DE102004062261A1

DE102004062261A1 - Herdofen, Verfahren sowie Verwendung des Herdofens zum Schmelzen von Metallen

Info

Publication number: DE102004062261A1
Application number: DE102004062261A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Biedenkopf
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-07-13
Also published as: WO2006072363A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Herdofen zum Aufschmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, mit einer Sauerstofflanze 25 zur Nachoxidation von Schwelgasen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Herdofen zum Schmelzen von Metallen sowie ein entsprechendes Verfahren und die Verwendung des Herdofens zum Schmelzen von Metallen.

Industrieöfen zum Metallschmelzen mit Brennern als Heizung sind in vielfältigen Ausführungsformen seit langem bekannt und im Einsatz. Häufig werden die Brenner dabei so angebracht, dass die Flamme des Brenners im Ofenbetrieb in den Ofeninnenraum gerichtet ist und diesen quasi direkt heizt. Öfen dieses Typs existieren in verschiedenen Bauformen, beispielsweise als Herdöfen, Drehtrommelöfen, Kippdrehtrommelöfen, Schachtöfen. Zu den Herdöfen sind auch jüngere Typen des Herdofens zu rechnen, beispielsweise sog. Closed-Well-Öfen, Zweikammeröfen (twin chamber) oder Dreikammeröfen.

Die zugehörigen Brenner werden in der Regel mit fossilen Brennstoffen, meistens Erdgas oder Öl, betrieben. Dem Brenner wird neben dem fossilen Brennstoff Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch Sauerstoff zugeführt, um eine Verbrennung des Brennstoffs zu ermöglichen. Der Wärmeübergang zwischen der heißen Flamme des Brenners und dem zu heizenden Metall in dem Ofen kann konvektiv und/oder über Strahlungsheizung erfolgen.

Das Aufschmelzen von Metallen hat u. a. Bedeutung beim Recycling oder der Verwertung von Schrotten, Schlacken oder sortierten Abfällen, insbesondere bei den Nichteisen-Metallen wie Al, Cu, Pb und Zn. In diesem Bereich sind Drehtrommelöfen und Kippdrehtrommelöfen gebräuchlich.

Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, die konstruktiven Möglichkeiten bei Öfen zum Aufschmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, zu erweitern und einen konstruktiv neuartigen Metallschmelzofen mit günstigen Betriebseigenschaften anzugeben. Ferner soll die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Schmelzen von Metallen und eine entsprechende vorteilhafte Verwendung des Ofens bereitstellen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Herdofen zum Schmelzen von Metallen, der für einen diskontinuierlichen Betrieb und eine horizontale Chargierung ausgelegt ist und einen Brenner, dessen Flamme im Betrieb in den Innenraum des Herdofens gerichtet ist, sowie eine zusätzliche Sauerstofflanze zum Einführen von Sauerstoff in den Innenraum des Herdofens aufweist,
sowie auf ein Verfahren zum Schmelzen einer Metall-Chargierung eines Herdofens, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit Hilfe eines Brenners, dessen Flamme in den Innenraum des Ofens gerichtet wird, wobei der Ofen diskontinuierlich betrieben und im Wesentlichen horizontal chargiert wird und mit Hilfe einer Sauerstofflanze während des Betriebs Sauerstoff in den Innenraum des Herdofens eingeführt wird, um durch einen lokalen Sauerstoffüberschuss in dem Innenraum des Ofens eine Nachoxidation von Abgasen, insbesondere Schwelgasen, zu bewirken,
sowie auf die Verwendung des beschriebenen Herdofens zum Schmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, insbesondere Al, Cu, Pb oder Zn, vorzugsweise Al.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden im Folgenden näher erläutert.

Die folgende Beschreibung bezieht sich implizit sowohl auf den erfindungsgemäßen Herdofen als auch auf das erfindungsgemäße Verfahren und die Verwendung des Ofens, ohne dass hierzwischen explizit unterschieden wird.

Die Erfindung sieht den Einsatz eines Herdofens zum Schmelzen von Metallen vor, d. h. eines Ofens mit einer im Wesentlichen horizontalen Chargierrichtung und gewöhnlich auch einer seitlichen Tür, der für einen diskontinuierlichen Betrieb, also ein diskontinuierliches Chargieren und Abführen einer Charge vor dem Neuchargieren, ausgelegt ist. Z. B. im Vergleich zu Schachtöfen liegen in Herdöfen die aufzuschmelzenden Materialien stärker in der Fläche verteilt und weniger übereinander geschichtet. Herdöfen werden nicht gedreht wie Dreh- und Drehkippöfen. Sie sind dementsprechend baulich einfacher und kostengünstiger. Der Erfinder geht jedoch davon aus, dass auch Herdöfen in günstiger Weise zum Aufschmelzen von Metallen, insbesonde re Nichteisen-Metallen, verwendbar sind, wenngleich sie zu diesem Zweck bisher nicht gebräuchlich sind.

Darüber hinaus soll der erfindungsgemäße Herdofen an ein insbesondere beim Aufschmelzen von Schrotten, Schlacken, wieder zu verwendenden Abfällen und dgl. auftretendes Problem angepasst werden: Verunreinigungen im Ausgangsmaterial führen beim Erwärmen und Aufschmelzen solcher Materialien zu umweltschädlichen und/oder gefährlichen Abgasen, insbesondere zur starken Entwicklung von Kohlenmonoxid und nicht vollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Verbindungen. Im Zuge des steigenden Umweltbewusstseins werden solche Abgase immer weniger toleriert. In Einzelfällen können auch neben der gesundheitlichen Belastung durch die Gase selbst Gefährdungen der beteiligten Personen durch Explosionen entstehen.

Daher sieht die Erfindung neben einem Brenner zum Aufheizen einer Chargierung eine zusätzliche Sauerstofflanze vor, um Sauerstoff in den Ofeninnenraum einzuführen. Diese Sauerstofflanze soll von dem Brenner getrennt vorgesehen sein; hier ist also nicht eine Vorrichtung zum Zuführen des Sauerstoffs oder der Luft in dem Brenner selbst zur Verbrennung des Brennstoffs gemeint. Vielmehr handelt es sich hier um eine getrennt angelieferte, eigene Vorrichtung zum Zuführen von reinem Sauerstoff oder Gasmischungen mit Sauerstoff, vorzugsweise jedoch reinem Sauerstoff, um durch eine lokale Sauerstoffanreicherung in der aufgeheizten Atmosphäre über der Chargierung eine Nachoxidation problematischer Verbindungen zu erreichen.

Es hat sich herausgestellt, dass eine getrennte Sauerstoffzuführung hier äußerst effektiv ist und wesentlich bessere Ergebnisse liefert als eine überstöchiometrische Anreicherung im Brenner selbst. Vorteilhaft ist eine lokale Sauerstoffanreicherung, wobei weder eine Überstöchiometrie in der Flamme selbst noch eine ausgeprägte Sauerstoffanreicherung in der gesamten Atmosphäre im Brennerinnenraum entscheidend ist. Die erfindungsgemäße Sauerstofflanze erzeugt einen ausgeprägten Sauerstoffüberschuss und damit ein hohes Oxidationspotential in bestimmten Bereichen. Durch eine ausgeprägte Durchmischung der Atmosphäre durch die durch den Brenner und/oder die Sauerstofflanze erzeugten Gasgeschwindigkeiten können damit ganz erhebliche Reduktionen schädlicher Gase erzeugt werden. Dies ist ferner ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich; vielmehr wird durch die Nachoxidation zusätzliche Energie in Form von Wärme frei und kann für den Schmelzprozess genutzt werden.

Vorzugsweise lässt sich die Reichweite des von der Sauerstofflanze in den Innenraum eingebrachten Sauerstoffs nicht nur durch eine Einstellung der Sauerstoffmenge pro Zeiteinheit, sondern weitgehend unabhängig davon verändern. Damit kann eine Optimierung der Gasdynamik in dem Innenraum vorgenommen werden, insbesondere um die Temperaturverteilung einzustellen. Wie bereits erwähnt, wird durch die Nachoxidation Energie frei. Wenn beispielsweise ein relativ kurzflammiger Brenner verwendet wird, kann mit einer an einem entgegengesetzten Ende des Herdofens angebrachten Sauerstofflanze gezielt eine Aufwärmung dieses entgegengesetzten Herdofenendes bewirkt werden. Andererseits kann durch die in Folge der Nachoxidation freiwerdende Energie auch eine Überhitzung zu befürchten sein, so dass die Reichweite der Sauerstoffströmung länger eingestellt wird. In Einzelfällen kann auch eine Anpassung an eine durch eine bestimmte Chargierungsform oder einer Chargierungsmenge, durch eine bestimmte Ofengeometrie oder Brennereinstellung oder in Folge anderer Umstände variierende Gasdynamik erzielt werden.

Dies kann zum einen mit Hilfe von Drallkammem erfolgen. Wird der Sauerstoff- (oder sauerstoffhaltige Gas-)Strom mit Hilfe einer Drallkammer vor Eintritt in den Ofeninnenraum verwirbelt, neigt er stärker zur Aufweitung und hat eine geringere Reichweite, strömt er unverwirbelt ein, insbesondere durch eine seine Geschwindigkeit erhöhende und sein Querschnittsprofil konzentrierende Düse, so ist die Reichweite größer. Hier können auch Doppelrohrlanzen, insbesondere mit einem inneren und einem äußeren Rohr, verwendet werden, bei denen zwischen einem Sauerstoffeintrag durch eine Lanze mit Verwirbelung und einem Sauerstoffeintrag durch die andere Lanze ohne Verwirbelung gewählt und durch die Einstellung der Sauerstoffmengen der jeweiligen Rohre auch eine stufenlose Reichweiteneinstellung erfolgen kann. So können zwischen kurzen, buschigen und breiten Strömungsformen und langen schmalen Strömungsformen Übergangszustände erzeugt werden. Besonders kurze Strömungen lassen sich auch dadurch erzeugen, dass die Sauerstoffströmungen durch beide Rohre verwirbelt sind, wobei eine gleichsinnige Verwirbelung leise Strömungen und eine gegensinnige Verwirbelung besonders kurze Strömungsformen im Ofeninnenraum erzeugt. Bevorzugt ist jedoch eine Verwirbelung der Sauerstoffströmung durch eines von zwei Sauerstofflanzenrohren.

Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit der Reichweiteneinstellung besteht in einer Mehrrohrlanze, insbesondere Doppelrohrlanze, bei der ein Rohr, vorzugsweise ein inneres Rohr, eine Düsenmündung in den Innenraum aufweist und das andere Rohr ohne Düse und mit vergleichsweise größerer Querschnittsfläche mündet. Hier kann durch Aufteilung des Sauerstoffstromes auf die beiden Rohre ebenfalls eine Beeinflussung der Reichweite der Strömung in dem Innenraum ohne wesentliche Veränderung der Eintragsmenge pro Zeiteinheit erzielt werden.

Bevorzugt ist ferner, dass in einem Abgaskanal des Ofens oder dessen Mündung in den Innenraum eine Abgasanalyseeinrichtung vorgesehen ist, mit Hilfe derer die von der Sauerstofflanze einzutragende Sauerstoffmenge gesteuert oder geregelt wird. Hier kann beispielsweise der Kohlenmonoxidwert oder aber vorzugsweise der Sauerstoffgehalt selbst gemessen werden. In Betracht kommen verschiedene, an sich bereits bekannte Verfahren, etwa Schwingungsabsorptionsmessungen mit Laser (Kohlenmonoxidschwingung oder asymmetrische Sauerstoffschwingung).

Die durch die Sauerstofflanze erzeugte Sauerstoffströmung im Ofeninnenraum ist vorzugsweise nicht gleichsinnig, sondern zumindest etwas gegensinnig zu der Flammenrichtung. Bevorzugt ist ein Winkel von über 90° hierzwischen. Eine zumindest ansatzweise Gegensinnigkeit erweist sich als günstig für die Gasdynamik und Durchmischung. Dabei müssen die Flamme und die Sauerstoffströmung, auch bei direkt gegensätzlicher Orientierung, nicht direkt aufeinander zu gerichtet sein. Bei einer Mehrzahl Brenner in der betreffenden Ofenkammer gilt dies im Übrigen für mindestens einen der Brenner.

Ferner ist eine Anordnung der Sauerstofflanze in der Nähe des Abgaskanals bevorzugt, d. h. bezogen auf die Horizontalerstreckung des Herdofeninnenraums in der abgaskanalseitigen Hälfte und besonders bevorzugter Weise relativ nah an der Mündung des Abgaskanals, wie im Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Der Brenner oder zumindest einer aus einer Mehrzahl Brenner ist dabei vorzugsweise in der jeweils anderen Ofenhälfte und relativ weit vom Abgaskanal entfernt angeordnet.

Schließlich ist die Sauerstofflanze vorzugsweise so angeordnet, dass die Sauerstoffströmung in einem oberen Bereich des Herdofens, d. h. in einer bezogen auf die vertikale Erstreckung des Ofeninnenraums oberen Hälfte entsteht. Dies kann durch Anord nung der Sauerstofflanze in dieser oberen Hälfte und/oder durch eine gewisse Aufwärtsneigung erfolgen.

Die vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen sind auch und besonders auf Mehrkammerherdöfen zu lesen, in denen eine gesonderte Abschwelkammer vorgesehen ist. Die erfindungsgemäßen Merkmale beziehen sich dann vor allem auf die Abschwelkammer, können aber auch in anderen Kammern zusätzlich vorgesehen sein, etwa um bei einer weiteren Erwärmung einer Chargierung zum Aufschmelzen selbst in einer der Abschwelkammer nachfolgenden Kammer auftretende Abgase zu verbrennen.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal betrifft eine Einstellbarkeit der Flammenlänge des Brenners weitgehend unabhängig von der Brennerleistung. Damit soll sich die Gasdynamik zusätzlich einstellen lassen und auch die geometrische Beziehung der Flamme in Bezug auf die zu erhitzende Chargierung optimieren lassen. Dabei kann die Reichweite der Sauerstoffströmung in der bereits beschriebenen Weise an Flammenlängenverändenangen angepasst werden und insbesondere auch eine übermäßige oberflächliche Oxidierung des Metalls durch die Sauerstoffströmung durch entsprechende Einstellung vermieden werden. Häufig wird jedoch die Flammenlänge des Brenners vor allem dann verstellt werden, wenn die Chargierung schmilzt und ihre Geometrie verändert. In vielen Fällen wird dann die Hauptfunktion der erfindungsgemäßen Sauerstofflanze bereits abgeschlossen sein, weil die Schwelgase vor allem im anfänglichen Erwärmungsprozess entstehen.

Für eine Einstellbarkeit der Flammenlänge kann ein außenmischender Brenner mit einem Brennerkopf, mindestens einem Brenngasrohr und mindestens einem Rohr für ein sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen sein, wobei der Brennerkopf Austrittsöffnungen aus dem Brenngasrohr und aus dem Rohr für das sauerstoffhaltige Gas aufweist.

Dabei sind Gaszuleitungen für Brenngas und für sauerstoffhaltiges Gas vorgesehen, die je mit einer Quelle für Brenngas bzw. für sauerstoffhaltiges Gas in Verbindung stehen und von denen mindestens eine Gaszuleitung exzentrisch in eine Drallkammer mündet, die zwischen der Gaszuleitung und dem Brenngasrohr und/oder zwischen der Gaszuleitung und dem Rohr für sauerstoffhaltiges Gas angebracht ist.

Bevorzugt teilt sich mindestens eine der Gaszuleitungen stromaufwärts vor der Drallkammer in zwei Leitungen auf, wobei eine dieser Leitungen exzentrisch in die Drallkammer mündet und die andere dieser Leitungen direkt in das Brenngasrohr bzw. in das Rohr für sauerstoffhaltiges Gas mündet.

Besonders bevorzugt sind in den Gaszuleitungen Ventile vorgesehen, insbesondere in dem Teil der Gaszuleitungen, in dem mindestens eine Gaszuleitung bereits in zwei Leitungen geteilt ist, und steht eine Steuer- oder Regeleinrichtung zur Verfügung, die die Öffnungsgrade der Ventile steuert oder regelt, wodurch die Länge der Flamme des Brenners einstellbar ist.

Zweckmäßigerweise sind die Ventile als Magnetventile ausgebildet. Diese lassen eine stufenweise veränderbare Einstellung der Flammenform zu. Bei höheren Ansprüchen können die Magnetventile teilweise oder ganz gegen Regelventile ausgetauscht werden. Diese lassen eine kontinuierlich veränderbare Einstellung der Flammenform zu.

Bevorzugt weist die Drallkammer in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse des Brenngasrohres einen kreisförmigen Querschnitt auf. Besonders bevorzugt mündet die Gaszuleitung tangential in die Drallkammer. Durch jede dieser Ausgestaltungen kann die Reibung für den Drallstrom verringert und zusammen minimiert werden.

Dabei kann das Brenngas und/oder das sauerstoffhaltige Gas exzentrisch in eine Drallkammer eingetragen werden, in der dem Brenngas bzw. dem sauerstoffhaltigen Gas eine Drallströmung aufgeprägt wird und das Brenngas bzw. sauerstoffhaltige Gas nach Verlassen der Drallkammer dem Brenngasrohr bzw. dem Rohr für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird.

Bevorzugt werden die pro Zeiteinheit über die Drallkammer und ohne die Drallkammer dem Brenner zugeführten Mengen an Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas gesteuert oder geregelt, wobei das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas über Ventile geleitet werden, deren Öffnungsgrade so gesteuert oder geregelt werden, dass der Brenner eine Flamme erzeugt, die eine gewünschte und über die Steuerung oder Regelung einstellbare Länge aufweist.

Bevorzugt wird dem Brenngasstrom eine Drallströmung aufgeprägt. Dabei besteht der Vorteil darin, dass eine gute Vermischung des Brennstoffs mit dem Sauerstoff bei leicht verkürzter Flamme entsteht.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dem Strom des sauerstoffhaltigen Gases eine Drallströmung aufgeprägt. Dies ist vorteilhaft, da die Flamme sich auch hier etwas verkürzt und der Brenner sich konstruktiv etwas einfacherfertigen lässt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden dem Brenngasstrom und dem Strom des sauerstoffhaltigen Gases zueinander gleichsinnige Drallströmungen aufgeprägt. Dabei besteht der Vorteil darin, dass die Flamme sehr kurz und leise ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Brenngasstrom und dem Strom des sauerstoffhaltigen Gases zueinander gegenläufige Drallströmungen aufgeprägt werden. Dies ist für den Fall zu empfehlen, dass eine extrem kurze, buschige Flamme benötigt wird.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Veränderung der Flammenlänge stufenlos (ohne die Brennstoffmenge während des Betriebes zu verändern) geändert werden kann. Es müssen auch keine Veränderungen am Brenner (wie z. B. Düsenwechsel) vorgenommen werden. So kann die momentane Flammenlänge auf bis zu ein Drittel ihrer maximalen Länge verringert werden.

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die Veränderung der Flammenlänge stufenlos erfolgt und während des Betriebs des Brenners die Aufprägung einer Drallströmung begonnen und auch wieder beendet werden kann, ohne dass der Brenner abgestellt werden müsste und ohne dass irgendwelche baulichen Veränderungen, wie beispielsweise das Wechseln einer herkömmlichen Drallscheibe notwendig wäre. Die Veränderung der Flamme erfolgt über die Änderung mindestens einer der beiden Gasströmungen allein über die Einstellung des Öffnungsgrades der beschriebenen Ventile, was wiederum über die Steuer- oder Regeleinrichtung geschieht.

Die vorstehende Erläuterung zur Einstellbarkeit der Flammenlänge entspricht im Übrigen, wenn die Flamme durch eine zweite Sauerstoffströmung ersetzt wird, sinngemäß auch der Einstellbarkeit der Reichweite der Sauerstoffströmung mit Hilfe zumindest einer Drallkammer.

Ferner soll vorzugsweise der Brenner des Ofens so ausgerichtet sein, dass die Flamme nach unten auf das zu heizende Metall gerichtet ist. Dabei kann es sich um eine schräge Ausrichtung oder auch um eine vertikale Ausrichtung handeln. Die schräge Ausrichtung soll einen Winkel zwischen der Flammenhauptachse und der Horizontalen von mindestens 25°, vorzugsweise mindestens 30° und besonders bevorzugter Weise mindestens 35° bilden. Mit dieser Vorgehensweise wird der konvektive Wärmeübergang in das Gut erhöht. Mit einem Brenner, dessen Flammenlänge einstellbar ist, ergibt sich die Möglichkeit, den Abstand zwischen der Flamme und dem Metall oder allgemeiner gesprochen die geometrische Beziehung zwischen der Flamme und dem Metall in einem gewissen Umfang einzustellen.

Bei Schmelzöfen zum Aufschmelzen von Metallen ist die Beeinträchtigung durch die Flamme von besonderer Bedeutung. Bei Metallen können Oxidationsreaktionen auftreten, die durch die Einstellbarkeit der Flammenlänge und der Reichweite der Sauerstoffströmung in dem erfindungsgemäßen Ofen kontrolliert werden können. Daneben kann es von Vorteil sein, beispielsweise durch ein anfängliches Kurzhalten der Flamme einen eher gleichmäßigen Wärmeeintrag in einen Haufen aus Metallmaterial mit deutlich unebener ("gehäufter") Oberfläche zu erzielen und im Verlauf der Einebnung der Oberfläche durch zunehmendes Aufschmelzen dann die Flamme zu verlängern. Vor allem ist aber die Frage des Kontakts zwischen den Gasen in der Flamme und dem Metall von Belang. Analoges gilt für die Einstellbarkeit der Reichweite der Sauerstoffströmung, wenn diese nicht ohnehin in einen (oberen) Bereich des Ofeninnenraums gerichtet ist, in dem keine schädlichen Reaktionen mit dem Metallmaterial auftreten können.

Besonders interessant ist die Erfindung für Nichteisenmetalle, insbesondere Aluminium, Kupfer, Blei, Zink. Der bevorzugte Anwendungsbereich liegt im Aufschmelzen von Aluminium. Hier sind die Elementangaben übrigens im technischen und nicht unbedingt chemisch reinen Sinn gemeint, d.h. bei Elementanteilen über etwa 60 Gew.%.

Der Begriff Aluminium beinhaltet ferner auch oxidisch verunreinigtes Recyclingmaterial wie "Krätze" ("dross") mit über etwa 10 Gew.% Al.

Wie bereits zuvor erwähnt, kann vor allem bei stärkerer Entwicklung von Schwelgasen in Schwelkammern die durch die Nachverbrennung freiwerdende Energie erheblich sein. Daher ist es bevorzugt, die Brennerleistung an den Sauerstoffeintrag durch die Sauerstofflanze anzupassen, so dass die Gesamtleistung im Wesentlichen konstant bleibt. Zusätzlich zu der Vermeidung von Umweltschädigungen und Gefährdungen der Mitarbeiter kann damit der eigentliche Schmelzprozess ökonomisch von dem erfindungsgemäßen Sauerstoffeintrag profitieren.

Schließlich erlaubt die Erfindung eine unterstöchiometrische Betriebsweise des Brenners, was bei relativ stickstoffhaltigen Brennstoffen, beispielsweise niederländischem Erdgas, von Interesse ist, um die Stickoxidproduktion zu drosseln. Dieser Aspekt der Erfindung spricht übrigens für einen fortgesetzten Betrieb der Sauerstofflanze auch nach dem Anfall der Schwelgase, d. h. während des eigentlichen Schmelzprozesses und/oder in einer eigentlichen Schmelzkammer. Bei Herdöfen, in denen in derselben Kammer anfänglich erwärmt und dann aufgeschmolzen wird, würde die Sauerstofflanze also weiterbetrieben, bei Mehrkammeröfen eine weitere Sauerstofflanze auch in der Schmelzkammer vorgesehen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können und sich sowohl auf den Vorrichtungs- als auch auf den Verfahrenscharakter der Erfindung beziehen.
1 zeigt einen Brenner zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Ofen.
2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1.
3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B in 1.
4 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Flammenlängeneinstellung mit dem Brenner aus den 1 bis 3.
5 zeigt schematisch eine Doppelrohr-Sauerstofflanze für einen erfindungsgemäßen Ofen.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Herdofens mit einem Brenner gemäß den 1–3 und einer Sauerstofflanze gemäß 4.
Bevor auf den eigentlichen erfindungsgemäßen Ofen näher eingegangen wird, wird zunächst eine bevorzugte Ausgestaltung eines Brenners für diesen Ofen erläutert, die eine besonders günstige Einstellbarkeit der Flammenlänge gestattet.
Im Einzelnen zeigen die Figuren einen Brenner 1 mit einem Brennerkopf 2, einem Rohr 4 für ein sauerstoffhaltiges Gas und mit einem Brenngasrohr 3 (nicht dargestellt). Die beiden Rohre sind konzentrisch angeordnet, und zwar so, dass das Brenngasrohr 3 innerhalb des Rohres 4 angebracht ist. Ein so aufgebauter Brenner 1 wird auch Parallelstrombrenner genannt. Als Brenngas wird beispielsweise Erdgas eingesetzt.
Ein beispielhafter Betrieb des Brenners 1, bei dem beide Gasströme gleichsinnig gedrallt werden, sieht folgendermaßen aus: Erdgas strömt von der Gaszuleitung 6 bei geöffnetem Ventil 10 über die Leitung 6a in die Drallkammer 8. Dort wird dem Ergasstrom eine Drallströmung aufgeprägt. Das Ventil 11 ist dabei geschlossen.
Sauerstoffangereicherte Luft gelangt über die Gaszuleitung 7 und die Leitung 7a in die Drallkammer 9. Dort wird diesem Gasstrom eine dem Erdgasstrom gleichsinnige Drallströmung aufgeprägt. Dabei ist das Ventil 12 geöffnet und das Ventil 13 geschlossen.
Der Strom der sauerstoffangereicherten Luft verlässt die Drallkammer und wird in das Rohr 4 eingetragen. Der Erdgasstrom wird in das Brenngasrohr 3 eingetragen.
Am Brennerkopf 2 mischen sich die beiden Gasströme und es entsteht eine charakteristische Flamme. Die Form und die Länge der entstehenden Flamme hängen direkt von der Einstellung der Ventile 10, 11, 12 und 13 ab.
Beispielsweise verlängert sich die Flamme, wenn der Brenngasstrom bei geöffnetem Ventil 11 und geschlossenem Ventil 10 zugegeben wird, d. h. dem Erdgasstrom keine Drallströmung aufgeprägt wird. Sie verlängert sich im Vergleich zu der soeben beschriebenen Flamme, bei der beiden Gasströmen eine Drallströmung aufgeprägt wird.
Ebenso kann lediglich der Erdgasstrom gedrallt werden und der Strom des sauerstoffhaltigen Gases ohne Drall über die Leitung 7b und das geöffnete Ventil 13 dem Rohr 4 zugeführt werden.
Durch Ausbildung der Ventile 10, 11, 12 und/oder 13 als Regelventile werden Zwischenstellungen, also einstellbare Öffnungsgrade dieser Ventile ermöglicht. Dadurch wird die Form der Flamme stufenlos verstellbar. Die Änderung der Form der Flamme erfolgt problemlos während des Betriebs des Brenners 1 mittels der Steuer- oder Regeleinrichtung für die Ventile 10, 11, 12, 13.
Randbedingungen für die Form der Flamme sind die Zufuhrmengen an Brenngas und sauerstoffhaltigen Gas. Die einmal gewählten Zufuhrmengen bleiben hier während des Betriebs des Brenners konstant. Lediglich durch die Wahl der Ventilstellungen für die Ventile 10, 11, 12, 13 wird eine kurze, buschige und breite Flamme bis hin zu einer langen, schmalen Flamme erzeugt.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung die bereits erwähnte kurze buschige Flamme oben und die lange schmale Flamme unten. Der Brenner 1 ist hier also zweimal dargestellt.
5 zeigt den schematischen Aufbau einer Doppelrohr-Sauerstofflanze. Zunächst ist festzustellen, dass die Sauerstofflanze im Wesentlichen einen analogen Aufbau zu der Erläuterung der 1–4 hat, wobei die Erdgasströmung und die Sauerstoff angereicherte Luftströmung jeweils durch reinen Sauerstoff ersetzt werden. Ferner können die Drallkammer 8 und damit die Leitung 6a und das Ventil 10 weggelassen werden, so dass die Sauerstoffströmung durch das innere Rohr 3 nicht verwirbelt wird. Schließlich weist das Innenrohr 3 eine in 5 angedeutete Düse 23a auf, weswegen das Innenrohr in 5 statt mit der Bezugsziffer 3 mit der Bezugsziffer 23 versehen ist. Dementsprechend ist das äußere Rohr der Sauerstofflanze in 5 mit 24 bezeichnet.
Damit ergibt sich insgesamt die Möglichkeit einer durch die Düse 23a beschleunigten und daher im Innenraum des Ofens relativ weitreichenden Sauerstoffströmung durch das Innenrohr 23 und einer in Folge des größeren Öffnungsquerschnitt des äußeren Rohres 24 und der Abwesenheit einer Düse bereits verlangsamten und daher kürzeren Sauerstoffströmung, die durch Einstellung den Ventilen 12 und 13 in 1 und 2 entsprechender Ventile durch zusätzliche Verwirbelung hinsichtlich ihrer Reichweite verkürzt werden kann.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Herdofens in Draufsicht und im Schnitt. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 1 den Brenner aus den 1–4, die Bezugsziffer 25 die Sauerstofflanze aus 5, 26 einen Abgaskanal, 27 eine Chargiertür, 28 eine Entnahmetür und 29 einen Ofeninnenraum. Der Ofen ist im Grundriss im Wesentlichen rechteckig und wird durch die seitliche Chargiertür 27 beladen und durch die Entnahmetür 28 entladen. Das aufzuschmelzende Gut, nämlich Aluminiumschrott, wird auf einer im Wesentlichen flachen Grundfläche des Ofeninnenraums 29 aufgehäuft und von dem etwa 45° zur Papierebene nach unten geneigten Brenner 1 aufgeheizt, wobei in der beschriebenen Weise zunächst mit einer kürzeren Flammenlänge und dann mit zunehmendem Aufschmelzen und dabei Absenken des Aluminiumschrotts verlängerten Flammenlänge gearbeitet wird.
Die während des anfänglichen Erwärmens entstehenden Schwelgase werden in der heißen Atmosphäre über dem Aluminiumschrott mit Hilfe einer im Bereich der Sauerstoffströmung aus der Sauerstofflanze 25 vorliegenden hohen Sauerstoffkonzentration nachoxidiert, bevor sie den Abgaskanal 26 erreichen. Dabei kann die Strömungslänge des aus der Sauerstofflanze 25 in den Ofeninnenraum 29 austretenden Sauerstoffs in der bereits beschriebenen Weise eingestellt werden, um eine günstige Gasdynamik herzustellen.
Eine hier nicht gezeigte Abgasanalyseeinrichtung am Anfang des Abgaskanals 26 erlaubt zum einen eine Optimierung der Gasdynamik, insbesondere der Reichweiteneinstellung der Sauerstoffströmung, aber auch der Flammengeometrie, und zum anderen eine Regelung der Sauerstoffmenge abhängig von der im Abgas gemessenen Sauerstoffkonzentration. Damit kann ein unnötiger Sauerstoffverbrauch vermieden und gleichzeitig eine fast vollständige Nachoxidation schädlicher Abgasbestandteile erzielt werden. Abhängig von der sich verändernden Sauerstoffmenge kann wiederum die Leistung des Brenners 1 nachgeregelt werden, um unter Berücksichtigung der durch die Nachoxidation freiwerdenden Energie insgesamt eine im Wesentlichen konstante Ofenleistung zu gewährleisten.
Der geschilderte Ofen kann auch eine Mehrzahl Kammern aufweisen. Beispielsweise könnte es sich bei der in 6 dargestellten Kammer um eine Abschwelkammer handeln, die einer eigentlichen Schmelzkammer vorgeschaltet ist.
Die Sauerstofflanze 25 ist, was 6 infolge der Perspektive ebenfalls nicht zeigt, in Bezug auf die vertikale Erstreckung des Innenraums 29 im oberen Bereich, etwa bei 75% der Höhe, montiert, um einen übermäßigen Sauerstoffkontakt mit dem Metall zu vermeiden. Entsprechendes gilt für den Abgaskanal 26, so dass sich eine relativ große Nähe zwischen dem Abgaskanal 26 und der Sauerstofflanze 25 auch unter Berücksichtigung der Höhenverteilung ergibt.

Claims

Herdofen zum Schmelzen von Metallen, der für einen diskontinuierlichen Betrieb und eine horizontale Chargierung (27) ausgelegt ist und einen Brenner (1), dessen Flamme im Betrieb in den Innenraum (29) des Herdofens gerichtet ist, sowie eine zusätzliche Sauerstofflanze (25) zum Einführen von Sauerstoff in den Innenraum (29) des Herdofens aufweist.
Herdofen nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (23a, 23, 24) zum Einstellen der Reichweite des Eindringens des Sauerstoffs aus der Sauerstofflanze (25) in den Innenraum (29) des Ofens im Wesentlichen unabhängig von der Sauerstoffmenge.
Herdofen nach Anspruch 2, bei dem die Einrichtung zum Einstellen der Reichweite des Sauerstoffs eine Drallkammer (9) aufweist.
Herdofen nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Sauerstofflanze (25) doppelrohrig mit einem in einem äußeren Rohr (24) angeordneten inneren Rohr (23) ausgeführt ist, wobei das innere Rohr (23) in einer Düse (23a) endet, das äußere Rohr (24) jedoch ohne Düse endet.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Abgasanalyseeinrichtung und einer Steuereinrichtung zum Steuern der durch die Sauerstofflanze (25) eingebrachten Sauerstoffmenge ansprechend auf Signale der Abgasanalyseeinrichtung.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstofflanze (25) so ausgerichtet ist, dass der Sauerstoffstrom in dem Innerraum (29) des Ofens zu der Flammenrichtung des Brenners (1) einen Winkel von über 90° bildet.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstofflanze (25) in Bezug auf die horizontale Erstreckung des Innenraums (29) des Herdofens in einer abgaskanalseitigen Hälfte angeordnet ist.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstofflanze (25) so angeordnet ist, dass die erzeugte Sauerstoffströmung in Bezug auf die vertikale Erstreckung des Innenraumes (29) des Herdofens in einer oberen Hälfte angeordnet ist.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, der als Mehrkammerofen ausgebildet ist und eine Abschwelkammer aufweist, in der der Brenner und die Sauerstofflanze angeordnet sind.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (6–13) zum Einstellen der Flammenlänge des Brenners (1), die eine von der Leistung des Brenners (1) im Wesentlichen unabhängige Einstellung der Flammenlänge erlaubt.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Brenner (1) so ausgerichtet ist, dass seine Flamme mit einem Winkel von mindestens 25° gegenüber der Horizontalen auf das zu erhitzende Metall nach unten gerichtet ist.
Herdofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, der zum Aufschmelzen von Nichteisen-Metallen, insbesondere Al, Cu, Pb oder Zn, vorzugsweise Al, ausgestaltet ist.
Verfahren zum Schmelzen einer Metall-Chargierung eines Herdofens, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit Hilfe eines Brenners (1), dessen Flamme in den Innenraum (29) des Ofens gerichtet wird, wobei der Ofen diskontinuierlich betrieben und im Wesentlichen horizontal (27) chargiert wird und mit Hilfe einer Sauerstofflanze (25) während des Betriebs Sauerstoff in den Innenraum (29) des Herdofens eingeführt wird, um durch einen lokalen Sauerstoffüberschuss in dem Innenraum (29) des Ofens eine Nachoxidation von Abgasen, insbesondere Schwelgasen, zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Leistung des Brenners (1) zur Kompensation durch die Nachoxidation freiwerdender Energie abhängig von dem Sauerstoffeintrag durch die Sauerstofflanze (25) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Brenner (1) zur Verringerung des Stickoxidanfalls bei stickstoffhaltigen Brennstoffen (1) mit unterstöchiometrischer Sauerstoffversorgung des Brenners (1) selbst betrieben wird.
Verwendung eines Herdofens nach einem der Ansprüche 1–12 zum Aufschmelzen von Metallen, insbesondere Nichteisen-Metallen, insbesondere Al, Cu, Pb oder Zn, vorzugsweise Al.