise sind zwei von diesen ersten Lochgruppen 5 auf dem Kopf symmetrisch und in Bezug auf die Kopfachse 6 einander gegenüberliegend angelegt. Die Winkel α' und α'' dieser Löcher 4' und 4'' weisen Werte auf, welche zwischen 5° und 60° liegen, und die Winkel, β' und, β'' der Löcher 4' und 4'' weisen einen Wert auf, der grundsätzlich 0° beträgt, d. h. die Lochachsen sind koplanar mit der Kopfachse 6. Darüber hinaus schneiden die Lochachsen grundsätzlich die Brennerachse 6. Die Winkel α', α'' und, β', β'' sind dieselben wie diejenigen, die weiter vorn in den anderen weiter oben beschriebenen Ausführungsformen festgelegt sind.
Auf diese Art und Weise sind die zwei gegenüberliegenden ersten Gruppen der Löcher 4', 4'' geeignet, zwei Flammen zu erzeugen, welche in Bezug auf die Achse 6 symmetrisch sind und von der Spitze des Kopfes dergestalt divergent verlaufen, dass die zwei Flammenachsen die Achse 6 des Brenners hinter dem Kopf schneiden. Beispielsweise ist jedes Loch 4', 4'' der ersten Gruppe symmetrisch in Bezug auf die Achse 6 zu einem weiteren Loch 4', 4'' der zweiten und gegenüber befindlichen Gruppe von Löchern.
Bei dieser Ausführungsform ist der Kopf 2 auch mit einem oder mehreren zweiten Lochgruppen 5 ausgestattet, deren Löcher 4', 4'' in ähnlicher Weise wie die in den weiter vorn beschriebenen anderen Ausführungsformen ausgerichtet sind, d. h. beide Winkel α', α'', β', β'' dieser Lochachsen sind von 0° verschieden, und folglich sind sie nicht koplanar mit der Achse 6 des Kopfes 2. Die zwei symmetrischen Flammen stehen untereinander und mit den anderen Flammen, welche von anderen Lochgruppen erzeugt werden, in Wechselwirkung und erzeugen eine Flammenhülle, die einer einzigen, breiten und annähernd flachen Flamme entspricht, wie dies in den 11, 12 dargestellt ist: Die 11 zeigt schematisch einen Querschnitt einer flachen Flamme, welche mit der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird; 12 zeigt mehrere Querschnitte einer sich ausbreitenden flachen Flamme.
Bei allen in dieser Erfindung vorgesehenen Ausführungsformen kann der Injektorbrenner entweder fest an einer Wand montiert sein oder sich an einer mechanischen Greiferhand befinden, welche ermöglicht, dass er innerhalb des Schmelzofens bewegt wird.
Bei der festen Wandmontage kann die Achse des Injektorbrenners nach Belieben sowohl auf die horizontale als auch auf die vertikale Ebene gerichtet werden.
Der Injektorbrenner kann an jeder beliebigen Wand- oder Türlanze des Standes der Technik (bewegt durch eine mechanische Greiferhand) montiert werden. Seine Konstruktion und die Leistungsfähigkeit seiner Strahlen sind denen des Standes der Technik überlegen (insbesondere dank der speziellen Düsenkonstruktion in Bezug auf den Überschallsauerstoff) und ermöglichen den innovative Einsatz derartiger Lanzen gegenüber denen des Standes der Technik.
Es muss bemerkt werden, dass die Lanzen des Standes der Technik mit der bekannten Technologie wegen der schwachen Kohärenz des von ihnen erzeugten Sauerstoffstrahls notgedrungen bei typischen Abständen von 300–350 mm von der Schmelze arbeiten. Nur bei Betrieb mit derartig kurzen Abständen ist die Effizienz der Sauerstoffeindringung in die Schmelze akzeptabel.
In jedem Fall leiden die Lanzen nach dem Stand der Technik an einer sehr eingeschränkten Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass sich die Lanzen bei einem so dichten Betrieb am Schmelzbad unter kritischen thermischen und physikalischen Bedingungen befinden und direkt durch das Bespritzen mit geschmolzenem Metall beeinträchtigt werden können.
Falls dieser Injektorbrenner am Ende einer mobilen Lanze montiert ist, kann er eine hohe Injektionseffizienz aufweisen, selbst wenn seine Einführstelle weiter vom Bad entfernt ist als die derzeit ausgeübte Praxis dieser Technologie. Es ist möglich, eine Injektionseffizienz zu erreichen, welche gleich oder größer als die der bestehenden Lanzen ist, wenn man in einer Entfernung von bis zu 1–1,5 Metern arbeitet. Bei diesen Abständen ist die Lebensdauer der Lanze weit höher, da sie ermöglicht, dass sie weiter weg vom Bad entfernt betrieben werden kann und daher weniger durch thermische und mechanische Faktoren beansprucht wird und nicht der Gefahr ausgesetzt ist, mit geschmolzenem Metall bespritzt zu werden.
Diese Besonderheit ermöglicht es auch, dass der Injektorbrenner in einem Zwischenmodus betrieben kann, der zwischen der festen Wandinstallation und der Installation auf einer Lanze mit einer mechanischen Greiferhand liegt, die mit zahlreichen Bewegungsgraden für ihre Bewegung ausgestattet ist, wobei beide Modi für den Stand der Technik typisch sind.
Eine kompakte mechanische Greiferhand mit nur einem axialen Freiheitsgrad kann an der Wand montiert sein, was die Einführung des Injektorbrenners in den Ofen entsprechend ihrer axialen Richtung zulässt. Bei dieser Konfiguration werden der vertikale und der horizontale Einbauwinkel des Injektorbrenners nicht verändert, und lediglich der Abstand zwischen dem Injektorbrenner und der Schmelze wird verändert. Dieser axiale Freiheitsgrad ermöglicht immer eine maximale Injektionsleistung unabhängig von der aktuellen Höhe des Füllstandes der Schmelze, die von der Menge der Metallcharge im Ofen, der Phase des Prozesses und dem Stand der Abnutzung des Schamottebehälters abhängt.
Auf alle Fälle kann der minimale Arbeitsabstand von der Schmelze, sogar in diesem Fall, größer sein als der einer Standardlanze nach dem Stand der Technik, und folglich sind die Probleme des thermisch-mechanischen Verschleißes am Injektorbrenner geringer. Typischerweise kann ein Abstand von 500–600 mm von der Schmelze gewählt werden. Der axiale Hub der wandmontierten Einführvorrichtung (typischerweise 1–1,5 Meter) und folglich die äußeren Abmessungen der Anlage können demzufolge verringert werden, wenn der Injektorbrenner während der Beschickungsphase mit der Wand ausgerichtet wird.
Wir wollen nunmehr einige Betriebsmodi eines Injektorbrenners gemäß dieser Erfindung beschreiben, welcher sich dadurch auszeichnet, das er zweite und dritte Löcher aufweist, die auf konzentrischen kreisrunden Kränzen verteilt sind.
Im "Modus Brenner mit diffuser Flamme" wird der Verbrennungsträger von den dritten Löchern oder dem äußeren Lochkranz und der Brennstoff von den zweiten Löchern oder dem inneren Kranz zugeführt. Das erste zentrale Loch wird mit einem minimalen Volumenstrom an Luft durchspült, um es sauber zu halten. Bei diesem Modus wird die durch den Injektorbrenner erzeugte Form der Flamme durch den physikalischen Effekt des Dralls reguliert, welcher durch die Neigung der zweiten und dritten Löchern bewirkt wird mit der Tendenz, eine Aufweitung der Flamme zu bewirken, was verknüpft wird mit dem Effekt, der durch den Grad der Trennung der Ströme erzeugt wird, die von jedem Satz der Löcher erzeugt werden, deren Intensität vom Winkel des Abstandes zwischen ihnen abhängt.
Das Anordnen der zweiten und dritten Löcher in getrennten und mit einem Abstand versehenen Gruppen erzeugt einen Effekt, durch welchen sich die Flamme mit Kontinuität ausbreitet und sich nicht in sich selbst schließt, wie dies bei einer durch den Kopf erzeugten ringförmigen Flamme ohne einen Abstand zwischen den Gruppen von Löchern der Fall sein würde.
Die 6b betrifft einen Schnitt durch eine diffuse Flamme, welche durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird. Die sich ergebende Strömung weist vier Flammenbereiche auf. Es wird ein leichter Dralleffekt erzielt, welcher den Strahlen eine räumliche schraubenförmige Konfiguration verleiht. Die sich ergebende Strömung weist 4 miteinander teilweise in Wechselwirkung stehende Flammenbereiche auf, vorausgesetzt dass der Dralleffekt in Verbindung mit der verminderten Trennung zwischen den Sätzen von Löchern eine Rückführung der Verbrennungsprodukte in Richtung des Achsbereiches des Injektorbrenners bewirkt. Auf diese Art und Weise können r Hauptbrennrichtungen festgestellt werden. Die Öffnung der vier äußeren Flammen ist kleiner als die geometrische Richtung der Löcher. In dem freigelassenen Raum zwischen den Lochgruppen ist das Umgebungsgas in der Lage zu strömen, wird angezogen durch die Wirkung der Strömungen, die durch die einzelnen Lochgruppen erzeugt werden, und versorgt folglich den axialen Bereich des Injektorbrenners. Die durch jede Gruppe erzeugten Strömungen können sich folglich räumlich ausbreiten, in dem sie der Richtung folgen, welche durch die Neigung der Löcher auferlegt wird. Die strömungsdynamische Verbindung zwischen der umliegenden Umgebung und dem axialen Bereich des Injektorbrenners verhindert in der Tat die Erzeugung eines zentralen Unterdruckbereiches, welcher die Flamme zum Erlöschen bringen würde.
Die Flamme rotiert im Raum, während sie sich weiter vom Kopf weg bewegt, mit einer beträchtlichen Zunahme ihrer Intensität.
Die 9 zeigt die Entwicklung der Flamme, die durch das bevorzugte Modell dieser Erfindung im Modus mit diffuser Flamme erzeugt wird, mit ihren Querschnitten 21, 22, 23 und 24 bei 0,5, 1, 1,5 und 2 Metern vom Kopf 2 des Injektors dar.
Im Allgemeinen bewirkt der Dralleffekt in Verbindung mit der Tatsache, dass die Strahlen des Verbrennungsträgers und die Brennstoffstrahlen auf eine derartige Weise gerichtet sind, dass sie paarweise zusammentreffen, eine exzellente Mischung der Reagenzien, wofür der Injektorbrenner im Brennermodus fast seine gesamte Leistung bei kleineren Abständen vom Kopf entwickelt als Brenner (oder Injektoren im Brennermodus) nach dem Stand der Technik.
8 zeigt eine grafische Darstellung, welche ermöglicht, einen Vergleich zwischen dem Prozentsatz an Brennstoff, welcher mit dem Verbrennungsträger reagiert hat, in Abhängigkeit vom Abstand des Kopfes längs der Achse anzustellen zwischen einem erfindungsgemäßen Injektorbrenner, dargestellt durch die Kurve H, und einem Brenner (oder Injektor im Brennermodus) nach dem Stand der Technik für die Anwendung im LBO, dargestellt durch die Kurve L.
Wie man der grafischen Darstellung entnehmen kann, erschöpft die Verbrennungsreaktion des im Brennermodus verwendeten Injektorbrenners dieser Erfindung bei 200–300 mm vom Kopf, während ein herkömmlicher Brenner (oder Injektor im Brennermodus) mehr als 700 mm erfordert, um die gleiche Erschöpfung der Verbrennungsreaktion zu erreichen.
Dieses Flammenverhalten in Verbindung mit ihrer besonderen Gestalt, welche sie im Raum einnimmt, ist die Ursache einer ganzen Reihe von Vorteilen gegenüber den Injektorbrennern des Standes der Technik, insbesondere bei technischen Anwendungen wie beispielsweise dem Metallschmelzen im LBO.
Insbesondere erfolgt zusätzlich zur Strahlungswirkung der Aufheizungseffekt der Metallcharge durch die Konvektion der Verbrennungsprodukte, welche auf die Charge eine Oxidationswirkung haben, die um ein Vielfaches niedriger als bei Sauerstoff ist. Die Minimierung des Flammenbereiches mit Verbrennungsträger, der nicht reagiert hat, bringt die Minimierung des Oxidationseffektes im Hinblick auf die Charge mit sich. Folglich wird dank der optimierten Vermischung, dem Nichtvorhandensein von sauerstoffreichen Bereichen und der niedrigen Geschwindigkeit der erzeugten Flamme eine minimale Oxidation der Charge erreicht. Das Schmelzen der Metallcharge erfolgt durch die von der Flamme erzeugte Hitze und nicht durch das Schneiden mit der Sauerstofflanze bei Vorhandensein einer gleichmäßigen Aufheizung und bei Vermeidung der Oxidation der Metallcharge mit Verbesserungen der Gesamtenergiebilanz des Schmelzprozesses des Ofens.
Das Volumen der erhitzten Charge ist 3–4 mal größer als mit den Brennern (und Injektoren im Brennermodus) mit konzentrierter Flamme vom bekannten Typ.
Mit den in der vorliegenden Erfindung vorgestellten Ausführungsformen weist die erzeugte Flamme einen vorderen Querschnitt auf, welcher um ein Vielfaches (zehnfach oder mehr) größer als derjenige der Injektoren nach dem Stand der Technik ist.
Die Flammeninjektion ist weicher und besser verteilt; folglich wird die Perforation der Charge bis zum Lichtbogenbereich verhindert, eine Störung des Lichtbogens wird vermieden, und es wird verhindert, dass die Verbrennungsgase längs der Elektrode nach oben aufsteigen, ohne dass sie durch die Metallcharge gelangen.
Es ist möglich, den gesamten Ring der Charge am Boden der Säule im Ofen vorzuheizen, ohne dass mit einer verminderten Anzahl von eingebauten Einheiten Diskontinuitätsbereiche verbleiben.
Die durch die Verbrennung erzeugten heißen Gase bewegen sich innerhalb der Charge langsamer und auf eine gleichmäßigere Art und Weise nach oben und haben damit mehr Zeit, ihre Energie auf die Metallcharge zu übertragen.
Typischerweise beträgt die maximale Leistung des Brenner nach dem Stand der Technik (oder des Injektors im Brennermodus), jenseits welcher seine Verwendung im LBO uneffizient wird und die weiter vorn erwähnten Probleme verursacht, etwa 2–3 MW.
Die Konstruktion des Injektorbrenners der vorliegenden Erfindung ist dergestalt, dass eine sehr diffuse Flamme erzeugt wird, welche als die Summe einer Anzahl von einzelnen, teilweise untereinander in Wechselwirkung stehenden Flammen mit unterschiedlichen Richtungen im Raum erhalten wird. Typischerweise können 4–5 Hauptflammenrichtungen erkannt werden. Auf diese Weise kann jeder Injektor eine Leistung in den Ofen einbringen, welche 2–4 mal höher ist als die der Injektoren der bekannten Art, ohne dass die Gefahr der Konzentration von Energie in nur punktförmigen Bereichen entsteht, wodurch ein kontinuierliches Vorheizen auf dem gesamten Umfang des Ofens aufrechterhalten wird. Im Brennermodus kann der hier beschriebene Injektor 8–10 MW und darüber erreichen, ohne dass man dabei auf die Nachteile trifft, die für Vorrichtungen vom bekannten Typ charakteristisch sind. Folglich ist es möglich, mehr Leistung in den Ofen einzubringen, ohne dass die Anzahl der installierten Einheiten und folglich die Kompliziertheit der Anlage zunehmen.
Im Einklang mit der Erfindung ist es möglich, Brenner zu schaffen, welche eine Flamme als Summe einer Anzahl von Strömen/Flammen mit einem vorher festgelegten Grad der Unabhängigkeit zwischen ihnen erzeugen, welche sich durch eine geometrische Trennung der Sätze von Löchern auszeichnen. Die Form der Flamme im Raum wird durch die Entwicklung und das Eintreten des Dralleffektes der Löcher und durch den Abstand zwischen den Gruppen reguliert.
Eine signifikante Ausführungsform der Erfindung ist diejenige, bei welcher die zweiten und dritten Löcher auf eine regelmäßige Art und Weise längs des Umfanges angeordnet sind und nicht zu Gruppen zusammengefasst sind. Falls sie auf eine gleichmäßige und kontinuierliche Weise um die Achse des Injektorbrenners herum verteilt und bei gleicher Neigung der Löcher für den Verbrennungsträger und den Brennstoff und zusammen gebracht sind, wird allein das Vorhandensein des Dralleffektes eine verminderte Aufweitung der Flamme bewirken. In der Tat weitet sich diesem Fall die Flamme am Auslass des Kopfes entsprechend dem Vektor, welcher durch den Drall induziert wird, aber dicht am Kopf tendiert sie dazu, sich selbst zu schließen. Dies tritt auf, weil bei einem bestimmten Abstand vom Kopf der Impuls der Strahlen dissipiert wird und nicht in der Lage ist, den Unterdruck im axialen Bereich aufrecht zu erhalten, was zur Folge hat, dass die Flamme sich selbst schließt, wodurch sie abermals konzentriert wird. Diese Ausführungsform erzeugt folglich eine konzentrierte Flamme, bietet aber im Vergleich zu Injektoren vom bekannten Typ den Vorteil einer verbesserten Reagenzienmischung beim Ausströmen aus dem Kopf.
Im "Modus Brenner mit konzentrierter Flamme" werden der Verbrennungsträger vom ersten zentralen Loch und der Brennstoff vom inneren Kranz der dritten Löcher zugeführt. Der äußere Kranz der zweiten Löcher wird mit einem minimalen Volumenstrom an Luft durchspült, um diesen sauber zu halten. Auf diese Art und Weise wird die natürliche Ausbreitung der Flamme, die durch die räumliche Richtung des Kranzes der Brennstofflöcher erzeugt wird, durch den Impuls des zentralen Strahls gehemmt, welcher den gesamten Volumenstrom des um ihn herum eingeleiteten Brennstoffs anzieht. Es wird folglich eine stark ausgerichtete Flamme erzeugt, welche durch den axialen Strahl des Verbrennungsträgers geführt wird.
10 zeigt zu zwei axialen Abschnitten 25 und 25', welche zwischen ihnen orthogonal verlaufen, die Richtung der Flamme, die durch den hier beschriebenen Injektor im Modus mit konzentrierter Flamme erzeugt wird.
Der Strom des Verbrennungsträgers durch den axialen Strahl wird angezogen, behält aber seine schraubenförmige Richtung, welche durch die räumliche Orientierung der Löcher aufgeprägt wird. Diese spiralenförmigen Entwicklung des Brennstoffstromes, welcher den axialen Strahl des Verbrennungsträgers umschließt, erhöht die Effizienz des Injektors im Modus mit konzentrierter Flamme.
Das Überwechseln vom "Modus Brenner mit diffuser Flamme" zum "Modus Brenner mit konzentrierter Flamme" erfolgt während des Prozesses, wenn das Schmelzen der Metallcharge den Punkt erreicht hat, bei welchem die Füllhöhe der Charge unter die Einbauhöhe des Injektorbrenners abfällt.
Mit dem "Modus Brenner mit konzentrierter Flamme" ist es möglich, eine stark ausgerichtete Flamme hoher Dichte und hoher Leistungskonzentration zu erhalten, die es ermöglicht, die verbleibende feste Charge zu schmelzen und damit zu beginnen, die auf dem Pegelstand der Schmelze vorhandene Charge zu oxidieren. Das Überwechseln zu diesem Modus macht sich durch die Charge in Form der Charge im Innern des Ofens erforderlich, wofür in dieser Phase die diffuse Flamme eine starke Dispersion an Hitze direkt in Richtung der Wände des Ofens und auf das Rauchsystem bewirken würde. Andererseits ermöglicht die konzentrierte Flamme die Übertragung der gesamten, durch die Verbrennung entwickelten Wärme auf die verbleibende noch zu schmelzende Charge und auf die Schmelze.
Das Überwechseln vom "Modus Brenner mit diffuser Flamme" zum "Modus Brenner mit konzentrierter Flamme" kann auch allmählich erfolgen, nämlich unter der Verwendung des "Hybridmodus Brenner". In diesem Hybridmodus wird der Verbrennungsträger sowohl von der zentralen Düse als auch vom äußeren Lochkranz zugeführt, wohingegen der Brennstoff vom inneren Lochkranz zugeführt wird. Bei diesem Modus ist es möglich, alle die Flammenzwischenformen, die zwischen der "diffusen" und der "konzentrierten" Flamme liegen, zu erhalten, indem man ganz einfach das Verhältnis zwischen dem Volumenstrom des Verbrennungsträgers, der durch die zentrale Düse injiziert wird, und dem Volumenstrom des Verbrennungsträgers, der durch den äußeren Lochkranz injiziert wird, variiert. Die Flammenregulierung kann auf diese Weise allmählich erfolgen.
Beim "Modus Überschall-Sauerstoffinjektion" wird der Sauerstoff durch die zentrale Düse zugeführt, während die Lochkränze mit dem Minimum des Volumenstromes an Luft gespeist werden. Sobald die Charge vollständig geschmolzen und vollständig in den flüssigen Zustand überführt worden ist, muss das Bad durch die Injektion von Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit und in große Tiefe gereinigt werden.
Diese Funktion wird durch den Injektorbrenner ausgeführt, welcher auf seiner Achse mit einer Düse ausgestattet ist, welche die Injektion des gewählten Volumenstromes an Sauerstoff (von 600 bis 10.000 Nm³/h je nach der Größe des Schmelzofens und den spezifischen Erfordernissen des Prozesses) mit einer Geschwindigkeit, die Mach 2 oder höher entspricht, ermöglicht.
Bei diesem Modus weist der Sauerstoffstrahl bessere Kenndaten auf als der vom bekannten Typ, besonders wenn der Einschnürungsabschnitt im ersten Kanal enthalten ist.
Die Konstruktion der genannten Düse ist dergestalt, dass sie eine Injektionseffizienz garantiert, die selbst bei beträchtlichen Einbauabständen vom Bad (größer als 1,5 Meter) höher als diejenige nach dem Stand der Technik ist.
Die zentrale Entspannungsdüse ist vorzugsweise mit einem aerodynamischen Profil konfiguriert, um den gesamten Zuführungsdruck (typischerweise höher als 10 Bar) in Geschwindigkeit umzuwandeln, wodurch die Anpassung an den Austrittsdruck erfolgt, und zwar gemäß einem Gesetz mit hyperbolisch verlaufender Tangente wie beispielsweise: f(x) = a·th(c – b·x) + din welchem:
Dabei ist p_o der Zuführungsdruck, p_s ist der Austrittsdruck, x ist diejenige Länge, die vom Gas im Düsenabschnitt zurückgelegt wird, b stellt einen beliebigen Faktor dar, welcher den Grad der Profileinengung um die Engstelle herum darstellt und jeden beliebigen Wert (üblicherweise zwischen 1 und 3) annehmen kann, und f(x) ist eine Funktion, zu welcher der Druck in den verschiedenen Abschnitten der Düse proportional bleibt. Dieser Profiltyp garantiert eine perfekte Sauerstoffexpansion im Innern der Düse, bis die Auslassbedingung erreicht wird. Am Austrittsabschnitt sind alle thermodynamischen Größen und das Geschwindigkeitsprofil äußerst gleichförmig, wodurch ein Maximum an Überschallstrahlleistung in Bezug auf die Strahlkohärenz garantiert wird. Als Folge kann der Strahl an Überschallsauerstoff tief nach unten in die Schmelze eindringen, selbst wenn der Injektor an der Ofenwand in einem Abstand von mehr als 1,5 Metern vom Bad installiert ist. Der kohärente Bereich des Strahls (in welchem die Geschwindigkeit des Gases längs der Achse des Strahls, welche mit der des Injektorbrenners zusammenfällt, nicht abnimmt, d. h. zu mindestens 99% gleich derjenigen des Gases an der Oberfläche des Kopfes des Injektorbrenners bleibt), der durch diesen Typ von einer Entspannungsdüse erzeugt wird, ist typischerweise 2–3 mal länger als derjenige der Injektoren nach dem Stand der Technik. Der Injektor dieser Erfindung kann völlig kohärente Strahlen von Sauerstoff bis zu Abständen von 2–2,5 Metern erzeugen.
Diese Eigenheit ermöglicht eine effiziente Sauerstoffinjektion tief in das Bad hinein, was zu einer Beschleunigung des Reinigungsprozesses führt. Dank seiner Kohärenz erreicht darüber hinaus der Impuls, welcher auf die Schmelze übertragen wird, ein Maximum, wie dieses auch beim Rühren und Mischen der Schmelze auftritt.
Wenn der Injektor in einer derartigen Weise ausgerichtet ist, dass er einen Strahl erzeugt, der nicht orthogonal zum Bad (auf der vertikalen Ebene) und/oder nicht in Richtung der Achse des Ofens (auf der horizontalen Ebene) gerichtet ist, wird ein starker Rühreffekt des Bades auf der vertikalen und/oder horizontalen Ebene bewirkt. Dieser Effekt gibt der Flüssigkeit eine hohe chemische und thermische Gleichförmigkeit mit offensichtlichen Vorteilen im Hinblick sowohl auf die Produktqualität als auch auf die Reinigungsgeschwindigkeit.
Während der Injektion von Überschallsauerstoff aus der zentralen Düse werden die zwei Kränze der zweiten und dritten Löcher mit einer minimalen Menge an Luft gespeist, um die Löcher sauber zu halten. Dieser Luftstrom schlingt sich spiralförmig um den Sauerstoffstrahl, indem er von ihm durch den Venturi-Effekt angezogen wird, und zwar genau auf die gleiche Art und Weise, dies wie im Modus Brenner mit konzentrierter Flamme auftritt. Das Vorhandensein dieses spiralförmigen Luftstromes um den Sauerstoffstrahl herum zerstört nicht die Kohärenz des Strahls, sondern verbessert diese sogar geringfügig, vorausgesetzt dass das Schergefälle in Bezug auf die Umgebung und folglich die Dissipation von kinetischer Energie des Strahls infolge von Flüssigkeitsreibung abfallen.
Es ist auch möglich, von einem "Hybridmodus Überschall-Sauerstoffinjektion" Gebrauch zu machen, bei welchem zusätzlich zur Injektion von Überschallsauerstoff aus der zentralen Düse die Brennerfunktion auf den Lochkränzen beibehalten wird oder nur Methan durch den inneren Lochkranz injiziert wird. Die durch den Brennstoff und dem Verbrennungsträger erzeugte Flamme (injiziert durch den inneren Lochkranz und den äußeren Lochkranz im ersten Fall beziehungsweise durch den inneren Lochkranz und die zentrale Düse im zweiten Fall), wird durch den Venturi-Effekt zum Überschallsauerstoffstrahl hin angezogen und umschlingt ihn in Form einer Spirale. Das Vorhandensein dieser schraubenförmigen Flamme um den Sauerstoffstrahl herum erhöht weiterhin die Strahlkohärenz, vorausgesetzt dass sie zusätzlich zur Reduzierung der viskosen Verluste einen Hochtemperatur-Flüssigkeitspuffer um den Strahl herum erzeugt. Dank ihrer hohen Temperatur weisen die Verbrennungsgase eine geringe Dichte auf und können folglich durch den Sauerstoffstrahl bequem mitgeführt werden, ohne dass eine signifikante Verringerung der kinetischen Energie auftritt.
Das Vorhandensein dieser spiralförmigen Flamme, die sich um den Sauerstoffstrahl herum schlingt, ermöglicht, dass kohärente Strahlenlängen erzielt werden, die größer als die Anwendungen der bekannten Technologie sind, bei welcher die Sauerstoffstrahlen durch eine rein axiale ringförmige Flamme geschützt werden, welche frei von sie umgebenden Komponenten ist.
Wenn der Volumenstrom eines Brennstoffes wie beispielsweise Methan, welcher um den Überschallsauerstoff herum injiziert wird, dergestalt ist, dass die Verbrennung sich nicht selbst längs des freien Strahls erschöpft, erreicht eine Menge von nicht reagiertem Brennstoff die Schlacke und das geschmolzene Bad. Unter derartigen Bedingungen kann Luft oder Sauerstoff durch den äußeren Lochkranz injiziert werden, damit eine Nachverbrennungsreaktion abläuft, die nun ausführlich beschrieben werden soll. Die oxidierende Wirkung, welche durch den Überschallsauerstoff im Bereich des Auftreffens auf das Bad erzeugt wird, bewirkt hohe örtliche Temperatur des geschmolzenen Metalls (> 1800°C). Bei derartigen Temperaturen bewirkt der am Bad ankommende Brennstoff die folgende Krackreaktion (zum Beispiel wenn der Brennstoff Methan ist) CH₄ + Energie → C + 2H₂ und wird folglich in Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Diese Reaktion ist endotherm, und folglich findet eine Abkühlung in diesem Bereich statt, so dass übermäßig hohe Temperaturen des geschmolzenen Metalls (und folglich eine Metallverdampfung mit einer sich daraus ergebenden Verschlechterung der Ofenleistung) vermieden werden, und es erfolgt eine Begünstigung der Schlackenaufschäumung. Der Kohlenstoff karburiert die Schmelze, während der Wasserstoff die oberhalb der Füllhöhe des Bades und in der Schlacke befindlichen Oxide reduziert. Diese Reduktionsreaktion trifft auch auf die Metalloxide zu, die sich in der Füllhöhe der Schmelze befinden und ermöglicht eine Erhöhung des Ausbringens des Schmelzprozesses, indem Metall rückgewonnen wird, welches sonst in der Schlacke verlustig gehen würde. Derjenige Teil des Wasserstoffes, welcher nicht in der Lage ist, Oxide zum Reduzieren zu finden, verbrennt mit dem Teil des injizierten Sauerstoffs, der nicht in das Bad eindringt, oder mit Luft (oder Sauerstoff), die zusammen mit dem Strahl vom äußeren Lochkranz des Injektors injiziert wird. Diese Nachverbrennungsreaktion des Wasserstoff 2H₂ + O₂ → 2H₂O + Energie gibt Energie und eine große Menge an Gas (Wasserdampf) ab, welches durch die Schlacke hindurch aufsteigt und bewirkt, dass diese aufschäumt. Dieselbe Reaktion der Reduktion von Oxiden, die zum Teil vom Wasserstoff ausgeführt wird, bewirkt die Erzeugung einer großen Menge von Wasserdampf. Das Aufschäumen der Schlacke ist sehr effizient und geht einher mit demjenigen, welches durch den Anstieg des CO bewirkt wird, welches durch die Dekarburierung des Bades erzeugt wird. Insgesamt beobachtet man ein schnelles Abschwellen der Schlacke, was förderliche Auswirkungen auf die Wärmebilanz des Prozesses und auf die Effizienz des Lichtbogens hat.
Die Nachverbrennung des Wasserstoffs kann auch oberhalb der Schlacke stattfinden, falls der Luft- oder Sauerstoffstrom, welcher vom äußeren Lochkranz des Injektors erzeugt wird, auf solch eine Art und Weise abnehmen sollte, dass er nicht in die Schlacke eindringt.
Der weiter oben beschriebene Betriebsmodus kann als "Hybridmodus Sauerstoffinjektion – Karburierung – Reduktion und Nachverbrennung" bezeichnet werden. Diese Phase wird unter Flachbadbedingungen angewendet.
Derselbe Injektorbrenner kann auch äußerst effektiv im "Modus reine Karburierung" eingesetzt werden. Dies erfolgt, wenn der Brennstoff durch die zentrale Einschnürdüse injiziert wird. In diesem Fall ist, falls der Volumenstrom des Brennstoffes ausreichend hoch ist (in Abhängigkeit von der Größe der Düse und typischerweise höher als 100 Nm3/h), der Brennstoffstrahl sehr kompakt, weist einen hohen Impuls auf und kann sogar den Überschallmodus erreichen. Das Eindringen des Brennstoffes in das Bad ist folglich sehr effizient. Auch in diesem Fall tritt die Krackreaktion des Brennstoffes in Kohlenstoff und Wasserstoff auf. Der Kohlenstoff karburiert tief im Innern des Bades, während der Wasserstoff die Oxide reduziert, die sich in Füllhöhe der Schmelze und in der Schlacke befinden, und anschließend nach oben durch die Schlacke zurückkehrt, wo er dort oder darüber eine Nachverbrennung mit einem Luftstrom (oder Sauerstoffstrom) bewirken kann, welcher sich um den axialen Brennstoffstrahl herum schlingt und durch einen der Lochkränze des Injektors oder beide erzeugt wird. Diese Phase wird ebenfalls unter Flachbadbedingungen angewendet. Das Regime der Gasinjektion mit Brennstoff kann je nach den Erfordernissen und der genauen räumlichen Gestaltung des ersten Kanals ein Unterschall- oder ein Überschallregime sein.
Die weiter vorn beschriebenen und in den 2, 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen die weiter vorn beschriebenen Modi "Brenner mit diffuser Flamme", "Brenner mit konzentrierter Flamme", "Hybridbrenner", "Hybridfall Saustoffinjektion – Karburierung – Reduktion und Nachverbrennung" und "Reine Karburierung" auf.
Insbesondere ermöglichen die in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen die Injektion eines festen Materials in Form von Pulvern oder Körnchen (wie beispielsweise Kohlenstoff und Kalk). Sie weisen auf der Achse eine Düse auf, die für die Injektion derartiger Materialien während der Reinigungsphase bestimmt ist. Insbesondere ermöglicht die in 4 dargestellte Ausführungsform die gleichzeitige Injektion von Gas (beispielsweise Sauerstoff) im Überschallregime und Material in Form von Pulver oder Körnchen (wie beispielsweise Kohlenstoff oder Kalk), da sie auf ihrer Achse eine Entspannungsdüse für Sauerstoff mit einem Einsatz im Innern des Rohres für die Injektion von festem Material trägt.
Auf alle Fälle kann die zentrale Düse auch für die Injektion eines Gases verwendet werden, welches Sauerstoff enthält, um die Nachverbrennung des Kohlenstoffmonoxides zu betreiben, welches dem Flüssigkeitsbad währen der Reinigungsphase entweicht. Ganz allgemein ausgedrückt, für alle Ausführungsformen des durch diese Erfindung vorgestellten Injektorbrenners und für alle Betriebsmodi gibt es keine Begrenzung hinsichtlich der stöchiometrischen Beziehungen zwischen dem Brennstoff und dem Verbrennungsträger, die zum Einsatz gebracht werden können.
Die Erfindung betrifft auch einen Prozess der Aufheizung, des Schmelzens und der Verhüttung von metallischem Material in einem Schmelzofen, insbesondere in Lichtbogenöfen, einschließlich der Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases zum ersten Kanal eines Injektorbrenners, wie weiter vorn beschrieben worden ist, der Zuführung eines einen Brennstoff wie beispielsweise Methan oder Erdgas enthaltenden Gases zum zweiten Kanal, und der eines sauerstoffhaltigen Gases zum dritten Kanal, falls ein solcher vorhanden ist.
Diese Erfindung befasst sich auch gründlich mit Verfahren zur Einleitung eines Gases in einen Schmelzofen, bei denen die Gaszuführung auf unterschiedliche Art und Weise erfolgt, sowohl für die Aufheizung des metallischen Materials als auch seine Dekarburierung oder Karburierung, wie dies weiter unten noch beschrieben wird.
Wie aufgezeigt worden ist, löst die Vorrichtung die typischen Probleme des Standes der Technik, bietet die Möglichkeit, während der Schmelzphase im Brennermodus zu arbeiten, indem eine sehr diffuse Flamme in der Anfangsphase des Prozesses und eine konzentrierte Flamme in der abschließenden Phase des Schmelzens erzeugt wird, und daraus folgend während der Reinigung des Flüssigkeitsbades im Modus der Überschallsauerstoff- oder Kohlenstoff- oder Kalkinjektion zu arbeiten.
Das Überwechseln zwischen diesen unterschiedlichen Phasen und dem Injektions- und Verbrennungsmodus erfolgt durch ein einfaches Regulieren der Fähigkeiten der verschiedenen Düsen des Injektors.
Als ein Beispiel wollen wir nun ein mögliches Programm des Prozesses des Schmelzens von Eisenschrott in einem Lichtbogenofen darstellen, bei welchem ein erfindungsgemäßer Injektorbrenner mit einem dritten Kanal zum Einsatz kommt, wie er weiter oben beschrieben worden ist.
7 veranschaulicht die Profile der Volumenströme des Brennstoffes und des Verbrennungsträgers in den unterschiedlichen Betriebsphasen. Diese Profile dienen lediglich als Beispiel und haben daher nur einen relativen Wert. Im Allgemeinen ist es nicht möglich, Absolutwerte für den Volumenstrom und die Zeit anzugeben, da sie von der Größe des Ofens, der Leistung des installierten Lichtbogens und der Anzahl der durchzuführenden Beschickungen (eine einzelne oder mehrere Senkkübel) abhängig sind. Jedoch bleibt die Gebrauchslogik des Injektorbrenners unverändert.
Schritt 1: Anfahren
Der Brenner wird einige Dutzend Sekunden später als der Lichtbogen angestellt, um zu gewährleisten, dass die Bedingungen der Entflammbarkeit der Mischung aus Brennstoff und dem Verbrennungsträger erreicht worden sind. Der Volumenstrom des Brennstoffes im zweiten Kanal wird zu Anfang auf 30–50% der Nennleistung eingestellt, und es wird ein leicht reduzierendes Verbrennungsverhältnis mit dem Sauerstoff aufrecht erhalten, der über den dritten Kanal zugeführt wird (im Fall von O₂/CH₄ werden Verhältnisse von annähernd 1,6 : 1,8 gewählt, d. h. um 20–40% weniger als das stöchiometrische Verhältnis).
Damit soll eine Flamme erhalten werden, die zwar für das Aufheizen geeignet ist, die aber nicht aggressiv hinsichtlich der Ausrüstung ist, so dass eine Beschädigung der gekühlten, der nicht gekühlten und feuerfesten Auskleidungen und der Vorrichtung selbst vermieden wird. Nachdem auf diese Weise annähernd 30" lang gearbeitet worden ist, können die Gasvolumenströme des Brenners und folglich seine Leistung auf 80% des Nennwertes erhöht werden, und es wird ein fast stöchiometrisches Verhältnis eingehalten (im Fall von O₂/CH₄ werden Verhältnisse von annähernd 1,9–2,0 gewählt). Während dieser Zeit wird der mit einer Entspannungsdüse ausgestattete zentrale Kanal mit Druckluft oder Sauerstoff gespeist. Der Volumenstrom wird folglich so kalibriert, dass die Austrittsgeschwindigkeit des Gases mindestens 80–120 m/s beträgt und ein Druck von 0,4–0,8 Bar herrscht. Beispielsweise im Fall einer Nenndüse 300 Nm³/h können 300– 350 Nm³/h eingeleitet werden. Das primäre Ziel einer derartigen Spülung besteht darin, durch Stahlspritzer verursachte Okklusionen zu vermeiden. Jedoch wird in diesem Fall auch eine Energievalenz erreicht, da der im Spülgas enthaltene Sauerstoff mit der Flamme zusammen wirkt, wodurch die Effizienz der Verbrennung verbessert wird.
Schritt 2: Modus Brenner mit diffuser Flamme
Sobald der Brenner eingeschaltet worden ist und der Schrott auf eine Temperatur von 500–600°C erhitzt worden ist, kann man schnell die volle Flammenleistung im stöchiometrischen Verhältnis erreichen. Eine leichte Verzögerung bei der Erhöhung der Leistung sollte beobachtet werden, wenn eine sehr schwere oder dicht gepackte Charge (mit anderen Worten sehr lange Stücke oder solche, welche eine sehr hohe Stückdichte aufweisen) verwendet wird. Es ist möglich, eine Flammenstärke anzuwenden, welche das 2–4-fache derjenigen entspricht, die gewöhnlich bei herkömmlichen Anwendungen benutzt wird. Die einzelnen Flammen, welche die Gesamtwirkung des Brenners ausmachen, sind über einen größeren Bereich des Schrottes verteilt – wie weiter oben beschrieben worden ist -, was auch auf die Änderung in der Gestalt zurückzuführen ist, welche durch die Änderung des Volumenstroms dergestalt bewirkt wird, dass im Vergleich mit herkömmlichen Anwendungen der spezifische Wärmestrom unverändert bleibt, auch wenn eine weitaus höhere thermische Gesamtleistung zur Anwendung gelangt. Eine hohe Effizienz der Verbrennung und eine schnelle Vermischung des Brennstoffs und des Verbrennungsträgers bewirken eine Einschränkung hinsichtlich der Oxidationswirkung der Flamme. Das Absinken und das Schmelzen der Charge in dem Fall, wo sie besonders schwer und dicht gepackt ist, kann durch die Veränderung des Verbrennungsverhältnisses unterstützt werden.
Schritt 3: Hybridmodus Brenner und Modulation des stöchiometrischen Verhältnisses
Die Temperatur des Schrottes steigt schnell mit der Flamme an, und der Schrott sinkt allmählich auf den Pegelstand der Schmelze ab, wodurch die Effizienz der diffusen Flamme hinsichtlich der Wärmeübertragung durch direkte Strahlungswirkung und Oberflächenkonvektion exponentiell abnimmt.
Aus diesem Grund wird ein progressives Überwechseln von der diffusen Flamme zur konzentrierten Flamme durchgeführt, indem man damit beginnt, einen Teil des Sauerstoffvolumenstromes vom äußeren Lochkranz zur zentralen Düse zu überführen. Darüber hinaus kann durch die Erhöhung des Verbrennungsverhältnisses das progressive Ansteigen des freien Sauerstoffs sogar ein schnelleres Schmelzen des Schrottes ermöglichen. In diesem Fall muss jedoch auch Kohlenstoff örtlich injiziert werden; das während dieser Phase erzeugte Eisenoxid tropft nach unten und sammelt sich im Trog, welcher unterhalb des Injektors angeordnet ist. Die Geschwindigkeit, mit welcher das Eisenoxid in dieser Phase erzeugt wird, steigt schnell an, was unweigerlich nach sich zieht, dass Kohlenstoff und Kalk zugegeben werden müssen, um die feuerfeste Auskleidung vor chemischer Erosion zu schützen und um die Oxidationsreaktion des Eisens zu verlangsamen.
Schritt 4: Modus Brenner mit konzentrierte Flamme
Sobald die Charge an den Wänden geschmolzen ist und den Pegelstand der Schmelze erreicht, muss das Überwechseln zum Modus Brenner mit konzentrierter Flamme zum vorgenommen werden. Das sich daraus ergebende Ziel besteht darin, diejenige Menge an Schrott zum Schmelzen zu bringen, welche sich im Abstand vom Kopf des Injektors in Richtung zur Mitte des Ofens befindet. Es ist sehr gefahrvoll, diesen Schrott mit einem schnellen konzentrierten Strahl von Sauerstoff zu erhitzen, da dieser normalerweise Spritzer von Eisenoxid erzeugt oder der Sauerstoffstrahl könnte zurück in Richtung der feuerfesten Auskleidung reflektiert werden. Es ist deshalb in dieser Phase nicht möglich, eine Injektion von Überschallsauerstoff vorzunehmen, um den auf Füllhöhe der Schmelze verbliebenen Schrott mit Sauerstofflanze zu schneiden. Diese Phase erfordert jedoch eine lange konzentrierte Flamme, die aber keinen übermäßigen Impuls aufweisen darf. Beim Modus Brenner mit konzentrierter Flamme genügt der Injektorbrenner der vorliegenden Erfindung diesem Erfordernis und weist eine sehr gerichtete thermische und chemische Wirkung auf, wodurch die Wärmeübertragung zu der unterhalb seiner Einbauhöhe befindlichen Charge ermöglicht wird. Durch die entsprechende Einstellung des stöchiometrischen Verhältnisses ist es auch möglich, dass eine oxidierende Wirkung auf die verbleibende Charge ausgeübt wird, um das Erreichen des vollständigen Schmelzens zu beschleunigen.
Während sich der Injektor im Modus konzentrierte Flamme befindet, laufen die ersten Dekarburierungs- und Oxidationsreaktionen ab. Sowohl der Strom von Sauerstoff, welcher aus der zentralen Düse strömt, als auch die Spülluft oder der Spülsauerstoff ermöglichen die Nachverbrennung des CO, das sich gebildet hat. Das Überwechseln von diesem Schritt des Verfahrens ist entscheidend für die effektive Vorbereitung des letzten Schrittes.
Schritt 5: Reinigung
Der letzte Schritt zielt darauf ab, all die Oxidationsreaktionen des flüssigen Stahlbades und insbesondere die Dekarburierungsreaktion zu beschleunigen. In diesem Fall benutzt man den Nennvolumenstrom der zentralen Entspannungsdüse. Der wichtigste zu überwachende Parameter während dieser Phase ist die Effizienz des Strahles, da es notwendig ist, eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit, eine Vermischung durch Massentransport, niedrige Konzentrationen an Sauerstoff in der Schlacke und eine hohe Dekarburierung im Innern des Bades zu erreichen, um die bestmöglichen Betriebsergebnisse zu erhalten.
Während der Reinigungsphase kann die Injektion von Überschallsauerstoff von der Injektion von Methan durch die inneren Lochkränze begleitet sein, vorausgesetzt dass der Effekt der Rotation in diesem Letzteren um den Sauerstoffstrahl herum und seine Verbrennung mit dem Sauerstoff, der durch die zentrale Düse oder sogar über den äußeren Lochkranz injiziert wird, die Kohärenz- und Eindringwirkung des Überschallstrahles in das Bad fördert.
Die Injektion eines höheren Volumenstromes an Methan kann auch dazu benutzt werden, um einen Karburierungs- und Reduktionseffekt gemäß dem weiter oben beschriebenen "Hybridmodus Saustoffinjektion – Karburierung – Reduktion und Nachverbrennung" zu erhalten.
In einigen Fällen kann die Sauerstoffinjektion durch die zentrale Düse für kurze Zeitspannen durch die Injektion von Methan durch die zentrale Düse ersetzt werden, wobei der "Modus reine Karburierung" verfolgt wird. Dank des örtlichen Reduzierungseffektes der Produkte, in welche das Methan aufgespaltet wird, ermöglicht diese Praxis, das Bad zu dekarburieren und das metallische Ausbringen wiederherzustellen.
7 veranschaulicht schematisch eine Reihe von Betriebsmodi des Injektors über den Schmelzprozess hinweg. Der Sauerstoffvolumenstrom #1 ist derjenige, welcher durch die zentrale Einschnürungsdüse injiziert wird, während der Sauerstoffvolumenstrom #2 derjenige ist, welcher durch den äußeren Lochkranz injiziert wird. Der Methanvolumenstrom bezieht sich auf den inneren Lochkranz.
Man kann die beiden Modi mit diffuser bzw. konzentrierter Flamme erkennen, die nacheinander Anwendung finden und durch eine Hybridphase getrennt sind, in welcher eine Flamme erzeugt wird, die eine dazwischen liegende Form aufweist. Am Ende des Prozesses wird für die Dekarburierung des Bades eine Injektion von Überschallsauerstoff ausgeführt. Diese Phase kann in zwei getrennte Modi unterteilt werden: die erste mit einer Methaninjektion um den Sauerstoffstrahl herum (um die Strahlkohärenz zu erhöhen und sogar einen oberflächlichen Karburierungseffekt für das Bad zu ergeben), die zweite mit der alleinigen Injektion von Überschallsauerstoff.
Die angegebenen Profile sind von absolut allgemeiner Art und können als ein Prinzip für jeden beliebigen Ofentyp angewandt werden, der beschickt wird (einzelne oder mehrfache Senkübel), und sie betreffen einen Injektor, welcher Methan und Sauerstoff als Brennstoff beziehungsweise als Verbrennungsträger verwendet.

Claims

Injektorbrenner, umfassend einen zylindrischen Körper (3), der eine erste Längsachse (6) definiert, wobei der zylindrische Körper Folgendes umfasst: einen ersten zentralen Kanal (8), der entlang der genannten ersten Achse (6) angeordnet ist, wenigstens einen zweiten ringförmigen Kanal (10), der um den genannten ersten Kanal (8) angeordnet ist, einen dritten ringförmigen Kanal (9), der um den genannten zweiten ringförmigen Kanal (8) angeordnet ist, einen Kopf (2), der an einem Ende des genannten Körpers befestigt ist und wenigstens ein erstes zentrales Loch (7) aufweist, das koaxial zu der ersten Längsachse (6) angeordnet ist und den genannten ersten zentralen Kanal (8) mit der Außenseite des zylindrischen Körpers (3) verbindet, wobei der Kopf (2) zweite und dritte hindurchgehende Löcher (5) aufweist, die jeweils die genannten zweiten und dritten ringförmigen Kanäle (9, 10, 11) mit der Außenseite des Injektorbrenners verbinden, wobei die zweiten hindurchgehenden Löcher (5) jeweils zweite Achsen definieren, wobei jede zweite Achse jeweils in einem ersten Winkel zu einer durch die erste Achse (6) verlaufenden Ebene steht und einen Schnittpunkt der genannten zweiten Achse mit einer Außenfläche des Kopfs (2) bildet und wobei jede zweite Achse jeweils eine Projektion auf die genannte Ebene definiert, so dass die genannte Projektion in einem zweiten Winkel zu der genannten ersten Achse (6) steht, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten und dritten hindurchgehenden Löcher in mehrere Gruppen unterteilt sind, die durch Kreissektoren auf der Außenfläche des Kopfs ohne Löcher voneinander getrennt sind, wobei die Spitzen der Kreissektoren auf der ersten Achse (6) liegen und ihre Öffnungswinkel größer sind als der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten zweiten hindurchgehenden Löchern.
Injektorbrenner gemäß Anspruch 1, wobei jedes der genannten dritten hindurchgehenden Löcher jeweils eine dritte Achse definiert, die in einem ersten Winkel zu einer durch die genannte erste Achse (6) verlaufende Ebene steht und einen Schnittpunkt der genannten dritten Achse mit der Außenfläche des Kopfs (2) bildet und deren Projektion auf die genannte Ebene unter einem zweiten Winkel zu der genannten ersten Achse (6) steht.
Injektorbrenner gemäß Anspruch 2, wobei eine oder mehrere der genannten Gruppen von zweiten und dritten hindurchgehenden Löchern (5) Löcher umfassen, deren Achsen erste Winkel mit einem von 0° verschiedenen Wert und zweite Winkel mit einem Wert von 0° aufweisen.
Injektorbrenner gemäß Anspruch 3, wobei die genannten mehreren Gruppen von zweiten und dritten hindurchgehenden Löchern (5) symmetrisch auf dem Brennerkopf angeordnet sind und jeweils in divergierende Richtungen bezüglich der ersten Achse (6) weisen, so dass die genannten mehreren Gruppen von zweiten und dritten hindurchgehenden Löchern (5) dazu geeignet sind, jeweils Flammen in divergierende Richtungen und weitgehend symmetrisch bezüglich der genannten ersten Achse (6) zu erzeugen.
Injektorbrenner gemäß Anspruch 2, wobei die genannten ersten und zweiten Winkel der jeweiligen Achsen der zweiten und dritten hindurchgehenden Löcher einen Wert zwischen 5 und 60° besitzen.
Injektorbrenner gemäß Anspruch 5, wobei sich die genannten zweiten und dritten Achsen außerhalb des Injektorbrenners jeweils paarweise überkreuzen.
Injektorbrenner gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweiten und dritten Löcher auf zwei kreisförmigen Kränzen verteilt sind, die konzentrisch zur ersten Achse (6) des zylindrischen Körpers angeordnet sind.
Injektorbrenner gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der genannte erste zentrale Kanal (8) bzw. das erste zentrale Loch (7) einen Abschnitt umfasst, der die Form einer konvergenten oder einer eingezogenen Düse aufweist.
Injektorbrenner gemäß Anspruch 8, wobei ein Ausstrom von Überschallgas aus den Düsen stattfindet mit einer Variation des Gasdrucks entlang der Länge der Düse (15, 15'), die einer hyperbolischen Tangensfunktion entspricht.
Injektorbrenner gemäß einer der vorstehenden Ansprüche, wobei innerhalb des ersten zentralen Kanals (8) und im Wesentlichen koaxial zu ihm ein vierter Kanal (16) vorhanden ist, der der Zufuhr von in einem Gas dispergierten festen oder flüssigen Komponenten dient.
Injektorbrenner gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweiten und/oder dritten hindurchgehenden Löcher zu einer konvergenten oder eingezogenen Düse geformt sind.
Injektorbrenner gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der genannte Injektorbrenner auf einer mit einem mechanischen Arm ausgestatteten Lanze montiert ist.
Verfahren zum Einleiten eines oder mehrerer Gase in einen Schmelzofen für Metalle, wobei die genannten Gase durch einen Injektorbrenner gemäß einem der vorstehenden Ansprüche eingeleitet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend einen Schritt, in dem ersten Kanal des genannten Injektorbrenners ein sauerstoffhaltiges Gas und dem zweiten oder dritten Kanal ein brennstoffhaltiges Gas zugeführt wird, um außerhalb des Injektorbrenners eine Flamme zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, umfassend einen Schritt, in dem sauerstoffhaltiges Gas mit Überschallgeschwindigkeit aus dem ersten Loch des genannten Injektorbrenners ausgestoßen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, umfassend einen Schritt, in dem bewirkt wird, dass ein Teil des genannten Brennstoffs eine Schmelze in dem Ofen unverbrannt erreicht.
Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend einen Schritt, in dem dem dritten Kanal des genannten Injektorbrenners ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, umfassend einen Schritt, in dem dem zweiten Kanal des Injektorbrenners ein brennstoffhaltiges Gas zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend einen Schritt, in dem dem dritten Kanal ein brennstoffhaltiges Gas und dem zweiten Kanal ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend einen Schritt, in dem ein sauerstoffhaltiges Gas aus dem ersten Kanal des Injektorbrenners zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20, umfassend einen Schritt, in dem aus dem ersten Loch des Injektorbrenners Gas mit Überschallgeschwindigkeit ausgestoßen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 21, umfassend einen Schritt, in dem eine kohärente Länge eines Gasstrahls aus dem genannten ersten Loch ausgestoßen wird, die größer ist als der Abstand des Kopfs des Injektorbrenners von der Oberfläche einer in dem Ofen befindliche Schmelze.
Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend einen Schritt, in dem ein Feststoff in Pulver- oder Kornform durch dem ersten Kanal des Injektorbrenners eingeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 23, umfassend einen Schritt, in dem der Feststoff mit einem Gasstrom eingeleitet wird, dessen Ausstrom aus dem ersten Loch des Injektorbrenners langsamer als mit Schallgeschwindigkeit erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend einen Schritt, in dem ein Feststoff in Pulver- oder Kornform durch den vierten Kanal eingeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 17, umfassend einen Schritt, in dem dem ersten Kanal des genannten Injektorbrenners ein brennstoffhaltiges Gas im Unterschall- oder Ultraschallbereich zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 26, umfassend einen Schritt, in dem bewirkt wird, dass ein Teil des genannten Brennstoffs eine in dem Ofen befindliche Schmelze unverbrannt erreicht.