Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Schmelze in einem Ofen, in dem metallisches Material im Arbeitsraum des Ofens aufgeschmolzen wird, wobei aufzuschmelzendes Material über eine Zuführvorrichtung in den Arbeitsraum des Ofens zugeführt wird.

Ein gattungsgemäßes Verfahren offenbart die DE 696 22 587 T2. Ähnliche Lösungen zeigen die JP 3291353 A, die JP 2000119720 A und die CN 203595403 U.

Bei vorbekannten Beschickungssystemen in einem Ofen der genannten Art fällt das aufzuschmelzende Material durch die Zuführvorrichtung direkt in den Bodenbereich des Ofens. Als Beispiel sei die Produktion von FeCr in

Gleichstromöfen genannt. Hierbei ergibt sich mitunter keine hinreichende Durchmischung mit heißem Gas. Zudem ist der Grad der Zerstäubung abhängig vom Zustand des angelieferten Materials, d. h. von der Feinheit des granulat- artigen, zugeführten Materials.

Andererseits kann es bei der Produktion von FeNi dazu kommen, dass das zugeführte Material so fein ist, dass es eine zu große Staubwolke bildet, wodurch zu viel Material wieder aus dem Ofen heraus gefördert wird, insbesondere mit dem Ofenabgas.

Generell gilt, dass umso weniger Staub durch das Einbringen des Prozesses aufgewirbelt wird, je höher die Beladung des Ofens ist und je mehr Material in den Ofen eingebracht wird. Allerdings ist das Vorliegen eines zu geringen Maßes an Zerstäubung des zugeführten Materials genauso schädlich, wie ein zu hohes Maß derselben. Das einzubringende Gut (feines Erz) hat häufig eine Konsistenz wie Staub oder Sand, wobei die einzubringende Menge des Guts prozessbedingt ist. Die Menge, die durch das Abgas aus dem Ofen wieder ausgetragen wird, muss entsprechend in den Ofen nachgeführt werden. Bei vorbekannten Lösungen liegt daher häufig kein hinreichendes Gleichgewicht für den Aufschmelzprozess im Ofen vor.

Ferner wird wenig Augenmerk auf die Frage gerichtet, ob und in welcher Weise der Grad der Zerstäubung einen Einfluss auf die Energieeffizienz des Prozesses hat. Kommt zu viel Material in einen begrenzten Bereich, kann es sein, dass sich hier das Material nicht hinreichend in der Schmelze auflöst und dann nicht ausreichend reagiert, sondern sich aufbaut bzw. zu tief im Bad sinkt. Flierdurch können Prozessstörungen auftreten. Allerdings hat auch ein zu hohes Maß an Zerstäubung prozesstechnische Nachteile. Insbesondere kann dann relativ viel Material durch die Ofengase wieder ausgetragen werden. Es können Anbackungen bzw. Ansinterungen im Ofenbereich stattfinden, insbesondere im Bereich der Seitenwände und des Deckenbereichs. Das Material kann sich auch zu stark ausbreiten und damit zu einer weniger effektiven Kühlung im Mittenbereich des Bades führen.

Hierdurch kann es zu Beschädigungen des Ofens infolge zu hoher Strahlung kommen. Weiterhin ist der Grad der Vorwärmung schwer zu beeinflussen und die Energieeffizienz daher im Regelfall nicht optimal.

Der Materialanteil, der ins Bad gelangt, sollte groß genug sein, um einen Kühleffekt zu erzeugen, allerdings nicht so groß, dass das Material nicht mehr vom Prozess aufgenommen werden kann. Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass eine verbesserte Energieeffizienz möglich ist. Weiterhin soll der Schutz des Ofens verbessert werden. Schließlich soll erreicht werden, dass die Prozessstabilität des Verfahrens erhöht wird. Dabei liegt auch ein Augenmerk darauf, ein günstiges Gleichgewicht zwischen dem elektrischen Energieeintrag und dessen Nutzung für das Aufschmelzen des Guts zu erreichen.

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das über die Zuführvorrichtung zugeführte Material beim Eintritt in den Arbeitsraum des Ofens durch pneumatische, mechanische und/oder magnetische Elemente beim Passieren der Zuführvorrichtung einer gezielten Zerstäubung unterzogen wird.

Das Aufschmelzen erfolgt dabei bevorzugt mittels mindestens eines Lichtbogens.

Das zugeführte Material wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beim Passieren der Zuführvorrichtung durch mindestens einen Gasstrahl abgelenkt. Der Gasstrahl kann dabei ein Strahl an Wasserstoff und/oder Kohlendioxid sein. Möglich ist auch der Einsatz eines Gasstrahls aus Kohlenmonoxid (CO), aus einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (CO + H ₂ ), aus rezirkuliertem Ofengas, aus einem Gas anderer Prozessstufen in der Anlage sowie aus einem inerten Gas wie beispielsweise Argon (Ar). Wird in einem geschlossenen Ofen mit einer Gasmischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff gearbeitet, ist das Recycling des Gases besonders einfach zu bewerkstelligen. Zur Steuerung bzw. Regelung der Zerstäubung kann vorgesehen werden, dass der Gasstrahl in seiner Strömungsgeschwindigkeit verändert wird, um ein definiertes Maß an Zerstäubung zu erreichen. Ferner kann zu diesem Zweck vorgesehen werden, dass der Gasstrahl in seinem Auftreffwinkel zum Strom des zugeführten Materials verändert wird, um ein definiertes Maß an Zerstäubung zu erreichen. Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das zugeführte Material beim Passieren der Zuführvorrichtung durch mindestens ein Leitblech abgelenkt wird. Dabei kann die Stellung oder die Position des mindestens einen Leitblechs verändert werden, um ein definiertes Maß an Zerstäubung zu erreichen. Alternativ oder additiv kann auch die Form des mindestens einen Leitblechs verändert werden, um ein definiertes Maß an Zerstäubung zu erreichen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das zugeführte Material beim Passieren der Zuführvorrichtung durch mindestens einen Magneten abgelenkt wird.

Die Zerstäubung kann in allen genannten Fällen im geschlossenen Regelkreis so erfolgen, dass ein definiertes Maß der Zerstäubung beim Einbringen des Materials über die Zuführvorrichtung vorliegt.

Die Zuführeinrichtung ist somit gemäß der vorliegenden Erfindung in spezieller Weise ausgestaltet, um den Grad der Zerstäubung des zugeführten Materials beeinflussen zu können. Die hierfür vorgesehenen Maßnahmen bzw. Elemente können mechanischer Art, pneumatischer Art oder magnetischer Art sein.

Die Erfindung bezieht sich insoweit primär auf ein Beschickungssystem für einen Ofen mit einem offenen Bad, bei dem zum Schutz des schmelzmetallurgischen Gefäßes ein gewisses Maß an Staub erforderlich ist. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird es möglich, einen gewissen Grad an Zerstäubung zu erzeugen und so den Prozess und insbesondere den Materialstrom zu beeinflussen bzw. zu kontrollieren.

Besonders bevorzugt ist daher vorgesehen, dass durch Erfassung entsprechender Prozessparameter geprüft wird, ob der Prozess optimal läuft und dann im geschlossenen Regelkreis der Grad der Zerstäubung des zugeführten Materials beeinflusst wird, um vorgegebene Parameter im optimalen Bereich zu halten. Hierbei ist als Messgröße, die über den Prozesszustand Auskunft gibt, insbesondere die Abgastemperatur aus dem Ofen erfassbar, wozu geeignete Thermoelemente in den Ofen (insbesondere in dessen Seitenwand bzw. Decke) integriert werden, um ständig die aktuelle Temperatur zu erfassen.

In vorteilhafter Weise wird es damit möglich, einen verbesserten Schutz der Anlage gegen Strahlung zu erreichen. Die Energieeffizienz wird hierdurch gleichermaßen erhöht. Vorteilhaft ist es weiterhin, dass eine Vorreduktion bzw. eine Vorwärmung verbessert stattfinden kann.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass die thermische Belastung der Decke und der Seitenwand des Ofens verringert werden kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine geringere Gaserzeugung im Bad erfolgt, da eine Vorreduktion stattfinden kann, die zu geringeren Instabilitäten im Bad führt. Es besteht insofern auch ein geringeres Risiko eines Aufkochens bzw. von Eruptionen. Eine vorteilhafte weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass der Ofen mit einer Höhe ausgebildet wird, die größer ist, als dies üblicherweise der Fall ist. Damit hat das eingebrachte Material einen längeren Fallweg, was zu einer verbesserten Interaktion zwischen den Mitteln zur Zerstäubung und dem eingebrachten Gut führt.

Durch den Einsatz von an sich bekannten Technologien wie die kontinuierliche Temperaturmessung der Schlackenbadoberflächen, die Temperaturmessung durch Infrarot- bzw. Wärmebildkamera und die automatische Bildverarbeitung (durch „pixel analyses“, „color analyses“, etc.) kann auch eine automatische Steuerung bzw. Regelung installiert werden, bei der der Grad der Zerstäubung auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Lichtbogenofen zum Aufschmelzen metallischen Materials, bei dem Material über eine Zuführvorrichtung dem Arbeitsraum des Ofens zugeführt wird, wobei ein erster Grad an Zerstäubung des zugeführten Materials vorliegt,

Fig. 2 schematisch in der Darstellung nach Figur 1 die Situation, wenn ein höherer Grad an Zerstäubung vorliegt,

Fig. 3 schematisch in der Darstellung nach Figur 1 die Situation, wenn ein noch höherer Grad an Zerstäubung vorliegt, Fig. 4 schematisch in der Darstellung nach Figur 1 die Situation, wenn bei der Zufuhr von Material eine zu hohe lokale Kühlung vorliegt,

Fig. 5 schematisch in der Darstellung nach Figur 1 die Situation, wenn im Vergleich zu Figur 4 ein höherer Grad an Zerstäubung vorliegt,

Fig. 6 die Draufsicht auf einen Teil des Arbeitsraums des Ofens, wobei 2 unterschiedliche Ausbildungen bei der Zufuhr von Material angedeutet sind, Fig. 7 drei verschiedene Ausgestaltungen der Zuführvorrichtung, wobei mittels pneumatischer Elemente der Grad der Zerstäubung des zuzuführenden Materials beeinflusst wird,

Fig. 8 in der Darstellung gemäß Figur 7 drei weitere Ausgestaltungen der Zuführvorrichtung, wobei wiederum mittels pneumatischer Elemente der Grad der Zerstäubung des zuzuführenden Materials beeinflusst wird, Fig. 9 drei verschiedene Ausgestaltungen der Zuführvorrichtung, wobei mittels mechanischer Elemente der Grad der Zerstäubung des zuzuführenden Materials beeinflusst wird,

Fig. 10 in der Darstellung gemäß Figur 9 drei weitere Ausgestaltungen der Zuführvorrichtung, wobei wiederum mittels mechanischer Elemente der Grad der Zerstäubung des zuzuführenden Materials beeinflusst wird, Fig. 11 in der Darstellung gemäß Figur 9 weitere Ausgestaltungen der Zuführ- vorrichtung, wobei wiederum mittels mechanischer Elemente der Grad der Zerstäubung des zuzuführenden Materials beeinflusst wird, und

Fig. 12 drei verschiedene Ausgestaltungen der Zuführvorrichtung, wobei mittels magnetischer Elemente der Grad der Zerstäubung des zuzuführenden

Materials beeinflusst wird.

In Figur 1 ist ein Ofen 2 dargestellt, in dem mittels einer Elektrode 9 ein Lichtbogen 8 erzeugt und so Schmelze 1 hergestellt wird. Von oben ragen in den Ofenraum mehrere Zuführvorrichtungen 3, über die aufzuschmelzendes Material 4 zugeführt wird. Trifft das Material 4 über die Zuführvorrichtungen 3 auf das Bad der Schmelze 1 auf, liegt abhängig von der Konsistenz des Materials 4 ein gewisser Grad an Zerstäubung vor. Der hier als Staubkegel angedeutete Zuführbereich des Materials 4 hat zur Folge, dass im Bereich, in dem das Material 4 auf die Oberfläche der Schmelze 1 auftritt, eine gewisse Wärmedämmung gegeben ist. Durch die in Figur 1 dargestellten Pfeile ist angedeutet, wie insofern Wärme von der Schmelze 1 nach oben steigt.

In Figur 2 ist die Situation skizziert, wenn aufgrund der Konsistenz des Materials 4, welches über die Zuführvorrichtungen 3 zugeführt wird, ein höherer Grad an Zerstäubung vorliegt. Der Staubkegel hier ist größer ausgebildet. Folglich kommt es auch zu geringeren Abstrahlung von Wärme nach oben (siehe Pfeile).

Ist der Grad der Zerstäubung noch höher, wie es Figur 3 zeigt, liegt folglich ein noch größerer Staubkegel vor. Nunmehr wird noch weniger Wärme nach oben abgegeben (siehe Pfeile).

In den Figuren 4 und 5 ist noch einmal analog zu den Figuren 1 und 2 dargestellt, wie sich der Staubkegel in Abhängigkeit der Konsistenz des Materials 4 ergibt Nunmehr ist allerdings durch gezielte Maßnahmen erreicht worden, dass die Größe des Staubkegels, d. h. die Art und der Grad der Zerstäubung, gezielt eingestellt wurde. Flierzu ist in Figur 6 zu erkennen, wie sich das zugeführte Material 4, das über die Zuführvorrichtungen 3 zugeführt wurde, auf der Oberfläche des Bades der Schmelze 1 ausbreitet. Dies kann je nach Art und Grad der Zerstäubung kreisförmig oder oval erfolgen.

In den Figuren 7 bis 12 sind die genannten Maßnahmen im Detail zu sehen, mit denen der Grad der Zerstäubung des zugeführten Materials 4 beeinflusst wird, wobei hierunter insbesondere eine Regelung dahingehend zu verstehen ist, dass der Grad der Zerstäubung so beeinflusst wird, dass gewisse Prozessparameter innerhalb vorgegebener Grenzen eingehalten werden. Hierbei ist insbesondere an die Temperatur im Ofenraum gedacht, die erfasst und dann über den Grad der Zerstäubung so geregelt werden kann, dass ein vorgegebener Wert eingehalten wird.

In Figur 7 ist zu sehen, wie im linken Teilbild zunächst das Material 4 ohne weitere Maßnahmen die Zuführvorrichtung 3 passiert. Im mittleren und rechten Teilbild ist zu erkennen, wie über pneumatische Elemente 5 der Grad der Zerstäubung beeinflusst wird. Hierzu wird Gas (Luft, gegebenenfalls auch CO2 oder H ₂ ) mit definierter Geschwindigkeit und definiertem Winkel zur Fördererrichtung des Materials 4 in den Strahl des Materials 4 eingeblasen. Sowohl die Geschwindigkeit des Gases als auch die Richtung, unter der das Gas auf den Strahl des Materials 4 auftrifft, können dabei variiert werden. So ist eine effektive Beeinflussung des Grades der Zerstäubung gegeben. In Figur 8 sind weitere Möglichkeiten gezeigt, wie mittels pneumatischer Elemente, d. h. durch Zugabe des Gasstroms, der Grad der Zerstäubung des Materials 4 beeinflusst wird. Während das linke Teilbild wiederum die nicht beeinflusste Zufuhr des Materials 4 zeigt, wird im mittleren Teilbild im Endbereich der Zuführ- vorrichtung 3 ein Gasstrahl von beiden Seiten (bzw. von noch mehr Seiten) dem Material 4 zugeführt, so dass ein relativ großer Staubkegel erzeugt wird. Im rechten Teilbild in Figur 8 erfolgt die Zugabe des Gases im wesentlichen in Fördererrichtung im oberen Bereich der Zuführvorrichtung 3, so dass der Grad der Zerstäubung geringer ist. Figur 9 zeigt den Einsatz mechanischer Elemente 6 zur Beeinflussung des Grades der Zerstäubung des Materials 4. Ein in der Flöhe veränderbares Stauelement kann so positioniert werden, dass abhängig von seiner Flöhe der Grad der Zerstäubung des Materials 4 variiert wird. Während das linke Teilbild in Figur 9 die nicht beeinflusste Zufuhr des Materials 4 zeigt, befindet sich besagtes Element 6 im mittleren und im rechten Teilbild einmal im mittleren Bereich der Erstreckung der Zuführvorrichtung 3 und einmal in deren unteren Bereich.

In Figur 10 ist eine ähnliche Lösung beim Einsatz mechanischer Elemente 6 zu sehen, wobei diese Elemente hier als Leitbleche bzw. Prallbleche ausgeführt sind. Durch deren Positionierung, Ausrichtung und Ausformung kann wiederum der Grad der Zerstäubung des Materials 4 beeinflusst werden.

Ähnliches ist in Figur 11 zu erkennen, wo als mechanisches Element zur Steuerung bzw. Regelung der Zerstäubung ein Splitter eingesetzt wird, mit dem der Strom bzw. der Fluss des zuzuführenden Materials aufgeteilt wird. Das linke und das mittlere Teilbild in Figur 11 zeigt hierbei die noch nicht beeinflusste Strömung des Materials 4, während die Wirkung des besagten Splitters 6 im rechten Teilbild zu sehen ist.

Schließlich zeigt Figur 12 den Einsatz magnetischer Elemente 7 zur Beeinflussung des Flusses des Materials 4 durch die Zuführvorrichtung 3 und somit des Grades der Zerstäubung des Materials 4. Dies setzt freilich voraus, dass das geförderte Material 4 auf magnetische Kräfte reagiert.

Mit den genannten Elementen zur Beeinflussung des Flusses bzw. des Stroms des zuzuführenden Materials 4 kann gezielt ein zunächst ungestörter Fluss gestört und so erreicht werden, dass sich das zuzuführende Material in gewünschtem Maße zerstäubt. Flierzu sind besagte Elemente an geeigneten Positionen innerhalb des Strömungsweges des zuzuführenden Materials anzuordnen. Die aktive Regelung des Grades an Zerstäubung des in den Prozess über die Zuführvorrichtung in den Arbeitsraum des Ofens eingebrachten Materials hat demgemäß also verschiedene Vorteile:

Es kann zu keiner zu starken lokalen Überladung des Ofens mit zugeführtem Material kommen, was Instabilitäten des Prozesses, eine zu starke Kühlung oder Anlagerungen des Materials bedingen kann.

Es ist ein effektiverer Wärmeaustausch zwischen den Ofengasen und dem zugeführten Material möglich, was zu einem geringeren Energiebedarf pro Tonne des Produkts führt und somit die Energieeffizienz erhöht.

Die Verminderung der Gastemperatur im Ofen vermindert gleichermaßen die Kosten, die ansonsten für die Kühlung des Gases hinter dem Ofen anfallen würden. Hierfür ist eine entsprechend geringere apparative Ausstattung erforderlich. Die Seitenwände und der Deckenbereich des Ofens sind durch eine verbesserte Zerstäubung besser geschützt und einer geringeren Belastung durch Strahlung ausgesetzt.

Bezugszeichenliste:

1 Schmelze

2 Ofen

3 Zuführvorrichtung

4 zugeführtes Material

5 pneumatisches Element

6 mechanisches Element (Leitblech) 7 magnetisches Element

8 Lichtbogen

9 Elektrode