EP0397134A1 - Shaft furnace for melting of iron - Google Patents

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EP0397134A1
EP0397134A1 EP90108722A EP90108722A EP0397134A1 EP 0397134 A1 EP0397134 A1 EP 0397134A1 EP 90108722 A EP90108722 A EP 90108722A EP 90108722 A EP90108722 A EP 90108722A EP 0397134 A1 EP0397134 A1 EP 0397134A1
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EP
European Patent Office
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wind
shaft furnace
furnace
amount
area
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EP90108722A
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German (de)
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EP0397134B1 (en
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Robert Doat
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Kuettner GmbH and Co KG
Original Assignee
Kuettner GmbH and Co KG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B11/00—Making pig-iron other than in blast furnaces
    • C21B11/02—Making pig-iron other than in blast furnaces in low shaft furnaces or shaft furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/10—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B1/16—Arrangements of tuyeres

Definitions

  • the invention relates to a shaft furnace in which metallic insert is melted with the addition of slag-forming additives and coke, wind being blown in.
  • the most frequently used melting furnace in foundries is the cupola furnace.
  • Cupola furnaces usually stand on a base plate.
  • the furnace jacket is made of sheet steel and is fireproof or lined without a lining.
  • the furnace jacket forms the furnace shaft.
  • the furnace is classified from a top stage.
  • the bottom of the furnace is formed by the sole inclined towards the tapping channel. Above the sole is the so-called stove, which is filled with filling coke.
  • the liquid iron that is melted in the melting zone collects in the hearth.
  • the intended wind passes through wind pipes into an annular wind box surrounding the furnace or into a ring pipe built into the wind box and from there to the wind nozzles, also called blow molds or wind molds.
  • the hot furnace gases top gas
  • the melting process is as follows:
  • the batches thrown in through the inspection opening fill the furnace shaft up to the level of the gout platform.
  • the rising hot furnace gases heat the iron charge, which gradually slides into the furnace shaft due to the continuous melting.
  • the iron becomes liquid and drips through the coke bed.
  • the coke bed is formed by the filling coke column from the sole to the melting zone.
  • the melting zone is above the wind nozzles through which the wind is blown.
  • highly heated combustion air is fed to the wind vents.
  • the wind temperature is usually 400 - 600 ° C.
  • various methods have been developed, e.g. B. the top gas waste heat recovery with top gas combustion or external heating.
  • the hot-wind cupola ovens have been designed in a wide variety of variations. Among others Cupola furnaces with wind blowing at different levels were already known at the beginning of this century.
  • the invention has set itself the task of creating a new shaft furnace with a better thermal efficiency.
  • the invention is based on the consideration that the temperature in the furnace is at a considerable distance from the temperature which corresponds to the thermal requirements.
  • a significant improvement in thermal efficiency is achieved in that, using the known wind supply in different levels in the lower level, a wind quantity leading to substoichiometric combustion of the coke is blown in, while in the second wind level a somewhat smaller amount of wind is added and in a sufficient amount of wind for combustion is added to the upper level.
  • the shaft furnace according to the invention thus looks similar to a conventional cupola furnace, but it differs fundamentally from it.
  • the wind is fed so that the endothermic reduction of CO2 to CO cannot take place because only a minimum of CO2 is generated in the lower furnace area.
  • the middle nozzle plane is 300 to 700 mm from the lower plane, the upper one from the middle plane 500 to 2500 mm.
  • the blow molds or wind molds of the upper level preferably extend spirally over a nozzle area of 1,500 to 2,500 mm vertical height.
  • the number of nozzles is 6 to 20.
  • the wind temperature in the lower range is 700 to 1 200 ° C, z. B. 900 ° C.
  • This wind temperature arises from appropriate heating of the hot wind, preferably using a recuperator.
  • the heat contained in the blast furnace gas is largely recovered in the recuperator.
  • the amount of heat still missing to achieve the desired temperature is supplied by external heating.
  • the heating is preferably carried out with the aid of a gas burner and / or oil burner, the combustion gases giving off their heat to the hot wind via a heat exchanger or overheating to the desired temperature taking place in the heat exchanger.
  • the heating of the wind to higher temperatures is also a fundamental problem that is solved by the invention.
  • the modern cupola furnaces are fed with hot air generated in a gas / air heater / exchanger by recovering all or part of the energy contained in the gases that escape from the cupola furnace.
  • the problems of constipation are eliminated by the air superheating according to the invention.
  • the overheating starts from the usual heated wind.
  • air superheaters which operate on the basis of electrical resistors
  • air / gas heat exchangers can also be used which are operated with a suitable fuel, in particular natural gas or heating oil.
  • a cold wind supply is sufficient on the upper level.
  • the amount of wind supplied in the second wind form level generates a sufficient amount of energy for melting by burning coke and a certain amount of CO, which was generated shortly before in the area of the lower wind form level.
  • the wind quantity provided in the upper area is used to burn CO, which has arisen in the area of the lower wind form.
  • the energy generated by this combustion is used to preheat the metallic batch to a temperature close to the melting point.
  • the wind quantity for three areas (zones) is provided with a quantity control.
  • temperature control of the wind is preferably provided for the lower and middle area (zone).
  • the Poumay furnace was used in many European foundries, but no longer from 1925, since there was no control of the air supply and the cupola furnace did not work reliably without constant intensive monitoring.
  • the air for the spirally arranged wind nozzles was taken from the wind box that feeds the main nozzles.
  • the alternative to the Poumay ovens are ovens with several rows of wind nozzles, which are arranged uniformly. If part of the CO is burned at the level of the bottom row, the wind blown into the top row only hits CO2 (and nitrogen) that is generated in the bottom row. He no longer encounters CO. For this reason, no further combustion takes place.
  • the significant improvement in efficiency of the new shaft furnace occurs because - the overheating of iron with poor efficiency is improved by overheating the wind, it is possible to drive in the area of the coke bed and just above it in a strongly reducing manner and thus to avoid all the disadvantages associated with the oxidation of iron, - Because the afterburning arranged in spirals in the preheating zone avoids the occurrence of high temperatures, which would result in a back reaction according to Boudouart.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the shaft column with wind form areas A (superheater), B (melting area) and C (preheating). While the wind form of areas A and B each lie in one plane, the 6 to 20 wind forms provided in area C are distributed spirally to a shaft column height of 1.5 to 2.5 m.
  • FIG 2 a shows a schematic representation of the wind supply for a conventional hot wind cupola with two rows of nozzles.
  • the blower 1 presses the recirculated air into a recuperator 3.
  • the recuperator outlet is regulated at 4 and 5 with flaps.
  • FIG. 2 b shows a schematic representation of the wind supply for a shaft furnace according to the invention (capacity 15 t / h with 40% steel and 60% circulation and cast break).
  • a hot wind amount of 2,500 m 3 at a temperature of 500 ° C. is fed to the central region B.
  • 4,000 m3 of wind are fed.
  • the 4,000 m3 come from the recuperator 3 with a temperature of 500 ° C like the 2 500 m3 provided for area B.
  • the 4,000 m3 of wind intended for area A are overheated in a heat exchanger 6 to 800 ° C. or a higher temperature.
  • the heat exchanger 6 is operated with external energy (eg electrically or with gas).>
  • the blower 2 feeds 2,000 m3 of cold air into the area C with the wind molds 11.
  • the wind supply is regulated with a flap 10.
  • Figures 3, 3 a, 4 and 4 a refer to 1 ton of iron.
  • Figure 3 shows the temperature and the energy profile in the shaft furnace
  • the gas temperature curve is designated 20.
  • Curve 21 corresponds to the iron temperature.
  • the curve 22 corresponds to the accumulated, minimally required amount of energy from the furnace sole to the gout. It can be seen that curve 21 is at some distance from curve 20.
  • Figure 4 shows the temperature and energy profile in different zones of a conventional hot-wind cupola.
  • the gas temperature curve is designated 25, the iron temperature 26.
  • zone A the molten iron is overheated.
  • the energy requirement in the exemplary embodiment is 80 thermals.
  • - In zone B is the melting range and the start of overheating.
  • the energy requirement for the new shaft furnace is 120 thermals.
  • 90 thermals must also be used for the endothermic reaction of CO2 to CO. That means a total of 210 thermal energy sources in conventional ovens.
  • - In zone C the batch is preheated. There, the energy requirement is 280 thermals both in a conventional furnace and in the shaft furnace according to the invention.
  • Figure 5 shows another representation of the temperature profile and energy profile for both furnaces.
  • the triangles M, N, 0, P for the shaft furnace according to the invention and M, N, 01, P1 for the conventional cupola furnace symbolize the total energy requirement per ton of liquid iron in each individual zone of the two furnaces. This also includes the wall losses.
  • the result is that the energy requirement of the conventional cupola furnace is higher (600 thermies versus 510 thermies, i.e. 15%) than with a shaft furnace according to the invention.
  • the shaft furnace according to the invention has a correspondingly better efficiency.
  • the illustration according to FIG. 6 highlights another very important advantage of the new furnace. While in the conventional cupola furnace the liquefied metal drops pass through a CO2-rich, ie oxidizing zone in the lower furnace area, the corresponding zone in the new furnace is particularly rich in CO in this hottest area: - In a first zone of wind form A, part of the coke is burned with the addition of a small amount of wind at high temperature. In this way enough energy is released to overheat the already liquefied metal. The result is a very CO-rich atmosphere with little tendency to oxidize. - In a second zone of wind form B, an additional amount of wind is supplied. The wind is not or only slightly warmed.

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Abstract

According to the invention, the thermal efficiency of a shaft furnace for melting a metal charge, in particular of a cupola furnace, is considerably improved by the addition of a superheated blast in a first plane, of a supplementary blast quantity in a centre plane, and of a cold blast in a third plane. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Schachtofen, in dem metallischer Einsatz unter Zugabe von schlackenbildenden Zuschlagstoffen und Koks geschmol­zen wird, wobei Wind eingeblasen wird. Der in Gießereien am häufigsten eingesetzte Schmelzofen ist der Kupolofen.The invention relates to a shaft furnace in which metallic insert is melted with the addition of slag-forming additives and coke, wind being blown in. The most frequently used melting furnace in foundries is the cupola furnace.

Kupolöfen stehen üblicherweise auf einer Bodenplatte. Der Ofenmantel besteht aus Stahlblech und ist feuerfest ausgekleidet oder futterlos ausgebildet. Der Ofenmantel bildet den Ofenschacht. Von einer Gicht­bühne aus erfolgt die Gattierung des Ofens. Den Ofenboden bildet die zur Abstichrinne geneigte Sohle. Über der Sohle befindet sich der sogenannte Herd, der mit Füllkoks aufgefüllt ist. Im Herd sammelt sich das flüssige Eisen, das in der Schmelzzone geschmolzen wird. Der vorgesehene Wind gelangt durch Windleitungen in einen ringförmigen, den Ofen umschließenden Windkasten oder in eine im Windkasten einge­baute Ringleitung und von dort zu den Winddüsen, auch Blasformen oder Windformen genannt. Die heißen Ofengase (Gichtgas) ziehen durch den Ofenschaft nach oben in den Kamin oder in eine Reinigungsanlage ab.Cupola furnaces usually stand on a base plate. The furnace jacket is made of sheet steel and is fireproof or lined without a lining. The furnace jacket forms the furnace shaft. The furnace is classified from a top stage. The bottom of the furnace is formed by the sole inclined towards the tapping channel. Above the sole is the so-called stove, which is filled with filling coke. The liquid iron that is melted in the melting zone collects in the hearth. The intended wind passes through wind pipes into an annular wind box surrounding the furnace or into a ring pipe built into the wind box and from there to the wind nozzles, also called blow molds or wind molds. The hot furnace gases (top gas) are drawn up through the furnace shaft into the chimney or into a cleaning system.

Der Schmelzprozeß löuft wie folgt ab:The melting process is as follows:

Die durch die Begichtungsöffnung eingeworfenen Chargen füllen den Ofenschacht bis in Höhe der Gichtbühne. Die aufsteigenden heißen Ofengase erwärmen den Eisensatz, der durch das kontinuierliche Schmel­zen allmählich in den Ofenschacht abgleitet. Nach Erreichen der Schmelzzone wird das Eisen flüssig und tropft durch das Koksbett. Das Koksbett wird durch die Füllkokssäule von der Sohle bis zur Schmelz­zone gebildet. Die Schmelzzone liegt oberhalb der Winddüsen, durch die der Wind eingeblasen wird. Bei Heißwindbetrieb wird hocherhitzte Verbrennungsluft den Winddüsen zugeführt. Die Windtemperatur beträgt üblicherweise 400 - 600 °C. Um diese Winderhitzung wirtschaftlich zu gestalten, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, z. B. die Gicht­gasabwärmeverwertung mit Gichtgasverbrennung oder Fremdbeheizung.The batches thrown in through the inspection opening fill the furnace shaft up to the level of the gout platform. The rising hot furnace gases heat the iron charge, which gradually slides into the furnace shaft due to the continuous melting. After reaching the melting zone, the iron becomes liquid and drips through the coke bed. The coke bed is formed by the filling coke column from the sole to the melting zone. The melting zone is above the wind nozzles through which the wind is blown. In hot wind operation, highly heated combustion air is fed to the wind vents. The wind temperature is usually 400 - 600 ° C. In order to make this wind heating economical, various methods have been developed, e.g. B. the top gas waste heat recovery with top gas combustion or external heating.

Die Heißwindkupolöfen sind in den verschiedensten Variationen konstru­iert worden. U. a. sind bereits Anfang dieses Jahrhunderts Kupolöfen bekannt geworden, die eine Windeinblasung in verschiedenen Ebenen besaßen.The hot-wind cupola ovens have been designed in a wide variety of variations. Among others Cupola furnaces with wind blowing at different levels were already known at the beginning of this century.

Alle Kupolöfen haben das Problem des thermischen Wirkungsgrades, an dessen Verbesserung von Anfang an gearbeitet worden ist. Bei Kaltwind­kupolöfen und vielen Heiwindkupolöfen liegt der thermische Wirkungs­grad oft unterhalb von 50 %, z. B. 40 %. Der thermische Wirkungsgrad kann mit Heißwind durch partielle Rückgewinnung der Gichtgaswärme verbessert werden. Dennoch bleibt der Wirkungsgrad an sich schlecht.All cupola furnaces have the problem of thermal efficiency, which has been worked on from the start. In cold wind cupola furnaces and many hot wind cupola furnaces, the thermal efficiency is often below 50%, e.g. B. 40%. The thermal efficiency can be improved with a hot wind by partially recovering the heat from the blast furnace gas. However, the efficiency itself remains poor.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen neuen Schachtofen mit einem besseren thermischen Wirkungsgrad zu schaffen. Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß die Temperatur im Ofen in erheblichem Abstand von der Temperatur verläuft die den thermischen Anforderungen entspricht.The invention has set itself the task of creating a new shaft furnace with a better thermal efficiency. The invention is based on the consideration that the temperature in the furnace is at a considerable distance from the temperature which corresponds to the thermal requirements.

Der Hauptgrund ist ein bedeutender Energieverlust aus der endothermen Reduktion des CO₂, die durch Verbrennung von Kohlenstoff durch im Unterofen zugegebenen Wind entsteht. Dieses CO₂ wird durch den Koks­kohlenstoff im Inneren des Ofens zu CO reduziert. Damit wird Energie in einem Bereich verbraucht, wo diese besser zum Schmelzen und Über­hitzen des Eisens eingesetzt wäre.The main reason is a significant loss of energy from the endothermic reduction of CO₂, which results from the combustion of carbon by wind added in the furnace. This CO₂ is reduced to CO by the coking carbon inside the furnace. This consumes energy in an area where it would be better used to melt and overheat the iron.

Nach der Erfindung wird eine erhebliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades dadurch erreicht, daß unter Ausnutzung der bekannten Windzuführung in verschiedenen Ebenen in der unteren Ebene eine zur unterstöchiometrischen Verbrennung des Kokses führende Windmenge eingeblasen wird, während in der zweiten Windebene eine etwas kleinere Windmenge zugegeben wird und in der oberen Ebene eine zur Verbrennung noch vorhandendem CO ausreichende Windmenge zugegeben wird.According to the invention, a significant improvement in thermal efficiency is achieved in that, using the known wind supply in different levels in the lower level, a wind quantity leading to substoichiometric combustion of the coke is blown in, while in the second wind level a somewhat smaller amount of wind is added and in a sufficient amount of wind for combustion is added to the upper level.

Damit ähnelt der erfindungsgemäße Schachtofen äußerlich einem herkömm­lichen Kupolofen, er unterscheidet sich jedoch von ihm grundsätzlich. Der Wind wird so zugeführt, daß die endotherme Reduktion des CO₂ zu CO nicht stattfinden kann, weil nur ein Minimum an CO₂ im unteren Ofen­bereich erzeugt wird.The shaft furnace according to the invention thus looks similar to a conventional cupola furnace, but it differs fundamentally from it. The wind is fed so that the endothermic reduction of CO₂ to CO cannot take place because only a minimum of CO₂ is generated in the lower furnace area.

Die mittlere Düsenebene ist von der unteren Ebene 300 bis 700 mm entfernt, die obere von der mittleren Ebene 500 bis 2 500 mm.The middle nozzle plane is 300 to 700 mm from the lower plane, the upper one from the middle plane 500 to 2500 mm.

Die Blasformen bzw. Windformen der oberen Ebene erstrecken sich vorzugsweise spiralförmig über einen Düsenbereich von 1 500 bis 2 500 mm vertikaler Höhe. Die Anzahl der Düsen beträgt 6 bis 20.The blow molds or wind molds of the upper level preferably extend spirally over a nozzle area of 1,500 to 2,500 mm vertical height. The number of nozzles is 6 to 20.

Im unteren Bereich werden 40 bis 60 % der Gesamtluftmenge, im mitt­leren Bereich 20 bis 50 % der Gesamtluftmenge und im oberen Bereich 20 bis 35 % der Gesamtluftmenge zugegeben.40 to 60% of the total air volume is added in the lower area, 20 to 50% of the total air volume in the middle area and 20 to 35% of the total air volume in the upper area.

Die Windtemperatur im unteren Bereich beträgt 700 bis 1 200 °C, z. B. 900 °C. Diese Windtemperatur entsteht durch entsprechende Erwärmung des Heißwindes, vorzugsweise unter Ausnutzung eines Rekuperators. Wie oben bereits erläutert, wird im Rekuperator die dem Gichtgas enthal­tene Wärme weitgehend zurückgewonnen. Die zur Erreichung der gewünsch­ten Temperatur noch fehlende Wärmemenge wird durch Fremderwärmung zugeführt. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung mit Hilfe eines Gas­brenners und/oder Ölbrenners, wobei die Verbrennungsgase ihre Wärme über einen Wärmetauscher an den Heißwind abgeben bzw. im Wärmetauscher die Überhitzung auf die gewünschte Temperatur stattfindet.The wind temperature in the lower range is 700 to 1 200 ° C, z. B. 900 ° C. This wind temperature arises from appropriate heating of the hot wind, preferably using a recuperator. As already explained above, the heat contained in the blast furnace gas is largely recovered in the recuperator. The amount of heat still missing to achieve the desired temperature is supplied by external heating. The heating is preferably carried out with the aid of a gas burner and / or oil burner, the combustion gases giving off their heat to the hot wind via a heat exchanger or overheating to the desired temperature taking place in the heat exchanger.

Die Erwärmung des Windes auf höhere Temperaturen ist zugleich ein grundsätzliches Problem, das von der Erfindung gelöst wird.The heating of the wind to higher temperatures is also a fundamental problem that is solved by the invention.

Die modernen Kupolöfen werden mit Heißluft gespeist, die in einem Gas/Luft-Erhitzer/Austauscher erzeugt werden durch Rückgewinnung der gesamten oder teilweisen Energie, die in den Gasen enthalten ist, welche aus dem Kupolofen entweichen.The modern cupola furnaces are fed with hot air generated in a gas / air heater / exchanger by recovering all or part of the energy contained in the gases that escape from the cupola furnace.

Diese Gase sind mit Stäuben belastet. Die Stäube weichen bei einer relativ niedrigen Temperatur auf. Einmal aufgeweicht, haften sie an der Rohrwandung und verstopfen den Lufterhitzer. Es ist daher not­wendig, die Lufttemperatur auf ca. 750 °C zu begrenzen.These gases are contaminated with dusts. The dusts soften at a relatively low temperature. Once softened, they stick to the pipe wall and block the air heater. It is therefore necessary to limit the air temperature to approx. 750 ° C.

Durch die erfindungsgemäße Luftüberhitzung werden die Verstopfungs­probleme beseitigt. Die Überhitzung geht von üblich erwärmtem Wind aus.The problems of constipation are eliminated by the air superheating according to the invention. The overheating starts from the usual heated wind.

Nach einem älteren Vorschlag ist eine Windüberhitzung an sich bereits vorgesehen, jedoch mit Hilfe eines Plasma-Brenners. Der Plasma-Brenner beinhaltet eine wirtschaftlich außerordentlich aufwendige Lösung.According to an older proposal, wind overheating per se is already provided, but with the help of a plasma burner. The plasma torch contains an economically extremely complex solution.

Nach der Erfindung werden für die Winderüberhitzer weniger kostspie­lige Einrichtungen eingesetzt wie Luftüberhitzer, die auf Basis elektrischer Widerstände arbeiten. Wahlweise können auch Luft/Gas-­Wärmetauscher verwendet werden, die mit einem geeigneten Brennstoff, insbesondere Erdgas oder Heizöl betrieben werden.According to the invention, less expensive devices such as air superheaters, which operate on the basis of electrical resistors, are used for the wind superheaters. Optionally, air / gas heat exchangers can also be used which are operated with a suitable fuel, in particular natural gas or heating oil.

In der mittleren Ebene wird Kaltwind oder Heißwind mit üblicher Temperatur, max. mit einer Temperatur bis 600 °C zugeführt.In the middle level, cold wind or hot wind with normal temperature, max. fed at a temperature up to 600 ° C.

In der oberen Ebene ist eine Zuführung von Kaltwind ausreichend.A cold wind supply is sufficient on the upper level.

Während die geringere Luftmenge in der unteren Ebene in Verbindung mit der hohen Windtemperatur zur Folge hat, daß dort eine Atmosphäre entsteht, welche reich an CO ist (es wird nur so wenig wie nötig in dieser oxydiert, wo hauptsächlich bereits verflüssigtes Metall über­hitzt werden muß), erzeugt die zugeführte Windmenge in der zweiten Windformebene eine ausreichende Energiemenge zum Schmelzen durch Verbrennung von Koks und einer gewissen Menge an CO, das kurz zuvor im Bereich der unteren Windformebene entstanden ist.While the lower amount of air in the lower level combined with the high wind temperature means that there is an atmosphere that is rich in CO (only as little as necessary is oxidized in it, where mainly liquefied metal has to be overheated) , the amount of wind supplied in the second wind form level generates a sufficient amount of energy for melting by burning coke and a certain amount of CO, which was generated shortly before in the area of the lower wind form level.

Die vorgesehene Windmenge im oberen Bereich dient der Verbrennung von CO, das im Bereich der unteren Windform entstanden ist. Die Energie, die durch diese Verbrennung erzeugt wird, wird zur Vorwärmung der metallischen Charge bis auf eine Temperatur in der Nähe des Schmelz­punktes genutzt.The wind quantity provided in the upper area is used to burn CO, which has arisen in the area of the lower wind form. The energy generated by this combustion is used to preheat the metallic batch to a temperature close to the melting point.

Es ist bekannt, den Wind an Kupolöfen über spiralförmig angeordnete Windformen zuzugeben (DE-PS 423400). Es handelt sich um die als Poumay-Ofen bekannte Lösung.It is known to add the wind to cupola furnaces via spirally arranged wind forms (DE-PS 423400). It is the solution known as the Poumay oven.

In dem Poumay-Ofen gab es keine Möglichkeit, die Windverteilung zwischen den unteren Windformen und den oberen spiralförmig angeord­neten Windformen zu messen und zu regeln. Folglich wurde die gesamte Windmenge über einen einzigen Windring zugegeben.There was no way in the Poumay oven to measure and control the wind distribution between the lower wind forms and the upper spirally arranged wind forms. As a result, the total amount of wind was added through a single wind ring.

Dagegen ist bei dem erfindungsgemäßen Schachtofen die Windmenge für drei Bereiche (Zonen) mit einer Mengenregelung versehen. Zusätzlich ist vorzugsweise für den unteren und mittleren Bereich (Zone) eine Temperaturregelung des Windes vorgesehen.In contrast, in the shaft furnace according to the invention, the wind quantity for three areas (zones) is provided with a quantity control. In addition, temperature control of the wind is preferably provided for the lower and middle area (zone).

Der Poumay-Ofen wurde in vielen europäischen Gießereien eingesetzt, ab 1925 jedoch nicht mehr, da keine Kontrolle der Luftzuführung gegeben war und der Kupolofen ohne ständige intensive Überwachung nicht zuverlässig arbeitete. Dabei wurde die Luft für die spiralförmig angeordneten Winddüsen aus dem Windkasten entnommen, der die Haupt­düsen speist.The Poumay furnace was used in many European foundries, but no longer from 1925, since there was no control of the air supply and the cupola furnace did not work reliably without constant intensive monitoring. The air for the spirally arranged wind nozzles was taken from the wind box that feeds the main nozzles.

Durch die übermäßige Windeinblasung entsteht bei den Poumay-Öfen eine höhere Temperatur, wodurch eine neue Schmelzzone geschaffen wird, die die Funktion des Kupolofens stört. Die Poumay-Öfen haben sich deshalb in der Praxis als ungeeignet erwiesen.Excessive wind blowing creates a higher temperature in the Poumay ovens, creating a new melting zone that interferes with the function of the cupola. The Poumay ovens have therefore proven unsuitable in practice.

Die Alternative zu den Poumay-Öfen sind Öfen mit mehreren Reihen von Winddüsen, die gleichförmig angeordnet sind. Wenn nun auf der Höhe der unteren Reihe ein Teil des CO verbrannt wird, so trifft der in die obere Reihe eingeblasene Wind dennoch nur auf CO₂ (und Stickstoff), der in der unteren Reihe entsteht. Er trifft nicht mehr auf CO. Aus diesem Grunde erfolgt keine weitere Verbrennung.The alternative to the Poumay ovens are ovens with several rows of wind nozzles, which are arranged uniformly. If part of the CO is burned at the level of the bottom row, the wind blown into the top row only hits CO₂ (and nitrogen) that is generated in the bottom row. He no longer encounters CO. For this reason, no further combustion takes place.

Bei richtiger spiralförmiger Anordnung und geregelter Windzuführung drückt die durch die Verbrennung entstehende Ausdehnung des Gases vor der ersten Düse das nicht verbrannte Gas von der gegenüberliegenden Seite zurück, wo es durch eine der oberen Düsen verbrannt wird usw.With the correct spiral arrangement and controlled wind supply, the expansion of the gas caused by the combustion in front of the first nozzle pushes the unburned gas back from the opposite side, where it is burned by one of the upper nozzles, etc.

Zusammenfassend tritt die deutliche Wirkungsgradverbesserung des neuen Schachtofens ein, weil
- die mit schlechtem Wirkungsgrad behaftete Überhitzung des Eisens durch Überhitzung des Windes verbessert wird,
- es möglich ist, im Bereich des Koksbettes und kurz darüber stark reduzierend zu fahren und damit alle mit der Oxydation von Eisen verbundene Nachteile zu vermeiden,
- weil die in Spiralen angeordnete Nachverbrennung in der Vorwär­mungszone das Auftreten von hohen Temperaturen vermeidet, die eine Rückreaktion nach Boudouart zur Folge hätte.In summary, the significant improvement in efficiency of the new shaft furnace occurs because
- the overheating of iron with poor efficiency is improved by overheating the wind,
it is possible to drive in the area of the coke bed and just above it in a strongly reducing manner and thus to avoid all the disadvantages associated with the oxidation of iron,
- Because the afterburning arranged in spirals in the preheating zone avoids the occurrence of high temperatures, which would result in a back reaction according to Boudouart.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Various exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Schachtsäule mit Windformbereichen A (Überhitzer), B (Schmelzbereich) und C (Vor­wärmen). Während die Windform der Bereiche A und B jeweils in einer Ebene liegen, verteilen sich die im Bereich C vorgesehenen 6 bis 20 Windformen spiralförmig auf eine Schachtsäulenhöhe von 1,5 bis 2,5 m.Figure 1 shows a schematic representation of the shaft column with wind form areas A (superheater), B (melting area) and C (preheating). While the wind form of areas A and B each lie in one plane, the 6 to 20 wind forms provided in area C are distributed spirally to a shaft column height of 1.5 to 2.5 m.

Figur 2 a zeigt in schematischer Darstellung die Windzuführung für einen üblichen Heißwindkupolofen mit zwei Düsenreihen. Das Gebläse 1 drückt Umluft in einen Rekuperator 3. Der Rekuperatoraustritt ist bei 4 und 5 mit Klappen geregelt.Figure 2 a shows a schematic representation of the wind supply for a conventional hot wind cupola with two rows of nozzles. The blower 1 presses the recirculated air into a recuperator 3. The recuperator outlet is regulated at 4 and 5 with flaps.

Figur 2 b zeigt eine schematische Darstellung der Windzuführung für einen erfindungsgemäßen Schachtofen (Kapazität 15 t/h mit 40 % Stahl und 60 % Kreislauf und Gußbruch). Im Ausführungsbeispiel wird dabei dem mittleren Bereich B eine Heißwindmenge von 2 500 m³ mit 500 °C Temperatur zugeführt. Im unteren Bereich A werden 4 000 m³ Wind eingespeist. Die 4 000 m³ kommen aus dem Rekuperator 3 mit einer Temperatur von 500 °C wie die für den Bereich B vorgesehenen 2 500 m³. Jedoch werden die für den Bereich A vorgesehenen 4 000 m³ Wind in einem Wärmetauscher 6 auf 800 °C oder eine höhere Temperatur über­hitzt. Der Wärmetauscher 6 wird mit Fremdenergie (z. B. elektrisch oder mit Gas) betrieben.>Figure 2 b shows a schematic representation of the wind supply for a shaft furnace according to the invention (capacity 15 t / h with 40% steel and 60% circulation and cast break). In the exemplary embodiment, a hot wind amount of 2,500 m 3 at a temperature of 500 ° C. is fed to the central region B. In the lower area A, 4,000 m³ of wind are fed. The 4,000 m³ come from the recuperator 3 with a temperature of 500 ° C like the 2 500 m³ provided for area B. However, the 4,000 m³ of wind intended for area A are overheated in a heat exchanger 6 to 800 ° C. or a higher temperature. The heat exchanger 6 is operated with external energy (eg electrically or with gas).>

Wahlweise ist zum Rekuperator 3 auch ein Bypass 7 vorgesehen, der mit einer Klappenregelung 9 versehen ist. Über den Bypass 7 läßt sich ein Teil oder die gesamte vom Gebläse 1 angelieferte Luftmenge am Rekupe­rator 3 vorbei in die zum Windformenbereich B führende Leitung drücken.A bypass 7, which is provided with a flap control 9, is optionally also provided for the recuperator 3. Part or all of the air quantity supplied by the blower 1 can be pushed past the recuperator 3 into the line leading to the wind mold region B via the bypass 7.

Das Gebläse 2 speist im Ausführungsbeispiel 2 000 m³ Kaltluft in den Bereich C mit den Windformen 11. Die Windzuführung wird mit einer Klappe 10 geregelt.In the exemplary embodiment, the blower 2 feeds 2,000 m³ of cold air into the area C with the wind molds 11. The wind supply is regulated with a flap 10.

Die weiteren Figuren zeigen verschiedene Anwendungsbeispiele der Erfindung.The other figures show different application examples of the invention.

Figur 3, 3 a, 4 und 4 a beziehen sich auf 1 Tonne Eisen.Figures 3, 3 a, 4 and 4 a refer to 1 ton of iron.

Figur 3 zeigt die Temperatur und den Energieverlauf im Schachtofen;Figure 3 shows the temperature and the energy profile in the shaft furnace;

Der Gastemperaturverlauf ist mit 20 bezeichnet. Die Kurve 21 ent­spricht der Eisentemperatur. Die Kurve 22 entspricht der kumulierten, minimal benötigten Energiemenge von der Ofensohle bis zur Gicht. Es ist erkennbar, daß die Kurve 21 in einigem Abstand von Kurve 20 verläuft.The gas temperature curve is designated 20. Curve 21 corresponds to the iron temperature. The curve 22 corresponds to the accumulated, minimally required amount of energy from the furnace sole to the gout. It can be seen that curve 21 is at some distance from curve 20.

Figur 4 zeigt die Temperatur- und den Energieverlauf in verschiedenen Zonen eines herkömmlichen Heißwindkupolofens.Figure 4 shows the temperature and energy profile in different zones of a conventional hot-wind cupola.

Die Kurve 27 entspricht der von der Ofensohle bis zur Gicht kumu­lierten, minimal benötigten Energie. Die Kurve 27 entspricht der Kurve 22 in Figur 3 im Bereich der Vorwärmung. Im unteren Bereich des Kupolofens werden 90 Thermien (1 Thermie = 4,20 Megajoule) benötigt, um CO₂ zu CO zu reduzieren. Der Gastemperaturverlauf ist mit 25 bezeichnet, die Eisentemperatur mit 26.The curve 27 corresponds to the minimally required energy accumulated from the furnace sole to the gout. Curve 27 corresponds to curve 22 in FIG. 3 in the area of the preheating. In the lower area of the cupola furnace, 90 thermies (1 thermie = 4.20 megajoules) are required to reduce CO₂ to CO. The gas temperature curve is designated 25, the iron temperature 26.

In Figur 3 finden sich die Zonen A und B und C aus Figur 1 wieder:
- Im Bereich der Zone A wird das Flüssigeisen überhitzt. Der Energie­bedarf beträgt im Ausführungsbeispiel 80 Thermien.
- In der Zone B liegt der Schmelzbereich und der Beginn der Über­hitzung. Der Energiebedarf für den neuen Schachtofen beträgt im Ausführungsbeispiel 120 Thermien. Für herkömmliche Kupolöfen müssen dagegen zusätzlich beim gewählten Beispiel 90 Thermien für die endotherme Reaktion des CO₂ zu CO aufgewandt werden. Das bedeutet eine gesamte Energiemenge von 210 Thermien in herkömmlichen Öfen.
- In der Zone C findet das Vorwärmen der Charge statt. Dort ist der Energiebedarf 280 Thermien sowohl bei einem herkömmlichen Ofen als auch bei dem erfindungsgemäßen Schachtofen.3 shows zones A and B and C from FIG. 1:
- In zone A, the molten iron is overheated. The energy requirement in the exemplary embodiment is 80 thermals.
- In zone B is the melting range and the start of overheating. In the exemplary embodiment, the energy requirement for the new shaft furnace is 120 thermals. For conventional cupola furnaces, on the other hand, in the example chosen, 90 thermals must also be used for the endothermic reaction of CO₂ to CO. That means a total of 210 thermal energy sources in conventional ovens.
- In zone C, the batch is preheated. There, the energy requirement is 280 thermals both in a conventional furnace and in the shaft furnace according to the invention.

Figur 5 zeigt in einer anderen Darstellung den Temperaturverlauf und Energieverlauf für beide Öfen.Figure 5 shows another representation of the temperature profile and energy profile for both furnaces.

Die Dreiecke M, N, 0, P für den erfindungsgemäßen Schachtofen und M, N, 01, P1 für den herkömmlichen Kupolofen symbolisieren den gesamten Energiebedarf je Tonne Flüssigeisen in jeder einzelnen Zone der beiden Öfen. Hierin sind auch die Wandverluste enthalten.The triangles M, N, 0, P for the shaft furnace according to the invention and M, N, 01, P1 for the conventional cupola furnace symbolize the total energy requirement per ton of liquid iron in each individual zone of the two furnaces. This also includes the wall losses.

Es ergibt sich, daß der Energiebedarf des herkömmlichen Kupolofens hoher ist (600 Thermien gegen 510 Thermien, d. h. 15 %) als bei einem erfindungsgemäßen Schachtofen. Der erfindungsgemäße Schachtofen hat einen dementsprechend besseren Wirkungsgrad.The result is that the energy requirement of the conventional cupola furnace is higher (600 thermies versus 510 thermies, i.e. 15%) than with a shaft furnace according to the invention. The shaft furnace according to the invention has a correspondingly better efficiency.

In obiger Rechnung ergeben sich die 90 Thermien, die für die Reduktion von CO₂ aufgewandt wurden, wie folgt:In the above calculation, the 90 thermies that were used to reduce CO₂ are as follows:

Von 100 kg Kohlenstoff, die dem Kupolofen zugeführt werden, werden etwa 70 kg im unteren Bereich verbrannt unter Erzeugung eines Gases von etwa 17 % CO₂. Dieses CO₂ wird in der Zone B reduziert und wandelt sich zu einem Gas mit ungefähr 12 % CO₂. Die Reduktion verbraucht jedoch etwa 30 kg Kohlenstoff und etwa 90 Thermien thermische Energie.Of 100 kg of carbon, which are fed to the cupola furnace, about 70 kg are burned in the lower region to produce a gas of about 17% CO₂. This CO₂ is reduced in zone B and converts to a gas with approximately 12% CO₂. However, the reduction consumes about 30 kg of carbon and about 90 thermal thermal energy.

Dieser Verlust entsteht in jedem Kupolofen in mehr oder weniger bedeutendem Umfang.This loss occurs to a greater or lesser extent in each cupola furnace.

Die Darstellung nach Figur 6 hebt einen weiteren sehr wichtigen Vorteil des neuen Ofens heraus. Während im herkömmlichen Kupolofen die verflüssigten Metalltropfen im unteren Ofenbereich eine CO₂-reiche, d. h. oxydierende Zone durchlaufen, ist die entsprechende Zone in dem neuen Ofen in diesem heißesten Bereich besonders reich an CO:
- In einer ersten Zone der Windform A wird ein Teil des Kokses verbrannt unter Zugabe einer geringen Windmenge bei hoher Tempe­ratur. Auf diesem Wege wird genügend Energie frei, um das bereits verflüssigte Metall zu überhitzen. Es entsteht eine sehr CO-reiche Athmosphäre mit wenig Neigung zur Oxydation.
- In einer zweiten Zone der Windform B wird eine ergänzende Windmenge zugeführt. Der Wind ist nicht oder nur gering erwärmt. Auf diese Weise wird genügend Schmelzenergie durch Verbrennung eines Teils des Kokses sowie einer Teilmenge des CO frei, welches in der unteren Zone A gebildet wurde.
- Schließlich wird Wind in einer dritten separaten Zone zugegeben. Dies geschieht über eine ausreichende Anzahl von Windformen, die spiralförmig im oberen Schachtbereich des Ofens angeordnet sind. Diese Luft ist erforderlich, um das in den unteren Schichten gebildete CO zu verbrennen. Die durch diese Verbrennung frei gewordene Energie ermöglicht das Aufheizen der metallischen Charge bis an Temperaturen im Bereich des Schmelzpunktes.The illustration according to FIG. 6 highlights another very important advantage of the new furnace. While in the conventional cupola furnace the liquefied metal drops pass through a CO₂-rich, ie oxidizing zone in the lower furnace area, the corresponding zone in the new furnace is particularly rich in CO in this hottest area:
- In a first zone of wind form A, part of the coke is burned with the addition of a small amount of wind at high temperature. In this way enough energy is released to overheat the already liquefied metal. The result is a very CO-rich atmosphere with little tendency to oxidize.
- In a second zone of wind form B, an additional amount of wind is supplied. The wind is not or only slightly warmed. In this way, enough melting energy is released by burning part of the coke and part of the CO that was formed in the lower zone A.
- Finally, wind is added in a third separate zone. This is done via a sufficient number of wind forms, which are arranged spirally in the upper shaft area of the furnace. This air is required to burn the CO formed in the lower layers. The energy released by this combustion enables the metallic batch to be heated up to temperatures in the region of the melting point.

Claims (7)

1. Schachtofen, in dem metallischer Einsatz unter Zugabe von schlacke­bildenden Zuschlagstoffen und Koks geschmolzen wird, wobei Wind in mehreren Ebenen eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich (A) eine zur unterstöchiometrischen Verbrennung von Koks führende Windmenge eingeblasen wird, im mittleren Bereich (B) eine ergänzende Windmenge und in einem oberen Bereich (C) eine zur Verbrennung noch vorhandenen CO ausreichende Windmenge zugegeben wird, wobei der mittlere Bereich in der Schmelzzone liegt und der obere Bereich zur Vorwärmung der Charge vorgesehen ist.1. Shaft furnace in which metallic insert is melted with the addition of slag-forming additives and coke, wind being blown in at several levels, characterized in that a wind quantity leading to the substoichiometric combustion of coke is blown in in the middle region (B) a supplementary amount of wind and in an upper area (C) a sufficient amount of wind for combustion is added, the middle area being in the melting zone and the upper area being provided for preheating the batch. 2. Schachtofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (B) vom unteren Bereich (A) einen Abstand von 300 bis 700 mm besitzt, der obere Bereich (C) vom mittleren Bereich (B) einen Abstand von 500 bis 2 500 mm besitzt und der obere Be­reich (C) sich unter spiralförmiger Anordnung der Winddüsen über eine Schachthöhe von 1 500 bis 2 500 mm erstreckt.2. shaft furnace according to claim 1, characterized in that the central region (B) from the lower region (A) has a distance of 300 to 700 mm, the upper region (C) from the central region (B) a distance of 500 to 2 500 mm and the upper area (C) extends with a spiral arrangement of the wind vents over a shaft height of 1,500 to 2,500 mm. 3. Schachtofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Ebene (A) zugegebene Windmenge 40 bis 60 % der Gesamtwind­menge,
die in dem mittleren Bereich (B) zugegebene Windmenge 20 bis 50 % der Gesamtwindmenge,
die im oberen Bereich (C) zugegebene Windmenge 20 bis 35 % der Gesamtwindmenge beträgt.3. shaft furnace according to claim 1 or 2, characterized in that the amount of wind added in the plane (A) 40 to 60% of the total amount of wind,
the amount of wind added in the middle area (B) 20 to 50% of the total amount of wind,
the amount of wind added in the upper area (C) is 20 to 35% of the total amount of wind. 4. Schachtofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißwind für den unteren Bereich (A) auf eine Temperatur von 700 bis 1 200 °C erwarmt ist.4. shaft furnace according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the hot wind for the lower region (A) is heated to a temperature of 700 to 1 200 ° C. 5. Schachtofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für den mittleren Bereich (B) vorgesehene Windtemperatur bis 600 °C aufweist.5. shaft furnace according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the wind temperature provided for the central region (B) has up to 600 ° C. 6. Schachtofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich (C) Kaltwind zugeführt wird.6. shaft furnace according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that cold wind is supplied in the area (C). 7. Schachtofen nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Windleitung ein oder mehrere Wärmetauscher als Überhitzer vorgesehen sind, die gas- und/oder ölbefeuert und/oder elektrisch beheizt sind oder mit Kupolofengas befeuert werden.7. shaft furnace according to claim 4 or 5, characterized in that one or more heat exchangers are provided as superheaters in the wind pipe, which are gas and / or oil-fired and / or electrically heated or are fired with cupola gas.
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