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WO2006072363A1 - Herdofen, verfahren sowie verwendung des herdofens zum schmelzen von metallen - Google Patents

Herdofen, verfahren sowie verwendung des herdofens zum schmelzen von metallen Download PDF

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Publication number
WO2006072363A1
WO2006072363A1 PCT/EP2005/013306 EP2005013306W WO2006072363A1 WO 2006072363 A1 WO2006072363 A1 WO 2006072363A1 EP 2005013306 W EP2005013306 W EP 2005013306W WO 2006072363 A1 WO2006072363 A1 WO 2006072363A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
oxygen
hearth furnace
burner
flame
interior
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/013306
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Biedenkopf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of WO2006072363A1 publication Critical patent/WO2006072363A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B21/00—Obtaining aluminium
    • C22B21/0084—Obtaining aluminium melting and handling molten aluminium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Electric arc furnaces ; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories or equipment, e.g. dust-collectors, specially adapted for hearth-type furnaces
    • F27B3/22—Arrangements of air or gas supply devices
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
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    • C21C5/5217—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace equipped with burners or devices for injecting gas, i.e. oxygen, or pulverulent materials into the furnace
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D99/0033—Heating elements or systems using burners
    • F27D2099/0046—Heating elements or systems using burners with incomplete combustion, e.g. reducing atmosphere
    • F27D2099/0048—Post- combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the present invention relates to a hearth furnace for melting metals and a corresponding method and the use of the hearth furnace for melting metals.
  • the associated burners are usually operated with fossil fuels, mostly natural gas or oil.
  • the burner is in addition to the fossil fuel air, oxygen-enriched air or oxygen supplied to enable combustion of the fuel.
  • the heat transfer between the hot flame of the burner and the metal to be heated in the furnace can be convective and / or via radiant heating.
  • the melting of metals has u. a. Significance in the recycling or recycling of scrap, slag or sorted waste, especially in the non-ferrous metals such as Al, Cu, Pb and Zn. In this area rotary drum ovens and tilt rotary drum ovens are common.
  • the invention is based on the technical problem of specifying the design options for furnaces for melting metals, in particular non-ferrous metals, and to provide a structurally novel metal melting furnace with favorable operating properties. Furthermore, the invention is intended to provide a corresponding method for melting metals and a corresponding advantageous use of the furnace.
  • the invention relates to a hearth furnace for melting metals, which is designed for a discontinuous operation and a horizontal charging and a burner whose flame is directed in operation in the interior of the hearth furnace, and an additional oxygen! for introducing oxygen into the interior of the hearth furnace,
  • non-ferrous metals in particular Al, Cu, Pb or Zn, preferably Al.
  • the invention provides for the use of a hearth furnace for melting metals, ie a furnace with a substantially horizontal charging direction, and usually also a side door designed for discontinuous operation, ie discontinuous charging and discharging of a charge before re-cruising.
  • a hearth furnace for melting metals
  • the Swisskippöfen a furnace with a substantially horizontal charging direction
  • the side door designed for discontinuous operation, ie discontinuous charging and discharging of a charge before re-cruising.
  • the hearth furnace according to the invention to a 'problem which arises in particular when melting of Schratten, slags again to use waste and the like, adapted to: impurities in the starting material result in heating and melting such materials to environmentally harmful and / or hazardous exhaust gases, in particular for strong development of carbon monoxide and incompletely burnt hydrocarbons and other organic compounds.
  • exhaust gases are tolerated less and less.
  • hazards to the persons involved may result from explosions.
  • the invention provides an additional oxygen lance for introducing oxygen into the furnace interior.
  • This oxygen lance should be provided separately from the burner; So here is not meant a device for supplying the oxygen or the air in the burner itself for combustion of the fuel. Rather, it is a separately delivered, own device for supplying pure oxygen or gas mixtures with oxygen, but preferably pure oxygen, to achieve a post-oxidation of problematic compounds by a local oxygen enrichment in the heated atmosphere over the charge.
  • the range of the oxygen introduced into the interior space by the oxygen lance can preferably not only be altered by adjusting the amount of oxygen per unit of time, but largely independently thereof.
  • an optimization of the gas dynamics in the interior can be made, in particular to adjust the temperature distribution
  • energy is released by the post-oxidation If, for example, a relatively short-flame burner is used, it can be fitted with one at an opposite end of the stove
  • the energy released as a result of the post-oxidation can also lead to fear of overheating, so that the range of the oxygen flow is set longer, and in some cases it can also be adapted to a specific charging form or a batch amount, gas dynamics varying by a particular furnace geometry or burner setting, or other circumstances.
  • Particularly short flows can also be generated by the fact that the oxygen flows are swirled through both tubes, wherein a co-directional turbulence quiet currents and an opposite turbulence generates particularly short flow forms in the furnace interior.
  • vortexing of the oxygen flow through one of two oxygen tube tubes is preferred.
  • An additional or alternative possibility of range adjustment consists in a multi-tube lance, in particular double-tube lance, in which a tube, preferably an inner tube, has a nozzle opening into the interior and the other tube opens without a nozzle and with a comparatively larger cross-sectional area.
  • an exhaust gas analysis device is provided in an exhaust passage of the furnace or its mouth into the interior, by means of which the lance to be registered by the oxygen lance is controlled or regulated.
  • the carbon monoxide value or, preferably, the oxygen content itself can be measured.
  • Various methods which are already known per se can be considered, such as vibration absorption measurements with laser (carbon monoxide vibration or asymmetric oxygen vibration).
  • the oxygen flow generated by the oxygen lance in the furnace interior is preferably not in the same direction, but at least somewhat opposite to the flame direction. Preferably, an angle of more than 90 ° in between.
  • An at least partial antidirectionality proves favorable for gas dynamics and mixing. In this case, the flame and the oxygen flow, even with directly opposite orientation, not be directed to each other directly. Incidentally, with a plurality of burners in the respective furnace chamber, this applies to at least one of the burners.
  • an arrangement of the oxygen lance in the vicinity of the exhaust duct is preferred, i. H. relative to the horizontal extent of the hearth furnace interior in the abgasgas beauen matter half and particularly preferably relatively close to the mouth of the exhaust passage, as illustrated in the embodiment.
  • the burner or at least one of a plurality of burners is preferably arranged in the respective other furnace half and relatively far away from the exhaust gas duct.
  • the oxygen unit is preferably arranged so that the oxygen flow is formed in an upper region of the hearth furnace, ie in an upper half relative to the vertical extension of the furnace interior. This can be done by arranging tion of the oxygen lance in this upper half and / or done by a certain upward inclination.
  • Another preferred feature relates to adjustability of the flame length of the burner largely independent of the burner power. This should allow the gas dynamics to be adjusted additionally and also to optimize the geometric relationship of the flame with respect to the charge to be heated.
  • the range of the oxygen flow in the manner already described can be adapted to changes in the flame length and, in particular, excessive superficial and residual oxidation of the metal by the oxygen flow can be avoided by appropriate adjustment.
  • the flame length of the burner will be adjusted especially as the charge melts and alters its geometry.
  • the main function of the oxygen lance according to the invention will then already be completed, because the carbonization gases arise, above all, in the initial heating process.
  • an external mixing burner with a burner head, at least one fuel gas tube and at least one tube for an oxygen-containing gas may be provided, wherein the burner head has outlet openings from the fuel gas tube and from the tube for the oxygen-containing gas.
  • Gas supply lines for fuel gas and for oxygen-containing gas are provided,. each associated with a source of fuel gas or for oxygen-containing gas and at least one gas supply line eccentrically opens into a swirl chamber, which is mounted between the gas inlet and the fuel gas pipe and / or between the gas supply line and the tube for oxygen-containing gas.
  • a swirl chamber which is mounted between the gas inlet and the fuel gas pipe and / or between the gas supply line and the tube for oxygen-containing gas.
  • at least one of the gas supply lines upstream of the swirl chamber divides into two lines, one of these lines being eccentric. opens into the swirl chamber and the other of these lines opens directly into the fuel gas pipe or into the tube for oxygen-containing gas.
  • valves are provided in the gas supply lines, in particular in the part of the gas supply lines, in which at least one gas supply line is already divided into two lines, and is a control or regulating device available, which controls or regulates the opening degrees of the valves, whereby the length the flame of the 0 burner is adjustable
  • valves are designed as solenoid valves. These allow a gradually variable setting of the flame shape.
  • the solenoid valves can be partially or completely replaced with control valves. These allow a continuously variable adjustment of the flame shape.
  • the swirl chamber preferably has a circular cross-section in a section perpendicular to the longitudinal axis of the fuel gas tube.
  • the gas supply line opens tangentially into the swirl chamber.
  • the fuel gas and / or the oxygen-containing gas can be registered eccentrically in a swirl chamber, in which the fuel gas or the oxygen-containing gas a swirl flow is impressed and the fuel gas or oxygen-containing gas 5 after leaving the swirl chamber the fuel gas pipe or the tube for oxygen-containing Gas is supplied.
  • the per unit time via the swirl chamber and without the swirl chamber supplied to the burner amounts of fuel gas and oxygen-containing gas are controlled 0 or regulated, the fuel gas and the oxygen-containing gas are passed through valves whose degrees of opening are controlled or regulated so that the burner Produces flame, which has a desired length adjustable via the control or regulation.
  • a flow of Drail is impressed on the fuel gas stream.
  • a swirl flow is impressed on the flow of the oxygen-containing gas. This is advantageous because the flame aucfi shortens somewhat here and the burner can be structurally somewhat easier to manufacture.
  • the combustion gas flow and the flow of the oxygen-containing gas to each other in the same direction swirl flows are impressed.
  • the advantage here is that the flame is very short and quiet.
  • a further embodiment of the invention provides that opposing swirl flows are impressed on the fuel gas flow and the flow of the oxygen-containing gas. This is recommended in case an extremely short, bushy flame is needed.
  • a significant advantage of this embodiment of the invention is that the change in the flame length can be changed continuously (without changing the amount of fuel during operation). There are no changes to the burner (such as nozzle change) are made. Thus, the current flame length can be reduced to one third of its maximum length.
  • the burner of the furnace should be aligned so that the flame is directed downwards to the metal to be heated.
  • This can be an oblique orientation or a vertical orientation.
  • the oblique orientation should form an angle between the main flame axis and the horizontal of at least 25 °, preferably at least 30 ° and more preferably at least 35 °.
  • the deterioration due to the flame is of particular importance.
  • oxidation reactions can occur, which can be controlled by the adjustability of the flame length, and the range of the oxygen flow in the furnace according to the invention.
  • the question of the contact between the gases in the flame and the metal is of concern.
  • the same applies to the adjustability of the range of the oxygen flow if this is not already directed into an (upper) region of the furnace interior, in which no harmful reactions can occur with the metal material.
  • non-ferrous metals in particular aluminum, copper, lead, zinc.
  • the preferred area of application is in the melting of aluminum.
  • the elemental information is meant in the technical and not necessarily chemically pure sense, ie at elemental proportions above about 60 wt.%.
  • the term aluminum also also includes oxidically contaminated recycle material such as "scabies" with more than about 10 wt% Al.
  • the energy released by the afterburning can be considerable, especially in the case of stronger development of carbonization gases in carbonization chambers. Therefore, it is preferable that the burner power to the oxygen input through the
  • the invention allows a stoichiometric operation of the burner, which is of interest for relatively nitrogen-containing fuels, for example, Dutch natural gas, to throttle nitrogen oxide production.
  • this aspect the invention speaks for a continued operation of the oxygen lance even after the onset of carbonization, d. H. during the actual melting process and / or in an actual melting chamber.
  • the oxygen lance would continue to operate, provided in Mehrhuntöfen another oxygen lance also in the melting chamber.
  • FIG. 1 shows a burner for use in a furnace according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section along the line A-A in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a section along the line B-B in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a schematic representation for explaining the flame length setting with the burner from FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 5 schematically shows a double-tube oxygen lance for a furnace according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a hearth furnace according to the invention with a burner according to FIGS. 1-3 and an oxygen lance according to FIG. 4.
  • the figures show a burner 1 with a burner head 2, a tube 4 for an oxygen-containing gas and with a fuel gas tube 3 (not shown).
  • the two tubes are arranged concentrically, in such a way that the fuel gas tube 3 is mounted within the tube 4.
  • a burner 1 constructed in this way is also called a parallel-flow burner.
  • natural gas is used as fuel gas.
  • Oxygen-enriched air passes via the gas supply line 7 and the line 7a into the swirl chamber 9. There, this gas flow is impressed by a swirl flow which is the same direction as the natural gas flow. In this case, the valve 12 is opened and the valve 13 is closed.
  • the flow of oxygen-enriched air leaves the swirl chamber and is introduced into the tube 4.
  • the natural gas stream is introduced into the fuel gas tube 3.
  • the two gas streams mix and there is a characteristic flame.
  • the shape and the length of the resulting flame depend directly on the setting of the valves 10, 11, 12 and 13.
  • the flame lengthens when the fuel gas flow is added with the valve 11 open and the valve 10 closed, ie no swirling flow is imparted to the natural gas flow. It lengthens in comparison to the flame just described, in which two gas flows a swirl flow is impressed. Likewise, only the natural gas stream can be twisted and the flow of the oxygen-containing gas without ' twist on the line 7b and the open valve 13 to the tube 4 are supplied.
  • valves 10, 11, 12 and / or 13 By forming the valves 10, 11, 12 and / or 13 as control valves intermediate positions, ie adjustable degrees of opening of these valves are possible. As a result, the shape of the flame is infinitely adjustable. The change in the shape of the flame takes place without difficulty during the operation of the burner 1 by means of the control or regulating device for the valves 10, 11, 12, 13.
  • Boundary conditions for the shape of the flame are the supply amounts of fuel gas and oxygen-containing gas, the once selected supply quantities remain constant during operation of the burner. Only by the choice of valve positions for the valves 10, 11, 12, 13 a short, bushy and wide flame is generated up to a long, narrow flame.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the above-mentioned short bushy flame above and the long narrow flame below. The burner 1 is thus shown twice here.
  • FIG. 5 shows the schematic structure of a double-tube oxygen lance.
  • the oxygen lance has a substantially analogous structure to the explanation of FIGS. 1-4, wherein the natural gas flow and the oxygen-enriched air flow are each replaced by pure oxygen.
  • the swirl chamber 8, and thus the conduit 6a and the valve 10 can be omitted, so that the flow of oxygen through the inner tube 3 is not swirled.
  • the inner tube 3 has an indicated in Figure 5 nozzle 23a, which is why the inner tube is provided in Figure 5 instead of the reference numeral 3 with the reference numeral 23.
  • the outer tube of the oxygen lance is denoted by 24 in FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a hearth furnace according to the invention in plan view and in section.
  • the reference numeral 1 denotes the burner of Figures 1 - 4, the reference numeral 25, the oxygen lance of Figure 5, 26 an exhaust passage, 27 a charging door, 28 a removal door and 29 an oven interior.
  • the furnace is substantially rectangular in plan and is loaded by the side loading door 27 and unloaded through the removal door 28.
  • the material to be melted namely aluminum scrap
  • the material to be melted is piled up on a substantially flat base of the oven interior 29 and heated by the burner 1 inclined downwards by about 45 ° to the plane of the paper, in the manner described first with a shorter flame length and then with increasing melting and thereby Lowering the aluminum scrap extended flame length is worked.
  • the carbonization gases produced during the initial heating are post-oxidized in the hot atmosphere above the aluminum scrap with the aid of a high oxygen concentration in the region of the oxygen flow from the oxygen lance 25 before they reach the exhaust gas channel 26.
  • the flow length of the oxygen lance 25 exiting from the oxygen lance 25 into the furnace interior 29 can be adjusted in the manner already described in order to produce favorable gas dynamics.
  • An exhaust gas analysis device not shown here, at the beginning of the exhaust duct 26 allows for an optimization of the gas dynamics, in particular the range adjustment of the oxygen flow, but also the flame geometry, and on the other hand, a regulation of the amount of oxygen depends on the oxygen concentration measured in the exhaust gas. Thus, an unnecessary oxygen consumption can be avoided and - at the same time an almost complete post-oxidation of harmful exhaust gas components can be achieved. Depending on the changing amount of oxygen, in turn, the performance of the burner 1 can be readjusted, in order to ensure an overall substantially constant furnace performance taking into account the energy released by the post-oxidation.
  • the described furnace may also have a plurality of chambers.
  • the oxygen source 25 is, as Figure 6 also does not show due to perspective, mounted with respect to the vertical extent of the interior space 29 at the top, approximately 75% of the height, to avoid excessive oxygen contact with the metal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Herdofen mit einem Brenner zum Aufschmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, und einer Sauerstofflanze (25) zur Nachoxidation von Schwelgasen.

Description

Beschreibung
Herdofen, Verfahren sowie Verwendung des Herdofens zum Schmelzen von Metallen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Herdofen zum Schmelzen von Metallen sowie ein entsprechendes Verfahren und die Verwendung des Herdofens zum Schmelzen von Metallen.
Industrieöfen zum Metallschmelzen mit Brennern als Heizung sind in vielfältigen Ausführungsformen seit langem bekannt und im Einsatz. Häufig werden die Brenner dabei so angebracht, dass die Flamme des Brenners im Ofenbetrieb in den Ofeninnenraum gerichtet ist und diesen quasi direkt heizt. Öfen dieses Typs existieren in verschiedenen Bauformen, beispielsweise als Herdöfen, Drehtrommelöfen, Kippdrehtrommelöfen, Schachtöfen. Zu den Herdöfen sind auch jüngere Typen des Herdofens zu rechnen, beispielsweise sog. Closed-Well-Öfen, Zweikammeröfen (twin chamber) oder Dreikammeröfen.
Die zugehörigen Brenner werden in der Regel mit fossilen Brennstoffen, meistens Erdgas oder Öl, betrieben. Dem Brenner wird neben dem fossilen Brennstoff Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch Sauerstoff zugeführt, um eine Verbrennung des Brennstoffs zu ermöglichen. Der Wärmeübergang zwischen der heißen Flamme des Brenners und dem zu heizenden Metall in dem Ofen kann konvektiv und/oder über Strahlungsheizung erfolgen.
Das Aufschmelzen von Metallen hat u. a. Bedeutung beim Recycling oder der Verwertung von Schrotten, Schlacken oder sortierten Abfällen, insbesondere bei den Nichtei- sen-Metallen wie AI, Cu, Pb und Zn. In diesem Bereich sind Drehtrommelöfen und Kippdrehtrommelöfen gebräuchlich.
Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, die konstruktiven Möglichkeiten bei Öfen zum Aufschmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, zu er- weitem und einen konstruktiv neuartigen Metallschmelzofen mit günstigen Betriebseigenschaften anzugeben. Ferner soll die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Schmelzen von Metallen und eine entsprechende vorteilhafte Verwendung des Ofens bereitstellen. Die Erfindung bezieht sich auf einen Herdofen zum Schmelzen von Metallen, der für einen diskontinuierlichen Betrieb und eine horizontale Chargierung ausgelegt ist und einen Brenner, dessen Flamme im Betrieb in den Innenraum des Herdofens gerichtet ist, sowie eine zusätzliche Sauerstoff! anze zum Einführen von Sauerstoff in den Innen- räum des Herdofens aufweist,
sowie auf ein Verfahren zum Schmelzen einer Metall-Chargierung eines Herdofens, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit Hilfe eines Brenners, dessen Flamme in den Innenraum des Ofens gerichtet wird, wobei der Ofen diskontinuier- lieh betrieben und im Wesentlichen horizontal chargiert wird und mit Hilfe einer Sauerstofflanze während des Betriebs Sauerstoff in den Innenraum des Herdofens eingeführt wird, um durch einen lokalen Sauerstoffüberschuss in dem Innenraum des Ofens eine Nachoxidation von Abgasen, insbesondere Schwelgasen, zu bewirken,
sowie auf die Verwendung des beschriebenen Herdofens zum Schmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, insbesondere AI, Cu, Pb oder Zn, vorzugsweise AI.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und wer- den im Folgenden näher erläutert.
Die folgende Beschreibung bezieht sich implizit sowohl auf den erfindungsgemäßen Herdofen als auch auf das erfindungsgemäße Verfahren und die Verwendung des O- fens, ohne dass hierzwischen explizit unterschieden wird.
Die Erfindung sieht den Einsatz eines Herdofens zum Schmelzen von Metallen vor, d. h. eines Ofens mit einer im Wesentlichen horizontalen Chargierrichtung und gewöhnlich auch einer seitlichen Tür, der für einen diskontinuierlichen Betrieb, also ein diskontinuierliches Chargieren und Abführen einer Charge vor dem Neuchargieren, ausgelegt ist. Z. B. im Vergleich zu Schachtöfen liegen in Herdöfen die aufzuschmelzenden Materialien stärker in der Fläche verteilt und weniger übereinander geschichtet Herdöfen werden nicht gedreht wie Dreh- und Drehkippöfen. Sie sind dementsprechend baulich einfacher und kostengünstiger. Der Erfinder geht jedoch davon aus, dass auch Herdöfen in günstiger Weise zum Aufschmelzen von Metallen, insbesonde- re Nichteisen-Metallen, verwendbar sind, wenngleich sie zu diesem Zweck bisher nicht gebräuchlich sind.
Darüber hinaus sol! der erfindungsgemäße Herdofen an ein insbesondere beim Auf- schmelzen von Schratten, Schlacken,' wieder zu verwendenden Abfällen und dgl. auftretendes Problem angepasst werden: Verunreinigungen im Ausgangsmaterial führen beim Erwärmen und Aufschmelzen solcher Materialien zu umweltschädlichen und/oder gefährlichen Abgasen, insbesondere zur starken Entwicklung von Kohlenmonoxid und nicht vollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Verbin- düngen. Im Zuge des steigenden Umweltbewusstseins werden solche Abgase immer weniger toleriert. In Einzelfällen können auch neben der gesundheitlichen Belastung durch die Gase selbst Gefährdungen der beteiligten Personen durch Explosionen entstehen.
Daher sieht die Erfindung neben einem Brenner zum Aufheizen einer Chargierung eine zusätzliche Sauerstofflanze vor, um Sauerstoff in den Ofeninnenraum einzuführen. Diese Sauerstofflanze soll von dem Brenner getrennt vorgesehen sein; hier ist also nicht eine Vorrichtung zum Zuführen des Sauerstoffs oder der Luft in dem Brenner selbst zur Verbrennung des Brennstoffs gemeint. Vielmehr handelt es sich hier um eine getrennt angelieferte, eigene Vorrichtung zum Zuführen von reinem Sauerstoff oder Gasmischungen mit Sauerstoff, vorzugsweise jedoch reinem Sauerstoff, um durch eine lokale Sauerstoffanreicherung in der aufgeheizten Atmosphäre über der Chargierung eine Nachoxidation problematischer Verbindungen zu erreichen.
Es hat sich herausgestellt, dass eine getrennte Sauerstoffzuführung hier äußerst effektiv ist und wesentlich bessere Ergebnisse liefert als eine überstöchiometrische Anreicherung im Brenner selbst. Vorteilhaft ist eine lokale Sauerstoffanreicherung, wobei weder eine Überstöchiometrie in der Flamme selbst noch . eine ausgeprägte Sauerstoffanreicherung in der gesamten Atmosphäre im Brennerinnenraum entscheidend ist. Die erfindungsgemäße Sauerstofflanze erzeugt einen ausgeprägten Sauerstoffüber- schuss und damit ein hohes Oxidationspotential in bestimmten Bereichen. Durch eine ausgeprägte Durchmischung der Atmosphäre durch die durch den Brenner und/oder die Sauerstofflanze erzeugten Gasgeschwindigkeiten können damit ganz erhebliche Reduktionen schädlicher Gase erzeugt werden. Dies ist ferner ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich; vielmehr wird durch die Nachoxidation zusätzliche Energie in Form von Wärme frei und kann für den Schmelzprozess genutzt werden.
Vorzugsweise lässt sich die Reichweite des von der Sauerstofflanze in den Innenraum eingebrachten Sauerstoffs nicht nur durch eine Einstellung der Sauerstoffmenge pro Zeiteinheit, sondern weitgehend unabhängig davon verändern. Damit kann eine" Optimierung der Gasdynamik in dem Innenraum vorgenommen werden, insbesondere um die Temperaturverteilüng einzustellen. Wie bereits erwähnt, wird durch die Nachoxidation Energie frei. Wenn- beispielsweise ein relativ kurzflammiger Brenner verwendet wird, kann mit einer an einem entgegengesetzten Ende des Herdofens angebrachten Sauerstofflanze gezielt eine Aufwärmung dieses entgegengesetzten Herdofenendes bewirkt werden. Andererseits kann durch die. in Folge der Nachoxidation freiwerdende Energie auch eine Überhitzung zu befürchten sein, so dass die Reichweite der Sauerstoffströmung länger eingestellt wird. In Einzelfällen kann auch eine Anpassung an eine durch eine bestimmte Chargierungsform oder einer Chargierungsmenge, durch eine bestimmte Ofengeometrie oder Brennereinstellung oder in Folge anderer Umstände variierende Gasdynamik erzielt werden.
Dies kann zum einen mit Hilfe von Drallkammern erfolgen. Wird der Sauerstoff-(oder sauerstoffhaltige Gas-)Strom mit Hilfe einer Drallkammer vor Eintritt in den Ofeninnenraum verwirbelt, neigt er stärker zur Aufweitung und hat eine geringere Reichweite, strömt er unverwirbelt ein, insbesondere durch eine seine Geschwindigkeit erhöhende und sein Querschnittsprofil konzentrierende Düse, so ist die Reichweite größer. Hier können auch Doppelrohrlanzen, insbesondere mit einem inneren und einem äußeren Rohr, verwendet werden, bei denen zwischen einem Sauerstoffeintrag durch eine Lanze mit Verwirbelung und einem Sauerstoffeintrag durch die andere Lanze ohne Verwir- belung gewählt und durch die Einstellung der Sauerstoffmengen der jeweiligen Rohre auch eine stufenlose Reichweiteneinstellung erfolgen kann. So können zwischen kurzen, buschigen und breiten Strömungsformeri und langen schmalen Strömungsformen- Übergangszustände erzeugt werden. Besonders kurze Strömungen lassen sich auch dadurch erzeugen, dass die Sauerstoffströmungen durch beide Rohre verwirbelt sind, wobei eine gleichsinnige Verwirbelung leise Strömungen und eine gegensinnige Verwirbelung besonders kurze Strömungsformen im Ofeninnenraum erzeugt. Bevorzugt ist jedoch eine Verwirbelung der Sauerstoffströmung durch eines von zwei Sauerstofflan- zenrohren. Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit der Reichweiteneinstellung besteht in einer Mehrrohrlanze, insbesondere Doppelrohrlanze, bei der ein Rohr, vorzugsweise ein inneres Rohr, eine Düsenmündung in den Innenraum aufweist und das andere Rohr ohne Düse und mit vergleichsweise größerer Querschnittsfläche mündet. Hier kann durch Aufteilung des Sauerstoffstromes auf die beiden Rohre ebenfalls eine Beeinflussung der Reichweite der Strömung in' dem Innenraum ohne wesentliche Veränderung der Eintragsmenge pro Zeiteinheit erzielt werden.
Bevorzugt ist ferner, dass in einem Abgaskanal des Ofens oder dessen Mündung in den Innenraum eine Abgasanalyseeinrichtung vorgesehen ist, mit Hilfe derer die von der Sauerstoff lanze einzutragende Sauerstoffmenge gesteuert oder geregelt wird. Hier kann beispielsweise der Kohlenmonoxidwert oder aber vorzugsweise der Sauerstoffgehalt selbst gemessen werden. In Betracht kommen verschiedene, an sich bereits bekannte Verfahren, etwa Schwingungsabsorptionsmessungen mit Laser (Kohlenmo- noxidschwingung oder asymmetrische Sauerstoffschwingung).
Die durch die Sauerstofflanze erzeugte Sauerstoffströmung im Ofeninnenraum ist vorzugsweise nicht gleichsinnig, sondern zumindest etwas gegensinnig zu der Flammenrichtung. Bevorzugt ist ein Winkel von über 90° hierzwischen. Eine zumindest ansatz- weise Gegensinnigkeit erweist sich als günstig für die Gasdynamik und Durchmischung. Dabei müssen die Flamme und die Sauerstoffströmung, auch bei direkt gegensätzlicher Orientierung, nicht direkt aufeinander zu gerichtet sein. Bei einer Mehrzahl Brenner in der betreffenden Ofenkammer gilt dies im Übrigen für mindestens einen der Brenner.
Femer ist eine Anordnung der Sauerstofflanze in der Nähe des Abgaskanals bevorzugt, d. h. bezogen auf die Horizontalerstreckung des Herdofeninnenraums in der ab- gaskanalseitigen Hälfte und besonders bevorzugter Weise relativ nah an der Mündung des Abgaskanals, wie im Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Der Brenner oder zu- mindest einer aus einer Mehrzahl Brenner ist dabei vorzugsweise in der jeweils anderen Ofenhälfte und relativ weit vom Abgaskanal entfernt angeordnet.
Schließlich ist die Sauerstoffianze vorzugsweise so angeordnet, dass die Sauerstoffströmung in einem oberen Bereich des Herdofens, d. h. in einer bezogen auf die verti- kale Erstreckung des Ofeninnenraums oberen Hälfte entsteht. Dies kann durch Anord- nung der Sauerstofflanze in dieser oberen Hälfte und/oder durch eine gewisse Aufwärtsneigung erfolgen.
Die vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen sind auch und besonders auf Mehrkammerherdöfen zu lesen, in denen eine gesonderte Abschwelkammer vorgesehen ist. Die erfindungsgemäßen Merkmale beziehen sich dann vor allem auf die Abschwelkammer, können aber auch in anderen Kammern zusätzlich vorgesehen sein, etwa um bei einer weiteren Erwärmung einer Chargierung zum Aufschmelzen selbst in einer der Abschwelkammer nachfolgenden Kammer auftretende Abgase zu verbren- nen.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal betrifft eine Einstellbarkeit der Flammenlänge des Brenners weitgehend unabhängig von der Brennerleistung. Damit soll sich die Gasdynamik zusätzlich-einstellen lassen und auch die geometrische Beziehung der Flamme in Bezug auf die zu erhitzende Chargierung optimieren lassen. Dabei kann die Reichweite der Sauerstoffströmung in der bereits beschriebenen Weise an Flammenlängen- veränderungen angepasst werden und insbesondere auch eine übermäßige oberfläch-, liehe Oxidierung des Metalls durch die Sauerstoffströmung durch entsprechende Ein- Stellung vermieden werden. Häufig wird jedoch die Flammenlänge des Brenners vor allem dann verstellt werden, wenn die Chargierung schmilzt und ihre Geometrie verändert. In vielen Fällen wird dann die Hauptfunktion der erfindungsgemäßen Sauerstofflanze bereits abgeschlossen sein, weil die Schwelgase vor allem im anfänglichen Er- wärmungsprozess entstehen.
Für eine Einstellbarkeit der Flammenlänge kann ein außenmischender Brenner mit einem Brennerkopf, mindestens einem Brenngasrohr und mindestens einem Rohr für ein sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen sein, wobei der Brennerkopf Austrittsöffnungen aus dem Brenngasrohr und aus dem Rohr für das sauerstoffhaltige Gas aufweist.
Dabei sind- Gaszuleitungen für Brenngas und für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen, . die je mit einer Quelle für Brenngas bzw. für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung stehen und von denen mindestens eine Gaszuleitung exzentrisch in eine Drallkammer mündet, die zwischen der Gäszuleitung und dem Brenngasrohr und/oder zwischen der Gaszuleitung und dem Rohr für sauerstoffhaltiges Gas angebracht ist. Bevorzugt teilt sich mindestens eine der Gaszuleitungen stromaufwärts vor der Drallkammer in zwei Leitungen auf, wobei eine dieser Leitungen exzentrisch . in die Drallkammer mündet und die andere dieser Leitungen direkt in das Brenngasrohr bzw. in das Rohr für sauerstoffhaltiges Gas mündet.
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Besonders bevorzugt sind in den Gaszuleitungen Ventile vorgesehen, insbesondere in dem Teil der Gaszuleitungen, in dem mindestens eine Gaszuleitung bereits in zwei Leitungen geteilt ist, und steht eine Steuer- oder Regeleinrichtung zur Verfügung, die die Öffnungsgrade der Ventile steuert oder regelt, wodurch die Länge der Flamme des 0 Brenners einstellbar ist
Zweckmäßigerweise sind die Ventile als Magnetventile ausgebildet. Diese lassen eine stufenweise veränderbare Einstellung der Flammenform zu. Bei höheren Ansprüchen können die Magnetventile teilweise oderganz gegen Regelventile ausgetauscht wer- 5 den. Diese lassen eine kontinuierlich veränderbare Einstellung der Flammenform zu.
Bevorzugt weist die Drallkammer in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse des Brenngasrohres einen kreisförmigen Querschnitt auf. Besonders bevorzugt mündet die Gaszuleitung tangential in die Drallkammer. Durch jede dieser Ausgestaltungen kann 0 die Reibung für den Drallstrom verringert und zusammen minimiert werden.
Dabei kann das Brenngas und/oder das sauerstoffhaltige Gas exzentrisch in eine Drallkammer eingetragen werden, in der dem Brenngas bzw. dem sauerstoffhaltigen Gas eine Drallströmung aufgeprägt wird und das Brenngas bzw. sauerstoffhaltige Gas 5 nach Verlassen der Drallkammer dem Brenngasrohr bzw. dem Rohr für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird.
Bevorzugt werden die pro Zeiteinheit über die Drallkammer und ohne die Drallkammer dem Brenner zugeführten Mengen an Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas gesteuert 0 oder geregelt, wobei das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas über Ventile geleitet werden, deren Öffnungsgrade so gesteuert oder geregelt werden, dass der Brenner eine Flamme erzeugt, die eine gewünschte und über die Steuerung oder- Regelung einstellbare Länge aufweist. Bevorzugt wird dem Brenngasstrom eine Drailströmung aufgeprägt. Dabei besteht der Vorteil darin, dass eine gute Vermischung des Brennstoffs mit dem Sauerstoff bei leicht verkürzter Flamme entsteht.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dem Strom des sauerstoffhaltigen Gases eine Drallströmung aufgeprägt. Dies ist vorteilhaft, da die Flamme sich aucfi hier etwas verkürzt und der Brenner sich konstruktiv etwas einfacher fertigen lässt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Äusführungsform der Erfindung werden dem Brenngasstrom und dem Strom des sauerstoffhaltigen Gases zueinander gleichsinnige Drallströmungen aufgeprägt. Dabei besteht der Vorteil darin, dass die Flamme sehr kurz und leise ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Brenngasstrom und dem Strom des sauerstoffhaltigen Gases zueinander gegenläufige Drallströmungen aufgeprägt werden. Dies ist für den Fall zu empfehlen, dass eine extrem kurze, buschige Flamme benötigt wird.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Veränderung der Flammenlänge stufenlos (ohne die Brennstoffmenge während des Betriebes zu verändern) geändert werden kann. Es müssen auch keine Veränderungen am Brenner (wie z. B. Düsenwechsel) vorgenommen werden. So kann die momentane Flammenlänge auf bis zu ein Drittel ihrer maximalen Länge verringert werden.
Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die Veränderung der Flammenlänge stufenlos erfolgt und während des Betriebs des Brenners die Aufprägung einer Drallströmung begonnen und auch wieder beendet werden kann, ohne dass der Brenner abgestellt werden müsste und ohne dass irgendwelche baulichen Veränderungen, wie beispielswei- se das Wechseln einer herkömmlichen Drallscheibe notwendig wäre. Die Veränderung der Flamme erfolgt über die Änderung mindestens einer der beiden Gasströmungen allein über die Einstellung des Öffnungsgrades der beschriebenen Ventile, was wiederum über die Steuer- oder Regeleinrichtung geschieht. Die vorstehende Erläuterung zur Einsteilbarkeit der Flammenlänge entspricht im Übrigen, wenn die Flamme durch eine zweite Sauerstoffströmung ersetzt wird, sinngemäß auch der Einstellbarkeit der Reichweite der Sauerstoffströmuήg mit Hilfe zumindest einer Draükammer.
Femer soll vorzugsweise der Brenner des Ofens so ausgerichtet sein, dass die Flamme nach unten auf das zu heizende Metall gerichtet ist. Dabei kann es sich um eine schräge Ausrichtung oder auch um eine vertikale Ausrichtung handeln. Die schräge Ausrichtung soll einen Winkel zwischen der Flammenhauptachse und der Horizontalen von mindestens 25°, vorzugsweise mindestens 30° und besonders bevorzugter Weise mindestens 35° bilden. Mit dieser Vorgehensweise wird der konvektive Wärmeübergang in das Gut erhöht. Mit einem Brenner, dessen Flammenlänge einstellbar ist, ergibt sich die Möglichkeit, den Abstand zwischen der Flamme und dem Metall oder allgemeiner gesprochen die geometrische Beziehung zwischen der Flamme . und dem . Metall in einem gewissen Umfang einzustellen.
Bei Schmelzöfen zum Aufschmelzen von Metallen ist die Beeinträchtigung durch die Flamme von besonderer Bedeutung. Bei Metallen können Oxidationsreaktionen auftreten, die durch die Einstellbarkeit der Flammenlänge, und der Reichweite der Sauer- Stoffströmung in dem erfindungsgemäßen Ofen kontrolliert werden können. Daneben kann es von Vorteil sein, beispielsweise durch ein anfängliches Kurzhalten der Flamme einen eher gleichmäßigen Wärmeeintrag in einen Haufen aus Metallmaterial mit deutlich unebener ("gehäufter") Oberfläche zu erzielen und im Verlauf der Einebnung der Oberfläche durch zunehmendes Aufschmelzen dann die Flamme zu verlängern. Vor allem ist aber die Frage des Kontakts zwischen den Gasen in der Flamme und dem Metall von Belang. Analoges gilt für die Einstellbarkeit der Reichweite der Sauerstoffströmung, wenn diese nicht ohnehin in einen (oberen) Bereich des Ofeninnenraums gerichtet ist, in dem keine schädlichen Reaktionen mit dem Metallmaterial auftreten können.
Besonders interessant ist die Erfindung für Nichteisenmetalle, insbesondere Aluminium, Kupfer, Blei, Zink. Der bevorzugte Anwendungsbereich liegt im Aufschmelzen von Aluminium. Hier sind die Elementangaben übrigens im technischen und nicht unbedingt chemisch reinen Sinn gemeint, d.h. bei Elementanteilen über etwa 60 Gew.%. Der Begriff Aluminium beinhaltet ferner auch oxidisch verunreinigtes Recyciingmaterial wie "Krätze" ("dross") mit über etwa 10 Gew.% Al.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann vor allem bei stärkerer Entwicklung von Schwelgasen in Schwelkammern die durch die Nachverbrennung freiwerdende Energie erheblich sein. Daher ist es bevorzugt, die Brennerleistung an den Sauerstoffeintrag durch die
Sauerstofflanze anzupassen, so dass die Gesamtleistung im Wesentlichen konstant bleibt. Zusätzlich zu der Vermeidung von Umweltschädigungen und Gefährdungen der
Mitarbeiter kann damit der eigentliche Schmeizprozess ökonomisch von dem erfin- dungsgemäßen Sauerstoffeintrag profitieren.
Schließlich erlaubt die Erfindung eine unterstöchiometrische Betriebsweise des Brenners, was bei relativ stickstoffhaltigen Brennstoffen, beispielsweise niederländischem Erdgas, von -Interesse ist, -um die Stickoxidproduktion zu drosseln. Dieser Aspekt, der Erfindung spricht übrigens für einen fortgesetzten Betrieb der Sauerstofflanze auch nach dem Anfall der Schwelgase, d. h. während des eigentlichen Schmelzprozesses und/oder in einer eigentlichen Schmelzkammer. Bei Herdöfen, in denen in derselben Kammer anfänglich erwärmt und dann aufgeschmolzen wird, würde die Sauerstofflanze also weiterbetrieben, bei Mehrkammeröfen eine weitere Sauerstofflanze auch in der Schmelzkammer vorgesehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können und sich sowohl auf den Vorrichtungs- als auch auf den Verfahrenscha- rakter der Erfindung beziehen.
Figur 1 zeigt einen Brenner zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Ofen.
Figur 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 1.
Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B in Figur 1. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Flammenlängen- einstellung mit dem Brenner aus den Figuren 1 bis 3.
Figur 5 zeigt schematisch eine Doppelrohr-Sauerstofflanze für einen erfindungsgemäßen Ofen. Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Herdofens mit einem Brenner gemäß den Figuren 1 - 3 und einer Sauerstofflanze ge maß Figur 4.
Bevor auf den eigentlichen erfindungsgemäßen Ofen näher eingegangen wird, wird zunächst eine bevorzugte Ausgestaltung eines Brenners für diesen Ofen erläutert, die eine besonders günstige Einstellbarkeit der Flammenlänge gestattet.
Im Einzelnen zeigen die Figuren einen Brenner 1 mit einem Brennerkopf 2, einem Rohr 4 für ein sauerstoffhaltiges Gas und mit einem Brenngasrohr 3 (nicht dargestellt). Die beiden Rohre sind konzentrisch angeordnet, und zwar so, dass das Brenngasrohr 3 innerhalb des Rohres 4 angebracht ist. Ein so aufgebauter Brenner 1 wird auch Parallelstrombrenner genannt Als Brenngas wird beispielsweise Erdgas eingesetzt. Ein beispielhafter Betrieb des Brenners 1 , bei dem beide Gasströme gleichsinnig gedrallt werden, sieht folgendermaßen aus: Erdgas strömt von der Gaszuleitung 6 bei geöffnetem Ventil 10 über die Leitung 6a in die Drallkammer 8. Dort wird dem Ergas- strom eine Drallströmung aufgeprägt. Das Ventil 11 ist dabei geschlossen.
Sauerstoffangereicherte Luft gelangt über die Gaszuleitung 7 und die Leitung 7a in die Drallkammer 9. Dort wird diesem Gasstrom eine dem Erdgasstrom gleichsinnige Drallströmung aufgeprägt. Dabei ist das Ventil 12 geöffnet und das Ventil 13 geschlossen.
Der Strom der sauerstoffangereicherten Luft verlässt die Drallkammer und wird in das Rohr 4 eingetragen. Der Erdgasstrom wird in das Brenngasrohr 3 eingetragen.
Am Brennerkopf 2 mischen sich die beiden Gasströme und es entsteht eine charakteristische Flamme. Die Form und die Länge der entstehenden Flamme hängen direkt von der Einstellung der Ventile 10, 11, 12 und 13 ab.
Beispielsweise verlängert sich die Flamme, wenn der Brenngasstrom bei geöffnetem Ventil 11 und geschlossenem Ventil 10 zugegeben wird, d. h. dem Erdgasstrom keine Drallströmung aufgeprägt wird. Sie verlängert sich im Vergleich zu der soeben beschriebenen Flamme, bei der beiden Gasströmen eine Drallströmung aufgeprägt wird. Ebenso kann lediglich der Erdgasstrom gedrallt werden und der Strom des sauerstoffhaltigen Gases ohne' Drall über die Leitung 7b und das geöffnete Ventil 13 dem Rohr 4 zugeführt werden.
Durch Ausbildung der Ventile 10, 11 , 12 und/oder 13 als Regelventile werden Zwischenstellungen, also einstellbare Öffnungsgrade dieser Ventile ermöglicht. Dadurch wird die Form der Flamme stufenlos verstellbar. Die Änderung der Form der Flamme erfolgt problemlos während des Betriebs des Brenners 1 mittels der Steuer- oder Regeleinrichtung für die Ventile 10, 11 , 12, 13.
Randbedingungen für die Form der Flamme sind die Zufuhrmengen an Brenngas und sauerstoffhaltigen Gas, Die einmal gewählten Zufuhrmengen bleiben hier während des Betriebs des Brenners konstant. Lediglich durch die Wahl der Ventilstellungen für die Ventile 10, 11 , 12, 13 wird eine kurze, buschige und breite Flamme bis hin zu einer langen, schmalen Flamme erzeugt.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung die bereits erwähnte kurze buschige Flamme oben und die lange schmale Flamme unten. Der Brenner 1 ist hier also zweimal dargestellt.
Figur 5 zeigt den schematischen Aufbau einer Doppelrohr-Sauerstofflanze. Zunächst ist festzustellen, dass die Sauerstofflanze im Wesentlichen einen analogen Aufbau zu der Erläuterung der Figuren 1 - 4 hat, wobei die Erdgasströmung und die Sauerstoff angereicherte Luftströmung jeweils durch reinen Sauerstoff ersetzt werden. Ferner können die Drallkammer 8 und damit die Leitung 6a und das Ventil 10 weggelassen werden, so dass die Sauerstoffströmung durch das innere Rohr 3 nicht verwirbelt wird. Schließlich weist das Innenrohr 3 eine in Figur 5 angedeutete Düse 23a auf, weswegen das Innenrohr in Figur 5 statt mit der Bezugsziffer 3 mit der Bezugsziffer 23 versehen ist. Dementsprechend ist das äußere Rohr der Sauerstofflanze in Figur 5 mit 24 be- zeichnet.
Damit ergibt sich insgesamt die Möglichkeit einer durch die Düse 23a beschleunigten und daher im Innenraum des Ofens relativ weitreichenden Sauerstoffströmung durch das Innenrohr 23 und einer in Folge des größeren Öffnungsquerschnitt des äußeren . Rohres 24 und der Abwesenheit einer Düse bereits verlangsamten ,und daher kürzeren Sauerstoffströmung, die durch Einstellung den Ventilen 12 und 13 in Figur 1 und 2 entsprechender Ventile durch zusätzliche Verwirbelung hinsichtlich ihrer Reichweite verkürzt werden kann.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Herdofens in Draufsicht und im Schnitt. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 1 den Brenner aus den Figuren 1 - 4, die Bezugsziffer 25 die Sauerstofflanze aus Figur 5, 26 einen Abgaskanal, 27 eine Chargiertür, 28 eine Entnahmetür und 29 einen Ofeninnenraum. Der Ofen ist im Grundriss im Wesentlichen rechteckig und wird durch die seitliche Chargiertür 27 beladen und durch die Entnahmetür 28 entladen. Das aufzuschmelzende Gut, nämlich Aluminiumschrott, wird auf einer im Wesentlichen flachen Grundfläche des Ofeninnenraums 29 aufgehäuft und von dem etwa 45° zur Papierebene nach unten geneigten Brenner 1 aufgeheizt, wobei in der beschriebenen Weise zunächst mit einer kürzeren Flammenlänge und dann mit zunehmendem Aufschmelzen und dabei Absenken des Aluminiumschrotts verlängerten Flammenlänge gearbeitet wird.
Die während des anfänglichen Erwärmens entstehenden Schwelgase werden in der heißen Atmosphäre über dem Aluminiumschrott mit Hilfe einer im Bereich der Sauerstoffströmung aus der Sauerstofflanze 25 vorliegenden hohen Sauerstoffkonzentration nachoxidiert, bevor sie den Abgaskanal 26 erreichen. Dabei kann die Strömungslänge des aus der Sauerstofflanze 25 in den Ofeninnenraum 29 austretenden Sauerstoffs in der bereits beschriebenen Weise eingestellt werden, um eine günstige Gasdynamik herzustellen.
Eine hier nicht gezeigte Abgasanalyseeinrichtung am Anfang des Abgaskanals 26 erlaubt zum einen eine Optimierung der Gasdynamik, insbesondere der Reichweiteneinstellung der Sauerstoffströmung, aber auch der Flammengeometrie, und zum anderen eine Regelung der Sauerstoffmenge abhängig yon der im Abgas gemessenen Sauerstoffkonzentration. Damit kann ein unnötiger Sauerstoffverbrauch vermieden und - gleichzeitig eine fast vollständige Nachoxidation schädlicher Abgasbestandteile erzielt werden. Abhängig von der sich verändernden Sauerstoffmenge kann wiederum die Leistung des Brenners 1 nachgeregelt werden, .um unter Berücksichtigung der durch die Nachoxidation freiwerdenden Energie insgesamt eine im Wesentlichen konstante Ofenleistung zu gewährleisten. Der geschilderte Ofen kann auch eine Mehrzahl Kammern aufweisen. Beispielsweise könnte es sich bei der in Figur 6 dargestellten Kammer um eine Abschwelkammer handeln, die einer eigentlichen Schmelzkammer vorgeschaltet ist. Die Sauerstoffianze 25 ist, was Figur 6 infolge der Perspektive ebenfalls nicht zeigt, in Bezug auf die vertikale Erstreckung des innenraums 29 im oberen Bereich, etwa bei 75% der Höhe, montiert, um einen übermäßigen Sauerstoffkontakt mit dem Metall zu vermeiden. Entsprechendes gilt für den Abgaskanal 26, so dass sich eine relativ große Nähe zwischen dem Abgaskanal 26 und der Sauerstofflanze 25 auch unter Berücksichtigung der Höhenverteilung ergibt.

Claims

Patentansprüche
1. Herdofen zum Schmelzen von Metallen, der für einen diskontinuierlichen Betrieb und eine horizontale Chargierung (27) ausgelegt ist und einen Brenner (1), dessen Flamme im Betrieb in den Innenraum (29) des
Herdofens gerichtet ist,
sowie eine zusätzliche Sauerstofflanze (25) zum Einführen von Sauerstoff in den Innenraum (29) des Herdofens aufweist.
2. Herdofen nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (23a, 23, 24) zum Einstellen der Reichweite des Eindringens des Sauerstoffs aus der Sauerstofflanze (25) in den Innenraum (29) des Ofens im Wesentlichen unabhängig von der Sauerstoffmenge.
3. Herdofen nach Anspruch 2, bei dem die Einrichtung zum Einstellen der Reichweite des Sauerstoffs eine Drallkammer (9) aufweist.
4. Herdofen nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Sauerstofflanze (25) doppelrohrig mit einem in einem äußeren Rohr (24) angeordneten inneren Rohr (23) ausgeführt ist, wobei das- innere Rohr (23) in einer Düse (23a) endet, das äußere Rohr (24) jedoch ohne Düse endet.
5. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Abgasanalyseeinrichtung und einer Steuereinrichtung zum Steuern der durch die Sauerstofflanze (25) eingebrachten Sauerstoffmenge ansprechend auf Signale der Abgasanalyseeinrichtung.
6. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstofflanze (25) so ausgerichtet ist, dass der Sauerstoffstrom in dem Innerraum (29) des O- fens zu der Flammenrichtung des Brenners (1) einen Winkel von über 90° bildet.
7. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstofflanze (25) in Bezug auf die horizontale Erstreckung des Innenraums (29) des Herdofens in einer abgaskanalseitigen Hälfte angeordnet ist.
8. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstoff! anze (25) so angeordnet ist, dass die erzeugte Sauerstoffströmung in Bezug auf die vertikale Erstreckung des Innenraumes (29) des Herdofens in einer oberen Hälfte angeordnet ist,
9. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, der als Mehrkammerofen ausgebildet ist und eine Abschwelkammer aufweist, in der der Brenner und die Sauerstofflanze angeordnet sind.
10. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (6-13) zum Einstellen der Flammenlänge des Brenners (1), die eine von der Leistung des Brenners (1) im Wesentlichen unabhängige Einstellung der Flammenlänge erlaubt.
11. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Brenner (1) so ausgerichtet ist, dass seine Flamme mit einem Winkel von mindestens 25° gegenüber der Horizontalen auf das zu erhitzende Metall nach unten gerichtet ist.
12. Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, der zum Aufschmelzen von Nichteisen-Metallen, insbesondere AI, Cu, Pb oder Zn, vorzugsweise AI, ausgestaltet ist.
13. Verfahren zum Schmelzen einer Metall-Chargierung eines Herdofens, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit Hilfe eines Brenners (1), dessen Flamme in den Innenraum (29) des Ofens gerichtet wird, wobei der Ofen diskontinuierlich betrieben und im Wesentlichen horizontal (27) chargiert wird und mit Hilfe einer Sauerstofflanze (25) während des Betriebs Sauerstoff in den Innenraum (29) des Herdofens eingeführt wird, um durch einen lokalen Sauerstoffüberschuss in dem Innenraum (29) des Ofens eine Nachoxidation von Abgasen, insbesondere Schwelgasen, zu bewirken.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Leistung des Brenners (1) zur Kompensation durch die Nachoxidation freiwerdender Energie abhängig von dem Sauerstoffeintrag durch die Sauerstofflanze (25) reduziert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Brenner (1) zur Verringerung des Stickoxidanfalls bei stickstoffhaltigen Brennstoffen (1) mit unterstöchiometri- scher Sauerstoffversorgung des Brenners (1) selbst betrieben wird.
16. Verwendung eines Herdofens nach einem der Ansprüche 1 - 12 zum Aufschmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, insbesondere. Al, Cu, Pb o- der Zn, vorzugsweise Al.
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