Weltweit geht in den letzten Jahren der Trend dahin, für die Stahlerzeugung verstärkt den Lichtbogenofen zu nutzen. Die Leistungsfähigkeit und damit die Produktivität sowie die Wirtschaftlichkeit der Lichtbogenöfen wurde zunehmend gesteigert.

Die Entwicklung des Schmelzprozesses in Lichtbogenöfen wurde beeinflußt durch den Einsatz von Brennstoff/Sauerstoff-Brennern. Neben dem Einsatz dieser Brenner ist die Entwicklung des Schmelzprozesses von den Faktoren Sauerstoffverbrauch, dem zunehmenden Einsatz von fossilen Brennstoffen als Kohlenstofflräger, der Nutzung von verunreinigten Schrotten und einem stärkeren Umweltbewußtsein beeinflußt worden.

Um den spezifischen Elektroenergieverbrauch im Lichtbogenofen senken zu können, müssen vorrangig die Abgasverluste, auf die bis zu 30 % der eingebrachten Energie entfallen, reduziert werden. Das Abgas der Lichtbogenöfen enthält einen bedeutenden Betrag an chemischer und thermischer Energie von unvolikommen verbrannten Komponenten wie Kohlenmonoxid (CO) ; Wasserstoff (H2) und andere Radikalen (Cm Hn). Die unverbrannten Komponenten entstehen in der Startphase des Einschmeizens, wenn 01, Fett und andere in Schrott enthaltene Materialien sowie fossile Brennstoffe verbrennen. In den meisten Fällen ist nicht genügend Sauerstoff im Inneren des Lichtbogenofens verfügbar, so dass z. B. Kohlenstoff nur zu CO oxidiert wird.

Die vollständige Verbrennung der einzelnen Komponenten im Lichtbogenofen wird beim Einschmeizen von Schrott erschwert, da infolge des Schrotthaufwerkes, das sich nach dem Chargieren im Lichtbogenofen befindet, z. T. nur kleine Verbrennungsräume zur Verfügung stehen und sich die feuerungstechnischen Randbedingungen ständig ändern.

Der Verbrennungsablauf wird dabei im wesentlichen durch die Mischung zwischen brennbaren Komponenten und dem Oxidationsmedium bestimmt. Hieraus ergibt sich die Forderung, eine wirksame, d. h. intensive Gemischbildung zu schaffen, um einen optimalen Ausbrand zu erreichen.

Aus der DE 36 290 55 C2 ist es bekannt, mehrere Aufblasvorrichtungen für Sauerstoff im oberen Bereich des Lichtbogenofens anzuordnen, so dass durch die dabei entstehende intensive Sauerstoffströmung die aus dem Schrott stammenden unverbrannten Komponenten verbrannt wurden. Die Sauerstoffaufblasvorrichtungen werden so eingestellt, dass die Strömungsgeschwindigkeiten des Sauerstoffs mindestens Schaligeschwindigkeit beträgt. Zur Erzeugung von Strömungsgeschwindigkeiten größer Schallgeschwindigkeit sind Lavaldüsen einzusetzen, bei denen die Druckenergie in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Als Nachteile ergeben sich hohe Herstellungskosten für die Aufblasvorrichtungen und ungenügende Strömungsverhältnisse bei Verspritzungen, da die Lavaldüsen nur in sauberem Zustand in einem engen Bereich optimal arbeiten. Des weiteren werden durch den hohen Schutzgasbedarf zum Freihalten der Lavaldüsen hohe Betriebskosten verursacht. Ferner werden durch die gewählte Ausführung der Düsen von mindestens Schaligeschwindigkeit hohe Sauerstoff-Impulsströme erzeugt, die zur Zerstörung der benachbarten wassergekühlten Ofenpanel führen.

In der EP 0 627 492 B1 ist eine Einblasdüse für Sauerstoff beschrieben, die eine Baugruppe aufweist, bestehend aus einem länglichen Körper mit einer Hauptrichtung, welche den Gaseingangsdurchtritt festlegt, der mit einem Kanal zur Versorgung mit Sauerstoff verbindbar ist und einem Kopf, welcher den Gasausgangsdurchtritt festlegt. Die Einblasdüsen enden mit einem bestimmten Winkel in der Ofenwand des Lichtbogenofens. Diese Form der Einblasdüse hat den Nachteil, dass große Schutzgasmengen in Form von Sauerstoff oder Luft benötigt werden, um ein Verstopfen des Gasausgangsdurchtrittes zu vermeiden. Wird Sauerstoff als Schutzgas verwendet, entstehen hohe Betriebskosten. Beim Einsatz von Luft als Schutzgas zum Freihalten des Gasausgangsdurchtrittes kommt es neben zusätzlichen Kosten für die Regel-un Sicherheitstechnik aufgrund der

hohen Durchsätze an Luft zu wärmetechnischen Verlusten im Lichtbogenofen, die einen höheren Energieverbrauch zur Folge haben.

In der US 5 572 544 wird ein Lichtbogenofen-Nachverbrennungsverfahren offenbart, bei dem Sauerstoff zur Nachverbrennung von unvollkommen verbrannten Komponenten über eine Lanze, die durch die Ofentür geführt wird, eingedüst wird.

Nachteilig bei der Positionierung der Sauerstoff-Lanze durch die Ofentür ist es, dass sehr große Falschluftmengen, die beim Schmetzprozeß durch die Ofentür in den Lichtbogenofen einströmen, an der Nachverbrennung teilnehmen. Bedingt durch den hohen Stickstoffballast der Falschluft stellen sich niedrige Flammentemperaturen der Nachverbrennung ein, weil der inerte Stickstoff aufgewärmt werden muß. In der Folge vermindern sich sowohl der Nachverbrennungswirkungsgrad als auch der Wärmeübergang durch Strahlung, so dass die Einsparung en elektrischer Energie in kWh/t je eingesetzten m3 Sauerstoff reduziert wird.

Die bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Nachverbrennung im Lichtbogenofen erfüllen die gestellten Forderungen in Bezug auf niedrige Betriebskosten für die Schutzgasmengen zum Freihalten der Lanzen und hohen Nachverbrennungsgraden bei gleichzeitig hoher Wärmeübertragung durch Strahlung während einer längeren Ofenreise nur unzureichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des genannten Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Eindüsung von Brennstoff und/oder Sauerstoff in einen metallurgischen Schmelzofen, insbesondere Lichtbogenofen, zu schaffen, die es ermöglichen, die Schutzgasmenge und damit die Betriebskosten für das Schutzgas zum Freihalten der Vorrichtung zu senken, die Schmelzleistung des Ofens zu steigern und bei verstärktem Einsatz von kostengünstigen Schrotten und Brennstoffen durch hohe Nachverbrennungswirkungsgrade bei gleichzeitig hoher Wärmeübertragung durch Strahlung zur Einsparung von insbesondere Elektroenergie beizutragen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff und/oder Sauerstoff in einen metallurgischen Schmelzofen, insbesondere Lichtbogenofen gelost, welche Vorrichtung eine Zuführungsleitung für Brennstoff, einen Zuführungskanal für Brennstoff und mindestens eine schräg angeordnete Bohrung für Brennstoff, eine Zuführungsleitung für Sauerstoff, eine Druckkammer, in der sich ein Stempel befindet, mindestens eine Durchtrittsbohrung, einen Umienkraum für Sauerstoff, einen Zuführungskanal für Sauerstoff, eine Kammer mit mindestens einer schräg angeordneten Öffnung, eine Austrittsdüse, eine axialen Kolbenstange mit einem Verschlußteil, ein Abstützelement, z. B. eine Buchse, eine Ausgleichskammer, die ein elastisches Mittel enthält, eine Entlastungsöffnung, die mit einem Zylinder in Verbindung steht, eine Zuführungsleitung für Kühlwasser, einen wassergekühlten Trakt und eine Abführungsleitung für Kühlwasser aufweist, wobei der über die Zuführungsleitung einströmende Sauerstoff die Austrittsdüse eigenmediumgesteuert durch Druck auf den Stempel, Bewegung der axialen Kolbenstange und des Verschlußteils in Richtung der Entlastungsöffnung und damit Freigabe der Bohrung und schräg angeordneten Öffnung öffnet.

Die Erzielung einer größtmöglichen Einsparung an Schutzgas zum Freihalten der Austrittsdüse der Vorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass nur in den Schmelzphasen, wenn Sauerstoff benötigt wird, die Austrittsdüse durch den einströmenden Sauerstoff eigenmediumgesteuert geöffnet wird. Damit ist es vorteilhaft möglich, im Erdgas/Sauerstoff-Betrieb außerhalb der Austrittsdüse eine Flamme auszubilden, die einen auf die Verbrennungsleistung bezogenen Impulsstrom von 4 bis 20 N/MW, vorzugsweise 6 bis 15 N/MW, erzeugt. Durch die Erfindung sind ferner günstige Voraussetzungen geschaffen worden, dass der Außendurchmesser der Vorrichtung klein dimensioniert werden kann.

Durch eine erfindungsgemäße Anordnung und Dimensionierung der Austrittsdüse mit einem Querschnittsverhältnis der Brennstoffbohrung zu der Sauerstofföffnung im Bereich von 0,45 bis 0,7 und insbesondere bei einem Wert von ca. 0,59 wird vorteilhaft erreicht, dass das Verbrennungsverhältnis in Abhängigkeit von Sauerstoffgehalt im Ofen zwischen 0,9 bis 2,0 eingestellt werden kann, so dass im gesamten Regelbereich eine stabile Flamme entsteht.

Es ist vorgesehen, dass die Austrittsdüse aus Kupfer besteht.

Erfindungsgemäß wird für das Verschlußteil ein hochtemperaturfester Werkstoff wie hochtemperaturfester Stahl, vorzugsweise eine Nickel-Basislegierung, wie Inconel, verwendet.

Nach der Erfindung erweist es sich bei einem metallurgischen Schmelzofen, insbesondere Lichtbogenofen mit mindestens einer Elektrode, als vorteilhaft, mindestens eine Vorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff und/oder Sauerstoff, insbesondere nach Anspruch 1, im Bereich des Heißgaskrümmers in der Wand des Schmelzofens mit einem Neigungswinkel von ca. 30° zur Waagerechten nach unten und tangential in den Raum zwischen der Elektrode und der Wand des Schmelzofens anzuordnen.

Besonders vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, bei einem metallurgischen Schmelzofen zwei Vorrichtungen zur Eindüsung von Brennstoff und/oder Sauerstoff unterhalb des Heißgaskrümmers so anzuordnen, dass mit überlagerter Sauerstoff- Strömungsabdeckung der Hauptabgasstrom durchmischt wird.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollkommener Verbrennung in einem metallurgischen Schmelzofen, insbesondere Lichtbogenofen mit mindestens einer Elektrode, mit mindestens einem Brennstoff/Sauerstoff-Brenner, gelost, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass im Brennerbetrieb ein Brennstoff/Sauerstoff-lmpulsstrom kleiner 45 N und/oder im reinen Sauerstoffbetrieb ein Sauerstoff-lmpulsstrom kleiner 90 N eingestellt wird.

Durch den maximale Brennstoff/Sauerstoff-lmpulsstrom von 45 N wird eine Gefährdung der benachbarten wassergekOhIten Ofenpanel ausgeschlossen. Das erfindungsgemäße Verfahren verringert den Verbrauch an elektrischer Energie und erhöht gleichzeitig die Schmelzleistung des Lichtbogenofens, wobei die im Ofen aus unvollkommener Verbrennung entstandenen Komponenten nahezu vollständig verbrannt werden.

Insbesondere durch eine entsprechende Dimensionierung der Austrittsdüse wird eine auf den Querschnitt bezogene Impulsstromdichte von 0,8 bis 8,0 N/cm2, vorzugsweise 1,1 bis 6,0 N/cm2, erzielt. Vorteilhaft wird so im reinen Sauerstoff- Betrieb ein maximaler Sauerstoff-Impuisstrom von 90 N erzeugt und damit eine Gefährdung der benachbarten wassergeküh) ten Ofenpane) vermieden.

Gemäß der Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, dass die Strömungsverhältnisse der Brennstoff-/Sauerstoff-Flamme und des in den Schmelzofen eingedüsten Sauerstoffstrahis durch das Verfahrens und die Vorrichtung sich nicht verändern und somit entscheidend eine wirtschaftliche Nachverbrennung ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist es, dass nach einer Ausführung der Erfindung die Richtung des Brennstoff/Sauerstoff-lmpulsstroms und/oder Sauerstoff-Impulsstroms entgegengesetzt zur Richtung des Bewegungsimpulses der Hauptabgasströmung eingestellt wird. Erfindungsgemäß werden Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, und/oder Sauerstoff im Bereich des Heißgaskrümmers durch die Ofenwand mit einem Neigungswinkel von 30° zur Waagerechten nach unten und tangential in den Raum zwischen Elektroden und Ofenwand eingeleitet. Dies dient vorteilhaft dazu, dass der Brennstoff/Sauerstoff-Impulsstrom mit maximal 45 N und der Sauerstoff- lmpulsstrom mit maximal 90 N entgegengesetzt zum Bewegungsimpuls der Haupt- Abgasströmung wirkt. Dadurch wird eine gute Durchmischung der Abgase mit dem freien Sauerstoff erzielt wird, was zu einer nahezu vollständigen Nachverbrennung führt.

Durch die Erfindung wird ferner vorteilhaft erreicht, dass in Phasen des Schmelzprozesses, in denen kein Sauerstoff benötigt wird, die Austrittsdüse nahezu verschlossen bleibt und nur geringe Schutzgasmengen zum Freihalten der Austrittsdüse der Vorrichtung zur Eindüsung von kleiner oder gleich 20 m3/h erforderlich werden.

Gemäß der Erfindung wird im Brennstoff/Sauerstoff-Betrieb ein Verbrennungsverhältnis von 0,9 bis 2,0 eingestellt, so dass in einem Lichtbogenofen ein beschleunigtes Schrotteinschmelzen und Freibrennen einer Schneise in das Schrotthaufwerk in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt gewährleistet werden kann.

Freier Sauerstoff kann so in das Schrotthaufwerk gebiasen und die erzeugte Energie aus der Nachverbrennung an den Schrott übertragen werden. Erfindungsgemäß beginnen das Einschmelzen des Einsatzes in einem Lichtbogenofen mittels der Elektrode und das Schneiden einer Schneise mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtunggleichzeitig.

Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung nach dem Freibrennen der Schneise als reine Sauerstoff-Lanze betrieben. Dies ermöglicht eine wirtschaftliche Nachverbrennung mit niedrigen spezifischen Sauerstoffverbräuchen bei gleichzeitiger Schonung der benachbarten wassergekühiten Ofenpanel.

Es liegt im Sinne der Erfindung, das Verbrennungsverhältnis zwischen Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, und Sauerstoff sowie die Sauerstoff-Durchsatzmengen in Abhängigkeit von der Abgasanalyse zu regeln.

Es ist vorgesehen, Erdgas als Brennstoff für die Vorrichtung und/oder das Verfahren nach der Erfindung zu verwenden.

Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren und/oder Vorrichtung für einen Einschme ! zprozeß von Roheisen, Metalllegierungen und/oder Metallschmelzen eingesetzt.

Ferner wird die Vorrichtung und/oder das Verfahren im Sinne der Erfindung für die Nachverbrennung von Produkten aus einer unvolikommenen Verbrennung, insbesondere Kohlenmonoxid, in metallurgischen Schmelzöfen verwendet.

Der Einsatz ist jedoch nicht auf metallurgische Schmelzöfen beschrankt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Nachverbrennung von Produkten aus einer unvollkommenen Verbrennung, insbesondere Kohlenmonoxid, in anderen Hochtemperaturprozessen, z. B. bei einer Mullverbrennung, insbesondere Sondermüliverbrennung, verwendet werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und einer Zeichnung (Fig.) beispielhaft näher erläutert werden.

Die Fig. zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Eindüsen von Erdgas und/oder Sauerstoff in geöffneter Stellung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Eindüsung von Erdgas und/oder Sauerstoff besteht aus einer Zuführungsleitung für Erdgas 1, einem Zuführungskanal für Erdgas 2, und mindestens einer schräg angeordneten Bohrung für Erdgas 3, einer Zuführungsleitung für Sauerstoff 4, einer Druckkammer 5, in der sich ein Stempel 6 befindet, mindestens einer Durchtrittsbohrung 7, einem Umlenkraum für Sauerstoff 8, einem Zuführungskanal für Sauerstoff 9, einer Kammer 10, mit mindestens einer schräg angeordneten Öffnung für Sauerstoff 11, einer Austrittsdüse 12, einer axialen Kolbenstange 13 mit einem Verschtußteit 14, einer Buchse 15 zur Lagerung und Führung der axialen Kolbenstange 13, einer Ausgleichskammer 16, die eine Feder 17 enthält, eine Entlastungsöffnung 18, die mit einem Kurzhubzylinder 19 in Verbindung steht, einer Zuführungsleitung für Kühlwasser 20, einem wassergekühlten Trakt 21 und einer Abführungsleitung für Kühlwasser 22.

Der über die Zuführungsleitung 4 zugeführte Sauerstoff gelangt in die Druckkammer 5, dabei wird der Stempel 6 in die Ausgleichskammer 16 gedrückt, so dass die Durchtrittsbohrung 7 frei wird. Gleichzeitig bewegt sich das Verschiußteil 14, das über der axialen Kolbenstange 13 mit dem Stempel 6 verbunden ist, in Richtung Kurzhubzylinder 19. Dadurch werden in der Kammer 10 die Öffnung 11 für Sauerstoff und die Bohrung 3 für das Erdgas freigegeben (geöffnete Stellung).

Der Sauerstoff strömt durch die Druckkammer 5, anschließend durch die Durchtrittsbohrung 7 in den Umlenkraum 8 und weiter durch den Zuführungskanal 9 über die Öffnung 11 in die Kammer 10 und weiter über die Austrittsdüse 12 in den Ofen.

Das über die Zuführungsleitung 1 zugeführte Erdgas gelangt über den Zuführungskanal 2 in die Bohrung 3 und bildet mit dem Sauerstoff außerhalb der

Austrittsdüse 12 eine Flamme, die einen auf die Verbrennungsleistung bezogenen Impulsstrom von 4 bis 20 N/MW erzeugt.

Das Querschnittsverhältnis der Öffnung 11 zu der Bohrung 3 liegt in einem Bereich von 0,45 bis 0,7. Damit werden stabile Flammen bei Verbrennungsverhältnissen zwischen 0,9 bis 2,0 erreicht. Im Brennbetrieb wird ein maximale Erdgas/Sauerstoff- Impulsstrom von 45 N erzeugt, so dass eine Gefährdung der benachbarten wassergekühlten Ofenpanel ausgeschlossen wird.

Im Sauerstoff-Betrieb der Vorrichtung wird eine auf den Querschnitt der Austrittsdüse 12 bezogene lmpulsstromdichte von 0,8 bis 8,0 N/cm3 erzeugt, wobei der max. Sauerstoff-lmpulsstrom von 90 N nicht überschritten wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Eindüsung von Erdgas und/oder Sauerstoff kann bei höchsten Ofentemperaturen eingesetzt werden, da die Austrittsdüse 12 mit einem wassergekühlten Trakt 21 umgeben ist, wobei das Kühlwasser über die Zuführungsleitung 20 zuströmt und über die Abführungsleitung 22 abströmt.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung wurde in einem Lichtbogenofen, beispielsweise bei einem Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvolikommener Verbrennung, eingesetzt.

Zwei Vorrichtungen wurden im Bereich des Heißgaskrümmers in der Ofenwand mit einem Neigungswinkel von 30° zur Waagerechten nach unten und tangential in den Raum zwischen der Elektrode und der Ofenwand angeordnet, so dass die Hauptabgasströmung mit überlagerter Sauerstoff-Strömungsabdeckung erfaßt wird.

Die Vorrichtungen werden in der Anfangsphase des Einschmelzens als Brennstoff/Sauerstoff-Brenner betrieben. Die Verbrennungsleistung je Vorrichtung wird entsprechend der Schrottverhältnisse zwischen 1,0 bis 2,5 MW vorgegeben.

Das Verbrennungsverhältnis wird in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Ofen zwischen 0,9 bis 2,0 eingestellt. Nach Einsturz der Schrottsäule wird die Erdgaszufuhr abgestellt und Sauerstoff-Einblasraten in Anpassung an den

Sauerstoffgehalt im Abgas zwischen 13 bis 30 m3/min. eingestellt. Dies entspricht spezifischen Sauerstoffverbräuchen von 4 bis 8 m3/ttl.

Für einen bestimmten, relativ kurzen Zeitraum, typisch wenige Sekunden, wird die gesamte Gaszufuhr (Erdgas-und Sauerstoffzufuhr) unterbrochen, so dass das Verschlußteil 14 sich in Richtung Austrittsdüse 12 bewegt und in der Kammer 10 eventuell anhaftende Verunreinigungen aus der Kammer 10 rausdrückt.

In Schmelzphasen, in denen sich keine unverbrannten Komponenten im Abgas befinden, werden nur sehr geringe Mengen Sauerstoff über die Vorrichtung geleitet, so dass die Austrittsdüsen 12 der Vorrichtungen mittels des Verschlußteiles 14 nahezu vollständig verschlossen werden. In diesen Phasen werden die Vorrichtungen zum Freihalten der Austrittsdüse 12 mit kleiner oder gleich 20 m3 Sauerstoff pro Stunde und Vorrichtung beaufschlagt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollkommener Verbrennung werden Nachverbrennungswirkungsgrade von größer oder gleich 85 % erzielt, wobei ein Einsparpotential an elektrischer Energie pro m3 Sauerstoff von größer oder gleich 2,5 kWh erreicht wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem entsprechenden Verfahren werden gegenüber den Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik die Vorteile einer zusatzlichen Einsparung an elektrischer Energie durch höhere Nachverbrennungswirkungsgrade und einer Einsparung von Schutzgasmengen und damit Senkung der Betriebskosten erzielt.

Die Anlagensicherheit wird erhöht, da Verpuffungen und Explosionen im Abgastrakt vermieden werden und es ergibt sich der Vorteil konstanterer Leistungsdaten des Lichtbogenofens, da die Austrittsdüse 12 nicht verunreinigt wird und somit konstante Strömungsverhältnisse erreicht werden.