DE2014043A1

DE2014043A1 - Schmelzofen und Verfahren zum Schmelzen von schmelzbaren Materialien

Info

Publication number: DE2014043A1
Application number: DE19702014043
Authority: DE
Inventors: James Adelpert Worthington; Talbert Sherwood Guy Columbus; Ohio Davis, (V.St.A.)
Original assignee: Columbia Gas System Service Corp., New York, N.Y. (V.St.A.)
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1970-03-24
Publication date: 1970-10-15
Also published as: US3663203A; GB1286529A

Description

PATENTANWÄLTE ^U 1

Dipl.-Ing. EIDENEIER Dipl.-Chem. Dr.RUFF Dipl.-Ing. J. BEI ER

7 STUTTGART 1 Neckarstraße 50

Telefon ■■■■■■ 22 7O 51

23o März 1970 R/Pi

Anmelderin: Columbia Gas System Service Corporation

120 East 4lst Street

New York N.Y.

USA

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Schmelzofen und Verfahren zum Schmelzen von schmelzbaren Materialien

Die Erfindung bezieht sich auf das Schmelzen von Schmelzbaren Materialien mit heißem Gas, wobei das zu schmelzende Material im Gegenstrom zu den Verbrennungsprodukten geführt wird. ,

Bekannte Verfahren zum Schmelzen schmelzbarer Materialien, insbesondere Schrottmetallen wie Eisenschrott und Stahl, sind langeam, erfordern komplexe Vorrichtungen und sind nicht leistungsstark» Das Schmelzen dieser Art wurde bisher meistens in elektrischen Schmelzöfen, Hochöfen oder Kupolöfen vorgenommen. Elektrische Schmelzöfen sind für die meisten Schmelzzwecke zu kostspielig, und wenn bestimmte Metalle geschmolzen werden sollen, brauchen Hochöfen und Kupolöfen noch zusätzlich Koks zusammen mit dem zu schmel-

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zendeii Ausgancjsmaterial. Wenn bestimmte Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, Insbesondere Erdgas, einem Koks enthaltenden Kupol- oder Hochofen zugesetzt werden, verhindert der Koks im allgemeinen die vollständige Verbrennung des Öls, was einen Wärmeverlust zur Folge hat. Die hohen Kosten für Koks und damit verbundene Extraarbeit und dazu die hohen Kosten für die notwendigerweise komplexe Schmelzeinrichtung, führten zu der Entwicklung von Schmelzofen, die die notwendige Wärme unter alleinigem Verbrauch von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, wie Erdgas, Petroleum und Heizöl erzeugen können. Da jedoch die bisher verwendeten Koksschichten eine Unterlage für das Zufuhrmaterial innerhalb des Schachts bildeten, brauchte man für die neuen Installationen andere Unterlagen, wie inerte Materialien, Stauwände oder Rückhalteroste, die alle den Betrieb verteuerten.

In der Schmelztechnik sind auch Gegenstrom-Schmelzöfen bekannt, in denen die heißen Verbrennungsgase nach oben über das Zufuhrmaterial geführt werden und das Zufuhrmaterial nach unten durch den Ofenschacht geführt wird, während der untere Teil des Zufuhrmaterials geschmolzen wird. Gegenstrom-Schmelzöfen, die nur gasförmige Brennstoffe verbrauchen, A wurden entwickelt, von denen die meisten Flammofen sind, bei denen ein See an geschmolzenem Material am Boden oder in einem benachbarten Tiegel bleibt. Flammofen haben niedrige Schmelzdurchsätze und sind leistungsschwach, oft liegt ihr thermischer Wirkungsgrad bei nur 10 Prozent.

überbrückung oder Hängenbleiben des Materials im Ofenschacht ist ein allgemeines immer wiederkehrendes Problem beim Gegenstrom-Metallschmelzen ohne Verwendung von Koks, insbesondere dort, wo ein See aus geschmolzenem Zufuhrmaterial ständig im Schacht bleibt. Überbrückung und Hängenbleiben tritt auf, wenn Stücke des Zufuhrmaterials Im Schacht oberhalb der Schmelzzone vorzeitig schmelzen und an benachbarte Stück·

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des Zufuhrroaterl als geschweißt oder geschmolzen werden. Wenn eine Anzahl an Stücken auf diese Weise verbunden werden, kann das ganze Zufuhrmaterial im Schacht verklumpt und seine kontinuierliche Bewegung nach unten behindert werden. Bei früheren Schmelzverfahren hatten die Koksschichten dieses Zusammenschweißen oder Schmelzen der Zufuhrmaterialien verhindert. Bei Verfahren, bei denen kein Koks verwendet und die Zufuhrhöhe beliebig hoch gesteigert wird, läßt das größere Gewicht die Zufuhrstücke im unteren Teil des Schachts mit größerer Kraft komprimierenβ Dies wiederum erhöht die Überbrükkungschanceno Wegen diese Effekts wurde die in kokslosen Gegenstrom-Schmelzöfen verwendete Zufuhrhöhe im allgemeinen auf ca. 1,80m (6 feet) oder weniger beschränkt. Auch wenn die Wärmezufuhr pro Zeiteinheit erhöht wird, steigt dementsprechend die Überbrückungstendenζ, Folglich wurden die Kapazität und der Wirkungsgrad der bisherigen kokslosen Gegenstrom-Schmelzöfen bedeutend begrenzt.

Nach der Erfindung werden einem Ofenschacht zugeführte schmelzbare Materialien dadurch geschmolzen, daß heiße, gasförmige, im wesentlichen vollständig verbrennende Produkte in Form eines Stroms oder Strahls mit hoher Geschwindigkeit in den Boden des Ofenschachts geleitet werden. Die Temperatur, Zusammensetzung und Geschwindig-* keit des Strahls werden unter Kontrolle gehalten und seine Querschnittsdimensionen so ausgewählt, daß das Zufuhrmaterial in einer örtlich begrenzten Zone am Boden des Schachts schnell erhitzt und geschmolzen wird. So wird die Beschaffenheit des Gasstrahls unter Kontrolle gehalten, damit der heiße Gasstrahl innerhalb dieser kleinen Schmelzzone genug gekühlt wird, um ein Schmelzen weiter oben im Schacht wegen der oben genannten Nachteile

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zu vermeiden. Beim Schmelzen des Zufuhrmaterials wird das geschmolzene Material kontinuierlich vom Zufuhrmaterial weggeführt und aus dem Ofen entfernt. Bei der Entfernung kann dia Abflußrichtung des geschmolzenen Materials anfangs vorteilhafterweise im Gegenstrom zu den Verbrennungsprodukten verlaufen, so daß eine Überhitzung des geschmolzenen Materials erzielt und so der Abfluß durch ein geeignetes Ausgußloch erleichtert wird.

Der Ofen zum Schmelzen schmelzbarer Materialien weist erfindungsgemäß im allgemeinen einen vertikalen oder geneigten Schacht zum Aufstauen des zu schmelzenden Zufuhrmaterials auf. Der untere Teil der Schachtbohrung ist so gebaut, daß die Abwärtsbewegung des Zufuhrmaterials erleichtert wird. Der Boden der Bohrung ist so geformt, daß der Abfluß des geschmolzenen Zufuhrmaterials wenigstens einer Austrittsöffnung an der Seite der Bohrung zugeführt wird. Eine Brennkammer und ein dazugehöriger Brenner sind vorgesehen, die eine im wesentlichen vollständige Verbrennung eines Brennstoff-Luftgemischs in der Brennkammer be- wirken. Ein schlundartiger Durchgang verbindet die Brennkammer und den Schacht an der Abflußöffnung miteinander, wobei der Durchgang so beschaffen ist, daß ein Verbrennungegas-Strahl mit hoher Geschwindigkeit von der Brennkammer in den Schacht strömt. Schließlich ist ein Abstichloch vorgesehen, durch das kontinuierlich im wesentlichen das gesamte geschmolzene Material aus dem Schacht unmittelbar nach dem Schmelzen entfernt werden kann.

Das Schmelzen in dem Gegenstrom-Ofen nach der Erfindung erfolgt schnell bei bedeutend höheren thermischen Wirkungsgraden als bei bisherigen Schmelzöfen vergleichbarer Größe. Die Zufuhrhöhe kann auch erhöht werden, ohne daß dadurch überbrückung im Schacht verursacht wird.

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In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Mitte eines erfindungsgemäß gebauten Schmelzofens;

Fig₀ 2 einen Längsschnitt des leeren Ofens entlang der Linie 2-2 nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilquerschnitt des leeren Ofens entlang Linie 3-3 nach Fig. 1 und

Fig. 4,5,6,T

andere Ausführungsformen des Schachtbodens, in denen Mehrfach-Brenner benutzt werden«,

Figuren 1,2 und 3 zeigen einen vertikalen Schachtofen nach der Erfindung, der als Schmelzvorrichtung für Eisenmetalle benutzt wird. In Fig. 1 und 2 weist der Ofenschacht einen · äußeren Mantel, vorzugsweise aus Stahl auf, bestehend aus einem oberen Mantelteil 13, einem unteren Mantelteil 15 und einer Basisplatte 17. Der obere Mantel teil 13 ist zylindrisch und bildet den Teil des Schachts, der mit dem schmelzbaren Zufuhrmaterial beschickt wiri und durch den Abgase entweichen. Diesor obere Schachtte.il ist vertikal angeordnet, obwohl er, wenn gewünscht, auch geneigt sein kann. Die Innenfläche des Mantels ist mit einem wärmeisolierenden Material 19 verkleidet, z.B. mit einem rohrförmigen gieß- fähigen, feuerfesten Material auf Aluminiumoxidbasis. Wo m gewünscht, können zwei oder mehr Schichten verschiedenen Isoliermaterials verwendet werden. Das den oberen Mantelteil 13 auskleidende Isoliermaterial 19 bildet einen einheitlichen Innendurchmesser über die ganze Länge des oberen Mantelteilβ.

Der untere auch nit dem Isoliermaterial 19 ausgekleidete Mantelteil 15 ist mit einer Bohrung ausgebildet, die zum Boden hin nach außen konisch erweitert ist, um den Abfluß des Zufuhrmaterinis aus dem oberen Mantelteil zu erleich-

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tern. Der Boden 16 der Bohrung let vorteilhafterweise genügend von der Horizontalen geneigt, um den Strom geschmolzenen Materials einer Eintrittsöffnung 20, wie unten näher beschrieben, zuzuleiten. Bei der in Fig. 1 und

2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist der Boden der Bohrung gewölbt oder im wesentlichen halbkugelig ausgebildet, um den Strom aus geschmolzenem Material durch einen Schlund 20 und einen an der Seite des Ofens liegenden Durchgangskanal 21 zu leiten. Der Durchgangskanal 21 hat einen tiefsten Punkt, an dem eine Austrlttsöfffnung 23 zur kontinuierlichen Entfernung des geschmolzenen Produkts angeordnet ist. Wie aus Fig. 1 und

3 ersichtlich, weist die Austrittsöffnung 23 noch einen Kanal 24 im Boden des Durchgangskanals 21 auf. Der Neigungswinkel des Schachtbodens sollte genügend groß sein, damit im wesentlichen das gesamte geschmolzene Produkt durch die Schlundöffnung 20, den Durchgangskanal 21 und AustrittsÖfffnuncj 23 unmittelbar nach dem Schmelzen ausfließt. Auf diese Weise kann sich am Schachtboden keine Schmelz!ache bilden. Die sofortige Entfernung des geschmolzenen Materials verringert auch vorteilhaft die chemische Wechselwirkung zwischen Gas und geschmolzenem Material, wie Oxydierung von Kohlenstoff und Silicium, wenn man Gußeisen schmilzt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, verbindet der Durchgangskanal 21 die Bohrung des unteren Mantelteils 15 mit zwei Brennkammern 25 (nur eine sichtbar) der Brenner-Einrichtungen 27. Die Brennereinrichtungen 27 sind an der Seite des unteren Mantelteils 15 gegeneinander gewinkelt angebracht, so daß die Achsen der Brenner einen Schnittpunkt im Durchgangskanal 21 bilden. Der Durchgangskanal 21 erweitert sich am äußeren dem Schacht entgegengesetzten Ende trichterartig, um die zusammenlaufenden- Verbrennungsgase aus den

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beiden Brennkammern 25 in den Schacht zu leiten. Eine Sichtöffnung 28 zwischen den Brenner-Einrichtungen erlaubt die Beobachtung des Schraelzvorgangs.

Jede der Brenner-Einrichtungen 27 besteht im wesentlichen aus einem Brennstoffeiniaß 29, einem Lufteinlaß 31,einem Luftrohr 33, einem Mischer 35 mit schraubenförmigen Leitschaufeln, einem Flammenhalter 37, einer Brenner-Auskleidung 39 und einem Brennergehäuse 41, das mit dem Isoliermaterial ausgekleidet ist. Einer der Brenner ist mit einer Zündeinrichtung 43 versehen, die sich durch das Brennergehäuse 41 und das Isoliermaterial 19 bis zu einem Punkt j| zwischen dem schraubenförmigen Mischer 35 und dem Flammen- ^ halter 37 erstreckt. Sowohl der Flammenhalter 37 als auch die Brenner-Auskleidung 39 sind aus feuerfestem Material wie Zirkon hergestellt.

Die hereinkommende Luft wird durch den am Ende des Luftrohrs 33 angebrachten Flügel-Mischer 35 geführt. Die schraubenförmigen Flügel des Mischers 35 vermitteln der hereinströmenden Luft eine Turbulenz, wodurch die Luft gründlich mit dem eintretenden Brennstoff gemischt wird, der durch das Ende des Flügelmischers in den turbulenten Luftstrom eingeführt wird. Im Betrieb -wird das Brennstoff-Luftgemisch durch die Zündöffnung 43 gezündet, und die m sich ergebende Verbrennungsflamme wird in der Brennkammer 25 durch eine in der Fachwelt gut bekannte Art eines Flammenhalters 37 aufrechterhalten. Die Brennereinrichtung 27 ist so bemessen und gebaut, daß eine im wesentlichen vollständige^ Verbrennung des Brennstoff-Sauerstoffgemischs innerhalb der Brennkammer 25 erfolgt· Auf diese Weise können nur die gasförmigen Produkte der Im wesentlichen vollständigen Verbrennung Über das austretende geschmolzene Metall und in den Schacht gelangen.

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Der verwendete Brennstoff hat die erforderliche Verbrennungstemperatur für einen bestimmten Schmelzvorgang· Jeder Kohlenwasserstoffbrennstoff kann verwendet werden, z.B. Erdgas, Petroleum und Heizöl. Der wünschenswerteste Brennstoff hinsichtlich der Kosten, Verfügbarkeit und vielseitiger Anwendbarkeit ist Erdgas. Besonders erfolgreich war Erdgas beim Schmelzen verschiedener Eisenschrottmischungen in einem erfindungsgemäßen Schmelzofen. Zur Bildung der Verbrennungsmischung wird der Brennstoff vorzugsweise mit Luft oder mit Luft und Sauerstoff gemischt. In einigen Fällen kann die Luft vor dem Nischen vorgeheizt werden.

Vorteilhafterweise geschieht die im wesentlichen vollständige Verbrennung eines vorzugsweise nahezu stöchiometrischen Gemische aus Brennstoff und Luft, ehe die Verbrennungsgase in den Ofenschacht kommen, und vorzugsweise ehe die Verbrennungegase über das austretende geschmolzene Material streichen. So kann man die maximal» Verbrennungswärme aus dem Brennstoff herausholen und auf diese Weise den Wirkungsgrad erhöhen. In unserem Fall soll im wesentlichen vollständige Verbrennung bedeuten, daß bei der Verbrennung des' Brennstoff-Luftgemischs nicht mehr als ungefähr 2 Prozent brennbare Stoffe oder 2 Prozent Sauerstoff in den Verbrennungsgasen zurückbleiben. In einer vorteilhaften Ausführungefor«» werden die Verbrennungsgase se reguliert, daß sich ungefähr 0,4 bis 0,8 Prozent brennbare Stoffe und nahezu 0,0 Prozent Sauerstoff ergeben.

Der Durchgang 21 und der Schlund 20, durch die die Verbrennungsprodukte geleitet werden, sind so bemessen, daß ein Strom Verbrennungsgase mit hoher Geschwindigkeit gebildet wird und aus den Brennkammern 25 in ein unmittelbar neben der Schlundöffnung 20 liegendes Gebiet oder eineZone 40 strömt. Zu diesem Zweck hat der Durchgangskanal seinen

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Kleinsten Querschnitt an oder nahe der Schlundöffnung 20· Der kleinste Querschnitt des Durchgangskanals oder der Schlundöffnung ist wesentlich kleiner als der Querschnitt des Schachts· In der vorteilhaftesten Ausführungsform ist das Verhältnis des SchachtquerSchnitts zum kleinsten Querschnitt des Durchgangskanals ungefähr 8 : 1, obwohl ein Verhältnis in der Größenordnung 4 : 1 bis 20 : 1 angewandt werden kann, je nach Art des Zufuhrmaterials, der Brennergröße und anderer Betriebserwägungen. Der an der'Schlundöffnung 20 erzeugte Strom oder Strahl der Verbrennungsgas« mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht einen hohen Grad an Wärmeübertragung im benachbarten Zufuhrmaterial· Dies erzeugt schnelles Schmelzen des Zufuhrmaterials in der begrenzten oder Rand- oder Auftreffzone 40. Der Rest des Schachts fungiert als Vorwärmer. Dadurch daß das Schmelzen auf eine kleine begrenzte Zone nahe dem Schachtboden beschränkt ist, wird die Überbrückung oder das Hängenbleiben der Metallzufuhr im Schacht auf ein Minimum herabgemindert, und die Zufuhrhöh· kann gesteigert werden·

Der Durchgang 21 und der heiße Gasstrahl ist auch vorteil» hafterweise zur Randzone oder begrenzten Schmelzzone in ein·« sub Schachtboden und dem zu schmelzenden Zufuhrmaterial nach unten geneigten Winkel gerichtet. Dies verhindert nicht nur dl· Anhäufung an Zufuhrmaterial und Schlack· im Durchgang 21, sondern verhindert auch, daß der Gasstrahl nach oben durch den Schacht strömt und hilft; das Scheelaen auf die klein« begrenzte Zone nah· dem Schachtboden zu beschränken·

Di· Geschwindigkeit des in den Schacht fließenden Stroms . od«r Strahls der Verbrennungsgas· ist größer als ca. 30« pro Sekunde und kleiner als 300« pro Sekunde, u« das Zufghrmaterial wirk··« su schmelzen. D«mg«ttäß sind der Schlund

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20 und der Durchgang 21 für Geschwindigkeiten dieser Größenordnung bemessen. Vorzugsweise wird Mit Geschwindigkeiten von ca.' 60m bis 90m pro Sekunde gearbeitet· Wenn die Geschwindigkeiten niedriger als ca. 30m pro Sekunde sind, schmilzt das Zufuhrmaterial zu langsam, das Metall neigt dazu zu oxydieren, Kohlenstoff- und Siliciumverluste sind höher (beim Schmelzen von Eisen und Stahl) und die Wirkungsgrade sind bedeutend niedriger. Bei Geschwindigkeiten über ca. 300m pro Sekunde wird im allgemeinen übermäßiges Geräusch festgestellt, Tröpfchen geschmolzenen Zufuhrmaterials werden leicht hoch in den Schacht geblasen und der Abfluß des ausströmenden Metalls wird verzögert. Bei Gasströmungsgeschwindigkeiten in der gegebenen Größenordnung wird jedoch die Wärme im Schacht schnell und wirkten übertragen und in der begrenzten Schmelzzone 40 kann mehr geschmolzen werden als in anderen Schmelzöfen vergleichbarer Größe.

Die endgültige Geschwindigkeit der Verbrennungsgase hängt von der gewählten Wärmezufuhr pro Zeiteinheit ab, und man muß den umfang aller im Ofen durchzuführenden Schmelzarbeiten in Betracht ziehen, ehe man die Querschnittsdimenslonen der Schlundöffnung und de· Durchgangakanals auswählt. St itt jedoch su bemerken, dtft vorgefertigte feuer» feste Einsätze tür Verkleinerung der Schlundgröfie benutzt werden können, wenn man bei einer bestimmten Schmelzarbeit eine größere Geschwindigkeit brauchen tollt· alt es mit der ursprünglichen Größe der Schlundöffnung möglich ist· Diet· Einsätze können je nach Bedarf mit einem Minimum an Aufwand entfernt und wiedereingesetzt werden· Andere Mittel tür Änderung des Querschnittt des Schlundes oder det Durchgangs können verwandt werden, einschließlich mechanisch veränderliche Vorrichtungen·

PUr größere öfen, wie die in Fig· 4, 5, 6 und 7 gezeigten, kann mehr als ein Strahl aus Verbrennungsgasen in Abständen

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verteilt in den Schachtboden eingeführt werden, und das geschmolzene Metall kann durch eine oder mehrere Schlundoder Austrittsöffnungen entfernt werden. Der Schachtboden muß jedoch dann so ausgebildet sein, daß einzelne Ströme geschmolzenen Zufuhrmaterials den entsprechenden Schlundoder Austrittsöffnungen zugeführt v. erden. Es versteht sich» daß nach der Erfindung einer der primären Aspekte das Schmelzen schmelzbarer Materialien mit Verbrennungsgasstrahlen ist, die auf begrenzte Schmelzzonen oder. Gebiete des Zufuhrmaterials gerichtet sind. Das geschmolzene Material kann cus der Schmelzzone oder den Zonen mittels getrennter Austrittsöffnungen oder Kanälen entfernt werden, die nicht unbedingt mit einer oder mehreren die Verbrennungsgasstrahlen hoher Geschwindigkeit erzeuejenden Schlundöffnungen in Verbindung z\\ stehen brauchen. Wenn mehr als ein Gasstrahl angewandt wird, sollten tie um den Schachtumfang so angeordnet sein, daß jeder Strahl ein eigene, von den anderen Strahlen im wesentlichen unabhängige Schmelzfunktion durchführt· Wenn dies nicht gemacht, wird, kann Überbrückung eher auftreten und der Gesamtwirkungsgrad kann sinken.

Fig. 4 zeigt eine v/eitere Ausführur gsform, bei der zwei getrennte Gasstrahlen in den Schacht durch die Durchgangskanäle und Schlundöffnungen 20 kommen und in zwei getrennten auseinanderliegenden Zonen 40 ein örtlich begrenztes Schmelzen hervorrufen. Das geschmolzene Material tritt durch die DurchgfingckrnJile 21 und die zusammenlaufenden Auetritteöffnungen 45 aus.

Fig. 5 zeigt eine AusfUhrungsform, bei der ebenfalls zwei getrennte heiße Gasstrahlen verwendet werden, aber das geschmolzene Material durch eine direkt durch die Ofenwand in den Schachtboden führende Austrittsöffnung 47 entfernt

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wird, die nicht mit dem Durchgangskanal 21 verbunden 1st. Die Schlundöffnungen 20* sind etwas vom Schachtboden abgehoben, damit das geschmolzene Material nach unten zur Auetrittsöffnung 47 und nicht durch den Durchgangskanal 21 ausfließt. Die Durchgangskanäle 21 können auch nach unten zum Schachtboden geneigt sein, um zu vermeiden, daß geschmolzenes Material in sie fließt· Wenn das Material in den Zonen 40 geschmolzen ist, fließt es eine kurze Strek· ke nach unten und tritt durch die Austrittsöffnung 47 aus.

Fig. 6 und 7 zeigen weitere AusfUhrungsformen, bei denen drei getrennte heiße Gasstrahlen verwendet werden. In Fig. 6 befindet sich die Austrittsöffnung in einem der seitlichen Durchgangskanäle und in Fig. 7 erstreckt sich die Austrittsöffnung in den mittleren Durchgangskanal. Sowohl in Fig. 6 als auch in Fig. 7 sind die Schlundöffnungen 20' etwas ijber dem Schachtboden mit dem Schacht verbunden, und ihre Durchgangskanäle 21 können jeweils nach unten geneigt sein, damit kein geschmolzenes Material in die Kanäle fließt. In jeder AusfUhrungsform ist der Schachtboden so ausgebildet, daß der Strom geschmolzenen Materials zur Austrittsöffnung 20 geleitet wird. Die Austrittsöffnung 20 und die leicht erhöhten Schlundöffnungen 20* sind weit genug voneinander entfernt, um selbständige Schmelzzonen zu schaffen, aber nahe genug beieinander, um ein Erstarren des geschmolzenen Materials vor dem Erreichen der Austritte-Öffnung 20 zu vermeiden.

Beim Schmelzbetrieb wird der Ofen stufenweise vorgeheizt, bis die feuerfeste Auskleidung eine vorherbestimmte Temperatur erreicht hat. Die Luft und das Gas für die Brenner werden der gewünschten Wärmezufuhr pro Zeiteinheit und dem Luft-Gasgemisch angepaßt, und der Schacht wird bis zur ge-

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wünschten Höhe mit Zufuhrmaterial angefüllt. Die Größe der Schlundöffnung wird vor Beginn ausgewählt, damit der Verbrennungsgässtrahl die gewünschte hohe Geschwindigkeit hat· Während des Schmelzens wird das geschmolzene Zufuhrmaterial durch die Austrittsöffnung im Durchgangskanal 21 entfernt. Die heißen, über das austretende geschmolzene Material streichenden Verbrennungsgase überhitzen das Material leicht und erhalten seine Fließfähigkeit. Die bei« Schmelzen von Eisenschrott normalerweise entstehende Schlack· wird mit dem geschmolzenen Zufuhrmaterial entfernt und kann danach zu geeigneter Zeit durch herkömmliche Verfahren vom Metall getrennt werden· Das aus dem Ofen kommende geschmolzene Material kann auch direkt getrennten öfen zur nachfolgenden Überhitzung oder anderen Behandlungen zugeführt werden.

Die Wärmezufuhr in den Ofen wird durch Messung des Brennstoff durchs atzes mit einem Strömungsmesser kontrolliert· Di· Luft öder der Sauerstoff wird durch ein positives Verdrängungsgebläse zugeführt. Der Luft- oder Sauerstoffstrom wird automatisch beim gewünschten Verhältnis unter Kontrolle gehalten· Normalerweise wird der Brennstoffstrom auf die gewünscht· Menge in einem heißen aber leeren Ofen abgestellt, und die Luftaenge so angepaßt, daß in den Verbrennungsprodukten ca. 0,4 bis 0,8 Prozent brennbare Stoffe vorhanden sind. Wenn gewünscht, kann die Gastemperatur durch Vorheizen der Verbrennungsluft erhöht werden·

Beispiel

Bin Zufuhrmaterial aus 30 Prozent Stahlstiften von Eisenbahnschienen, 40 Prozent Roheisen und 30 Prozent Schrott wurde auf eine Hübe von ca· 2,7On (9 feet) im Ofenichacht aufgefüllt. Der obere Schächtteil des Ofens hatte einen

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einheitlichen Innendurchmesser von ca. 45cm (18 Inches)· Die Bohrung des unteren Schachtteils war ca· 1,20m hoch (46 inches) und erweiterte sich nach außen hin auf einen Durchmesser von ca. 60cm (24 inches). Der Schachtboden war im wesentlichen halbkugelig mit einem Durchmesser von ca. 60cra (24 inches). Der Querschnitt der.mit dem unteren Bohrungsteil verbundenen Schlundöffnung hatte ca· 220cm (34 sq.in.)· Zwei Brenner mit einer veranschlagten Kapazität von je ca. 380 000 kcal (1,5 Millionen BTU) pro Stunde wurden so angebracht, daß ihre Achsen einen Schnittpunkt im Durchgangskanal bildeten. Die Wärmezufuhr betrug ca. 500 000 kcal (2 Millionen BTU) ™ pro Stunde, und die Luft wurde nicht vorgeheist· Der Brennstoff war Erdgas. Es wurde eine Schmelzrate von ca. l,lto(2 430 poundÖ pro Stunde mit einem Gesamtwirkungsgrad von 62,3% erzielt. Der Wirkungsgrad des Schmelsvorgangs wurde aus dem Wärmegehalt des abgenommenen Metalls und der Verbrennungswärme des verfeuerten Brennstoffs errechnet. Beim Schmelzen wurde dia Geschwindigkeit der Verbrennungsgase durch die Schlundöffnung bei ca. 60» pro Sekunde gehalten. Eine Wärmezufuhr von ca. 750 000 kcal (3 Millionen BTU) pro Stunde ergab eine Schmelzrenge von ungefähr l,73to (3 820 pounds) pro Stunde in gleichen Ofen·

™ Der Schmelzofen nach der Erfindung hat sahireiche Verteile, was Einfachheit der Grundkonstruktion und Wartung anbelangt. Der Ofen kann jede geeignete Größe haben Und bietet daher eine Vielzahl von Anwendungsmöglhenkelten« Kleinere Versionen des Ofens können sum Schmelzen von Schrottmetollen in aufsteigenden Industrieländern benutst werden, wo die Anwendung von großen Hochöfen oder Kupolöfen unpraktisch ist· Wegen seiner vereinfachten Konstruktion kann der Ofen schneller und billiger In-

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stalliert werden als zur Zeit erhältliche Schmelzöfen, die im allgemeinen hohe Anfangskosten, hohe Betriebskosten und verhältnismäßig niedrige Wirkungsgrade haben.

Dl· Zufuhrhöhe, die sich unterbringen läßt, ohne daß -Überbrückung verursacht wird, ist bedeutend größer als bei herkömmlichen Gegenstrom-Öfen. Die größere Höhe sorgt ''. for einenbesseren Wirkungsgrad, da die Verbrennungswärme ; bei« Vorheizen des Zufuhrmaterials vollständiger ausge- '^J>\ nutet wird und nicht aus dem oberen Teil des Ofenschacht· verloren geht. Die Zufuhrhöhe in jeder einzelnen Situation hängt zum Beispiel von den Eigenschaften des Zufuhrmate- V rials und von den Abmessungen des Ofens selbst ab.

• Die überhitzung des den Ofen durch den Durchgangskanal 21 verlassenden geschmolzenen Materials auf beispielsweise ca. 55°C (100⁰Fo) über die Schmelztemperatur stellt einen ungehinderten Abfluß durch die Austrittsöffnung sicher. Ein Teil der Verbrennungsgase strömt mit den austretenden geschmolzenen Materialien durch die Austrittsöffnung und trägt dazu bei, daß das Material in j^berhitztem Zustand bleibt, was die nachfolgende Behandlung erleichtert. Der überhitzungεgrad kann geändert werden, je nach dem jeweiligen zu schmelzenden Zufuhrmaterial und je nach den beabsichtigten Nachbehandlungen.

Der Ofen nach der Erfindung benötigt keine Rückhalteroite, Stauwände oder inerte Füllmaterialien zur Stützung de* Zufuhrmaterials im Schacht. Er kann zum Schmelzen aller schmelzbaren Materialien, einschließlich Erzen, Metallen, Glas und Mineralien verwandt werden und ist besonders wirkungsvoll beim Schmelzen von Eisen- und Stahlschrott unter Verwendung von Erdgas als Brennstoff.

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Claims

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Ansprüche

1. Verfahren zum Schmelzen schmelzbarer Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß man die Materialien unter Bildung einer längsgerichteten Beschickung zuführt, wenigstens einen heißen Gasstrahl an wenigstens einem Ende der Beschickung an deren Außenfläche unter Bildung einer Auftreffzone auftreffen läßt und der Strahl eine ausreichende Geschwindigkeit und Temperatur hat, um in der Auftreffzone das zugeführte Material

α örtlich begrenzt zu schmelzen und den übrigen Teil ■ der Beschickung hinter dem Ende lediglich vorzuwärmen, und daß man die geschmolzenen Materialien kontinuierlich von der Beschickung entfernt, und zwar mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, daß eich keine Schmelzlache am Ende der Beschickung bilden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die' Beschickung im wesentlichen vertikal angeordnet wird und eier heiße Gasstrahl auf den Bodenteil der Beschickung gerichtet ist.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone zum Entfernen der geschmolzenen Materialien vorgesehen ist, die niedriger liegt als der Bodonteil der Beschickung und die Auftreffzone.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der heiße Gasstrahl durch Verbrennung eines Brennstoff-Sauerstoffgemisch· in wenigstens einer Brennzone gebildet wird, die «it dec Beschickung in Verbindung steht, aber von deren Bodenteil in einem Abstand gehalten ist und gasförmige Ver-

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brennungsprodukte durch einen eingeengten Durchgangskanal geleitet werden, damit das heiße Gas' an einem

Ende der Beschickung auftrifft. «

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Strahls wesentlich kleiner als der Querschnitt der Beschickung ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des -Strahls -m größer als ca. 30m pro Sekunde und kleiner als ca. 300m pro Sekunde ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge-* kennzeichnet, daß als Brennstoff ein Kohlenwasserstoff verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Erdgas verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Sauerstoffgemisch in der Verbrennungszone verbrannt wird, damit eine im wesent- W liehen vollständige Verbrennung des Gern!schs erfolgt, ehe die gasförmigen Verbrennungsprodukte in die Auftreffzone der Beschickung eintreten.

tO· Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die geschmolzenen Materialien auf einem enflngllch in Gegenstrom zu den Verbrennungsprodukten im Strahl verlaufenden Weg entfernt werden.

11· Verfahren⁷ nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß das Brennstoff-Sauerstoffgemisch in der Verbrennungszone verbrannt wird, damit eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Gemische erfolgt, ehe die gasförmigen Verbrennungsprodukte im Gegenstrom zu (5αν. :.'..·■ fließenden geschmolzenen Materialien unter Wärmf.-av.otüHisch geführt werden·

12.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere heiße Gasstrahlen an wenigstens einem Ende der Beschickung auftreffen, wobei die Strahlen in Abständen zueinander angebracht sind, damit im wesentlichen unabhängige Schmelzzonen gebildet werden.

13. Ofen zum Schmelsen schmelzbarer Materialien, gekennzeichnet durch einen Schacht zum Aufnehmen einer zu schmelzenden Beschickung, der ausgebildet ist, einen Beschickungsstrom zu wenigstens einem Ende des Schachts zu leiten, wenigstens ein dem Schachtboden benachbartes Ausgußloch, Einrichtungen zur Bildung einer Auftreff- oder Schmelzzone, die zwischen der Beschickung und dem Ausgußloch angeordnet sind, Einrichtungen zum Auftreffenlassen eines heißen Gasstrahls auf die beschickung an einem Ende des Schachts innerhalb der Auf tr. eff zone, wobei die Geschwindigkeit und die Temperatur des Strahls ausreichen, um in der Auftreff- oder Schmelzzone %\\ schmelzen und die übrige Beschickung am Ende des Schachts lediglich vorzuwärmen, und Einrichtungen zum kontinuierlichen Entfernen des geschmolzenen Materials aus dem Schacht während des Schraelzens und zwar in einer solchen Menge, daß sich keine Schmelzlache am Ende des Schachts bilden kann·

14. Ofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der

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Schacht vertikal angebracht ist und der heiße Gasstrahl am Schachtboden einführbar ist.

15. Ofen nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Schachts bogenförmig ausgebildet ist, damit die Beschickung leichter zur Auftreffzone gelangen und das geschmolzene Material leichter zum Ausgußloch fließen kann.

16· Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Auftreffenlassen des ^ heißen Gasstrahls auf die Beschickung einen nach unten W zur Auftreffzone geneigten Durchgangskanal aufweist»

17. Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Auftreffenlassen des heißen Gasstrahls auf die Beschickung einen an einem Ende des Schachts in Verbindung stehenden verengten Durchgangskanal und eine zwischen dem Ende des Kanals und dem des Schachts liegende Schlundöffnung bildende Einrichtung aufweist, wobei die Schlundöffnung einen wesentlich kleineren Querschnitt hat als die Schachtbohrung am unteren Ende des Schachts.

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18. Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß er noch wenigstens eine mit dem Durchgangskanal in Verbindung stehende Brennkammer und eine mit der Brennkammer verbundene Brennervorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoff-Sauerstoffgemisches in der Kammer auf-

19. Ofen nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Durchgangskanals zur Schlund-

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Öffnung hin verengt, damit ein heißer Gasstrahl mit einer Geschwindigkeit von mehr als ca· 30m pro Sekunde und weniger als 300m pro Sekunde gebildet Werden kann.

20. Ofen nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennereinrichtung so ausgebildet ist, daß eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoff-Sauerstoffgemischs in der Brennkammer Stattfindet.

·· 21· Ofen nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung-zur Entfernung der geschmolzenen Materialien aus der Beschickung ein in - den Durchgangskanal in einem Abstand zur Schlundöffnung angeordnetes Ausgußloch aufweist, die Schlundöffnung an der Seite des Schachts an dessen Boden ist und der Schachtboden geneigt ist, damit die Beschickung zur Schlundöffnung fließt, und der Boden des Durchgangskanals zwischen der Schlundöffnung und dem Ausgußloch zum Ausgußloch hin geneigt ist.

22. Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch ge-A kennzeichnet, daß der untere Teil der Bohrung des

Schachts einen vergrößerten Querschnitt aufweist, damit die Bewegung des Beschickungsstroms nach unten zur Auftreffzone erleichtert wird.

23. Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Einrichtungen zum Auftreffenlassen eines heißen Gasstrahls auf die Beschickung an einem Ende des Schachts aufweist, wobei diese Einrichtungen in Abständen angebracht sind, damit im wesentlichen unabhängige Schmelzzonen entstehen·

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