DE19646802A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Schachtofens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens insbesondere eines Kupolofens, dem im oberen Teil des Schachtes metallische Einsatzstoffe, Legierungselemente und Energieträgerstoffe, wie Koks, und im unteren Teil des Schachtes ein Oxidationsmedium, wie Luft, zugegeben werden, wobei der Schmelzzone Zusatzstoffe, nämlich Legierungselemente, Metallspäne oder Stäube zugeführt werden.

Die Einbringung solcher Zusatzstoffe separat voneinander in die Schmelzzone gehört zum Stand der Technik.

So ist es bekannt, Legierungselemente, wie Aufkohlungsmittel, Siliziumcarbid oder Ferrosilizium, in die Schmelzzone von Kupolöfen mit dem Ziel der Korrektur der Eisenanalyse einzublasen (EP 0 336 121 B1).

In jüngerer Zeit bläst man in der Gießerei und beim Kupolofenbetrieb anfallende Stäube in der Düsenebene für den Ofenwind des Kupolofens ein (EP 0 504 700 A1. Solche Stäube sind z. B. Filterstäube der Kupolofenentstaubung, nicht mehr aufzuarbeitende Gießereialtsande, Stäube aus der Putzerei und Schleiferei usw. Diese Stäube enthalten u. a. SiO₂, welches als Schlackenbildner für den Kupolofenschmelzprozeß genutzt werden kann, aber auch brennbare organische Bestandteile, deren Heizwert für den Schmelzprozeß nutzbar ist. Verschiedene dieser Stäube gelten als Sonderabfall, dessen Entsorgung teuer ist.

Beim Einblasen in die Schmelzzone des Kupolofens wird der Heizwert der brennbaren Bestandteile der Stäube als Schmelzenergie und das SiO₂ als Schlackenbildner genutzt. Problematische Bestandteile der Stäube, wie Schwermetalle, werden umweltsicher in die Schlacke eingebunden, z. B. verglast.

Alle diese in die Schmelzzone des Kupolofens eingebrachten Zusatzstoffe müssen unter unterschiedlichen und zum Teil gegensätzlichen Bedingungen eingeblasen werden. Während bei den Legierungselementen eine reduzierende Atmosphäre an der Einblaßstelle erforderlich ist, muß bei heizwertreichen Stäuben oxidierend gefahren werden. Bei heizwertarmen Stäuben ist es sinnvoll, einen Energieträger mit einzubringen, damit die Verschlackung des SiO₂-Anteils dieser Stäube nicht auf Kosten des Kokssatzes geht.

Generell senkt das Einsetzen insbesondere von Stäuben die Schmelztemperatur ab.

Um dieser Unzuträglichkeit zu begegnen ist in EP 0 618 419 A1 vorgeschlagen worden, einen Brenner mit Zufuhr von Brennstoff und Sauerstoff vorzusehen, in dessen Flamme die Stäube eingetragen werden. Dabei können sich für die Umwelt schädliche NO_x bilden. Außerdem können wertvolle Bestandteile der Zusatzstoffe oxidieren, d. h. verbrennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die beim Einsatz der genannten Zusatzstoffe geschilderten unterschiedlichen Anforderungen befriedigt, eine unerwünschte Absenkung der Schmelztemperatur vermieden und das Entstehen von Schadstoffen, insbesondere NO_x, in unzuträglichem Ausmaß unterbunden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beim Einsatz eines Verfahrens und einer Vorrichtung nach der Erfindung lassen sich die Einbringbedingungen der Zusatzstoffe, des Brennstoffes und des zusätzlich eingebrachten Sauerstoffes so gestalten, insbesondere die Geschwindigkeiten so hoch einstellen, daß sich keine Flamme bildet. Damit lassen sich das Entstehen umweltschädlicher NO_x-Verbindungen und das Verbrennen wertvoller Bestandteile, wie Legierungselemente, vermeiden.

Das Verfahren nach der Erfindung ist für alle gängigen Kupolofentypen, z. B. mit Heißwind, Warmwind, Kaltwind, Sekundärwind betriebene Ofen, gefütterte und ungefütterte Ofenbauarten, Langzeitöfen, Wechselöfen, Shuttleöfen usw. gleichermaßen geeignet.

Das Einsatzmaterial solcher Öfen kann umfassen
als metallischen Einsatz:
Stahlschrott, Kreislaufmaterial (Gußabfall), Gußbruch, Roheisen, Ferromangan, FeSi
als nichtmetallischen Einsatz:
Kohlenstoff (z. B. Koks), Siliziumkarbid, Ferromangan, Kalk, Kies, Basalt.

Als Oxidationsmedium wird dem Ofen, wie bekannt Luft ("Wind"), die entweder vorgewärmt ist (Heißwind, Warmwind) oder Umgebungstemperatur hat (Kaltwind), über eine oder mehrere Düsenreihen zugeführt. Diese Luft kann mit Sauerstoff angereichert sein.

Das Verfahren nach der Erfindung ist für alle Ofengrößen geeignet.

Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung sind in der Schmelzebene des Kupolofens eine oder mehrere der beanspruchten und nachfolgend beschriebenen Kombinationslanzen zum Einbringen der Zusatzstoffe installiert.

Mit einer Vorrichtung nach der Erfindung können einem Kupolofen drei unterschiedliche Stoffe gleichzeitig oder nacheinander in gewünschter Reihenfolge zugeführt werden. Der erste Stoff kann ein Legierungselement, wie ein Aufkohlungsmittel (FeSi, SiC oder dergleichen) oder Staub (z. B. Kupolofenstaub, Altsand, Putzereistaub usw.) oder Eisenspäne oder eine Mischung der vorgenannten Stoffe sein.

Der zweite Stoff dient dazu, die oxidativen bzw. reduktiven Bedingungen, die für den jeweiligen Einsatz des ersten Stoffes nötig sind, einzustellen. Es kann sich folglich um sowohl gasförmige, flüssige, feste heizwerthaltige Stoffe, vorwiegend kohlenstoffhaltige bzw. kohlenwasserstoffhaltige Stoffe handeln.

Der dritte Stoff gleicht die Absenkung der Schmelztemperatur, die durch den Einsatz der ersten beiden Stoffe entsteht, aus. Es handelt sich also um Sauerstoff, der vorwiegend mit Überschallgeschwindigkeit aus der Einrichtung austritt.

Die drei Stoffströme sind getrennt voneinander im Bereich von 0%-100% regelbar. Die optimale Einstellung richtet sich nach der Art, Menge und Zusammensetzung des Stoffes 1 sowie den jeweiligen Anforderungen des Schmelzbetriebes.

Die Einbringbedingungen über die oder jede Kombinationslanze sind derart gestaltet, insbesondere die Einbring-Geschwindigkeiten so gewählt, daß unter allen möglichen Betriebsparametern das Entstehen einer Flamme unmittelbar vor der Lanze verhindert wird. Vorteilhaft ist ein Einbringen durch die Kombinationslanze des Sauerstoffs im zweiten Strahl mit Überschallgeschwindigkeit, vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 2,5 Mach, und der Zusatzstoffe und Brennstoffe im ersten Strahl mit maximal Schallgeschwindigkeit. Dadurch werden eine optimale Effektivität des Verfahrens garantiert und ein Ansteigen der NO_x-Werte verhindert. Zusätzlich zu dem Sauerstoff, der dem Kupolofen über die Kombinationslanzen zugeführt wird, kann dem Kupolofen Sauerstoff über separate Sauerstofflanzen vorwiegend mit Überschallgeschwindigkeit zugeführt werden.

Die erfindungsgemäßen Kombinationslanzen und die Sauerstoff- Injektionslanzen zum zusätzlichen Sauerstoffeintrag werden vorzugsweise in die vorhandenen Winddüsen (wassergekühlte Kupferdüsen oder ungekühlte gestampfte Düsen) eingebaut. Es ist aber auch möglich, diese Einrichtungen und die zusätzlichen Sauerstoff- Injektionslanzen in separate Zuführungen in der Schmelzebene des Kupolofens zu installieren.

Insbesondere werden mit einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Erfindung die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielt:

• a) Die Zugabe von Aufkohlungsmitteln in reduzierender Atmosphäre und Zusatzsauerstoff ermöglicht ein Absenken des Kokssatzes, damit verbunden eine höhere Schmelzleistung, weniger Umweltbelastungen und die Möglichkeit einer kurzfristigen Analysenkorrektur.
• b) Die Zugabe von FeSi bzw. SiC in reduktiver Atmosphäre und Zusatzsauerstoff ermöglicht ein Absenken des Einsatzes von SiC- Formlingen über die Gattierung und eine kurzfristige Analysenkorrektur (Kostenersparnis infolge geringeren Si-Abbrand).
• c) Die Zugabe von Spänen in Verbindung mit Sauerstoff ermöglicht optimale Rückführung der Späne in den Ofen, geringen bzw. keinen Austrag und optimales Ausbringen. Ferner kann die Eisenanalyse durch den Einsatz von Guß- bzw. Stahlspänen gesteuert und die Eisentemperatur falls erforderlich gesenkt werden.
• d) Die Zugabe von Stäuben in Verbindung eventuell mit Zusatzbrennstoff und Sauerstoff ermöglicht es, die Schlackenführung momentan steuern zu können und Problemstoffe in unbedenkliche Stoffe (in verglaster Form) überzuführen, ohne mehr Koks setzen zu müssen, sowie auf Kies als Schlackebildner verzichten zu können.
• e) Die Zugabe von Sauerstoff, bevorzugt mit Überschallgeschwindigkeit, bietet die Möglichkeit der Schmelzleistungsanpassung in einem weiten Bereich, Verringern der Schmelzkosten (Koks-Ersparnis, SiC-Ersparnis, weniger Staubanfall, Reduktion der Stromkosten usw.) sowie die Erhöhung der Eisentemperatur. Ferner werden die Winddüsen weniger thermisch belastet.

Alle diese Wirkungen ergeben sich bei kombinierter Anwendung der angegebenen Verfahrensschritte wie beansprucht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Kupolofen, der mit Vorrichtungen gemäß der Erfindung ausgerüstet ist;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Ofenwandung auf der Höhe der Schmelzzone durch einen Einbringkanal für den Wind, in den eine Vorrichtung gemäß der Erfindung eingesetzt ist;

Fig. 3 einen Längsschnitt nach der Linie III-III in Fig. 4 durch eine Vorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt wie Fig. 4 in abgewandelter Konfiguration;

Fig. 6 einen Teilschnitt ähnlich Fig. 2 in der Höhe der Schmelzzone durch einen Einbringkanal für den Wind, in den eine Sauerstoff-Injektionslanze eingesetzt ist;

Fig. 7, 8 und 9 Querschnitte durch die Schmelzzone des Kupolofens mit einer Anordnung von Kombinationslanzen gemäß den Fig. 2 bis 5 und Sauerstoff-Injektionslanzen gemäß Fig. 6 in drei Varianten.

Fig. 1 zeigt einen im Prinzip bekannten Kupolofen mit einem Schacht, in dessen oberen Teil 1 metallische Einsatzstoffe, Legierungselemente und Energieträgerstoffe, wie Koks eingebracht werden und in dessen unteren Teil 2 ein Oxidationsmedium, wie Luft, - der sogenannte Ofenwind -, über einen Windring 3 und von dort über Einbringkanäle 4 in die Schmelzzone 5 eingeführt wird. In mindestens zwei diagonal gegenüberliegende Einbringkanäle 4 sind insgesamt mit der Bezugszahl 6 bezeichnete Kombinationslanzen gemäß der Erfindung eingesetzt.

Eine Stelle der aus dem Futter 7 und dem Ofenmantel 8 bestehenden Ofenwand, die von einem Einbringkanal 4 für den Ofenwind mit eingesetzter Kombinationslanze 6 durchsetzt ist, zeigt der Teilschnitt nach Fig. 2 mit größerer Deutlichkeit. Die Kombinationslanze 6 ist mit Leitungen 9 für Sauerstoff und 10 für Brennstoff, wie brennbare Gase, sowie mit einer zentralen Zuführleitung 11 für Zusatzstoffe, wie Stäube, verbrauchte Gießereisände, Legierungselemente, Metallspäne, Kohlenstoff und dergleichen versehen. Die Bezugszahlen 9' und 10' bezeichnen individuell betätigbare Absperrventile für die Leitungen 9 und 10.

Der Aufbau der Kombinationslanze 6 ist im einzelnen aus den Fig. 3 bis 5 zu ersehen.

Gemäß den Fig. 3 bis 5 umgibt ein Schutzrohr 12 zwei parallel angeordnete Lanzen, nämlich eine Stofflanze 13 und eine Sauerstofflanze 16. Die Stofflanze 13 umfaßt ein Außenrohr 14 zum Zuführen von Brennstoff, wie Brenngasen (Methan, Erdgas oder dergleichen), über die Leitung 9 und ein davon über einen Ringspalt 14' zum Transport des Brennstoffes getrenntes Innenrohr 15 zum Zuführen von Zusatzstoffen, wie Stäuben über die Leitung 11. Parallel zu der Stofflanze 13 verläuft die Sauerstofflanze 16, und zwar vorzugsweise in einem Abstand X von dem Außenrohr 14 und einem Abstand Y von dem Innenrohr 15, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Der Abstand X liegt vorzugsweise in einem Bereich gleich dem Innendurchmesser der Sauerstofflanze 16 und dem zehnfachen dieses Innendurchmessers, während der Abstand Y vorzugsweise in einem Bereich zwischen dem zweifachen und dem zwanzigfachen des Innendurchmessers der Sauerstofflanze 16 liegt.

In der Darstellung nach Fig. 3 ist die Sauerstofflanze 16 von der Stofflanze 13 verdeckt. In diese Sauerstofflanze 16 führt die Zuleitung 10. In ihrer Mündung hat die Sauerstofflanze 16 eine Lavaldüse 18, wie in Fig. 5 angedeutet und in Fig. 6 für eine gesonderte Sauerstoff- Injektionslanze 20 im Axialschnitt gezeigt ist. Aufgrund dieser Lavaldüse wird der Sauerstoff über die Sauerstofflanze 16, wie auch über die Sauerstoff-Injektionslanze 20 nach Fig. 6 mit Überschallgeschwindigkeit in die Schmelzzone 5 eingeblasen. Dagegen wird zusätzlich in der Stofflanze 13 über den Ringspalt 14' zugeführter Sauerstoff bzw. das hier auch zugeführte Brenngas allein maximal mit Schallgeschwindigkeit eingeblasen. Sauerstoff kann auch dem über das Innenrohr 15 zugeführten Staub oder anderen Zusatzstoffen beigemischt sein. Auch hier wird beim Einblasen die Schallgeschwindigkeit nicht überschritten.

Fig. 6 zeigt in gleicher Darstellung wie Fig. 2 eine in einen anderen Einbringkanal 4 für Ofenwind eingesetzte Sauerstoff-Injektionslanze 20 mit in die Mündung eingesetzter Lavaldüse 18. Hier kann also wahlweise ausschließlich Sauerstoff mit Überschallgeschwindigkeit eingeblasen werden. In Fig. 6 sind mit 21 eine Sauerstoffleitung, mit 22 ein Absperrventil, mit 23 eine Schnellschließkupplung und mit 24 eine Lanzenhalterung für die Sauerstoff-Injektionslanze 20 bezeichnet. Die Einrichtungen 23 und 24 können selbstverständlich auch an der Kombinationslanze 6 vorgesehen sein.

So kann der Betreiber kurzzeitig, zum Beispiel täglich je nach der einzusetzenden Charge, den Betriebsbedingungen, den Ergebnissen von Analysen des Ofeninhalts und den gerade einzublasenden Brennstoffen und Zusatzstoffen entscheiden, ob und in welchem Umfang und wo er Sauerstoff und Zusatzstoffe zusätzlich einbläst.

In allen Fällen des Einblasens, sei es nun über die Kombinationslanzen (im Normalfall mindestens zwei) oder zusätzlich über gesonderte Sauerstoff-Injektionslanzen 20, sind die Einbringbedingungen, insbesondere die Einblasgeschwindigkeiten so hoch, daß sich keine Flamme in unmittelbarer Nähe vor der Mündung 25 in das Ofeninnere 26 bildet. Dadurch wird eine Verbrennung wertvoller Bestandteile, wie Legierungselemente und dergleichen vermieden und außerdem ein Bilden von umweltschädlichen NO_x-Verbindungen in unzuträglichem Ausmaß verhindert.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen Querschnitte durch einen Kupolofen auf dem Niveau der Einbringkanäle für den Wind schematisch mit drei (von vielen möglichen weiteren) Varianten der Einbringung von Sauerstoff und den erwähnten Zusatzstoffen sowie von Brennstoffen gemäß der Erfindung.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 7 sind diagonal gegenüberliegend an den Stellen 70, 73 Kombinationslanzen 6 gemäß den Fig. 2 bis 5 in die Einbringkanäle 4 eingesetzt, während an den Stellen 71, 72; 74, 75 Sauerstoff-Injektionslanzen 20 gemäß Fig. 6 eingesetzt sind.

Bei der Ausführung nach Fig. 8 sind jeweils um 120° versetzt insgesamt drei Kombinationslanzen 6 gemäß den Fig. 2 bis 5 eingesetzt, während jeweils 60° zu diesen Kombinationslanzen versetzt an den drei Stellen 81, 83 und 85 Sauerstoff-Injektionslanzen 20 gemäß Fig. 6 angeordnet sind.

Schließlich sind bei der Variante gemäß Fig. 9 wiederum diagonal gegenüberliegend an den Stellen 90, 93 Kombinationslanzen 6 eingesetzt. Sauerstoff-Injektionslanzen sind an den Stellen 91, 94 diagonal gegenüberliegend angeordnet, während die Einbringkanäle für den Ofenwind an den ebenfalls diagonal gegenüberliegenden Stellen 92, 95 leer belassen sind.

Es ist ersichtlich, daß zahlreiche weitere Varianten denkbar sind. So könnten z. B. außer zwei diagonal gegenüberliegenden Kombinationslanzen sämtliche weiteren Wind-Einbringkanäle 4 leer belassen sein.

Der Variantenreichtum wird selbstverständlich dann noch größer, wenn mehr als sechs Wind-Einbringkanäle 4 um die Schmelzzone herum in der Ofenwandung vorgesehen sind.

Es ist ersichtlich, daß mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung der Betreiber sehr große Freiheiten beim Fahren des Kupolofens erhält, die ihm eine schnelle Anpassung an wechselnde Analysenergebnisse, Betriebsbedingungen, Chargen, Einbringung von unterschiedlichen Zusatzstoffen und Brennstoffen ermöglichen, so daß sich stets eine Qualität nahe dem erreichbaren Optimum der Schmelze unter einem gleichzeitigen Minimum an Umweltbelastung erreichen läßt. Das Einbringen von Stäuben und verbrauchten Sänden ermöglicht eine eluatsichere Abfallbeseitigung.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Kupolofens, dem im oberen Teil des Schachtes metallische Einsatzstoffe, Legierungselemente und Energieträgerstoffe, wie Koks, und im unteren Teil des Schachtes ein Oxidationsmedium, wie Luft, zugegeben werden, wobei in die Schmelzzone in mindestens einem ersten Strahl Zusatzstoffe, nämlich Legierungselemente, Metallspäne, Kohlenstoff, Sände, Stäube einzeln oder kombiniert eingeführt werden und in den ersten Strahl zusätzlich Brennstoffe, gegebenenfalls zusammen mit Sauerstoff eingetragen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem separaten zweiten Strahl Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit in die Schmelzzone eingeführt wird und daß die Einbringbedingungen der erwähnten Stoffe im ersten Strahl und des Sauerstoffs im zweiten Strahl so kontrolliert werden, daß sich keine Flamme bilden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff im zweiten Strahl mit Überschallgeschwindigkeit, insbesondere im Bereich von 1,5 bis 2,5 Mach, zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Brenngas und/oder Sauerstoff im ersten Strahl maximal mit Schallgeschwindigkeit zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungselemente in reduzierender Atmosphäre, heizwertreiche Stäube unter Zufuhr von Sauerstoff und heizwertarme Stäube unter Zufuhr von Brennstoffen und Sauerstoff eingetragen werden.

5. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kombinationslanze (6) eine Stofflanze (13) zum Bilden des ersten Strahls und eine Sauerstofflanze (16) zum Bilden des zweiten Strahls in einer konstruktiven Einheit zusammenfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstofflanze (16) mit einer Lavaldüse (18) ausgestattet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stofflanze (13) ein Innenrohr (15) zur Förderung der Zusatzstoffe und ein das Innenrohr mit Ringspalt (14') umgebendes Außenrohr (14) zur Förderung der Brennstoffe durch den Ringspalt aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stofflanze (13) und die Sauerstofflanze (16) nebeneinander in einem Schutzrohr (12) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der genannten Zusatzstoffe eine eigene Lanze vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von der Kombinationslanze getrennt angeordnete Sauerstoff- Injektionslanzen (20) zum Einbringen von Zusatz-Sauerstoff vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationslanzen (6) in die vorhandenen Einbringkanäle (4) für den Ofenwind eingebaut sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationslanzen in gesonderten Einbringkanälen in der Ofenwandung untergebracht sind, welche in die Schmelzzone münden.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sauerstoff-Injektionslanze (20) in einen nicht durch eine Kombinationslanze (6) belegten Einbringkanal (4) für Ofenwind eingesetzt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Sauerstoff-Injektionslanze in eine nicht durch eine Kombinationslanze belegte, separate Öffnung eingesetzt ist.