EP3114242B1 - Verfahren zum betreiben eines schachtofens, insbesondere eines hochofens - Google Patents

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EP3114242B1
EP3114242B1 EP15711666.6A EP15711666A EP3114242B1 EP 3114242 B1 EP3114242 B1 EP 3114242B1 EP 15711666 A EP15711666 A EP 15711666A EP 3114242 B1 EP3114242 B1 EP 3114242B1
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EP
European Patent Office
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furnace
gas
pressure
valve
shaft
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Martin Kannappel
Rainer Klock
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B7/00—Blast furnaces
    • C21B7/16—Tuyéres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge
    • F27D2003/162—Introducing a fluid jet or current into the charge the fluid being an oxidant or a fuel
    • F27D2003/163—Introducing a fluid jet or current into the charge the fluid being an oxidant or a fuel the fluid being an oxidant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • F27D2003/162—Introducing a fluid jet or current into the charge the fluid being an oxidant or a fuel
    • F27D2003/163—Introducing a fluid jet or current into the charge the fluid being an oxidant or a fuel the fluid being an oxidant
    • F27D2003/164—Oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a shaft furnace, in particular a blast furnace, at least one gas being introduced into the furnace.
  • a shaft furnace is a furnace whose basic geometric shape is "shaft-shaped".
  • the height of shaft furnaces typically exceeds their width and depth many times over.
  • the basic shape of a shaft furnace often corresponds to a hollow cylinder, a hollow cone or a combination of both.
  • Combustion, reduction and melting processes usually take place in a shaft furnace, with the resulting gases rising upwards in the furnace.
  • Shaft furnaces are either used for heating or serve as a metallurgical plant for the production of pure metals from ores, for the further processing of the metals or for the production of other materials.
  • a special type of shaft furnace is a blast furnace, with which ores can be used to produce molten metal, mostly pig iron, in a continuous reduction and melting process.
  • blast furnaces place special demands on the construction of the furnace and in particular on its internal lining and cooling due to the specific requirements for smelting ores.
  • Blast furnaces are mostly used as part of a complete integrated steelworks.
  • a blast furnace system includes, for example, transport facilities for filling ("feeding") the blast furnace with feedstocks (e.g. iron ore and additives) and with reducing agents or energy sources (e.g. coke) as well as facilities for removing or discharging the blast furnace resulting substances (e.g. pig iron, slag, exhaust gases).
  • feedstocks e.g. iron ore and additives
  • reducing agents or energy sources e.g. coke
  • gases are introduced into the furnace from the outside in order to enable or influence the reactions taking place in the furnace.
  • the gases can be, for example, air or pure oxygen.
  • Devices for blowing in the gases often comprise ring lines running around the furnace with a plurality of blow molds or nozzles leading into the furnace interior and additionally with lances leading into the furnace interior.
  • a method for the thermal treatment of raw materials and a device for carrying out this method are known.
  • the device described is a cupola furnace.
  • Cupola furnaces are also shaft furnaces in which metals can be melted.
  • cupola furnaces are mostly used to produce cast iron from pig iron and scrap, and accordingly differ in the mode of operation and design of blast furnaces.
  • the in the DE 101 17 962 B4 The solution shown has the disadvantage of a complex construction with several separate ring lines.
  • This shaft furnace can be a cupola furnace or a blast furnace.
  • a treatment gas for example oxygen
  • the injected gas should be modulated in a pulsation-like manner. This means that, starting from a low base pressure, the pressure of the injected gas is briefly increased at intervals. This procedure is intended to achieve better gasification of the furnace.
  • document DE2149057A discloses a method with supersonic gas injection to improve the mixing and combustion of the particles in the blast furnace.
  • the object of the invention is therefore to design the injection of gases into the furnace in such a way that the reaction processes in the furnace are accelerated, in particular up to the area of the "dead man”.
  • shock waves are introduced into the furnace, as specified in the patent claims.
  • a shock wave is a gas dynamic phenomenon in which a compression shock forms the front of a compression wave.
  • the gradients of the state variables pressure and temperature on the wavefront are so large that considerable molecular transport processes take place.
  • the molecular transport processes are irreversible, i.e. the entropy of the gas captured by the wave increases. An unsteady state jump is assumed since the molecular transport processes are limited to a few free path lengths.
  • a shock wave propagates at a rate of propagation that is greater than the speed of sound of the medium in front of the shock wave. Effects such as dissociation, electron excitation and ionization increasingly occur with strong shock waves with high shock mach numbers.
  • Shock waves can make a significant contribution to achieving the thermodynamic or thermal conditions that are necessary for the course of a chemical or physico-chemical reaction. In this way, even the activation energies for reactions in the furnace with inert carbon phases, for example, phases with a high degree of graphitization, or for the auto-ignition of flammable mixtures.
  • Compression shocks or shock waves massively influence and intensify the local form of turbulence. This has a positive influence on the formation of reactive mixtures and the necessary mass transport for the respective chemical reactions in the shaft furnaces. This is particularly important for the heterogeneous gas-solid-state reactions taking place or the mass transfer between solid and gas phase.
  • the diffraction and reflection behavior of shock waves within the particles can result in high pressures and temperatures, even pressure and temperature gradients.
  • the stresses that occur can destroy layers near the surface or the entire particle. This process provides the chemical reactions with a larger effective reaction surface.
  • Examples are coke particles, the outer layers of which have a high ash content or are covered with slag due to the reactions that have taken place beforehand, and blown-in fine coal and their partially pyrolyzed residues (e.g. Char).
  • the reaction kinetics is also improved if a gas (“treatment gas") that is necessary for the chemical reactions (e.g. oxygen or another reaction gas) is used as the gas for generating the shock wave ("propellant gas").
  • treatment gas e.g. oxygen or another reaction gas
  • shock waves interact with small particles, their dispersion in the gas phase is significantly improved and their chemical conversion is thus accelerated. This applies especially to the blowing in of feedstocks with mostly fine particle sizes. This is of particular importance if their pneumatic conveying after the Dense current principle takes place.
  • the blowing of fine coal in shaft furnaces or blast furnaces can be mentioned here as an example.
  • the reactions can be accelerated or intensified by introducing shock waves into a shaft furnace.
  • Shock waves can e.g. caused by detonations, lightning strikes or flying projectiles.
  • Shock channels or shock tubes are used to generate shock waves for scientific purposes and other investigations.
  • the shock wave is generated here by exceeding the bursting pressure of a membrane which separates the high-pressure part, the propellant gas chamber, from the low-pressure part.
  • the bursting of the membrane ensures the abrupt increase in pressure, which is necessary for the generation of shock waves.
  • the shock waves are triggered by opening a reclosable valve.
  • this type of generating the shock waves has the advantage that any number of shock waves can be generated in rapid succession without a component having to be exchanged or replaced.
  • a shock wave can only develop on extremely fast opening valves, which release the entire line cross section in a very short time.
  • a propellant gas for the shock wave to operate a shaft furnace, i.e. to use any gas required for the reaction processes (e.g. oxygen).
  • the valve is opened, preferably completely opened, in less than 6 ms, in particular in less than 4 ms.
  • An opening of the valve which lasts only a few milliseconds, ensures an abrupt increase in pressure, which is necessary for the generation of shock waves.
  • Sliding gate valves have proven to be particularly suitable due to their fast opening times. The valve is opening too slowly would, on the other hand, lead to the fact that no shock wave can be generated by the resulting pressure compensation.
  • valve is controlled pneumatically.
  • the valves with very fast opening times required for the invention require a drive operating at high speeds and a control which corresponds to these requirements.
  • a pneumatic drive has proven to be particularly advantageous.
  • Alternative drive types that meet these requirements can also be used (e.g. an electric motor, especially a servo motor).
  • a pressure receiver in particular a pressure vessel, with a gas pressure of at least 10 bar, in particular at least 20 bar, be used to generate the shock waves.
  • the furnace pressure or the wind pressure of the shaft furnaces can only be slightly above atmospheric pressure (i.e. 0.2 bar to 1 bar). Depending on the type of shaft furnace and its mode of operation, higher wind pressures between 1 bar and 5 bar are usually required. Since very large pressure differences are required to generate shock waves, a pressure vessel with an internal pressure of the stated height is preferably provided.
  • Another teaching of the invention provides that a treatment gas required for the reaction processes in the furnace is used as the gas for generating the shock waves.
  • the propellant gas required for generating the shock wave is at the same time a treatment gas or a gas required for the reaction processes in the shaft furnace.
  • the valve can remain open longer than is necessary solely for generating a shock wave.
  • valve be kept open for a period in the range between 0.05 s and 0.7 s.
  • the amount of treatment gas that is fed to the shaft furnace results.
  • a corresponding adjustment is made depending on the treatment gas, the type of shaft furnace and its mode of operation.
  • the generation of shock waves or the intermittent introduction of the gas into the furnace does not preclude the simultaneous introduction of the same or a different gas into the furnace.
  • the furnace is supplied with a continuous "basic flow” (e.g. an oxygen basic flow) with generated shock waves or with intermittently higher gas volume flows.
  • This basic flow can also be used, for example, to set the amount of treatment gas fed to the furnace.
  • the necessary cooling effect for the lances or the discharge point can be guaranteed continuously.
  • a gas with an oxidizing effect in particular oxygen
  • the gas used can be carbon dioxide, air or another gas, in particular oxygen. Reducing conditions or reducing gases are required in shaft furnace processes or in certain reaction zones. For example, carbon monoxide or hydrogen are possible as treatment gases. Gas mixtures with a reducing effect and mixtures and gases which achieve a reducing effect after a further intermediate reaction can also be used.
  • FIG. 1 a schematic structure of a plant for performing the method according to the invention is shown.
  • a furnace 1 designed as a blast furnace has around its circumference several lances 2, with which the introduction of shock waves or the introduction of a treatment gas from the outside into the furnace 1 is realized.
  • the lances 2 are ideally inserted into the blow molds or wind molds of the furnace 1.
  • suitable inlet openings can be made at these points.
  • a separate installation 3 for generating the shock waves or for introducing the treatment gas can be connected to each lance 2 or discharge point.
  • a system 3 can supply several lances 2 or several discharge points. It is also possible to supply all lances 2 or discharge points with the same system 3 with a ring line around the circumference of the furnace 1. It should be noted that the generation of the shock waves and the introduction into the furnace 1 do not take place far apart since the intensity of the shock waves decreases with the distance covered.
  • the system 3 is connected to a supply line 8, which ensures that the system 3 is supplied with the required amount of gas and the required gas pressure.
  • the gas pressure of the pressure template here embodied as a pressure vessel 6 with associated pipeline, can be, for example, 10 bar, in particular at least 20 bar or higher.
  • a quick-opening valve 9 In particular, in order to represent the necessary amount of propellant gas, the valve 9 is ideally preceded by the pressure vessel 6, which is preferably provided with a defined pressure by regulation.
  • a pressure regulator 7 can be provided either in a supply line 10 directly in front of the pressure vessel 6, in the supply line 8 or in a supply line of several such systems 3.
  • the system 3 can also be equipped with a control path 5 located in a bypass line 11 for the additional continuous introduction of treatment gas.
  • the required gas volume flow is set by a control valve.
  • a control valve for the continuous gas flow - unlike in Fig. 1 shown - a gas other than that used to generate the shock waves. In this case an additional supply line is required.
  • the system 3 is connected to a suitable line 4 and the lances 2 or discharge points in such a way that both the shock waves generated or the intermittent gas flow and the continuous gas flow can be introduced into the furnace 1.
  • the system 3 is also equipped with an electronic control 12. If several systems 3 are used, for example if each lance 2 or discharge point is equipped with its own system 3, an additional higher-level control system is ideally used.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, wobei wenigstens ein Gas in den Ofen eingeleitet wird.
  • Bei einem Schachtofen handelt es sich um einen Ofen, dessen geometrische Grundform "schachtförmig" ist. Typischerweise übertrifft die Höhe von Schachtöfen ihre Breite und ihre Tiefe um ein Vielfaches. Die Grundform eines Schachtofens entspricht oftmals einem Hohlzylinder, einem Hohlkegel oder einer Kombination aus beiden Formen. In einem Schachtofen finden üblicherweise Verbrennungs-, Reduktions- und Schmelzprozesse statt, wobei die entstanden Gase in dem Ofen nach oben aufsteigen. Schachtöfen werden entweder zum Heizen genutzt oder dienen als metallurgische Anlage zur Erzeugung reiner Metalle aus Erzen, zur Weiterverarbeitung der Metalle oder zur Herstellung anderer Werkstoffe.
  • Eine Sonderform von Schachtöfen sind Hochöfen, mit denen aus Erzen in einem kontinuierlichen Reduktions- und Schmelzprozess flüssiges Metall, zumeist Roheisen erzeugt werden kann. Hochöfen stellen im Vergleich zu gewöhnlichen Schachtöfen aufgrund der spezifischen Anforderungen an die Verhüttung von Erzen besondere Anforderungen an die Konstruktionsweise des Ofens und insbesondere an seine innere Auskleidung und Kühlung.
  • Hochöfen werden meistens als Teil eines kompletten integrierten Hüttenwerks eingesetzt. Neben dem eigentlichen Ofen umfasst eine Hochofenanlage beispielsweise Transporteinrichtungen zur Befüllung ("Beschickung") des Hochofens mit Einsatzstoffen (z.B. Eisenerz und Zuschlagstoffe) und mit Reduktionsmitteln bzw. Energieträgern (z. B. Koks) sowie Einrichtungen zur Entnahme bzw. Ableitung der in dem Hochofen entstehenden Stoffe (z. B. Roheisen, Schlacke, Abgase).
  • In vielen Schachtöfen und insbesondere in Hochöfen werden Gase von außen in den Ofen eingeleitet, um die in dem Ofen stattfindenden Reaktionen zu ermöglichen bzw. zu beeinflussen. Bei den Gasen kann es sich beispielsweise um Luft oder um reinen Sauerstoff handeln. Vorrichtungen zum Einblasen der Gase umfassen häufig um den Ofen umlaufende Ringleitungen mit mehreren in das Ofeninnere führenden Blasformen bzw. Düsen und zusätzlich mit in das Ofeninnere führenden Lanzen.
  • Aus der DE 101 17 962 B4 ist beispielsweise ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Rohmaterialien und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Bei der beschriebenen Vorrichtung handelt es sich um einen Kupolofen. Kupolöfen sind ebenfalls Schachtöfen, in denen Metalle geschmolzen werden können. Im Unterschied zu Hochöfen dienen Kupolöfen zumeist der Herstellung von Gusseisen aus Roheisen und Schrott, sie unterscheiden sich dementsprechend in Betriebsweise und Bauform von Hochöfen.
  • In der DE 101 17 962 B4 wird vorgeschlagen, zusätzlich zu einer Lufteinblasung Gase mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt wechselweise in den Ofen einzuleiten. Bei diesen Gasen kann es sich um Luft sowie um reinen Sauerstoff handeln. Hierzu werden zwei separate Ringleitungen um den Ofen herumgeführt. Die erste Ringleitung ist stets mit Luft gefüllt, während die zweite Ringleitung wechselweise mit unterschiedlichen Gasen (z. B. Sauerstoff) gefüllt ist. Durch die gezielte Einleitung von Gasen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt sollen die Reaktionen und insbesondere die Temperaturen in dem Ofen gesteuert werden.
  • Die in der DE 101 17 962 B4 gezeigte Lösung hat den Nachteil einer aufwändigen Bauweise mit mehreren separaten Ringleitungen. Zudem ist die in der DE 101 17 962 B4 beschriebene Lösung auf Kupolöfen beschränkt.
  • Aus der EP 1 948 833 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens bekannt. Bei diesem Schachtofen kann es sich um einen Kupolofen oder um einen Hochofen handeln. Auch bei der in der EP 1 948 833 B1 beschriebenen Lösung wird vorgeschlagen, ein Behandlungsgas, beispielsweise Sauerstoff, in den Ofen einzublasen. Das eingeblasene Gas soll pulsationsartig moduliert werden. Dies bedeutet, dass ausgehend von einem geringen Basisdruck in zeitlichen Abständen der Druck des eingeblasenen Gases kurzzeitig erhöht wird. Durch diese Vorgehensweise soll eine bessere Durchgasung des Ofens erreicht werden.
  • Die in der EP 1 948 833 B1 beschriebene Lösung hat den Nachteil, dass außerhalb der "Raceway" keine bzw. nur geringe Reaktionsverbesserungen erzielt werden.
  • Dokument DE2149057A offenbart ein Verfahren mit Einleiten von Überschallgas, um das Mischen und die Verbrennung der Partikel im Hochofen zu verbessern.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Einblasung von Gasen in den Ofen derart auszugestalten, dass eine Beschleunigung der Reaktionsabläufe im Ofen erreicht wird, insbesondere bis in den Bereich des "Toten Mannes".
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Stoßwellen in den Ofen eingeleitet werden, wie in den Patentansprüchen angegeben.
  • Eine Stoßwelle ist ein gasdynamisches Phänomen, bei dem ein Verdichtungsstoß die Front einer Kompressionswelle bildet. An der Wellenfront sind die Gradienten der Zustandsgrößen Druck und Temperatur so groß, dass beträchtliche molekulare Transportvorgänge stattfinden. Die molekularen Transportvorgänge sind irreversibel, d.h. die Entropie des von der Welle erfassten Gases steigt. Es wird von einem unstetigen Zustandssprung ausgegangen, da die molekularen Transportvorgänge auf einige freie Weglängen beschränkt sind. Eine Stoßwelle breitet sich mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit aus, die größer als die Schallgeschwindigkeit des vor der Stoßwelle ruhenden Mediums ist. Bei starken Stoßwellen mit hohen Stoßmachzahlen treten zunehmend Effekte wie Dissoziation, Elektronenanregung und Ionisation auf.
  • Stoßwellen können einen erheblichen Beitrag zum Erreichen der thermodynamischen bzw. thermischen Bedingungen liefern, die für den Ablauf einer chemischen bzw. physikalisch-chemischen Reaktion notwendig sind. Auf diese Weise können sogar die Aktivierungsenergien für Reaktionen im Ofen mit reaktionsträgen Kohlenstoffphasen, beispielsweise Phasen mit hohem Graphitisierungsgrad, oder für die Selbstzündung von brennbaren Gemischen erreicht werden.
  • Verdichtungsstöße bzw. Stoßwellen beeinflussen und verstärken massiv die lokale Ausprägung von Turbulenzen. Dadurch werden die Bildung von reaktionsfähigen Gemischen sowie der notwendige Stofftransport für die jeweiligen chemischen Reaktionen in den Schachtöfen positiv beeinflusst. Von besonderer Bedeutung ist dies insbesondere für die stattfindenden heterogenen Gas-Festkörperreaktionen bzw. den Stofftransport zwischen Feststoff und Gasphase.
  • Bedingt durch die Oberflächenstruktur und die Porosität von Partikeln können durch das Beugungs- und Reflektionsverhalten von Stoßwellen innerhalb der Partikel hohe Drücke und Temperaturen, sogar Druck- und Temperaturgradienten, entstehen. In Abhängigkeit von der Partikelgröße bzw. Struktur und Festigkeit können durch die auftretenden Spannungen oberflächennahe Schichten oder der komplette Partikel zerstört werden. Durch diesen Vorgang steht den chemischen Reaktionen eine größere effektive Reaktionsoberfläche zur Verfügung.
  • Beispiele sind Kokspartikel, deren äußere Schichten aufgrund der im Vorfeld stattgefundenen Reaktionen einen hohen Ascheanteil aufweisen oder von Schlacke bedeckt sind und eingeblasene Feinkohlen sowie deren teilpyrolisierten Rückstände (z.B. Char). Die Reaktionskinetik wird darüber hinaus verbessert, wenn als Gas für die Erzeugung der Stoßwelle ("Treibgas") ein für die chemischen Reaktionen ohnehin notwendiges Gas ("Behandlungsgas") verwendet wird (z.B. Sauerstoff oder ein anderes Reaktionsgas).
  • Bei der Interaktion von Stoßwellen mit kleinen Partikeln wird deren Dispersion in der Gasphase deutlich verbessert und deren chemische Umsetzung somit beschleunigt. Speziell gilt dies für das Einblasen von Einsatzstoffen mit zumeist feinen Partikelgrößen. Dies ist von besonderer Bedeutung wenn deren pneumatische Förderung nach dem Dichtstromprinzip erfolgt. Beispielhaft kann hier das Einblasen von Feinkohlen in Schachtöfen bzw. Hochöfen genannt werden.
  • Zusammengefasst können durch die Einleitung von Stoßwellen in einen Schachtofen die Reaktionen beschleunigt bzw. intensiviert werden.
  • Stoßwellen können z.B. durch Detonationen, Blitzschläge oder fliegende Projektile hervorgerufen werden. Für die Erzeugung von Stoßwellen zu wissenschaftlichen Zwecken und anderen Untersuchungen werden Stoßkanäle bzw. Stoßrohre genutzt. Die Erzeugung der Stoßwelle erfolgt hier durch das Überschreiten des Berstdruckes einer Membran, welche den Hochdruckteil, die Treibgaskammer, vom Niederdruckteil trennt. Das Bersten der Membran gewährleistet den abrupten Druckanstieg, der für die Erzeugung von Stoßwellen notwendig ist.
  • Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stoßwellen durch Öffnen eines wieder verschließbaren Ventils ausgelöst werden. Diese Art der Erzeugung der Stoßwellen hat im Gegensatz zu einer platzenden Membran den Vorteil, dass beliebig viele Stoßwellen in schneller Folge erzeugt werden können, ohne dass hierzu ein Bauteil ausgetauscht bzw. ersetzt werden muss. Eine Stoßwelle kann sich jedoch nur an extrem schnell öffnenden Ventilen ausbilden, die in sehr kurzer Zeit den gesamten Leitungsquerschnitt freigeben. Es ist besonders voreilhaft, als Treibgas für die Stoßwelle ein für den Betrieb eines Schachtofens, d.h. für die Reaktionsabläufe ohnehin benötigtes Gas zu verwenden (z.B. Sauerstoff).
  • Nach der Erfindung wird daher weiter vorgeschlagen, dass das Ventil in weniger als 6 ms, insbesondere in weniger als 4 ms, geöffnet wird, vorzugsweise vollständig geöffnet wird. Durch eine Öffnung des Ventils, die nur wenige Millisekunden dauert, wird ein abrupter Druckanstieg gewährleistet, der für die Erzeugung von Stoßwellen notwendig ist. Als besonders geeignet haben sich aufgrund ihrer schnellen Öffnungszeiten Gleitschieberventile erwiesen. Eine zu langsame Öffnung des Ventils würde demgegenüber dazu führen, dass durch den entstehenden Druckausgleich keine Stoßwelle erzeugt werden kann.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ventil pneumatisch gesteuert wird. Die für die Erfindung notwendigen Ventile mit sehr schnellen Öffnungszeiten benötigen einen mit hohen Geschwindigkeiten arbeitenden Antrieb sowie eine Ansteuerung, die diesen Anforderungen entspricht. Ein pneumatischer Antrieb hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Alternative Antriebsarten die diese Anforderungen erfüllen können ebenso eingesetzt werden (z.B. ein Elektromotor, insbesondere ein Servomotor).
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Erzeugung der Stoßwellen eine Druckvorlage, insbesondere ein Druckbehälter, mit einem Gasdruck von wenigstens 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar, verwendet wird. Der Ofendruck bzw. der Winddruck der Schachtöfen kann nur geringfügig über dem Atmosphärendruck liegen (d.h. 0,2 bar bis 1 bar). Abhängig von der Art des Schachtofens bzw. dessen Betriebsweise werden zumeist höhere Winddrücke zwischen 1 bar und 5 bar benötigt. Da zur Erzeugung von Stoßwellen sehr große Druckdifferenzen erforderlich sind, wird vorzugsweise ein Druckbehälter mit einem Innendruck in der genannten Höhe bereitgestellt.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass als Gas zur Erzeugung der Stoßwellen ein für die Reaktionsabläufe im Ofen benötigtes Behandlungsgas eingesetzt wird. Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, dass das für die Erzeugung der Stoßwelle notwendige Treibgas gleichzeitig ein Behandlungsgas bzw. ein für die Reaktionsabläufe im Schachtofen benötigtes Gas ist. Das Ventil kann infolgedessen länger geöffnet bleiben als dies ausschließlich für die Erzeugung einer Stoßwelle notwendig ist.
  • In weiterer Ausbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Ventil für einen Zeitraum im Bereich zwischen 0,05 s und 0,7 s offen gehalten wird. Über die Anzahl der Ventilspiele und die Länge des Zeitraums in dem das Ventil geöffnet ist ergibt sich die Menge an Behandlungsgas, die dem Schachtofen zugeführt wird. Je nach Behandlungsgas, der Art des Schachtofens und dessen betriebsweise erfolgt eine entsprechende Anpassung.
  • Die Erzeugung von Stoßwellen bzw. die intermittierende Einleitung des Gases in den Ofen schließt nicht aus, dass gleichzeitig eine kontinuierliche Einleitung des gleichen oder eines anderen Gases in den Ofen stattfindet. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass dem Ofen ein kontinuierlicher "Grundstrom" (z.B. ein Sauerstoffgrundstrom) mit erzeugten Stoßwellen bzw. mit intermittierend höheren Gasvolumenströmen zugeführt wird. Mit diesem Grundstrom kann zudem beispielsweise die dem Ofen zugeführte Menge an Behandlungsgas eingestellt werden. Zudem kann so kontinuierlich die notwendige Kühlwirkung für die Lanzen bzw. die Einleitungsstelle gewährleistet werden.
  • Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Gas ein Gas mit oxidierender Wirkung, insbesondere Sauerstoff eingesetzt wird. Das eigesetzte Gas kann Kohlenstoffdioxid, Luft oder auch ein anderes Gas, insbesondere Sauerstoff, sein. In Schachtofenprozessen bzw. in bestimmten Reaktionszonen werden reduzierende Bedingungen bzw. reduzierende Gase benötigt. Als Behandlungsgase sind hier beispielsweise Kohlenmonoxid oder Wasserstoff möglich. Gasgemische mit reduzierender Wirkung sowie Gemische und Gase, die nach einer weiteren Zwischenreaktion reduzierende Wirkung erzielen, können auch eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1:
    den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein als Hochofen ausgeführter Ofen 1 weist um seinen Umfang herum mehrere Lanzen 2 auf, mit denen die Einleitung von Stoßwellen bzw. die Einleitung eines Behandlungsgases von außen in den Ofen 1 realisiert wird. Idealerweise werden die Lanzen 2 in die Blasformen bzw. Windformen des Ofens 1 eingesetzt. Um andere Reaktionszonen eines Schachtofens oder eines Hochofens zu beeinflussen bzw. zu optimieren, können an diesen Stellen geeignete Einleitungsöffnungen angebracht werden.
  • An jede Lanze 2 bzw. Einleitungsstelle kann eine eigene Anlage 3 für die Erzeugung der Stoßwellen bzw. für die Einleitung des Behandlungsgases angeschlossen sein. Je nach Menge des benötigten Behandlungsgases, der Stoßwellenintensität und der Größe bzw. des Umfangs des Ofens kann eine Anlage 3 mehrere Lanzen 2 bzw. mehrere Einleitungsstellen versorgen. So ist es auch möglich, mit einer Ringleitung um den Umfang des Ofens 1 alle Lanzen 2 bzw. Einleitungsstellen mit derselben Anlage 3 zu versorgen. Es ist zu beachten, dass die Erzeugung der Stoßwellen und die Einleitung in den Ofen 1 nicht weit voneinander entfernt stattfinden, da die Intensität der Stoßwellen mit dem zurückgelegten Weg abnimmt.
  • Die Anlage 3 ist an eine Versorgungsleitung 8 angeschlossen, welche sicherstellt, dass die Anlage 3 mit der benötigten Menge an Gas und dem benötigten Gasdruck versorgt wird. Der Gasdruck der Druckvorlage, hier ausgeführt als Druckbehälter 6 mit zugehöriger Rohrleitung, kann beispielsweise 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar oder höher betragen.
  • Die Erzeugung von Stoßwellen bzw. die intermittierende Einleitung des Gases wird durch ein schnell öffnendes Ventil 9 ermöglicht. Insbesondere um die notwendige Treibgasmenge darzustellen ist dem Ventil 9 idealerweise der Druckbehälter 6 - welcher möglichst durch eine Regelung mit einem definierten Druck bespannt wird - vorgeschaltet. Hierzu kann ein Druckregler 7 entweder in einer Zuleitung 10 direkt vor dem Druckbehälter 6, in der Versorgungsleitung 8 oder in einer Versorgungsleitung von mehren solchen Anlagen 3 vorgesehen sein.
  • Die Anlage 3 kann zudem mit einer in einer Bypassleitung 11 befindlichen Regelstrecke 5 zur zusätzlichen kontinuierlichen Einleitung von Behandlungsgas ausgestattet sein. Der benötigte Gasvolumenstrom wird durch eine Regelarmatur eingestellt. Alternativ kann für den kontinuierlichen Gasstrom - anders als in Fig. 1 dargestellt - ein anderes Gas als für die Erzeugung der Stoßwellen benutzt werden. In diesen Fall wird eine zusätzliche Zuleitung benötigt.
  • Die Anlage 3 ist mit einer geeigneten Leitung 4 und den Lanzen 2 bzw. Einleitungsstellen derart verbunden, dass sowohl die erzeugten Stoßwellen bzw. der intermittierende Gasstrom als auch der kontinuierliche Gasstrom in den Ofen 1 eingeleitet werden können.
  • Die Anlage 3 ist zudem mit einer elektronischen Steuerung 12 ausgerüstet. Bei der Verwendung von mehreren Anlagen 3, beispielsweise wenn jede Lanze 2 bzw. Einleitungsstelle mit einer eigenen Anlage 3 ausgerüstet ist, wird idealerweise eine zusätzliche übergeordnete Steuerung verwendet.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1:
    Ofen
    2:
    Lanze
    3:
    Anlage
    4:
    Leitung
    5:
    Regelstrecke
    6:
    Druckbehälter
    7:
    Druckregler
    8:
    Versorgungsleitung
    9:
    Ventil
    10:
    Zuleitung
    11:
    Bypassleitung
    12:
    Steuerung

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, wobei wenigstens ein Gas in den Ofen (1) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Stoßwellen in den Ofen (1) eingeleitet werden, wobei sich die Stoßwellen mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit ausbreiten, die größer als die Schallgeschwindigkeit in dem vor der Stoßwelle ruhenden Medium ist, wobei die Stoßwellen durch Öffnen eines wieder verschließbaren Ventils (9) ausgelöst werden und das Ventil (9) in weniger als 6 ms, insbesondere in weniger als 4 ms, geöffnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schachtofen ein Hochofen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) pneumatisch gesteuert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Stoßwellen eine Druckvorlage, insbesondere ein Druckbehälter (6), mit einem Gasdruck von wenigstens 10 bar, insbesondere wenigstens 20 bar, verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckvorlage ein Druckbehälter (6) ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas zur Erzeugung der Stoßwellen ein für die Reaktionsabläufe im Ofen (1) benötigtes Behandlungsgas eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) für einen Zeitraum im Bereich zwischen 0,05 s und 0,7 s offen gehalten wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas ein Gas mit oxidierender Wirkung, insbesondere Sauerstoff, eingesetzt wird.
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