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Verfahren zum Schmelzen von Erzen und Metallen, wie z. B. Eisen, sowie
zum Reduzieren von Erzen in Schachtöfen Das Schmelzen von Stahl, beispielsweise
in Form von Stahlschrott" im Schachtofen leidet sehr unter dem Übelstand, daß mit
Ausnahme von Kohlenstoff kein Ofenfutter den hohen Temperaturen und dem Schlackenangriff
standhält. Die an sich bekannte Anwendung von Kohlenstoff als Ofenfutter setzt aber
voraus, daß .dieses weder mit primärem Sauerstoff noch mit Kohlensäure in Berührung
kommt, weil es von diesen Gasen sehr rasch oxydiert und damit zerstört würde, und
daß es vor mechanischer Abnützung beim Abrutschen des Schmelzgutes geschützt wird,
weil es sehr wenig widerstandsfähig gegen mechanischen Verschleiß ist.
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Der Brennstoffverbrauch erhöht sich jedoch etwa auf das Dreifache,
wenn die Kohle (oder der Koks) nur zu CO verbrannt werden darf, um das Kohlenstoffofenfutter
vor dem Verbrennen zu schützen.
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Gegenstand der Erfindung ist nun. ein Schachtofenverfahren, welches
erstens die Anwendung eines Ofenfutters aus Kohlenstoff ohne mechanischen Verschleiß
gestattet und doch eine Verbrennung der Kohle zu C02 und damit einen wirtschaftlichen
Betrieb zuläßt, bei dem ferner auch die Kohlenstoffaufnahme des Schmelzgutes vermieden
werden kann und bei dem zweitens eine verstärkte Gasbewegung im Schmelzraum durch
einenkünstlichen Gasumlauf herbeigeführt werden kann.
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Das nachfolgend beschriebene Verfahren gliedert sich demnach in zwei
Teile, wovon der erste Teil die Voraussetzung zur Durchführung des neuartigen Schmelzbetriebes
und für die Anwendung eines Ofenfutters im Schmelzraum schafft, das weder von der
sehr hohen Temperatur noch durch Schlackenangriff zerstört oder vom Schmelzgut aufgezehrt
wird, dabei aber doch eine möglichst vollkommene Verbrennung des Brennstoffes zu
C02 und H20 erreichen läßt, während im zweiten Teil des Verfahrens die Schmelzleistung
durch Herbeiführung eines künstlichen Gasumlaufs erhöht und eine Verbrennung des
Kohlenstoffs mit Sauerstoff von hoher Konzentration ermöglicht werden soll, ohne
daß dabei die Temperatur im Schmelzraum das zulässige Maß überschreitet.
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Zur Durchführung des Verfahrens werden, wie aus der Abbildung auf
Blatt z ersichtlicb ist, seitlich des Beschickungsschachtes für das Schmelzgut a
zwei bis vier Brennstoffschächte b angeordnet, die mit Koks oder Kohle beschickt
werden. Durch die Düsen d wird mehr oder weniger reiner Sauerstoff zusammen mit
zerkleinerter Kohle oder ohne diese eingeblasen.
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Der Brennstoff verbrennt dabei nur zu CO und H2, da bei#Temperaturen
über 9,ooo ° Kohlensäure und Wasserdampf in Gegenwart von festem Kohlenstoff nicht
bestehen kann.
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Die aus CO und H2 bestehenden Verbrennungsgase umspülen nun die vollständig
frei im Schmelzraum des Ofens stehende Schmelzgutsäule und bringen diese an der
senkrechten Oberfläche zum Abschmelzen. Wenn die Schmelzgutsäule nun jeweils soweit
abgeschmolzen ist, daß sie dem Druck des darüber befindlichen
Schmelzgutgewichtes
nicht mehr standzuhalten vermag, dann staucht sie sich zusammen, und der Vorgang
des Abschmelzens wiederholt sich.
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Die zulässige Höhe dieser im Schmelzraum frei stehenden Schmelzgutsäule
ist abhängig vom Querschnittausmaß des Beschickungsschachtes und von der Art und
Beschaffenheit des Schmelzgutes. Stahlschrott und Eisenschwamm z. B. gestatten eine
größere Höhe, weil diese Stoffe schweißbar sind; für andere Stoffe, wie Erze und
einige Mineralien, die vor dem Schmelzen durch Sinterung zusammenbacken, kann man
die Höhe der Schmelzgutsäule ebenfalls reichlich bemessen, wenn auch etwas niedriger
als bei Stahlschrott. Nicht sinternde und nicht schweißbare Stoffe dagegen müssen
gegebenenfalls vorher in eine bestimmte Form gebracht werden, die geeignet ist,
den Zusammenhalt der Schmelzgutsäule rein mechanisch, d. h. durch Verband in Form
eines Stapels, sicherzustellen, was aber nicht Gegenstand der Erfindung ist.
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Im allgemeinen besteht kein Bedürfnis, mit der Höhe der frei stehenden
Schmelzgutsäule über das Doppelte des Schachtdurchmessers hinauszugehen; vielfach
genügt schon eine Höhe, welche gleich dem Schachtdurchmesser ist.
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Um den planmäßigen Verlauf der frei stehenden Bildung einer Schmelzgutsäule
unterhalb des eigentlichen Beschickungsschachtes, d. h. im erweiterten Schmelzraum,
sicherzustellen, ist es daher notwendig, das Verfahren so zu leiten, daß schon am
unteren Ende des Schachtes a das Schmelzgut entweder zusammensintert oder so weit
verschweißt wird, daß die Beschickungssäule beim Niedergang in den erweiterten Schmelzraum
von selbst zusammengehalten wird.
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Dies zu erreichen und um eine möglichst restlose Verbrennung zu C02
und H20 zu erzielen, wird nun bei g nach Bedarf Sekundärluft eingeblasen, mit welcher
das aus dem Schmelzraum in den Schacht a abziehende CO-Gas vollständig oder je nach
Bedarf auch teilweise zu C02 verbrannt wird.
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Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um den Schmelzraum mit
einem unschmelzbaren Kohlenstoffutter ausrüsten zu können,, denn dies ist nur möglich,
wenn das Kohlenstoffofenfutter weder einem oxydierenden Einfluß noch einer mechanischen
Abnützung durch das niedergehende Schmelzgut ausgesetzt ist, weil seine Widerstandsfähigkeit
gegen mechanischen Verschleiß bekanntlich sehr gering ist.
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Die Erfindungsmerkmale dieses ersten Teiles des neuen Verfahrens sind
gekennzeichnet durch die damit geschaffenen Voraussetzungen für die Anwendung eines
unschmelzbaren, aber gegen Oxydation und mechanische Beanspruchung sehr empfindlichen
Ofenfutters, und diese Voraussetzungen bestehen in der Fernhaltung jeglicher oxydierender
Verbrennungsgase und der Abwendung des mechanischen Verschleißes durch Vermeidung
einer Berührung des Kohlenstoffofenfutters im Schmelzraum . durch das Schmelzgut.
Daneben hat das Verfahren zum Ziel, trotz des nicht oxydierenden Betriebes im Schmelzraum
doch eine möglichst vollkommene Verbrennung des Kohlenstoffs zu C02 und H20 zu erreichen,
indem eine Nachverbrennung im Schacht durch sekundäre Luftzufuhr vorgenommen wird.
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Diese vorstehend beschriebene Durchführung des Verfahrens genügt für
das einfache Schmelzen von Metallen und Mineralien, wobei zum Vorwärmen des Schmelzgutes
bis zur Schweiß-oder Sinterungstemperatur, d. h. im Schacht, eine größere oder gleich
große Wärmemenge erforderlich ist als im Schmelzraum zum eigentlichen Schmelzen,
denn hier kann die fühlbare Wärme der aus dem Schmelzraum abziehenden heißen Gase
vollkommen zum Vorwärmen des Schmelzgutes verwertet werden, wozu sie in einigen
Fällen sogar nicht einmal ganz zureichend ist, so daß sie durch Nachverbrennung
des CO- und H2 Gehaltes der Abgase unter sekundärer Luftzufuhr noch ergänzt werden
muß.
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Diese einfachereAusführungsart des Verfahren s ist aber noch mit dem
Nachteil einer unzulänglichen Gasbewegung im Schmelzraum behaftet, denn durch die
Ausscheidung eines großen Teils des Stickstoffes aus dem Ofenwind wird die im Schmelzraum
verkehrende Gasmenge zwar auf hohe Temperatur gebracht, dabei aber auch stark vermindert.
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Ein rasches Abschmelzen der Beschickungssäule setzt aber eine lebhafte
Gasbewegung, und zwar am besten quer zur senkrecht frei stehenden Beschickungssäule,
voraus.
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Gegenstand des zweiten Teiles der Erfindung ist nun eine Ergänzung
des eingangs beschriebenen Verfahrens durch einen Regenerativ-Kreislaufbetrieb zur
Herbeiführung einer verstärkten Gasbewegung im Schmelzraum, ohne daß hierdurch eine
Minderung an Nutzwärme im Hochtemperaturbereich eintritt.
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Auf der Zeichnung ist in der Abbildung auf Blatt 2 eine Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.
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Sie besteht aus den beiden mit Brennstoff gefüllten Regeneratoren
A' und A", dem Schacht B, welcher mit dem Schmelzgut oder dem zu schmelzenden und
zu reduzierenden Gut beschickt wird, und dem Schmelzraums, in welchem die Beschickung
des Schachtes B entweder nur geschmolzen oder, wie es bei der Herstellung von Karbiden
oder anderen Verbindungen der Fall ist, auch reduziert wird.
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Durch die Düsen d wird Sauerstoff mit möglichst wenig Stickstoffgehalt
zugeführt, und das Gebläse e dient dazu, um einen Gasumlauf von einem Regenerator
zum anderen quer durch den
Schmelzraum hindurch dergestalt herbeizuführen,
daß abwechselnd das Gas aus dem einen Regenerator abgesaugt und durch den anderen
wieder in die Schmelz- und Reduktionszone geblasen wird, um durch den ersten Regenerator
sofort wieder angesaugt zu werden. Nach einigen Minuten Blasezeit wird durch die
Drehklappen k' und h" die Richtung des Gasweges umgeschaltet und das Gas aus dem
anderen Regenerator abgesaugt, durch den es vorher in den Schmelzraum gedrückt wurde.
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Das Gas wird auf diese Weise ständig quer durch den Schmelzraum (und
senkrecht durch die Generatoren) geblasen, und zwar immer einige Minuten von links
nach rechts und dann ebenso lange von rechts nach links.
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Beim Durchströmen durch den Regenerator von unten nach oben gibt das
abgesaugte Gas seine Wärme an dessen Brennstoffinhalt ab, und auf dem Wege nach
unten durch den anderen Regenerator nimmt es diese wieder auf. Das Gebläse e saugt
also nur gekühltes Gas an, denn die Temperatur des Kohleninhalts der Regeneratoren
nimmt von unten nach oben ab und ist am oberen Ende dauernd nur etwa 2o bis
30',
während sie am unteren Ende je nach der erforderlichen Schmelztemperatur
i3oo bis 25oo° betragen kann. (Vor dem Eintritt in das Gebläse wird das Kreislaufgas
ständig durch einen in der Zeichnung nicht angegebenen Rieselkühler geleitet, damit
sich die Regeneratoren am oberen Ende nicht über die Kühlwassertemperatur erwärmen
können.) .
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Da bei diesem Verfahren fortlaufend eine beliebig große Gasmenge im
Kreislauf-Umschalt-Wechselbetrieb durch den Schmelzraum geblasen wird, während bei
der Verbrennung des Brennstoffs mit stickstoffarmem Sauerstoff nur eine kleine Gasmenge
bei sehr hoher Temperatur zusätzlich entsteht, so mischt sich diese kleine Gasmenge
im Augenblick des Entstehens mit der um das Drei- bis Sechsfache größeren Kreislaufgasmenge,
und dadurch kann die Temperatur des Mischgases auf der gewünschten Höhe gehalten
werden, welche die Wärmeverluste im Schmelzraum auf ein erträgliches Maß beschränken
läßt.
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Auf dem Weg durch den Schmelzraum gibt das Gas ständig Wärme an das
Schmelzgut ab. DieseWärmemenge, welche in Form einer oberhalb der Schmelztemperatur
liegenden -Gastemperatur gebraucht wird, mu.ß fortlaufend ersetzt werden. Das geschieht
durch Verbrennen des Kohleninhalts der Regeneratoren zu CO mittels Sauerstoffs,
der möglichst wenig Stickstoff enthält und durch die Düsen d zugeführt wird. Als
Füllbrennstoff der Regeneratoren eignet sich am besten Koks.
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Da aber Koks als Brennstoff teurer ist als Kohle, so soll der Wärmebedarf
in der Hauptsache mit Brennstaub oder Feinkohle gedeckt werden. Dieser wird durch
Döppeldüsen eingeführt, durch welche (zusammen oder getrennt vom Kohlenstaub) auch
Sauerstoff eingeblasen wird. In gewissem Ausmaß muß jedoch auch hier etwas Koks
aus den Regeneratoren mit verbrannt werden, weil sich diese sonst vom Staubgehalt
des ungereinigten Kreislaufgases in absehbarer Zeit verstopfen würden. Dieser verbrannte
Koksanteil wird dann von oben wieder ersetzt. (Die Füllung der Regeneratoren kann
aber auch mit Stein- oder Braunkohle erfolgen; in diesem Falle müssen aber die Regeneratoren
am oberen Ende bis 300' heißgeblasen werden, um den Teer durch Verdampfen
herauszubringen.) Die Doppeldüsen sind dann entbehrlich.
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Der Teil dieses Gases, welcher dem Gewicht der verbrannten Kohle entspricht,
d. h. etwa 1,5 cbm von etwa 2,5 cbm Gesamtmenge -(beim Betrieb mit annähernd
reinem Sauerstoff), wird durch die Regeneratoren bei i herausgeleitet. Der Wärmeinhalt
dieses Gasanteils dient dazu, den Brennstoff vorzuwärmen, welcher durch die Regeneratoren
aufgegeben wurde, und um die Wärmeverluste in denselben zu decken.
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Der andere Teil des Gases, welcher der zugeführten Sauerstoffmenge
entspricht, d. h. i cbm von den 2,5 cbm Gesamtmenge, wird dagegen durch den mit
dem Schmelzgut beschickten Schacht herausgeleitet. Der Wärmeinhalt dieser Gasmenge
dient zum Vorwärmen der Bescbikkung bis auf Schmelztemperatur, und dieser Teil des
L`berschußgases wird bei t oben aus dem Beschickungsschacht B herausgeleitet. Wenn
dieser Wärmeinhalt i cbm Gases je kg verbrannten Kohlenstoffs in bestimmten Fällen
nicht ausreicht, um die Beschickung bis zur Schmelztemperatur vorzuwärmen, dann
kommt für die Verbrennung ein Sauerstoff zur Anwendung, welcher entsprechend dem
erhöhten Wärmebedarf des Beschickungsschachtes mehr Stickstoff enthält, um mehr
Gas und damit mehr Wärme durch diesen Schacht leiten zu können.
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Wenn dies für den Wärmebedarf im Schacht auch noch nicht zureicht,
kann die Vorwärmung des Schmelzgutes bis zum Schmelzpunkt mit oxydierendem Gas,
C02, erfolgen, wie dies beim Schmelzen von Stahlschrott im ersten Teil beschrieben
und in. der Abbildung auf Blatt i dargestellt ist. Dort wird das Gas, welches bei
der Verbrennung von Kohlenstoff zu CO entsteht und teilweise durch den Beschickungsschacht
herausgeleitet werden soll, durch Zufuhr von Luft zu C02 verbrannt und mit der dabei
erzeugten Wärme der Stahlschrott bis nahe an die Schmelztemperatur vorgewärmt. Die
Abbildung auf Blatt 2 stellt somit nur eine Ergänzung des Verfahrens nach der -
Abbildung auf Blatt r durch den Regenerativ-Kreislaufbetrieb dar.
Die
kennzeichnenden Merkmale dieses zweiten Teiles der Erfindung bestehen darin, daß
z. der Betrieb- eines Schmelzofens nach dem im ersten Teil beschriebenen Verfahren
durch den Regenerativ-Kreislaufbetrieb ergänzt wird; 2. in der zwischen zwei mit
Brennstoff als wärmeaufnehmende Speichermasse gefüllten Regeneratoren liegenden
Schmelz- oder Hochtemperaturzone eine Gasmenge abwechselnd von links nach rechts
und umgekehrt quer hindurchgeblasen wird, wobei der fühlbare Wärmeinhalt dieses
Gases abwechselnd vom Brennstoffinhalt des einen der beiden Regeneratoren aufgenommen
und gleichzeitig vom anderen an das im Kreislauf verkehrende Gas wieder abgegeben
wird, um das Gasgebläse in einem noch zulässigen Temperaturbereich betreiben zu
können und damit die Gasbewegung im Schmelzraum zu verstärken; 3. durch die im Kreislauf
verkehrende Gasmenge die hohe Verbrennungstemperatur, welche beim Betrieb einer
Feuerung mit höher konzentriertem Sauerstoff entsteht, auf ein zulässiges Maß herabgesetzt
wird, ohne daß hierdurch die Nutzwärmeleistung in der Hochtemperaturzone kleiner
wird als beim Betrieb mit Höchsttemperatur; q.. durch Verbrennen des wärmeaufnehmenden
Regeneratorinhalts in der Hochtemperaturzone und Ersatz der Brennstoffüllung am
oberen kälteren Ende der Regeneratoren eine bedarfsgemäße stetige Erneuerung der
Wärmespeichermasse (Regeneratorinhalt) stattfindet, um Verstopfungen durch den Staubgehalt
des Kreislaufgases und durch Verschlacken zu vermeiden; 5. die Wärmeübertragung
in der Hochtemperaturzone im Querstrom im Vorwärme- und Reduktionsschacht, aber
im Gegenstrom zur Beschickung vor sich geht; 6. von dem als Regeneratorfüllmasse
verwendeten teuren Brennstoff nur so viel verbrannt wird, als zur Vermeidung einer
Verstopfung erforderlich ist, der Wärmebedarf aber in der Hauptsache durch Einblasen
von Kohlenstaub oder Kleinkohle in die Verbrennungszone gedeckt wird.