DE69900227T2

DE69900227T2 - Zweilanzen-Brenner/Injektor-Vorrichtung mit orientiebaren Lanzen und Einschmelzverfahren unter Verwendung dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE69900227T2
Application number: DE69900227T
Authority: DE
Inventors: Claudio Contardo; Gianni Gensini; Lucio Londero; Paolo Orsillo; Luciano Seravalli
Original assignee: MORE Srl; Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Current assignee: MORE Srl; Danieli and C Officine Meccaniche SpA
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2019-06-05
Also published as: WO1999064637A1; ITUD980095A1; ES2163313T3; EP0964065B1; ATE204610T1; IT1299805B1; DE69900227D1; AU3842799A; EP0964065A1; CA2334392A1; US20010052200A1

Description

Erfindungsgebiet:

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Schmelzverfahren und eine zur Ausübung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung, wie sie in den entsprechenden Hauptansprüchen vorausgesetzt sind.
Die Erfindung wird beim Schmelzen von Metallen angewendet, bei denen während des Schmelzzyklus in den Schmelzbehälter technische Gase und feste brennbare Materialien, entweder in Pulver- oder Teilchenform eingeblasen werden.
Bei diesem nach dem Stand der Technik bekannten Einblasen der zusätzlichen Materialien ist es möglich, neben der üblicher Weise elektrischen Hauptenergiequelle eine alternative Energiequelle zu bilden. Außerdem werden spezielle chemische und technologische Reaktionen ausgelöst, die die Produktivität des Schmelzzyklus und die Qualität des erhaltenen Produktes verbessern.

Hintergrund der Erfindung:

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, während Schmelzprozessen, beispielsweise (aber nicht ausschließlich) in elektrischen Lichtbogenöfen, während des Schmelzens brennbare technologische Gase wie Sauerstoff, Methan, Naturgase und andere einzublasen sowie feste Partikel oder Pulver von brennbarem Material, das Kohlenstoff enthält, einzubringen.
Diese Technik hat viele Funktionen und viele Effekte für den Schmelzprozeß.
Eine erste Funktion ist die Produktion von Energie zusätzlich zur Primärenergie, z.B. der elektrischen Energie im Falle von elektrischen Lichtbogenöfen.
Eine zweite Funktion besteht in der Erzeugung von chemischen Reaktionen zur Bildung von Schlacke und zum Erreichen eines Aufschäumens der Schlacke, wodurch der Abschirmungseffekt des elektrischen Lichtbogens und damit seine Wirksamkeit gesteigert wird.
Eine weitere Funktion ist die Durchführung und Aktivierung der notwendigen metallurgischen Operationen.
Um die Gase und festen Materialien zu injizieren und einzublasen, sind geeignete spezifische Maschinen im Gebrauch; diese weisen Verbrauchslanzen oder nicht zu verbrauchende Ultraschallanzen zum Einblasen des Sauerstoffes, Brenner für Sauerstoff und gashaltiger und/oder fester brennbarer Materialien sowie Verbrauchslanzen oder nicht verbrauchbare Ultraschallanzen zum Injizieren von Kohlenstoffpartikeln auf.
Nach dem Stand der Technik sind auch Maschinen bekannt, die gleichzeitig die Funktion einer Ultraschallanze und eines Brenners ausführen.
Es sind auch Techniken zum Injizieren von Kohlenstoff durch geeignete Injektorvorrichtungen (Lanzen) bekannt, die an, an den Wänden des Schmelzbehälters verteilten Punkten oder durch Öffnungen angeordnet sind; oder mit Lanzen, die eine doppelte Funktion als Brenner und als Injektor für Kohlenstoffpulver haben.
Wenn auch diese Praxis auf dem Gebiet der Metallurgie weit verbreitet ist und wenn sie auch nach dem Stand der Technikgut bekannt ist, weist sie doch wesentliche Probleme im Hinblick auf den Prozeß, die Mechanik und die Anlage auf.
An erster Stelle müssen eine große Anzahl von Maschinen an den Wänden des Schmelzbehälters installiert werden, was wesentliche Probleme bei der Installation, der Einstellung, der Kontrolle und dem Management sowohl beim Prozeß als auch bei der Erhaltung mit sich bringt.
Zweitens müssen einige dieser Maschinen innerhalb des Schmelzraumes eingesetzt werden, was eine wesentliche Beanspruchung und auch Brüche oder Schäden während der Funktion mit sich bringt.
Ein Beispiel einer bekannten Anordnung ist in der EP-A-693 561 enthalten, die einen elektrischen Lichtbogenofen zeigt, der mit zwei Sauerstofflanzen ausgestattet ist, die in den Schmelzraum eine wesentliche Strecke eintauchen. Die Lanzen sind Spritzern von flüssigem Metall mit extrem hohen Temperaturen sowie Stößen durch die Schlacke während des Schmelzprozesses sowie hohen Hitzebeanspruchungen ausgesetzt.
Überdies sind nach diesem Dokument keine Mechanismen zum Ausrichten der durch die Lanzen ausgestoßenen Gasströme, und auch nicht zum Injizieren von Kohlenbrennstoffen zur Optimierung des Energiezuschusses vorgesehen.
Tatsächlich sieht das beschriebene Verfahren die Produktion von Kohlenmonoxyd durch Entnahme von Kohlenstoff aus dem Bad des flüssigen Stahles und anschließende Verbrennung des Kohlenmonoxydes im oberen Teil des Ofens vor.
Nach dem Stand der Technik wird auch technologischer Sauerstoff in das flüssige Metallbad eingeblasen und Kohlenstoffpulver von oben oder zusammen mit dem Sauerstoff injiziert; ein Beispiel dieser Anordnung ist in DE-C-19 62 537 gezeigt.
Das Kohlenstoffpulver reagiert jedoch nur in einem geringen Ausmaß mit dem Sauerstoff, der in gashaltiger Form oder in Form von Eisenoxyd vorhanden sein kann, und nützt nicht die gesamte Energie und das chemische Potential aus.
Dies einerseits deswegen, weil das Kohlenstoffpulver in dem Schmelzbad verteilt wird bevor die Reaktion mit dem Sauerstoff beginnt, und andererseits weil keine Maßnahmen getroffen werden, um die Menge des Sauerstoffes stöchiometrisch dem festen Kohlenstoff anzupassen, der in der Menge des eingeführten Kohlenstoffpulvers enthalten ist: Daher ist die erhaltene Energie äußerst gering.
Zusätzlich werden in diesem Fall die Sauerstofflanzen auf eine wesentliche Strecke innerhalb des Ofenraumes eingeführt, und zwar in einen Korridor, der durch die mit den Lanzen verbundenen Brenner erzeugt wird, und zwar gerade so weit, daß in die Schlackenschicht eingetaucht wird, damit der Sauerstoff innerhalb des Schmelzbades eingeführt wird um so die Entkohlung des Stahlbades durchzuführen.
Die Lanzen können entsprechend des Fortschreitens des Schmelzzyklus axial bewegt werden.
Gemäß der DE-C-19 62 537 wird der Sauerstoff direkt in die Schlacke injiziert, aber nur während des auf das Ende des Schmelzzyklus folgenden Schlackenschrittes.
Gemäß der US-A-4,986,847 ist vorgesehen, Sauerstoff mittels einer ersten Lanze und Festmaterial in Pulverform mittels einer in Nähe der ersten Lanze angeordneten zweiten Lanze zu injizieren.
Der von der zweiten Lanze ausgehende Materialstrom trifft den von der ersten Lanze ausgehenden Gasstrom oberhalb der Schlackenschicht und wird dadurch abgeleitet und in das Metallbad transportiert.
Beide Lanzen dringen eine wesentliche Strecke in den Innenraum des Ofens ein, wodurch die oben genannten Risken und Nachteile entstehen.
Darüber hinaus ist keine Vorsorge für eine stöchiometrische Balance zwischen dem mit der ersten Lanze eingeführten Sauerstoff und dem mit der zweiten Lanze eingeführten festen Material vorgesehen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht darin, daß die Geschwindigkeiten der entstehenden chemischen Reaktionen von der Geschwindigkeit, mit der die eingeführten Substanzen innen verteilt werden, bestimmt werden. Dies wegen der Konzentrationsgradienten im oberen Teil des Schmelzbades und in der darüberliegenden Schlackenschicht, die den Hauptvektor der Sauerstoffreduktion bestimmen; die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen ist nur zu einem geringen Ausmaß von dem fluiddynamischen Transfer zufolge des Transportes der festen Teile abhängig.
Die Anmelder haben die Erfindung entworfen und geprüft, um eine Lösung zur Begrenzung der oben beschriebenen Probleme sowie weitere Vorteile zu finden. Dies ist in der folgenden Beschreibung gezeigt.

Zusammenfassung der Erfindung:

Die Erfindung wird vorausgesetzt und gekennzeichnet in den entsprechenden Hauptansprüchen, wogegen die abhängigen Ansprüche andere Charakteristiken der Idee der Hauptausführung beschreiben.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines stark verbesserten Schmelzverfahrens unter Verwendung eines oder mehrerer kombinierter Module, von denen jedes mindestens eine Einheit zur Verwendung als eine Ultraschallanze + Sauerstoff/Naturgasbrenner und mindestens eine Einheit zur Verwendung als Kohlenstofflanze + Sauerstoff/Naturgasbrenner aufweist.
Erfindungsgemäß sind die Module an der äußeren Wand des Ofens angeordnet und die entsprechenden Injizierelemente sind zur Zusammenarbeit mit Öffnungen ausgebildet, die in der Wand ohne in den Ofenraum hineinzuragen ausgebildet sind.
Auf diese Weise sind sie gegenüber Spritzern von flüssigem Metall, vom Auftreffen von Schlackenstücken und von der extrem hohen thermischen Beanspruchung, die durch die Temperatur im Innenraum des Ofens hervorgerufen wird, geschützt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt in einem im Wesentlichen integrierten Modul eine erste Einheit zum Injizieren von Sauerstoff und gashaltigem brennbarem Material, und eine zweite Einheit zum Injizieren von festen brennbaren Partikeln oder Granulaten, die Kohlenstoff enthalten, sowie gashaltigem brennbarem Material und Sauerstoff.
Gemäß einer Variante besteht die Vorrichtung aus zwei unabhängigen Körpern, die in einer solchen nachbarlichen Position angeordnet sind, daß ihre Funktionen sich gegenseitig ergänzen und insbesondere die Emissionen ihrer Ströme eng miteinander zusammenwirken.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Einheit oberhalb und die zweite Einheit unterhalb angeordnet.
Gemäß einer Variante sind die zwei Einheiten anschließend aneinander angeordnet.
Erfindungsgemäß sind die Einheiten gegenseitig derart angeordnet, daß die entsprechend von ihnen ausgestoßenen Ströme sich schneiden und an einem Punkt oder rund um einen Punkt zusammenwirken, der oberhalb oder im Zusammenwirken mit dem oberen Spiegel der Schlacke oberhalb des Schmelzbades liegt.
Erfindungsgemäß werden während des normalen Schmelzzyklus die beiden Ströme von Flüssigkeit und/oder Zusatzprodukten, das heißt die gashaltigen Sauerstoffträger und der feste Brennstoff in Granulaten oder Teilen, in den Ofen durch die beiden Einheiten entsprechend stöchiometrisch ausgewogenen Mengen eingebracht.
Auf diese Weise verläuft die ausgelöste chemische Reaktion extrem exotherm und erschöpft die Ströme von Flüssigkeiten und/oder Zusatzprodukten im Wesentlichen vollständig; als Ergebnis wird eine hohe Energiemenge geliefert, die zusätzlich zum Schmelzprozeß beisteuert.
Mit anderen Worten verursachen die durch die zwei Einheiten ausgestoßenen bzw. gelieferten Ströme oberhalb oder im Zusammenwirken mit der Oberfläche der Schlackenschicht eine im Wesentlichen stöchiometrische Reaktion O&sub2; + C → CO&sub2;, welche in optimaler Weise einen Großteil des eingeführten Materiales verbraucht; dabei entsteht eine minimale Zwischenproduktion von FeO, das aus der Reaktion von überschüssigem Sauerstoff mit Eisenionen entsteht, die von der Metallschmelze oder von der Schlacke selbst freigegeben werden.
Auf diese Weise wird die Energie zum großen Teil innerhalb der Schlackenschicht freigegeben, wobei die stöchiometrische Reaktion der eingeführten Materialien ausgenützt wird.
Dank diesem Energietransport wird die Schlacke besonders aufgeheizt und diese überträgt die thermische Energie auf das darunterliegende Schmelzbad und liefert einen Zuschuß zur Energie für den Schmelzprozeß.
Wenn der Zyklus gestartet wird und der Schrott den Innenraum des Ofens in unregelmäßiger Weise einnimmt, kann mindestens eine der beiden Einheiten, vorzugsweise beide, als Brenner funktionieren, um den Schrott teilweise zu erweichen und ihn abzusenken.
Bei fortgesetztem Zyklus gelangen die Einheiten fortschreitend zu ihrer spezifischen Funktion, z.B. die erste als Ultraschallsauerstofflanze und die zweite als Lanze zum Einführen von festem Kohlenstoffbrennstoff. Damit erfüllen sie die oben angeführte Funktion als Hilfsenergielieferant für den Schmelzprozeß, und zwar durch den Antrieb der chemischen Reaktion von Sauerstoff und Kohlenstoff.
Durch den Gebrauch dieser kombinierten Module werden viele Vorteile erreicht.
Erstens wird es durch den Gebrauch von einer oder mehrerer Einheiten zum Absenken des Schrottes am Beginn des Zyklus in einer sehr begrenzten Zeit möglich, etwa in 2 bis 5 Minuten Arbeitsbedingungen zu erreichen, ohne daß es notwendig ist, durch andere Öffnungen am Rand des Schmelzraumes, z.B. das Schlackentor, Operationen durchzuführen.
Zweitens wird durch die im Wesentlichen direkte Reaktion, ohne einen Zwischenschritt in FeO und der Hitzeentwicklung meistens innerhalb der Schlackenschicht, ein größerer Energiezuschuß während des Schmelzprozesses und auch ein besserer Hitzetransfer zu dem Schmelzbad erreicht, wodurch eine größere Produktivität und eine höhere Energieersparnis ermöglicht wird.
Darüber hinaus ergibt sich eine größere Produktivität des Schmelzens selbst, und zwar in Richtung des Verhältnisses zwischen dem Gewicht des erhaltenen flüssigen Metalls und dem des eingebrachten Eisenmateriales.
Andere technologische Vorteile ergeben sich aus der größeren Produktivität des injizierten Sauerstoffes, der vergrößerten Geschwindigkeit des Wärmeaustausches mit einer daraus resultierenden Verminderung der Länge des Prozesses, der Bildung von mehrschaumiger Schlacke mit den daraus erwachsenden Vorteilen in der Wirksamkeit der elektrischen Energie, des größeren Energietransfers von der flüssigen Stufe zur festen Stufe, und zwar durch den Mechanismus des Energietransfers mittels transportierter Teilchen.
Vom operationsmäßigen Gesichtpunkt her ergibt sich eine Verminderung der Aufbauzeiten und Erhaltungsarbeiten, eine verminderte Wahrscheinlichkeit von unfallbedingten Stopps und eine Verminderung der Zeiten von Abstich zu Abstich.
Bei einer als Beispiel angeführten Ausführung ergeben sich bei Verwendung einer oder mehrerer an den Wänden des Ofens angeordneter erfindungsgemäßer Vorrichtungen folgende Schritte:

1. Aufheizen des innerhalb des Ofens enthaltenen festen Teiles, z.B. Schrott, Pellets oder Ähnliches.

Durch Aktivieren nur des Brennermoduls mindestens einer der beiden Injektoreinheiten, z.B. der Oxy-Methan-Type mit Verbrennungsverhältnissen in der Größenordnung von 1 : 2 bis 1 : 2,5, wird das den erfindungsgemäßen kombinierten Modulen benachbarte Material innerhalb Minuten auf Schmelztemperatur gebracht.

2. Oxydierungsschritt:

Durch zunehmendes Steigern des eingeblasenen Sauerstoffes und/oder Vermindern des zugegebenen brennbaren Gases wird Platz geschaffen zum Injizieren von kohlenstoffhaltigem festen Material durch die zweite Einheit; gleichzeitig wird eine genügende Menge von hochoxydiertem flüssigen Metall erhalten, was den Beginn der Reaktionen erleichtert, die die Bildung der Schaumschlacke hervorruft.

3. Schmelzstufe:

Der eingeblasene Sauerstoff wird auf einen Nennwert gebracht und gleichzeitig mit der Injizierung des Kohlenstoffpulvers in einer in bezug auf den Sauerstoff stöchiometrischen Menge begonnen, und zwar derart, daß sich die beiden Ströme an einem Punkt oberhalb oder innerhalb des oberen Spiegels der Schlacke schneiden.
Dank der Möglichkeit einer Mischung des Sauerstoffes und des festen brennbaren Materiales an einem Punkt oberhalb der Schlackenschicht ist es möglich, den Energiezuschuß, der in der Schlacke gebildet wird und dann in das Schmelzbad transferiert wird, zu optimieren.
Wenn das, Kohlenstoffpulver mit dem durch die zweite Einheit injizierten Sauerstoffstrom transportiert wird, ist es auch möglich, einen Effekt eines mechanischen Transportes im Körper des Sauerstoffstromes zu erreichen, der durch die erste Einheit ausgestoßen wird, wodurch eine im Wesentlichen völlige Umwandlung innerhalb der Schlacke von Kohlenstoff in Kohlenstoffdioxyd erreicht wird.
Diese komplette Umwandlung in Kohlenstoffdioxyd ohne eine wesentliche Bildung von freiem Sauerstoff ermöglicht die intensive Ausnützung des in den beiden Strömen enthaltenen Energiepotentials; dieses Energiepotential wird völlig in die Schlacke transferiert, deren Temperatur steigt, wodurch ein Transfer der Thermalenergie in das Schmelzbad erfolgt.
Der Vorgang des Hitzetransfers wird vor allem durch die Bildung eines großen Volumens von Schaumschlacke erleichtert, die den Austritt thermaler Energie gegen den freien Raum ober dem Ofen abschirmt, wodurch ein weiterer Energietransfer an den darunter liegenden flüssigen und festen Teil erfolgt.

4. Feinerungsstufe:

Während dieser Stufe wird die Intensität des Ultraschallstromes von Sauerstoff, soferne notwendig, ausgenützt, um das Bad umzurühren und zu homogenisieren, um den gewünschten Kohlenstoffinhalt im flüssigen Bad zu erreichen.
Erfindungsgemäß ist die Stellung der kombinierten Module, nämlich der Ultraschallanze/Brenner - Kohlenstofflanze/Brenner, an den Wänden des Schmelzbehälters und ebenso die gegenseitige Orientierung der entsprechenden Ströme derart durchdacht, daß ein geeigneter Winkel des Wirkungsgebietes gesichert wird.
Gemäß der Erfindung stößt die erste Einheit zur Lieferung von Sauerstoff und Naturgas einen Strom mit Ultraschallgeschwindigkeit unter einem gegenüber der Horizontalebene gemessenen Wirkwinkel zwischen 35º und 45º, vorzugsweise zwischen 38º und 43º aus, und ist in einer derartigen Höhe angeordnet, daß die freie Länge vom Auslaßmund zum Punkt des Auftreffens auf die Badoberfläche, abhängig vom Durchmesser der Gießwanne, zwischen 1500 mm und 2300 mm liegt.
Der Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Stromes auf das Schmelzbad und der Seitenwand der Gießwanne des Ofens beträgt erfindungsgemäß mindestens 800 mm. Die zweite Einheit zur Lieferung von Sauerstoff und festem brennbaren Material stößt einen Strom unter einem in bezug auf die Horizontalebene gemessenen Wirkwinkel zwischen 20º und 40º aus.
Der durch die zweite Einheit ausgestoßene Strom verbindet sich mit dem durch die erste Einheit ausgestoßenen Strom an einem Punkt, der einen in Richtung des ersten Stromes gemessenen Abstand vom Spiegel des Schmelzbades zwischen 350 mm und 600 mm hat und in bezug auf den Spiegel eine Höhe zwischen 250 mm und 350 mm aufweist.
Die zweite Einheit ist an der Ofenwand in einer Höhe von mindestens 850 mm in bezug auf den Schmelzbadspiegel angebracht.

Beschreibung der Zeichnungen:

In den beiliegenden Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, ohne daß die Erfindung auf diese Beispiele beschränkt wäre. Es zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht teilweise im Schnitt eines mit der erfindungsgemäßen kombinierten Vorrichtung ausgestatteten Schmelzofens;
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie X-X in Fig. 1, mit den übereinander angeordneten Einheiten;
Fig. 3 eine teilweise Ansicht von oben und von der Außenseite des Ofens einer erfindungsgemäßen kombinierten Vorrichtung, bei der die Einheiten aneinander anschließend angeordnet sind;
Fig. 4 eine teilweise Ansicht von unten und von der Außenseite des Ofens der Vorrichtung nach Fig. 3;
Fig. 5 und 6 Schnitte A-A und B-B in Fig. 3;
Fig. 7a, 7b, 7c und 7d von hinten, von der Seite, von oben und von vorne ein kombiniertes erfindungsgemäßes Modul einer ersten Ausführungsform mit übereinanderliegenden Einheiten;
Fig. 8a, 8b, 8c und 8d von hinten, von der Seite, von oben und von vorne ein erfindungsgemäßes kombiniertes Modul einer zweiten Ausführungsform mit nebeneinanderliegenden Einheiten;
Fig. 9a und 9b die entsprechenden Zeitdiagramme der Arbeitsschritte der erfindungsgemäßen Einheiten;
Fig. 10 eine Anwendung der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles:

In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Vorrichtung, oder ein kombiniertes Modul, zum Injizieren von Sauerstoff und technologischen Gasen sowie Kohlenstoff in Pulver- oder Partikelform in einen Ofen 11 oder anderen ähnlichen Schmelzbehälter.
Eine oder mehrere dieser kombinierten Vorrichtungen 10 sind an den Wänden 12 des Ofens 11 angeordnet, wozu eine Öffnung in den Kühlpaneelen 13 vorgesehen ist, in der eine Kühlbox 14 aus Kupfer für Anordnungszwecke angebracht ist.
In Fig. 1 bezeichnet 15 die Elektroden eines elektrischen Ofens 11, in Fig. 2 bezeichnet die Nummer 16 den Spiegel des Schmelzbades und die Nummer 17 die minimale obere Ebene der darüberliegenden Schlackenschicht. Die Ebenen 16 und 17 stellen eine wesentliche Arbeitsbedingung oder einen Nennwert für ein mindestens teilweises Schmelzen der Metallmasse innerhalb des Schmelzbehälters dar.
Die Vorrichtung 10 besitzt eine erste Einheit 18, die entweder als Brenner oder als Ultraschallsauerstofflanze funktionieren kann, sowie eine zweite Einheit 19, die entweder als Brenner oder als Sauerstofflanze oder als Lanze zum Injizieren von Kohlenstoff in einem gashaltigen Träger funktionieren kann.
Die Einheiten 18 und 19 sind in einer Montagebox 14 nahe nebeneinander montiert, sodaß sie im Wesentlichen eine einzige Maschine bilden. Die entsprechenden Materialströme 21, und 22 treffen einander innerhalb des Ofens an einem Punkt oder in einem Bereich 20, der sich in gewünschter Position oberhalb der Schlackenschicht 17 befindet.
Wie genauer in Fig. 10 ersichtlich ist, befindet sich der Punkt 20, wo die beiden Ströme 21 und 22 einander treffen, oberhalb der Schlacke in einer Höhe C zwischen 250 mm und 350 mm oberhalb des Spiegels 16 des Schmelzbades und in einem Abstand B vom Schmelzbad 16 zwischen 350 mm und 600 mm, wobei dieser Abstand in Richtung des Stromes 21 der ersten Einheit 18 gemessen ist.
Die Einheiten 18 und 19 sind an den Wänden des Ofens 11 derart montiert, daß ihre Auslaßmünder nicht in den Ofenraum ragen. Derart sind sie von Splittern des geschmolzenen Materials, von möglichen Schlägen durch fallenden und bewegten Schrott und den thermischen Beanspruchungen, die durch die hohen Temperaturen des Ofens entstehen, geschützt.
Bei einem in den Fig. 7a-7d und 10 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Einheiten 18 und 19 übereinander angeordnet.
Wie hier ersichtlich ist, ist die erste Einheit 18 oberhalb der zweiten Einheit 19 angeordnet; gemäß einer möglichen Variante, ist die zweite Einheit 19 oberhalb der ersten Einheit 18 angeordnet.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 8a-8b sind die Einheiten 18 und 19 nahe nebeneinander im Wesentlichen in der selben Ebene angeordnet.
Die erste Einheit 18 weist im Wesentlichen einen Einlaß 23 (zwei Einlässe 23a und 23b bei der Variante nach Fig. 6) zum Zuführen von Sauerstoff und einen Einlaß 24 zum Zuführen des brennbaren Gases, z.B. Methan (CH&sub4;) oder ein anderes Gas mit ähnlichen Charakteristiken auf
Gemäß einer Variante sind drei oder mehr Einlässe vorgesehen, wobei die Anzahl von der Lieferung des erforderlichen Sauerstoffes abhängt.
Die Einlässe 23 und 24 führen zu einer Zuführungsleitung 25 mit einer Längsachse 26, die gegenüber der Ebene des Schmelzbades 16 unter einem Winkel α geneigt ist (Fig. 7b).
Erfindungsgemäß liegt der Winkel α zwischen 35º und 45º, vorzugsweise zwischen 38º und 43º.
Die Zuführungsleitung 25 besteht aus zwei konzentrischen und getrennten Kammern, nämlich einer inneren Kammer für den Kraftstoff bzw. Sauerstoffträger und einer äußeren Kammer für das brennbare Gas.
Die zweite Einheit 19 (Fig. 5) besitzt einen axialen Einlaß 27 zum Zuführen von Kohlenstoff und zwei peripheren Einlässen 28 und 29 zum Zuführen von Sauerstoff und dem brennbaren Gas.
Diese Gase bilden den gasförmigen Träger, durch den bei Verwendung der zweiten Einheit 19 als Brenner in der Startphase des Schmelzzyklus ein Tunnel in dem eingebrachten Metall gebildet wird, um es dem festen kohlenstoffhaltigen Material zu ermöglichen, in den Schmelzraum 11 zu gelangen.
Die Achse 31 der Zuführungsleitung 30 besitzt in bezug auf das Schmelzbad 16 einen Wirkwinkel β, der erfindungsgemäß zwischen 20º und 40º liegt.
Die Azimutneigung der beiden Achsen 26 und 31, das heißt der durch die beiden Achsen 26 und 31 gegenüber der durch die Ofenwand im Bereich ihrer Eintrittsöffnung für die Einheiten 18 und 19 gehenden Radialebene P gebildete Winkel γ (Fig. 7c) liegt zwischen 0º und 35º.
Die Azimutneigung der Achse 26 in bezug auf die Achse 31 liegt zwischen 0º und 25º.
Sowohl die erste Einheit 18 als auch die zweite Einheit 19 weisen voneinander unabhängige Kühlkreisläufe auf, die aus mit Wassereinlässen und -Auslässen ausgestatteten Rohren 32 bestehen, wobei die Ein- und Auslässe mit dem Bezugszeichen 33 versehen sind.
Die Kühlkreisläufe dienen auch zur Kühlung der Kupferbox 14 und sind nicht näher beschrieben, weil sie von bekannter Art sind.
Im vorliegenden Fall sind beide Einheiten 18 und 19 an die Kupferbox 14 mittels einem mit Verbindungsschrauben versehenen Flanschbund 34 angeschlossen.
Die Box 14 ist mit einer konischen Öffnung 35 versehen, welche die Führung der Flamme ermöglicht (Fig. 7d und 8d), um die Ströme von Gas oder zusätzlichem Material in verschiedene Bereiche des Innenraumes des Ofens 11 zu richten, und zwar entsprechend der Notwendigkeit mehr oder weniger thermischen Zuschuß in diesen Bereichen zu erhalten.
Diese Möglichkeit der Positionierung verhindert die Bildung von kalten Zonen innerhalb des Ofens 11 und/oder den Ausgleich aller möglichen Differenzen beim Aufheizen, hervorgerufen durch eine nicht gleichmäßige Distanz von den Elektroden.
Die gekühlte Montagebox 14 ist derart gebaut, daß die Einheiten 18 und 19 und daher die entsprechenden Ströme 21 und 22 orientiert werden können, und zwar sowohl in bezug auf das Schmelzbad 16 als auch in bezug aufeinander; dies erfolgt in vorbestimmter Weise entsprechend dem Verfahren, der Art des Schrottmaterials und dem Betrieb des Schmelzofens.
Erfindungsgemäß beträgt die Höhe E der zweiten Einheit 19 ober dem Schmelzbad 16 mindestens 850 mm.
Der radiale Abstand D von der Wand des Ofens zum Eintrittspunkt des Stromes 21 in das Schmelzbad 1b beträgt mindestens 800 mm.
Die freie Länge A des Stromes 21 vom Auslaßmund der ersten Einheit 18 zum Endpunkt des Eintrittes in das Bad 16 liegt zwischen 1500 mm und 2300 mm, entsprechend dem Wert des Radius r des Ofens 11.
Der Treffpunkt 20 der von den Einheiten 18 und 19 gelieferten Ströme bestimmt jenen Bereich, in dem während des normalen Schmelzzyklus im Ofen 11 die chemischen Reaktionen stattfinden, die von dem durch die erste Einheit 18 gelieferten Sauerstoff und dem kohlenstoffhältigen brennbaren Material, das von der zweiten Einheit 19 geliefert wird, hervorgerufen werden.
In Anbetracht dessen, daß die gashältigen und festen Substanzen in stöchiometrisch ausgewogenen Mengen geliefert werden, nützt die chemische Reaktion die Materialströme in höchst möglicher Weise, sodaß eine ausgewogene exothermische Reaktion (O&sub2; + C → CO&sub2;) entsteht, die eine beträchtliche thermische Energiemenge freigibt. Diese thermische Energie ruft ein Überhitzen der Schlackenschicht 17 mit einem darauffolgenden Hitzetransfer an das darunterliegende Schmelzbad 16 hervor.
Da die Schllackenschicht 17 auch einen Abschirmeffekt ausübt, durch den ein Ausweichen der im Schmelzbad 16 hervorgerufenen Hitze in den Raum oberhalb des Ofens 11 verhindert wird, wird der gesamte durch die Reaktion zwischen den beiden Strömen von Sauerstoff 21 und brennbarem Material 22 hervorgerufene thermische Zuschuß mit großer Wirksamkeit in das Bad 16 überfuhrt.
Die Fig. 9a und 9b zeigen mögliche Zeitdiagramme (bezogen auf die erste Einheit 18 und die zweite Einheit 19) des durch die Erfindung erreichten Schmelzprozesses bei Verwendung einer oder mehrerer der oben beschriebenen Vorrichtungen 10.
Die stark ausgezogene Linie zeigt für jede Einheit 18 und 19 den zeitlichen Verlauf der entsprechenden Emission von Sauerstoff; die strichlierte Linie zeigt die zeitliche Emission des brennbaren Gases (CH&sub4;), wobei die strichpunktierte Linie die zeitliche Emission von Kohlenstoff durch die Einheit 19 veranschaulicht.
In der Aufheiz-Schmelzstufe arbeitet die erste Einheit 18 als Brenner von Zeit 0 zur Zeit t&sub1; mit einem Verhältnis von Sauerstoff zu Methangas oder anderem brennbaren Gas zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis und einem leicht oxydierenden Verhältnis mit meist 10% mehr Sauerstoff im Vergleich zum stöchiometrischen Verhältnis, das für Methan zwischen 2 und 2,2 variiert (Fig. 9a).
In der Aufheiz-Schmelzstufe arbeitet die zweite Einheit 19 als Brenner so wie die Einheit 18 von der Zeit 0 zur Zeit t&sub2; > t&sub1; (Fig. 9b).
Diese vorbereitende Aufheiz-Schmelzstufe dient dazu, das feste Material, das innerhalb des Ofens 11 nahe der Vorrichtung 10 angeordnet ist, auf eine Temperatur zu bringen, bei der das Schmelzen beginnt.
Die Zeit wischen t&sub1; und t&sub2;, in der die zweite Einheit 19 sowie die erste Einheit 18 weiterhin als Brenner arbeiten, dient als technische Verzögerungszeit, welche dazu dient, um jede. Anhäufung von Kohlenstoff nahe der Vorrichtung 10 zu verhindern.
In der nachfolgenden Oxydationsstufe von Zeit t&sub1; zu Zeit t&sub3; für die erste Einheit 18, wird der Anteil von injiziertem Sauerstoff gesteigert und/oder der Anteil von verbrennbarem Gas entsprechend dem geforderten Profil vermindert, und der mit hohem Ausstoß und Ultraschallgeschwindigkeit injizierte Sauerstoff bildet einen Tunnel durch den Schrott, der für die Einführung für die Injizierung von Kohlenstoff vorbereitet wird.
Gleichzeitig wird flüssiges Metall erzeugt, was wiederum die Bildung von stark geschäumter Schlacke hervorruft, welche die Übertragung der von den Elektroden gelieferten elektrischen Energie anregt, und zwar durch Verminderung der Verluste zufolge der Strahlung und der Steigerung der Hitzeübertragung zwischen der heißen Schlacke und dem kalten Metall.
Von der Zeit t&sub2; zu der Zeit t&sub3; injiziert die zweite Einheit 19 den Strom 22 von festem, kohlenstoffhaltigem und brennbarem Material in einer Menge, die mit der von der ersten Einheit 18 gelieferten Menge von Sauerstoff stöchiometrisch ausgewogen ist; die Lieferung von brennbarem Gas wird entsprechend dem geeigneten Profil vermindert.
Der Strom 22 des festen brennbaren Materials schneidet den Strom 21 von Sauerstoff um den Punkt 20 oberhalb der Schlackenschicht 17, wodurch die ausgewogene Reaktion mit dem durch die erste Einheit 18 in der oben beschriebenen Weise gelieferten Sauerstoff abgeschlossen wird. Während dieser Stufe wird dank der Anordnung der beiden Einheiten 18 und 19 durch das Schneiden der Ströme oberhalb der Schlacke 17 der Kohlenstoff völlig in Kohlenstoffdioxyd (O&sub2; + C → CO&sub2;) oxydiert;
dadurch wird eine intensive und völlige Ausnützung der aus der exothermischen Reaktion herrührenden Energiepotentials erreicht, welches Potential nun völlig an die Schlacke 17 und von der Schlacke zum Schmelzbad 16 übergeführt werden kann.
Während dieser Stufe werden enorme Mengen von stark bewegter geschäumter Schlacke gebildet, wodurch eine Steigerung der Energie an den oberhalb befindlichen Schrott und das gebildete Schmelzbad erfolgt.
Der mögliche Refining-Schritt, der von der Zeit t&sub3; an beginnt, kann die allmähliche Verminderung des Sauerstoffes beinhalten, der die Funktion von Anregung und Intensivierung der chemischen Reaktionen nicht mehr besitzt, aber im Wesentlichen die Aufgabe eines Rührens und einer Homogenisierung des Schmelzbades und die Erhaltung oder Erreichung des gewünschten Kohlenstoffinhaltes hat.
Es ist selbstverständlich, daß die Dauer der individuellen Stufen und auch die Einhaltung der korrekten Mengen der Lieferung und des Druckes der Ströme, die korrekte Richtung der Einheiten 18 und 19 in bezug auf das Schmelzbad und aufeinander sowie alle anderen arbeitsmäßigen oder technologischen Schritte den in diesem Arbeitsgebiet Verantwortlichen überlassen bleiben.

Claims

1. Vorrichtung zum Liefern von Kraftstoff bzw. Sauerstoffträgern und brennbaren Gasen, wie Sauerstoff, Methan oder dgl., und/oder festen, kohlenstoffhältigen brennbaren Materialien in Pulver- oder Teilchenform in einen Schmelzbehälter (11) für Metalle, welcher Schmelzbehälter (11) mit Elektroden (15) zusammenarbeitet, die Energie zum Schmelzen von Metallen übertragen, um ein Schmelzbad (16) mit einer oberen Deckschicht von Schlacke (17) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Modul im Wesentlichen integriert angeordnet sind eine erste, mit einer Lieferachse (26) versehene Einheit (18), die als Brenner und/oder Ultraschall-Lanze zur Lieferung von Sauerstoff arbeitet, und eine zweite, mit einer Lieferachse (31) versehene Einheit, (19), die als Brenner und/oder Kohlenstofflanze arbeitet, wobei die Einheiten (18, 19) an der Wand des Schmelzbehälters mittels eines Montageelementes (14) derart angebracht sind, daß ihre Auslaßmünder nicht in den Innenraum des Ofens hineinragen, und weiters die Einheiten (18, 19) gegenseitig so orientiert sind, daß die entsprechenden gelieferten Ströme (21, 22) einander an einem Punkt (20) treffen, der oberhalb oder etwa um den oberen Spiegel der Schlackenschicht (17) treffen, wodurch während des normalen Schmelzzyklus eine im Wesentlichen stöchiometrisch ausgewogene Reaktion zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff entsteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einheit (18) und die zweite Einheit (19) dazu ausgebildet sind, um während des normalen Schmelzzyklus sauerstoff und kohlenstoffhaltiges brennbares Material in Teilchen oder Granulaten in im Wesentlichen stöchiometrischen Mengen zu liefern, wodurch es oberhalb der Schlackenschicht (17) zu einer exothermischen Reaktion O&sub2; + C → CO&sub2; kommt, woran die eingeführten Stoffe im Wesentlichen komplett mit einer minimalen Zwischenproduktion von FeO beteiligt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (C) des Schnittpunktes (20) zwischen den beiden Strömen (21, 22) in bezug auf das Schmelzbad (16) zwischen 250 mm und 350 mm liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Lieferachse (26) der ersten Einheit und der Horizontalen liegende Winkel (α) zwischen 25º und 55º, vorzugsweise zwischen 38º und 43º, liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Lieferachse (31) der zweiten Einheit (19) und der Horizontalen befindliche Winkel (β) zwischen 20º und 40º liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die beiden Achsen (26, 31) gegenüber der durch die Wand des Schmelzbehälters (11) im Bereich ihrer Eintrittsöffnung der Einheiten (18, 19) gehenden Radialebene (P) gebildete Winkel (γ) zwischen 0º und 35º liegt.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (E) jener der beiden Einheiten (18, 19), die tiefer angeordnet ist, mindestens 850 mm beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Länge (A) des Stromes (21) vom Auslaßmund der ersten Einheit (18) zum Eintrittspunkt in das Bad (16) zwischen 1500 mm und 2300 mm liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einheit (18) oberhalb der zweiten Einheit (19) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einheit (18) anschließend an die zweite Einheit (19) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Montageelement (14) eine entsprechende konische Öffnung (35) für das Einsetzen der beiden Einheiten (18, 19) aufweist, die entsprechend dem Verfahren zum Richten der Materialströme (21, 22) in den Ofenraum (11) vorbestimmt ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten (18, 19) mit entsprechenden Kühlkreisläufen ausgestattet sind.

13. Verfahren zum Schmelzen von Metallen in einem Schmelzbehälter (11), an dessen Wand (12) eine oder mehrere Vorrichtungen (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche angeordnet sind, gekennzeichnet durch:

- eine erste Aufheizstufe für den im Schmelzbehälter (11) befindlichen festen Teil, z.B. Schrott, Pellets oder dgl. bei der mindestens eine der beiden Einheiten (18, 19) als Brenner arbeitet, wobei sie Sauerstoff und brennbare Gase in einem stöchiometrischen oder leicht oxydierenden Verhältnis liefern, um das feste Material zwischen 2 und 5 Minuten auf eine Temperatur zu bringen, bei der das Schmelzen beginnt;

- eine zweite Oxydierungsstufe, bei der der Anteil des durch die erste Einheit (18) gelieferten Sauerstoffes gesteigert und/oder der Anteil von brennbaren Gasen vermindert wird, sodaß eine hohe Oxydation im teilweise geschmolzenen Metall innerhalb des Schmelzbehälters (11) erreicht wird;

- eine dritte Schmelzstufe, bei der die erste Einheit (18) weiterhin überwiegend Sauerstoff liefert und die zweite Einheit (19) als Kohlenstofflanze aktiviert wird, um festes brennbares Material in einer Menge zu liefern, die im Wesentlichen stöchiometrisch in bezug auf den durch die erste Einheit (18) gelieferten Sauerstoff ausgewogen ist, womit die chemischen Reaktionen zum Oxydieren des Kohlenstoffes in Kohlenstoffdioxyd (O&sub2; + C → CO&sub2;) in einem Bereich (20) oberhalb der Schlackenschicht (17) mit einer minimalen Bildung überschüssigen Sauerstoff eingeleitet wird, wodurch ein Übergang von freier thermischer Energie auf die Schlackenschicht (17) und von der Schlacke auf das darunterliegende Schmelzbad (16) erreicht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Schmelzstufe eine Refining-Stufe folgt, bei der die von der ersten Einheit (18) gelieferte Sauerstoffmenge zum Zwecke des Bewegens und der Homogenisierung des Schmelzbades (16) sowie der Erreichung eines gewünschten Kohlenstoffgehaltes fortschreitend vermindert wird, wobei die Menge des festen brennbaren Materials, das durch die zweite Einheit (19) geliefert wird, ebenso fortschreitend vermindert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Aufheizstufe beide Einheiten (18, 19) als Brenner aktiviert werden und die zweite Einheit (19) in einem längeren Zeitraum als die erste Einheit (18) in diesem Zustand gehalten wird, um Anhäufungen von Kohlenstoff in Nähe der Vorrichtung (10) zu verhindern.