-
Düseneinsatzkörper zur Einführung erhitzter Oberluft in Kupol- und
Hochöfen Die Erfindung bezweckt, den Reduktionsvorgang in Schachtöfen rationeller
zu gestalten.
-
Versuche haben schon ergeben, daß beim Kupolofen durch die Anordnung
einer zweiten Düsenreihe über den Hauptdüsen und bei Hochöfen durch Einblasen von
durch Winderhitzer vorerwärmtem Wind ein besseres Verbrennungsv erhältni.s
zu erzielen ist. So hat man bei Kupolöfen aus dem Windring durch Rohre, die außen
rings um den Ofen hochgeführt und umgebogen wurden, nicht vorgewärmte Luft in die
Reduktionszone eingeblasen. Infolge der Expansion der gepreßten feuchten Luft sinkt
aber die Temperatur in der Mündungsebene der Oberdüsen beim Eintritt in den Kupolofen
erheblich unter o° C. Durch diese eisige Luft werden die Schlacken in der Umgebung
der Düsen kalt geblasen. Diese kalt geblasenen Schlacken sind aber die Hauptursache
dafür, daß die Düsen dichtschlacken oder sich verlegen. Infolge Verschlacken der
Düsen kann daher nicht genügend Wind in den Ofen geblasen werden, um eine vollkommene
Verbrennung des CO-Gases zu bewirken. Der Reduktionsvorgang im Schachtofen wird
hierdurch unrationell.
-
Man hat ferner versucht, den Wind dadurch vorzuwärmen, indem man ihn
vorher an stählernen Einsatzringen mit horizontalen Rippen, die mit dem Ofenmantel
einen Hohlraum bilden, hindurchströmen lädt. - Der "durch diese Anordnung etwas
vorgewärmte Wind wird dann durch mehrere Hauptdüsenreihen in die Schmelzzone des
Ofens geblasen. Eine höhere Vorwärmung des Windes beim Durchströmen durch die großen
Düsenquerschnitte findet hierbei aber nicht statt, weil ein Wärmeaustausch zwischen
den glühenden Düsenwandungen und den erheblichen durchströmenden Windmengen in nur
ganz geringen Mengen stattfindet. Durch das Expandieren der gepreßten Luft beim
Durchströmen wird der vorher erwähnte Übelstand nicht behoben. Die Düsen verlegen
sich durch kalt geblasene Schlacken und müssen infolgedessen öfter durchgestoßen
werden.
-
Bei zunehmender Größe des Kupolofens steigt infolge zu großer Pressung
der Sauerstoffgehalt in den Gichtgasen, weil der Wind bei den großen Düsenquerschnitten
sich nicht mehr genügend verteilen und mit den brennbaren CD-Gasen innig genug vermischen
kann. Dadurch sinkt die Verbrennungstemperatur derart, daß die bei der Verbrennung
entstehenden CO-Gase nur unvollkommen verbrennen. Der thermische Nutzeffekt des
Ofens sinkt hierbei erheblich. Wenn die Temperatur in der Verbrennungszone sinkt,
kommt das erschmolzene Eisen sehr leicht zum Erstarren, oder man muß mit Fehlgußgefahr
infolge zu kalt erschmolzenen Eisens rechnen. Auch dringt bei unzureichender Luftzuführung
und zu geringer Strömungsenergie des Windes die Verbrennung nicht bis zur Mitte
des Schachtes vor. Der CO.-
Gehalt nimmt dann mit der Entfernung
von den Düsen stetig ab.
-
Das erschmolzene Eisen, das in Tropfen durch die Verbrennungszone
herabfließt, wird durch den Sauerstoff und durch die Kohlensäure der Verbrennungsgase
oxydiert. Dabei verbrennen Kohlenstoff, Silicium und Mangan; die hierdurch frei
werdende Wärme bewirkt allein die zum Vergießen des Eisens erforderliche Überhitzung
des flüssigen Gußeisens.
-
Je mehr 02 und C 02 bei dem Ofengang erzielt werden, desto, höher
wird also die Temperatur des erschmolzenen Eisens. Je heißer das Gußeisen erschmolzen
wird, desto weniger Ausschuß gibt es. Die weiteren. Vorteile des heißen Eisens sind:
feinere Verteilung des Graphits, gleichmäßigere Körnung und erheblich höhere Festigkeit.
-
Aus den oben geschilderten Verbrennungs-und Schmelzvorgängen geht
klar hervor, daß es für die Schmelzung von erstklassigem Gußeisen in erster Linie
darauf ankommt, bei dem Ofengang möglichst viel Sauerstoff (02) und Kohlendioxyd
(CO.) zu erzeugen.
-
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch einen in das Futter des
Ofens einzubauenden Düseneinsatzkörper erreicht, der aus einem die Wärme gut leitenden.
Material, wie Stahlguß oder Gußeisen, besteht und eine oder mehrere Reihen nebeneinander
in Höhe der Reduktionszone des Ofens angeordnete Oberdüsen aufweist. Diese Oberdüsen
sind von erheblich kleinerem Querschnitt als die Hauptdüsen: Nach dem Ofeninnern
zu haben die Oberdüsen Warzen und offene, schwalbenschwanzförmige Aussparungen zur
Aufnahme einer gut wärmeleitenden, hochfeuerfesten Masse. Die Oberdüsen in den Einsatzkörpern
haben nur einen geringen Durchmesser bis 2 cm und sind .nach Art der Lavalschen
Düsen ausgebildet, d. h. nach dem Ofeninnern zu etwas erweitert. Durch die obige
Form der Oberdüsen wird eine Umsetzung der Druckenergie der gepreßten Luft inStrömungsenergie
erreicht, zu demZwecke, damit der gepreßte Wind beim Ausströmen tiefer in den Kokskern
hineindringt.
-
Die beiliegende Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Düseneinsatzkörpers
gemäß der Erfindung bei einem Kupolofen in Abb. i im Längsschnitt und in Abb. z
im Querschnitt dar.
-
In dem Feuerraum a des Ofens sind je nach seiner Größe zwei oder mehrere
auf den Ofenquerschnitt gleichmäßig verteilte Düseneinsatzkörper b derart eingebaut,
daß die Innenwand des Düseneinsatzkörpers b mit der Innenfläche des Ofenfutters
c bündig ist. Die Außenwand d des Düseneinsatzkörpers b bildet mit dem Eisenmantel
e einen Hohlraum f für die Zuführung der Oberluft zu den Oberdüsen n. Um in dem
Raum f die durch ihn hindurchgeleitete Luft stärker zu erhitzen, ist die
Außenwand d des Düseneinsatzkörpers b mit Rippen g versehen, so daß dadurch eine
vielfache Vergrößerung des Wärmeaustausches zwischen den glühenden Rippen g des
Düseneinsatzkörpers und der zwischendurch strömenden Luft erreicht wird. Auf der
Innense-itel des Einsatzkörpers liegen die Oberdüsen n. Die Oberdüsen sind von erheblich
kleinerem Querschnitt als die Hauptdüsen und nach dem Ofeninnern zu etwas erweitert
nach Art der Lavalschen Düsen, um eine Umsetzung der Druckenergie der ausströmenden
Luft in Strömungsenergie zu erzeugen. Die Oberdüsen n besitzen Warzen in und sind
von viereckigen schwalbenschwanzförmigen (nach innen verdickten) Rippenfeldern o
umschlossen. Die Aussparungen zwischen denRippenfeldern o und den Warzen m der Oberdüsen
sind mit einer hochfeuerfesten Spezialmasse p (Magnesit) ausgestampft. Die Rippenfelder
o sind deshalb schwalbenschwanzförmig ausgebildet, damit die feuerfeste Masse p
nicht herausfallen kann. Die Warzen m sind auf diese Weise in der feuerfesten Masse
p eingebettet.und dadurch gegen Verbrennen geschützt.
-
Die Düseneinsatzkörper b werden zweckmäßig zwischen je zwei Hauptdüsen
q in Höhe der Reduktionszone angeordnet, um dadurch eine günstigere Luftverteilung
und Luftmischung mit den bei der Verbrennung entstehenden Oxydgasen zu erreichen.
-
Um die Temperatur während des Gießens je nach den Betriebsverhältnissen
in der Reduktionszone zu regeln, ist indem Windring Ft ein Regulierungsorgan i,
welches die Lufteinströmungsöffnung lz für den Düseneinsatzk6rper b beherrscht,
eingebaut.
-
Die Wirkungsweise des Düseneinsatzkörpers ist folgende: Der in den
Windring lt eingeblasene Wind strömt durch die Hauptdüsen q und wird mit einer erheblich
unter o° C liegenden Temperatur in die Verbrennungszone des Schachtofens gebläsen
und bewirkt die Unterhaltung der Verbrennung. Dabei entstehen CO-Gase, die in dieReduktionszoneüberströmenundsich
hier mit der durch die Oberdüsen it in feinen Strahlen einströmenden hocherhitzten
Oberluft innig mischen. Hierdurch sinkt die Temperatur in der Reduktionszone. Dies
bewirkt ebenfalls schon eine Verminderung der Oxydbildung.
-
Weil jetzt aber ein Wärmeaustausch zwischen den vielen kleinen glühenden
Oberdüsenwandungen und der durch die Oberdüsen n hindurchströmenden Luft stattfindet,
erhitzt sich die Oberluft beim Durchströmen
noch höher. Auf Grund
von Messungen wurde festgestellt, daßbeimHindurchströmen von etwa 300/, der
Gesamtwindmenge durch die Oberdüsen eine Erwärmung des Windes von etwa 1000 auf
etwa r30° C in den Oberdüsen selbst eintritt. Infolge dieser höheren Erwärmung des
Windes sinkt die Temperatur des aus der Oberdüsenebene in den Ofen eingeblasenen
Windes nicht unter o° C wie bei den Hauptdüsen q, sondern hat noch eine Temperatur
von etwa 4o0. Hierdurch wird ein Verlegen der Oberdüsen durch Schlacken vermieden.
Infolge der erheblich erhöhten Temperatur des gepreßten Windes steigt auch sein
Druck infolge Verdampfung des in dem feuchten Winde enthaltenen Wassers. Auf Grund
der Lavalschen Form der Oberdüsen wird eine Umsetzung der Druckenergie der durchgeblasenen
hocherhitzten Luft in StrömUngsenergie erreicht. Unter der Einwirkung des fortwährend
nachdrückenden Windes von dem Gebläse erzwingt sich die erhitzte Oberluft den Durchgang
durch die Zwischenräume der Eisen- und Koksgicht. Mit der eingeblaseilen Verbrennungsluft
vermischen sich jetzt die in der Oberdüsenebene und Reduktionszone sich befindenden
unverbrannten CO-Gase mit den feinen gut verteilten kleinen hocherhitzten Luftstrahlen.
Hierdurch wird eine innigeMischung mit den aus der Verbrennungszone in die Reduktionszone
eintretenden Oxydgasen erreicht. Diese Mischung ist noch um so wirkungsvoller, weil
auf Grund der nachfolgenden Verbrenntwgsgleichung in der Reduktionszone ein ;;asverdünnter
Raum finit entsprechend niedrigerem Gasdruck entsteht.
-
Es verbrennt 1 cbm CO + o,5 cbm O zu i cbm CO;. Hieraus folgt: i,5
cbm (C0+0) vor der Verbrennung - 1 cbm CO2 nach der Verbrennung. Somit ergibt sich,
daß die eingeblasene erhitzte Oberluft mit noch höherer Geschwindigkeit in den gasverdünnten
Raum der Reduktionszone strömt und auch bis zur :litte des Ofens gelangen muß.
-
Auf Grund des Gesetzes von D alton, nach dein der Druck des eingeblasenen
Windes (1-uft-Dampf-Gemisches) sieh aus der Summe der Drücke der Einzelgase ergibt,
wird infolge der Erhitzung des in der feuchten Luft enthaltenen Wassergehaltes etwa
30mal soviel Wasser.danipf in den Kupolofen geblasen wie bei einem Ofen ohne Einblasen
erhitzter Oberluft durch Oberdüsen. Entsprechend wird mit dem Wasserdampf eine größere
Menge des in ihm enthaltenen Sauerstoffes (02) eingeführt. je mehr Wasserdampf (H2
O) aus der relativen Feuchtigkeit des Gebläsewindes in den Ofen geblasen wird, um
so günstiger ist der Verbrennungsvorgang in dein Ofen. jeder Gießer weiß- aus Erfahrung,
daß sein Kupolofen um so besser arbeitet, je höher die relative Feuchtigkeit des
eingeblasenen Windes ist.
-
Bei der Verbindung von C O mit O entsteht eine lebhafte Verbrennung
zu CO,. je mehr C02 aber bei dem Ofengang erzielt wird, um so besser wird
ebenfalls das Verbrennungsverhältnis
bei der Schmelzung. Bei dem praktischen Versuch wurde vor dem Einbau des Düseneinsatzkörpers
durch Messungen ein Verbrennungsverhältnis von
gefunden. Nach dein Einbau aber wurde ein Verbrennungsverhältnis von
erreicht. Hierdurch ist der Beweis erbracht, daß auch der thermische Wirkungsgrad
des Kupolofens durch den Einbau von Düseneinsatzkörpern wesentlich verbessert wird.
-
Durch das Regulierventil i wird die Temperatur in der Reduktionszone,
in dem mehr oder weniger heiße Oberluft durch die Oberdüsen in den Ofen geblasen
wird, während des Gießens geregelt.
-
Es kann also jetzt während des Ofenganges, ohne den Kokssatz zu ändern,
sehr heißes oder weniger heißes Eisen, je nachdem was für hochwertiges Eisen erschmolzen
werden soll, erzeugt werden.
-
In Hochöfen muß die Anzahl der Oberdüsen so gewählt werden, daß das
bei der Verbrennung entstehende CO-Gas nicht vollständig verbrannt wird durch der.
hocherhitzten ulzd regelbaren Wind, der durch die Oberdüsen in die Reduktionszolie
des Ofens geblasen wird. Es muß in der Reduktionszone noch so viel CO-Gas verbleiben,
wie erforderlich ist, um den Sauerstoff aus dem Eisen zu entziehen. Weil ein Teil
des in den Hochofen geblasenen Windes gemäß Erfindung jetzt durch die Düseneinsatzkörper
hoch erhitzt wird, können die Winderhitzer bei Hochöfen mit Düseneinsatzkörpern
entsprechend verkleinert werden oder sind überhaupt nicht mehr erforderlich, um
auch einen höchsten thermischen Wirkungsgrad für den Hochofengang zu erzielen.