Brenner, Schachtofen und Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen sog. Hochgeschwindigkeitsbrenner, mit einer zentralen Austrittsöffnung und konzentrisch um die zentrale Austrittsöffnung angeordnete, im wesentlichen ringförmige Austrittsöffnungsbereiche.

[0002] Ferner betrifft die Erfindung einen Schachtofen, insbesondere einen Kupolofen, zur Erzeugung von Metallen, insbesondere von Gußeisen, und Metalllegierungen, mit einem Ofenschacht, der mit einem entsprechenden Einsatz befüllt ist bzw. andauernd oder periodisch befüllt und aus dem bodenseitig die Gußeisenschmelze entnommen wird, sowie mit einer Zuführeinrichtung, über die der Ofenschacht, insbesondere in seinem unteren Bereich, mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff-haltigen Gasgemisch versorgt wird.

[0003] Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Kupolofens, zur Erzeugung von Metallen, insbesondere von Gußeisen, und Metalllegierungen, bei dem der Ofenschacht mit einem entsprechenden Einsatz befüllt ist bzw. andauernd oder periodisch befüllt und bodenseitig die Gußeisenschmelze entnommen wird, wobei dem Ofenschacht, insbesondere in seinem unteren Bereich, Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch über mehrere im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang des Ofens angeordnete Anzahl n von Brennern und/oder Sauerstofflanzen mit aufgesetzten Brennern zugeführt wird.

[0004] Ein gattungsgemäßer Brenner bzw. Hochgeschwindigkeitsbrenner mit einer zentralen Austrittsöffnung, über die ein Gas(gemisch)strom mit Überschallgeschwindigkeit austritt und zwei konzentrisch um die zentrale Austrittsöffnung angeordnete ringförmige Austrittsöffnungsbereiche, über die ein Sauerstoff-haltiger Strom und ein Brenngasstrom austreten, wobei die letzteren miteinander reagieren und einen, den über die zentrale Austrittsöffnung austretenden Gas(gemisch)strom umgebenden Schutzstrom bilden, ist aus der US-PS 5 814 125 bekannt.

[0005] Mit einem derartigen Brenner bzw. Hochgeschwindigkeitsbrenner ist es möglich, Gase in eine Flüssigkeit einzutragen, ohne daß der Gasstrahl an der Flüssigkeitsoberfläche teilweise reflektiert bzw. unmittelbar nach dem Eindringen in die Flüssigkeit aufgefächert wird. Vielmehr kann ein deutlich tieferes Eindringen des Gasstrahles in die Flüssigkeit - und damit eine bessere Verteilung des eingebrachten Gases in der Flüssigkeit - erreicht werden. Dies wird dadurch erreichte, daß dem zentralen Gasstrom, der in die Flüssigkeit eindringen soll, ein schützender Brenngasstrahl der ein Auffächern des zentralen Gasstromes verhindert beigefügt wird. Zu diesem Zweck wird einem der ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche vorzugsweise Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiger Strom und dem zweiten ringförmigen Austrittsöffnungsbereich ein Brenngas zugeführt. Die beiden Fraktionen zünden unmittelbar nach Austritt aus den Brenneröffnungen und bilden den schützenden Brennstrahl.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Brenner anzugeben, der- verglichen mit dem Brenner gemäß der US-PS 5 814 125 - zusätzliche Einsatzmöglichkeiten bietet. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Schachtofen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens der gattungsgemäßen Art anzugeben, der bzw. das weitere Einsatzmöglichkeiten bietet.

[0007] Der erfindungsgemäße Brenner ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei ringförmige Austrittsöffnungsbereiche vorgesehen sind.

[0008] Der erfindungsgemäße Schachtofen zeichnet sich dadurch aus, daß die Zuführvorrichtungen als wenigstens ein erfindungsgemäßer Brenner und/oder als wenigstens eine Sauerstofflanze mit wenigstens einem aufgesetzten erfindungsgemäßen Brenner ausgebildet ist.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung mittels wenigstens eines erfindungsgemäßen Brenners und/oder mittels wenigstens einer Sauerstofflanze mit wenigstens einem aufgesetzten erfindungsgemäßen Brenner erfolgt.

[0010] Ein möglicher Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Brenners sowie eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Schachtofens ist dadurch gekennzeichnet, daß über die zentrale Austrittsöffnung sowie die beiden nächstliegenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch in den Ofen geführt wird, während über den äußersten ringförmigen Austrittsöffnungsbereich Brenngas zugeführt wird. Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine reduzierende Brennerumgebung gewünscht wird, der erfindungsgemäße Brenner also beispielsweise bei einer sog. Frischlanze zum Einsatz kommt.

[0011] Ein dazu alternatives Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens ist dadurch gekennzeichnet, daß über den Innersten ringförmigen Austrittsöffnungsbereich Brenngas in den Ofen geführt wird, während Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch sowohl über die zentrale Austrittsöffnung als auch über die äußeren ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche geführt wird Diese Ausführungsform macht insbesondere dann Sinn, wenn der Brenner bei einer sog. Kohlenmonoxid-Nachverbrennungslanze Verwendung findet.

[0012] Denkbar ist - gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Schachtofens - ferner, Brenngas über einen der zwischenliegenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche dem Ofen zuzuführen, während Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch über die zentrale Austrittsöffnung und die den zwischenliegenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereich einschließenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche geführt wird. Das Resultat dieser Verfahrensweise ist eine neutrale Flamme, wie sie insbesondere beim Schrotteinschmelzen gewünscht wird.

[0013] Neben diesen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenners - also zentrale Austrittsöffnung sowie drei konzentrisch um die zentrale Austrittsöffnung angeordnete ringförmige Austrittsöffnungsbereiche - sind selbstverständlich auch Brennerkonstruktionen denkbar, bei denen mehr als drei im wesentlichen ringförmige Austrittsöffnungsbereiche vorgesehen sind. Die Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Zuführung von unterschiedlichen Gasen sind bei derartigen Konstruktionen nahezu unbeschränkt.

[0014] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners ist dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Austrittsöffnung und/oder wenigstens einer der ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche absperrbar ausgebildet sind.

[0015] Diese vorteilhafte Ausgestaltung ermöglicht es, daß mit ein- und derselben Brennerkonstruktion Variationen hinsichtlich der Gasmengen, dem Durchmesser des zentralen Gasstromes - des Kernstrahles -möglich sind.

[0016] Den erfindungsgemäßen Schachtofen weiterbildend wird vorgeschlagen, daß der Brenner und/oder die Sauerstofflanze, die wenigsten einen aufgesetzten Brenner aufweist, dreh- und/oder verschiebbar angeordnet ist.

[0017] Mittels dieser Ausgestaltung kann beispielsweise der Winkel zwischen dem Brenner bzw. der Sauerstofflanze und der Flüssigkeitsoberfläche verändert und so die Eindringtiefe des Kernstrahles in die Flüssigkeit gesteuert werden. Ferner kann der Eintrittspunkt, an dem der Kernstrahl in die Flüssigkeit eintritt, variiert werden.

[0018] Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die zentrale Austrittsöffnung und/oder die ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche des Brenners über separate Gasversorgungsleitungen mit einer oder mehreren Gasquellen verbunden oder verbindbar sind.

[0019] Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schachtofens macht auch dann Sinn, wenn die zentrale Austrittsöffnung und/oder eine bzw. einige der ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche aus der gleichen Gasquelle versorgt werden, da - gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schachtofens - in diesen separaten Gasversorgungsleitungen Absperrventile und diese Absperrventile umgehende Bypass-Leitungen vorgesehen sein können.

[0020] Mittels dieser Ausgestaltung kann die Gasezufuhr (zeitweilig) zu der zentralen Austrittsöffnung und/oder einer bzw. einigen der ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche unterbrochen werden, was die bereits oben erwähnten unterschiedlichen Verfahrensweisen ermöglicht.

[0021] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei geschlossenen Absperrventilen eine Grundbeaufschlagung des Brenners oder der Lanze mit einer Menge von 0,1 bis 0,5 der im Normalbetrieb dem Brenner oder der Lanze zugeführten Gasmenge. Eine derartige Grundbeaufschlagung des Brenners ist zu seinem Schutz sinnvoll. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Schachtofens zeichnet sich dadurch aus, daß die Anzahl der Brenner n beträgt und maximal n - 1 Brenner zeitgleich beaufschlagt werden. Die Anzahl der zeitgleich beaufschlagten Brenner kann dabei soweit reduziert werden, daß zu jeder Zeit nur jeweils ein Brenner beaufschlagt wird.

[0022] Denkbar ist beispielsweise, daß die einzelnen Brenner bzw. Lanzen rundum der Reihe nach beaufschlagt werden. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß die pro Brenner oder Lanze eingetragene Gasmenge - verglichen mit der Verfahrensweise einer gleichzeitigen Beaufschlagung aller Brenner oder Lanzen - höher gewählt werden kann.

[0023] Auch können ausschließlich gegenüberliegende Brenner und/oder Lanzen oder zwei bis drei nebeneinander angeordnete Brenner und/oder Lanzen zeitgleich beaufschlagt werden. Neben den genannten Beispielen sind für den Fachmann selbstverständlich eine Vielzahl weiterer Schaltungsmöglichkeiten denkbar.

[0024] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens weiterbildend wird vorgeschlagen, daß die Zuführung des Gases oder der Gase zu dem Brenner gepulst erfolgt.

[0025] Erfolgt die Zuführung des bzw. der Gase mit den benötigten hohen Durchflußmengen gepulst - bspw. mit einer Pulsdauer von 1 bis 10 s -, so kann die insgesamt pro Stunde oder pro Tonne Schmelzleistung eingesetzte Gasmenge über die einstellbare Pulsfrequenz geregelt werden.

[0026] In den Pulspausen kühlt die über die Windleitung relativ "weich" eingetragene Luftmenge die Brenner- oder Lanzenzonen wieder ab. Mittels dieser Verfahrensweise wird eine Überhitzung wirkungsvoll vermieden und gleichzeitig der dem Ofenschacht zugeführte Sauerstoff oder das Sauerstoff-haltige Gasgemisch in den Pulsphasen weit in das Ofeninnere eingetragen.

Ansprüche

1. Brenner, insbesondere Hochgeschwindigkeitsbrenner, mit einer zentralen Austrittsöffnung und konzentrisch um die zentrale Austrittsöffnung angeordnete, im wesentlichen ringförmige Austrittsöffnungsbereiche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei ringförmige Austrittsöffnungsbereiche vorgesehen sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Austrittsöffnung und/oder wenigstens einer der ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche absperrbar ausgebildet sind.

3. Schachtofen, insbesondere Kupolofen, zur Erzeugung von Metallen, insbesondere von Gußeisen, und Metalllegierungen, mit einem Ofenschacht, der mit einem entsprechenden Einsatz befüllt ist bzw. andauernd oder periodisch befüllt und aus dem bodenseitig die Gußeisenschmelze entnommen wird, sowie mit einer Zuführeinrichtung, über die der Ofenschacht, insbesondere in seinem unteren Bereich, mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff-haltigen Gasgemisch versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführvorrichtungen als wenigstens ein Brenner entsprechend den vorherigen Ansprüchen und/oder als wenigstens eine Sauerstofflanze mit wenigstens einem aufgesetzten Brenner entsprechend den vorherigen Ansprüchen ausgebildet ist.

4. Schachtofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner und/oder die Sauerstofflanze dreh- und/oder verschiebbar angeordnet ist.

5. Schachtofen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Austrittsöffnung und/oder die ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche des Brenners über separate Gaseversorgungsleitungen mit einer oder mehreren Gasquellen verbunden oder verbindbar sind.

6. Schachtofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den separaten Gaseversorgungsleitungen jeweils wenigstens ein Absperrventil sowie diese Absperrventile umgehende Bypass-Leitungen angeordnet sind.

7. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, insbesondere eines Kupolofens, zur Erzeugung von Metallen, insbesondere von Gußeisen, und Metalllegierungen, bei dem der Ofenschacht mit einem entsprechenden Einsatz befüllt ist bzw. andauernd oder periodisch befüllt und bodenseitig die Gußeisenschmelze entnommen wird, wobei dem Ofenschacht, insbesondere in seinem unteren Bereich, Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch über mehrere im wesentlichen gleichmäßig über den Umfang des Ofens angeordnete Anzahl n von Brennern und/oder Sauerstofflanzen mit aufgesetzten Brennern zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung mittels wenigstens eines Brenners entsprechend den vorherigen Ansprüchen und/oder mittels wenigstens einer Sauerstofflanze mit wenigstens einem aufgesetzten Brenner entsprechend den vorherigen Ansprüchen erfolgt.

8. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch über die zentrale Austrittsöffnung und über die beiden nächstliegenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche und Brenngas über den äußersten ringförmigen Austrittsöffnungsbereich geführt wird.

9. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Brenngas über den innersten ringförmigen Austrittsöffnungsbereich und Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch über die zentrale Austrittsöffnung und die äußeren ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche geführt wird.

10. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Brenngas über einen der zwischenliegenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche und Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch über die zentrale Austrittsöffnung und die den zwischenliegenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereich einschließenden ringförmigen Austrittsöffnungsbereiche geführt wird.

11. Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Brenner und/oder Lanzen n beträgt und maximal n - 1 Brenner und/oder Lanzen zeitgleich beaufschlagt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Zeit nur jeweils ein Brenner oder eine Lanze beaufschlagt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Gases oder der Gase zu dem Brenner oder der Lanze gepulst erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Gaseversorgung des oder der Brenner über separate Gaseversorgungsleitungen erfolgt und jeweils wenigstens ein Absperrventil sowie eine dieses Absperrventil umgehende Bypass-Leitung in den Gaseversorgungsleitungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei geschlossenem Absperrventil eine Grundbeaufschlagung des Brenners oder der Lanze mit einer Menge von 0,1 bis 0,5 der im Normalbetrieb dem Brenner bzw. der Lanze zugeführten Gasmenge erfolgt.