Kupolofen

Der Kupolofen ist vom Prinzip her ein Schachtschmelzofen, er wird von oben mit Brennstoff (Koks), metallischem Einsatz (Roheisen, Kreislaufmaterial, Stahlschrott) und schlackenbildender Zuschlagstoffe (Kalkstein) befüllt. Im unteren Teil des Ofens wird von einem Gebläse verdichtete Verbrennungsluft (Wind) über Düsen (s. Winddüse, Winddruck) in den Ofenschacht eingeblasen. Dabei wird die Wärme der Verbrennungsgase im Gegenstromprinzip an die Beschickung bis zu deren Aufschmelzen übertragen (Bilder 1 und 2).

Die erforderliche Energie wird also im Kupolofen selbst erzeugt, d. h. ein Transfer entfällt und sie wird am Entstehungsort umgesetzt. Die Qualität des Brennstoffes (Koks, HC-Koks) und der Verbrennungsprozess selbst müssen reproduzierbar sein, sämtliche Schwankungen übertragen sich auf den Schmelzprozess.

Auch heutige moderne Kupolöfen sind von der Konstruktion her einfach, zuverlässig im Betreib, wartungsarm und anspruchslos in der Bedienung. Die Investitionskosten sind im Vergleich zu anderen Aggregaten niedrig.Bei der Verbrennung des Kokses entsteht CO2 und Wärme (Glg.1).

Glg. 1:
C + O_2 leftrightarrow CO_2

Dabei schmilzt das Eisen, es wird nach unten abgelassen. Die Wärme wird im Gegenstrom an das von oben zugeführte Material übertragen. Anschließend wird CO2 teilweise wieder unter Energie und Koksverbrauch reduziert und das Verbrennungsprodukt Kohlendioxid und der zugeführte Koks stehen in einem Reaktionsgleichgewicht mit Kohlenmonoxid (Glg. 2, siehe auch ):

Glg. 2:
C + O_2 leftrightarrow 2CO

Somit kann ein definiertes Verbrennungsverhältnis (Glg. 3) der thermischen Nutzung bezüglich der Koksverbrennung ausgedrückt werden.

Glg. 3:
eta_v = frac{CO_2}{CO_2 + CO} cdot 100 lbrack\%brack

Im Abgas befinden sich daher hohe Konzentrationen an Kohlenmonoxid. Das Abgas kann seitlich am Ofen abgesaugt (Untergichtabsaugung) und thermisch genutzt werden. Wird das Abgas im Bereich der Aufgabe abgezogen (Obergichtabsaugung), wird zumindest während der Beschickung Falschluft zugeführt und eine thermische Nutzung wird unwirtschaftlich.

Kaltwindkupolofen
Beim Kaltwindkupolofen wird die Verbrennungsluft kalt zugeführt, da das Abgas thermisch nicht genutzt wird (Obergichtabsaugung), es handelt sich meist um kleinere Öfen (Schmelzleistung ca. 2 - 10 t/h). Der Kaltwindkupolofen besitzt einen hohen spezifischen Koksverbrauch, da ein Großteil der Energie latent als Kohlenmonoxid mit dem Abgas ausgetragen wird. Er ist ein ausgezeichnetes Schmelzaggregat (Ofenwirkungsgrad ca. 60 %), dafür aber ein unwirtschaftliches Überhitzungsaggregat. Bei Kaltwindbetrieb ist bekannt, dass hohe Rinneneisentemperaturen nur schwer erreichbar sind und dann nur mit erhöhtem Kokssatz und Steigerung der Windmenge auf Kosten der Schmelzleistung (s. Kupolofen-Netzdiagramm). Außerdem kann billiger Stahlschrott kaum eingesetzt werden, und für die Analysengenauigkeit des Rinneneisens müssen verhältnismäßig breite Toleranzen kalkuliert werden.

Durch Zuführung von Sekundärluft oberhalb der Schmelzzone und Einblasen von Sauerstoff kann der Energieverbrauch gesenkt werden. Zur Staubabscheidung werden Wäscher und zunehmend Gewebefilter (s. Entstaubung) eingesetzt.

Heißwindkupolofen
Beim Heißwindkupolofen wird das CO-reiche Abgas in einem Wärmetauscher (Rekuperator) verbrannt und die entstehende Wärme zur Windvorwärmung genutzt; die Windtemperatur beträgt dann etwa 400 bis 600 °C. So gesehen bringt der Heißwindbetrieb gegenüber dem Kaltwindbetrieb eine beachtliche Verbesserung. Die Wirtschaftlichkeit wird gesteigert, desgleichen kann mehr Stahlschrott eingesetzt und eine verhältnismäßig hohe Rinnentemperatur treffsicher erreicht werden. Die Schmelzzone liegt dabei näher an den Düsen als beim Kaltwindkupolofen. Zu den besonderen Vorzügen gehört die Gewährleistung einer prozesssicheren Produktion mit nur sehr geringen Streuungen der Eisenzusammensetzung. Wie aus Bild 3 hervorgeht, nimmt mit steigender Windtemperatur die Energiedichte in der Verbrennungszone zu, und diese Verbrennungszone verlagert sich in Richtung der Düsen. Außerdem ist aus diesem Bild ersichtlich, dass sich die Ofentemperatur in der Verbrennungszone erhöht, während sich die Gichtgastemperaturen (in größerer Entfernung über den Düsen) nicht ändern.

Die Staubabscheidung kann nass (Wäscher) oder trocken (Gewebefilter) erfolgen, heute gelten Gewebefilter als Stand der Technik.

Langzeitofen

Dem heutigen Stand der Technik entsprechend wird eine Langzeitofen sowohl mit Futter als auch futterlos ausgeführt. In beiden Fällen wird nur mit einem Ofen, also ohne den aufwendigen Tageswechsel, geschmolzen. Eine solche Betriebsweise ist jedoch erst ab zweischichtigem Betrieb vertretbar, wobei der Ofen in der Zwischenzeit gedämpft (s. Dämpfen) gehalten wird.

Der Langzeitofen wird je nach metallurgischen Anforderungen mit getrenntem Schlackensiphon oder mit Drucksiphon ausgerüstet. Bei Drucksiphonbetrieb steht kein Eisen- und Schlackensumpf im Ofen, sondern Eisen und Schlacke fließen nach dem Abtropfen sofort aus. Die Aufkohlung wird hierdurch allerdings etwas beeinträchtigt wird. Somit kann mit dieser Ausführung ein Eisen mit niedrigerem C-Gehalt hergestellt werden, was letztlich für Gießereien die Temperguss herstellen interessant ist.

Der futterlose Ofen ist im gesamten Schachtbereich ohne ff-Auskleidung, wie die Bezeichnung futterlos“ besagt; unterhalb der Düsen besitzt er aber das gleiche Dauerfutter wie der Langzeitofen mit Futter. Als Vorteil für den futterlosen Ofen sind der geringere Aufwand für die Zustellung und die sicherlich etwas längere Ofenreise anzuführen, während der Vorteil des Langzeitofens mit Futter vor allen Dingen in den geringeren Wärmeverlusten zu sehen ist, was letztlich geringeren Koksverbrauch bei besserer Energienutzung mit den bereits erörterten Vorteilen für Umwelt und Klima ermöglicht. Der Film zeigt ein Beispiel eines futterlosen Langzeit-Kupolofens

Bei einem Langzeit-Heißwind-Kupolofen mit Futter (ausgemauertem Mantel) werden die Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert. Ein besonderer Ausgleichssiphon dient zum Einstellen der Schlackenbadhöhe entsprechend der gewünschten Aufkohlung, so dass die Durchtropfzone im Kupolofen vom Siphon her geändert werden kann. Der Ausgleichssiphon lässt sich auch so einstellen, dass im Ofen ein trockener Boden entsteht, d.h. der Ausgleichssiphon kann als Drucksiphon betrieben werden. In beiden Fällen ist die Durchtropfzone im Ofen von Druckschwankungen unabhängig.

Koksloser Kupolofen
Durch den Einsatz des Primärenergieträgers Erdgas und dem hohen thermischen Wirkungsgrad ist diese vergleichsweise neue Schmelzvariante in der Lage, Ressourcen zu schonen und den Ausstoß an CO2 zu reduzieren. Die getrennte Zuführung von Energieträger und Schmelzmaterial sowie eine stufenlos regelbare Brennersteuerung gestatten darüber hinaus eine flexible Produktionsweise. Die Emissionen von NOx, CO, SO2 sowie der Staubausstoß liegen deutlich unter den gesetzlichen Grenzwerten.

Als kritische Punkte des kokslosen Schmelzens werden vielfach die Schlackenführung als Folge des niedrigen Temperaturniveaus im Schachteil und die fehlende Aufkohlung und demzufolge die Schwierigkeiten bei hohem Stahlschrotteinsatz genannt. Allerdings ist heute ein Stahlschrottanteil von bis zu 40 % möglich. Der Schlackenanfall ist im Vergleich zum Kokskupolofen erheblich niedriger. Die erste Schlacke läuft erst ca. 2 Stunden nach Schmelzbeginn.

Der Gasverbrauch je Tonne Flüssigeisen beträgt ca. 49 Nm³/h (ca. 530 kWh) bei einer Abstichtemperatur von 1420 °C. Als Einsatzmaterialien können wie bei anderen Kupolöfen Stahlschrott, Gussbruch, Kreislauf, Roheisen sowie Schlackebildner verwendet werden. Je nach Bedarf wird das Eisen anschließend vergossen oder in einem Induktionsofen auf die erforderliche Analyse und Temperatur eingestellt. Ein großer metallurgischer Vorteil dieses Ofentyps ist der niedrige Schwefelgehalt des erschmolzenen Basiseisens, welche bei ca. 0,01 % liegen kann. Der Schwefelzubrand durch den sonst verwendeten Koks entfällt. Um gleichmäßige Schmelzbedingungen zu garantieren, ist der Ofen mit modernen Gasbrennern ausgerüstet. Jeder Brenner verfügt über eigene Gas- Luft und Sauerstoffventile zur genauen Regelung der Brennerleistung. Hierdurch ist außerdem die Schmelzleistung den jeweiligen Erfordernissen einfach anzupassen.

Der leere Ofen wird nach Einbringen des keramischen Bettmaterials auf dem wassergekühlten Rost ca. 45 Min. vorgewärmt. Nach dem Vorheizen wird der kokslose Kupolofen mit metallischen Einsatzstoffen und Schlackenbildnern beschickt. Das heiße Rauchgas der mit Erdgas betriebenen Brenner durchströmt und überhitzt das Kugelbett und sorgt für eine intensive Vorwärmung der Gattierungssäule. Das Gichtgas wird danach in einem Gas-Lufttauscher gekühlt und mittels Trockenfilter (s. Entstaubung) gereinigt. Das Einsatzmaterial schmilzt, wird während der Berührung mit dem Keramikmaterial überhitzt und tropft in den Ofenherd. Im Siphon werden Schlacke und Eisen getrennt (Bild 4).

Durch diese Arbeitsweise beginnt das Schmelzen bereits mit der ersten Ofenfüllung. Ca. 15 Min. später fließt das erste Eisen aus dem Siphon in den elektrisch beheizten Überhitzer. Hier wird die gewünschte Eisentemperatur durch die elektrische Leistung und die Analyse durch Zugabe der entsprechenden Legierung eingestellt.

Die Bilder 5 bis 7 (Küttner GmbH & Co. KG) zeigen Anwendungsbeispiele von Kupolöfen.



Weiterführende Stichworte:

Roheisen
Gießereiroheisen
Hängen des Ofens

Literatur:
Franz Neumann Gusseisen: Schmelztechnik, Metallurgie, Schmelzbehandlung, 2. Auflage 1999, expert-Verlag

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