DE69504680T2

DE69504680T2 - Verfahren und vorrichtung zum schmelzen einer metallcharge in einem drehrohrofen

Info

Publication number: DE69504680T2
Application number: DE69504680T
Authority: DE
Inventors: Joan E-08013 Barcelone Marles Franco
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1995-06-15
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2015-06-16
Also published as: ES2114388B1; WO1995034791A1; AU2796395A; US6039786A; CA2192953A1; EP0769125B1; TW257793B; AU691628B2; BR9508013A; ES2114388A1; JPH10501610A; ES2120755T3; EP0769125A1; DK0769125T3; ATE170970T1; CN1150837A; KR100370632B1; DE69504680D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Schmelzen von Metallchargen in einen Drehrohrofen, der mit wenigstens einem Oxybrenner ausgerüstet ist.
In den bekannten Verfahren gewährleistet der Oxybrenner, der nach den stöchiometrischen Bedingungen geregelt wird, das Schmelzen der Metallcharge, die unter Umständen und aus rein metallurgischen Erwägungen geringe Mengen an festen Brennstoffen enthält, die im allgemeinen 1% der Metallcharge nicht überschreiten, um die Bildung von unerwünschten flüchtigen, nicht abgebrannten Bestandteilen zu beschränken, welche, auch auf der Ebene des Oxybrenner- Einsatzes, die Bedingungen, unter denen die Verbrennung erfolgt, und folglich die Schmelzgeschwindigkeit der Charge im Ofen einschränken.
Es ist aus DE-A-41 42 301 ein Verfahren zum Schmelzen festen Materials bekannt, das einen Brenner für Luft- oder Sauerstoff-Brennstoff bei strenger Stöchiometrie verwendet - ein Verfahren, in dem Sauerstoff mit Hilfe von Lanzen dem Ofen zugeführt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, welches es erlaubt, auf signifikante Weise die Geschwindigkeit und die Effizienz des Schmelzens in einem gegebenen Ofen unter völliger Verringerung des gesamten Energieverbrauchs zu erhöhen.
Um dies zu erreichen, umfaßt das Verfahren gemäß einem erfindungsgemäßen Merkmal die Schritte des Zusetzens einer festen Brennstoffcharge im Bereich zwischen 1,5% und 9% des Metallchargengewichts zu der zu schmelzenden Metallcharge und des Injizierens wenigstens eines Sauerstoffstrahls in Richtung der kombinierten Charge im Ofen.
Gemäß anderen erfindungsgemäßen Merkmalen
- liegt der Anteil der festen Brennstoffcharge in der Metallcharge zwischen 1,5% und 9%, vorteilhaft zwischen 2% und 6%;
- wird der Sauerstoff bei einer Geschwindigkeit nahe der Schall- oder Überschallgeschwindigkeit injiziert;
- wird der Sauerstoffstrahl schon bei Einsatz des Brenners zwischen die Brennerflamme und die kombinierte Charge im Ofen injiziert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Drehrohrofen zur Ausführung eines solchen Verfahrens, der außer einem Oxybrenner wenigstens eine Sauerstofflanze aufweist, die zum Lenken wenigstens eines Sauerstoffstrahls in Richtung Ofen-Unterteil angeordnet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Verbrennung in die Charge selbst ausgedehnt, wo der durch die Lanze injizierte Sauerstoff mit dem festen Brennstoff zu reagieren beginnt, der in direktem Kontakt mit dem Metall verbrennt, was somit die Reaktionsoberfläche sehr beträchtlich erhöht und somit eine beschleunigte Schmelzung herbeiführt, ohne daß die Temperaturbedingungen im Hinblick auf das feuerfeste Ofenmaterial betroffen werden und folglich die Lebensdauer des letzteren verringert wird. Andererseits können, da ein beträchtlicher, 35% der gesamten Verbrennungsenergie überschreitender Teil in der Charge durch den festen Brennstoff gewährleistet ist, die Leistung des Brenners und damit dessen Kosten auf signifikante Weise reduziert werden.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen ersichtlich, die in Verbindung 1a mit den beigefügten Zeichnungen erstellt wurde, in denen
Abb. 1 eine schematische Ansicht im Längsschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Metallschmelzofens ist;
Abb. 2 und 3 eine Seiten- bzw. Schnittansicht einer Ausführungsform einer vielröhrigen Sauerstofflanze sind;
Abb. 4 eine Teilansicht im Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Brenners mit integrierter Lanze ist;
Abb. 5 eine Ansicht vom Ende des Brenners von Abb. 4 ist;
Abb. 6 eine Ansicht im Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners mit integrierter Lanze ist;
Abb. 7 eine Ansicht vom Ende des Brenners von Abbildung ist;
Abb. 8 bis 11 Kurvenbilder sind, die die Funktionsparameter entsprechend den Bedingungen der Tabellen 1 bis 3 veranschaulichen;
Abb. 12 ein Kurvenbild ist, das die Beziehungen zwischen der Schmelzgeschwindigkeit und dem prozentualen Anteil der Verbrennungsenergie in der kombinierten Ofencharge veranschaulicht.
In Abb. 1 wurde ein Drehrohrofen 1 dargestellt, in dessen Stirnwand 4 ein in Richtung Charge orientierter Oxybrenner 5 und eine Sauerstofflanze 2, die mit Hilfe einer Führungsvorrichtung 3 regulierbar positioniert werden kann, montiert werden. Lanze 2 wird erfindungsgemäß so ausgerichtet, daß in Ofen 1 ein Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffstrahl, typischerweise von Überschallgeschwindigkeit, in Richtung einer Charge gelenkt werden kann, die aus zu schmelzendem Metall, typischerweise Stahl, und einem festen Brennstoff in Anteilen, die typischerweise über 2% der Metallcharge liegen, kombiniert ist. Dieser feste Brennstoff besteht typischerweise aus Anthrazit, aus Graphit, insbesondere Elektroden-Graphit, oder aus anderen Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Produkten, insbesondere festen Polyolefinen. Beispiele der Betriebs bedingungen werden weiter unten in Verbindung mit den Tabellen 1 bis 3 und den Abb. 8 bis 12 angegeben.
In den Abb. 2 und 3 wurde eine besondere Ausführungsform einer Sauerstofflanze 2 dargestellt, die eine höher gelegene Hauptzuführung 7 und zwei tiefer gelegene Sauerstoffzuführungen 6 aufweist, die es erlauben, differenzierte Sauerstoffstrahlen in Richtung der Charge und unter die Flamme des Brenners 5 auszustoßen. Der Körper von Lanze 2 weist eine Rille 8a auf, die mit einer Rippe 8b der Führungsvorrichtung 3 zur Wahrung einer korrekten Ausrichtung der Röhren 6 und 7 bei der Regulierung der Lanze 2 im Ofen 1 nach vorn oder nach hinten zusammenwirkt.
In den Abb. 4 und 5 wurde ein Oxybrenner dargestellt, der eine Brenngas-Zentralzuführung 12 in einem Ringkanal 9a für den Sauerstoff aufweist, der durch einen Einlaß 9 zugeführt wird, wobei sich das durch Injektoren 10 ausgestoßene Brenngas zu den Sauerstoff-Austrittsöffnungen im Brennerkopf ausbreitet, die hier winklig um die Achse des Brenners verteilt sind. Im unteren Teil dieses letzteren werden die kombinierten Ausstoßöffnungen Sauerstoff/gasförmiger Brennstoff durch wenigstens eine solche Lanze 2 ersetzt, wie sie in Verbindung mit den Abb. 2 und 3 beschrieben wird und deren stromaufwärtiger Teil sich in der Zentralzuführung des Brennstoffs 12 erstreckt. In 11 wurde das Ende eines zentralen Kühlmittelkreislaufs des Brennerkopfes dargestellt.
In den Abb. 6 und 7 wurde ein gekühlter Oxybrenner dargestellt, der einen peripheren Mantel 11 für die Zirkulation von Wasser aufweist, das in 13 eingeführt und in 14 abgeführt wird. Wie in der Ausführungsform der Abb. 4 und 5 enthält der Brenner eine Brenngas-Zentralzuführung 12, die sich in einem Sauerstoff-Ausstoßkanal 9a erstreckt und nach außen mittels einer Reihe von Ejektoren 10 mündet, die hier winklig und gleichmäßig verteilt sind. Hier erstrecken sich wenigstens eine, im vorliegenden Fall zwei Sauerstofflanzen 2 im unteren Teil des Sauerstoff-Hauptkanals 9a; und sie münden außerhalb des Brenners unter den Ejektoren 10. Bei dieser Ausführungsform beteiligt sich der durch den Mantel 11 gekühlte Hauptsauerstoff im Kanal 9a an der Kühlung der Sauerstofflanzen 2.
Entsprechend der Ofen-Geographie wird die Sauerstofflanze so eingestellt, daß die Sauerstoffstrahlen in Richtung Charge in einem Winkel zwischen 5º und 25º zur Ofenachse ausgestoßen werden. Der Durchsatz der durch die Lanze ausgestoßenen Sauerstoffstrahlen wird zwischen 25% und 150% des Sauerstoff- Durchsatzes des Oxybrenners gewählt.
Entsprechend den Ofen-Abmessungen kann eine zweite Sauerstofflanze, ebenfalls zur Charge hin ausgerichtet, im dem Brenner gegenüberliegenden Ende des Ofens vorgesehen werden.
Der Einspeisungs-Sauerstoff sowohl der Lanze als auch des Oxybrenners ist vorteilhaft Sauerstoff einer Reinheit zwischen 88% und 95%, der an die Gebrauchsstelle von einer Anlage zur Gasabtrennung aus Luft durch Adsorption vom sogenannten Typ PSA geliefert wird.
Jetzt werden die besonderen Betriebsbedingungen beschrieben. Der feste Brennstoff in Anteilen von 3,2% der Stahlcharge, im vorliegenden Fall ca. 5,3 Tonnen, besteht aus Anthrazit; und der durch Lanze 2 injizierte Sauerstoff wird mit Überschallgeschwindigkeit unter einem Winkel von ca. 10º zur Ofenachse ausgestoßen.
Die allgemein angewandte Verbrennung der Anthrazit-Charge erhält man ca. 10 Minuten nach Einsatz von voller Brennerleistung, um auf diese Weise die in ihr enthaltenen 7% flüchtigen Bestandteile abzudestillieren. Danach, wenn die kombinierte Charge im Ofen die richtige Temperatur erreicht, werden die 86,5% Kohle der festen Charge in Kohlenmonoxid umgewandelt, das zur Chargenoberfläche aufsteigt. Der durch die Lanze ausgestoßene Sauerstoff erzeugt unter der Brennerflamme eine intensive, insbesondere strahlende Verbrennungszone, die fast vollständig in Richtung Charge zurückgeworfen wird aufgrund des Abschirmungs-Effekts, der durch die Brennerflamme gewährleistet wird, die auf diese Weise die Wände des Ofens schützt.
Auf diese Weise erzielt man in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Aufgabe einen erhöhten thermischen Wirkungsgrad aus der Verbrennung nicht verbrannter Rückstände durch den injizierten Sauerstoff, eine bedeutende Erhöhung der Energieausbeute pro Zeiteinheit während der gesamten Dauer des Verfahrens, einen reduzierten Verschleiß an feuerfestem Ofenmaterial und geringere Verluste an Metallbestandteilen der Charge.
In den folgenden Tabellen entsprechen die Referenzen 1 bis 18 den Schmelzverfahren ohne Sauerstoffinjektion mit niedrigen Anthrazitchargen, verwenden die Referenzen 19 bis 22 einer Sauerstoffinjektion in eine Metallcharge, die 1,5% Anthrazit enthält, erhöht auf 3% in den Referenzen 23 bis 28.
Die in den Tabellen 1 bis 3 angegebenen Werte bedeuten wie folgt:
Anthrazit: Gewicht in kg für eine Metallcharge,
Zeit: jeweils: Schmelzen/Aufrechterhaltung der Temperatur/Gesamtzeit, Temperatur: ºC,
Schmelzgeschwindigkeit: ºC/Minute/5,3 Tonnen Charge
Gesamtverbrauch: Propan/Sauerstoff,
spezifischer Verbrauch: m³/100ºC/5,3 t (Brenner + Lanze),
Stahlanalyse: Ce/C/Si. Tabelle 1 Tabelle 2 TABELLE 3
Abb. 8, welche die Schmelzgeschwindigkeiten in ºC/Minute einer Charge von 5,3 t für jede der Referenzen 1 bis 29 der vorangehenden Tabellen veranschaulicht, zeigt, daß die Geschwindigkeit in den Referenzen 28 und 29 von über 15 auf mehr als 20 ansteigt, was die Zeit der diskontinuierlichen Ofenrotation von 55 Minuten auf 33 Minuten und die Pause zwischen Rotationen von 5 auf 3 Minuten zu verringern gestattet.
Abb. 9, die den Verbrauch an Propan (untere Kurve) und an Sauerstoff (obere Kurve) für jede der Referenzen 1 bis 29 veranschaulicht, zeigt, daß der spezifische Propanverbrauch bei einem merklich beständigen Sauerstoffverbrauch bis auf 4,6 m³ absinken kann.
Abb. 10 zeigt, daß die Schmelz-Effektivität von etwas mehr als 50% bis auf mehr als 60-65% ansteigt.
Abb. 11 zeigt, daß der Energieverbrauch in kWh von ca. 700 kWh auf weniger als 600 kWh gesenkt werden kann.
Abb. 12 zeigt, daß gemäß den Referenzen 1 bis 29 der prozentuale Energie-Anteil in der Charge von weniger als 20 auf mehr als 40 mit wechselseitig bedingter Erhöhung der Schmelzgeschwindigkeit von 15 auf 22ºC/Minute ansteigt.

Claims

1. Verfahren zum Schmelzen einer Metallcharge in einem Drehrohrofen, der mit wenigstens einem Oxybrenner ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte des Zusetzens einer festen Brennstoffcharge im Bereich zwischen 1,5% und 9% des Metallchargengewichts zur Metallcharge und des Injizierens wenigstens eines Sauerstoffstrahls in Richtung der kombinierten Charge im Ofen umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der festen Brennstoffcharge in der Metallcharge zwischen 1,5 und 9% liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der festen Brennstoffcharge in der Metallcharge zwischen 2 und 6% liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff mit Überschallgeschwindigkeit injiziert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffstrahl zwischen die Brennerflamme und die kombinierte Charge im Ofen injiziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff schon bei Einsatz des Brenners injiziert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der durch die Lanze injizierte Sauerstoff aus einer Anlage zur Gasabtrennung aus Luft durch Adsorption stammt.

8. Drehrohrofen zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, der an einem Ende wenigstens einen Oxybrenner (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er unter anderem wenigstens eine Sauerstofflanze (2) enthält, die zum Lenken wenigstens eines Sauerstoffstrahls in Richtung Ofen-Unterteil angeordnet ist.

9. Ofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze wenigstens zwei Sauerstoff-Ausstoßkanäle (6, 7) aufweist.

10. Ofen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze (2) unter dem Brenner (5) angebracht ist.

11. Ofen nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze (2) in einen Brenner eingegliedert ist.

12. Ofen nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner eine Vielzahl winklig verteilter Ausstoßeinrichtungen (10) aufweist.