Beschreibung

Verfahren und Ofen zum Schmelzen von Stahlschrott

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Stahlschrott sowie einen dafür geeigneten Schmelzofen. Ein großer Anteil des in der Industrie benötigten Stahls wird durch Auf ^¬ schmelzen 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 bestehen ^¬ den Elektroden, wobei zwischen diesen und dem Schmelzbad Lichtbögen erzeugt werden. Dabei wird Elektrodenmaterial ver ^¬ braucht, 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 kostengüns ^¬ tige Stahlherstellung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und einen Schmelzofen nach Anspruch 7 gelöst. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Zuführung von Schmelzenergie über einen Strömungskanal ein Arbeitsgas in den Ofen einge- blasen und dabei durch wenigstens einen elektrodenlosen Plasmabrenner geleitet, wobei die Erzeugung des Plasmas durch we ^¬ nigstens eine den Strömungskanal koaxial umgreifende, eine Heizzone bildende induktive Heizspule erfolgt. Bei einer der ^¬ artigen Verfahrensweise sind keine Elektroden vorhanden, wel- che 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 Gas ^¬ strom auf das zu schmelzende Material aufgebracht, wodurch dieses erhitzt und aufgeschmolzen wird.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante 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 Injek- tionsrohr dem Zentrum der Heizzone zugeführt. Durch die zent ^¬ rale Zuführung des Gases ergibt sich die Möglichkeit, dass durch den Randbereich des Strömungskanals ein Kühlgas gelei ^¬ tet 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 aus im Hüttenwesen anfallende metallische und/oder oxidische Partikel ent- haltende Stäube eingesetzt. Bei einer bevorzugten Verfahrens ^¬ variante 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 gleichzei ^¬ tige Zugabe eines Reduktionsmittels wie Kohlenstaub zum Me ^¬ tall reduziert werden können. Um ein stabiles Plasma auf- rechtzuerhalten, 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 Heizeinrich ^¬ tung umfasst einen rohrförmigen Körper, der einen Strömungskanal umschließt. Ein Längsabschnitt des Körpers ist als e- lektrodenloser Plasmabrenner ausgebildet, wobei dieser eine den Strömungskanal koaxial umfassende, eine Heizzone bildende induktive Heizspule aufweist. Zur Zuführung eines Arbeitsga ^¬ ses ist vorzugsweise zentral im Strömungskanal ein sich bis zur Heizzone oder in diese hinein erstreckendes Injektions ^¬ rohr vorhanden. Ein zum Zwecke der Zuführung eines Staubpar- tikel enthaltendes Gases dienen der separater Kanal wird da ^¬ durch gebildet, dass das Injektionsrohr von einem Gasführungsrohr koaxial und mit Radialabstand umfasst ist. Das Gas ^¬ führungsrohr 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 Heizzo ^¬ ne 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:

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

FIG 2 einen Schmelzofen in einer FIG 1 entsprechenden Dar- Stellung, bei dem Heizeinrichtungen durch eine Seitenwand hindurchgeführt sind,

FIG 3 in schematisierter Längsschnittdarstellung den Plasmabrenner einer Heizeinrichtung.

FIG 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 FIG 1 ist der Deckel 4 von drei Heizeinrichtungen 6 durchsetzt. Eine Heizeinrichtung umfasst jeweils einen rohr- förmigen Körper 7, welcher in Axialrichtung von einem Strömungskanal 8 durchsetzt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von FIG 2 durchsetzen mehrere über den Umfang des Ofens verteilte Heizeinrichtungen 6 die Seitenwand 2 des Schmelzofens 1. Bei dieser Ausgestaltung kann der Deckel 4 zum Beschicken des O- feninnenraums mit Schrottteilen 5 geöffnet werden, wobei die Heizeinrichtungen 6 in Betrieb bleiben können.

Die Heizeinrichtungen 6 sind in den Ausführungsformen gem. FIG 1 und 2 im Wesentlichen gleich ausgestaltet. Die rohrför- migen Körper 7 tragen an ihrem, dem Ofeninneren zugewandten bzw. im Ofen angeordneten Ende 9 einen elektrodenlosen Plas- mabrenner 10. Dieser ist im Wesentlichen ein rohrabschnitt- förmiges Teil, das oberseits eine Platte, nämlich einen Gas ^¬ verteiler 12 trägt. Unserseits, 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 Hüll-

rohres 15 fort, welches sich vom Gasverteiler 12 bis zur Ab ^¬ schlussplatte 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 er ^¬ streckt. Die Heizzone 17 wird von einer induktiven Heizspule 18 gebildet, welche die Heizzone 17 bzw. den sich dort be ^¬ findlichen Abschnitt des Strömungskanals 8 koaxial umgibt. Die Heizspule 18 ist an einem Spulenträger 19 fixiert, wel- eher 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, beispiels ^¬ weise Luft, einem zentralen Bereich der Heizzone 17 zuge- führt. 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 Wärmeleis ^¬ tung von bis zu 100 MW und ist in einem Temperaturbereich bis zu 12000 K regelbar. Die Partikel können bis zum schmelzflüs ^¬ sigen oder dampfförmigen Zustand erhitzt werden und werden zusammen mit der die Austrittsöffnung 14 verlassenden Plas- maflamme 28 in die Schlacke 3 bzw. in die Metallschmelze 2 eingetragen .