DE2926346A1 - Vertikaler ofen zum schmelzen von metallstuecken, insbesondere kupferstuecken - Google Patents

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25. Juni 1979

48O833ers

Reg.-Nr. 125 960

SOUTHWIRE COMPANY, 126 Fertilla Street,

Carrollton, Georgia 30 117 /USA

Vertikaler Ofen zum Schmelzen von Metallstücken, insbesondere Kupferstücken.

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten vertikalen Schmelzofen und den Aufbau eines bei diesem zu verwendenden Brenners, wobei Ofen und Brenner insbesondere für das kontinuierliche Schmelzen von Kupferstükken, beispielsweise von Kathoden, benutzbar sind.

Vertikale gasbeheizte öfen vom Schachtofentyp zum
Schmelzen von Metall, beispielsweise von Kupfer, sind bereits bekannt, vergleiche unter anderem US-PSen
199 977, 3 701 517, 3 715 203 und 3 788 623.
Im allgemeinen haben diese öfen eine im wesentlichen

/nßCQ Telefonische Auskünfte und

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Bestätigung verbindlich

zylindrische, in der vertikalen Richtung langgestreckte Form. Das zu schmelzende Metall, beispielsweise Kathodenstücke aus Kupfer mit einem niedrigen Oxidgehalt, wird aus einer erhöht gelegenen Position in den Ofen eingegeben. Das Metall fällt nach unten zum Boden des Ofens, wo eine Mehrzahl von Brennern heiße Gase in die Schmelzkammer einführen, um das Metall zum Schmelzen zu bringen. Das geschmolzene Metall wird über eine in Bodennähe angeordnete geeignete Öffnung aus dem Ofen entnommen, um das geschmolzene Metall kontinuierlich einem Warmh-alteofen oder einer Gießeinrichtung zuzuführen.

Die Brenner sind gewöhnlich in einer Reihe oder in mehreren Reihen, den unteren Teil des Ofens umringend,so angeordnet, daß eine Schmelzkammer gebildet wird, und sind unmittelbar in den Wänden des Ofens befestigt. Jeder der Brenner, die sämtlich von einer gemeinsamen Quelle her mit Brennstoff versorgt werden, führt ein Gemisch aus Brennstoff und Luft in die Schmelzkammer unter Bildung einer hochturbulenten Flamme ein, die auf das Metall auftrifft, das jedem der Brenner unmittelbar benachbart ist. Brenner vom Typ des feuerfesten Tunnelbrenners sind als Mittel zur Zufuhr eines Strahls mit hoher Temperatur zu einem Ofen in der Technik bekannt. Bei bekannten öfen werden üblicherweise Brenner vom Mischtrichtertyp verwendet, da bei diesen Brennern einige der Schwierigkeiten in Wegfall kommen, wie sie bei Brennern vom Vormisch-Typ üblich sind, beispielsweise Flammrückschlag in die Zuführ-Sammelrohre oder Auswandern der Flamme, d.h. Trennung der Flamme von den Brennerkanälen. Die bekannten Brenner vom Mischtrichter-Typ sind jedoch ebenfalls mit Nachteilen behaftet. Mischtrichterbrenner müssen eine sehr turbulente Flamme hoher Geschwindigkeit haben, um ein einwandfreies Vermischen

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von Brennstoff und Luft in dem kurzen Raum sicherzustellen, der innerhalb des Brenners zur Verfügung steht. Dies hat im Betrieb einen hohen Geräuschpegel zur Folge sowie schwere Betriebsbeanspruchungen, durch die die feuerfesten Werkstoffe von Ofen und Brenner abgenutzt werden. Wenn die Abnutzung ein bestimmtes Ausmaß erreicht, wird der Wirkungsgrad von Brenner und Ofen so ungünstig beeinflußt, daß eine Überholung erforderlich wird. Im einzelnen ergibt sich der Verschleiß durch Aufspalten, Verschlacken, Abrieb oder Kombinationen davon. Das Aufspalten läßt sich als physikalisches Niederbrechen, Verformen oder Zerschlagen der feuerfesten Stoffe unter Einfluß thermischer, mechanischer oder struktureller Ursachen definieren. Unter Verschlacken ist die ierstörerische Wirkung zu verstehen, die in den feuerfesten Werkstoffen auf Grund chemischer Reaktionen stattfindet, die bei den betreffenden hohen Temperaturen ablaufen. Unter Abrieb ist die Abnutzung der feuerfesten Flächen durch die Scheuerwirkung zu verstehen, die von Feststoffen ausgeübt wird, die unter Berührung mit den Flächen bewegt werden. Die Feststoffe können von den Verbrennungsgasen mitgeführt oder in diesen Gasen gebildet werden.

Im allgemeinen wird bei den wirksamsten Typen feuerfester Tunnelbrenner darauf Wert gelegt, daß der feuerfeste Werkstoff gute Isoliereigenschaften, eine hohe Hitzebeständigkeit und an der inneren Oberfläche eine rauhe Oberflächenstruktur besitzt. Nachdem der Brenner angezündet worden ist, wird der feuerfeste Werkstoff erhitzt und dient anschließend dazu, die Flammenzündung aufrecht zu erhalten. Die Rauhigkeit der feuerfesten Oberfläche bewirkt, daß die in der Nähe der Oberfläche strömenden Gase leicht turbulent sind und daher auf den Verbrennungsprozeß eine katalytische Wirkung ausüben, was eine

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Beschleunigung des Verbrennungsablaufs zur Folge hat. Feuerfeste Stoffe/ die gute Isolationseigenschaften und eine rauhe Oberfläche besitzen, neigen jedoch auch zu verringerter Widerstandsfähigkeit gegenüber den abrasieven Einwirkungen der mit hoher Geschwindigkeit strömenden Verbrennungsgase und zeigen daher einen weit stärkeren Verschleiß als dies bei dichteren,glatten,feuerfesten Materialien der Fall ist, beispielsweise bei SiIiziumcarbid. Ein weiterer Nachteil der bekannten Brennerkonstruktionen besteht darin, daß, wenn die Verbrennungsprodukte nicht im Brenner vor dem Eintritt in den Ofen richtig gemischt werden, die Verbrennungsprodukte eine ungleiche, unvorhersehbare Wirkung auf den Schmelzprozeß ausüben, insbesondere, wenn der Betrieb mit innerhalb eines Bereichs veränderlichen Schmelzraten durchgeführt wird, wie es erforderlich ist, wenn geschmolzenes Kupfer zu einem Stranggießsystem zugeführt wird, das mit variablen Gießraten arbeitet.

Das Hauptproblem, das bisher bei Kombinationen bekannter, vertikaler öfen und bekannter Brenner auftrat, besteht darin, daß vielfach vom metallurgischen Standpunkt her gesehen kein erfolgreicher Betrieb möglich war, wenn Kupferkathoden geschmolzen werden sollen und wenn das geschmolzene Kupfer einem Stranggieß- und Walzverfahren zugeführt werden soll, mit welchem man Kupferstränge von einer für elektrische Leiter geeigneten Güte herstellen will. Ein Teil des Problems besteht darin, daß das geschmolzene Kupfer mit nicht annehmbaren Mengen von Verunreinigungen verschmutzt wird. Beispielsweise haben Sauerstoff und Schwefel, die aus dem Verbrennungsprozeß leicht in das geschmolzene Metall hereingebracht werden können, einen schädlichen Einfluß

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auf das anschließende Walzen des gegossenen Kupfers zum Kupferstrang. Auch Schlacken und metallische Verunreinigungen können in die Schmelze hineingebracht werden und haben später eine schädliche Auswirkung auf die Güte oder Leitfähigkeit des Enderzeugnisses. Obwohl vertikale öfen und verschiedene Arten von Brennern bekannt sind, besteht ein beachtliches Bedürfnis, Verbesserungen in mancherlei Hinsicht aufzufinden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen vertikalen Ofen und eine Brennerbauweise aufzuzeigen, die für das kontinuierliche Schmelzen von Kupfer geeignet und gegenüber dem Stand der Technik dahingehend verbessert sind,daß die chemische Zusammensetzung des Erzeugnisses genauer steuerbar ist, indem die Gleichförmigkeit und Voraussagbarkeit des Prozesses erhöht ist, wobei ein feuerfester Tunnelbrenner aufgezeigt werden soll, bei dem die Verbrennung einer vorgemischten verbrennbaren Gasmischung und .der Wirkungsgrad im Betrieb verbessert sind und der darüber hinaus einen verhältnismäßig niedrigen Pegel des Betriebsgeräusches bei hoher Betriebslebensdauer gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine abgebrochen und teils~äafgebrochen gezeichnete Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des vertikalen Ofens;

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Fig. 2 eine abgebrochen und in anderem Maßstab gezeichnete Ansicht eines Teils des Ofens;

Pig. 3A einen Längsschnitt durch einen Brenner für die Verwendung bei dem Ofen gemäß Fig. 1 und 2 und

Fig. 3B eine in anderem Maßstab gezeichnete Ansicht des Gemisch-Eintrittsteils des Brenners gemäß Fig. 3A.

Die hier aufzuzeigende Vertikalschmelzofen- und Brennereinrichtung weist folgende Hauptteile auf: Einen feuerfest ausgekleideten Ofen, Brenner,die in Reihen rings um den Umfang des Ofens in dessen unterem Bereich angeordnet sind, Sammelrohre für die Zufuhr eines Brennstoff-Luftgemisches zu den Brennern sowie Mischer für die Bildung und Regulierung der brennbaren Mischung.

Der Ofen von Fig. 1 ist in vertikaler Richtung langgestreckt und am oberen Ende offen,um das Metall aufzunehmen, mit dem der Ofen zum Schmelzen beschickt wird. An seinem unteren, den Ofenboden bildenden Ende ist der Ofen geschlossen. Die metallische äußere Ofenwand trägt und kontrolliert die innere Wand, die aus feuerfestem Werkstoff besteht, beispielsweise aus Schamotteziegel, und den Temperaturen standhalten kann, die beim Schmelz-Vorgang, beispielsweise von Kupfer, auftreten,und die eine zylindrische Schmelzkammer einschließt.

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Der Ofenboden ist in Form eines V-förmigen Trogs aus feuerfestem Werkstoff ausgebildet und weist eine derartige Wandungsneigung auf, wie es In Fig. 1 gezeigt ist, so daß das geschmolzene Metall durch Schwerkrafteinfluß an den Seiten des Trogs nach abwärts und nach unten über den geneigten Trogbereich hinaus zu der am tiefsten gelegenen Stelle des Ofenbodens fließt, wo ein Abstichloch 10 angeordnet ist, um das geschmolzene Metall abzuführen.

Acht Brenner sind in zwei oder mehreren Reihen in im wesentlichen gleichen gegenseitigen Abständen rings um den Umfang des Ofens angeordnet. Die Brenner stehen mit der Schmeacammer über Eintrittskanäle 20 in Verbindung, die beide Wände des Ofens durchdringen, und schmelzen das im inneren befindliche Metall durch unmittelbare Berührung mit den Strahlen heißer Gase, die aus den neuartigen Brennern austreten. Die Brenner sind an der äußeren Ofenhülle beim Ausführungsbeispiel durch einen Verschraubungsflansch 21 befestigt, könnten jedoch' auch durch Anschweißen oder andere Mittel angebracht sein.

Ihre Längsachsen sind um einen kleinen Winkel gegenüber der Horizontalen geneigt und schneiden sich auf der longitudinalen Zentrallinie des Ofens, wobei die tiefer gelegene Reihe der Brenner so angeordnet ist, daß die Böden ihrer feuerfesten Ziegel unmittelbar über dem Ofenboden gelegen sind. Bei dieser Lageanordnung spülen die heißen Verbrennungsprodukte,die von der Reihe der Brenner ausgestoßen werden, den Bodenofen kontinuierlich von erstarrten Metallteilen und von Schlacken sauber.

Fig. 3A zeigt einen flammhaltenden Brenner der hier aufzuzeigenden Art im Schnitt. Ein gasförmiges,brennbares Brennstoff-Luft-Gemisch tritt in einen Düsenkörper 30 unter Druck ein. Dessen Düse 31 gibt die Mischung,

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welche mittels einer Zündkerze 32 oder anderweitig gezündet wird, an eine Brennkammer Λ/eiter und ist so ausgebildet, daß ein Rückschlagen der Flamme in die Versorgungsleitung verhindert wird. Eine ringförmige Reihe von Bohrungen 33, die die Lippe der Düse 31 durchdringen, münden im eine Hinterschneidung bildenden Raum 34, der das abstromseitige Ende der Düse umgibt und dazu dient, die Flamme an der Düse zurückzuhalten. Eine Lippe 35, die sich vom äußeren Durchmesser der Hinterschneidung zu der Stel-Ie erstreckt, an der sich der Düsenkörper bis auf einen Durchmesser einschnürt, der etwas kleiner ist als der demgegenüber leicht größere Durchmesser der Brennkammer 36, dient dazu, Flammen hoher Geschwindigkeit zurückzuhalten .

Die' Brennkammer 36 ist vorzugsweise zylindrisch und von gerader Abmessung oder mit einer Verengung versehen und ist aus feuerfestem Ziegelwerkstoff so ausgebildet, daß eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoff -Luftgemisch? stattfinden kann, so daß hauptsächlich nur Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer austreten und mit dem Metall in der Schmelzkammer in Kontakt kommen können. Der feuerfeste Ziegelwerkstoff fördert die Verbrennung und gibt der Mischung Zeit für eine vollständige Verbrennung, wodurch eine weit bessere Kontrolle der in den Ofen eintretenden Verbrennungsprodukte ermöglicht wird und der Schmelzprozeß somit gleichförmig und voraussagbar abläuft, insbesondere wenn ein weitgesteckter Bereich verschiedener Schmelzraten erforderlich ist.

Auf Grund des ümstandes, daß innerhalb der Brennerkonstruktion kein Vermischen von Brennstoff und Luft stattfindet, hat der hier aufgezeigte Brenner einen einfachen Aufbau und erzeugt eine weniger turbulente Flamme als es bei den

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üblichen Mischtrichterbrennern der Fall ist, weil bei dem hier gezeigten Brenner keine zusätzliche Turbulenz im Brenner für das Vermischen des Brennstoffs mit der Luft erzeugt wird. Das Fehlen der Vermischungsturbulenz bringt zweierlei Verbesserungen: Geräuschärmeren Betrieb, da die turbulente Mischungskomponente beim Betriebsgeräusch fehlt, und geringere Abnutzung der feuerfesten Werkstoffe, da der Ausstoß des Brenners eine Flamme niedrigeif^eschwindigkeit und geringerer Turbulenz ist.

Die Sammelrohre 11 liefern vorgemischten Brennstoff und Luft den Brennern zu, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß verhältnismäßig wenig Brenner pro Sammelrohr vorgesehen sind - vier Brenner pro Sammelrohr beim bevorzugten Ausführungsbeispiel - um Flammrückschlag in das Brennstoff-Luftgemisch zu verhindern. Bei einem größeren Ofen sind mehr Sammelrohre und Brenner in der oben angegebenen zahlenmäßigen Beziehung erforderlich.

Für jedes Sammelrohr ist eine (nicht gezeigte) Mischstation vorgesehen. Als geeignete Bauweise hierfür kommt der allgemein bekannte Venturimischer in Betracht, bei dem das Mischen durchgeführt wird, während Luft unter Druck durch ein Venturirohr strömt und Brennstoff in den Luftstrom an der Unterdruckstelie in der Venturirohrverengung eingeführt wird. Die Dosierung der Mischung wird durch in den Zuführleitungen angeordnete Dosierventile oder -bohrungen eingestellt, die in den Zuführleitungen für Brennstoff und Luft vorzugsweise in Verbindung mit Strömungsmeßeinrichtungen vom Meßdüsentyp betrieben werden, wie es an sich bekannt ist. Eine sehr" geeignete Methode zum Steuern der Brennstoffmischung ist beispielsweise in der amerikanischen Patentanmeldung gezeigt, die unter der Serial-No. 879 034 am 21.2.1978

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eingereicht worden ist.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet der
Ofen unter leicht reduzierenden Bedingungen, d.h. die Mischer sind so eingestellt, daß ein 0,5 bis 10 % über dem stöchiometrischen Verhältnis liegender Brennstoffüberschuß vorhanden ist. Auf Grund des Umstandes, daß die Brennerkonstruktion eine im wesentlichen vollständige Verbrennung innerhalb der Brennkammer erlaubt,kann die Atmosphäre der Schmelzkammer innerhalb enger Grenzen im reduzierenden Zustand gehalten werden, so daß
die Zufuhr überschüssigen Sauerstoffs zu dem enthaltenen Kupfer vermieden wird.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Vertikaler Ofen zum Schmelzen von Metallstücken, der eine eine Schmelzkammer umgebende, mit feuerfestem Werkstoff ausgekleidete Wandung, eine Mehrzahl von am unteren Bereich dieser Wandung angebrachten Brennern zum Zuführen von Wärme zu den Metallstücken sowie am Grund der Schmelzkammer einen Auslaß besitzt, um geschmolzenes Metall kontinuierlich abzuführen, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) eine Mehrzahl von getrennt von den Brennern angeordneten Mischern für das variable Kombinieren von Brennstoff und Luft,

b) eine Mehrzahl von Sammelrohren (11) für die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemisches zu

c) einer Mehrzahl von für die Verbrennung einer vorgefertigten brennbaren Gasmischung aus Brennstoff und Luft geeigneten Brennern in Form feuerfest ausgekleideter Tunnelbrenner vom flammhaltenden Typ, die eine aus feuerfestem Ziegel gebildete Brennkammer (36) zylindrischen Querschnitts und geradliniger Erstrekkung aufweisen;

d) für die Zufuhr des Brennstoff-Luft-Gemisches zu den Brennern vorgesehene Sammelrohre (11), von denen jedes Sammelrohr zur Versorgung einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Brennern dientι

e) wobei für jedes der Sammelrohre (11) je ein Mischer

vorgesehen ist, und
f) Einrichtungen zum Verhindern eines Flammrückschlages.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sammelrohr (11) für die Versorgung von je vier Bren nern vorgesehen ist.

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3. Verfahren zum Steuern der Atmosphäre in einem Ofen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für die Brenner vorgesehene Mischer verwendet werden, die in einer Zuführleitung für Luft eine Venturi Verengung, eine Einrichtung zum Einführen von Brennstoff in die Luftzuführleitung am Venturirichter, eine Einrichtung zum Dosieren der Luft und des Brennstoffs vor dem Vermischen, wobei die Dosiereinrichtung variable Dosieröffnungen in Zuführleitungen für Luft und Brennstoff aufweist, sowie überwachungseinrichtungen für das Mischungsverhältnis besitzen, welche als Meßdüseneinrichtungen ausgebildet und an den Zuführleitungen angeschlossen sind, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) Berechnen des stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Verhältnisses für den verwendeten Brennstoff,

b) Messen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses vor dem Einströmteil der Mischer mittels der Meßdüseneinrichtungen und

c) Einstellen des Brennstoff-Luft-Verhältnisses durch Veränderung der Durchströmöffnungen auf 0,5 bis 10 % über dem stöchiometrischen Verhältnis gelegenen Brennstoff Überschuß .

4. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der feuerfest ausgekleideten Brennkammern der Brenner eine Verengung besitzt, die als Mittel zum Aufrechterhalten der Verbrennung und zur Förderung der vollständigen Verbrennung dient.

5. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Bespülen des Ofenbodens zur Säuberung desselben von erstarrtem Kupfer und Schlacke eine untere Reihe von Brennern so angeordnet ist, daß die ünterkanten der Brennkammern (36) dieser Brenner am Ofenboden anliegen=" oder unmittelbar darüber angeordnet sind.

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6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenboden in Form eines V-förmigen Trogs ausgebildet ist und daß der Trog zum Zuleiten geschmolzenen Metalls zu einer tiefstgelegenen Stelle des Ofenbodens an seiner Faltachse geneigt ist.

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ORIGINAL INSPECTED