Kupolofenbetrieb

Die Windmenge ist maßgebend für die Schmelzleistung und die Eisentemperatur. Zur Erzielung einer optimalen Eisentemperatur muss die spezifische Windmenge auf etwa 100 bis 120  m³/m² · min. eingestellt werden. Für den futterlosen, wassergekühlten Kupolofen beträgt der spezifische Windbedarf nur etwa 60 bis 100 m³/m² · min. Die erforderlichen Winddrücke hängen von der Beschickungshöhe und -dichte sowie vom Widerstand in den Winddüsen ab. Anhaltswerte sind in Bild 3 angegeben.

Die Schmelzleistung lässt sich mit folgender Formel nach H. Jungblut und P. A. Heller berechnen:

Netzdiagramm

Zwischen Schmelzleistung, Windmenge, Kohlenstoffangebot (Satzkoks) und Eisentemperatur bestehen gegenseitige Beziehungen, die im sogenannten Netzdiagramm dargestellt werden. Bild 4 zeigt ein derartiges Schaubild, aufgenommen an einem Kaltwind-Kupolofen von 750 mm Innendurchmesser mit diskontinuierlicher Eisenabnahme. Daraus geht hervor, dass bei konstantem Kohlenstoffan gebot die Schmelzleistung durch Steigerung der Windmenge erhöht werden kann. Gleichzeitig steigt auch die Eisentemperatur, jedoch nur bis zu einem Maximalwert, der dem optimalen Betriebszustand des Ofens entspricht. Für jede angestrebte Eisentemperatur gibt es somit einen optimalen Betriebspunkt, der, wie das Diagramm ausweist, mit einem bestimmten Kohlenstoffangebot und einer bestimmten Windmenge erreichbar ist. In Bild  4 sind die optimalen Betriebspunkte durch eine gestrichelt gezeichnete Linie verbunden.

Die im Netzdiagramm angegebenen Windmengen beziehen sich auf den Normzustand (0 °C und 1013  mbar). Die bei Betriebstemperatur gemessene Windmenge muss daher auf den Normzustand umgerechnet werden.

Zur Erklärung folgendes Beispiel:

Ofendurchmesser (innerer Schachtdurchmesser = 1 m, Kaltwindbetrieb mit einer Windmenge von 90 m³/min bei 27 °C. Der Ofenquerschnitt ist somit

Kupolofen-Netzdiagramme veranschaulichen sehr deutlich die Auswirkung von Verfahrensänderungen im Ofenbetrieb. Als Beispiel zeigt Bild  5 den Einfluss einer Windanreicherung mit 3 % Sauerstoff auf die Schmelzleistung (den Eisendurchsatz) und die Eisentemperatur in einem Kaltwind-Kupolofen. Wie das Bild zeigt werden die Netzlinien nach rechts oben verschoben, also zu höheren Eisentemperaturen und Eisendurchsätzen. Die Temperaturkurven verlaufen im Bereich des Maximums wesentlich flacher als ohne Sauerstoffzusatz, und dies ist als besonderer Vorteil der Windanreicherung mit Sauerstoff zu werten, weil ein Überblasen auch bei hoher Schmelzleistung nicht so schnell auftritt und der optimale Leistungsbereich des Ofens beträchtlich ausgedehnt wird.

Der Einfluss des Heißwindbetriebes auf die Ofencharakteristik wird ebenfalls durch das Netzdiagramm deutlich. Wie Bild 6 veranschaulicht, steigen die Eisentemperaturen mit zunehmender Windvorwärmung. Dies ist auch einer der besonderen Vorteile des Heißwind-Kupolofens. Die Erhöhung der Eisentemperatur beträgt etwa 15 bis 25 K/100 °C Windvorwärmung.

Bild 7 zeigt eine andere Darstellung des Kupolofen-Netzdiagramms. Die Koordinaten sind Kohlenstoffangebot und Windmenge, also jene beiden Einflussgrößen, die von der Bedienungsseite her regelbar sind. Die Kurven konstanter Eisentemperatur durchlaufen ein Minimum, der dem optimalen Betriebszustand entspricht.

Windmenge und Schmelzleistung sind in den Netzdiagrammen der Bilder 4 und 7 auf den Ofenquerschnitt bezogen, und dies erlaubt eine Anwendung der Diagramme für Öfen mit verschiedenem Durchmesser, auch wenn die Diagramme ursprünglich mit den Messdaten eines Ofens von bestimmtem Durchmesser (hier 750 mm) erstellt worden sind. Eine Extrapolation auf Öfen mit größerem Durchmesser ist nur unter Vorbehalt möglich. Mit steigendem Ofendurchmesser werden die Wärmeverluste in der Kupolofenwand geringer und daher liegen die erreichbaren Eisentemperaturen dann etwas höher. Für den praktischen Gebrauch im Gießereibetrieb ist es daher zweckmäßig, für den betreffenden Ofen das Netzdiagramm gesondert zu erstellen, und zwar aus Messwerten, die von diesem Ofen stammen. So kann dann Windmenge und Schmelzleistung ohne Bezug auf den Ofenquerschnitt angegeben werden. Besonders empfiehlt sich das separate Erstellen des Netzdiagramms für Kupolöfen mit Heißwindbetrieb, Sauerstoffanreicherung und Sekundärwindbetrieb.

Kokssatz

Der Anteil des Kokssatzes, auch Satzkoks genannt, beträgt je nach Eisentemperatur 11 bis 15 %, bei Heißwindbetrieb etwa 9 bis 13 % (ohne Aufkohlung). Eine Windmenge von 100 bis 120 m³/m² · min entspricht einem durchschnittlichen Angebot an Verbrennungsluft von etwa 6,3 m³/kg für guten Gießereikoks mit einem Kohlenstoffgehalt von 90 bis 92 %. Dabei stellt sich ein Koksdurchsatz von ungefähr 800 bis 900 kg/m²·h ein. Um nun den Kupolofenbetrieb rechnerisch erfassen zu können, muss zunächst der erforderliche Satzkoksbedarf ermittelt werden. Die Tabelle enthält hierzu eine Übersicht über die wichtigsten Daten für einen feuerfest ausgekleideten Kaltwind-Kupolofen, dessen Innendurchmesser größer als 750 mm ist.

Bei der Berechnung ist der Kohlenstoffverlust des Kokses zu berücksichtigen, der durch Aufkohlung des Eisens entsteht (Bild  8). Außerdem tritt eine allmähliche Zerstörung des Ofenfutters ein, so dass der wirksame Ofendurchmesser größer wird. Bei Heißwind-Kupolöfen ersetzt die Luftvorwärmung einen Teil des Schmelzkoksbedarfes, und zwar werden je 100 °C Windtemperatur etwa 8 kg Koks/t Eisen eingespart. Bei futterlosen, wassergekühlten Kupolöfen entsteht dagegen ein Mehrbedarf an Koks zum Ausgleich der Wärmeverluste, der aus Bild 9 ermittelt werden kann.

Beispiel:

Für einen futterlosen, wassergekühlten Heißwind-Kupolofen mit einer Schmelzleistung von 20 t/h und einer Abstichtemperatur von 1510 °C kann der Koksbedarf von 155 kg/t Eisen aus der Tabelle zunächst nur für den Kaltwind-Kupolofen mit feuerfester Auskleidung übernommen werden. Für eine Heißwindtemperatur von 420 °C ergibt sich eine Kokseinsparung von 8 · 4 = 32  kg. Bei einem angenommenen Ofendurchmesser von 1800 mm wäre bei Wasserkühlung der zu deckende Wärmeverlust nach Bild 9 mit einem zusätzlichen Koksbedarf von etwa 8  kg/t Eisen auszugleichen. Daraus folgt ein Gesamtbedarf von 155–32 + 8 = 131 kg Koks/t Eisen.

Für eine Schmelzleistung von 20 t/h ergibt sich somit ein Satzkoksbedarf von 20 · 131 = 2620 kg/h. Wird ein optimaler Koksdurchsatz von 900 kg/m² · h zugrunde gelegt, lässt sich der Ofenquerschnitt mit 2620 : 900 = 2,9 m² und der Ofendurchmesser ~1,9 m berechnen. Wenn die Gattierung aus 50 % Kreislaufeisen mit 3,4 % C und 50 % Stahlschrott mit 0, 10 % C besteht, beträgt der mittlere Kohlenstoffgehalt des Eisensatzes 1,75 %. Soll ein Rinneneisen mit 3,5 % C erreicht werden, müssen nach Bild 8 etwa 19 kg Koks/t Eisen oder 1,9 % Koks zur Aufkohlung zusätzlich aufgewendet werden. Somit sind 131 + 19 = 150 kg Koks/t Eisen einzubringen. Dies entspricht einem Kokssatz von 15 % und einem gesamten Koksbedarf von 20 · 150 = 3000 kg/h. Der Windbedarf beträgt so im Mittel 6,3 m³/kg Koks, bezogen auf die zur Verbrennung dienende Koksmenge von 131 kg/t Eisen. Es sind somit stündlich 6,3  ·  20  · 131 = 16.506 m³ Heißwind von 420 °C zuzuführen, das einer Windmenge von 275,1 m³/min entspricht.

Nach diesem vorgenannten Schema lässt sich auch die Schmelzleistung berechnen. Zunächst sei zusammengefasst, dass der zum Schmelzen und Überhitzen erforderliche Satzkoks aus drei Anteilen besteht:

k = k₁ − k₂ + k₃

Hierin bedeuten:

k – gesamter Satzkoks ohne Aufkohlungsbedarf (kg/t Eisen)
k₁ – Satzkoks nach der Tabelle (kg/t Eisen)
k₂ – Kokseinsparung bei Heißwindbetrieb = (kg/t Eisen und je 100 °C Windüberhitzung)
k₃ – Kokszusatz für futterlosen, wassergekühlten Kupolofen nach Bild 9

Unter Zugrundelegung eines stündlichen Koksdurchsatzes von 800 bis 900 kg/m2 Ofenquerschnitt zum Schmelzen und Überhitzen ergibt sich der erforderliche Ofenquerschnitt beziehungsweise -durchmesser: