Gase nutzen
Sauerstoff – eine wirtschaftliche Alternative zur Steigerung der Schmelz leistung von Elektroöfen
gas aktuell Nr. 5, 1984
Foto: Lichtbogenofen mit eingebauten Erdgas-Sauerstoff-Brennern
Gase nutzen
Sauerstoff – eine wirtschaftliche Alternative zur Steigerung der Schmelz leistung von Elektroöfen
gas aktuell Nr. 5, 1984
Foto: Lichtbogenofen mit eingebauten Erdgas-Sauerstoff-Brennern
Sauerstoffbrenner, die mit Gas oder Öl betrieben werden, sind eine wirtschaftliche Alternative zur Verkürzung der Schmelzzeit von Elektroöfen mit zu niedrigen elektrischen Anschlußleistungen. Neben der Steigerung der Schmelzleistung und der möglichen Überbrückung von Stromsperrzeiten ist eine Abnahme des Gesamtenergieverbrauchs festzustellen. Durch eine unterstöchiometrische Einstellung der Brenner wird eine reduzierende Ofenraumatmosphäre erzeugt, in der auch hochlegierte Stähle schlackenarm erschmolzen werden können.
Die Elektrostahlerzeugung in Lichtbogen- und Induktionsöfen hat seit ihren Anfängen zu Beginn dieses Jahrhunderts eine weite Verbreitung gefunden. Neben der Produktion von hochlegierten Stahlqualitäten werden heute insbesondere auch in Lichtbogenöfen in steigendem Maße unlegierte Stahlqualitäten erschmolzen. Da zum Einschmelzen des Schrottes im Vergleich zur gesamten Schmelzreise die weitaus längste Zeit benötigt wird, kann durch eine Verkürzung der Einschmelzzeit die Gesamtschmelzleistung des Ofens erhöht werden. Infolge meist unzureichender elektrischer Anschlußleistungen und Transformatorenleistungen ist bei vielen Öfen eine Erhöhung der Gesamtschmelzleistung kurzfristig nicht möglich bzw. mit hohen Investitionskosten verbunden.
Deshalb ist der Einsatz zusätzlicher Gas-Sauerstoff-Brenner bzw. Öl-Sauerstoff-Brenner eine wirtschaftliche Alternative. Neben niedrigeren Fixkosten pro Tonne Schmelzgut – bedingt durch die erhöhte Schmelzleistung – können insbesondere Stromsperrzeiten, die zu einem sehr hohen Preis der Stromspitzen führen, überbrückt werden. Zusätzlich kann elektrische Energie gespart werden.
Abgastemperatur eines Lichtbogenofens mit und ohne Brennerbetrieb
Auslegung der Brenner
Die für eine bestimmte Schmelzzeitverkürzung benötigte Brennerleistung und die Einsatzdauer der Brenner ist außer vom Einsatzgewicht und der vorhandenen elektrischen Anschlußleistung im wesentlichen von der Beschaffenheit und Stückigkeit des eingesetzten Schrottes abhängig. Die theoretische Berechnung der Brennereinstellung kann deswegen nur ein Näherungswert sein. Die günstigste Einstellung muß durch einen Versuch an der installierten Anlage ermittelt werden. Die besten Schmelzergebnisse erhält man bei einem Einsatzgut mit großer spezifischer Oberfläche und geringem Raumgewicht. Denn dann kann der große Temperaturunterschied zwischen Flamme und Einsatzgut über eine konvektive Wärmeübertragung am besten genutzt werden.
Da beim Einschmelzen von hochlegierten Stählen und von Gußeisen durch eine sauerstoffreiche Ofenraumatmosphäre insbesondere Kohlenstoff, Silicium, Mangan und an zusätzlichen Legierungselementen Chrom und Vanadium verbrannt werden, muß der Brenner unterstöchiometrisch eingestellt sein.
Bei der Einstellung der Flamme muß zusätzlich die Ofengeometrie berücksichtigt werden, da eine Beschädigung des Mauerwerkes durch eine auftreffende Flamme die Standzeit der Ausmauerung reduzieren würde. Die Brenner am Lichtbogenofen werden so angebracht, daß die Flammen zwischen die Elektroden brennen und dadurch der Schrott in den „cold-spots“ zusätzlich erwärmt wird, was zu einer gleichmäßigeren Energieverteilung im Ofenraum führt. Die Anzahl der eingesetzten Brenner hängt von der Ofengröße, dem Einsatzgewicht und von der Zugänglichkeit des Ofens ab.
Bei Induktionsöfen genügt meist ein Brenner, der zentrisch im Ofendeckel eingesetzt wird. Speziell für den Einsatz im Induktionsofen verwendet Messer Griesheim selbstkühlende Brenner, da bei dieser Einbaulage ein wassergekühlter Brenner bei defektem Kühlwassermantel ein großes Gefahrenpotential darstellt. Die Lautstärke dieser selbstkühlenden Brenner liegt im Schallpegel einer normalen Gießerei. Die fehlende Wasserkühlung ergibt ein geringes Brennergewicht, das die Bedienung des Brenners vereinfacht.
Betriebserfahrungen mit Produktionsanlagen
In der Vergangenheit wurde bereits eine Vielzahl von Versuchen an Lichtbogenöfen durchgeführt. Hier sollen die Betriebserfahrungen einer Erdgas-Sauerstoff-Brenneranlage in einem Produktionsbetrieb beschrieben werden.
Die installierte Transformatorenleistung liegt mit 353 kW/t Stahl an der unteren Grenze. Einige Versuche zeigten, daß mit einer Brennerleistung von 249 kW/t Stahl die beste Schmelzleistung bei geringem Energieverbrauch erzielt wird. Dabei sind die beiden eigenmediumgekühlten Brenner maximal 15 min im Einsatz. Mit dieser Einstellung ergibt sich eine Steigerung der Gesamtschmelzleistung von 19,1 % pro Charge. Unter Berücksichtigung der notwendigen Nebenzeiten am Ofen wird damit die Chargenzahl im Zweischichtbetrieb von 7 auf 8 Chargen/Tag erhöht. Der Gesamtenergieverbrauch konnte von 590 kWh/t Stahl auf 566 kWh/t Stahl gesenkt werden. Der Ofenwirkungsgrad wurde damit von 68 % auf 72 % erhöht. An der Standzeit der Ofenausmauerung von ca. 315 Chargen und dem Elektrodenverbrauch von ca. 5,8 kg/t konnte keine Veränderung festgestellt werden.
Bei einem Lichtbogenofen mit zwei eigenmediumgekühlten Erdgas-Sauerstoff-Brennern war der linke Brenner nicht zum Ofenzentrum ausgerichtet. Nach dem nachträglichen Einjustieren des Brenners konnte eine weitere Schmelzzeitverkürzung erreicht werden. Im Flammenbereich ist ein Teil des Schrottes niedergeschmolzen bzw. auf hohe Temperaturen vorgewärmt. In dem Ofenbereich, der durch die Flammen nicht erreicht wird, ist noch keine nennenswerte Schrottvorwärmung festzustellen. Durch Einbau eines dritten Brenners konnte die Schmelzleistung zusätzlich um etwa 10 % erhöht werden.
Infolge des geringen Brennergewichtes werden bei dieser Anlage die Brenner manuell in den Ofen ein- und ausgefahren. Bei Brennern größerer Leistung wird der Ein- und Ausfahrvorgang der Brenner durch eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung übernommen.
Die Zündung und Überwachung der Brenner, die durch eine elektrische Verriegelung nur im Ofen vorgenommen werden kann, wird vollautomatisch durch einen elektrischen Schaltkasten gesteuert.
Schematische Darstellung der Brenneranordnung an Elektroöfen (links Lichtbogen-, rechts Induktionsofen)
Eine elektrische Verriegelung des Lichtbogenofens bewirkt zusätzlich, daß die Brenner nur bei vorhandenem Lichtbogen eingeschaltet werden können. Durch diesen automatischen Ablauf und der Überwachung der Brennerfunktionen ist eine größtmögliche Sicherheit während des Brennerbetriebes gewährleistet und die zusätzliche Arbeitsbelastung für den Bediener sehr gering.
Flammenentwicklung im leeren Ofengefäß
