Erschienen in GIESSEREI 08/2015

Emissionsreduzierung, Flexibilitätssteigerung, die Erweiterung der Produktvielfalt und die Notwendigkeit mit günstigsten Einsatzstoffen zu arbeiten – diesen Zwängen sehen sich die Betreiber von Kupolöfen heute gegenüber, wenn sie ihre Wettbewerbsfähigkeit erhalten wollen. Um unter diesen Rahmenbedingungen  leichmäßig gute Schmelzergebnisse zu gewährleisten, ist eine effiziente Fahrweise des Ofens notwendig. Herkömmliche Optimierungsmaßnahmen haben dabei jedoch einen entscheidenden Nachteil: Der Ofenfahrer kann erst dann reagieren, wenn sich bereits Abweichungen im Schmelzprozess zeigen. Eine Alternative bietet eine neue Ofensteuerungssoftware: der sogenannte Energie-Effizienz-Manager (EEM). Wie der Praxisbetrieb bei der Gienanth GmbH zeigt, ermöglicht die Software sowohl einen präventiven als auch einen direkten Eingriff in den Schmelzprozess. So lassen sich Abweichungen von vornherein vermeiden.

Als traditionsreiche Eisengießerei hat sich die Gienanth GmbH im pfälzischen Eisenberg auf die Verarbeitung verschiedener Gusseisensorten spezialisiert. Mit einer 280-jährigen Geschichte und einer Produktionskapazität von über 100 000 t pro Jahr hat das Unternehmen dabei sowohl das notwendige Know-how für eine herkömmliche Fahrweise von Kupolöfen als auch die Innovationskraft für zukunftsweisende Optimierungen. Deshalb weiß man in Eisenberg auch: Der Schmelzprozess in  Kupolofenfahrweise ist zweifellos komplex. Denn eine Vielzahl von Parametern wie der Siliziumanteil oder der Kokssatz nimmt Einfluss auf die Qualität des Schmelzergebnisses. Hinzu kommt, dass jeder Kupolofen auf Änderungen dieser Einflussgrößen ganz unterschiedlich reagiert. Es gilt deshalb, den Prozess durch die richtigen Entscheidungen im richtigen Moment zu steuern und optimierend einzugreifen.

In einem gemeinsamen Projekt untersuchten Linde, München, und Gienanth nun, ob sich dieser Prozess mit der neu en Ofensteuerungssoftware Energie- Effizienz- Manager (EEM) automatisieren und damit verbessern lässt. Als Unter suchungs gegenstand diente ein konkreter, beispielhafter Heißwindkupolofen der Gienanth GmbH.

Koksfaktor
Setzt man den gesamten eingesetzten Prozesssauerstoff in Relation zum eingesetzten Koks, ergibt sich der Koksfaktor als eine wichtige ofenspezifische Kenngröße. Bild 4 zeigt den idealen Koksfaktor, der sich bei der Annahme von gleicher Schmelzleistung zur eingestellten konstanten Windmenge und zur technischen Sauerstoffmenge ergibt. Es zeigt sich eine stark schwankende Kenngröße (Bild 4).

In der Software-Anwendung des Energie-Effizienz-Managers kann der Koksfaktor spezifisch für eine Bilanz von mehreren Sätzen ermittelt werden. In der Anwendung bei Gienanth werden für die Regelung immer die letzten vier in der Schmelzzone befindlichen Sätze für die Berechnung herangezogen. Kleinere Einheiten hätten zu viele Steuerungsaktionen zur Folge und würden der „natürlichen“ Durchmischung der Sätze im Schacht nicht gerecht werden, heißt es bei Gienanth.
 

Brennkammer
Die Brennkammer ist von entscheidender Bedeutung für die Einhaltung der in der „Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft“ (TA Luft) festgelegten gesetzlichen Grenzwerte. Die notwendige Feuerraumtemperatur beträgt in der Regel ca. 900 °C, um die Verbrennung von gasförmigen Schadstoffen zu garantieren (Beispiel CO-Grenzwert 150 mg/m³). Fällt die Temperatur unter diese Marke, ist die Einhaltung des Grenzwertes kaum möglich. Die Energieführung der Brennkammer wird primär durch den Energiegehalt des zugeführten Gichtgases bestimmt. Reduziert sich dieser Energiegehalt, muss zwangsläufig mehr Fremdenergie eingesetzt werden (z. B. Erdgas).

Um den Eintrag von kostenintensiver Fremdenergie zu minimieren, wird versucht, ein ausgewogenes CO-Niveau als chemisch gebundene Wärme mit dem Gichtgas in die Brennkammer zur Verbrennung einzutragen.

Die unterschiedliche energetische Auslastung der Brennkammer (Kühlluft, Verbrennungsluft usw.) führt zu ständigen Druckdifferenzen − u. a. mit der Folge von sichtbarem Rauchen an der Obergicht und erheblichen Temperaturschwankungen (Bild 6). Die Saugzugregelung versucht dann automatisch, einen geforderten Unterdruck zu initiieren und steuert die Absaugleistung. Tritt hierbei jedoch sichtbar Rauch aus, wird die Fahrweise vom Automatikbetrieb häufig auf Handbetrieb gestellt, um die Trägheit der automatischen Regelung zu überstimmen. In der Folge strömen undefinierte und erhöhte Mengen Falschluft aus der Gicht mit in den Prozess und kühlen die Brennkammer. Das so verdünnte Gichtgas führt dann zu einem erhöhten Fremdenergieverbrauch.
 

Die oben dargestellte herkömmliche Ofenfahrweise erhöht nicht nur den CO2-Ausstoß, sie verursacht auch kontinuierlich Energiemehrverbräuche: Zum einen zusätzliche Energie für den Saugzug und die Brennkammer. Zum anderen müssen Siliziumcarbid (SiC), Koks und technischer Sauerstoff vorgehalten werden. Kommt es bei der konventionellen Fahrweise zu einem Sauerstoffüberschuss in der Verbrennungsluft im Verhältnis zur fossilen Energiemenge – also dem Gießereikoks – oxidieren zudem die Elemente Silizium (Si), Eisen (Fe) und Mangan (Mn).

Um gleichmäßig gute Schmelzergebnisse bei einer effizienten Fahrweise des Heißwindkupolofens zu erzielen, können folgende Maßnahmen ergriffen werden:

• Chargieren der erforderlichen Zuschlagsstoffe (Koks, Kalk, SiC usw.) in direkter Abhängigkeit von Satzgewicht und Stahlanteil
• Verfolgen der Sätze oder Satzfolgen bis in die Schmelzzone und Betrachten des Energiegehaltes
• Eintrag von Wind, Sauerstoff und Brennstoffen wie Koks in Abhängigkeit zum Energiegehalt in der Schmelzzone
• Bestimmen des Energiegehaltes im Gichtgasstrom durch die Messung von CO und CO2 und Ermitteln des ETA-V
• Einflussnahme von Wind, Sauerstoff und Feststoffen auf das Ergebnis der Gichtgasmessung mit dem Ziel der gleichmäßigen Energieführung
• Einflussnahme auf die Brennkammertemperatur durch die Veränderung der Gichtgaszusammensetzung
• Leistungsabhängige Fahrweise mit festen Kenngrößen

Die aufgeführten Lösungsansätze haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Der Ofenfahrer kann erst dann reagieren, wenn sich bereits Abweichungen im Schmelzprozess zeigen.