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Verfahren zum Betrieb von Schacht-Schmelzöfen Die Schmelzprozesse
von Stahlschrott, Eisenschwamm, Kupfererzen und sonstigernur bei hoher Temperatur
schmelzbarer metallhaltiger Stoffe verlaufen um so günstiger, je höher die Verbrennungstemperatur
in der Feuerung gebracht werden kann und je weniger oxydierende Gase bei der Verbrennung
entstehen. Das war bisher nur zu erreichen, wenn die Bildung -wesentlicher Mengen
Kohlensäure bei der Verbrennung vermieden, die Kohle oder der Koks also nur zu Kohlenmonoxyd
verbrannt wurde. Das führt aber zu einem unwirtschaftlichen Brennstoffverbrauch.
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Nach dem heutigen Stande der Technik auf dem Gebiete des Schmelzbetriebes
in gasbeheizten Schachtöfen ohne Einsatz von festem Brennstoff im Ofen bestand bisher
keine Möglichkeit, einen solchen Prozeß, ohne das Schmelzgut zu oxydieren, mit Kreislaufgas
von so hoher Temperatur zu betreiben, wie es zum Schmelzen von Metallen oder metallhaltiger
Stoffe mit einem Schmelzpunkt über r 5oo° erforderlich ist. Die bekannten Verfahren
zum Betrieb von Schachtöfen solcher Art sind daher mit dem Mangel behaftet, daß
entweder das Schmelzgut oxydiert wird oder der Brennstoff nur zu CO verbrannt wird,
-was entweder das Erzeugnis verschlechtert oder die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Kreislaufverfahren für den Schachtofen-Schmelzbetrieb
mit reduzierendem Gas (oder auch mit abwechselnd reduzierendem und oxydierendem
Gas), wobei die Wärmeerzeugung so geleitet wird, daß die Kohle vollständig, also
zu CO., verbrennt, ohne daß damit eine Oxydation des Schmelzgutes verbunden ist.
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Das Gas gibt dabei izi einem Schachtofen seine Wärme an den zu schmelzenden
Ofeninhalt im Gegenstrom zur Beschickung, d. h. von unten nach oben, ab, wird bei
seinem Austritt oben aus dem Schmelzofen von einem Gebläse angesaugt und durch einen.
mit hocherhitztem Koks oder sonstigem Brennstoff gefüllten Gaserhitzer im Gleichstrom
zur Brennstoffbewegung, d. h. von oben nach unten, wieder in den Schmelzofen eingeblasen.
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Dabei wird vom Kreislaufgas dem Brennstoff seine fühlbare Wärme entzogen
und auf den. Inhalt des Schmelzofens übertragen.
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Dieser Umlauf wird einige Minuten betrieben; dann muß die dem Brennstoff
des Gaserhitzers entzogene' Wärme wieder ersetzt werden. Dies geschieht durch abwechselndes
HeiBblaseri nach Art des bekannten Wassergasprozesses mittels Luft. Im Gaserhitzer
verkehrt also abwechselnd das Kreislaufgas und das Verbrennungsgas der Heißblaseperiode,
ersteres im Gleichstrom und letzteres im Gegenstrom zur Brennstoffbewegung im Gaserhitzer,
die von oben nach unten vor sich geht.
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Das Kreislaufgas besteht in der Hauptsache aus CO und übt-daher keinerlei
oxydierende Wirkung auf das Schmelzgut aus, was beim
Schmelzen von
Metallen, insbesondere von Eisenschwamm und Stahlschrott, von ausschlaggebender
Bedeutung ist.
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Beim Heißblasen der Kohlenfüllung des Gaserhitzers geht die Verbrennung
des Kohlenstoffs zu C02 jedoch nur unvollkommen vor sich. Die Abgase können bis
zu 20 % C O enthalten, besitzen also noch einen gewissen Heizwert. Dieser wird entweder-
dazu verwendet, um die Verbrennungsluft zum Heißblasen des Gaserhitzers auf etwä
80o° vorzuwärmen (Fall I), oder es wird dieses Schwachgas ebenfalls in den Schmelzofen
geleitet und in diesem mit stickstofffreiem Sauersto$ verbrannt, um eine genügend
hohe Verbrennungstemperatur zu erzielen (FallII).
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Im ersten Fall wird das Abgas in einen Winderhitzer geleitet und dort
vollends zu C02 verbrannt, wodurch :eine vollkommene Verbrennung der Kohle oder
des Kokses erreicht wird, ohne daß das Schmelzgut mit der Kohlensäure aus dem Verbrennungsprozeß
in Berührung kommt. Im zweiten Fall geht der Schmelzofenbetrieb abwechselnd mit
reduzierender und oxydierender Atmosphäre vor sich, da einmal nur CO durch den Schachtofen
geleitet, anschließend daran. aber das Schwachgas mit Sauerstoff zu C02 verbrannt
wird. -Beim Heißblasen mit 80o° Windtemperatur . kann eine Verbrennungstemperatur
im Gaserhitzer von etwa 1700° erreicht werden. Das Kreislaufgas wird jedoch nur
auf etwa i 50o° gebracht werden können, weil eine gewisse Temperaturdifferenz für
die Wärmeübertragung vom glühenden Brennstoff auf das durchgeleitete, zwischen Schmelzofen
und Gaserhitzer verkehrende Kreislaufgas erforderlich ist. Diese Temperatur von
i 50o° reicht in manchen Fällen (Stahlschrott-Eisenschwamm) nicht aus, um eine Schmelzung
zu erzielen.
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Deshalb- wird hier in das auf i500° erhitzte Kreislaufgas auf dem
Wege vom Gaserhitzer nach dem Schmelzofen etwas stickstofffreier Sauerstoff eingeleitet
und damit die teilweise Verbrennung zu C02 herbeigeführt, um das Gas bis i8oo° oder
2000° weiter zu überhitzen, oder es wird nach dem Heißblasen mit erhitzter Luft
noch kurze Zeit mit Sauerstoff nachgeblasen, oder es wird die erhitzte Heißbläseluft
mit Sauerstoff angereichert. Im ersten Fall, d. h. bei der teilweisen Verbrennung
des C O zu C02 mittels Sauerstoffs, genügt es, wenn etwa 5 % der Kreislaufgasmenge
mit Sauerstoff verbrannt werden, so', daß der C02-Gehalt nicht über diesen Betrag
hinausgeht.
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-In diesem sehr beschränkten - Ausmaß ist die Kohlensäure beim
Schmelzprozeß unschädlich. Wenn aber in besonderen Fällen das Vorhandensein von
CO2 vollständig vermieden werden soll, dann wird nach einem anderen Vorschlag Zusatzsauerstoff
nicht in das Kreislaufgas, sondern in die Kohlenfüllung des Gaserhitzers selbst
eingeblasen, und zwar entweder jeweils nach dem Heißblasen, d. h. während der Kreislaufperiode,
oder es wird neben dem Sauerstoff auch etwas Kohlenstaub zwischen Gaserhitzer und
Schmelzofen in das Kreislaufgas mit eingeblasen.
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Auf der Zeichnung (Abb. i) ist eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens nach Fall I in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.
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Sie besteht aus einem Schmelzofen a, dem Gaserhitzer b' und
b", dem Winderhitzer c' und c", den Umschaltklappend' und d", dem
Kreislaufgasgebläse f, dem Windgebläse g,
dem Gaswäscher lt' und
h" sowie den Sauerstoffdüsen h' und k", den Kohlenstaubdüsen
r'
und r" und den Absperrschiebern s' und s" in den Verbindungskanälen zwischen
den Gaserhitzern und dem Schmelzofen.
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Zu Beginn des Betriebes werden die Gaserhitzer b' und b" und
der Winderhitzer c', c" mit dem Gebläse g heißgeblasen, letztere durch Verbrennen
des C O-haltigen Abgases aus den Gaserhitzern. Die Kohlenfüllung der Gaserhitzer
nimmt dabei unten eine Temperatur von etwa 170o° an, die nach oben hin bis auf i
oo° abnimmt, so daß die Abgase stets abgekühlt austreten, ehe sie durch den Gasv
wäscher h' in den Winderhitzer geleitet und dort vollends verbrannt werden. Der
Schmelzofen wird mit dem zu schmelzenden Material gefüllt.
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- Nun wird die Umschaltklappe d' auf Kreislaufbetrieb umgestellt,
wobei sich zwangsläufig auch der Schieber s' öffnet, und das Gebläse/ in Betrieb
gesetzt, welches dagr Gas oben mit Leitung i' aus dem Schmelzofen durch den Gaswäscher
h' hindurch absaugt und mit Leitung 2' wieder oben in den Gaserhitzer b'-drückt,
in welchem -es durch Berührung mit dem weißglühenden Koksinhält auf etwa i 50o°
erhitzt wird. Mit dieser Temperatur wird es unten aus dem Gaserhitzer durch den
Verbindungskanal in den Schmelzofen übergeleitet und auf dem Wege dahin im Bedarfsfalle
durch teilweise Verbrennung' mittels stickstofffreien Sauerstoffs (Düsen h') oder
durch Einleiten von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in die Feuerung
des Gaserhitzers (Düsen h") während der Kreislaufperiode auf i8oo° bis 2ooo° weiter
überhitzt. Zur Vermeidung jeglicher CO2-Bildung kann durch die Düsen Y' und r" auch
Kohlenstaub neben dem Sauerstoff mit eingeblasen werden.
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Im Schmelzofen a überträgt das Kreislaufgas dann seine Wärme an das
Schmelzgut bis
auf einen Rest von etwa 2oo° und wird oben wieder
mit Leitung i' vom Gebläse/ durch den Gaswäscher lt' angesaugt und oben mit
Leitung 2' in den Gaserhitzer gedrückt, wodurch sich der Kreislauf wiederholt.
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Nach i bis 2 Minuten wird die Umschaltklappe d' auf Heißblasebetrieb
umgestellt und mit dem Gebläse g durch Leitung 3' Luft durch den Winderhitzer c'
in den Gaserhitzer b" mit 8oo° eingeblasen, bewirkt dort durch teilweise Verbrennung
von Koks das Heißblasen der Koksfüllung des Gaserhitzers und verläßt denselben oben
mit i 5o bis 25o° und ungefähr 2o % CO-Gehalt mit Leitung q.', um durch den Gaswäscher
hindurch vom Gebläse g angesaugt und mit Leitung 5" oben in den Winderhitzer c"
gedrückt zu werden. Dort wird es unter Luftzufuhr entzündet und vollends verbrannt,
um die aus feuerfesten Steinen bestehende Füllung des Winderhitzers aufzuheizen.
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Während der Gaserhitzer b' heißgeblasen und mit dessen Abgas der Winderhitzer
c" aufgeheizt wird, geht zwischen dem Schmelzofen a und dem Gaserhitzer b" der Kreislaufbetrieb
vor sich und umgekehrt, so daß trotz des abwechselnden Heißblasens ein kontinuierliches
Schmelzen ermöglicht wird.
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Beim Heißblasen der Gaserhitzer wird die Verbindung mit dem Schmelzofen
durch die wassergekühlten Schieber s' und s" abgesperrt. Diese Schieber öffnen und
= schließen sich zwangsläufig mit den Umschaltklappen d' und d" durch je
einen Kolben u, welche in je einem Zylinder t mittels Druckluft vor und zurück
bewegt werden.
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Eine weitere Umschaltklappe w ist dazu bestimmt, die Luft zum Heißblasen
der Gaserhitzer abwechselnd durch die Winderhitzer c' und c" den Gaserhitzern b'
und b" durch das Gebläse g zuzuführen.
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Nach Abb.2 (Fall II) wird das Verfahren so durchgeführt, daß die CO-haltigen
Abgase, anstatt im Lufterhitzer verbrannt zu werden, abwechselnd mit dem Kreislaufbetrieb
ebenfalls in den Schmelzofen geleitet und in diesem mit Sauerstoff verbrannt werden,
aus dem vorher der Stickstoff ganz oder zum größten Teil entfernt wurde.
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Bei dieser Ausführungsart fallen also die Lufterhitzer fort, und das
brennbare Abgas aus der Heißblaseperiode des Gaserhitzers wird abwechselnd mit Leitung
2 unten bei e in den Schmelzofen geleitet, um izi diesem mit Sauerstoff verbrannt
zu werden. Es wird dann aus dem Schmelzofen bei i ins Freie abgeführt, im Gegensatz
zur nächsten Periode, bei welcher CO im Kreislauf durch den Schmelzofen und die
Gaserhitzer verkehrt. Im einzelnen geht bei dieser Ausführungsart des Verfahrens
der Betrieb wie folgt vor sich: Der. Gaserhitzer b wird mit gewöhnlicher oder sauerstoffangereicherter
Luft heißgeblasen, welche durch das Gebläse g mit Leitung i zugeführt wird. In dieser
Periode ist der Schieber s im Verbindungskanal zwischen dem Gaserhitzer und dem
Schmelzofen geschlossen.
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Die Abgase mit etwa 2o % CO-Gehalt und etwa 25o° werden mit Leitung
2 bei e in den Schmelzofen a geleitet, im Zuführungskanal durch Sauerstoffzufuhr
(Düsen k') 'vollkommen verbrannt und oben aus demselben durch die Umschaltklappe
d bei i ins Freie,entlassen.
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Nun wird die Klappe d auf Kreislaufbetrieb umgeschaltet, der Schieber
s geöffnet und durch das Gebläse / der Gasinhalt des Schmelzofens a und des
Gaserhitzers b dergestalt im Kreislauf umgewälzt, daß das Gas oben aus dem
Schmelzofen angesaugt, mit Leitung 3 durch den Wäscher lt und oben in den
vorher heißgeblasenen Gaserhitzer b gedrückt wird, von wo es unten hocherhitzt (mit
etwa i 5oo°) in den Schmelzofen übertritt und oben aus demselben wieder angesaugt
wird. Im Schmelzofen oder im Verbindungskanal wird dem Gas etwas Sauerstoff zugeführt
(Diisen k') und ein kleiner Teil davon zu CO. verbrannt, um eine hohe Temperatur
zu erreichen, oder es wird während des Kreislaufbetriebes durch die Düsen k" Sauerstoff
in die Gaserhitzerfeuerung geblasen. Wenn dagegen das Heißblasen mit sauerstoffangereicherter
Luft erfolgt, dann erübrigt sich diese nachträgliche Zuführung von Sauerstoff. -Bei
dieser Ausführungsart ist nur ein Regenerator erforderlich, weil hier auch während
des Heißblasens das Schmelzbn vor sich gehen kann.
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Der wirtschaftlichste Schmelzbetrieb kann nur im Schachtofen erreicht
werden, weil in diesem das Gas im Gegenstrom zur Schmelzgutbeschickung verkehrt
und somit seine Wärme weitestgehend an dieses abgeben kann,
was im Herdofen
nur in unzulänglichem Ausmaße möglich ist.
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Anderseits besitzt aber der Herdofen den Vorteil, daß man in diesem
das Schmelzgut unter Wärmezufuhr flüssig weiterbehandeln, frischen, vergüten und
legieren kann. In solchen Fällen wird vor dem Schachtofen ein Herdofen angeordnet,
in welchem das flüssige Eisen mit einer Sauerstoff-Kohlenstaub-Flamme überhitzt,
gefrischt und nachbehandelt werden kann. Das Abgas aus der Kohlenstaubflamme gibt
also seine Strahlungswärme zuerst an das flüssige Eisen im Herd ab, ehe es nach
dem anschließenden Schachtofen abzieht. Im Bedarfsfalle kann beim übertritt vorn
Herdofen in den Schachtofen das Abgas durch erneute Sauerstoff- und Kohlenstaubzufuhr
nochmals überhitzt werden.
Diese Gestaltung ist auf Abb.3 und ¢
veranschaulicht. Sie unterscheidet sich von Abb. i und 2 nur durch das Hinzufügen
des Herdofens p und .einer weiteren Serie von Sauerstoff- und Kohlenstaubdüsen gu.
(Abb. 3 zeigt den kombinierten Herd- und Schachtofenbetrieb im Fall I mit Erhitzung
der Heißblaseluft durch den Heizwert der Abgase des Heißblasebetriebes, Abb. q.
dagegen im Fall II mit Verbrennung der Abgase aus der Heißblaseperiode im Schmelzofen
mit Sauerstoff.) Auf diese Weise lassen sich die Vorteiler des Herdofens für die
Weiterbehandlung des flüssigen Schmelzgutes mit dem zum Schmelzen viel wirtschaftlicheren
Betriebe eines Schachtofens verbinden.
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So kann beispielsweise der Herdofen mit flüssigem Roheisen aus dem
Hochofen und der anschließende Schachtofen mit Stahlschrott oder festem Roheisen
beschickt werden.
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Das Frischen im Herdofen kann auch mit Erz oder Walzwerkszunder erfolgen,
in diesem Falle dient die Sauerstoff-Kohlenstaub-Flamme in der Hauptsache der Wärmezufuhr
in den Herdofen.
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In Abb. 5 und 6 (Fall I und II) ist eine Ausführungsart des Verfahrens
schematisch angegeben, welche beim Schmelzen von Roheisen und Gußschrot oder einer
Roheisen-Stahlschrott- oder Stahlschrott - Güßschrott-Mischung in einem Schachtofen
mit anschließendem Frischprozeß zur Umwandlung in Flußstahl Anwendung findet und
wobei das geschmolzene Eisen kontinuierlich schon beim Abfluß in einem Sammler durch
einen Sauerstoffstrahl oder durch die Kohlensäure einer Sauerstoff-Kohlenstaub-Flamme
gefrischt wird.
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Da bekanntlich das zugesetzte Roheisen und der Gußschrott Kohlenstoff
enthalten, so ist es zweckmäßig, den Schmelzbetrieb so zu leiten, daß schon beim
Abschmelzen eine bedarfsgemäße Frischwirkung eintritt.
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Zu diesem Behufe wird hier eine zweite Feuerung im Schmelzofen selbst
oder im Abflußkanal zum Sammler z oder auch im Sammler in Form einer Sauerstoff-Kohlenstaub-Flamme
angeordnet (Düsen gu).
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In dieser Flamme verbrennt der Kohlenstoff zu Kohlensäure, und mit
dieser kann man sowohl das flüssige Eisen frischen (oxydieren) als auch das Schmelzen
mit oxydierender Wirkung betreiben, da die Abgase aus der Kohlenstaubflamme durch
den Schachtofen abziehen. Das Frischen kann im Bedarfsfalle auch durch einen Sauerstoffstrahl
ohne Kohlenstaubzugabe öder bei stark eingeschränkter Kohlenstaubzufuhr erfolgen.
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Das Verfahren nach Abb.3 und q. stellt eine Verbindung des Schächtofenbetriebes
und des mit reduzierender Wirkung arbeitenden Kreislaufverfahrens mit der oxydierenden
Sauerstoff-Kohlenstaub-Feuerung des Herdofens dar, während das Verfahren nach Abb.
5 und 6 durch die Verbindung des kontinuierlichen Windfrischverfahrens mittels Sauerstoffbetriebes
mit dem Schmelzbetrieb in einem Schachtofen nach dem Kreislaufverfahren gekennzeichnet
ist.
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Je nachdem mehr oder weniger Roheisen oder Gußschrott im Verhältnis
zum Stahlschrott gesetzt wird, muß die Zusatzfeuerung der Sauerstoff-Kohlenstaub-Flamme
verstärkt oder eingeschränkt werden. Auf diese Weise kann daher schon beim Schmelzen
die Frischwirkung bedarfsgemäß geregelt werden. Darüber hinaus wird aber für genaue
Einhaltung eines bestimmten Kohlenstoffgehalts im Stahl noch eine weitere Regelung
durch die Erhöhung oder Herabsetzung der Kohlenstaubmenge in der Sauerstoff-Kohlenstaub-Flamme
ermöglicht.