EP4540568A1 - Schachtofen für die erschmelzung von kupfer und verfahren hierzu - Google Patents

Schachtofen für die erschmelzung von kupfer und verfahren hierzu

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EP4540568A1
EP4540568A1 EP23732004.9A EP23732004A EP4540568A1 EP 4540568 A1 EP4540568 A1 EP 4540568A1 EP 23732004 A EP23732004 A EP 23732004A EP 4540568 A1 EP4540568 A1 EP 4540568A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft furnace
furnace
opening
charging
shaft
Prior art date
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Pending
Application number
EP23732004.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Björn Klumbies
Thomas Leisten
Sabine LIPSKI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP4540568A1 publication Critical patent/EP4540568A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B15/00—Obtaining copper
    • C22B15/0026—Pyrometallurgy
    • C22B15/0028—Smelting or converting
    • C22B15/003—Bath smelting or converting
    • C22B15/0032—Bath smelting or converting in shaft furnaces, e.g. blast furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B1/08—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces heated otherwise than by solid fuel mixed with charge
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B1/10—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B1/12—Shells or casings; Supports therefor
    • F27B1/14—Arrangements of linings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B1/10—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
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    • F27D1/04—Casings; Linings; Walls; Roofs characterised by the form, e.g. shape of the bricks or blocks used
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    • F27D2001/047—Lining of cylindrical vessels
    • 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
    • F27D2019/0003—Monitoring the temperature or a characteristic of the charge and using it as a controlling value

Definitions

  • the invention relates to a shaft furnace for melting charging material, in particular copper cathodes, into molten copper, with a vertically arranged steel jacket and a solid lining arranged therein, the steel jacket having at least one charging opening for feeding the charging material into the shaft furnace and a tap opening for draining the molten copper from the shaft furnace.
  • burners preferably several burners arranged in a row and several levels around the circumference of the shaft furnace, are arranged between the charging opening and the tapping opening for heating the charging material and melting the copper.
  • the invention also relates to a method for melting charging material such as copper cathodes into molten copper in such a shaft furnace.
  • Processes and shaft furnaces, also known as vertical furnaces, for melting copper have been known from the state of the art for decades.
  • copper is charged in solid form via an upper charging opening and heated and melted by means of burners arranged in a lower area of the shaft furnace, such as gas burners, and finally led out of it via a tapping opening arranged in the lower area of the shaft furnace, for example via a connecting channel into a holding furnace into it or directly to a corresponding casting device.
  • a tapping opening arranged in the lower area of the shaft furnace, for example via a connecting channel into a holding furnace into it or directly to a corresponding casting device.
  • the shaft furnace usually consists of a cylindrical steel jacket and a solid lining arranged within it.
  • Such a shaft furnace and a method for operating it are known, for example, from DE 2 062 144 A1.
  • the CN 214701690 U in turn also describes a vertical furnace for the production of copper with a vertically arranged furnace body.
  • the setting of the burner output is usually designed in such a way that the output of the burner is set purely depending on the fill level of the subsequent holding furnace, which functions as a storage facility for the downstream casting system.
  • the molten copper runs continuously over the usually inclined bottom area of the shaft furnace below the lowest row of burners and is led into the connecting channel to the holding furnace via a brick tap opening embedded in the furnace wall.
  • the dimensioning of the tap opening is based on empirical values.
  • the disadvantage of the prior art known from practice is that monitoring the fill level with the help of a camera requires the constant attention of the system operator. He is usually responsible for ensuring that a new load of cathodes is dumped into the furnace in a timely manner via the charging device. If charging takes place too early, the cathodes cannot be positioned in the preferred vertical orientation by the charging device and lie diagonally or horizontally in the shaft. As the process progresses, this hinders the optimal heat exchange between the exhaust gas and the cathode material that slides down. However, if charging takes place too late, the lining is damaged where the cathodes hit the refractory lining from a drop that is too high. Furthermore, energy efficiency is reduced if the oven is not continuously filled to capacity.
  • the cathodes fall onto the previously charged cathode layer in a relatively random orientation.
  • the burners in the lower area of the furnace melt the cathodes; melt that flows off at the bottom of the furnace flows out through the tap opening.
  • the cathodes slide continuously from top to bottom, with the temperature constantly increasing from top to bottom.
  • the lining and the cathodes expand and often become wedged. They often only slip when additional cathodes are charged from above or when the jammed material has deformed and torn loose. This means that the supply to the burner area is no longer continuous, but rather in batches, and the melting rate of the shaft furnace therefore varies.
  • the geometry of the tap opening is very important for the energy balance of the furnace and also for its reliability. Is the tap opening For example, if it is too large, too much energy escapes through the tap opening into the adjacent connecting channel and causes problems there, for example overheating of the burners positioned there. However, if it is too small, there is a risk of copper clogging and freezing in the bottom area of the shaft furnace. With the current state of the art, subsequent optimization of the geometry of the tap opening is only possible after the furnace has been shut down and the brick lining inside the furnace has been reworked.
  • the invention aims to ensure that jamming of the cathodes can be avoided in order to achieve a targeted and continuous melting rate of the shaft furnace.
  • the aim of the invention is to achieve automatic adjustment of the burner output instead of the previously known manual readjustment of the burner output.
  • the geometry of the tapping opening should be able to be changed and optimized from the outside without interfering with the actual lining of the shaft furnace, which ultimately means that a continuous and stationary operation of the shaft furnace can be achieved with preferably significantly reduced energy consumption.
  • a shaft furnace for melting charging material into molten copper which has a vertically arranged steel jacket and a refractory lining arranged therein.
  • the shaft furnace has at least one charging opening for feeding the charging material into the shaft furnace and a tap opening for draining the molten copper out of the shaft furnace.
  • Burners preferably several burners arranged in several levels and in a row around the circumference of the shaft furnace, are arranged in predetermined levels of the shaft furnace between the charging opening and the tapping opening for heating the charging material and melting the copper.
  • the steel jacket of the shaft furnace is cylindrical at least in an upper area above the top burner or the top row of burners and the refractory lining in the upper area comprises, from top to bottom, a sequence of cylindrical sections that are arranged concentrically to one another and a respective diameter have, which increases from section to section.
  • a shaft furnace is therefore provided whose inner diameter is at least in a partial area, preferably in a substantial part (more than 70%, preferably more than 80% of the shaft length) of the shaft above the burners, in particular in that part of the shaft, which adjoins the area below the charging opening and extends to the top burner level, particularly preferably over the entire length of the shaft above the burner, gradually increases in size in order to ensure that solid charging material, for example in the form of copper cathode plates, continuously and smoothly slides in to enable the heating of both the refractory lining and the charging material during operation of the shaft furnace. It is particularly preferred if the shaft furnace has at least three, preferably at least five, of such successive and adjacent sections with gradually increasing inner diameters of the refractory lining.
  • the diameter of the cylindrical sections of the refractory lining is designed such that the thermal expansion of the refractory material, preferably the thermal expansion of the refractory material and the charging material, is at least compensated for under operating conditions of the shaft furnace.
  • the terms “first subsection” and “second subsection” in the sense of the invention include any pair of two subsections arranged one above the other and adjacent to one another.
  • the difference in diameter between a first section and a second section is at least 16 mm, preferably at least 20 mm.
  • At least one sensor preferably three sensors arranged one above the other, is provided for measuring the filling level of the shaft furnace with charging material. These sensors are particularly preferably arranged above the topmost burner level and directly below the charging opening, particularly preferably not more than 1 m based on the topmost sensor below the charging opening.
  • the at least one sensor preferably the three sensors, are each assigned a receiver, which is particularly preferably arranged opposite the respective sensor in the plane of the respective sensor of the shaft furnace. This achieves a simple and reliable measurement of the filling height of the shaft furnace, which makes visual inspection unnecessary.
  • the sensors thereby measure the filling level of the shaft horizontally and can determine whether the shaft furnace is filled in the respective level, which is covered by the sensor, if necessary the receiver connected to it. It is preferred if an alarm signal is emitted when the filling falls below a predetermined threshold value, which indicates whether new charging is necessary. In this context, it is particularly preferred if the sensors are connected to a device which automatically triggers refilling by the charging system when the charging system falls below a predetermined threshold value. As a result, a higher degree of automation is achieved using particularly simple means than in the previously known shaft furnaces for melting charging material into molten copper.
  • the ideally three sensors are attached to one another below the charging level in the shaft furnace at distances of preferably 400 - 600 mm, in particular 450 - 550 mm, very particularly preferably 500 mm, and measure whether there is charging material in the scanned level.
  • the copper heats up from room temperature to almost the melting temperature jamming of the copper cathodes or any other charging material is prevented by at least compensating for the thermal expansion of the charging material by gradually increasing the diameter of the refractory material from top to bottom becomes.
  • the thermal expansion of the copper is 16.5*10 A -6 1/K and that of the brick lining is around 5*10 A -6 1/K.
  • the lining is designed in such a way that, on the one hand, the cost-effective cylindrical outer shape of the steel jacket and the refractory material above the rows of burners is retained, and on the other hand, the load-bearing capacity of the refractory lining is guaranteed and the production of the prefabricated bricks remains as cost-effective as possible.
  • a measuring sensor preferably a measuring lance connected to the shaft furnace
  • the heat balance of the shaft furnace can be calculated using a process model and the required current amount of gas or burner output of the individual burners or rows of burners can be determined. This results in the basic setting of the burners; the burner output is usually set so that the burners in a respective row work with the same output and the power distribution of the individual rows is set in advance.
  • the above-mentioned setting can be continually corrected using these values.
  • the operation of the shaft furnace is then preferably completely automatic.
  • the refractory lining for the tap opening is designed to protrude from the area of the refractory lining and through the steel jacket from the inside to the outside beyond the longitudinal extent of the steel jacket.
  • the height of the tapping opening is preferably defined by a shaped stone, which is inserted laterally into the adjacent refractory bricks and is fixed from above by further bricks.
  • the part of the refractory lining that projects beyond the steel jacket of the shaft furnace, in particular of the shaped brick and the refractory bricks surrounding it is surrounded by a steel sleeve or a steel frame, via which the tightness of this area of the shaft furnace around the opening of the shaped brick around can be guaranteed.
  • a part of the steel sleeve or the steel frame, in particular an upper steel plate, is detachably connected to it.
  • the releasable connection of the steel plate from the rest of the steel sleeve or the steel frame can preferably be achieved by clamping or screwing. After removing the steel plate, unhindered access to the refractory bricks and/or the shaped brick embedded in the steel sleeve or the steel frame can be made possible without having to intervene in the interior of the shaft furnace.
  • a holding furnace is arranged downstream of the tap opening of the shaft furnace, which is connected to a sensor, preferably a weighing cell, for measuring the weight of the melt in the holding furnace and for detecting the change in weight in the holding furnace.
  • a measurement parameter is obtained using particularly simple means, which can be used to calculate the heat balance of the Shaft furnace and the associated current required gas quantity or burner output can be determined.
  • each row of burners preferably each individual burner
  • thermocouples are provided in the area of the refractory lining, in particular in the area of the burners and/or in the shaft arranged above them, for detecting the temperature of the refractory lining.
  • the measured values that can be recorded in this way can be used to optimize the temperatures of the brick lining with regard to its service life and can be used to operate the shaft furnace, preferably automatically.
  • a control or regulation unit is set up and designed to control or regulate the filling level of the shaft furnace and/or the melting rate of the shaft furnace, preferably automatically, in particular to ensure a continuous supply of charging material and/or a melting rate that is as constant as possible . All of this serves to increase the efficiency of the shaft furnace and to achieve the highest possible thermal efficiency.
  • a method for melting charging material into molten copper in a shaft furnace is provided.
  • the method according to the invention is characterized in that a control or regulation unit preferably automatically controls or regulates the charging of the shaft furnace, the filling level within the shaft furnace and the output of each row of burners, preferably each individual burner.
  • the control or regulation unit calculates the heat balance of the shaft furnace on the basis of measured parameters and using a process model.
  • the measured parameters used for this include the fill level of the shaft furnace, the temperature of the molten copper as it emerges from the tapping opening and, preferably, also the weight and/or the change in weight of the molten copper within a holding furnace arranged downstream of the tapping opening, particularly preferably also the production rate of a shaft furnace downstream casting system.
  • the measured parameters for calculating the heat balance of the shaft furnace are entered into a process model, by means of which the currently required burner output, in particular the amount of fuel required by each burner, is determined.
  • the geometry of the tap opening determines the energy balance of the furnace, and the same applies to the overall reliability of the shaft furnace operation.
  • the tap opening geometry significantly limits the amount of hot air emerging from the shaft furnace into the connecting channel. The lower this amount of hot air is, the more energy efficient the shaft furnace can be operated overall. At the same time, it must be taken into account that slag in particular can hinder the escape of molten copper from the tap opening. It is therefore particularly advantageous if the components defining the tap opening, such as shaped stone and the refractory bricks surrounding the shaped stone, are easily accessible and arranged outside the steel jacket.
  • the provision of a steel sleeve or a steel frame around the parts of the tap opening protruding from the steel jacket enables the efficient limitation of unwanted hot air escape. With the preferred detachable steel plate on the steel collar or steel frame Access to all components of the tap opening is still easy to implement.
  • the melting rate of the shaft furnace does not vary or only varies minimally.
  • optimal filling of the shaft furnace is guaranteed, which means that high thermal efficiency can be achieved.
  • an effective control of the melting rate of the shaft furnace can be achieved; at the same time, the implemented control can automatically adjust the burners.
  • the energy balance of the furnace can be further improved by optimizing the tap opening height.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a shaft furnace according to the invention
  • FIG. 2 is a detailed view of an upper region of the shaft furnace according to Figure 1,
  • Figure 3 is a sectional view through the refractory lining
  • Figure 4 is a schematic sectional view through a system
  • Figure 5 shows a schematic diagram for the automatic burner control in the shaft furnace according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a shaft furnace 1 according to the invention for melting charging material into molten copper.
  • the shaft furnace 1 consists of a vertically arranged steel jacket 2 and refractory lining 3 arranged therein.
  • the steel jacket 2 has a charging opening 4 arranged at the top of the shaft furnace 1 for feeding the charging material into the shaft furnace 1 and a tap opening 5 for draining the molten copper from the shaft furnace 1 out on.
  • burners 6 are arranged in rows or levels around the circumference of the shaft furnace 1, with three rows of burners 6 being provided in the present embodiment.
  • the shaft furnace 1 has a shaft area 7 in which essentially solid charging material in the form of copper cathodes is conveyed from top to bottom due to gravity and is continuously heated there from the charging temperature to the melting temperature.
  • the shaft area 7 of the shaft furnace 1 above the burner 6 has a height of approximately 9 m with a minimum internal diameter of 1804 mm.
  • the shaft area 7 of the shaft furnace 1 above the burner 6 consists of a plurality of cylindrical sections 8a-e, the diameter of which increases by 20 mm from section 8 to section 8.
  • the diameters of the sections 8 are designed so that even with one Heating of the refractory material, which has a temperature gradient both from top to bottom and from the inside to the outside, a safe sliding of the charging material from top to bottom is also ensured over the several sections 8a-e of the refractory lining 3.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the upper area of the shaft furnace 1 from FIG. Adjacent to this, a further section 8b is provided in the refractory lining 3, which again has an inner diameter that is 20 mm larger than in the upper, adjacent section 8a, and is therefore 1844 mm.
  • Figure 3 shows a cross-sectional view through the area of the shaft furnace (not shown) in the area of the tap opening 5.
  • the tap opening 5 is defined by a shaped brick 5a, which is surrounded at the top and bottom by a row of refractory bricks 5b.
  • Both the shaped brick 5a and the refractory bricks 5b directly adjacent to the shaped brick 5a are arranged in such a way that a part of at least the shaped brick 5a projects out of the shaft furnace 1 beyond the longitudinal extent of the steel jacket 2.
  • This protruding section of shaped brick 5a and the refractory bricks 5b surrounding it is then surrounded by a steel sleeve or a steel frame on the steel jacket 2.
  • an integral part of this steel sleeve or the steel frame is an upper steel plate 5c, which is detachably connected to the steel sleeve or the steel frame via clamping elements. If the steel plate 5c is removed, there is essentially unhindered access to those parts of the refractory components of the tap opening 5 that protrude beyond the steel jacket 2.
  • Figure 4 shows a schematic partial view of the upper area of the shaft furnace 1 approximately 1 m below the charging opening (not shown).
  • the charging opening On the outside of the steel jacket 2 there are three levels 10a to 10c about 1 m below the (not shown) charging opening and at a distance of approximately 500 mm from each other three sensors 12a to 12c and three receivers 13a to 13c which are operatively connected to each other.
  • the sensors 12a to 12c it can thus be determined whether or not solid charging material is present within the shaft furnace 1 at the level of the sensors 12a to 12c and receivers 13a to 13c.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of the automatic control of the burner output within a shaft furnace 1 according to the invention.
  • the measurement of the temperature of the molten copper emerging from the tapping opening 5 by means of a measuring cell 9a and the weight of the copper melted in a holding furnace 14 by means of a measuring cell 9 are controlled - or control unit 15, via which the output of a respective burner 6 within the shaft furnace 1 is adjusted, taking into account the current production rate of the downstream casting system (not shown).
  • This ensures constant operation of the shaft furnace 1 in a substantially automated manner with preferably constant burner power and a constant flow of molten copper from the tapping opening 5 into the holding furnace 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schachtofen (1) für die Erschmelzung von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer, mit einem vertikal angeordneten Stahlmantel (2) und darin angeordneter Feuerfestausmauerung (3), wobei der Stahlmantel (2) wenigstens eine Chargieröffnung (4) zum Zuführen des Chargiermaterials in den Schachtofen (1) hinein sowie eine Abstichöffnung (5) zum Abziehen des geschmolzenen Kupfers aus dem Schachtofen (1) heraus aufweist, wobei in vorab festgelegten Ebenen des Schachtofens (1) zwischen der Chargieröffnung (4) und der Abstichöffnung (5) Brenner (6), vorzugsweise mehrere in mehreren Ebenen und in Reihe um den Umfang des Schachtofens (1) herum angeordnete Brenner (6), zur Aufheizung des Chargiermaterials und zum Erschmelzen des Kupfers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlmantel (2) des Schachtofens (1) zumindest in einem oberen Bereich (7) oberhalb des obersten Brenners (6) oder der obersten Reihe von Brennern (6) zylindrisch ausgebildet ist und die Feuerfestausmauerung (3) in dem oberen Bereich (7) von oben nach unten eine Abfolge von zylindrischen Teilabschnitten (8a-e) umfasst, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und deren Durchmesser sich von Teilabschnitt (8) zu Teilabschnitt (8) vergrößert. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erschmelzen von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer in einem solchen Schachtofen.

Description

Schachtofen für die Erschmelzung von Kupfer und Verfahren hierzu
1 . Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Schachtofen für die Erschmelzung von Chargiermaterial, insbesondere Kupferkathoden, zu geschmolzenem Kupfer, mit einem vertikal angeordneten Stahlmantel und darin angeordneter Festausmauerung, wobei der Stahlmantel wenigstens eine Chargieröffnung zum Zuführen des Chargiermaterials in den Schachtofen hinein sowie eine Abstichöffnung zum Abfließen des geschmolzenen Kupfers aus dem Schachtofen heraus aufweist. In vorab festgelegten Ebenen des Schachtofens sind zwischen der Chargieröffnung und der Abstichöffnung Brenner, vorzugsweise mehrere in Reihe und mehreren Ebenen um den Umfang des Schachtofens herum angeordnete Brenner, zur Aufheizung des Chargiermaterials und zur Erschmelzung des Kupfers angeordnet. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Erschmelzen von Chargiermaterial wie etwa Kupferkathoden zu geschmolzenem Kupfer in einem solchen Schachtofen.
2. Stand der Technik
Verfahren und Schachtöfen, auch bekannt als Vertikalöfen, für das Schmelzen von Kupfer sind seit Jahrzehnten aus dem Stand der Technik bekannt. In diesen wird über eine obere Chargieröffnung Kupfer in fester Form zuchargiert und mittels in einem unteren Bereich des Schachtofens angeordneter Brenner wie etwa Gasbrenner aufgeheizt und erschmolzen sowie schlussendlich über eine im unteren Bereich des Schachtofens angeordnete Abstichöffnung aus diesem herausgeführt, beispielsweise über eine Verbindungsrinne in einen Halteofen hinein oder direkt zu einer entsprechenden Gießeinrichtung. Während des Durchtritts des Chargiermaterials durch den Schachtofen hindurch von oben nach unten wird dieses kontinuierlich aufgeheizt und erreicht im Bereich der i Schmelzzone die für das Erschmelzen von Kupfer notwendige Mindesttemperatur von etwa 1250° Celsius. Der Schachtofen besteht üblicherweise aus einem zylindrischen Stahlmantel und einer darin angeordneten Festausmauerung.
Ein derartiger Schachtofen und ein Verfahren zu dessen Betreiben ist beispielsweise aus der DE 2 062 144 A1 bekannt. Die CN 214701690 U wiederum beschreibt ebenfalls einen Vertikalofen zur Produktion von Kupfer mit einem vertikal angeordneten Ofenkörper.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Füllstand des Schachtofens, der vorzugsweise mindestens bis 1 m unterhalb der Chargieröffnung mit Kupferkathoden befüllt sein sollte, mit Hilfe einer Kamera zu überwachen. Sinkt der Füllstand ab, chargiert der Bediener neue Kathoden in den Ofen hinein. Der Stahlbau des Ofens sowie die Feuerfestausmauerung zwischen Chargier- und Brennerbereich ist üblicherweise als Zylinder ausgebildet. Die Steine der Feuerfestausmauerung sind dabei so ausgestaltet, dass vorzugsweise die lange Seite dem Radius des Brennraums, der von der Stahlhülle gebildet wird, folgt. Hierbei ist es notwendig, insbesondere Verstopfungen beim Füllvorgang wie etwa Verklemmungen beim Nachrutschen im Schacht zu vermeiden, wobei jede Abweichung von der zylindrischen Form des Stahlmantels des Schachtofens oder von der Ofengeometrie angepassten Formsteinen hinsichtlich Fertigung, Montage und Statik aufwändig ist.
Darüber hinaus ist die Einstellung der Brennerleistung in der Regel so gestaltet, dass die Leistung der Brenner rein in Abhängigkeit vom Füllstand des nachfolgenden Halteofens, welcher als Speicher für die nachgeschaltete Gießanlage fungiert, eingestellt wird.
Das geschmolzene Kupfer läuft über den üblicherweise geneigt ausgebildeten Bodenbereich des Schachtofens unterhalb der untersten Brennerreihe kontinuierlich ab und wird über ein in der Ofenwand eingelassenes gemauerte Abstichöffnung in die Verbindungsrinne zum Halteofen geführt. Die Dimensionierung der Abstichöffnung beruht hierbei auf Erfahrungswerten. Nachteilig am aus der Praxis bekannten Stand der Technik ist dabei, dass die Überwachung des Füllstands mit Hilfe einer Kamera die ständige Aufmerksamkeit des Anlagenbedieners erfordert. Er ist üblicherweise dafür verantwortlich, dass rechtzeitig über die Chargiereinrichtung eine neue Ladung Kathoden in den Ofen abgekippt wird. Findet die Chargierung dabei zu früh statt, können die Kathoden durch die Chargiereinrichtung nicht in die bevorzugte senkrechte Ausrichtung positioniert werden und legen sich schräg oder waagerecht in den Schacht hinein. Dies behindert im weiteren Verlauf den optimalen Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und nachrutschenden Kathodenmaterial. Findet die Chargierung dagegen zu spät statt, nimmt die Ausmauerung dort Schaden, wo die Kathoden aus zu großer Fallhöhe gegen die Feuerfest-Ausmauerung aufschlagen. Des Weiteren verringert sich die Energieeffizienz, wenn der Ofen nicht kontinuierlich vollständig gefüllt ist.
Die Kathoden fallen beim Chargieren in relativ zufälliger Ausrichtung auf die vorher chargierte Kathodenlage. Die Brenner im unteren Bereich des Ofens schmelzen die Kathoden auf, Schmelze, die am Boden des Ofens abfließt, fließt über die Abstichöffnung ab. Die Kathoden rutschen kontinuierlich von oben nach unten nach, wobei sich die Temperatur von oben nach unten stetig erhöht. Dabei dehnen sich die Ausmauerung und die Kathoden aus und verkeilen sich häufig. Sie rutschen oftmals erst nach, wenn von oben zusätzlich Kathoden chargiert werden bzw. wenn sich das verklemmte Material deformiert und losgerissen hat. Dies führt dazu, dass die Zufuhr zum Brennerbereich nicht mehr kontinuierlich, sondern schubweise erfolgt und somit die Schmelzrate des Schachtofens variiert.
Die aus der Praxis bekannte häufige Unterbrechung des kontinuierlichen Nachrutschens und die dadurch schwankende Schmelzrate machen eine automatisierte Fahrweise des Ofens schwierig bis unmöglich, die Brennerleistung muss häufig verändert werden, teilweise muss die Verteilung der Leistung zwischen den einzelnen Brennern variiert werden.
Darüber hinaus ist die Geometrie der Abstichöffnung sehr wichtig für die Energiebilanz des Ofens, auch für dessen Zuverlässigkeit. Ist die Abstichöffnung beispielsweise zu groß, entweicht zu viel Energie über die Abstichöffnung in die angrenzende Verbindungsrinne hinein und verursacht dort Probleme, beispielsweise ein Überhitzen der dort positionierten Brenner. Ist sie dagegen zu klein, besteht die Gefahr des Verstopfens und des Einfrierens von Kupfer im Bodenbereich des Schachtofens. Beim bisherigen Stand der Technik ist eine nachträgliche Optimierung der Geometrie der Abstichöffnung aber erst nach Stillsetzen des Ofens und dem Überarbeiten der Ausmauerung im Ofeninneren möglich.
3. Aufgabe der Erfindung
Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, die Ofenfüllstandshöhe idealerweise automatisch zu überwachen und die Benutzerführung zu ersetzen. Darüber hinaus soll erfindungsgemäß erreicht werden, dass ein Verklemmen der Kathoden vermieden werden kann, um eine gezielte und kontinuierliche Schmelzrate des Schachtofens zu erreichen. Es soll mittels der Erfindung eine automatische Einstellung der Brennerleistung anstelle der bisher bekannten manuellen Nachregulierung der Brennerleistung erreicht werden. Schließlich soll die Geometrie der Abstichöffnung ohne Eingriff in die eigentliche Ausmauerung des Schachtofens von außen verändert und optimiert werden können, wodurch schlussendlich eine kontinuierliche und stationäre Fahrweise des Schachtofens bei vorzugsweise deutlich reduziertem Energieverbrauch erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Sinne mit einem Schachtofen, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 , sowie mit einem Verfahren, umfassend die Merkmale des Anspruchs 15, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert. 4. Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Schachtofen für die Erschmelzung von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer zur Verfügung gestellt, der einen vertikal angeordneten Stahlmantel und eine darin angeordnete Feuerfestausmauerung aufweist. Der Schachtofen weist wenigstens eine Chargieröffnung zum Zuführen des Chargiermaterials in den Schachtofen hinein sowie eine Abstichöffnung zum Abfließen des geschmolzenen Kupfers aus dem Schachtofen heraus auf. In vorab festgelegten Ebenen des Schachtofens zwischen der Chargieröffnung und der Abstichöffnung sind Brenner, vorzugsweise mehrere in mehreren Ebenen und in Reihe um den Umfang des Schachtofens herum angeordnete Brenner, zur Aufheizung des Chargiermaterials und zum Erschmelzen des Kupfers angeordnet. Erfindungsgemäß ist der Stahlmantel des Schachtofens zumindest in einem oberen Bereich oberhalb des obersten Brenners oder der obersten Reihe von Brennern zylindrisch ausgebildet und die Feuerfestausmauerung in dem oberen Bereich umfasst von oben nach unten eine Abfolge von zylindrischen Teilabschnitten, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und einen jeweiligen Durchmesser aufweisen, der sich von Teilabschnitt zu Teilabschnitt vergrößert.
Im erfindungsgemäßen Sinne wird demnach ein Schachtofen zur Verfügung gestellt, dessen Innendurchmesser zumindest in einem Teilbereich, vorzugsweise in einem wesentlichen Teil (mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 80% der Schachtlänge) des Schachts oberhalb der Brenner, insbesondere in denjenigem Teil des Schachts, der sich an den Bereich unterhalb der Chargieröffnung anschließt und sich bis zur obersten Brennerebene erstreckt, besonders bevorzugt über die gesamte Länge des Schachts oberhalb der Brenner, sich schrittweise vergrößert, um so ein kontinuierliches und störungsfreies Nachrutschen festen Chargiermaterials, beispielsweise in Form von Kupferkathodenplatten, trotz der Erwärmung sowohl der Feuerfestausmauerung als auch des Chargiermaterials während des Betriebs des Schachtofens, zu ermöglichen. Besonders bevorzugt wird, wenn der Schachtofen wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens fünf solcher aufeinander folgender und aneinander angrenzender Teilabschnitte mit sich schrittweise vergrößernden Innendurchmessern der Feuerfestausmauerung aufweist.
Hierdurch kann bei Beibehaltung eines zylindrischen Stahlmantels gewährleistet werden, dass trotz der wärmebedingten Ausdehnung von Ausmauerung und Kathoden ein Verkeilen der Kathoden innerhalb des Schachtofens verringert oder gänzlich vermieden werden kann. Die chargierten Kathoden können trotz der Wärmeausdehnung nachrutschen und einen kontinuierlichen Ofenbetrieb gewährleisten. Die Temperatur von oben nach unten innerhalb des Schachtofens erhöht sich kontinuierlich, ein optimaler Wärmeaustausch zwischen dem Abgas der Brenner und dem nachrutschenden Kathodenmaterial kann sichergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchmesser der zylindrischen Teilabschnitte der Feuerfestausmauerung so ausgebildet, dass die thermische Ausdehnung des Feuerfestmaterials, vorzugsweise die thermische Ausdehnung des Feuerfestmaterials und des Chargiermaterials, unter Betriebsbedingungen des Schachtofens zumindest kompensiert wird. Hierdurch wird ein störungsfreier Betrieb des Schachtofens sichergestellt, bei dem das Chargiermaterial, insbesondere die Kupferkathoden, bei Übergang von einem ersten Teilabschnitt in einen angrenzenden, darunter angeordneten zweiten Teilabschnitt der Feuerfestausmauerung sicher übertreten können, ohne dass das Nachrutschen des Kathodenmaterials aufgrund von Verklemmungen erschwert würde. Die Begriffe „erster Teilabschnitt“ und „zweiter Teilabschnitt“ umfassen im erfindungsgemäßen Sinne jedes Paar von zwei übereinander angeordneten und zueinander benachbarten Teilabschnitten. Vorzugsweise beträgt die Durchmesserdifferenz zwischen einem ersten Teilabschnitt und einem zweiten Teilabschnitt wenigstens 16 mm, vorzugsweise wenigstens 20 mm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Sensor, vorzugsweise drei übereinander angeordnete Sensoren, zur Messung des Füllstands des Schachtofens mit Chargiermaterial vorgesehen. Diese Sensoren sind besonders bevorzugt oberhalb der obersten Brennerebene und unmittelbar unterhalb der Chargieröffnung, besonders bevorzugt nicht mehr als 1 m bezogen auf den obersten Sensor unterhalb der Chargieröffnung, angeordnet. In einer überaus bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind dem wenigstens einen Sensor, vorzugsweise den drei Sensoren, jeweils ein Empfänger zugeordnet, der besonders bevorzugt dem jeweiligen Sensor gegenüberliegend in der Ebene des jeweiligen Sensors dem Schachtofen angeordnet ist. Hierdurch wird eine einfache und zuverlässige Messung der Füllhöhe des Schachtofens erreicht, die eine visuelle Überprüfung unnötig macht.
Die Sensoren messen hierdurch den Füllstand des Schachts horizontal und können feststellen, ob der Schachtofen in der jeweiligen Ebene, die vom Sensor gegebenenfalls dem damit verbundenen Empfänger, abgedeckt wird, befüllt ist. Bevorzugt wird, wenn während des Unterschreitens eines vorab festgelegten Schwellenwertes für die Befüllung ein Alarmsignal ausgegebenen wird, das anzeigt, ob eine neue Chargierung notwendig ist. Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, wenn die Sensoren mit einer Einrichtung verbunden sind, die bei Unterschreiten eines vorab festgelegten Schwellenwerts automatisch ein Nachfüllen durch das Chargiersystem veranlasst. Hierdurch wird mit besonders einfachen Mitteln ein höherer Grad an Automatisierung als in den bisher bekannten Schachtöfen für die Erschmelzung von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer erreicht. Die idealerweise drei Sensoren sind unterhalb der Chargierebene im Schachtofen in Abständen von vorzugsweise 400 - 600 mm, insbesondere 450 - 550 mm, ganz besonders bevorzugt von 500 mm, zueinander angebracht und messen, ob sich in der abgetasteten Ebene Chargiermaterial befindet. In diesem Bereich des Schachtofens, in dem sich das Kupfer von Raumtemperatur bis nahezu der Schmelztemperatur erwärmt, wird das Verklemmen der Kupferkathoden oder jedes anderen Chargiermaterials dadurch verhindert, dass die Wärmeausdehnung des Chargiermaterials durch die schrittweise Erhöhung des Durchmessers des Feuerfestmatenals von oben nach unten zumindest ausgeglichen wird. Die Wärmeausdehnung des Kupfers beträgt 16,5*10A -6 1/K und die der Ausmauerung etwa 5*10A-6 1/K. Die Ausmauerung ist dabei so gestaltet, dass einerseits die kostengünstige zylindrische Außenform des Stahlmantels und des Feuerfestmaterials oberhalb der Brennerreihen erhalten bleibt, andererseits die Tragfähigkeit der Feuerfestausmauerung gewährleistet und die Fertigung der vorgefertigten Steine möglichst kostengünstig bleibt.
Bevorzugt wird gemäß der Erfindung, wenn im Bereich der Abstichöffnung ein Messsensor, vorzugsweise eine mit dem Schachtofen verbundene Messlanze, zur Messung der Temperatur des geschmolzenen Kupfers beim Austritt aus der Abstichöffnung angeordnet ist. Insbesondere dann, wenn die aktuelle Produktionsrate der nachgeschalteten Gießanlage ebenfalls gemessen wird, kann mit Hilfe eines Prozessmodells die Wärmebilanz des Schachtofens errechnet und die benötigte aktuelle Gasmenge bzw. Brennerleistung der einzelnen Brenner oder Brennerreihen bestimmt werden. Daraus ergibt sich die Grundeinstellung der Brenner, die Brennerleistung wird üblicherweise so eingestellt, dass die Brenner einer jeweiligen Reihe mit jeweils gleicher Leistung arbeiten und die Leistungsverteilung der einzelnen Reihen vorab eingestellt wird. Insbesondere dann, wenn das aktuelle Gewicht sowie die Gewichtsänderung der Kupferschmelze in dem dem Schachtofen nachgeordneten Halteofen bestimmt wird, kann mit diesen Werten die oben genannte Einstellung fortwährend korrigiert werden. Mit Hilfe dieser Regelung ist insbesondere nach dem Anfahren des Schachtofens kein weiterer manueller Eingriff für die Brennereinstellung notwendig, der Betrieb des Schachtofens erfolgt dann vorzugsweise vollständig automatisch.
Bevorzugt wird überdies, wenn die Feuerfestausmauerung für die Abstichöffnung aus dem Bereich der Feuerfestausmauerung und durch den Stahlmantel hindurch von innen nach außen über die Längserstreckung des Stahlmantels hinausragend ausgestaltet wird. Bevorzugt wird die Höhe der Abstichöffnung dabei durch einen Formstein definiert, der seitlich in die angrenzenden Feuerfeststeine eingefügt und von oben durch weitere Steine fixiert wird. Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, dass der über den Stahlmantel des Schachtofens hinausragende Teil der Feuerfestausmauerung, insbesondere des Formsteins und der diesen umgebenden Feuerfeststeine, von einer Stahlmanschette oder einem Stahlrahmen umgeben ist, über den die Dichtigkeit dieses Bereichs des Schachtofens um die Öffnung des Formsteines herum gewährleistet werden kann. Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, wenn ein Teil der Stahlmanschette oder des Stahlrahmens, insbesondere eine obere Stahlplatte, lösbar mit dieser verbunden ist. Die lösbare Verbindung der Stahlplatte vom Rest der Stahlmanschette oder des Stahlrahmens kann bevorzugt mittels Verklemmen oder Verschrauben erreicht werden. Nach dem Abnehmen der Stahlplatte kann ein ungehinderter Zugriff auf die in der Stahlmanschette oder dem Stahlrahmen eingebetteten Feuerfeststeine und/oder den Formstein ermöglicht werden, ohne dabei in das Ofeninnere des Schachtofens eingreifen zu müssen.
Besonders bevorzugt wird erfindungsgemäß auch, wenn stromabwärts der Abstichöffnung des Schachtofens ein Halteofen angeordnet ist, der mit einem Sensor, vorzugsweise einer Wiegezelle zur Messung des Gewichts der Schmelze im Halteofen sowie zur Erfassung der Gewichtsänderung im Halteofen verbunden ist. Hierdurch wird mit besonders einfachen Mitteln ein Messparameter erhalten, der mit Hilfe eines Prozessmodells die Errechnung der Wärmebilanz des Schachtofens und die damit verbundene benötigte aktuelle Gasmenge bzw. Brennerleistung zu bestimmen erlaubt.
Besonders bevorzugt wird, wenn die Leistung jeder Reihe von Brennern, vorzugsweise jedes einzelnen Brenners, individuell und vorzugsweise automatisch geregelt oder gesteuert werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Thermoelemente im Bereich der Feuerfestausmauerung, insbesondere im Bereich der Brenner und/oder im darüber angeordneten Schacht zur Erfassung der Temperatur der Feuerfestausmauerung vorgesehen. Die hierdurch erfassbaren Messwerte können zur Optimierung der Temperaturen der Ausmauerung im Hinblick auf deren Standzeit genutzt und zum vorzugsweise automatischen Betreiben des Schachtofens herangezogen werden.
Weiterhin wird bevorzugt, wenn eine Steuerungs- oder Regelungseinheit dazu eingerichtet und ausgelegt ist, den Füllgrad des Schachtofens und/oder die Schmelzrate des Schachtofens vorzugsweise automatisch zu steuern oder zu regeln, insbesondere eine kontinuierliche Zuführung von Chargiermaterial und/oder eine möglichst konstante Schmelzrate zu gewährleisten. Dies alles dient der Erhöhung der Effizienz des Schachtofens und der Erzielung eines möglichst hohen thermischen Wirkungsgrads.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erschmelzen von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer in einem Schachtofen gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt der Erfindung zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungs- oder Regelungseinheit die Chargierung des Schachtofens, den Füllstand innerhalb des Schachtofens sowie die Leistung jeder Reihe von Brennern, vorzugsweise jedes einzelnen Brenners, vorzugsweise automatisch steuert oder regelt. Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, dass die Steuerungs- oder Regelungseinheit auf Grundlage gemessener Parameter und unter Verwendung eines Prozessmodells die Wärmebilanz des Schachtofens errechnet.
Die hierfür verwendeten gemessenen Parameter umfassen den Füllstand des Schachtofens, die Temperatur des geschmolzenen Kupfers bei Austritt aus der Abstichöffnung sowie vorzugsausweise auch das Gewicht und/oder die Gewichtsänderung des geschmolzenen Kupfers innerhalb eines der Abstichöffnung stromabwärts angeordneten Halteofens, besonders bevorzugt auch die Produktionsrate einer dem Schachtofen nachgeschalteten Gießanlage.
Besonders bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, wenn die gemessenen Parameter zur Berechnung der Wärmebilanz des Schachtofens in ein Prozessmodell eingegeben, mittels dem die aktuell benötigte Brennerleistung, besonders die von jedem Brenner benötigte Brennstoffmenge, bestimmt wird.
Die Geometrie der Abstichöffnung ist für die Energiebilanz des Ofens mit bestimmend, gleiches gilt auch für die Zuverlässigkeit des Schachtofen-Betriebs insgesamt. Die Abstichöffnungsgeometrie limitiert wesentlich die aus dem Schachtofen in die Verbindungsrinne hinein austretende Heißluftmenge. Je geringer diese Heißluftmenge ist, desto energieeffizienter kann der Schachtofen insgesamt betrieben werden. Gleichzeitig muss berücksichtigt werden, dass insbesondere Schlacke den Austritt von Kupferschmelze aus der Abstichöffnung behindern kann. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn die die Abstichöffnung definierenden Komponenten wie Formstein und die den Formstein umgebenden Feuerfeststeine leicht zugänglich und außerhalb des Stahlmantels angeordnet sind. Darüber hinaus ermöglicht die Bereitstellung einer Stahlmanschette oder eines Stahlrahmens um die aus dem Stahlmantel herausragenden Teile der Abstichöffnung die effiziente Limitierung unerwünschten Heißluftaustritts. Mit der bevorzugten lösbaren Stahlplatte an der Stahlmanschette oder dem Stahlrahmen ist der Zugriff zu allen Komponenten der Abstichöffnung dennoch leicht umsetzbar.
Gemäß der Erfindung kann somit gewährleistet werden, dass die Schmelzrate des Schachtofens nicht oder nur minimal variiert. Zudem kann sichergestellt werden, dass eine optimale Befüllung des Schachtofens gewährleistet ist, wodurch ein hoher thermischer Wirkungsgrad erzielbar ist. Durch die kontinuierliche Zufuhr von Chargiermaterial zum Brennerraum kann eine wirksame Regelung der Schmelzrate des Schachtofens erreicht werden, gleichzeitig kann durch die implementierte Regelung die automatische Einstellung der Brenner erfolgen. Schließlich kann durch die Optimierung der Abstichöffnungshöhe die Energiebilanz des Ofens weiter verbessert werden.
5. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf fünf Figuren näher erläutert, wobei in diesen Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, die den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken. In den Figuren zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittansicht durch einen Schachtofen gemäß der Erfindung,
Figur 2 eine Detailansicht eines oberen Bereichs des Schachtofens gemäß Figur 1 ,
Figur 3 eine geschnittene Ansicht durch die Feuerfestausmauerung im
Bereich der Abstichöffnung eines erfindungsgemäßen Schachtofens,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht durch ein System zum
Messen der Füllstandshöhe in drei Ebenen, und Figur 5 eine Prinzipskizze für die automatische Brennerregelung im erfindungsgemäßen Schachtofen.
6. Detaillierte Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen erfindungsgemäßen Schachtofen 1 für die Erschmelzung von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer. Der Schachtofen 1 besteht aus einem vertikal angeordneten Stahlmantel 2 und darin angeordneter Feuerfestausmauerung 3. Der Stahlmantel 2 weist eine oben im Schachtofen 1 angeordnete Chargieröffnung 4 zum Zuführen des Chargiermaterials in den Schachtofen 1 hinein sowie eine Abstichöffnung 5 zum Abfließen des geschmolzenen Kupfers aus dem Schachtofen 1 heraus auf. Im unteren Bereich des Schachtofens 1 sind Brenner 6 in Reihen oder Ebenen um den Umfang des Schachtofens 1 angeordnet, wobei in der vorliegenden Ausführungsform drei Reihen von Brennern 6 vorgesehen sind. Während die oberen beiden Reihen von Brennern 6a, b in einer horizontalen Ebene im Schachtofen 1 angeordnet sind, liegt die Ebene für die untere Reihe von Brennern 6c im Wesentlichen parallel zu einer abschüssigen Bodenebene 7 im Schachtofen 1 vor, entlang der das geschmolzene Kupfer im Bereich der Brenner 6 auf die Abstichöffnung 5 hin geführt wird. Oberhalb des Bereichs der Brenner 6 weist der Schachtofen 1 einen Schachtbereich 7 auf, in dem im Wesentlichen festes Chargiermaterial in der Form von Kupferkathoden von oben nach unten aufgrund der Schwerkraft gefördert wird und dort kontinuierlich von der Chargiertemperatur auf die Aufschmelztemperatur aufgeheizt wird. Im vorliegenden Fall weist der Schachtbereich 7 des Schachtofens 1 oberhalb der Brenner 6 eine Höhe von etwa 9 m mit einem minimalen Innendurchmessen von 1804 mm auf. Der Schachtbereich 7 des Schachtofens 1 oberhalb der Brenner 6 besteht aus einer Mehrzahl von zylindrischen Teilabschnitten 8a-e, deren Durchmesser von Teilabschnitt 8 zu Teilabschnitt 8 sich um jeweils 20 mm vergrößert, Die Durchmesser der Teilabschnitte 8 sind so gestaltet, dass auch bei einer Erwärmung des Feuerfestmaterials, das einen Temperaturgradienten sowohl von oben nach unten als auch von innen nach außen aufweist, ein sicheres Rutschen des Chargiermaterials von oben nach unten auch über die mehreren Teilabschnitte 8a-e der Feuerfestausmauerung 3 gewährleistet ist.
Figur 2 zeigt eine Detailansicht des oberen Bereichs des Schachtofens 1 aus Figur 1. Im Bereich der Chargieröffnung 4 ist ein zylindrischer Abschnitt der Feuerfestausmauerung 3 mit einem Durchmesser von 1804 mm vorgesehen, dem in Schwerkraftrichtung nach unten ein erster Teilabschnitt 8a der Feuerfestausmauerung 3 angrenzt. Daran anschließend ist ein weiterer Teilabschnitt 8b in der Feuerfestausmauerung 3 vorgesehen, der wieder einen Innendurchmesser aufweist, der um 20 mm größer als im oberen, angrenzenden Teilabschnitt 8a ausgebildet ist, somit 1844 mm beträgt.
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Bereich des (nicht dargestellten) Schachtofens im Bereich der Abstichöffnung 5. Die Abstichöffnung 5 wird durch einen Formstein 5a definiert, der oben und unten von einer Reihe von Feuerfeststeinen 5b umgeben ist. Sowohl der Formstein 5a als auch die direkt an den Formstein 5a angrenzenden Feuerfeststeine 5b sind so angeordnet, dass ein Teil zumindest des Formsteins 5a aus dem Schachtofen 1 heraus über die Längserstreckung des Stahlmantels 2 hinausragend vorliegt. Dieser hinausragende Abschnitt von Formstein 5a und den ihn umgebenden Feuerfeststeinen 5b wird an den Stahlmantel 2 anschließend von einer Stahlmanschette oder einem Stahlrahmen umgeben. Ein integraler Bestandteil dieser Stahlmanschette oder des Stahlrahmens ist eine obere Stahlplatte 5c, die lösbar über Klemmelemente mit der Stahlmanschette oder dem Stahlrahmen verbunden ist. Wird die Stahlplatte 5c entfernt, ergibt sich ein im Wesentlichen ungehinderter Zugang zu denjenigen Teilen der Feuerfestkomponenten der Abstichöffnung 5, die über den Stahlmantel 2 hinausragen.
Figur 4 zeigt eine schematische Teilansicht des oberen Bereichs des Schachtofens 1 etwa 1 m unterhalb der (nicht dargestellten) Chargieröffnung. Außen am Stahlmantel 2 sind in drei Ebenen 10a bis 10c etwa 1 m unterhalb der (nicht dargestellten) Chargieröffnung und in einem Abstand von ca. 500 mm zueinander drei Sensoren 12a bis 12c sowie drei mit diesen in Wirkverbindung stehende Empfänger 13a bis 13c dargestellt. Mittels der Sensoren 12a bis 12c kann somit bestimmt werden, ob auf Höhe der Sensoren 12a bis 12c und Empfänger 13a bis 13c festes Chargiermaterial innerhalb des Schachtofens 1 vorliegt oder nicht.
Figur 5 zeigt eine Prinzipskizze über die automatische Regelung der Brennerleistung innerhalb eines erfindungsgemäßen Schachtofens 1. Die Messung der Temperatur des aus der Abstichöffnung 5 austretenden geschmolzenen Kupfers mittels einer Messzelle 9a sowie das Gewicht des in einem Halteofen 14 geschmolzenen Kupfers mittels einer Messzelle 9 werden einer Steuerungs- oder Regelungseinheit 15 zugeführt, über die unter Berücksichtigung der aktuellen Produktionsrate der nachgeschalteten und nicht dargestellten Gießanlage die Leistung eines jeweiligen Brenners 6 innerhalb des Schachtofens 1 eingestellt wird. Hierdurch wird ein konstanter Betrieb des Schachtofens 1 im Wesentlichen automatisiert bei vorzugsweise konstanter Brennerleistung und konstantem Strom geschmolzenen Kupfers aus der Abstichöffnung 5 in den Halteofen 14 hinein gewährleistet.
Bezugszeichenliste
1 Schachtofen
2 Stahlmantel
3 Feuerfestausmauerung
4 Chargieröffnung
5 Abstichöffnung
5a Formstein
5b Feuerfeststein
5c Stahlplatte
6 Brenner
7 Bodenebene
8 Schachtbereich
9 Messzelle
9a Messzelle
10a - 10c Sensorebene
12a - 12c Sensoren
13a - 13c Empfänger
14 Halteofen
15 Steuerungs- oder Regelungseinheit

Claims

Patentansprüche:
1. Schachtofen (1) für die Erschmelzung von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer, mit einem vertikal angeordneten Stahlmantel (2) und darin angeordneter Feuerfestausmauerung (3), wobei der Stahlmantel (2) wenigstens eine Chargieröffnung (4) zum Zuführen des Chargiermaterials in den Schachtofen (1 ) hinein sowie eine Abstichöffnung (5) zum Abfließen des geschmolzenen Kupfers aus dem Schachtofen (1) heraus aufweist, wobei in vorab festgelegten Ebenen des Schachtofens (1 ) zwischen der Chargieröffnung (4) und der Abstichöffnung (5) Brenner (6), vorzugsweise mehrere in mehreren Ebenen und in Reihe um den Umfang des Schachtofens (1) herum angeordnete Brenner (6), zur Aufheizung des Chargiermaterials und zum Erschmelzen des Kupfers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlmantel (2) des Schachtofens (1) zumindest in einem oberen Bereich (7) oberhalb des obersten Brenners (6) oder der obersten Reihe von Brennern (6) zylindrisch ausgebildet ist und die Feuerfestausmauerung (3) in dem oberen Bereich (7) von oben nach unten eine Abfolge von zylindrischen Teilabschnitten (8a-e) umfasst, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und deren Durchmesser sich von Teilabschnitt (8) zu Teilabschnitt (8) vergrößert.
2. Schachtofen (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der zylindrischen Teilabschnitte (8a-e) der Feuerfestausmauerung (3) so ausgebildet ist, dass die thermische Ausdehnung des Feuerfestmatenals (3), vorzugsweise die thermische Ausdehnung des Feuerfestmatenals (3) und des Chargiermaterials, unter Betriebsbedingungen des Schachtofens (1 ) zumindest kompensiert wird.
3. Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des einem ersten Teilabschnitt (8a) benachbarten zweiten Teilabschnitts (8b) wenigstens 16 mm, vorzugsweise wenigstens 20 mm, größer ist als der Durchmesser des ersten Teilabschnitts (8a). Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Teilabschnitte (8a-e) eine Höhe von jeweils wenigstens 1200 mm, vorzugsweise mehr als 1300 mm, insbesondere zwischen 1300 mm und 1400 mm, aufweisen. Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 4, vorzugsweise 5, zylindrische Teilabschnitte (8a-e) übereinander angeordnet sind. Schachtofen (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (12), vorzugsweise drei übereinander angeordnete Sensoren (12a-c), zur Messung des Füllstands des Schachtofens (1) mit Chargiermaterial im Schachtofen (1 ), vorzugsweise oberhalb der obersten Brennerebene (6a), insbesodnere unmittelbar unterhalb der Chargieröffnung (4), besonders bevorzugt nicht mehr als 1 m bezogen auf den obersten Sensor (12a) unterhalb der Chargieröffnung (4), angeordnet sind. Schachtofen (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen Sensor (12), vorzugsweise den drei Sensoren (12a-c), jeweils ein Empfänger (13) zugeordnet ist, der vorzugsweise dem jeweiligen Sensor (13) gegenüberliegend in der Ebene (10) des Sensors (12) am Schachtofen (1 ) angeordnet ist. Schachtofen (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Abstichöffnung (5) ein Messsensor, vorzugsweise eine mit dem Schachtofen verbundene Messlanze, zur Messung der Temperatur des geschmolzenen Kupfers beim Austritt aus der Abstichöffnung (5) angeordnet ist.
9. Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerfestausmauerung (3) im Bereich der Abstichöffnung (5) von innen nach außen seitlich über den Stahlmantel (2) des Schachtofens (1 ) hinausragend vorgesehen ist.
10. Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerfestausmauerung (3) im Bereich der Abstichöffnung (5) wenigstens einen die Höhe der Abstichöffnung (5) definierenden Formstein (5a) aufweist, der sowohl von oben und unten als auch seitlich von an den Formstein (5a) angrenzenden Steinen (5b) der Feuerfestausmauerung (3) umgeben ist, wobei diejenigen Komponenten der Abstichöffnung (5), insbesondere des Formsteins (5a) und der diesen umgebenden Feuerfeststeine (5b), die über den Stahlmantel (2) hinausragend angeordnet sind, mit einer Stahlmanschette oder einem Stahlrahmen umgeben sind, die oder der eine Stahlplatte (5c), vorzugsweise eine oben an der Stahlmanschette oder dem Stahlrahmen angeordnete Stahlplatte (5c) aufweist, die lösbar mit der Stahlmanschette oder dem Stahlrahmen verbunden ist.
11. Schachtofen (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Stahlpatte (5c) mit der Stahlmanschette oder dem Stahlrahmen mittels Verklemmung oder Verschraubung verbunden ist.
12. Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Abstichöffnung (5) des Schachtofens (1) ein Halteofen (14) angeordnet ist, der mit einem Sensor, vorzugsweise einer Wiegezelle (9), zur Messung des Gewichts der Schmelze im Halteofen (14) sowie zur Erfassung der Gewichtsänderung im Halteofen (14) verbunden ist. Schachtofen (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12) mit einer Überwachungseinheit verbunden sind, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, wenigstens ein Warnsignal bei Unterschreiten eines vorab festgelegten Schwellenwerts für die Befüllung des Schachtofens (1 ) mit Chargiermaterial und vorzugsweise einen Befehl zur insbesondere automatischen Chargierung des Schachtofens (1) mit Chargiermaterial auszugeben. Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Steuerungs- oder Regelungseinheit (15) verbunden ist, die auf Grundlage gemessener Parameter und unter Verwendung eines Prozessmodells die Wärmebilanz des Schachtofens (1 ) errechnet und daraus die aktuelle benötigte Brennerleistung, vorzugsweise die aktuelle benötigte Brennstoffmenge, bestimmt. Schachtofen (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- oder Regelungseinheit (15) dazu ausgelegt und eingerichtet ist, die Leistung jeder Reihe von Brennern (6a-c), vorzugsweise jedes einzelnen Brenners (6), individuell und vorzugsweise automatisch zu steuern oder zu regeln. Schachtofen (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Thermoelemente im Bereich der Feuerfestausmauerung (3), insbesondere im Bereich der Brenner (6) und/oder im darüber angeordneten Schacht (7) zur Erfassung der Temperatur der Feuerfestausmauerung (3) vorgesehen sind.
17. Schachtofen (1) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungs- oder Regelungseinheit (15) dazu eingerichtet und ausgelegt ist, den Füllgrad des Schachtofens (1) und/oder die Schmelzrate des Schachtofens (1) vorzugsweise automatisch zu steuern oder zu regeln, insbesondere eine kontinuierliche Zufuhr von Chargiermaterial und/oder eine möglichst konstante Schmelzrate zu gewährleisten.
18. Verfahren zum Erschmelzen von Chargiermaterial zu geschmolzenem Kupfer in einem Schachtofen (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steurungs- oder Regelungseinheit (15) die Chargierung des Schachtofens (1 ), den Füllstand innerhalb des Schachtofens (1 ) und die Leistung jeder Reihe von Brennern (6a-c), vorzugsweise jedes einzelnen Brenners (6), vorzugsweise automatisch steuert oder regelt.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- oder Regelungseinheit (15) auf Grundlage gemessener Parameter und unter Verwendung eines Prozessmodells die Wärmebilanz des Schachtofens (1 ) errechnet.
20. Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Parameter den Füllstand des Schachtofens (1), die Temperatur des geschmolzenen Kupfers bei Austritt aus der Abstichöffnung (5) und vorzugsweise auch das Gewicht und/oder die Gewichtsänderung des geschmolzenen Kupfers innerhalb eines der Abstichöffnung (5) stromabwärts angeordneten Halteofens (14), besonders bevorzugt auch die Produktionsrate einer dem Schachtofen (1) nachgeschalteten Gießanlage, umfassen.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Parameter zur Berechnung der Wärmebilanz des Schachtofens (1) in ein Prozessmodell eingegeben werden, mittels dessen die aktuell benötigte Brennerleistung, vorzugsweise die von jedem Brenner (6) benötige Brennstoffmenge, bestimmt wird. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Abstichöffnung (5) und/oder deren Geometrie, insbesondere die Größe der Abstichöffnung (5), und damit verbunden die aus dem Schachtofen (1 ) austretende Menge an Heißluft oder heißem Gas pro Zeiteinheit, veränderbar ist. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Schachtofens (1) zumindest nach dessen Anfahren automatisch erfolgt.
EP23732004.9A 2022-06-17 2023-06-06 Schachtofen für die erschmelzung von kupfer und verfahren hierzu Pending EP4540568A1 (de)

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