EP0397134B1

EP0397134B1 - Schachtofen zum Eisenschmelzen

Info

Publication number: EP0397134B1
Application number: EP90108722A
Authority: EP
Inventors: Robert Doat
Original assignee: Kuettner GmbH and Co KG
Current assignee: Kuettner GmbH and Co KG
Priority date: 1989-05-11
Filing date: 1990-05-09
Publication date: 1993-09-08
Anticipated expiration: 2010-05-09
Also published as: DE59002611D1; EP0397134A1; ES2045634T3

Description

Die Erfindung betrifft einen Schachtofen, in dem metallischer Einsatz unter Zugabe von schlackenbildenden Zuschlagstoffen und Koks geschmolzen wird, wobei Wind in mehreren übereinander liegenden Bereichen eingeblasen wird und im unteren Bereich eine zur unterstöchiometrischen Verbrennung von Koks führende Windmenge eingeblasen wird sowie im oberen Bereich eine zur vollständigen Verbrennung der vorhandenen Gase ausreichende Windmenge zugegeben wird, wobei der mittlere Bereich in der Schmelzzone liegt und der obere Bereich zur Vorwärmung der Charge vorgesehen ist.
Derartige Kupolöfen sind aus der deutschen Patentschrift 540017 bekannt.
Kupolöfen stehen üblicherweise auf einer Bodenplatte. Der Ofenmantel besteht aus Stahlblech und ist feuerfest ausgekleidet oder futterlos ausgebildet. Der Ofenmantel bildet den Ofenschacht. Von einer Gichtbühne aus erfolgt die Gattierung des Ofens. Den Ofenboden bildet die zur Abstichrinne geneigte Sohle. Über der Sohle befindet sich der sogenannte Herd, der mit Füllkoks aufgefüllt ist. Im Herd sammelt sich das flüssige Eisen, das in der Schmelzzone geschmolzen wird. Der vorgesehene Wind gelangt durch Windleitungen in einen ringförmigen, den Ofen umschließenden Windkasten oder in eine im Windkasten eingebaute Ringleitung und von dort zu den Winddüsen, auch Blasformen oder Windformen genannt. Die heißen Ofengase (Gichtgas) ziehen durch den Ofenschaft nach oben in den Kamin oder in eine Reinigungsanlage ab.
Der Schmelzprozeß läuft wie folgt ab:
Die durch die Begichtungsöffnung eingeworfenen Chargen füllen den Ofenschacht bis in Höhe der Gichtbühne. Die aufsteigenden heißen Ofengase erwärmen den Eisensatz, der durch das kontinuierliche Schmelzen allmählich in den Ofenschacht abgleitet. Nach Erreichen der Schmelzzone wird das Eisen flüssig und tropft durch das Koksbett. Das Koksbett wird durch die Füllkokssäule von der Sohle bis zur Schmelzzone gebildet. Die Schmelzzone liegt oberhalb der Winddüsen, durch die der Wind eingeblasen wird. Bei Heißwindbetrieb wird hocherhitzte Verbrennungsluft den Winddüsen zugeführt. Die Windtemperatur beträgt üblicherweise 400 - 600 °C. Um diese Winderhitzung wirtschaftlich zu gestalten, wurden verschiedene Verfahren entwickelt, z. B. die Gichtgasabwärmeverwertung mit Gichtgasverbrennung oder Fremdbeheizung.
Die Heißwindkupolöfen sind in den verschiedensten Variationen konstruiert worden. U. a. sind bereits Anfang dieses Jahrhunderts Kupolöfen bekannt geworden, die eine Windeinblasung in verschiedenen Ebenen besaßen.
Alle Kupolöfen haben das Problem des thermischen Wirkungsgrades, an dessen Verbesserung von Anfang an gearbeitet worden ist. Bei Kaltwindkupolöfen und vielen Heiwindkupolöfen liegt der thermische Wirkungsgrad oft unterhalb von 50 %, z. B. 40 %. Der thermische Wirkungsgrad kann mit Heißwind durch partielle Rückgewinnung der Gichtgaswärme verbessert werden. Dennoch bleibt der Wirkungsgrad an sich schlecht.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen neuen Schachtofen mit einem besseren thermischen Wirkungsgrad zu schaffen. Dabei geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß die Temperatur im Ofen in erheblichem Abstand von der Temperatur verläuft die den thermischen Anforderungen entspricht.
In dieser Zielsetzung unterscheidet sich die Erfindung von der obengenannten deutschen Patentschrift.
Der Hauptgrund für den an sich schlechten thermischen Wirkungsgrad bekannter Schachtöfen ist ein bedeutender Energieverlust aus der endothermen Reduktion des CO₂, die durch Verbrennung von Kohlenstoff durch im Unterofen zugegebenen Wind entsteht. Dieses CO₂ wird durch den Kokskohlenstoff im Innern des Ofens zu CO reduziert. Damit wird Energie in einem Bereich verbraucht, wo diese besser zum Schmelzen und Überhitzen des Eisens eingesetzt wäre.
Nach der Erfindung wird eine erhebliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades erreicht durch die Maßgaben des Patentanspruches. Es wird unter Ausnutzung der bekannten Windzuführung in verschiedenen Ebenen im unteren Bereich eine zur unterstöchiometrischen Verbrennung des Kokses führende Windmenge eingeblasen, während im mittleren Bereich eine etwas kleinere Windmenge zugegeben wird und im oberen Bereich eine zur Verbrennung von noch vorhandendem CO ausreichende Windmenge zugegeben wird.
Damit ähnelt der erfindungsgemäße Schachtofen äußerlich einem herkömmlichen Kupolofen, er unterscheidet sich jedoch von ihm grundsätzlich. Der Wind wird so zugeführt, daß die endotherme Reduktion des CO₂ zu CO nicht stattfinden kann, weil nur ein Minimum an CO₂ im unteren Ofenbereich erzeugt wird.
Der mittlere Bereich der Düsen ist von dem unteren Bereich 300 bis 700 mm entfernt, der obere Bereich von dem mittleren Bereich 500 bis 2 500 mm.
Die Blasformen bzw. Windformen des oberen Bereiches erstrecken sich spiralförmig über eine Schachthöhe von 1 500 bis 2 500 mm. Die Anzahl der Düsen beträgt dort vorzugsweise 6 bis 20.
Im unteren Bereich werden 40 bis 60 % der Gesamtlufmenge, im mittleren Bereich 20 bis 50 % der Gesamtluftmenge und im oberen Bereich 20 bis 35 % der Gesamtlufmenge zugegeben.
Die Windtemperatur im unteren Bereich beträgt 700 bis 1 200 °C, z. B. 900 °C. Diese Windtemperatur entsteht durch entsprechende Erwärmung des Heißwindes, vorzugsweise unter Ausnutzung eines Rekuperators. Wie oben bereits erläutert, wird im Rekuperator die dem Gichtgas enthaltene Wärme weitgehend zurückgewonnen. Die zur Erreichung der gewünschten Temperatur noch fehlende Wärmemenge wird durch Fremderwärmung zugeführt. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung mit Hilfe eines Gasbrenners und/oder Ölbrenners, wobei die Verbrennungsgase ihre Wärme über einen Wärmetauscher an den Heißwind abgeben bzw. im Wärmetauscher die Überhitzung auf die gewünschte Temperatur stattfindet.
Die Erwärmung des Windes auf höhere Temperaturen ist zugleich ein grundsätzliches Problem, das von der Erfindung gelöst wird.
Die modernen Kupolöfen werden mit Heißluft gespeist, die in einem Gas/Luft-Erhitzer/Austauscher erzeugt werden durch Rückgewinnung der gesamten oder teilweisen Energie, die in den Gasen enthalten ist, welche aus dem Kupolofen entweichen.
Diese Gase sind mit Stäuben belastet. Die Stäube weichen bei einer relativ niedrigen Temperatur auf. Einmal aufgeweicht, haften sie an der Rohrwandung und verstopfen den Lufterhitzer. Es ist daher notwendig, die Lufttemperatur auf ca. 750 °C zu begrenzen.
Durch die erfindungsgemäße Luftüberhitzung werden die Verstopfungsprobleme beseitigt. Die Überhitzung geht von üblich erwärmtem Wind aus.
Nach einem älteren Vorschlag ist eine Windüberhitzung an sich bereits vorgesehen, jedoch mit Hilfe eines Plasma-Brenners. Der Plasma-Brenner beinhaltet eine wirtschaftlich außerordentlich aufwendige Lösung.
Nach der Erfindung werden für die Winderüberhitzer weniger kostspielige Einrichtungen eingesetzt wie Luftüberhitzer, die auf Basis elektrischer Widerstände arbeiten. Wahlweise können auch Luft/Gas-Wärmetauscher verwendet werden, die mit einem geeigneten Brennstoff, insbesondere Erdgas oder Heizöl betrieben werden.
In dem mittleren Bereich wird Kaltwind oder Heißwind mit üblicher Temperatur, max. mit einer Temperatur bis 600 °C zugeführt.
Im oberen Bereich ist eine Zuführung von Kaltwind ausreichend.
Während die geringere Luftmenge in dem unteren Bereich in Verbindung mit der hohen Windtemperatur zur Folge hat, daß dort eine Atmosphäre entsteht, welche reich an CO ist (es wird nur so wenig wie nötig in dieser oxydiert, wo hauptsächlich bereits verflüssigtes Metall überhitzt werden muß), erzeugt die zugeführt Windmenge in dem zweiten Windformbereich eine ausreichende Energiemenge zum Schmelzen durch Verbrennung von Koks und einer gewissen Menge an CO, das kurz zuvor im Bereich der unteren Windformen entstanden ist.
Die vorgesehene Windmenge im oberen Bereich dient der Verbrennung von CO, das im Bereich der unteren Windform entstanden ist. Die Energie, die durch diese Verbrennung erzeugt wird, wird zur Vorwärmung der metallischen Charge bis auf eine Temperatur in der Nähe des Schmelzpunktes genutzt.
Es ist bekannt, den Wind an Kupolöfen über spiralförmig angeordnete Windformen zuzugeben (DE-PS 423400). Es handelt sich um die als Poumay-Ofen bekannte Lösung.
In dem Poumay-Ofen gab es keine Möglichkeit, die Windverteilung zwischen den unteren Windformen und den oberen spiralförmig angeordneten Windformen zu messen und zu regeln. Folglich wurde die gesamte Windmenge über einen einzigen Windring zugegeben.
Dagegen ist bei dem erfindungsgemäßen Schachtofen die Windmenge für drei Bereiche (Zonen) mit einer Mengenregelung versehen. Zusätzlich ist vorzugsweise für den unteren und mittleren Bereich (Zone) eine Temperaturregelung des Windes vorgesehen.
Der Poumay-Ofen wurde in vielen europäischen Gießereien eingesetzt, ab 1925 jedoch nicht mehr, da keine Kontrolle der Luftzuführung gegeben war und der Kupolofen ohne ständige intensive Überwachung nicht zuverlässig arbeitete. Dabei wurde die Luft für die spiralförmig angeordneten Winddüsen aus dem Windkasten entnommen, der die Hauptdüsen speist.
Durch die übermäßige Windeinblasung entsteht bei den Poumay-Öfen eine höhere Temperatur, wodurch eine neue Schmelzzone geschaffen wird, die die Funktion des Kupolofens stört. Die Poumay-Öfen haben sich deshalb in der Praxis als ungeeignet erwiesen.
Die Alternativ zu den Poumay-Öfen waren Öfen mit mehreren Reihen von Winddüsen, die gleichförmig angeordnet sind. Wenn nun auf der Höhe der unteren Reihe ein Teil des CO verbrannt wird, so trifft der in die obere Reihe eingeblasene Wind dennoch nur auf CO₂ (und Stickstoff), der in der unteren Reihe entsteht. Er trifft nicht mehr auf CO. Aus diesem Grunde erfolgt keine weitere Verbrennung.
Beim erfindungsgemäßen Schachtöfen mit der erfindungsgemäßen spiralförmigen Anordnung der Winddüsen im oberen Bereich und der erfindungsgemäßen Windzuführung drückt die durch die Verbrennung entstehende Ausdehnung des Gases vor der ersten Düse das nicht verbrannte Gas von der gegenüberliegenden Seite zurück, wo es durch eine der oberen Düsen verbrannt wird usw.
Zusammenfassend tritt die deutliche Wirkungsgradverbesserung des neuen Schachtofens ein, weil

die mit schlechtem Wirkungsgrad behaftete Überhitzung des Eisens durch Überhitzung des Windes verbessert wird,
es möglich ist, im Bereich des Koksbettes und kurz darüber stark reduzierend zu fahren und damit alle mit der Oxydation von Eisen verbundene Nachteile zu vermeiden,
weil die in Spiralen angeordnete Nachverbrennung in der Vorwärmungszone das Auftreten von hohen Temperaturen vermeidet, die eine Rückreaktion nach Boudouart zur Folge hätte.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Schachtsäule mit Windformbereichen A (Überhitzer), B (Schmelzbereich) und C (Vorwärmen). Während die Windformen der Bereiche A und B jeweils in einer Ebene liegen, verteilen sich die im Bereich C vorgesehenen 6 bis 20 Windformen spiralförmig auf eine Schachtsäulenhöhe von 1,5 bis 2,5 m.
Figur 2a zeigt in schematischer Darstellung die Windzuführung für einen üblichen Heißwindkupolofen mit zwei Düsenreihen. Das Gebläse 1 drückt Umluft in einen Rekuperator 3. Der Rekuperatoraustritt ist bei 4 und 5 mit Klappen geregelt.
Figur 2 b zeigt eine schematische Darstellung der Windzuführung für einen erfindungsgemäßen Schachtofen (Kapazität 15 t/h mit 40 % Stahl und 60 % Kreislauf und Gußbruch). Im Ausführungsbeispiel wird dabei dem mittleren Bereich B eine Heißwindmenge von 2 500 m³ mit 500 °C Temperatur zugeführt. Im unteren Bereich A werden 4 000 m³ Wind eingespeist. Die 4 000 m³ kommen aus dem Rekuperator 3 mit einer Temperatur von 500 °C wie die für den Bereich B vorgesehenen 2 500 m³ Jedoch werden die für den Bereich A vorgesehenen 4 000 m³ Wind in einem Wärmetauscher 6 auf 800 °C oder eine höhere Temperatur überhitzt. Der Wärmetauscher 6 wird mit Fremdenergie (z. B. elektrisch oder mit Gas) betrieben.
Wahlweise ist zum Rekuperator 3 auch ein Bypass 7 vorgesehen, der mit einer Klappenregelung 9 versehen ist. Über den Bypass 7 läßt sich ein Teil oder die gesamte vom Gebläse 1 angelieferte Luftmenge am Rekuperator 3 vorbei in die zum Windformenbereich B führende Leitung drücken.
Das Gebläse 2 speist im Ausführungsbeispiel 2 000 m³ Kaltluft in den Bereich C mit den Windformen 11. Die Windzuführung wird mit einer Klappe 10 geregelt.
Die weiteren Figuren zeigen verschiedene Anwendungsbeispiele der Erfindung.
Figur 3, 3 a, 4 und 4 a beziehen sich auf 1 Tonne Eisen.
Figur 3 zeigt die Temperatur und den Energieverlauf im Schachtofen;
Der Gastemperaturverlauf ist mit 20 bezeichnet. Die Kurve 21 entspricht der Eisentemperatur. Die Kurve 22 entspricht der kumulierten, minimal benötigten Energiemenge von der Ofensohle bis zur Gicht. Es ist erkennbar, daß die Kurve 21 in einigem Abstand von Kurve 20 verläuft.
Figur 4 zeigt die Temperatur- und den Energieverlauf in verschiedenen Zonen eines herkömmlichen Heißwindkupolofens.
Die Kurve 27 entspricht der von der Ofensohle bis zur Gicht kumulierten, minimal benötigten Energie. Die Kurve 27 entspricht der Kurve 22 in Figur 3 im Bereich der Vorwärmung. Im unteren Bereich des Kupolofens werden 90 Thermien (1 Thermie = 4,20 Megajoule) benötigt, um CO₂ zu CO zu reduzieren. Der Gastemperaturverlauf ist mit 25 bezeichnet, die Eisentemperatur mit 26.
In Figur 3 und 4 finden sich die Zonen A und B und C aus Figur 1 wieder:

Im Bereich der Zone A wird das Flüssigeisen überhitzt. Der Energiebedarf beträgt im Ausführungsbeispiel 80 Thermien.
In der Zone B liegt der Schmelzbereich und der Beginn der Überhitzung. Der Energiebedarf für den neuen Schachtofen beträgt im Ausführungsbeispiel 120 Thermien. Für herkömmliche Kupolöfen müssen dagegen zusätzlich beim gewählten Beispiel 90 Thermien für die endotherme Reaktion des CO₂ zu CO aufgewandt werden. Das bedeutet eine gesamte Energiemenge von 210 Thermien in herkömmlichen Öfen.
In der Zone C findet das Vorwärmen der Charge statt. Dort ist der Energiebedarf 280 Thermien sowohl bei einem herkömmlichen Ofen als auch bei dem erfindungsgemäßen Schachtofen.

Figur 5 zeigt in einer anderen Darstellung den Temperaturverlauf und Energieverlauf für beide Öfen.
Die Dreiecke M, N, O, P für den erfindungsgemäßen Schachtofen und M, N, O1, P1 für den herkömmlichen Kupolofen symbolisieren den gesamten Energiebedarf je Tonne Flüssigeisen in jeder einzelnen Zone der beiden Öfen. Hierin sind auch die Wandverluste enthalten.
Es ergibt sich, daß der Energiebedarf des herkömmlichen Kupolofens höher ist (600 Thermien gegen 510 Thermien, d. h. 15 %) als bei einem erfindungsgemäßen Schachtofen. Der erfindungsgemäße Schachtofen hat einen dementsprechend besseren Wirkungsgrad.
In obiger Rechnung ergeben sich die 90 Thermien, die für die Reduktion von CO₂ aufgewandt wurden, wie folgt:
Von 100 kg Kohlenstoff, die dem Kupolofen zugeführt werden, werden etwa 70 kg im unteren Bereich verbrannt unter Erzeugung eines Gases von etwa 17 % CO₂. Dieses CO₂ wird in der Zone B reduziert und wandelt sich zu einem Gas mit ungefähr 12 % CO₂. Die Reduktion verbraucht jedoch etwa 30 kg Kohlenstoff und etwa 90 Thermien thermische Energie.
Dieser Verlust entsteht in jedem Kupolofen in mehr oder weniger bedeutendem Umfang.
Die Darstellung nach Figur 6 hebt einen weiteren sehr wichtigen Vorteil des neuen Ofens heraus. Während im herkömmlichen Kupolofen die verflüssigten Metalltropfen im unteren Ofenbereich eine CO₂-reiche, d. h. oxydierende Zone durchlaufen, ist die entsprechende Zone in dem neuen Ofen in diesem heißesten Bereich besonders reich an CO:

In einer ersten Zone der Windform A wird ein Teil des Kokses verbrannt unter Zugabe einer geringen Windmenge bei hoher Temperatur. Auf diesem Wege wird genügend Energie frei, um das bereits verflüssigte Metall zu überhitzen. Es entsteht eine sehr CO-reiche Athmosphäre mit wenig Neigung zur Oxydation.
In einer zweiten Zone der Windform B wird eine ergänzende Windmenge zugeführt. Der Wind ist nicht oder nur gering erwärmt. Auf diese Weise wird genügend Schmelzenergie durch Verbrennung eines Teils des Kokses sowie einer Teilmenge des CO frei, welches in der unteren Zone A gebildet wurde.
Schließlich wird Wind in einer dritten separaten Zone zugegeben. Dies geschieht über eine ausreichende Anzahl von Windformen, die spiralförmig im oberen Schachtbereich des Ofens angeordnet sind. Diese Luft ist erforderlich, um das in den unteren Schichten gebildete CO zu verbrennen. Die durch diese Verbrennung frei gewordene Energie ermöglicht das Aufheizen der metallischen Charge bis an Temperaturen im Bereich des Schmelzpunktes.

Claims

Schachtofen, in dem metallischer Einsatz unter Zugabe von schlackebildenden Zuschlagstoffen und Koks geschmolzen wird, wobei Wind in mehreren übereinanderliegenden Bereichen eingeblasen wird und im unteren Bereich (A) eine zur unterstöchiometrischen Verbrennung von Koks führende Windmenge eingeblasen wird sowie im oberen Bereich (C) eine zur vollständigen Verbrennung der vorhandenen Gase ausreichende Windmenge zugegeben wird, wobei der mittlere Bereich In der Schmelzzone liegt und der obere Bereich zur Vorwärmung der Charge vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (B) vom unteren Bereich (A) einen Abstand von 300 bis 700 mm besitzt, der obere Bereich (C) vom mittleren Bereich (B) einen Abstand von 500 bis 2 500 mm besitzt und der obere Bereich (C) sich unter spiralförmiger Anordnung der Winddüsen über eine Schachthöhe von 1 500 bis 2 500 mm erstreckt, wobei die im Bereich (A) zugegebene Windmenge 40 - 60 % der Gesamtwindmenge, die in dem mittleren Bereich (B) zugegebene Windmenge 20 - 50 % der Gesamtwidmenge, die im oberen Bereich (C) zugegebene Windmenge 20 - 35 % der Gesamtwindmenge beträgt.