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Dokumentenidentifikation DE102006029724B4 04.12.2008
Titel Verfahren und Ofen zum Schmelzen von Stahlschrott
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Matschullat, Thomas, Dr., 90542 Eckental, DE
DE-Anmeldedatum 28.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006029724
Offenlegungstag 10.01.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.12.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.12.2008
IPC-Hauptklasse C21C 5/00(2006.01)A, F, I, 20060628, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C21C 5/52(2006.01)A, L, I, 20060628, B, H, DE   F27B 3/08(2006.01)A, L, I, 20060628, B, H, DE   F27B 3/20(2006.01)A, L, I, 20060628, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Stahlschrott sowie einen dafür geeigneten Schmelzofen. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 32 47 572 A1 bekannt. Ein großer Anteil des in der Industrie benötigten Stahls wird durch Aufschmelzen von Schrott unter Zuführung von elektrischer Energie hergestellt, wobei teilweise auch fossile Energien in die Schmelze eingebracht werden. Die Zuführung der elektrischen Energie erfolgt mit Hilfe von meist aus Kohlenstoff bestehenden Elektroden, wobei zwischen diesen und dem Schmelzbad Lichtbögen erzeugt werden. Dabei wird Elektrodenmaterial verbraucht, was die Stahlherstellung verteuert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zum Erschmelzen von Stahlschrott sowie einen dafür geeigneten Schmelzofen vorzuschlagen, die insbesondere eine kostengünstige Stahlherstellung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Schmelzofen nach Anspruch 6 gelöst. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Zuführung von Schmelzenergie über einen Strömungskanal ein Arbeitsgas in den Ofen eingeblasen und dabei durch wenigstens einen elektrodenlosen Plasmabrenner geleitet, wobei die Erzeugung des Plasmas durch wenigstens eine den Strömungskanal koaxial umgreifende, eine Heizzone bildende induktive Heizspule erfolgt. Bei einer derartigen Verfahrensweise sind keine Elektroden vorhanden, welche durch Verschleiß die Herstellungskosten erhöhen können. Die Erhitzung des Stahlschrotts in den schmelzflüssigen Zustand erfolgt dadurch, dass das in den Ofeninnenraum eingeleitete Gas das elektrische Wechselfeld einer Induktionsspule durchströmt, wobei die Stärke des Feldes so gewählt ist, dass auch ohne Zünd- oder Pilotelektroden ein Gasdurchbruch und die Bildung eines Plasmas erfolgt. Dieses wird mit dem Gasstrom auf das zu schmelzende Material aufgebracht, wodurch dieses erhitzt und aufgeschmolzen wird.

Dabei wird das Arbeitsgas, bei dem es sich um Luft, um mit Sauerstoff angereicherte Luft, um Stickstoff, um Sauerstoff oder dergleichen handelt, über ein sich zentral im Strömungskanal erstreckendes Injektionsrohr dem Zentrum der Heizzone zugeführt. Durch die zentrale Zuführung des Gases ergibt sich die Möglichkeit, dass durch den Randbereich des Strömungskanals ein Kühlgas geleitet werden kann, um etwa die den Strömungskanal auskleidende Wand insbesondere im Bereich der Heizzone vor allzu starker Überhitzung zu schützen. Als Kühlgas kann beispielsweise ein dem Arbeitsgas entsprechendes Gas verwendet werden.

Bei der Herstellung von Stahl werden vielfach im Hüttenwesen anfallende metallische und/oder oxidische Partikel enthaltende Stäube eingesetzt. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt dies ganz einfach dadurch, dass einem durch den Plasmabrenner geleiteten Gas metallische und/oder oxidische Staubpartikel zugemischt werden. Vorteilhaft dabei ist, dass keine zusätzlichen Einrichtungen dazu erforderlich sind. Beim Einblasen von Staubpartikeln ist problematisch, dass diese den Schmelzprozess stören, indem sie beispielsweise zur Abkühlung der Schlacke führen. Indem aber die Staubpartikel durch den Plasmabrenner geleitet werden, werden sie erhitzt, wobei sie in einen schmelzflüssigen oder sogar gasförmigen Zustand übergehen können, was eine homogene Vermischung mit der Schmelze begünstigt. Außerdem sind sie in den genannten Zuständen sehr reaktionsfreudig, so dass sie durch gleichzeitige Zugabe eines Reduktionsmittels wie Kohlenstaub zum Metall reduziert werden können. Um ein stabiles Plasma aufrechtzuerhalten, ist es zweckmäßig, wenn die Staubpartikel mit einem vom Arbeitsgasstrom getrennten Gasstrom der Heizzone zugeführt werden. Auf diese Weise kann der Arbeitsgasstrom zur Steuerung des Plasmas unabhängig von der zugeführten Partikelmenge eingestellt werden.

Die Gas- bzw. Plasmazufuhr kann grundsätzlich durch einen beliebigen, sich oberhalb der Stahlschmelze befindlichen Wandbereich des Schmelzofens erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch ein Seitenwandbereich des Ofens gewählt. Vorteil dabei ist, dass eine Beschickung über die Deckelöffnung erfolgen kann, ohne dass dabei die Energiezufuhr unterbrochen werden muss, was zu einer Verringerung der Produktivität des Ofens führt. Durch die seitliche Energiezuführung wird außerdem die Energie gleichmäßiger auf das Schmelzgut verteilt.

Bei dem erfindungsgemäßen Schmelzofen sind Heizeinrichtungen vorgesehen, die eine Wand des Ofens, sei es eine Seitenwand oder einen Deckelbereich durchsetzen, wobei mit den Heizeinrichtungen Schmelzenergie zugeführt wird. Eine Heizeinrichtung umfasst einen rohrförmigen Körper, der einen Strömungskanal umschließt. Ein Längsabschnitt des Körpers ist als elektrodenloser Plasmabrenner ausgebildet, wobei dieser eine den Strömungskanal koaxial umfassende, eine Heizzone bildende induktive Heizspule aufweist. Zur Zuführung eines Arbeitsgases ist zentral im Strömungskanal ein sich bis zur Heizzone oder in diese hinein erstreckendes Injektionsrohr vorhanden. Ein zum Zwecke der Zuführung eines Staubpartikel enthaltendes Gases dienender separater Kanal wird dadurch gebildet, dass das Injektionsrohr von einem Gasführungsrohr koaxial und mit Radialabstand umfasst ist. Das Gasführungsrohr ist so bemessen, dass zwischen ihm und der Wand des Strömungskanals ein Ringkanal frei bleibt. Durch diesen kann ein Kühlgas geleitet werden um die Heizeinrichtung insbesondere im Bereich der Heizzone vor zu starker Erwärmung zu schützen. Als zusätzliche Maßnahme ist es vorteilhaft, wenn die Wand des Strömungskanals zumindest im Bereich der Heizzone außenseitig von einem Kühlkörper umfasst ist. Aus Gründen der Produktivitätssteigerung ist es zweckmäßig, wenn eine Heizeinrichtung nicht den Deckel, sondern den Seitenwandbereich des Ofens durchsetzt.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Schmelzofens, bei dem Heizeinrichtungen durch den Ofendeckel hindurchgeführt sind,

2 einen Schmelzofen in einer 1 entsprechenden Darstellung, bei dem Heizeinrichtungen durch eine Seitenwand hindurchgeführt sind,

3 in schematisierter Längsschnittdarstellung den Plasmabrenner einer Heizeinrichtung.

1 und 2 zeigen jeweils einen Schmelzofen 1, der einen unteren, eine Stahlschmelze 2 aufnehmenden Bereich, eine Seitenwand 3 und einen Deckel 4 aufweist. Im Betrieb bildet sich auf der Stahlschmelze 2 eine Schlacke 2a. In der Schlacke 2a sind Schrottteile 5 angedeutet, die bei abgenommenen Deckel 4 in den Ofen eingebracht werden. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist der Deckel 4 von drei Heizeinrichtungen 6 durchsetzt. Eine Heizeinrichtung umfasst jeweils einen rohrförmigen Körper 7, welcher in Axialrichtung von einem Strömungskanal 8 durchsetzt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 durchsetzen mehrere über den Umfang des Ofens verteilte Heizeinrichtungen 6 die Seitenwand/des Schmelzofens 1. Bei dieser Ausgestaltung kann der Deckel 4 zum Beschicken des Ofeninnenraums mit Schrottteilen 5 geöffnet werden, wobei die Heizeinrichtungen 6 in Betrieb bleiben können.

Die Heizeinrichtungen 6 sind in den Ausführungsformen gem. 1 und 2 im Wesentlichen gleich ausgestaltet. Die rohrförmigen Körper 7 tragen an ihrem, dem Ofeninneren zugewandten bzw. im Ofen angeordneten Ende 9 einen elektrodenlosen Plasmabrenner 10. Dieser ist im Wesentlichen ein rohrabschnittförmiges Teil, das oberseits eine Platte, nämlich einen Gasverteiler 12 trägt. Unterseits, also an der dem Ofeninneren bzw. einer dort vorhandenen Metallschmelze 2 zugewandten Seite trägt er eine Abschlussplatte 13, die von einer zentralen Austrittsöffnung 14 durchsetzt ist. Der Strömungskanal 8 des rohrförmigen Körpers 7 setzt sich über Bohrungen (nicht dargestellt) im Gasverteiler 12 in den Innenraum eines beispielsweise aus einem keramischen Material bestehenden Hüllrohres 15 fort, welches sich vom Gasverteiler 12 bis zur Abschlussplatte 13 erstreckt. Im Strömungskanal 8 ist zentral und sich in dessen Längsrichtung erstreckend ein Injektionsrohr 16 angeordnet, welches den Gasverteiler 12 durchgreift und sich bis zu einer Heizzone 17 des Plasmabrenners 10 erstreckt. Die Heizzone 17 wird von einer induktiven Heizspule 18 gebildet, welche die Heizzone 17 bzw. den sich dort befindlichen Abschnitt des Strömungskanals 8 koaxial umgibt. Die Heizspule 18 ist an einem Spulenträger 19 fixiert, welcher das Hüllrohr 15 koaxial umfasst. Der Spulenträger 19 ist Teil eines von Wasserkanälen 22 durchzogenen Kühlkörpers 23. Die Wasserkanäle 22 erstrecken sich teilweise auch in den Gasverteiler 12 und in die Abschlussplatte 13 hinein. An die Umfangswand 21 des Kühlkörpers 23 schließt sich radial nach innen ein hohlzylinderförmiger Raum 24 an, in dem ein Isoliergas eingeschlossen ist.

Durch das Injektionsrohr 16 wird ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, einem zentralen Bereich der Heizzone 17 zugeführt. Das Injektionsrohr 16 ist von einem Gasführungsrohr 25 koaxial und mit Radialabstand umgriffen. Das Gasführungsrohr 25 ist so bemessen, dass zwischen ihm und dem Hüllrohr 15 ein Ringkanal 26 gebildet wird. Durch den Ringkanal 26 kann über eine Bohrung (nicht sichtbar) im Gasverteiler 12 ein Kühlgas zugeführt werden, das entlang der Innenwandung des Hüllrohres 15 strömt und dieses vor Überhitzung schützt. Neben der Bildung eines zur Zuführung eines Kühlgases dienenden Ringkanals 26 dient das Gasführungsrohr 25 auch dazu, ein mit Staubpartikeln beladenes Trägergas der Heizzone 17 bzw. einem dort vorhandenen Plasma zuzuführen. Das Plasma hat eine Wärmeleistung von bis zu 100 MW und ist in einem Temperaturbereich bis zu 12000 K regelbar. Die Partikel können bis zum schmelzflüssigen oder dampfförmigen Zustand erhitzt werden und werden zusammen mit der die Austrittsöffnung 14 verlassenden Plasmaflamme 28 in die Schlacke 2a in die Metallschmelze 2 eingetragen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Erschmelzen von Stahlschrott in einem Ofen, bei dem zur Zuführung von Schmelzenergie über einen Strömungskanal (8) ein Arbeitsgas in den Ofen eingeblasen und dabei durch wenigstens einen elektrodenlosen Plasmabrenner (10) geleitet wird, wobei die Erzeugung des Plasmas durch wenigstens eine den Strömungskanal (8) koaxial umgreifende, eine Heizzone (17) bildende induktive Heizspule (18) erfolgt und das Arbeitsgas über ein sich zentral im Strömungskanal (8) erstreckendes Injektionsrohr (16) dem Zentrum der Heizzone (17) zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch einen radial außen liegenden Bereich des Strömungskanals (8) ein Kühlgas geleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einem durch den Plasmabrenner (10) geleiteten Gas metallische und/oder oxidische Staubpartikel zugemischt werden. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Staubpartikel mit einem vom Arbeitsgasstrom getrennten Gasstrom der Heizzone (17) zugeführt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gaszufuhr über einen Seitenwandbereich (3) des Ofens erfolgt. Schmelzofen zum Erschmelzen von Schrott, mit wenigstens einer eine Wand des Ofens durchsetzenden Heizeinrichtung (6) zur Zuführung von Schmelzenergie, mit folgender weiterer Ausgestaltung:

– die Heizeinrichtung umfasst einen rohrförmigen Körper (7), der einen Strömungskanal (8) umschließt,

– ein Längsabschnitt des rohrförmigen Körpers (7) ist als elektrodenloser Plasmabrenner (10) ausgebildet, wobei dieser eine den Strömungskanal (8) koaxial umfassende, eine Heizzone (17) bildende induktive Heizspule (18) aufweist

– zentral im Strömungskanal (8) ist ein sich bis zur Heizzone (17) oder in diese hinein erstreckendes Injektionsrohr (16) angeordnet.
Schmelzofen nach Anspruch 6, bei dem das Injektionsrohr (16) von einem Gasführungsrohr (25) koaxial und mit Radialabstand umfasst ist. Schmelzofen nach Anspruch 7, bei dem zwischen dem Injektionsrohr (16) und der Wand des Strömungskanals (8) ein Ringkanal (26,27) vorhanden ist. Schmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest im Bereich der Heizzone (17) die Wand des Strömungskanals (8) außenseitig von einem Kühlkörper (23) umfasst ist. Schmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Heizeinrichtung (6) einen Seitenwandbereich (3) des Ofens durchsetzt.






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