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Dokumentenidentifikation DE60204221T2 02.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001383933
Titel VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON FLÜSSIGEM ROHEISEN IN EINEM ELEKTRISCHEN OFEN
Anmelder Paul Wurth S.A., Luxemburg/Luxembourg, LU
Erfinder ROTH, Jean-Luc, F-57100 Thionville, FR;
BERG, Paul, 8479 Eischen, LU;
WEISGERBER, Fred, 4531 Oberkorn, LU;
PARASCH, Fred, 3468 Dudelange, LU;
LONARDI, Emile, 4945 Bascharage, LU
Vertreter Zellentin & Partner, 67061 Ludwigshafen
DE-Aktenzeichen 60204221
Vertragsstaaten DE, ES, FR, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 20.02.2002
EP-Aktenzeichen 027198712
WO-Anmeldetag 20.02.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/EP02/01749
WO-Veröffentlichungsnummer 0002068700
WO-Veröffentlichungsdatum 06.09.2002
EP-Offenlegungsdatum 28.01.2004
EP date of grant 18.05.2005
Veröffentlichungstag der Übersetzung europäischer Ansprüche 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.02.2006
IPC-Hauptklasse C21B 13/14(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse C21B 13/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      C21B 11/10(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung flüssigen Roheisens.

Es werden seit vielen Jahren beträchtliche Anstrengungen unternommen, um Schmelzreduktionsverfahren zu entwickeln, die den Hochofen für die Herstellung von flüssigem Roheisen insbesondere im Rahmen kleinerer Produktionseinheiten ersetzen können und bei denen die Vorbereitung der Einsatzstoffe vermieden wird, d.h. Feinerz und Feinkohle direkt eingesetzt werden. Solche Verfahren sind interessant, da dadurch grundsätzlich solche Anlagen umgangen werden können, die einen hohen Investitionsaufwand darstellen, wie z. B. Anlagen für die Koksherstellung und Anlagen für die Erzagglomeration.

Dabei sind Direktreduktionsverfahren (unter Umgehung einer Flüssigphase), die Kohle als Reduktionsmittel verwenden, die wirtschaftlichsten Verfahren, und zwar insbesondere in Ländern ohne Erdgasressourcen. Allerdings ist es bei diesen Verfahren nachteilig, dass sie vorreduziertes Erz mit hohem Schwefelgehalt (0,3 – 0,6 % w/w S) liefern.

Unter diesen Verfahren sind solche, die feinkörniges Erz verwenden (Fließbett- oder Mehretagenofen-Technologie) besonders interessant, weil es sich dabei um die kostengünstigste Erzform handelt. Die vorreduzierten Eisenerzteilchen, die auch in Form von Feinerz anfallen, werden in Elektroöfen zur Herstellung von Stahl durch Einblasen von Luft kalt oder bei niedrigen Temperaturen (< 300°C) problemlos verarbeitet.

Allerdings ist der massive Einsatz solcher vorreduzierten Eisenerzteilchen im Elektroofen zur Herstellung von Stahl in zweierlei Hinsicht problematisch: er bringt viel Schwefel mit sich, welcher in der Sauerstoffmetallurgie der Elektroöfen zur Herstellung von Stahl nicht entfernt wird, und er verringert die Produktionsleistung des Elektroofens, da bei der Schmelzreduktion der vorreduzierten Eisenerzteilchen aus dem kalten Zustand mehr Energie verbraucht wird als beim Hauptrohstoff Schrott. Dies bedeutet Überverbrauch an elektrischer Energie und somit Produktivitätsverlust.

Diese Nachteile können vermieden werden, indem anstatt Stahl Roheisen hergestellt wird. Denn wenn die direkt aus dem Reduktionsofen kommenden vorreduzierten Eisenerzteilchen (vorreduziertes Feinerz) bei einer Temperatur von etwa 1000°C in einen Elektroofen zur Herstellung von Roheisen chargiert werden, kann der Schwefel entfernt werden. Durch die Aufgabe vorreduzierter Eisenerzteilchen bei 1000°C wird nämlich der Energiebedarf für den Schmelzvorgang stark reduziert. Die Herstellung von Roheisen impliziert ein Reduktionsmedium, das den Schwefel zu etwa 90 % zu entfernen vermag. Durch Erzeugung einer geeigneten Schlacke kann ein Roheisen mit Schwefelgehalten von 0,03 – 0,06 % hergestellt werden, was einer Standardqualität entspricht, die bei allen traditionellen Roheiseneinsätzen verwertet werden kann, insbesondere als Reineisenquelle im Elektroofen.

All dies gilt insbesondere für die Reduktionsbehandlung von Feinschrott, wobei immer ein stark schwefelhaltiges vorreduziertes Material entsteht. Im weiteren Verlauf sind unter metallischen "Feinkornmateralien" alle Arten von Produkten zu verstehen, die partiell oxidiertes metallisches Eisen enthalten. Diese Feinkornmaterialien sind Eisenerzteilchen, Schrottteilchen beliebiger Art, die partiell oxidiertes Eisen enthalten, und insbesondere Stäube aus Hochofen- und Elektroofenfiltern, Sinter oder Zunderteilchen (Eisenoxide, die beim Erwärmen oder Walzen anfallen), Walz- oder Bearbeitungsschlämme, etc.

Das Schmelzen dieser Art von Feinkornmaterialien für die Herstellung von Roheisen erfolgt in herkömmlicher Weise in einem resistiv beheizten Schlackenofen, der fälschlicherweise Lichtbogenofen mit unterdrücktem Lichtbogen (SAF) genannt wird. Das Chargieren der Feinkornmaterialien in diese Art von Elektroofen erfolgt durch Schwerkraft, in der Regel auf kaltem Wege. Allerdings ist ein solcher Ofen in seiner Leistung begrenzt. Die Leistungsdichte eines Lichtbogenofens mit unterdrücktem Lichtbogen (SAF), ausgedrückt in MW/m2, ist nämlich um einen Faktor 5 geringer als die des Lichtbogenofens mit frei brennendem Lichtbogen. Um eine äquivalente Produktion zu erhalten, muss ein Lichtbogenofen mit unterdrücktem Lichtbogen eingesetzt werden, der einen zweimal größeren Durchmesser als ein Lichtbogenofen mit frei brennendem Lichtbogen hat.

In den Lichtbogenöfen führt zudem das Schmelzen feinverteilter, nicht einblasbarer Stoffe zur Bildung von Agglomeraten, die sich an den Wänden festsetzen und allgemein "Beläge" oder "Bankette" genannt werden. Dies ist auch beim Schmelzen von feingemahlenem Schrott, Spänen, Drehspänen, etc. der Fall.

Der massive Einsatz dieser Stoffe verstopft einen Teil des Schachtraums, verhindert ein korrektes Chargieren des Schrotts und führt dazu, dass der Ofenbetreiber regelmäßig Reinigungsschmelzarbeiten unter starker Überhitzung des Ofens durchführen muss, wodurch es zu Energie- und Produktionsverlusten kommt. Folglich führt das Chargieren vorreduzierter metallischer Feinkornmaterialien durch Schwerkraft im Elektroofen ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen notgedrungen zu Ablagerungen und zur Bildung von Belägen.

Unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen des Lichtbogenofens wird mit Schaumschlacke gearbeitet; dabei wird beim klassischen Einschmelzen von Schrott das Schäumen der Schlacke durch gemeinsames Einblasen von Kohlenstoff und Sauerstoff zur Bildung von CO-Gas in der Schlacke erzielt. Bei Verwendung eines vorreduzierten Materials mit hohem Kohlenstoffgehalt (> 2 % C) tritt die Schäumung spontan ein, da das vorreduzierte Material sowohl Sauerstoff als auch Kohlenstoff liefert. Wegen ihrer geringen Dichte ist die Schaumschlacke ein Hindernis für die Lösung vorreduzierter Feinkornmaterialien aufgrund der geringen Dichte der Schlacke und ihrer wärmeisolierenden Eigenschaft. Die auf die Schlacke fallenden vorreduzierten Feinkornmaterialien backen schnell zu einer aufgrund der geringen Dichte schwer schmelzbaren Masse zusammen und führen zu Ablagerungen an den Wänden.

Zur Herstellung von Roheisen wird Kohlenstoff benötigt. Man kann natürlich Kohlenstoff separat einblasen, aber die optimale Methode in wirtschaftlicher Hinsicht besteht darin, ein vorreduziertes Material mit Kohlenstoffüberschuss herzustellen. Dieser Kohlenstoffüberschuss kann in geringem Verhältnis an Eisen gebunden sein. Aber bei der Herstellung der vorreduzierten Feinkornmaterialien mit 5 – 10 % C entspricht dieser Kohlenstoff vor allem freien Kohlenstoffteilchen. Es ist allerdings schwierig, diesen freien Kohlenstoff in das Metall einzubringen, wenn er nicht in die Schmelze eingeblasen wird. Denn der Lichtbogenofen mit frei brennendem Lichtbogen (im Gegensatz zu dem mit unterdrücktem Lichtbogen, der in Wirklichkeit ohne Lichtbogen, d.h. durch resistive Beheizung arbeitet) arbeitet unter stark oxidierender Atmosphäre, in der Kohlenstoff schnell oxidiert. Ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen wird die nicht eingeblasene Kohlenstoffzufuhr zum größten Teil in den Gasen verloren gehen, so dass das Metall dann einen geringen Kohlenstoffgehalt hat und einen Stahl ergibt.

Es wäre von Vorteil, über ein optimiertes Verfahren zu verfügen, mit dem Roheisen direkt aus vorreduzierten metallischen Feinteilchen im Lichtbogenofen hergestellt werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optimiertes Verfahren zur Erzeugung von Roheisen anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen in einem Lichtbogenofen gelöst, welcher mehrere Elektroden aufweist, mit einem Herd ausgerüstet ist und einen Schmelzsumpf mit darüber gebildeter, nicht schäumender, flüssiger Schlacke enthält. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

  • a) Reduktion metallischer Feinkornmaterialien zur Bildung vorreduzierter metallischer Feinkornmaterialien mit einem Überschuss an freiem Kohlenstoff,
  • b) Heißüberführung der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien in einem Inertgasvorhang in einen im Lichtbogenofen enthaltenen Schmelzsumpf,
  • c) Umrühren des Schmelzsumpfes durch Einblasen von Gas, um die Bildung von Krusten zu verhindern,
  • d) Schmelzen der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien im Lichtbogenofen zur Gewinnung von flüssigem Roheisen.

Abgesehen vom Inertgasvorhang sind all diese Merkmale in WO-A-00 79 012 offenbart.

Das vorgeschlagene Verfahren setzt den Lichtbogenofen in einem ganz besonderen Verfahren ein, bei dem die warmen, vorreduzierten, metallischen Feinkornmaterialien (vorzugsweise beim Austritt aus dem Reduktionsofen, d.h. bei einer Temperatur oberhalb 500°C und besonders bevorzugt zwischen 800 und 1100°C) chargiert werden und ein Roheisenschmelzsumpf mit einer darüber liegenden Schicht aus nicht schäumender, flüssiger Schlacke bearbeitet wird. Das Umrühren des Schmelzsumpfes kann dabei durch Einblasen von Neutralgas (Stickstoff, Argon) durch den Ofenherd und/oder durch Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas mittels einer oder mehrerer Düsen erfolgen.

Der Schmelzsumpf wird durch das Einblasen von Gas sehr stark aufgerührt. Diese sehr intensive Aufrühren ermöglicht es, der Schmelze aus Metall+Schlacke eine gleichmäßige Temperatur zu verleihen und die Oberfläche der Schlackenschicht zu erneuern, damit sie überhitzt und gut flüssig bleibt und die vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien zu absorbieren vermag, ohne dass diese erstarren und eine solide Kruste bilden.

Erfolgt das Aufrühren des Schmelzsumpfes durch Einblasen von Neutral- oder Inertgas durch den Herd des Lichtbogenofens, liegt die Einblasrate des Inertgases beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise zwischen 50 l/min. t. (Liter pro Minute und pro Tonne Metallschmelze) und 150 l/min. t. Besonders bevorzugt liegt die Rührrate zwischen 80 und 120 l/min. t. Diese Raten sind je nach Höhe des Schmelzsumpfes und Zahl und Position der Einblasstellen anzupassen. Diese hohe Rührrate steht in keinem Verhältnis zum üblichen Ofenbetrieb. Die Rührrate bei klassischen Verfahren zur Herstellung von Stahl in einem Lichtbogenofen liegt nämlich im Bereich von 1 bis 10 l/min. t und dient lediglich dazu, die Schmelze zu homogenisieren und die metallurgischen Ergebnisse und die Temperatur zu regulieren.

Um die optimale Wirksamkeit des Aufrührens zu gewährleisten, muss der Schmelzsumpf eine gewisse Mindesthöhe haben, vorzugsweise eine Höhe von mindestens 0,3 m, um ein intensives Aufrühren des schmelzflüssigen Metallbades zu garantieren. Dabei ist dafür zu sorgen, dass durch das Einblasen des Rührgases durch den Ofenherd nicht nur einfach ein "Loch" in der Metallschmelze entsteht, ohne dass diese energisch bewegt würde. Diese Mindesthöhe kann selbstverständlich je nach Konfiguration des Lichtbogenofens und Lage der Mittel zum Einblasen von Gas, bei denen es sich vorzugsweise um poröse Ziegel oder auch Düsen handelt, variieren.

In besonders bevorzugter Weise werden die Mittel zum Einblasen von Rührgas nahe am Außenrand des Ofenherdes positioniert, d.h. seitlich am Boden der Schmelze, so dass die vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien, die am Ofenrand bleiben oder dazu neigen, dort zu agglomerieren, in den zwischen den Elektroden liegenden wärmeren mittleren Bereich bewegt werden.

Alternativ oder zusätzlich zum Aufrühren des Schmelzsumpfes durch Einblasen von Inertgas durch den Herd des Lichtbogenofens wird das Aufrühren des Schmelzsumpfes auch durch Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas mittels einer oder mehrerer Einblasdüsen durchgeführt. Beim Einblasen dieses sauerstoffhaltigen Gases (im folgenden "Primärsauerstoff" genannt) in den Schmelzsumpf mit einem eindringenden Strahl bilden sich gasförmige CO-Blasen durch Reaktion mit dem Kohlenstoff des Roheisens. Diese Freisetzung von CO im Flüssigmetall bewirkt Turbulenzen, die ein intensives Aufrühren von Schmelzsumpf und Schlacke sicherstellen.

Um die vorreduzierten Feinkornmaterialien bei ihrem Herabfallen in den Ofen zu schützen, werden sie mit einem Vorhang aus Inertgas umgeben, vorzugsweise Stickstoff oder Argon. Der vorzugsweise ringförmig ausgebildete Inertgasvorhang ermöglicht es, den seitlichen Abflug der Teilchen – bedingt durch die Saugwirkung des Ofens – und die Reoxidation der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien zu verringern, bevor diese die Schlackenschicht bzw. den Schmelzsumpf erreichen. Dabei wird vorzugsweise eine Stickstoffmenge von etwa 50 Nm3/h bis 200°Nm3/h eingesetzt, um den Schutzvorhang zu bilden und auf diese Weise die Überführung von ca. 10 bis 60 t/h vorreduziertes metallisches Feinkornmaterial mit etwa 50 % Eisen, das zu 60 bis 100 % metallisiert ist, zu sichern. Diese Werte hängen von zahlreichen Faktoren ab, wie zum Beispiel Ofengeometrie, Fallhöhe des Feinkornmaterials, Turbulenzen im Lichtbogenofen, etc. und sind entsprechend anzupassen.

Die Überführung der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien wird vorzugsweise im zwischen den Elektroden gelegenen mittleren Bereich des Lichtbogenofens durchgeführt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart wird Kohle mit einem Durchmesser von vorzugsweise 2 bis 20 mm den stark reduzierten metallischen Feinkornmaterialien vor deren Aufgabe in den Lichtbogenofen zugemischt. Die zugesetzte Kohlemenge hängt von der Kohlemenge in den vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien ab. Angestrebt wird dabei ein Überschuss an Kohlenstoff von 7 bis 15 % und vorzugsweise nahe 10 %. Auf diese Weise kann man ein Roheisen mit 3 – 3,5 % C, 0,01 – 0,05 % Si und 0,03 bis 0,06 % S je nach S-Gehalt der Kohle herstellen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsart umfasst der Schritt a) folgende Schritte:

  • a1) die metallischen Feinkornmaterialien werden in einen Mehretagenofen mit mehreren übereinander liegenden Etagen eingebracht und auf der oberen Etage des Mehretagenofens abgelegt,
  • a2) die metallischen Feinkornmaterialien werden schrittweise auf die unteren Etagen überführt,
  • a3) einer oder mehreren der unteren Etagen wird ein kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel in ausreichender Menge zugeführt, um die metallischen Feinkornmaterialien zu reduzieren und einen Überschuss an freiem Kohlenstoff sicherzustellen,
  • a4) der Mehretagenofen wird aufgeheizt und die metallischen Feinkornmaterialien werden im Kontakt mit dem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel und den durch das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel erzeugten Gasen bei geeigneten Temperaturen vorreduziert,
  • a5) der durch das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel erzeugte Gasüberschuss wird im Inneren des Mehretagenofens verbrannt und die dabei entstehende Wärme wird zum Trocknen und Vorwärmen der metallischen Feinkornmaterialien genutzt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsart werden zudem im Schritt a) und/oder im Schritt b) Schlackenbildner zugesetzt. Diese Schlackenbildner werden vorzugsweise aus der aus Kalk, Kalkstein und Magnesia sowie deren Gemischen bestehenden Gruppe gewählt.

Der Überschuss an Kohlenstoff liegt nach Beendigung des Schritts a) vorteilhaft zwischen 7 und 15 % und vorzugsweise nahe bei 10 %.

Das feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel wird unter Kohle oder flüssigen oder festen Erdölprodukten gewählt. Die im kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel enthaltenen flüchtigen Anteile werden während ihres Aufenthalts im Mehretagenofen beseitigt, wie auch zum Teil der Schwefel.

Ein Teil des überschüssigen Kohlenstoffs wird im Schritt d) verbraucht. Der überschüssige freie Kohlenstoff dient auch dazu, die Reduktionsreaktionen abzuschließen und das Roheisen aufzukohlen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung soll die Produktion des Lichtbogenofens erhöht werden, wobei die Leistung der Lichtbogen durch die Bogenspannung aufgrund der realisierbaren Länge des "unterdrückten" Lichtbogens begrenzt ist.

Anstatt den überschüssigen Kohlenstoff der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien mit spontanen Lufteintritten im Lichtbogenofen "unnötig verbrennen" zu lassen mit der Gefahr, dass die metallischen Feinkornmaterialien erstarren und eine unüberwindbare Kruste bilden, ist es von Vorteil, ihn mit einem maximalen Energiewirkungsgrad zu nutzen, um die Produktivität des Lichtbogenofens zu erhöhen.

Selbstverständlich muss man, wenn die stündliche Roheisenproduktionskapazität des Lichtbogenofens erhöht werden soll, die in den Lichtbogenofen eingebrachte Menge metallischer Feinkornmaterialien erhöhen. Durch diese Erhöhung der Menge metallischer Feinkornmaterialien erhöht sich auch die Gefahr, dass sich Krusten bilden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von flüssigem Roheisen in einem weiter oben beschriebenen Lichtbogenofen, in welchem eine oder mehrere Nachverbrennungslanzen angeordnet sind – eventuell in Verbindung mit einer oder mehreren Primärsauerstoffeinblasdüsen – die Brenner bilden, deren Leistung mit der Leistung von Lichtbogen vergleichbar ist. Diese Einblasdüsen liefern Nachverbrennungsgasstrahlen, vorzugsweise zwischen den Lichtbogen und besonders bevorzugt auf dem Elektrodenkreis ("electrode pitch cercle").

Dabei ist es vorteilhaft, die Nachverbrennungsgasstrahlen so zu orientieren, dass die Schlacke in den zwischen den Elektroden gelegenen mittleren Bereich des Lichtbogenofens getrieben wird. Dadurch wird das Durchrühren der Schlacke erheblich verstärkt und ermöglicht, dass sich in dem Bereich, wo die metallischen Feinkornmaterialien auftreffen, stets heftig bewegte, überhitzte Schlacke befindet. Denn ohne dieses Einblasen von Nachverbrennungsgas entstehen die Turbulenzen in der Schlacke eher indirekt über das Aufrühren Schmelzsumpfes durch Einblasen von Neutralgas durch den Herd des Lichtbogenofens und/oder über das Einblasen von Primärsauerstoff in den Schmelzsumpf mittels einer oder mehrerer Einblasdüsen. Dadurch, dass Nachverbrennungsgas direkt in die Schlackenschicht eingeblasen wird, ist die Möglichkeit gegeben, die Schlackenbewegungen im Lichtbogenofen besser zu kontrollieren und zu orientieren, das Schmelzen der metallischen Feinkornmaterialien zu beschleunigen und die Gefahr zu verringern, dass die nicht geschmolzenen metallischen Feinkornmaterialien an die Ofenwand getrieben werden und daran haften bleiben.

Einer der Vorteile des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass der Betrieb beider Reaktoren optimiert wird. Denn dadurch, dass ein vorreduziertes Material mit überschüssigem freien Kohlenstoff erzeugt wird, wird die Reduktionsgeschwindigkeit erhöht und der Metallisierungsgrad angehoben.

Um diesen Überschuss an freiem Kohlenstoff zu erhalten, muss im Reduktionsschritt eine geeignete Menge von kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel zugesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil des überschüssigen freien Kohlenstoffs im vorreduzierten Eisen liegt darin, dass die Temperaturen in den Reduktionsetagen des Reduktionsreaktors sehr hoch sind und somit die flüchtigen Anteile und der Schwefel des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels, im vorliegenden Fall Kohle, weitgehend beseitigt werden. Es stellte sich heraus, dass beim Schmelzschritt Kohle ohne flüchtige Anteile in der Roheisenschmelze leichter löslich ist als Kohle mit flüchtigen Anteilen. Und dadurch, dass das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel während seines Aufenthalts im Innern des Reduktionsreaktors sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, verringert sich auch der Schwefelgehalt erheblich. Das so gewonnene Roheisen weist dann geringere Schwefelgehalte auf. Selbstverständlich hätte man während des Schmelzens der vorreduzierten Eisenteilchen Koks anstatt Kohle einsetzen können, um eine bessere Löslichkeit des Kohlenstoffs zu erhalten. Allerdings erhöhen sich durch den Einsatz von Koks anstatt Kohle die Produktionskosten und das Problem des Schwefels wird dadurch nicht gelöst. Koks enthält nämlich keine flüchtigen Bestandteile; allerdings enthält er weitgehend die gleiche Menge Schwefel wie die bei seiner Herstellung verwendete Kohle.

Der überschüssige Kohlenstoff wird im Schmelzofen verbrannt und ermöglicht es daher, elektrische Energie beim Einschmelzen der Eisenteilchen einzusparen.

Dadurch, dass das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel nur im Bereich der letzten Etagen des Mehretagenofens zugesetzt wird, kann die Restwärme der Gase dazu genutzt werden, die Eisenerzteilchen zu trocknen und vorzuwärmen und das Kohlenmonoxid vollständig zu verbrennen. Eine separate Nachverbrennung ist nicht notwendig. Zudem wird durch die hohe Temperatur in den letzten Etagen der Schwefelgehalt im freien Kohlenstoff weiter herabgesetzt.

Es handelt sich also nicht um zwei nebeneinander gestellte Verfahren, sondern um eine Interaktion zwischen den beiden Verfahren, welche unerwartete Vorteile mit sich bringt.

Weitere Besonderheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungsart, die nachstehend zur Erläuterung unter Bezugnahme auf die Zeichnung angegeben ist. Dabei zeigen:

1: eine Schnittansicht eines Lichtbogenofens für die Herstellung von flüssigem Roheisen nach einer ersten Ausführungsart der Erfindung,

2: eine Schnittansicht eines Lichtbogenofens für die Herstellung von flüssigem Roheisen nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung,

3 eine Draufsicht auf einen Lichtbogenofen nach 2.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Lichtbogenofens für die Herstellung von flüssigem Roheisen nach einer ersten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.

Es ist ein Lichtbogenofen 10 dargestellt, der einen Ofenschacht 12 und eine Ofenabdeckung 14 aufweist, durch die drei Elektroden 16 geführt sind. Diese Elektroden 16 können Lichtbogen von etwa zwanzig Zentimetern mit einer Leistung von jeweils etwa 4 MW erzeugen. In der Mitte dieser drei Elektroden 16 ist die Überführungsvorrichtung 18 für die vorreduzierten Feinkornmaterialien angeordnet. Diese Vorrichtung 18 weist zum einen eine Stürzvorrichtung auf, um die vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien in den Ofen 12 zu überführen, und zum anderen eine Einblasdüse zum Einblasen eines Stickstoffvorhangs 20, der die vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien während ihres Herabfallens in den Ofen umgibt.

Der Auftreffpunkt der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien befindet sich zwischen den drei Elektroden 16, d.h. an der wärmsten Stelle des Lichtbogenofens 12. Beim Auftreffen auf die nicht schäumende Schlackenschicht 22, die auf der Metallschmelze 24 schwimmt, werden die vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien sofort in diese eingebunden und schmelzen schnell.

Der Herd 26 des Ofenschachts 12 ist mit mehreren porösen Ziegeln 28 versehen, durch die eine große Menge Rührgas 30 eingeblasen wird. Die durch das Einblasen dieses Gases 30 durch die Schmelze 24 hindurch erzeugten Turbulenzen verhindern, dass die vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien agglomerieren und Krusten bilden.

2 zeigt eine Schnittansicht eines Lichtbogenofens für die Herstellung von flüssigem Roheisen nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung. 3 zeigt eine Draufsicht auf diesen Lichtbogenofen.

In diesem Lichtbogenofen 10' mit zentraler Beschickung durch Schwerkraft sind drei Nachverbrennungslanzen 32 in Verbindung mit drei Primärsauerstoffeinblasdüsen 32' angeordnet, die Brenner, deren Leistung mit der Leistung der Lichtbogen vergleichbar ist, zwischen den Lichtbogen 33 auf dem Elektrodenkreis ("electrode pitch cercle") bilden. Die Primärsauerstoffstrahlen 34 aus den Einblasdüsen 32' sind eindringende Strahlen, die in Richtung Schmelzsumpf 24 orientiert sind. Beim Eindringen des Sauerstoffs in das Flüssigmetall reagiert der Sauerstoff mit dem in der Schmelze enthaltenen Kohlenstoff und setzt gasförmiges CO frei. Diese CO-Emanation erzeugt starke Turbulenzen im Schmelzsumpf und in der darüber schwimmenden Schlackenschicht.

Die Nachverbrennungslanzen 32 blasen jeweils einen Nachverbrennungssauerstoffstrahl 36 oder Sekundärsauerstoffstrahl in die Schlackenschicht 22 ein. Diese Sekundärsauerstoffstrahlen 36 sind weicher, weniger eindringend als die Primärsauerstoffstrahlen 34 und ermöglichen es, das infolge des Einblasens von Primärsauerstoff aus dem Schmelzsumpf 24 kommende CO zu verbrennen. Das CO wird also in der Schlackenschicht 22 verbrannt. Dies führt zu einer örtlichen Überhitzung der Schlacke. Die Nachverbrennungssauerstoffstrahlen 36 sind so orientiert, dass der Schlacke entgegengesetzte Impulse zu denen der Lichtbogen aufgeprägt werden, um das Aufrühren der Schlacke zu verstärken und die Schlacke in die Mitte des Lichtbogenofens zu treiben. Die Schlackenbewegung, die einerseits durch die Lichtbogen 33 und andererseits durch die Nachverbrennungssauerstoffstrahlen 36 bewirkt wird, ist in 3 mit Hilfe der Pfeile 38 dargestellt. Dadurch wird das Einschmelzen der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien beschleunigt und somit vermieden, dass sie agglomerieren und an die Wand des Lichtbogenofens getrieben werden und daran haften bleiben.

Beispiel 1:

Bei einer gegebenen elektrischen Leistung, die beispielsweise auf 12 MW begrenzt ist, ermöglicht es somit der Einsatz von zusätzlichem freien Kohlenstoff und Sauerstoff:

  • – entweder mindestens doppelt so viel metallische Feinkornmaterialien oder (DRI) zu schmelzen,
  • – oder weniger metallisierte metallische Feinkornmaterialien oder (DRI) aufzugeben – unabhängig von der eingesetzten Technologie.

Beim Etagenofen könnte die Herstellung von 54 oder 57 t/h DRI mit 60 % Metallisierung durch einen Ofen mit einer Kapazität gewährleistet werden, die 50 % der Kapazität entspricht, die nötig wäre, um 50 t/h DRI herzustellen, die zu 90 % metallisiert sind.

Ferner ist in der letzten Zeile von Tabelle 1 die Möglichkeit dargestellt, zusätzlichen Kohlenstoff in Form von freiem Kohlenstoff zuzugeben, der in DRI überschüssig ist.

Tabelle 1: Zahlenangaben für das Einschmelzen von bei 1000°C schmelzflüssig aufgegebenen DRI mit 3 % C, Abstich bei 1500°C:
10Lichtbogenofen 12Ofenschacht 14Ofenabdeckung 16Elektroden 18Überführungsvorrichtung 20Stickstoffvorhang 22Schlackenschicht 24Metallschmelze 26Ofenherd 28Poröse Ziegel 30Inertgas 32Nachverbrennungslanzen 32'Primärsauerstoffeinblasdüsen 33Lichtbogen 34Primärsauerstoffstrahlen 36Nachverbrennungssauerstoffstrahlen 38Schlackenbewegung

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Erzeugung flüssigen Roheisens in einem elektrischen Lichtbogenofen, welcher mehrere Elektroden aufweist, mit einem Herd ausgerüstet ist und einen Schmelzsumpf mit darüber gebildeter, nicht schäumender, flüssiger Schlacke, enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

    a) Reduktion metallischer Feinkornmaterialien zur Bildung vorreduzierter metallischer Feinkornmaterialien mit einem Überschuss an freiem Kohlenstoff,

    b) Heißüberführung der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien in einem Inertgasvorhang in einen im elektrischen Lichtbogenofen enthaltenen Schmelzsumpf,

    c) Umrühren des Schmelzsumpfes durch Einblasen von Gas, um die Bildung von Krusten zu verhindern,

    d) Schmelzen der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien im elektrischen Lichtbogenofen zur Gewinnung des flüssigen Roheisens.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien durch Schwerkraft erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführung der vorreduzierten metallischen Feinkornmaterialien in einem Bereich zwischen den Elektroden des elektrischen Lichtbogenofens erfolgt.
  4. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umrühren des Schmelzsumpfes durch Einblasen von Neutralgas durch den Herd des elektrischen Lichtbogenofens mit einer Einblasrate zwischen 50 l/min. t und 150 l/min. t und vorzugsweise mit einer Einblasrate zwischen 80 und 120 l/min. t erfolgt.
  5. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umrühren des Schmelzsumpfes durch ein Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in den Schmelzsumpf mittels einer oder mehrerer Düsen erfolgt.
  6. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) folgende Schritte umfasst:

    a1) die metallischen Feinkornmaterialien werden in einen Mehretagenofen mit mehreren übereinander liegenden Etagen eingebracht und auf der oberen Etage des Mehretagenofens abgelegt,

    a2) die metallischen Feinkornmaterialien werden schrittweise auf die unteren Etagen überführt,

    a3) einer oder mehreren der unteren Etagen wird ein kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel in ausreichender Menge zugeführt, um die metallischen Feinkornmaterialien zu reduzieren und einen Überschuss an freiem Kohlenstoff sicherzustellen,

    a4) der Mehretagenofen wird aufgeheizt und die metallischen Feinkornmaterialien werden im Kontakt mit dem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel und den durch das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel erzeugten Gasen bei geeigneten Temperaturen vorreduziert,

    a5) der durch das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel erzeugte Gasüberschuss wird im Inneren des Mehretagenofens verbrannt und die dabei entstehende Wärme wird zum Trocknen und Vorwärmen der metallischen Feinkornmaterialien genutzt.
  7. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt a) oder Schritt b) Schlackenbildner zugesetzt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlackenbildner aus der aus Kalk, Kalkstein und Magnesia sowie deren Gemischen bestehenden Gruppe gewählt sind.
  9. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschuss an Kohlenstoff zwischen 7 und 15 % und vorzugsweise nahe bei 10 % liegt.
  10. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel Kohle ist.
  11. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flüchtigen Anteile des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels im Schritt a) beseitigt werden.
  12. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der überschüssige Kohlenstoff im Schritt d) verbraucht wird.
  13. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der überschüssige Kohlenstoff durch Einblasen eines sauerstoffhaltigen Nachverbrennungs-Gasstrahls in die Schlacke mittels einer oder mehrerer Lanzen verbraucht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Gasstrahlen so orientiert sind, dass eine Bewegung der Schlacke zu den Elektroden des elektrischen Lichtbogenofens hin erzeugt wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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