WO2004092422A2 - Verfahren zur verbesserung der energiezufuhr in ein schrotthaufwerk - Google Patents

Verfahren zur verbesserung der energiezufuhr in ein schrotthaufwerk Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for improving the energy supply during heating and melting of a scrap heap, in which a channel is melted into the scrap heap by a preheated oxidizing gas with the addition of fossil fuels and further energy is supplied through this channel.
  • German patent DE 195 215 18 C1 describes a method for improving the energy supply in a scrap heap, in which channels are melted into the scrap heap by hot, oxygen-containing gas jets, to which natural gas or coal is added, through which a further energy supply then takes place ,
  • the method according to the invention is not only suitable for supplying additional energy to an electric arc furnace, it can also be used to completely melt a scrap heap in a stove with only fossil energy without electrical energy.
  • the scrap heap must be in suitable form fossil fuels are introduced. For example, about 100 kg of coal / ton of scrap are charged with the scrap. Part of the coal can also be blown in via nozzles as soon as a liquid sump is available.
  • the inflation jet then acts in a known manner as an afterburning jet for the further supply of energy in order to heat the bath to the necessary tapping temperature.
  • the patent describes applications in which the hot air nozzles are arranged in the oven wall in such a way that they blow onto the bath at an angle of 10 °, evenly distributed over the circumference. This is intended to melt the scrap heap evenly, but also to prevent the hot air jets from hitting refractory material after the scrap column has burned through.
  • the present invention avoids the described disadvantages of the teachings of the patent DE 195215 18 C1 when melting scrap with fossil energy.
  • the hot air can be inflated by one or more jets from above. It has proven to be particularly advantageous to divide the hot air into a central jet with 35 to 65% of the amount of hot air and with three to six outer jets in which the remaining hot air is supplied. For example, a distribution with 50% of the hot wind quantity to a central nozzle and four nozzles arranged evenly around them has proven to be particularly effective for the other 50%. In this embodiment, a channel in the scrap heap is melted particularly quickly by the central jet.
  • the outer rays should be arranged so that they form an angle of 10 -20 ° with the central ray. It has been shown that at a smaller angle the beams influence each other and are deflected in the direction of a straight flow, i.e. be contracted. It is also within the meaning of the present invention not only to set the jet direction of the nozzles to the outside, but at the same time also to incline them peripherally so that they blow obliquely onto the bath, a certain rotational flow then taking place in the bath.
  • the supply of hot air should take place in such a way that the spacing of the nozzle openings from the surface of the scrap or the melt can be changed. This can be done, for example, by a lance for the hot air supply which can be retracted from above.
  • the height-adjustable arrangement of the nozzle or nozzles for the hot wind supply within the lid opening has the essential advantage over the known prior art, in which the nozzles are arranged within the refractory delivery of the side wall, that the nozzle position is used both for preheating the scrap , as well as for Hie.
  • Ma / -h orhrf.nn ⁇ m ⁇ the reaction ⁇ ase during the melting phase ootimal ein ⁇ estelli can be.
  • the nozzle can be removed from the lid opening if hot wind inflation is detrimental at the end of the process.
  • phase 1 the scrap heap is preheated by means of a hot wind jet with the addition of a fuel and largely melted and in a second phase - referred to in the further phase 2 - the liquid
  • phase 2 the liquid
  • phase 1 transitions to phase 2 over a period of several minutes. With a total melting time of 30 minutes, phase 1 is approx. 15 min, the transition time approx. 5 min. and phase 2 then 10 min.
  • the formation of a cold scrap layer directly in front of the hot wind nozzle can be avoided in the embodiment according to the invention by keeping a distance of 0.2 to 0.5 m between the hot wind nozzle and the scrap surface.
  • the distance can also be chosen a little larger if the waste gases from the scrap are to be largely re-incinerated before they leave the furnace. Problems with the exhaust gases that occur when preheating scrap can be significantly reduced.
  • the coke It is also advantageous to concentrate the coke as much as possible on the central floor area when charging. It is particularly important to leave a residual melt of approx. 20% in the furnace. If the furnace is started cold without any residual melt, the coke should be preheated so that it can react with the inflation jet as quickly as possible. For the first melt in a cold furnace without residual melt, it can also be helpful to charge aluminum or silicon in a quantity of 100 to 200 kg with a 100 to melt on the floor at the point of impact of the central jet.
  • the amount of oxygen supplied by the hot wind jet is higher than is required for the afterburning of the reaction gases.
  • a hot wind amount of 20,000 N ⁇ rVh should be inflated without oxygen enrichment.
  • An advantageous embodiment for moving the lance is that the same device is used as for the insertion of the electrodes in an electric arc furnace.
  • the feed according to the invention has significant advantages for the connection with the hot air supply and the flexibility in the process control, also in the removal of the lance towards the end of the fresh process.
  • the stove vessel is equipped according to the invention with floor nozzles for blowing oxygen and possibly also for coal and lime.
  • the designs and applications known from the floor-blowing converter are used here.
  • the converter method uses as few nozzles as possible with a clear diameter of 24 to 28 mm, it is advisable to use nozzles with smaller diameters, even if this means a larger number, for use in a hearth furnace in which residual melt is left of nozzles must be used.
  • the clear nozzle diameter should be limited to a maximum of 15 mm. This prevents the remaining amounts of steel and slag remaining after blowing through.
  • nozzles with smaller diameters offer better protection against the breakthrough of liquid steel in the event of failure of the nozzle cooling.
  • Nozzles installed in the floor do not necessarily have to be used for blowing in oxygen.
  • the oxygen can also be blown in via so-called “coherent jets”, which are arranged in the usual way in the side wall of the furnace.
  • the hot wind lance is traced during the melting of the scrap in such a way that the distance of the lance to the scrap surface remains approximately the same, ie the lance is lowered accordingly during the melting of the scrap. Melting of the scrap is also encouraged if the lance is slowly rotated by as much as the distance between two hot-wind openings, i.e. by four nozzles by about 90 °. Associated with a slow slowdown If the lance moves upward, the hot air melt jet burns into the scrap heap in a ring.
  • the method according to the invention will be explained in more detail using two examples.
  • a hot air lance which is inserted with a device for moving up and down, supplies 40,000 Nm7h of hot air of 1,200 D C and 0.9 bar with an oxygen concentration of 40%.
  • the nozzle head consists of five openings, a central nozzle and four with an inclination angle! outer nozzles arranged at 15 ° against the vertical jet direction.
  • the nozzle diameter is 20 cm for the central nozzle and 10 cm for the outer nozzles.
  • Pipes for introducing natural gas are attached to each nozzle opening.
  • the natural gas injection rate is 5,000 Nm 3 h in total.
  • 2,000 Nm7h of oxygen are blown in through six floor nozzles with a diameter of 12 mm.
  • No floor nozzles are used in the second example.
  • the oxygen is supplied via fixed lances in the side wall, through which the oxygen is blown in via so-called "coherent jets".
  • four blowing units are provided which are evenly distributed over the circumference
  • 1,000 Nm 3 / h of oxygen are blown in per nozzle, 500 NrrfVh natural gas simultaneously in the first 10 min.
  • Hot wind is blown in with a total blowing rate of 40,000 Nm 3 / h with an oxygen enrichment to 40%.
  • the hot wind supply is carried out by four nozzles each with a diameter of 140 mm approx.
  • FIG. 1 shows schematically a stove (1) with a hot wind lance (2), which is arranged according to the invention within the lid opening.
  • the hot air nozzle is moved with a device (3) which is similar to the electrode holder of an electric arc furnace.
  • the hot wind nozzle is retracted vertically until it is approximately 30 cm above the scrap heap.
  • the nozzle for the hot air jet consists of a central nozzle and four individual nozzles with an inclination of 15 °. Natural gas is blown into the hot wind jet through separate pipes (4).
  • Six oxygen inlet nozzles (5) are installed in the floor.
  • the nozzles are advantageously arranged so that they are below the point of impact of the central hot wind jet.
  • the exhaust gases leave the furnace through a nozzle (6).
  • nozzles for the supply of oxygen through "coherent jets" in the side wall (7).
  • coherent jets There are four introducing elements through which natural gas or coal can be blown in simultaneously with the oxygen
  • the side nozzle system is operated here during the first phase as a burner for preheating the scrap.
  • Fig. 2 shows an example of an advantageous embodiment of the hot wind lane. It is a lance for melting 110 tons of scrap in a 100 ton stove.
  • a water-cooled hot wind lance (8) with a clear diameter of 90 cm supplies the process in phase 1 with 40,000 Nm 3 / h of hot air at 1,200 ° C at a pressure of 0.95 bar.
  • the hot air is divided into a central nozzle (9) with a diameter of 20 cm and four laterally arranged nozzles (10) which have an inclination of 15 ° with respect to the vertical. Natural gas is blown in through separate lines (11) at the nozzles. Since the device is operated at a subcritical flow rate, no special training of the nozzles is required. They consist of simple circular openings.
  • the hot air When operating close to the speed of sound, the hot air is divided between the individual nozzles according to the cross section. If the pressure is reduced to approx. 0.4 bar in phase 2, proportionally more hot air flows through the central nozzle (9). However, this is also desirable because it promotes the afterburning of the reaction gases in this phase.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim Aufheizen und Schmelzen eines Schrotthaufwerkes, bei dem durch ein vorgeheiztes oxidierendes Gas unter Zusatz von fossilen Brennstoffen ein Kanal in das Schrotthaufwerk geschmolzen und durch diesen Kanal weitere Energie zugeführt wird. Eine wesentliche Verbesserung dieses Verfahrens wird erreicht, indem die Heißluft zentral von oben auf das Schrotthaufwerk geblasen wird.

Description

Patentanmeldung
Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr in ein Schrotthaufwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim Aufheizen und Schmelzen eines Schrotthaufwerkes, bei dem durch ein vorgeheiztes oxidierendes Gas unter Zusatz von fossilen Brennstoffen ein Kanal in das Schrotthaufwerk geschmolzen wird und durch diesen Kanal weitere Energiezufuhr erfolgt.
Schrott wird heute üblicherweise im Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen, wobei durch Brenner ein möglichst hoher Anteil an fossiler Energie eingebracht wird. Die in dieser Weise zugeführte Energie beträgt jedoch nur maximal 10 % des gesamten Energiebedarfes.
Die Bedeutung des Einschmelzens von Schrott mit fossiler Energie ist in einer zusammenfassenden Veröffentlichung „Stand der Verfahrenstechnik für das Einschmelzen von Schrott mit fossiler Energie" (Stahl und Eisen 1990, S.109 - 16) beschrieben. Diese Veröffentlichung gibt besonders einen Eindruck, wie intensiv an der Entwicklung von neuen Verfahren zur Verwendung von fossiler Energie zum Einschmelzen von Schrott gearbeitet wird. Großtechnisch wird heute das auf S. 113 beschriebene Zwei-Konverter-Verfahren von Nip- pon Steel in einem Stahlwerk betrieben. Es ist jedoch offensichtlich nur unter den besonderen Bedingungen des dortigen Werkes wirtschaftlich zu betreiben. Auch das EOF- Verfahren, wie auf S. 114 beschrieben, hat wegen der komplexen Anlagen, hauptsächlich bei der Vorwärmung des Schrottes in einem Schacht, nur begrenzte Anwendung gefunden.
In der deutschen Patentschrift DE 195 215 18 C1 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr in ein Schrotthaufwerk beschrieben, bei dem durch heiße, sauerstoffhaltige Gasstrahlen, denen Erdgas oder Kohle zugesetzt wird, Kanäle in das Schrotthaufwerk geschmolzen werden, durch die dann eine weitere Energiezufuhr erfolgt. In der Beschreibung zu diesem Patent ist ausgeführt, dass das erfindungsgemäße Verfahren sich nicht nur eignet, um einen Elektrolichtbogenofen zusätzlich Energie zuzuführen, es kann vielmehr auch dazu benutzt werden, ein Schrotthaufwerk in einem Herdgefäß nur mit fossiler Energie ohne elektrische Energie vollständig aufzuschmelzen. In das Schrotthaufwerk müssen dafür in geeigneter Form fossile Energieträger eingebracht werden. Beispielsweise werden mit dem Schrott ca. 100 kg Kohle/to Schrott chargiert. Ein Teil der Kohle kann auch über Düsen eingeblasen werden, sobald ein flüssiger Sumpf vorhanden ist. Nach dem Aufschmelzen wirkt der Aufblasstrahl dann in bekannter Weise als Nachverbrennungsstrahl zur weiteren Zufuhr von Energie, um das Bad auf die nötige Abstichtemperatur zu erhitzen.
In der Patentschrift sind Anwendungen beschrieben, bei denen die Heißluftdüsen in der Ofenwand so angeordnet werden, dass sie gleichmäßig über den Umfang verteilt unter einem Winkel von 10° auf das Bad blasen. Damit soll das Schrotthaufwerk gleichmäßig aufgeschmolzen werden, es soll aber auch verhindert werden, dass die Heißluftstrahlen nach Durchbrennen der Schrottsäule auf feuerfestes Material treffen.
Die praktische Anwendung dieser Erfindung hat zu einigen Problemen geführt. Es hat sich gezeigt, dass die Gasströme im Zentrum des Ofens zu einer Aufwärtsströmung führen, mit dem Ergebnis, dass damit ein Kamin in das Schrotthaufwerk geschmolzen wird, durch den die Abgase heiß die Schrottschüttung verlassen und damit kaum noch Energie an den Schrott abgeben. Dadurch bildet sich ein äußerer Ring von ungeschmolzenem Schrott. Dieser Effekt wird offensichtlich noch dadurch unterstützt, dass, wie in der Patentschrift ausgeführt, sich direkt vor der Heißlufteinblasdüse eine kalte Zone ausbildet, in der der Schrott so niedrig in der Temperatur bleibt, dass er nicht oxidiert.
Dieses Problem hat sich bereits in einem 10 to Pilotofen gezeigt. Es war zu vermuten, dass bei einem Ofen in Produktionsmaßstab dieses Problem sich noch verstärkt. Ein weiteres Problem bestand darin, dass nach dem Aufschmelzen des Schrottes die in der Seitenwand angebrachten Öffnungen durch Heißluft frei gehalten werden müssen, was dazu führt, dass der flach auftretende Heißluftstrahl flüssige Schlacke auf die gegenüberliegende Wand bläst. Auch die Übertragung der Energie aus der Nachverbrennung der Reaktionsgase durch den Heißwindstrahl an das Eisenbad wird bei einer flüssigen Schlackenschicht, auf die der Heißfuftstrahl flach aufbläst, beeinträchtigt.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die beschriebenen Nachteile der Lehren der Patentschrift DE 195215 18 C1 beim Schmelzen von Schrott mit fossiler Energie.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die beschriebenen Nachteile des Verfahrens entsprechend der Patentschrift DE 19521518 beseitigt werden, wenn die Heißluft unter Zusatz von fossiler Energie von oben auf das Schrotthaufwerk aufgeblasen wird. Besonders vorteilhaft ist dabei der erfindungsgemäße Effekt, wenn die Heißluft zentral von oben auf das Schrotthaufwerk geblasen wird. Die gemäß der Erfindung von oben aufgeblasene Heißluft führt überraschenderweise zu einer Strömung im Schrotthaufwerk, die die Energie der Gase besonders gut ausnutzt und auch die Außenbereiche schnell und effektiv aufschmilzt. Vermutlich laufen im Schrotthaufwerk folgende Vorgänge ab. Der in das Schrotthaufwerk eindringende Heißluftstrahl heizt den umgebenden Schrott durch Strömungen innerhalb des Schrotthaufwerkes effektiv auf. Die Reaktionsgase aus dieser Schrottschicht werden jedoch wieder von der Strömung des Aufblasstrahles angesaugt. Die heißen Reaktionsgase verlassen deshalb das Schrotthaufwerk durch einen äußeren ringförmigen Raum. Das führt dazu, dass in diesem Raum eine intensive Energiezufuhr erfolgt und damit auch der Schrott in der äußeren Zone von unten aufgeheizt wird, was das Aufschmelzen dieses Bereiches begünstigt.
Die Heißluft kann durch einen oder mehrere Strahlen von oben aufgeblasen werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Heißluft aufzuteilen in einen zentralen Strahl mit 35 bis 65 % der Heißluftmenge und mit drei bis sechs äußeren Strahlen, in denen die restliche Heißluft zugeführt wird. Z.B. hat sich eine Aufteilung mit 50 % der Heißwindmenge auf eine zentrale Düse und vier gleichmäßig um sie angeordnete Düsen für die anderen 50 % als besonders wirksam erwiesen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt ein besonders schnelles Schmelzen eines Kanals im Schrotthaufwerk durch den zentralen Strahl.
Die äußeren Strahlen sollen dabei so angeordnet werden, dass sie gegenüber dem zentralen Strahl einen Winkel von 10 -20° bilden. Es hat sich gezeigt, dass sich bei einem kleineren Winkel die Strahlen gegenseitig beeinflussen und in Richtung einer geraden Strömung abgelenkt, d.h. zusammengezogen werden. Es liegt auch im Sinne der vorliegenden Erfindung, die Strahlrichtung der Düsen nicht nur nach außen zu stellen, sondern gleichzeitig auch peripher so zu neigen, dass sie schräg auf das Bad blasen, wobei dann im Bad eine gewisse Rotationsströmung erfolgt.
Die Heißluftzufuhr soll erfindungsgemäß so erfolgen, dass die Düsenöffnungen in ihrem Abstand zur Oberfläche des Schrottes bzw. der Schmelze verändert werden können. Das kann beispielsweise durch eine von oben einfahrbare Lanze für die Heißluftzufuhr erfolgen.
Die in der Höhe einstellbare Anordnung der Düse oder Düsen für die Heißwindzufuhr innerhalb der Deckelöffnung hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik, bei dem die Düsen innerhalb der feuerfesten Zustellung der Seitenwand angeordnet sind, den wesentlichen Vorteil, dass die Düsenposition sowohl für das Vorheizen des Schrottes, als auch für Hie. Ma/-h orhrf.nnι mπ der Reaktionsαase während der EinschmelzDhase ootimal einαestelli werden kann. Außerdem kann die Düse aus der Deckelöffnung entfernt werden, wenn am Ende des Prozesses das Aufblasen von Heißwind nachteilig ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einschmelzen von Schrott wird in einer ersten Phase - im weiteren Phase 1 genannt - das Schrotthaufwerk über einen Heißwindstrahl unter Zusatz eines Brennstoffes vorgeheizt und zu einem großen Teil geschmolzen und in einer zweiten Phase - im weiteren Phase 2 genannt - dem flüssigen Bad über eine Nachverbrennung der Reaktionsgase durch den gleichen Heißluftstrahl Energie zum Schmelzen des restlichen Schrottes und zur Erhöhung der Temperatur des Eisenbades auf Abstichtemperatur zugeführt
Die Unterscheidung zwischen einer Phase 1 und Phase 2 kann natürlich nicht streng gesehen werden. Die Phase 1 geht vielmehr über einen Zeitraum von mehreren Minuten in die Phase 2 über. Bei einer Gesamtschmelzzeit von 30 Minuten beträgt die Phase 1 ca. 15 min, die Übergangszeit ca. 5 min. und die Phase 2 dann 10 min.
In der ersten Phase wird dem Heißluftstrahl fossile Energie, z.B. Erdgas zugegeben. Überraschenderweise genügt es, das Erdgas durch getrennte Zuführungen in die Nähe des Heißluftstrahles zu blasen. Die Düsenöffnungen der Heißwindlanze müssen also nicht als Brenner ausgebildet werden. Offensichtlich reicht die starke Ansaugwirkung des Heißluftstrahles aus, um das Erdgas mit der Heißluft ausreichend zu vermischen.
Das Ausbilden einer kalten Schrottschicht direkt vor der Heißwinddüse, wie oben beschrieben, kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung dadurch vermieden werden, dass zwischen der Heißwinddüse und der Schrottoberfläche ein Abstand von 0,2 bis 0,5 m gehalten wird. Der Abstand kann auch noch etwas größer gewählt werden, wenn die Abgase aus dem Schrott weitgehend nachverbrannt werden sollen, bevor sie den Ofen verlassen. Damit können Probleme mit den Abgasen, die beim Vorheizen von Schrott auftreten, erheblich vermindert werden.
Damit ist jedoch der Nachteil verbunden, dass die Flammentemperatur herabgesetzt wird. Eine hohe Flammentemperatur ist für das schnelle Aufschmelzen eines Kanals und des Schrottes sowie zur Verringerung der Oxidation des Schrottes wichtig. Es kann deshalb vorteilhafter sein, für das Aufschmelzen des Schrottes nur einen kurzen Abstand zur Schrottoberfläche von ca. 30 cm zu verwenden und die Abgase durch kleine Heißwindbrenner, die im Deckel des Ofens gleichmäßig verteilt sind, zu verbrennen. Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren wichtig, im zentralen Bodenbereich möglichst schnell Energie zuzuführen, damit der durch den Heißgasstrahl aufgeschmolzene Schrott dort nicht wieder erstarrt. Hierzu helfen mehrere Maßnahmen. Der Kanal im Schrotthaufwerk, durch den weitere Energie auch in den unteren Bereich der Schrottsäuie zugeführt wird, muß so schnell wie möglich geschmolzen werden. Hierzu helfen neben einer möglichst hohen Heißwindtemperatur eine hohe Sauerstoffanreicherung und ein möglichst hohe Geschwindigkeit der Heißwindstrahlen. Außerdem ist es vorteilhaft, dass ein hoher Anteil des Heißwindes, z.B. 50 % über den Zentralstrahl eingebracht wird. Mit der Sauerstoffanreicherung auf 40 % kann beispielsweise mit einem Gasstrahl von 20.000 Nm3/h und entsprechendem Zusatz von Erdgas innerhalb von zwei bis drei Minuten ein Kanal in die Schrottsäule geschmolzen werden, der bis auf den Boden reicht.
Es hat sich gezeigt, dass das Einbrennen des Kanals in das Schrotthaufwerk schneller erfolgt, wenn noch freier Sauerstoff in der Heißluftflamme vorhanden ist. Optimale Werte werden erzielt, wenn über die Vollverbrennung der Energieträger hinaus noch ein freier Sauerstoffgehalt von 3 - 10 %vorhanden ist.
Es ist außerdem vorteilhaft, den Koks bei der Beschickung möglichst auf den zentralen Bodenbereich zu konzentrieren. Besonders wichtig ist es, eine Restschmelze von ca. 20 % im Ofen zu lassen. Wenn der Ofen kalt ohne eine Restschmelze gestartet wird, sollte der Koks vorgewärmt sein, damit er möglichst schnell mit dem Aufblasstrahl reagieren kann. Es kann für die erste Schmelze in einem kalten Ofen ohne Restschmelze auch hilfreich sein, Aluminium oder Silizium in einer Menge von 100 bis 200 kg bei einer 100 to Schmelze auf den Boden an der Auftreffstelle des Zentralstrahles zu chargieren.
Es ist außerdem vorteilhaft, die Erdgasmenge, die den Heißwindstrahlen zugesetzt wird, so zu regeln, dass die Zusammensetzung des Abgases leicht reduzierend ist. Es soll dabei ein CO- bzw. H2-Gehait des Abgases von 1 bis 2 % angestrebt werden. Diese Maßnahme wirkt sich günstig auf die Reduzierung des Dioxingehaltes der Abgase aus. Diese Maßnahme steht nicht im Widerspruch zu dem gewünschten freien Sauerstoffanteil im Heißluftstrahl, da ein Teil des Sauerstoffes durch die Oxidation des Eisens verbraucht wird.
Auch in der zweiten Phase ist es wichtig, dass die durch den Heißwindstrahl zugeführte Sauerstoffmenge höher ist, als für das Nachverbrennen der Reaktionsgase benötigt. Zur Erreichung eines maximalen Nachverbrennungsgrades der Reaktionsgase ist es erforderlich, durch den Heißluftstrahl mehr Sauerstoff, als theoretisch für den Nachverbrennungs- πraH prfnrfJprliπh 7U7I .führen und das Sauerstoffanαebot durch die Bodendfisen f»nt.ςnrR- chend niedriger zu halten. So soll z.B. bei einer Sauerstoffbodenblasrate von 3.000 Nm3/h eine Heißwindmenge von 20.000 NπrVh ohne Sauerstoffanreicherung aufgeblasen werden.
Es hat sich für die Optimierung des Verfahrens auch als wichtig herausgestellt, während der beiden Blasphasen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Heißluftstrahles und mit unterschiedlicher Lanzenhöhe zu arbeiten. So ist es zweckmäßig, während der Schrottaufschmelzphase mit möglichst hoher Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit zu fahren (bei 1.200° C ca. 750 m sec), während in der zweiten Phase, bei der weitgehend mit einem flüssigen Bad gearbeitet wird, die Heißluftgeschwindigkeit nur zu etwa 40 - 60 % der Schallgeschwindigkeit (bei 1.200° C also ca. 400 m/sec) gewählt wird. Außerdem ist es zweckmäßig, während dieser Phase eine höhere Lanzenposition einzustellen.
Das Einfahren der Lanze in den Ofenraum führt außerdem dazu, dass der starke Lärm, der durch einen Heißluftstrahl verursacht wird, weitgehend abgeschirmt wird. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Heißluftdüse möglichst mehr als 50 cm in den Ofenraum eintaucht. Die Abgase können, wie auch heute beim Elektrolichtbogenofen üblich, durch einen getrennten Stutzen im Ofendeckel abgeführt werden
Eine vorteilhafte Ausführungsform für das Bewegen der Lanze besteht darin, dass eine gleiche Vorrichtung, wie für das Einfahren der Elektroden bei einem Elektrolichtbogenofen verwendet wird. Die erfindungsgemäße Zuführung hat wesentliche Vorteile für die Verbindung mit der Heißluftzufuhr und die Flexibilität in der Prozessführung, auch im Entfernen der Lanze gegen Ende des Frischprozesses.
Das Herdgefäß wird erfindungsgemäß mit Bodendüsen für das Eϊnblasen von Sauerstoff und evtl. auch für Kohle und Kalk ausgerüstet. Hier werden die vom bodenblasenden Konverter her bekannten Ausführungs- und Einsatzformen angewendet. Während jedoch beim Konverterverfahren möglichst wenig Düsen mit einem lichten Durchmesser von 24 bis 28 mm verwendet werden, ist es für den Einsatz in einem Herdofen, in dem eine Restschmelze belassen wird, zweckmäßig, Düsen mit kleineren Durchmessern zu verwenden, auch wenn dadurch eine größere Zahl von Düsen eingesetzt werden muß. Der lichte Düsendurchmesser sollte auf maximal 15 mm begrenzt werden. Damit wird das Durchblasen der nach dem Abstich verbleibenden restlichen Stahl- und Schlackenmengen verhindert. Außerdem bieten Düsen mit kleineren Durchmessern einen besseren Schutz gegen den Durchbruch von flüssigem Stahl im Falle eines Versagens der Düsenkühlung. Es liegt auch im Sinne der vorliegenden Erfindung, die Düsen in einer Vertiefung des Bodens anzubringen, um damit eine höhere Bedeckung nach dem Abstich zu erreichen. Diese Anordnung hat besonders den Vorteil, dass die Düsen immer mit flüssigem Stahl bedeckt bleiben und nicht mit der Schlacke in Kontakt kommen. Wenn Bodendüseπ innerhalb der Schlacke blasen, können sich leicht Ansätze bilden, die die Funktion der Düsen beeinträchtigen.
Für das Einblasen von Sauerstoff müssen nicht unbedingt im Boden angebrachte Düsen verwendet werden. Der Sauerstoff kann auch über sogenannte „coherent jets" eingeblasen werden, die in der üblichen Weise in der Seitenwand des Ofens angeordnet sind.
Falls extrem niedrige Stickstoffgehalte im Stahl gefordert sind, ist es zweckmäßig, bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Zufuhr von Heißluft vor dem Ende des Schmel∑prozesses zu beenden. Vorteilhafterweise geschieht das bei einem Kohlenstoffgehalt im Bad von etwa 0,5 %. Zu diesem Zeitpunkt wird die Lanze aus der Deckelöffnung herausgezogen und die Schmelze mit reinem Sauerstoff zu Ende gefrischt.
Beim Einschmelzen des Schrottes, dass erfindungsgemäß durch einen Heißluftstrom mit Sauerstoffüberschuß erfolgt, wird ein Teil des Eisens verschlackt. Das trägt zum schnellen Einschmelzen des Schrottes bei. Ein Teil des gebildeten FeO verbleibt in der Schlacke, der größere Teil muß jedoch wieder reduziert werden. Hierfür muss dem Prozess Kohlenstoff zugesetzt werden. Dies kann über Einblasen von Kohle durch Bodendüsen oder in der sonst beim Lichtbogenofen angewendeten Praxis durch seitlich angebrachte Düsen erfolgen. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind zwei Zugabearten besonders vorteilhaft. Ein wesentlicher Teil wird in Form von Koks, vorteilhafterweise kleinstückig, mit dem Schrott chargiert. Die mitchargierte Menge beträgt etwa 20 - 30 kg/to Stahl. Die andere vorteilhafte Weise besteht darin, die Kohle in Verbindung mit dem Heißwindstrahl einzublasen. Damit hier die Kohle nicht weitgehend verbrennt, soll gröbere Kohle, vorteilhafterweise mit einer Körnung von mindestens einigen mm, verwendet werden.
Wie schon erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Heißwindlanze während des Aufschmelzens des Schrottes so nachgefahren wird, dass der Abstand der Lanze zur Schrottoberfläche ungefähr gleich bleibt, d.h. dass während des Einschmelzens des Schrottes die Lanze entsprechend abgesenkt wird. Das Einschmelzen des Schrottes wird außerdem begüstigt, wenn die Lanze langsam um so viel gedreht wird, wie der Abstand von zwei Heißwindöffnungen beträgt, bei vier Düsen also um etwa 90°. Verbunden mit einer langsamen Ab- wärtsbewegung der Lanze, brennt sich so der Heißluftschmelzstrahl ringförmig in das Schrotthaufwerk hinein.
An zwei Beispielen soll das erfinduπgsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Im ersten Beispiel werden in einen 100 to Herdofen ca. 110 to Schrott chargiert. Über eine Heißluftlanze, die mit einer Vorrichtung zum Auf- und Abbewegen eingeführt wird, erfolgt die Zufuhr von 40.000 Nm7h Heißluft von 1.200DC und 0,9 bar mit einer Sauerstoffanreicherung auf 40 %. Der Düseπkopf besteht aus fünf Öffnungen, einer zentralen Düse und vier mit einem Neigungswinke! von 15° gegen die vertikale Strahlrichtung angeordnete äußere Düsen. Der Düsendurchmesser beträgt 20 cm für die Zentraldüse und jeweils 10 cm für die äußeren Düsen. An jeder Düsenöffnung sind Rohre zum Einleiten von Erdgas angebracht. Die Erd- gaseinbfasrate beträgt insgesamt 5.000 Nm3 h. Gleichzeitig werden durch sechs Bodendüsen mit einem Durchmesser von 12 mm zusammen 2.000 Nm7h Sauerstoff eingeblasen.
Im zweiten Beispiel werden keine Bodendüsen verwendet. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt über in der Seitenwand angebrachte feststehende Lanzen, durch die der Sauerstoff über sogenannte „coherent jets" eingeblasen wird. Im vorliegenden Beispiel sind vier Einblaseinheiten vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Außer Sauerstoff kann bei diesen Einblaseinheiten, wie sie heute gebräuchlich sind, gleichzeitig auch Kohle oder Erdgas eingeblasen werden. In diesem Beispiel werden pro Düse 1.000 Nm3/h Sauerstoff eingeblasen, in den ersten 10 min. gleichzeitig 500 NrrfVh Erdgas. Nach 10 min. wird das Einblasen von Erdgas beendet und mit der Sauerstoffrate von 1.000 Nrn3/h pro Düse weiter gearbeitet. Heißwind wird mit einer Gesamtblasrate von 40.000 Nm3/h mit einer Sauerstoffanreicherung auf 40 % eingeblasen. Die Heißwϊndzufuhr erfolgt durch vier Düsen mit jeweils 140 mm Durchmesser. Die Ausrichtung der Düsen, in diesem Falle ca. 15° gegen die Senkrechte, erfolgt so, dass die Strahlen ungefähr dort auf das Bad blasen, an der die kohärenten Sauerstoffstrahlen auf das Bad treffen. Vorteilhafterweise wird dieser Auftreffpunkt etwas nach innen verlegt, um das in der Nähe liegende feuerfeste Material zu schonen. Nach 20 min. wird die Bfasleistung des Heißwindes auf 20.000 Nm3/h reduziert, wobei wie beim ersten Beispiel in dieser Phase auf Sauerstoffanreicherung verzichtet wird. Nach 30 min. wird die Heißluftlanze herausgefahren und die Charge mit den Seitendüsen innerhalb von 3 min. zu Ende gefrischt
Das Verfahren wurde in der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben, wie es vorteilhafterweise in einem Herdofen angewendet wird. Es kann jedoch auch sinngemäß auf einen Konverter übertragen werden. Abb. 1 zeigt schematisch einen Herdofen (1) mit einer Heißwindlanze (2), die erfindungs- gemäß innerhalb der Deckelöffnung angeordnet ist. Die Heißwinddüse wird mit einer Vorrichtung (3) bewegt, die der ESektrodenhalteruπg eines Elektrolichtbogenofens ähnlich ist. Die Heißwinddüse wird senkrecht soweit eingefahren, dass sie sich ungefähr 30 cm oberhalb des Schrotthaufwerkes befindet. Hier besteht die Düse für den Heißluftstrahl aus einer Zentraldüse und vier Einzeidüsen mit einer Neigung von 15°. Erdgas wird durch getrennte Leitungen (4) in den Heißwindstrahl eingeblasen. Im Boden sind sechs Sauerstoffeinleitungsdüsen (5) eingebaut. Die Düsen werden vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie unterhalb der Auftreffstelle des zentralen Heißwindstrahles liegen. Die Abgase verlassen den Ofen über einen Stutzen (6). Als Alternative sind in Abb. 1 auch Düsen für die Sauer- stoff∑ufuhr durch „coherent jets" in der Seitenwand angebracht (7). Hier sind vier Einlei- tungsstelfen vorhanden, durch die gleichzeitig mit dem Sauerstoff auch Erdgas oder Kohle eingeblasen werden kann. Das seitliche Düsensystem wird hier während der ersten Phase als Brenner zum Vorheizen des Schrottes betrieben.
Abb. 2 zeigt beispielhaft eine vorteilhafte Ausführung der Heißwindlan∑e. Es handelt sich hier um eine Lanze zum Einschmelzen von 110 to Schrott in einem 100 to-Herdofen. Durch eine wassergekühlte Heißwindlanze (8) mit einem lichten Durchmesser von 90 cm werden dem Prozess in Phase 1 40.000 Nm3/h Heißluft von 1.200°C mit einem Druck von 0,95 bar zugeführt. Die Heißluft wird aufgeteilt auf eine Zentraldüse (9) von 20 cm Durchmesser und auf vier seitlich angeordnete Düsen (10), die gegenüber der Senkrechten eine Neigung von15° aufweisen. Erdgas wird durch getrennte Leitungen (11) an den Düsen eingeblasen. Da die Vorrichtung mit einer unterkritischen Strömungsgeschwindigkeit betrieben wird, sind keine besonderen Ausbildungen der Düsen erforderlich. Sie bestehen aus einfachen kreisförmigen Öffnungen. Bei einem Betrieb nahe der Schallgeschwindigkeit teilt sich die Heißluft entsprechend dem Querschnitt auf die einzelnen Düsen auf. Wenn in Phase 2 der Druck auf ca. 0,4 bar reduziert wird, strömt anteilig mehr Heißluft durch die Zentraldüse (9). Das ist jedoch auch erwünscht, weil dadurch die Nachverbrennung der Reaktionsgase in dieser Phase begünstigt wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim Aufheizen und Schmelzen eines Schrotthaufwerkes, bei dem durch ein vorgeheiztes oxidierendes Gas unter Zusatz von fossilen Brennstoffen ein Kanal in ein Schrotthaufwerk geschmolzen wird und durch diesen Kanal weitere Energiezufuhr erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißluft von oben auf das Schrotthaufwerk geblasen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heißluftzufuhr von oben zentral erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißluft auf mehrere getrennte Strahlen aufgeteilt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißluft aufgeteilt wird auf einen Zentralstrahl mit 35 bis 65 % der Gesamtmenge und mehrere Strahlen außerhalb des Zentralstrahles für die restliche Heißluftmenge.
5. Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißluftzufuhr über eine senkrecht verfahrbare Lanze erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufblaslanze sich um die senkrechte Achse bewegt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Ofen eine flüssige Restmenge von Stahl verbleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Ofen verbleibende flüssige Restmenge 10 bis 30 % der Schmelze beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff durch Bodendüsen eingeblasen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodendüsen in einer Vertiefung des Herdes angebracht sind.
11. Verfahren nach Anspruch 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase eiser hohe Heißluftgeschwindigkeit (500 bis 900 /sec) und während einer zweiten Phase eine reduzierte Heißluftgeschwindigkeit (ca. 300 bis 500 m/sec) angewendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Phase 1 mit einer Sauerstoffanreicherung des- Heißwindstrahles auf 30 bis 50 % gearbeitet wird, während in Phase 2 keine oder nur eine geringe Sauerstoffanreicherung erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass während der Phase 1 der Abstand der Heißluftdüse auf einen Abstand von 0,2 bis 0,5 m zur Schrottoöerflä- che und während der Phase 2 auf mindestens 3 m zum Eisenbad eingestellt wird.
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