DE3921807A1

DE3921807A1 - Verfahren und vorrichtung zum beheizen eines metallurgischen ofens

Info

Publication number: DE3921807A1
Application number: DE3921807A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Ing Hoster; Heinz Dr Rer Nat Humberg
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1991-01-10
Also published as: ZA905023B; WO1991000366A1; JPH05500847A; BR9007498A; CA2063711A1; EP0480944A1; ES2023064A6

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beheizen eines metallurgischen Ofens, insbesondere eines mit Schrott o.dgl. festen Einsatzstoffen beschickten elektrischen Lichtbogenofens, bei dem Sauerstoff und/oder Brennstoff durch mindestens einen Brenner oberhalb der Schmelze durch die Ofenwand eingeführt wird, wobei der Brennstoff durch einen den inneren Sauerstoff-Kanal ringförmig umgebenden Trägergasstrom zugeführt wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren dieser Art sind zahlreich und seit längerem vorbekannt und werden immer wieder neu vorgeschlagen. So wird z. B. in der DE 14 33 424 ein Schmelzofen zur Stahlerzeugung aus Schrott und Kohlungsmitteln beschrieben, der wahlweise mit Brennern und Elektroden beheizt werden kann, wobei über die Brenner Sauerstoff und staubförmige Brennstoffe eingeführt werden können. Nähere Einzelheiten über die Brenner-Beheizung werden in der Schrift jedoch nicht angegeben. Vielfach werden bei derartigen Verfahren ausschließlich Gas- oder Öl-Brenner - wie z. B. beim Verfahren nach der DE 25 41 086 - eingesetzt.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist Gegenstand der EP 0 200 405. Bei diesem Verfahren wird den Brennern Kohle mit relativ hohen Anteilen an flüchtigen Bestandteilen mit Luft als Trägergas zugeführt. Hierdurch sind Explosionen, insbesondere im Zufördersystem und infolge der erforderlichen Unterbrechungen der Zufuhr, nicht auszuschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik durch ein neues Verfahren dahingehend zu verbessern, daß das Beheizen und Einschmelzen sicher und wirtschaftlich durchführbar ist, und eine für besonders geeignete Vorrichtung anzugeben. Bei einem Verfahren der gattungsbildenden Art ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Brennstoff 4 bis 15 kg/t erzeugten flüssigen Metalls staubförmige Kohle mit Korngrößen <200 m in einem inerten bis leicht reduzierenden Trägergas mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 45 m/s mindestens während des Einschmelzens des Einsatzes zugeführt und stöchiometrisch bis leicht überstöchiometrisch durch den etwa mit Schallgeschwindigkeit und einem Druck von mindestens einem bar aus dem Brenner austretenden Sauerstoff unter diffuser Flammenbildung verbrannt wird.

Mit dem neuen Verfahren können alle Stahlsorten, Ferrolegierungen, aber auch die geeigneten Nichteisenmetalle behandelt werden. Es ist bereits bei mittleren Zugabemengen eine Leistungssteigerung von etwa 10% sowie eine Reduzierung der Zufuhr elektrischer Energie um etwa 55 kWh/t erreichbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Verfahrensansprüchen angegeben. Es hat sich überraschend gezeigt, daß gegenüber den vorbekannten Verfahrensweisen durch die Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung noch erhebliche Verbesserungen des Betriebsergebnisses erzielt werden konnten. Dabei wurden die Verfahrens-Parameter bevorzugt so eingestellt, daß der Druck des austretenden Sauerstoffs mindestens 0,1 bar über dem im Ofen herrschenden Innendruck liegt, daß die staubförmige Kohle in Mengen von 5 bis 10 kg/t erzeugten flüssigen Metalls zugeführt wird, daß die Geschwindigkeit des Trägergases mindestens 50 m/s beträgt und der Druck in der Sauerstoffleitung (Vordruck) auf 12 bis 16 bar, vorzugsweise 13 bis 15 bar, eingestellt wird. Beim einzusetzenden Brennstoff handelt es sich bevorzugt um eine staubförmige Kohle mit 8 bis 15% Anteil an flüchtigen Bestandteilen.

Wenn vorgesehen ist, den Schrott schubweise, z. B. in üblicher Weise im Chargierkorb zuzugeben, ist es vorteilhaft, die Einführung von Kohle und Sauerstoff innerhalb von 2 Min. nach der Zugabe zu starten. Vorteilhaft ist es, diese Einführung über einen Zeitraum von 9 bis 17 Min. während einer Chargenfolge aufrechtzuerhalten.

Besonders günstige Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das Verhältnis der Massenströme des Kohlenstoffs zum Trägergas 10 bis 20 beträgt.

Während der Beschickung des Ofens mit Schrott o. dgl. z. B. mittels eines Chargierkorbs werden die Brenner zweckmäßig aus dem Ofen entfernt. Im eingeführten Zustand, aber außerhalb ihrer Betriebsphase(n) werden die Brenner mit einem Spülgas, vorzugsweise Luft, zumindest im Brennstoff-Kanal beschickt, um die Kanäle freizuhalten. Die zugeführte Menge beträgt dabei - abhängig von der Brennergröße - vorzugsweise 170 bis 200 Nm³/h.

Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist ein Brenner vorgesehen, der einen aus zwei konzentrischen Rohren gebildeten Schaft aufweist, dessen ringförmiger Kanal in einen erweiterten Ringraum eines Verteilers mündet, wobei in den Ringraum von der entgegengesetzten Seite, der Zuführseite, ringförmig und koaxial zum Schaft angeordnete Bohrungen münden, die an ihrer Zuführseite an eine Brennstoff-Leitung angeschlossen sind, und durch eine mit dem durch das innere Rohr des Schafts gebildeten Sauerstoff-Kanal verbundene Sauerstoff-Zuleitung. Vorteilhafte Ausgestaltungen des neuen Brenners sind in den nachfolgenden Vorrichtungsansprüchen aufgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Vorrichtung werden anhand der Zeichnungen, die jeweils ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung wiedergeben, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer Anlage für die Stoffzufuhr zu einem Lichtbogenofen,

Fig. 2 den Lichtbogenofen nach Fig. 1 schematisch in horizontalem Schnitt,

Fig. 3 ein Leistungsdiagramm eines Brenners und

Fig. 4 das Kernstück eines Brenners jeweils zur Hälfte in Ansicht und im Längsschnitt.

Wie es das Schema nach Fig. 1 zeigt, sind an einem mit drei Elektroden 2 versehenen elektrischen Lichtbogenofen 1 zwei Brenner an der Seite über der Schmelze durch die wassergekühlte Ofenwand eingeführt. Jedem der beiden Brenner 3 und 4 ist ein jeweils mit einer Wiegeeinrichtung versehener Druckförderer 5 zugeordnet, wobei die Druckförderer 5 von einem Vorratssilo 6 aus mit staubförmiger Kohle, die gegebenfalls in einer zwischengeschalteten Siebeinrichtung 7 klassiert wird, versorgt werden. Die aus den Druckförderern 5 abgezogene Kohle wird über mit einer nicht dargestellten Stickstoff-Quelle zugeführten Stickstoff über Leitungen 8 den Brennern 3 und 4 zugeführt. Die Zuführung von Sauerstoff zu den Brennern 3 und 4 erfolgt über zwei Leitungen 9. Der Ofen 1 ist ferner mit einer bekannten Einrichtung 10 zur Bestimmung der Abgasanalyse versehen, die zur Regelung der den Brennern zugeführten Massenströme, wobei auch der auf verschiedene Kohlenarten und zusammensetzungen bezogene Wirkungsgrad berücksichtigt wird, herangezogen wird. Die Abgasmenge wird dabei nach der bekannten He-tracer-Methode unter Verwendung eines in den Ofen einzuführenden Heliumstroms gemessen.

Den Aufbau der Brenner zeigt Fig. 4: An einen aus zwei konzentrischen Rohren 11 und 12 bestehendem und längsverschieblich in den Ofen hineinragenden Schaft 13 schließt sich als eigentliches Kernstück des Brenners ein aus mehreren rotationssymmetrischen Teilen zusammengesetzter Verteiler 14 an. Der zwischen den beiden Rohren 11 und 12 ausgebildete ringförmige Kanal 15 mündet in einen erweitereten Ringraum 16 des Verteilers 14. Von der entgegengesetzten Seite, also der dem ringförmigen Kanal 15 abgewandten Zuführseite, münden in den Ringraum 16 sechs ringförmig und koaxial zum Schaft 13 verlaufende Bohrungen 17, die an der Zuführseite an einen zylindrischen Sammelraum 18 angeschlossen sind. An den Sammelraum 18 ist stirnseitig und koaxial zum Verteiler 14 eine Brennstoff-Leitung 8 für die Zufuhr der Kohle angeflanscht. Die Leitung 9 für die Sauerstoffzufuhr ist an einen ringförmigen Sammelraum 19 angeschlossen, der einen topfförmigen Trägerkörper 20, in welchem die Bohrungen 17 angeordnet sind, umgibt. Der Sammelraum 19 steht über sechs radiale und jeweils zwischen den Bohrungen 17 verlaufenden Kanälen 21 mit dem durch das innere Rohr 12 gebildeten Sauerstoffkanal 22 in Verbindung.

Der Ringraum 16 ist durch den Einsatz eines entsprechend geformten Einsatzkörpers 23 so gestaltet, daß sich der größte Teil seiner Innenwand zu den Bohrungen 17 hin so erweitert, daß der größte Durchmesser der Innenwand mit dem kleinsten, also dem Kern-Durchmesser des Lochkreises der Bohrungen 17 übereinstimmt. An der gegenüberliegenden Seite bildet der Ringraum 16 eine Stirnfläche 24 aus. Alle Teile des Verteilers 14 sind aufeinander aufgeschoben und durch Flanschverbindungen miteinander befestigt, so daß ein einfaches Zusammensetzen und Zerlegen des Brenners möglich wird. Die erfindungsgemäße Gestaltung des Verteilers 14 bringt darüber hinaus den Vorteil eines geringen Verschleißes der die staubförmige Kohle führenden Teile.

Zwischen den Sammelraum 18 und die Brennstoff-Leitung 8 ist als Stromaufteiler eine mit drei Öffnungen 28 versehene Prallplatte 27 geschaltet, die den mit Kohlenstaub beladenen Trägergasstrom abbremst und in drei Teilströme aufteilt. Die Öffnungen 28 sind so angeordnet, daß jeder der drei Teilströme sich auf zwei der sechs Bohrungen 17 aufteilt, in denen er weiter verlangsamt wird. Eine Beschleunigung erfolgt erst wieder am Übergang in den ringförmigen Kanal 15. Durch einen solchen Aufbau der Düse wird der Verschleiß durch Abrasion im Verteiler 14 noch weiter vermindert.

Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde an einem 140-t-UHP-Elektrolichtbogenofen angewandt, wobei die in Fig. 1 dargestellte Anlage zum Einsatz kam. Die beiden Brenner 3 und 4 waren so angeordnet, daß der eine Brenner 3 durch die Schlackentür 25 hindurchgesteckt in den Ofen 1 ragte und der andere Brenner 4 um 90° versetzt zum Brenner 3 durch eine entsprechende Öffnung durch die Ofenwand gesteckt war, wie es aus Fig. 2 entnehmbar ist. In Fig. 2 ist ferner zu erkennen, daß der Brenner 4 im sogenannten cold spot-Bereich 26 zwischen zwei Elektroden gerichtet ist, während der Brenner 3 nicht symmetrisch zwischen zwei Elektroden angestellt ist.

Als Kohle wurde eine Anthrazit-Staubkohle mit folgender Elementaranalyse der Rohkohle verwendet:

Kohlenstoff, C
= 0,83
Wasserstoff, H	= 0,034
Sauerstoff, O	= 0,018
Schwefel, S	= 0,008 bis 0,01
Stickstoff, N	= 0,015
Asche, A	= 0,093

Der Heizwert betrug

h_u = 31 800 kJ/kg = 8,83 kWh/kg

und der Brennwert

h_o = 32 550 kJ/kg = 9,04 kWh/kg

Daraus ergab sich ein stöchiometrischer Sauerstoffbedarf von O_min=1,73 m³ O₂/kg Brennstoff
und nach der stöchiometrischen Verbrennung mit O₂ eine Abgaszusammensetzung von

x_CO₂\|= 79,62%
x_H₂O	= 19,43%
x_SO₂	= 0,32%
x_N₂	= 0,62%

Die durchschnittliche Chargenfolge lief wie folgt ab: Nachdem eine erste Schrottcharge von etwa 76 t in den Lichtbogenofen 1, in dem sich ein Schmelzenrest aus der vorhergehenden Charge befand, chargiert worden war, wurden etwa 1 Min. danach die Brenner 3 und 4 mit dem Feinkohle/Sauerstoff-Gemisch beschickt. Die Zündung des Gemisches beim Austritt aus dem Brenner erfolgte auch bei noch kaltem Schrott stets unmittelbar. Durch den Aufbau des Brenners ergab sich vor seiner Mündung ein verzögerter Mischeffekt, der eine diffuse, breit gestreute Flamme zur Folge hatte, die eine sehr gute Übertragung der Verbrennungswärme auf den Schrott bzw. auf die Badoberfläche bewirkte. Es konnte beobachtet werden, daß sich nach dem Zünden der Flamme nach dem Schrottchargieren in kurzer Zeit ein größerer Hohlraum in den Schrott einschmolz, in dem sich die Flamme stabil ausbildete.

Die Kohle wurde dosiert aus den Druckförderern 5 mit Stickstoff über die Leitungen 8 den Brennern 3 und 4 mit einer solchen Fördergeschwindigkeit zugeführt, daß sich innerhalb der Düse eine Fördergeschwindigkeit von etwa 50 m/s einstellte. Da diese Geschwindigkeit deutlich oberhalb der etwa bei 35 m/s liegenden Flammenfortsetzungsgeschwindigkeit liegt, wird auch bei einer etwaigen Vermischung von Kohle und Sauerstoff innerhalb des Brenners infolge einer auftretenden Störung ein Zurückbrennen sicher unterbunden. Bei dem über die Leitungen 9 den Brennern zugeführten Sauerstoff wird Schallgeschwindigkeit eingestellt, so daß sich beim Austritt aus dem jeweiligen Brenner ein Druck von etwa 1 bar einstellt. Im Lichtbogenofen 1 herrschte Atmosphärendruck. Der Massenstrom der Kohle schwankte zwischen 23 und 25 kg Kohle/min für jeden Brenner und wurde - ebenso wie die entsprechende Sauerstoffmenge - entsprechend den durch die Abgasanalyse ermittelten Werten geregelt. Bei der Regelung der Sauerstoffmenge wurde stöchiometrische bis leicht überstöchiometrische Verbrennung zugrundegelegt. Die staubförmige Kohle hatte ein mittleres spezifisches Gewicht von 1400 kg/m³ und eine mittlere Korngröße von etwa 40 µm. Der Mengenstrom des als Trägergas eingesetzten Stickstoffs wurde so gering wie möglich eingestellt, wobei sich eine Beladungskennzahl µ=M_k/M_g von etwa 18 bis 20 ergab.

Nach etwa 15 Minuten war die Schrottcharge eingeschmolzen, die Brenner wurden abgestellt und mit Luft beaufschlagt. Danach wurde dem Lichtbogenofen eine zweite Schrottcharge von ebenfalls etwa 76 t zugeführt, der Luftstrom abgestellt und die Brenner erneut gezündet. Für das Einschmelzen der zweiten Schrottcharge, das in gleicher Weise durchgeführt wurde, wurden lediglich etwa 7 Minuten benötigt (Fig. 3). Anschließend wurden die Brenner aus dem Ofen entfernt und die Schmelze mittels Elektrodenbeheizung fertiggemacht und abgestochen. Die Abstichtemperatur betrug im Mittel etwa 1580°C. Das Abstichgewicht lag bei etwa 140 t und wurde auf zwei Pfannen verteilt. Der spezifische Kohleinsatz betrug etwa 10 kg Kohle/t flüssiger Stahl, was einer Energiezufuhr von etwa 90 kWh/t Stahl und einem Substitutionsgrad von elektrischer Energie durch Kohle von über 70% entspricht. Die durchschnittliche Werkstoffanalyse eines erzeugten ferritischen Edelstahls hatte folgende Werte (in Gewichts-%):

C
<0,08
Si	<1,0
Mn	<1,0
P	<0,045
S	<0,03
Cr	= 15,5-17,5

Die Rohre des Brenner-Schaftes 13 waren aus rostfreiem Stahl hergestellt und infolge der unterschiedlichen Verhältnisse der örtlichen Anordnung unterschiedlich lang. Der Außendurchmesser des Schaftes betrug etwa 70 mm. Der Verschleiß an der Brennermündung hielt sich auch nach zahlreichen Chargenfolgen in Grenzen. Es wurden sowohl ferritische als auch austenitische rostfreie Stähle erschmolzen. Bei den erschmolzenen austenitischen Stählen wurde der spezifische Kohleeinsatz im Durchschnitt geringer eingestellt.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung eignen sich nicht nur für neu erstellte Anlagen, sondern in besonderer Weise auch für die Umrüstung bereits in Betrieb befindlicher Elektrolichtbogen-Anlagen.

Claims

1. Verfahren zum Beheizen eines metallurgischen Ofens, insbesondere eines mit Schrott o. dgl. festen Einsatzstoffen beschickten elektrischen Lichtbogenofens, bei dem Sauerstoff und Brennstoff durch mindestens einen Brenner oberhalb der Schmelze durch die Ofenwand eingeführt wird, wobei der Brennstoff durch einen den inneren Sauerstoff-Kanal ringförmig umgebenden Trägergasstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff 4 bis 15 kg/t erzeugten flüssigen Metalls staubförmige Kohle mit Korngrößen <200 m in einem inerten bis leicht reduzierenden Trägergas mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 45 m/s mindestens während des Einschmelzens des Einsatzes zugeführt und stöchiometrisch bis leicht überstöchiometrisch durch den etwa mit Schallgeschwindigkeit und einem Druck von mindestens etwa 1 bar aus dem Brenner austretenden Sauerstoff unter diffuser Flammenbildung verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des austretenden Sauerstoffs mindestens 0,1 bar über dem im Ofen herrschenden Innendruck liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß staubförmige Kohle in Mengen von 5 bis 10 kg/t erzeugten flüssigen Metalls zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Trägergases mindestens 50 m/s beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Sauerstoff-Zuleitung (Vordruck) auf 12 bis 16 bar, vorzugsweise 13 bis 15 bar eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine staubförmige Kohle mit 8 bis 15% Anteil an flüchtigen Bestandteilen verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Schrott o. dgl. schubweise zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung von Kohle und Sauerstoff innerhalb von 2 Minuten nach der Zugabe begonnen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einführen von Kohle und Sauerstoff über einen Zeitraum von 9 bis 17 Minuten während einer Chargenfolge bzw. nach jeder schubweise erfolgenden Schrottzugabe durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Massenströme des Kohlenstoffs zum Trägergas 10 bis 20 beträgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. wenigstens ein Teil der Brenner mindestens während der Beschickung aus dem Ofen entfernt wird bzw. werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Brenner in eingeführtem Zustand außerhalb ihrer Betriebsphase(n) mit einem Spülgas zumindest im Brennstoffkanal beschickt wird bzw. werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Spülgas Luft in einer Menge von 170 bis 200 Nm³/h zugeführt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Beheizen eines Elektrolichtbogenofens, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Elektrodenzwischenraumbereich (cold spot-Bereich) mindestens ein Brenner zugeordnet wird.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Brenner mit aus zwei konzentrischen Rohren (11, 12) gebildeten Schaft (13), dessen ringförmiger Kanal (15) in einen erweiterten Ringraum (16) eines Verteiler (14) mündet, wobei in den Ringraum (16) von der entgegengesetzten Seite, der Zuführseite, ringförmig und koaxial zum Schaft angeordnete Bohrungen (17) münden, die an ihrer Zuführseite an eine Brennstoff-Leitung (8) angeschlossen sind, und durch eine mit dem durch das innere Rohr (12) des Schafts gebildeten Sauerstoff-Kanal (22) verbundene Sauerstoff-Zuleitung (9).

15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß den Bohrungen (17) ein in der Brennstoff-Leitung (8) angeordneter Stromaufteiler, vorzugsweise eine mit Öffnungen versehene Prallplatte (27) vorgeschaltet ist.

16. Brenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Ringraumes (16) zumindest in seinem an den Schaft (13) anschließenden Bereich mit dem Innendurchmesser des ringförmigen Kanals (15) übereinstimmt.

17. Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenwand des Ringraumes zu den Bohrungen (17) hin, vorzugsweise bis zum Kerndurchmesser des Lochkreises der Bohrungen (17) nach außen erweitert.

18. Brenner nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (16) im Mündungsbereich des Schaftes (13) eine Stirnfläche (24) ausbildet.

19. Brenner nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff-Zuleitung (9) in einen die Bohrungen (17) umgebenden ringförmigen Sammelraum (19) einmündet, der über radiale Kanäle (21) mit dem Sauerstoff-Kanal (22) verbunden ist.

20. Brenner nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Kanäle (21) zwischen den Bohrungen (17) verlaufen.

21. Brenner nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (17) in einem topfförmigen, als Rotationskörper ausgebildeten Trägerkörper (20) angeordnet sind, der durch koaxiales Aufschieben mit dem (den) jeweils benachbarten Teil(en) verbunden ist (sind).