EP4341613A1

EP4341613A1 - Kameramodul für einen brenner

Info

Publication number: EP4341613A1
Application number: EP22719827.2A
Authority: EP
Inventors: Björn Klumbies; Günter Gesche; Rodrigo TORRES
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2024-03-27
Anticipated expiration: 2042-03-30
Also published as: CN117321338A; DE102021204973A1; US20240210032A1; WO2022242946A1; EP4341613C0; PL4341613T3; EP4341613B1; ES3002728T3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kameramodul (10) zur Verwendung mit einem Brenner (1) für einen Schachtschmelzofen, insbesondere einen Kupferschachtschmelzofen, wobei das Kameramodul (10) an dem Brenner (1) oder einer Beobachtungseinrichtung (9) des Brenners (1) angeordnet ist, umfassend ein Gehäuse (101) mit einer ersten Öffnung (104) und einer der ersten Öffnung (104) axial gegenüberliegend angeordneten zweiten Öffnung (105), die mit einem Schauglas (106) verschlossen ist; einen Strahlteiler (108), der in einer sich zwischen den beiden Öffnungen (104, 105) durch das Gehäuse (101) axial erstreckenden optischen Sichtachse (109) angeordnet ist; sowie eine Kamera (112), deren Objektiv (113) senkrecht zur Sichtachse (109) angeordnet und auf den Strahlteiler (108) ausgerichtet ist, sowie einen Brenner (1).

Description

Kameramodul für einen Brenner

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kameramodul zur Verwendung mit einem Brenner, einen Brenner für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen, sowie ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brenners.

Ob in der Elektrotechnik und Elektronik, in der Heizungs- und Klimatechnik oder in der Automobilindustrie - der Einsatz von Kupfer- und Kupferlegierungen ist aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken, wodurch die weltweite Nachfrage an diesem Edelmetall stetig steigt. Der weltweiten Nachfrage stehen jedoch gestiegene Sicherheits- und Umweltanforderungen an die Produktion gegenüber. Hierzu sind u.a. leistungsstarke Brenner mit einer automatischen Überwachung des Flammraums unverzichtbar.

Brenner für einen Schachtschmelzofen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So offenbart beispielsweise die WO 90/02909 einen gattungsgemäßen Brenner mit einer konisch ausgebildeten ersten Kammer, einer sich daran anschließenden Mischkammer sowie einem teleskopierbaren Okular, welches sich axial durch den Brenner erstreckt. Der aus der WO 90/02909 bekannte Brenner weist eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung und eine gleichmäßige Flammenzusammensetzung auf, genügt jedoch zum einen nicht den heutigen, gestiegenen Umweltanforderungen an und ermöglicht zum anderen keine permanente, insbesondere automatische Flammenüberwachung.

Aus der chinesischen Offenlegungsschrift CN106545858 A ist zudem ein Brenner mit einer zylinderförmig ausgebildeten ersten Kammer bekannt, die an ihrem zum Brennraum gegenüberliegend angeordneten Ende eine hinter einer Glasscheibe angeordnete Kamera umfasst. Die Kamera ist hierbei mit einem Monitor verbunden, über den ein Bediener den Prozess aus der Ferne beobachten kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Brenner bereitzustellen, insbesondere einen Brenner bereitzustellen, mit dem ein Austrittsbereich des Brenners als auch der Flammraum des Schachtschmelzofens automatisch und manuell überwacht werden kann. Des Weiteren ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben eines solchen Brenners bereitzustellen.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Kameramodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch einen Brenner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.

Das erfindungsgemäße Kameramodul ist zur Verwendung mit einem Brenner vorgesehen, der typischerweise in einem Schachtschmelzofen, insbesondere in einem Kupferschachtschmelzofen eingesetzt wird, um ein Schmelzgut, wie beispielsweise Kupferkathoden etc. einzuschmelzen. Hierzu ist das erfindungsgemäße Kameramodul an dem Brenner oder einer Beobachtungseinrichtung des Brenners angeordnet und umfasst ein Gehäuse mit einer ersten Öffnung und einer der ersten Öffnung axial gegenüberliegend angeordneten zweiten Öffnung, die mit einem Schauglas verschlossen ist; einen Strahlteiler, der in einer sich zwischen den beiden Öffnungen durch das Gehäuse axial erstreckenden optischen Sichtachse angeordnet ist; sowie eine Kamera, beispielsweise eine CCD-Kamera, deren Objektiv senkrecht zu der optischen Sichtachse angeordnet und auf den Strahlteiler ausgerichtet ist. Der Strahlteiler umfasst hierzu vorteilhafterweise einen in einem Winkel von 45° angeordneten halbdurchlässigen Teilerspiegel, der beispielsweise an einem Halterelement positionsfest montiert sein kann. Alternativ kann auch ein 45°-Strahlteilerprisma verwendet werden.

Durch das erfindungsgemäße Kameramodul kann zum einen der Austrittsbereich des Brenners als auch der Flammraum des Schachtschmelzofens automatisch überwacht und durch eine Anbindung an eine rechnergestützte Einheit kontinuierlich ausgewertet werden, wobei die Ergebnisse anschließend einem Brenner-Regelkreis zugeführt werden können. Prozessstörungen können somit schneller identifiziert und Produktionsausfallzeiten durch Vermeidung größerer Havarien wirksam reduziert werden. Der erfindungsgemäße Aufbau des Kameramoduls erlaubt zum anderen gleichzeitig eine manuelle Überwachung, die durch einen Bediener alternativ oder ergänzend durchgeführt werden kann, um beispielsweise eine über die Kamera des Kameramoduls identifizierte Prozessstörung zu verifizieren. In gleicher weise umfasst die Erfindung einen Brenner für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen. Der erfindungsgemäße Brenner umfasst gemäß einer ersten Ausführungsvariante eine Beobachtungseinrichtung mit einer sich durch eine erste Kammer, eine Brennerdüse und ein Strahlrohr des Brenners erstreckenden optischen Sichtachse, über die ein Flammraum des Schachtschmelzofens überwachbar ist; sowie ein an der Beobachtungseinrichtung angeordnetes erfindungsgemäßes Kameramodul. Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante umfasst der erfindungsgemäße Brenner eine Beobachtungseinrichtung mit einer sich durch eine erste Kammer, eine zweite Kammer, eine Brennerdüse und ein Strahlrohr des Brenners erstreckenden optischen Sichtachse, über die ein Flammraum des Schachtschmelzofens überwachbar ist; sowie ein an der Beobachtungseinrichtung angeordnetes erfindungsgemäßes Kameramodul.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die Beobachtungseinrichtung ein Rohr, welches sich axial durch die erste Kammer erstreckt, wobei ein erstes Ende des Rohrs außerhalb des Brenners angeordnet ist und mit dem Kameramodul, vorzugsweise über eine Adaptervorrichtung des Kameramoduls, verbunden ist. Ein zweites Ende des Rohrs ist in einer zentrischen Öffnung einer Mischdüse angeordnet, die in einer Austrittsöffnung der ersten Kammer positioniert ist, und beispielsweise mittels eines Bajonettverschlusses arretiert ist. Die Austrittsöffnung ist hierbei bevorzugt an einem distalen Ende eines sich konischen verjüngenden Teilabschnitts der ersten Kammer angeordnet.

Ferner umfasst die erste Kammer eine Eintrittsöffnung, über die ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff, dem Brenner zuführbar ist, und eine in der ersten Kammer mündende Brenngasleitung, über die ein Brenngas dem Brenner zuführbar ist.

Unter strömungsdynamischen Gesichtspunkten hat sich gezeigt, dass eine koaxial um das Rohr der Beobachtungseinrichtung angeordnete Brenngasleitung besonders vorteilhaft ist. Daher ist in diesem Zusammenhang bevorzugt vorgesehen, dass die Brenngasleitung koaxial um das Rohr der Beobachtungseinrichtung angeordnet ist und an ihrem zur Mischdüse orientierten Ende eine Mehrzahl von Düsenöffnungen umfasst, die besonders bevorzugt über deren Umfang verteilt angeordnet sind. Jede der Mehrzahl von Düsenöffnungen ist dabei in einem Winkel von 40° bis 50°, bevorzugt in einem Winkel von 45°, bezogen auf die Sicht- bzw. Längsachse des Brenners ausgerichtet, um einen besonders hohen ersten Verschnitt zwischen dem aus den Düsenöffnungen ausströmenden Brenngas und dem sauerstoffhaltigen Gas zu erzielen.

Durch die Anordnung der Brenngasleitung in dem konischen Teilabschnitt der ersten Kammer, die als Sammelkammer für das sauerstoffhaltige Gas dient, wird das Brenngas mit dem sauerstoffhaltigen Gas vorvermischt. Das vorvermischte Brenngasgemisch strömt anschließend durch die in der Austrittsöffnung angeordnete Mischdüse und wird sodann in der Mischkammer, die vorteilhafterweise eine spezifische Mischgeometrie aufweist, homogen vermischt. Die gesamte Mischdüse ist dabei derart ausgebildet, dass diese einen besonders geringen Druckverlust von lediglich 70 mbar verursacht. Hierdurch wird letztendlich erzielt, dass der permanente Druckverlust am Brenner kontinuierlich auf einem Minimum gehalten werden kann, wodurch der Brenner im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Brennern eine bessere Energiebilanz aufweist.

Als Brenngase eignen sich insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Gase, insbesondere Methan oder Erdgas, Wasserstoff oder Gemische hiervon. Das Gemisch, beispielsweise eines aus Erdgas oder Methan und Wasserstoff wird vorteilhafterweise individuell im Bereich von 1 bis 100 Vol.-% vorgemischt, beispielsweise in einer Ventilstation, und sodann dem Brenner über die Brenngasleitung zugeführt. Ein Vorteil der Beimischung von Wasserstoff zu dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas besteht darin, dass auf zukünftig ansteigende CO2- Bepreisung flexibel reagiert werden kann. Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der Wasserstoff mittels erneuerbarer Energien gewonnen worden ist.

Wie bereits ausgeführt, verursacht die Mischdüse einen besonders geringen Druckverlust, der sich energetisch vorteilhaft auf den Betrieb des Brenners auswirkt. Der geringe Druckverlust wird hierbei über die spezifische Mischgeometrie erzielt, die vorteilhafterweise durch eine Mehrzahl von in der ringförmig ausgebildeten Mischkammer angeordneten Schaufeln gebildet ist. Die ringförmig ausgebildete Mischkammer weist einen Außenring mit vorzugsweise einem ersten Satz radial außen angeordneter Schaufeln und einen Innenring mit vorzugsweise einem zweiten Satz radial innen angeordneter Schaufeln auf, wobei die beiden Schaufelsätze gegenläufig zueinander angeordnet sind. Die Schaufeln des ersten und des zweiten Satzes sind derart zueinander angeordnet, dass eine jede Schaufel des ersten Satzes mit jeweils drei Schaufeln des zweiten Satzes bzw. eine jede Schaufel des zweiten Satzes mit jeweils drei Schaufeln des ersten Satzes drei Scherebenen ausbildet. Bei dieser Anordnung wird erzielt, dass das über die Schaufelflächen der radial außen angeordneten Schaufeln strömende Brenngasgemisch auf die im Wesentlichen senkrecht hierzu angeordneten Schaufelflächen der radial innen angeordneten Schaufeln aufschlägt und sich hierbei mit dem über die Schaufelflächen der radial innen angeordneten Schaufeln strömenden Brenngasgemisch vermischt und umgekehrt. Durch diese Mehrfachverschneidung des bereits vorgemischten Brenngasgemisches wird eine homogene Vermischung der beiden Gase bei gleichzeitig geringem permanentem Druckverlust erzielt.

An dem zur Mischdüse axial gegenüberliegend angeordneten Ende der zweiten Kammer ist die Brennerdüse angeordnet, die vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Leitschaufeln umfasst. Diese sind in einem in Strömungsrichtung vorderen Bereich der Brennerdüse angeordnet. Die Leitschaufeln sind dabei derart ausgebildet und zueinander ausgerichtet, dass das Brenngasgemisch zum Zentrum des Kanals getrieben wird, wodurch gezielt Turbulenzen im Zentrumsbereich erzeugt und somit eine freie Durchströmung des Brenngasgemisches unterbunden wird. Hierdurch wird bei gleichzeitiger Erhaltung der optischen Sichtachse bewirkt, dass ein homogenes Geschwindigkeitsprofil über den gesamten Strahlrohr-Querschnitt realisiert wird und das Brenngasgemisch vor dem Auftreffen auf ein einzuschmelzendes Schmelzgut vollständig reagieren kann, so dass es zu keinen reaktionslosen Strähnen kommt.

Im in Strömungsrichtung hinteren Bereich weist die Brennerdüse sodann eine sich konisch verjüngende Austrittsöffnung auf, deren Kante gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante eine gezackte, insbesondere eine mit Ausnehmungen versehene, Struktur aufweist, über die eine Turbulenz gezielt erzeugt werden kann, die zu einer Ausbildung einer stabilen Flammwurzel führt. Zum Zünden des Brenners ist eine Zündionisationskerze vorgesehen, die kurz hinter der Kante angeordnet ist, und vorteilhafterweise über eine lonisationsüberwachung kontinuierlich überwachbar ist. Hierzu ist es erforderlich, dass der Überwachungsdraht im gesamten Leistungsspektrum des Brenners immer in der Flamme positioniert ist. Durch die Ausbildung der stabilen Flammwurzel kann dies zu jeder Zeit gewährleistet werden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brenners, wobei mittels des Kameramoduls eine Rohrinnenfläche des Strahlrohrs kontinuierlich überwacht wird, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass bei einer Überschreitung des Istwertes von dem Sollwert zusätzlich eine Regelautomatik aktiviert wird, die die Brennerleistung des Brenners drosselt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Zusetzen des Strahlrohrs mit dem Schmelzgut, insbesondere mit Kupferpartikeln, frühzeitig identifiziert und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Sofern die Regelautomatik aktiviert ist, kann die Brennerleistung an dem Brenner gedrosselt werden, wodurch die Flamme kürzer wird und einen Randbereich der Ausmauerung eines Schachtschmelzofens, insbesondere eines Kupferschachtschmelzofens, stärker aufheizt. Dadurch werden die Anhaftungen abgeschmolzen. Sobald die Rohrinnenfläche wieder einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise einen Wert von über 90 Flächenprozent-% erreicht hat, wird die Leistung wieder angehoben. Um die Temperatur der Flamme zu erhöhen, kann ferner vorgesehen sein, dass Zusammensetzung des Brenngasgemisches manipuliert wird, beispielsweise indem diese auf eine Lambda-Wert von 1 gesetzt wird.

In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens kann mittels des Kameramoduls zusätzlich eine Schmelzgutpegelüberwachung kontinuierlich durchgeführt werden, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. Hierbei erfasst das Kameramodul den Pegel einer spiegelnden Oberfläche eines sog. „Schmelzgutsees“, insbesondere eines „Kupfersees“, da eine solche zu einer Verstopfung des Brenners und somit zu einer aufwendigen manuellen Reinigung führen kann. Sofern der Schmelzgutpegel einen kritischen Wert überschreitet, kann die Brennerleistungen von beispielsweise einer oberen Brennerreihe automatisch reduziert werden, um die Menge des nachfließenden Schmelzgutes in dem Schachtschmelzofen zu reduzieren. Die In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann zudem mittels des Kameramoduls die Helligkeit des Flammraums des Schachtschmelzofens in dem Bereich vor dem jeweiligen Brenner überwacht werden, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme und/oder zumindest einer Einzelaufnahme eines anderen in dem Schachtschmelzofen angeordneten Brenners verglichen werden und bei einer Über- und/oder Unterschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. Sofern ein Helligkeitsunterscheid identifiziert wird, kann beispielsweise eine Wartungsaufforderung an die Instandhaltung versendet werden. Alternativ kann die Zusammensetzung des Brenngasgemisches angepasst und anhand dieser die identifizierte Helligkeit ausgeregelt werden.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kameramoduls in einer Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 3 die in Figur 2 gezeigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners in einer Schnittdarstellung,

Fig. 4 eine Ausführungsvariante des Rohrs mit der Brenngasleitung in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 5 eine Ausführungsvariante der Mischdüse in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 6 die in Figur 5 gezeigte Ausführungsvariante der Mischdüse in einer Schnittdarstellung,

Fig. 7 eine Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 8 die in Figur 7 gezeigte Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer Schnittdarstellung, und

Fig. 9 die in den Figur 7 und 8 gezeigte Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer Frontdarstellung. In Figur 1 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kameramoduls 10 in einer Schnittdarstellung gezeigt, welches zur Verwendung mit einem Brenner 1 , wie in Figur 2 gezeigt, vorgesehen ist. Das Kameramodul 10 umfasst ein Gehäuse 101 , welches vorliegend aus einem ersten Gehäuseteil 102 und einem zweiten Gehäuseteil 103 gebildet ist. Das erste Gehäuseteil 102 weist eine erste Öffnung 104 und eine der ersten Öffnung 104 axial gegenüberliegend angeordnete zweite Öffnung 105 auf, die mit einem Schauglas 106 verschlossen ist. An der Außenseite des ersten Gehäuseteils 102 weist das Kameramodul 10 ferner eine um die erste Öffnung 104 angeordnete und mit dem ersten Gehäuseteil 102 fest verbundene Adaptervorrichtung 107 auf, über die das Kameramodul 10 an einer Beobachtungseinrichtung 9 des Brenners 1 angebracht werden kann (siehe Figur 2). Im inneren des ersten Gehäuseteils 102 ist ein Strahlteiler 108 vorgesehen, der in einer sich zwischen den beiden Öffnungen 104, 105 axial erstreckenden optischen Sichtachse 109 angeordnet ist. Der Strahlteiler 108 umfasst einen in einem Winkel von 45° angeordneten halbdurchlässigen Teilerspiegel 110, der an einem Halterelement 111 positionsfest montiert ist. Wie anhand der Darstellung in Figur 1 weiterhin erkennbar, umfasst das Kameramodul 10 zudem eine Kamera 112, deren Objektiv 113 senkrecht zu der optischen Sichtachse 109 angeordnet und auf den Strahlteiler 108, insbesondere den Teilerspiegel 110 ausgerichtet ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Kameramoduls 10 kann ein Bediener die Ofensituation, parallel zu der Kamera 112, betrachten und analysieren.

In Figur 2 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners 1 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt, der grundsätzlich in allen metallurgischen Einschmelzaggregaten einsetzbar ist, in denen eine visuelle Brennraumüberwachung erforderlich ist. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der Brenner 1 in einem Kupferschachtschmelzofen (nicht dargestellt) eingesetzt wird, in dem Kupferkathoden eingeschmolzen werden, um Kupfer wiederzugewinnen.

Der in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante gezeigte Brenner 1 umfasst einen ersten Stutzen 2, über den ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, dem Brenner 1 zuführbar ist, sowie einen zweiten Stutzen 3, über den ein Brenngas dem Brenner 1 zuführbar ist. Das Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas, wie Erdgas oder Methan, Wasserstoff oder ein Gemisch hiervon umfassen. Ferner umfasst der Brenner 1 eine erste Kammer 4, die einen konischen Teilabschnitt 5 aufweist, eine zweite Kammer 6 mit einer Brennerdüse 7 (siehe Fig. 3), sowie ein Strahlrohr 8. Das Strahlrohr 8 besteht vorliegend aus Siliziumcarbid. Im hinteren Teil weist der Brenner 1 zudem eine Beobachtungseinrichtung 9 mit dem in Figur 1 gezeigten Kameramodul 10 auf, über die eine visuelle Brennraumüberwachung erfolgen kann. Wie anhand der Darstellung in Figur 2 erkennbar, weist der Brenner 1 des Weiteren einen ersten Messstutzen 11 , der in dem ersten Stutzen 2 angeordnet ist, sowie einen zweiten Messstutzen 12 auf, der an einem distalen Ende der zweiten Kammer 6 angeordnet ist. Über die beiden Messstutzen 11 , 12 können beispielsweise die Volumenströme und/oder die Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases bzw. des Brenngasgemisches detektiert werden. Ferner ist an dem distalen Ende der zweiten Kammer 6 eine Zündionisationskerze 13 angeordnet, über die das Brenngasgemisch in der Brennerdüse 7 gezündet und unmittelbar im Anschluss die Flamme überwacht werden kann. Der in Figur 1 gezeigte Brenner 1 ist auf einen Durchsatz von 900 Nm³/h ausgelegt und weist einen Druckverlust von lediglich 90 mbar auf.

Um den Brenner 1 ergonomisch einbauen zu können, weist dieser an der Außenseite der zweiten Kammer 6 zwei Kranösen 41 auf, die sich im Schwerpunkt befinden und jeweils ein Langloch umfassen, um Veränderungen des Schwerpunktes, die sich durch ergänzende Anbauten ergeben können, auszugleichen.

Der Brenner 1 kann sowohl von oben, wie dies in Figur 2 und 3 dargestellt ist, als auch von unten mit dem sauerstoffhaltigen Gas gespeist werden. Sofern eine Einspeisung des sauerstoffhaltigen Gases von unten vorteilhaft ist, wird der Brenner 1 um 180° gedreht. Auch der zweite Stutzen 3, über den das Brenngas dem Brenner 1 zuführbar ist, kann je nach Einbaubedingungen um 90° Schritte verdreht montiert werden, wobei durch den axialen Aufbau die Wrkung des Brenners 1 nicht beeinflusst wird.

Figur 3 zeigt die in Figur 2 dargestellte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners 1 in einer Schnittdarstellung, jedoch ohne das Kameramodul 10.

Erkennbar ist anhand dieser Darstellung zum einen die erste Kammer 4, die eine Eintrittsöffnung 14 aufweist, über die das sauerstoffhaltige Gas über den ersten Stutzen 2 in die erste Kammer 4 eingebracht wird. Die erste Kammer 4 umfasst neben einem Hauptabschnitt 15, in dem die Eintrittsöffnung 14 mündet, den sich konisch verjüngenden Teilabschnitt 5, der eine an seinem distalen Ende angeordnete Austrittsöffnung 16 aufweist. Mit dem konischen Teilabschnitt 5 der ersten Kammer 4 ist die zweite Kammer 6 verbunden, die aus einem hohlzylindrischen Element, beispielsweise einem Rohr, gebildet ist und ein erstes, dem konischen Teilabschnitt 5 zugewandtes, Ende 17 sowie ein axial gegenüberliegend angeordnetes zweites Ende 18 aufweist, an welchem die Brennerdüse 7 angeordnet ist. Die Brennerdüse 7 ist vorliegend mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aus Stahl hergestellt und wird in den Figuren 7 bis 9 näher erläutert.

An dem ersten Ende 17 der zweiten Kammer 6 bzw. in der Austrittsöffnung 16 der ersten Kammer 4 ist vorliegend eine Mischdüse 19 mit einer Mischkammer 20 angeordnet, über die das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas zu einem Brenngasgemisch mischbar sind. Das Brenngas wird dabei über eine Brenngasleitung 21 in den Brenner 1 eingebracht, die in der ersten Kammer 4, insbesondere in dem konisch verjüngenden Teilabschnitt 5 der ersten Kammer 4 mündet.

Wie anhand der Darstellung in Figur 3 erkennbar, ist die Brenngasleitung 21 in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante koaxial um ein Rohr 22 der Beobachtungseinrichtung 9 angeordnet und weist an ihrem zur Mischdüse 19 orientierten Ende eine Mehrzahl von Düsenöffnungen 23 auf, die über deren Umfang verteilt angeordnet sind (siehe Figur 4). Jede der Düsenöffnungen 23 ist dabei in einem Wnkel von 40° bis 50° bezogen auf eine optische Sichtachse 28 des Brenners 1 ausgerichtet, um einen ersten Verschnitt zwischen dem aus den Düsenöffnungen 23 ausströmenden Brenngas und dem sauerstoffhaltigen Gas zu erzielen, welches die erste Kammer 4 durchströmt. Das derart vor der Mischdüse 19 vorgemischte Brenngasgemisch durchströmt anschließend die Mischdüse 19.

Das Rohr 22 der Beobachtungseinrichtung 9, welches sich axial durch die erste Kammer 4 erstreckt, weist ein erstes Ende 24 auf. Das erste Ende 24 des Rohrs 22 ist außerhalb des Brenners 1 angeordnet und mit dem Kameramodul 10, über die Adaptervorrichtung 107 verbunden (siehe Figur 1 und 2). Über das Kameramodul 10 kann zum einen die automatische Brennraumüberwachung über die optische Sichtachse 109 erfolgen, die sich vorliegend durch das erste Gehäuseteil 102, die erste Kammer 4, die Mischdüse 19, die zweite Kammer 6, die Brennerdüse 7 sowie das Strahlrohr 8 in den Schachtschmelzofeninnenraum hinein erstreckt. Zusätzlich kann ein Bediener über das Schauglas 106 des Kameramoduls 10 entlang derselben optischen Sichtachse 109 in den Schachtschmelzofeninnenraum schauen, um von der Kamera 112 nicht identifizierte Störungen zu identifizieren und/oder von der Kamera 112 identifizierte Störungen zu verifizieren. Ferner umfasst das Rohr 22 ein zweites Ende 26, das in einer zentrischen Öffnung 27 der Mischdüse 19 angeordnet ist und über einen Bajonettverschlusses 29 mit diesem positionsfest verbunden ist (siehe Figur 4).

In den Figuren 5 und 6 ist die Mischdüse 19 mit ihrer spezifischen Mischgeometrie dargestellt, die vorliegend, wie die Brennerdüse 7, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt worden ist, jedoch im Gegensatz zu dieser, aus Siliziumcarbid. Die Mischdüse 19 weist in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante eine ringförmig ausgebildete Mischkammer 20 auf, die von einem Innenring 30 und einem radial gegenüberliegend angeordneten Außenring 31 begrenzt wird. Innerhalb der Mischkammer 19 sind Schaufeln 32, 34 angeordnet, über die das vorgemischte Brenngasgemisch durch Mehrfachverschneidung in Strömungsrichtung homogen vermischt werden kann. Im Einzelnen umfasst die Mischkammer 20 einen ersten Satz radial außen angeordneter Schaufeln 32, die von dem Außenring 31 getragen werden, und einen, gegenläufig zu dem ersten Satz angeordneten, zweiten Satz radial innen angeordneter Schaufeln 34, die von dem Innenring 30 getragen werden. Die Schaufeln 32, 34 der beiden Sätze sind in Umfangsrichtung derart zueinander angeordnet, dass eine jede Schaufel 32 des ersten Satzes mit jeweils drei Schaufeln 34 des zweiten Satzes bzw. eine jede Schaufel 34 des zweiten Satzes mit jeweils drei Schaufeln 32 des ersten Satzes jeweils drei Scherebenen ausbildet. Mit anderen Worten wird das über die Schaufelflächen 33 der radial außen angeordneten Schaufeln 32 strömende Brenngasgemisch auf die im Wesentlichen senkrecht hierzu angeordneten Schaufelflächen 35 der radial innen angeordneten Schaufeln 34 geleitet, welches sich hierbei mit dem über die Schaufelflächen 35 der radial innen angeordneten Schaufeln 34 strömenden Brenngasgemisch vermischt und umgekehrt. We weiterhin anhand der Figur 6 erkennbar, weist jede der Mehrzahl von Schaufeln 32, 34 im Querschnitt eine leicht gebogene Form auf. In den Figuren 7 bis 9 ist eine Ausführungsvariante der Brennerdüse 7 in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Diese besteht im Wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Element und weist in einem vorderen Bereich eine Mehrzahl von Leitschaufeln 36 auf, über die das Brenngasgemisch zunächst durch einen zwischen den Leitschaufeln 36 gebildeten zentrischen Kanal 37 leitbar ist (Figur 9). Wie anhand der Darstellung in Figur 8 erkennbar, weisen die einzelnen Leitschaufeln 36 hierzu eine bogenförmige Biegung auf, wodurch das Brenngasgemisch beim Durchströmen des vorderen Bereichs der Brennerdüse 7 zunächst in die Mitte getrieben wird, bevor es den Kanal 37 passiert. Dieser wird im Wesentlichen durch die distalen Endabschnitte der einzelnen Leitschaufeln 36 definiert (Figur 9). In Strömungsrichtung unmittelbar dahinter weist die Brennerdüse 7 eine sich konisch verjüngende Austrittsöffnung 38 auf, deren umgebende Stirnfläche bzw. Kante 39 eine mit Ausnehmungen 40 versehene Struktur aufweist.

Bezugszeichenliste

1 Brenner

2 erster Stutzen

3 zweiter Stutzen 4 erste Kammer

5 konischer Teilabschnitt

6 zweite Kammer

7 Brennerdüse

8 Strahlrohr 9 Beobachtungseinrichtung

10 Kameramodul

11 erster Messstutzen

12 zweiter Messstutzen

13 Zündionisationskerze 14 Eintrittsöffnung

15 Hauptabschnitt

16 Austrittsöffnung

17 erstes Ende der zweiten Kammer

18 zweites Ende der zweiten Kammer 19 Mischdüse

20 Mischkammer

21 Brenngasleitung

22 Rohr

23 Düsenöffnungen 24 erstes Ende des Rohrs

25 Schauglas

26 zweites Ende des Rohrs

27 zentrische Öffnung

28 Sichtachse 29 Bajonettverschluss

30 Innenring

31 Außenring 32 erster Satz Schaufeln

33 Schaufelfläche radial äußerer Schaufeln

34 zweiter Satz Schaufeln

35 Schaufelfläche radial innerer Schaufeln 36 Leitschaufeln

37 Kanal

38 konisch verjüngende Austrittsöffnung Brennerdüse

39 Stirnfläche / Kante

40 Ausnehmungen 41 Kranösen

101 Gehäuse

102 erstes Gehäusteil

103 zweites Gehäuseteil

104 erste Öffnung 105 zweite Öffnung

106 Schauglas Kameramodul

107 Adaptervorrichtung

108 Strahlteiler

109 optische Sichtachse 110 Teilerspiegel

111 Halterelement

112 Kamera

113 Objektiv

Claims

Patentansprüche

1. Kameramodul (10) zur Verwendung mit einem Brenner (1) für einen Schachtschmelzofen, insbesondere einen Kupferschachtschmelzofen, wobei das Kameramodul (10) an dem Brenner (1) oder einer Beobachtungseinrichtung (9) des Brenners (1) angeordnet ist, umfassend ein Gehäuse (101) mit einer ersten Öffnung (104) und einer der ersten Öffnung (104) axial gegenüberliegend angeordneten zweiten Öffnung (105), die mit einem Schauglas (106) verschlossen ist; einen Strahlteiler (108), der in einer sich zwischen den beiden Öffnungen (104, 105) durch das Gehäuse (101) axial erstreckenden optischen Sichtachse (109) angeordnet ist; sowie eine Kamera (112), deren Objektiv (113) senkrecht zur Sichtachse (109) angeordnet und auf den Strahlteiler (108) ausgerichtet ist.

2. Brenner (1 ) für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen, umfassend eine Beobachtungseinrichtung (9) mit einer sich durch eine erste Kammer (4), ggf. eine zweite Kammer (6), eine Brennerdüse (7) und ein Strahlrohr (8) des Brenners (1) erstreckenden Sichtachse (109), über die ein Flammraum des Schachtschmelzofens überwachbar ist; und ein an der Beobachtungseinrichtung (9) angeordnetes Kameramodul (10) nach Anspruch 1.

3. Brenner (1) nach Anspruch 2, wobei die Beobachtungseinrichtung (9) ein Rohr (22) umfasst, welches sich axial durch die erste Kammer (4) erstreckt, wobei ein erstes Ende (24) des Rohrs (22) außerhalb des Brenners (1) angeordnet ist und mit dem Kameramodul (10) verbunden ist, und ein zweites Ende (26) des Rohrs (22) in einer zentrischen Öffnung (27) einer Mischdüse (19) angeordnet ist, die in einer Austrittsöffnung (16) der ersten Kammer (4) positioniert ist.

4. Brenner (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Kammer (4) eine Eintrittsöffnung (14) und eine in der ersten Kammer (4) mündende Brenngasleitung (21) umfasst, und die Austrittsöffnung (16) an einem distalen Ende eines sich konisch verjüngenden Teilabschnitts (5) der ersten Kammer (4) angeordnet ist.

5. Brenner (1) nach Anspruch 4, wobei die Brenngasleitung (21) koaxial um das Rohr (22) der Beobachtungseinrichtung (9) angeordnet ist und an ihrem zur Mischdüse (19) orientierten Ende eine Mehrzahl von Düsenöffnungen (23) umfasst, die vorzugsweise über deren Umfang verteilt angeordnet sind.

6. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei die Mischdüse (19) eine ringförmig ausgebildete Mischkammer (20) mit einer Mehrzahl von Schaufeln (32, 34) umfasst.

7. Brenner (1) nach Anspruch 6, wobei die ringförmige Mischkammer (20) einen ersten Satz radial außen angeordneter Schaufeln (32) und einen zweiten Satz radial innen angeordneter Schaufeln (34) umfasst, wobei die Schaufeln (32, 34) beider Sätze gegenläufig zueinander angeordnet sind.

8. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei die Brennerdüse (7) eine Mehrzahl von Leitschaufeln (36) umfasst, die vorzugsweise in einem vorderen Bereich der Brennerdüse (7) angeordnet sind.

9. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, wobei die Brennerdüse (7) eine konisch verjüngende Austrittsöffnung (38) umfasst, die vorzugsweise in einem hinteren Bereich der Brennerdüse (7) angeordnet ist.

10. Brenner (1) nach Anspruch 9, wobei die konisch verjüngende Austrittsöffnung (38) eine Kante (39) mit einer gezackten, insbesondere eine mit Ausnehmungen (40) versehene, Struktur aufweist.

11. Verfahren zum Betreiben eines Brenners (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, wobei mittels des Kameramoduls (1) eine Rohrinnenfläche () des Strahlrohrs (8) kontinuierlich überwacht wird, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei bei einer Überschreitung des Istwertes von dem Sollwert zusätzlich eine Regelautomatik aktiviert wird, die die Brennerleistung des Brenners (1) drosselt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei mittels des Kameramoduls (10) zusätzlich eine Schmelzgutpegelüberwachung kontinuierlich erfolgt, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei mittels des Kameramoduls (10) die Helligkeit des Flammraums des

Schachtschmelzofens überwacht wird, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme und/oder mit zumindest einer Einzelaufnahme eines anderen in dem Schachtschmelzofen angeordneten Brenners (1) vergleichen wird und bei einer Über- und/oder Unterschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird.