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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Stahlschrott, der vor der Verflüssigung eine plastische Phase erreicht, in einem Schachtofen mit einer Vorwärm- und einer Schmelzzone mittels gegen die Schmelzfläche des Schrotts gerichteten Brennstoffflammen, deren Abgase als Heizgase in die darüberliegende Vorwärmzone abströmen, sowie einen Schachtofen zur Durchführung des Verfahrens.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, das Schmelzen von Schrott in einem Schachtofen durchzuführen. Veranlasst wurden diese Versuche durch die Tatsache, dass der Schachtofen einfach im Betrieb ist und ein guter thermischer Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Bei solchen bekanntgewordenen Versuchen, bei welchen Stadtgas als Brennstoff diente, das mit 4000C heisser Luft verbrannt wurde, war es sehr einfach, 100% festes Roheisen in einem Schachtofen mit nur geringer Oxydation und ohne Brückenbildung zu schmelzen. Auch Mischungen von Schrott und festem Roheisen konnten in einem Schachtofen geschmolzenwerden, obgleich Oxydation und Brückenbildung mit zunehmendem Schrottsatz steigen. Chargen mit looolo Schrott dagegen führten zu Fehlschlägen, vor allem wegen starker Brückenbildung durch teigigen Schrott.
Weiter ist ein Vorschlag bekanntgeworden, den Schrott in einem Schachtofen mit einer Oxyfuel-Flamme und, zur Vermeidung einer Überoxydation, stark unterstöchiometrisch zu schmelzen, die brennbaren Abgase der Schmelzzone höher im Schacht mit Luft zu verbrennen und die Wärme zur Vorwärmung des Schrotts zu benutzen. Es ist jedoch sehr schwierig, eine gleichmässige Mischung zwischen dem unverbrannten Rauchgas der Schmelzzone und der zusätzlichen Verbrennungsluft in der Vorwärmzone zu erreichen ; örtliche Überhitzungszonen, in denen der Schrott teigig und stark oxydiert wird, sind kaum zu vermeiden.
In allerletzter Zeit wurde über Versuche berichtet, in einem schachtförmigen Ofen Schrott durch eine Oxyfuel-Flamme einzuschmelzen. Wie nicht anders zu erwarten, trat eine starke Oxydation des Schmelzgutes ein, und trotz Zusätzen von schützenden Begleitelementen (C, Si, Mn) wurden etwa 120/0 des Eisens verschlackt, so dass vorgeschlagen wurde, dem Schmelzofen einen Reduktionsprozess nachzuschalten. Der günstige Sauerstoffverbrauch wurde mit 160 Nms/t Schrott angegeben, ein Wert, der die Umwandlungskosten erheblich belasten muss.
Aus den Gleichgewichtsbedingungen für die Verbrennung von Heizöl mit Sauerstoff in Anwesenheit von Fe im Überschuss lässt sich rechnerisch ermitteln, dass praktisch unabhängig von der Flammtemperatur etwa die Hälfte der zur stöchiometrischen Verbrennung des Heizöls bestimmten Sauerstoffmenge von Eisen aufgenommen wird.
Den bekannten Verfahren, Schrott in einem Schachtofen zu schmelzen, haften folgende Nachteile an :
Bei Beheizung desOfens mit Oxyfuel-Flammen tritt eine zu starke Oxydation des Schmelzgutes ein. Bei Beheizung mit üblichen Flammen kommt der Stahlschrott bei Temperaturen zwischen etwa 1200 und 14000C in eine Phase, in der er seine Festigkeit völlig verliert und plastisch wird, was im Schachtofen zur Bildung von teigigen Klumpen und Brücken führt, welche den Durchgang der Heizgase wesentlich verschlechtern oder örtlich überhaupt verhindern. In dieser plastischen Phase wird der Stahlschrott ausserdem stärker oxydiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schmelzen von Stahlschrott im Schachtofen zu schaffen, das die den bekannten Verfahren anhaftenden Mängel nicht aufweist und ein weitgehend oxydationsfreies Schmelzen des Schrottes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Menge und/oder die Temperatur der in die Vorwärmezone abströmenden Abgase der Schmelzzone unter dem zur plastischen Verformung des Schrottes in der Vorwärmezone notwendigen Wert gehalten wird. Dadurch erreicht man, dass der Schrott in der Vorwärmezone keine wesentliche plastische Verformung erleidet, das Raumgewicht des Aufgabegutes bis zum Eintritt in die Schmelzzone durch Verformung nicht wesentlich vergrössert und die Oxydation weitgehend verhindert wird.
In den Zeichnungen ist ein Schachtofen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens beispielsweise dargestellt, wobei Fig. 1 einen Vertikalschnitt und Fig. 2 einen horizontalschnitt nach II-II in Fig. 1 zeigt.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für einen befriedigenden Betrieb eines Schachtofens zum Schmelzen von Schrott die Wertigkeit der Wärme zum Schmelzen und zum Vorwärmen genau gegeneinander abgegrenzt werden müssen, damit die kritische Temperatur des Schrotts, bei welcher er plastisch wird, in der Vorwärmezone nicht erreicht wird.
Zur Erläuterung dieses Gedankens dient die nachstehende Wärmebilanz-Betrachtung :
Um Fe-Schrott zu schmelzen (S. P. 1500 C) und das flüssige Metall um 50 C zu überhitzen, sind je kp Metall folgende Wärmemengen erforderlich :
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<tb>
<tb> Erhitzen <SEP> des <SEP> Metalls <SEP> auf <SEP> 15000C <SEP> 1, <SEP> 0. <SEP> 0, <SEP> 161. <SEP> 1500 <SEP> = <SEP> 242kcal/kp
<tb> Schmelzen <SEP> bei <SEP> 15000C <SEP> = <SEP> 67 <SEP> kcal/kp <SEP>
<tb> Überhitzen <SEP> um <SEP> 500C <SEP> 1, <SEP> 0. <SEP> 0, <SEP> 190. <SEP> 50 <SEP> = <SEP> 10 <SEP> kcal/kp
<tb> zusammen <SEP> = <SEP> 319 <SEP> kcal/kp
<tb>
Wenn der Schrott zur Vermeidung einer plastischen Phase und einer stärkeren Oxydation in der Vorwärm-
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des Ofensten Nutzwärme benötigt die Schmelzzone.
Wenn hochwertiger Brennstoff, z. B. Heizöl, mit einem Luftüberschuss von 10% verbrannt wird, beträgt der
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zone etwa 17000C betragen. Wenn diese Rauchgase in der Vorwärmzone auf 1000C abkühlen (im Schachtofen liegen sehr gute Wärmeübergangsbedingungen vor), gehen sie 1, 278. (0, 391. 1700 - 0, 330. 100) = 807 kcal/Mcal ab.
Bei Verbrennung mit kalter Luft steht im Ofen nur die Verbrennungswärme des Brennstoffes zur Verfügung,
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wärmezone abgegeben, während höchstens 60% zugelassen sind, um den Schrott nicht über 12000C zu erhitzen. Da bei kalter Luft nur 19, 30/0 der Brennstoffwärme für das Schmelzen zur Verfügung stehen, 15000C heisser
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Verbrennungsgase in der Vorwärmzone von 1700 auf 1000C geben sie 0, 321 (0, 521. 1700-0, 400. 100) = 271 271 kcal/Mcal ab. Bei der Oxyfuel-Beheizung werden in der Vorwärmzone nur.'100 = 27, 1% der Ge- samtwärme abgegeben. Der Schrott kann in der Vorwärmzone niemals auf die kritische Temperatur erhitzt werden.
Er wird jedoch beim Schmelzen unzulässig stark oxydiert werden, abgesehen davon, dass die Verbrennung mit Sauerstoff erhebliche zusätzliche Kosten verursacht.
Durch richtiges Vorwärmen der Verbrennungsluft lässt sich jedoch die erforderliche Aufteilung der Nutzwärme auf Schmelzzone und Vorwärmzone erreichen, ohne gefährliche Oxydation des Schrottes. Um höchstens 60% der Nutzwärme in der Vorwärmzone abzugeben, müssen je Mcal Brennstoffwärme mindestens noch
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x = 345 kcal/Mcal müssen durch die heisse Luft eingebracht werden. Bei einer Vorwärmtemperatur von 8600C beträgt der Wärmeinhalt der Luft 1, 21. 0, 333. 860 = 345 kcal/Mcal.
Es ist demnach möglich, durch entsprechende Vorwärmung der Luft, die Wärmeangebote in der Schmelzund Vorwärmzone so gegeneinander abzustimmen, dass eine plastische Phase in der Vorwärmzone vermieden wird.
Es bestehen noch weiter Möglichkeiten, um eine zu grosse Erwärmung des Schrotts in der Vorwärmzone zu vermeiden. Zum Beispiel werden die Abgase vor dem Eintritt in die Vorwärmzone soweit gekühlt, dass der Übergang des Schrotts in einen teigigen oder plastischen Zustand vermieden wird. Bei Stahlschrott wäre die Abkühlung auf etwa 1100 bis 12000C vorzunehmen, dann würde trotz der grossen Gasmenge in der Vorwärmzone der Schrott nicht über die kritische Temperatur erwärmt. Praktisch wäre dies so durchzuführen, dass am Übergang von der Schmelzzone zur Vorwärmzone Kühlelemente eingebaut werden.
In ähnlicher Weise lässt sich für die Abgase das Erreichen der für den Stahlschrott kritischen Temperatur dadurch vermeiden, dass den Abgasen der Schmelzzone beim Übergang von der Schmelzzone zur Vorwärmzone Kühlluft oder kaltes Rauchgas zugemischt wird.
Eine weitere Möglichkeit, die kritische Temperatur des Schrotts in der Vorwärmzone zu vermeiden, besteht darin, dass nur ein Teil der Abgase der Schmelzzone der Vorwärmzone zugeleitet wird. Der abgeleitete Teil der Verbrennungsgase kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Verbrennungsluft in einem Rekuperator oder Regenearator vorzuwärmen. Hiebei kann es zweckmässig sein, die Abgase des Rekuperators oder Regenerators wieder in den Schacht ausströmen zu lassen.
Die bisher üblichen Verfahren zum Schmelzen von Schrott und zum Feinem der Charge in ein und demselben Gefäss - die eingangs erwähnten Verfahren sind aus dem Versuchsstadium nicht herausgekommen-sind wegen des unterschiedlichen Energiebedarfes beim Einschmelzen und Fertigmachen eigentlich unwirtschaftlich.
Das Vorschmelzen des Schrottes im Schachtofen ist wesentlich vorteilhafter, da dann auch dieinvestitionskosten für das Fertigmachen, beispielsweise durch einen Lichtbogenofen, wesentlich reduziert werden.
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel eines Schachtofens zum Schrottschmelzen schematisch dargestellt. Der Ofen weist einen kreisrunden Querschnitt auf ; er kann jedoch auch einen rechteckigen Querschnitt haben, wobei die Beheizung an einer oder beiden Längsseiten des Rechteckes erfolgen kann.
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Der schematisch dargestellte Schachtofen --1-- erweitert sich etwas nach unten, wodurch Hängen vermieden wird. Am oberen Ende des Schachtofens-l-ist eine Esse-2-und eine Bühne-3-- schematisch dar-
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--4inzeichnet, welcher von der Vorwärmzone in die Schmelzzone --9-- absinkt. Am Umfang des Schmelzraumes - 5-angeordnete Brenner erzeugen die für das Schmelzen des Schrotts notwendige Erwärmung.
Durch ausgemauerte Heisswindleitungen --11- wird die für die Verbrennung benötigte Luft zu den Brennern-10-ge- fördert.
Am Übergang der Schmelzzone -5- zum Schacht ist eine mit-12-- bezeichnete Wasserkühlung angedeutet, die hier erforderlich ist, weil sonst die Kanten der feuerfesten Ausmauerung zu schnell abgescheuert werden.
Auf der linken Wand des Schachtes ist über der Wasserkühlung --12-- strichliert ein Rekuperator-13angedeutet. Ein solcher Rekuperator kann, wie angedeutet, zweckmässig im untersten Teil der Vorwärmzone des Schachtes angeordnet werden, durch welchen die Verbrennungsluft vorgewärmt wird. Damit wird die bereits erwähnte Reduktion des Wärmeangebotes an die Vorwärmzone erreicht, jedoch ohne Wärmeverlust für das System.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Schmelzen von Stahlschrott, der vor der Verflüssigung eine plastische Phase erreicht, in einem Schachtofen mit einer Vorwarm-und einer Schmelzzone mittels gegen die Schmelzfläche des Schrotts gerichteten Brennstoffflammen, deren Abgase als Heizgase in die darüberliegende Vorwärmzone abströmen, dadurch gekennzeichnet, dass Menge und/oder Temperatur der in die Vorwärmzone abströmenden Heizgase unter dem zur plastischen Verformung des Schrotts in der Vorwärmzone notwendigen Wert gehalten wird.