WO2002103067A2 - Verfahren zum einschmelzen von aluminium in einem schachtschmelzofen - Google Patents

Verfahren zum einschmelzen von aluminium in einem schachtschmelzofen Download PDF

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Dietmar Wieck
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    • F27B1/26—Arrangements of controlling devices
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    • F27D7/04—Circulating atmospheres by mechanical means
    • F27D2007/045—Fans

Definitions

  • the present invention relates to a process for melting aluminum, comprising the steps of: feeding an aluminum-containing feed to a furnace, preheating the feed by furnace exhaust gas in an upper region of the furnace, and heating the feed by means of at least one burner to form an aluminum melt in a lower Area of the furnace, wherein an oxygen-rich gas and fuel are fed to the burner and a burner flame which acts on the feed material in the melting region and contributes to the furnace exhaust gas is thus generated.
  • Shaft melting furnaces are frequently used in aluminum foundries, in which feedstocks are melted in the form of aluminum bars, cycles or scrap.
  • the flue gas from the burner from the holding area and the melting area is used to preheat the feed materials. These are charged into the furnace shaft, preheated there as they sink, and melted in the lower area by means of burners.
  • the molten aluminum flows over a melting bridge into a stove area, which is required as a collector and for adjusting the temperature.
  • the shaft melting furnaces are usually designed for a certain burner output. Increasing the burner output for the purpose of increasing the melting capacity therefore generally also requires an adaptation of the exhaust gas routing and the filter system.
  • the invention has for its object to modify the process for melting aluminum-containing feed material using an oxygen-rich gas so that the associated disadvantages with regard to the preheating of the aluminum insert are avoided.
  • this object is achieved according to the invention in that the furnace exhaust gas is drawn off in the upper region of the furnace and is at least partially reintroduced as recirculated, heated gas in the lower region.
  • oxygen-rich gas is understood to mean oxygen or air enriched with oxygen.
  • the furnace exhaust gas mainly consists of the combustion products CO 2 and H 2 O. It is drawn off from the furnace and fed back to it as recirculated gas. By re-introducing the furnace exhaust gas or one Part of it as "heated, recirculated gas", the reduction in burner exhaust gas associated with the use of the oxygen-rich gas can be fully or partially compensated for. The additional amount of gas inside the furnace improves the convective heat transfer for preheating the feed material in the furnace shaft.
  • a particular advantage of this procedure compared to feeding in additional air is that the furnace exhaust gas - when using an oxygen burner - is essentially nitrogen-free and thus the NO ⁇ formation is reduced.
  • Another advantage is that the recirculated gas is already heated and thus contributes to better energy utilization. The The amount of heat from the recirculated gas additionally increases the melting capacity of the furnace.
  • One or more burners are provided.
  • the recirculated gas is fed to the at least one burner.
  • An additional opening in the furnace wall for introducing the recirculated gas and a corresponding modification of an existing furnace can thus be avoided.
  • the furnace waste gas is preferably drawn off by means of a blower and at the same time serves to feed the furnace waste gas - or a part thereof - back to the burner as recirculated gas.
  • the fan thus ensures the circulation of the furnace exhaust gas. By changing the fan speed, the amount of furnace exhaust gas removed can be adapted to the requirements.
  • a controllable hot gas blower is particularly suitable for this purpose.
  • the oxygen content of the furnace atmosphere is measured and the measured value is used as a manipulated variable for regulating an oxygen supply to the burner. This makes it possible to keep the stoichiometry of the burner flame constant with respect to oxygen.
  • the measurement of the oxygen content in the furnace atmosphere ensures a stable and reproducible melting process by regulating the flame stoichiometry.
  • This also plays a role in a further advantageous development of the invention, in which combustible components of the furnace atmosphere are afterburned in the fan.
  • the afterburning removes combustible components of the furnace atmosphere, such as oil on aluminum chips, from the furnace exhaust gas and thus ensures stable combustion.
  • a controlled supply of oxygen is advantageous for this, which is ensured by measuring the oxygen content in the furnace atmosphere.
  • the recirculated gas is introduced into the furnace above and / or below the burner flame.
  • the recirculated gas is colder than the burner flame and therefore helps to reduce its temperature. This reduces the formation of NO x .
  • the vault is additionally protected against the radiation from the burner flame, and wear is thereby prevented
  • the recirculated gas is ideally introduced into the furnace in such a way that it envelops the burner flame.
  • the method according to the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
  • the exemplary embodiment relates to the retrofitting of a shaft melting furnace previously operated with air burners for aluminum ingots and circuit material with oxygen burners.
  • the aluminum is automatically fed into the shaft, preheated there as it sinks and melted with burners.
  • the molten metal flows into a stove area, which is required as a collector and for adjusting the temperature.
  • the exhaust gas is used to preheat the solid aluminum.
  • oxygen burners built into a ceramic block were used to convert the furnace accordingly.
  • the ceramic block is simply installed in the wall of the furnace. It is not necessary to cool the burner.
  • the furnace was therefore additionally equipped with a hot gas recirculation.
  • a hot gas blower was installed at the upper end of the furnace shaft, by means of which the combustion exhaust gas is drawn off and returned to the furnace via the burner.
  • the exhaust gas exits the burner via an annular outer nozzle so that the furnace flame is enveloped by hot furnace gas. This shielding of the burner flame protects the refractory lining from overheating.
  • the flame temperature and the nitrogen content in the furnace atmosphere are reduced, thereby reducing NOx formation.
  • a speed control is installed to control the output of the hot gas blower.
  • the oxygen content of the furnace atmosphere is measured.
  • the measured value is used to regulate the oxygen supply to the burners in such a way that the burners are operated with constant flame stoichiometry.
  • the temperature of the furnace exhaust gas in the fan is around 1200 ° C.
  • the supply of oxygen in the blower enables post-combustion of pyrolysis gas that contains combustible components.
  • the shaft melting furnace is operated with two burners, the volume fraction of the furnace exhaust gas supplied being between 2 and 10 times the other burner gases (fuel gases and oxygen), depending on the mode of operation.

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Abstract

Zum Einschmelzen von Aluminium in einem Ofen ist ein Verfahren bekannt, bei welchem ein aluminiumhaltiges Einsatzmaterial einem Ofen zugeführt, darin in einem oberen Bereich des Ofens durch Ofenabgas vorgewärmt, und mittels mindestens eines Brenners unter Bildung einer Aluminiumschmelze in einem unteren Bereich des Ofens erhitzt wird, wobei dem Brenner ein sauerstoffreiches Gas und Brennstoff zugeführt und damit eine auf das Einsatzmaterial im Schmelzbereich einwirkende und zum Ofenabgas beitragende Brennerflamme erzeugt wird. Um hiervon ausgehend ein Verfahren unter Einsatz eines Sauerstoffbrenners oder eines Mischbrenners anzugeben, bei dem Nachteile hinsichtlich der Vorwärmung des Aluminiumeinsatzes vermieden werden, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass das Ofenabgas im oberen Bereich des Ofens abgezogen und im unteren Bereich mindestens teilweise als rezirkuliertes, erwärmtes Gas wieder eingeleitet wird.

Description

Verfahren zum Einschmelzen von Aluminium
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschmelzen von Aluminium, umfassend die Verfahrensschritte: Zufuhr eines aluminiumhaltigen Einsatzmaterials zu einem Ofen, Vorwärmen des Einsatzmaterials durch Ofenabgas in einem oberen Bereich des Ofens, und Erhitzen des Einsatzmaterials mittels mindestens eines Brenners unter Bildung einer Aluminiumschmelze in einem unteren Bereich des Ofens, wobei dem Brenner ein sauerstoffreiches Gas und Brennstoff zugeführt und damit eine auf das Einsatzmaterial im Schmelzbereich einwirkende und zum Ofenabgas beitragende Brennerflamme erzeugt wird.
In Aluminiumgießereien werden häufig Schachtschmelzöfen eingesetzt, in denen Einsatzstoffe in Form von Aluminiumbarren, -kreislauf oder -schrott erschmolzen werden. Bei diesem Ofentyp wird das Abgas der Brenner aus dem Warmhaltebereich und dem Schmelzbereich zur Vorwärmung der Einsatzstoffe genutzt. Diese werden in den Ofenschacht chargiert, darin beim Absinken vorgewärmt und im unteren Bereich mittels Brennern erschmolzen. Das geschmolzene Aluminium fließt über eine Schmelzbrücke in einen Herdbereich, der als Sammler und zum Einstellen der Temperatur erforderlich ist.
Die Schachtschmelzöfen sind üblicherweise für eine bestimmte Brennerleistung ausgelegt. Eine Erhöhung der Brennerleistung zum Zweck einer Steigerung der Schmelzleistung erfordert daher in der Regel auch ein Anpassung der Abgasführung und der Filteranlage.
Durch einen Einsatz von Brennstoff-Sauerstoffbrennern oder Luft-Sauerstoff- Mischbrennern lässt sich zwar - im Vergleich zu Schmelzverfahren, bei denen Luft als Oxidationsmittel eingesetzt wird - die Schmelzleistung des Ofens ohne größeren konstruktiven Aufwand steigern und der Energiebedarf reduzieren. Die Einsparung an Brennstoff beruht jedoch im wesentlichen darauf, dass der Stickstoffanteil der Luft nicht aufgeheizt werden muss. Der im Abgas fehlende Stickstoffanteil und die damit einhergehende geringere Menge an Brennerabgasen wirkt sich jedoch nachteilig auf die Vorwärmung des Aluminiumeinsatzes im Ofenschacht aus. Als Sauerstoffbrenner kommen auch Mischbrenner (zum Beispiel sogenannte „Kombibrenner") in Betracht, bei denen der Brennstoff mit Luft oder mit sauerstoffangereicherter Luft oder mit Sauerstoff verbrannt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Einschmelzen von aluminiumhaltigem Einsatzmaterial unter Einsatz eines sauerstoffreichen Gases so zu modifizieren, dass die damit einhergehenden Nachteile hinsichtlich der Vorwärmung des Aluminiumeinsatzes vermieden werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ofenabgas im oberen Bereich des Ofens abgezogen und im unteren Bereich mindestens teilweise als rezirkuliertes, erwärmtes Gas wieder eingeleitet wird.
Unter einem „sauerstoffreichen Gas" wird Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verstanden. Das Ofenabgas besteht hauptsächlich aus den Verbrennungsprodukten CO2 und H2O. Es wird aus dem Ofen abgesaugt und diesem als rezirkuliertes Gas wieder zugeführt. Durch das Wiedereinleiten des Ofenabgases oder eines Teils davon als „erwärmtes, rezirkuliertes Gas" kann die mit dem Einsatz des sauerstoffreichen Gases einhergehende Verminderung an Brennerabgas ganz oder teilweise kompensiert werden. Die zusätzliche Gasmenge innerhalb des Ofens verbessert die konvektive Wärmeübertragung zur Vorwärmung des Einsatzmaterials im Ofenschacht.
Ein besonderer Vorteil dieser Verfahrensweise gegenüber einer Einspeisung zusätzlicher Luft besteht darin, dass das Ofenabgas - bei Einsatz eines Sauerstoffbrenners - im wesentlichen stickstofffrei ist und somit die NOχ-Bildung reduziert ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das rezirkulierte Gas bereits erwärmt ist und somit zu einer besseren Energieausnutzung beiträgt. Die Wärmemenge des rezirkulierten Gases erhöht die Schmelzleistung des Ofens zusätzlich.
Es ist ein Brenner vorgesehen oder mehrere Brenner. In einer bevorzugten Verfahrensweise wird das rezirkulierte Gas dem mindestens einen Brenner zugeführt. Eine zusätzliche Öffnung in der Ofenwandung zum Einleiten des rezirkulierten Gases und eine entsprechende Umbaumaßnahme eines bestehenden Ofens können so vermieden werden.
Vorzugsweise wird das Ofenabgas mittels eines Gebläses abgezogen und dient gleichzeitig dazu, dem Brenner das Ofenabgas - oder einen Teil davon - als rezirkuliertes Gas wieder zuzuführen. Das Gebläse sorgt somit für die Zirkulation des Ofenabgases. Durch Veränderung der Gebläsedrehzahl kann die Menge des abgezogenen Ofenabgases den Erfordernissen angepasst werden. Zu dem Zweck eignet sich insbesondere ein regelbares Heißgasgebläse.
Im Hinblick hierauf hat es sich als günstig erwiesen, eine für die Ofenatmosphäre charakteristische Kenngröße zu erfassen und die Leistung des Gebläses in Abhängigkeit von der Kenngröße zu regeln. Als charakteristische Kenngröße werden vorzugsweise der Sauerstoffgehalt oder die Temperatur erfasst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre gemessen und der Messwert als Stellgröße für eine Regelung einer Sauerstoffzufuhr zum Brenner eingesetzt. Damit ist es möglich die Stöchiometrie der Brennerflamme in Bezug auf Sauerstoff konstant zu halten.
Dies macht sich insbesondere dann vorteilhaft bemerkbar, wenn in den Ofen zusätzlich brennbare Bestandteile gelangen, wie zum Beispiel Öl auf Aluminiumspänen. In dem Fall gewährleistet die Messung des Sauerstoffgehalts in der Ofenatmosphäre einen stabilen und reproduzierbaren Schmelzvorgang durch eine Regelung der Flammenstöchiometrie. Dies spielt auch bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Rolle, bei der im Gebläse eine Nachverbrennung brennbarer Bestandteile der Ofenatmosphäre erfolgt. Durch die Nachverbrennung werden brennbare Bestandteile der Ofenatmosphäre, wie Öl auf Aluminiumspänen - aus dem Ofenabgas beseitigt und damit eine stabile Verbrennung gewährleistet. Hierfür ist eine geregelte Zufuhr von Sauerstoff vorteilhaft, die durch eine Messung des Sauerstoffgehalts in der Ofenatmosphäre gewährleistet wird.
In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird das rezirkulierte Gas oberhalb und/oder unterhalb der Brennerflamme in den Ofen eingeleitet. Das rezirkulierte Gas ist kälter als die Brennerflamme und trägt daher zu einer Verringerung von deren Temperatur bei. Dadurch wird die Bildung von NOx gesenkt. Bei dieser Verfahrensweise wird insbesondere das Gewölbe vor der Strahlung der Brennerflamme zusätzlich geschützt und dadurch der Verschleiß an
Feuerfestmaterial reduziert. Im Hinblick hierauf wird im Idealfall das rezirkulierte Gas derart in den Ofen eingeleitet, dass es die Brennerflamme umhüllt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel betrifft die Umrüstung eines bisher mit Luftbrennern betriebenen Schachtabschmelzofens für Aluminiumbarren und -kreislaufmaterial mit Sauerstoffbrennern.
Typische Daten dieses Schachtabschmelzofens vor der Umrüstung waren: Schmelzleistung: 1 ,4 t/h (bei Einsatz von Luftbrennern) Vorwärmtemperatur: 200 bis 450 °C Energieverbrauch: 1000 kWh/t Aluminium Krätzeanfall: 3 bis 4 %
Das Aluminium wird dabei über eine automatische Chargierung in den Schacht befördert, dort beim Absinken vorgewärmt und mit Brennern geschmolzen. Das geschmolzene Metall fließt in einen Herdbereich, der als Sammler und zum Einstellen der Temperatur erforderlich ist. Bei diesem Ofentyp wird das Abgas zur Vorwärmung des festen Aluminiums genutzt.
Aus den oben genannten Gründen ist der Einsatz von Sauerstoff auch bei Schachtabschmelzöfen von Vorteil. Für die entsprechende Umrüstung des Ofens wurden Sauerstoff-Brenner, die in einem keramischen Block eingebaut sind, eingesetzt. Der keramische Block wird einfach in die Mauerung des Ofens montiert. Eine Kühlung des Brenners ist nicht erforderlich.
Aufgrund der niedrigeren Abgasmengen beim Einsatz von Sauerstoff geht weniger Energie mit dem Abgas verloren. Die geringeren Abgasmengen verringern aber auch den konvektiven Wärmeübergang bei der Schrottvorwärmung im Schacht. Um eine hohe Schmelzleistung bei niedrigen NOx-Werten zu erhalten, wurde der Ofen deshalb zusätzlich mit einer Heißgasrezirkulierung ausgestattet.
Hierzu wurde am oberen Ende des Ofenschachts ein Heißgasgebläse installiert, mittels dem das Verbrennungs-Abgas abgezogen und über den Brenner dem Ofen wieder zugeführt wird. Dadurch wird ein großes Gasvolumen für den konvektiven Wärmeübergang erhalten, das - abhängig von der Ofengröße - bis zu 10.000 m3/h beträgt. Das Abgas tritt aus dem Brenner über eine ringförmige Außendüse aus, so dass die Sauerstoffflamme von heißem Ofengas umhüllt wird. Diese Abschirmung der Brennerflamme schützt die feuerfeste Auskleidung vor Überhitzung. Zusätzlich wird die Flammentemperatur und der Stickstoffgehalt der Ofenatmosphäre gesenkt und dadurch die NOx-Bildung reduziert.
Zur Leistungsregelung des Heißgasbläses ist eine Drehzahlregelung installiert. Außerdem wird der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre gemessen. Der Messwert wird für die Regelung der Sauerstoffzufuhr zu den Brennern verwendet, in der Art, dass die Brenner mit konstante Flammenstöichiometrie betrieben werden. Die Temperatur des Ofenabgases im Gebläse liegt bei ca. 1200 °C. Durch die Zufuhr von Sauerstoff wird im Gebläse eine Nachverbrennung von Pyrolysegas, das brennbare Bestandteile enthält, ermöglicht.
Im konkreten Ausführungsbeispiel wird der Schachtabschmelzofen mit zwei Brennern betrieben, wobei der Volumenanteil des zugeführten Ofenabgases je nach Betriebsweise zwischen dem 2- bis 10-fachen der übrigen Brenneregase (Brenngase und Sauerstoff) beträgt.
Durch den Einsatz von Sauerstoff wird der thermische Wirkungsgrad bei der Verbrennung erhöht, so dass die Schmelzleistung von 1 ,4 t/h (bei Einsatz von Luftbrennern, Chargierung 50%Kreislauf/ 50%Masseln) auf 3,5 t/h gesteigert und der Energieverbrauch mehr als halbiert werden konnte.
Die hohe Schmelzleistung und weitere Verbesserungen am Ofen verminderten die Metallverluste um ca. 50 %. Ein Vergleich verschiedener Parameter bei einem Luftbrenner, einem Luft/Sauerstoff- Brenner und einem erfindungsgemäßen Sauerstoff-Brenner + Heißgasgebläse bei einem 15-Tonnen-SchachtschmeIzofen sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst:
Tabelle 1
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Die Energieersparnisse und das höhere Metallausbringen garantieren trotz der Kosten für Sauerstoff eine erhebliche Kostenersparnis durch die Reduzierung der Energiekosten, eine Verringerung der Krätzemengen und Einsparung an Personalkosten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einschmelzen von Aluminium, umfassend die
Verfahrensschritte: Zufuhr eines aluminiumhaltigen Einsatzmaterials zu einem Ofen, Vorwärmen des Einsatzmaterials durch Ofenabgas in einem oberen
Bereich des Ofens, und Erhitzen des Einsatzmaterials mittels mindestens eines Brenners unter Bildung einer Aluminiumschmelze in einem unteren Bereich des Ofens, wobei dem Brenner ein sauerstoffreiches Gas und Brennstoff zugeführt und damit eine auf das Einsatzmaterial im Schmelzbereich einwirkende und zum Ofenabgas beitragende Brennerflamme erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ofenabgas im oberen Bereich des Ofens abgezogen und im unteren Bereich mindestens teilweise als rezirkuliertes, erwärmtes Gas wieder eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das rezirkulierte Gas dem mindestens einen Brenner zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ofenabgas mittels eines Gebläses abgezogen und mindestens ein Teil davon dem Brenner als das rezirkuliertes Gas wieder zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine für die Ofenatmosphärecharakteristische Kenngröße erfasst und die Leistung des Gebläses in Abhängigkeit von der Kenngröße geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Kenngröße der Sauerstoffgehalt oder die Temperatur erfasst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre gemessen und der Messwert als Stellgröße für eine Regelung einer Sauerstoffzufuhr zum Brenner eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Gebläse eine Nachverbrennung brennbarer Bestandteile der Ofenatmosphäre erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rezirkulierte Gas oberhalb und/oder unterhalb der Brennerflamme in den Ofen eingeleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rezirkulierte Gas derart in den Ofen eingeleitet wird, dass es die Brennerflamme umhüllt.
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