PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69830924T2 06.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001034311
Titel DIREKTSCHMELZVERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON METALLEN AUS METALLOXIDEN
Anmelder Technological Resources Pty. Ltd., Melbourne, Victoria, AU
Erfinder DRY, James, Rodney, City Beach, AU
Vertreter Kador & Partner, 80469 München
DE-Aktenzeichen 69830924
Vertragsstaaten AT, BE, DE, ES, FR, GB, IT, LU, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.09.1998
EP-Aktenzeichen 989435888
WO-Anmeldetag 23.09.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/AU98/00793
WO-Veröffentlichungsnummer 0099016911
WO-Veröffentlichungsdatum 08.04.1999
EP-Offenlegungsdatum 13.09.2000
EP date of grant 20.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.04.2006
IPC-Hauptklasse C21B 11/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C21B 11/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22B 5/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Metall (dieser Begriff schließt Metallegierungen ein), insbesondere, obwohl nicht ausschließlich von Eisen, aus einem metallhaltigen Beschickungsmaterial, wie Erzen, teilweise reduzierten Erzen und metallhaltigen Abfallströmen, in einem metallurgischen Gefäß, das ein Schmelzbad enthält.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einem Bad aus geschmolzenem Metall basierendes Direktschmelzverfahren zum Erzeugen einer Metallschmelze aus einem metallhaltigen Beschickungsmaterial.

Das am häufigsten angewendete Verfahren zum Erzeugen einer Metallschmelze basiert auf der Verwendung eines Hochofens. Festes Material wird in die Oberseite des Ofens eingeführt, und geschmolzenes Eisen wird aus dem Herd abgestochen. Das feste Material schließt Eisenerz (in Sinter-, Stück- oder Pelletform), Koks und Flußmittel ein und bildet einen permeablen Möller, der sich nach unten bewegt. Vorgewärmte Luft, die mit Sauerstoff angereichert sein kann, wird in den Boden des Ofens eingeblasen und bewegt sich durch die permeable Schicht nach oben und erzeugt durch die Verbrennung des Koks Kohlenmonoxid und Wärme. Das Ergebnis dieser Reaktionen besteht in der Erzeugung von geschmolzenem Eisen und Schlacke.

Ein Verfahren, das Eisen produziert, indem Eisenerz unterhalb des Schmelzpunktes des erzeugten Eisens reduziert wird, wird allgemein als "Direktreduktionsverfahren" klassifiziert, und das Produkt wird als DRI bezeichnet.

Das FIOR-Verfahren (Reduktionsverfahren in der Wirbelschicht) stellt ein Beispiel eines Direktreduktionsverfahrens dar. Das Verfahren reduziert Eisenerzfeinstoffe, da die Feinstoffe aufgrund der Schwerkraft durch jeden Reaktor in einer Reihe von Wirbelschichtreaktoren geleitet werden. Die Feinstoffe werden durch komprimiertes reduzierendes Gas reduziert, das den Boden des untersten Reaktors in dieser Reihe betritt und im Gegenstrom zur Abwärtsbewegung der Feinstoffe strömt.

Andere Direktreduktionsverfahren schließen auf einem Drehschachtofen basierende Verfahren, auf einem stationären Schachtofen basierende Verfahren, auf einem Drehherd basierende Verfahren, auf einem Drehrohrofen basierende Verfahren und auf einer Retorte bzw. einer Kammer basierende Verfahren ein.

Das COREX-Verfahren erzeugt eine Eisenschmelze direkt aus Kohle, ohne daß der Hochofen Koks benötigt. Dieser Prozeß schließt ein zweistufiges Verfahren ein, bei dem:

  • (a) DRI in einem Schachtofen aus einer permeablen Eisenschicht (in Stück- oder Pelletform), Kohle und Flußmitteln erzeugt wird; und
  • (b) das DRI dann ohne Kühlen in einen eingebundenen Schmelzer-Vergaser eingeführt wird.

Die teilweise Verbrennung der Kohle im Wirbelbett des Schmelzer-Vergasers erzeugt reduzierendes Gas für den Schachtofen.

Eine andere bekannte Gruppe von Verfahren zur Erzeugung einer Eisenschmelze basiert auf Zyklonkonvertern, in denen Eisenerz durch die Verbrennung von Sauerstoff und reduzierendem Gas in einem oberen schmelzenden Zyklon geschmolzen wird und in einem unteren Schmelzer geschmolzen wird, der ein Eisenschmelzebad enthält. Der untere Schmelzer erzeugt das reduzierende Gas für den oberen schmelzenden Zyklon.

Ein Verfahren, das eine Metallschmelze direkt aus Erzen erzeugt, wird als "Direktschmelzverfahren" bezeichnet.

Eine bekannte Gruppe von Direktschmelzverfahren basiert auf der Verwendung von Elektroöfen als hauptsächliche Energiequelle für die Schmelzreaktionen.

Ein anderes bekanntes Direktschmelzverfahren, das allgemein als Romelt-Prozeß bezeichnet wird, basiert auf der Verwendung eines stark bewegten Schlackebades mit einem großen Volumen als Medium zum Schmelzen der von oben eingeführten Metalloxide zu Metall und für die Nachverbrennung der gasförmigen Reaktionsprodukte und falls erforderlich die Wärmeübertragung, damit das Schmelzen der Metalloxide andauert. Der Romelt-Prozeß schließt das Einblasen von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder von Sauerstoff in die Schlacke durch eine untere Reihe von Düsen, damit für das Bewegen der Schlacke gesorgt wird, und das Einblasen von Sauerstoff in die Schlacke durch eine obere Reihe von Düsen ein, damit die Nachverbrennung gefördert wird. Bei diesem Romelt-Prozeß stellt die Metallschicht kein wichtiges Reaktionsmedium dar.

Eine andere bekannte Gruppe von Direktschmelzverfahren, die auf Schlacke basieren, wird allgemein als "Tiefenschlacke"-Verfahren bezeichnet. Diese Verfahren, wie die DIOS- und AISI-Prozesse, basieren auf der Erzeugung einer tiefen Schlackeschicht mit drei Bereichen, und zwar: einem oberen Bereich für die Nachverbrennung der Reaktionsgase mit eingeblasenem Sauerstoff, einem unteren Bereich zum Schmelzen der Metalloxide zu Metall; und einem dazwischenliegenden Bereich, der den oberen und den unteren Bereich trennt. Wie beim Romelt-Prozeß stellt die Metallschicht unter der Schlackeschicht kein wichtiges Reaktionsmedium dar.

Ein anderes bekanntes Direktschmelzverfahren, das auf einer Schicht einer Metallschmelze als Reaktionsmedium beruht und allgemein als HIsmelt-Prozeß bezeichnet wird, ist in der Internationalen Anmeldung PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) im Namen des Anmelders beschrieben.

Der in dieser Internationalen Anmeldung beschriebene HIsmelt-Prozeß umfaßt:

  • (a) Erzeugen eines Bades aus Eisenschmelze und Schlacke in einem Gefäß;
  • (b) Einblasen in das Bad:
  • (i) von metallhaltigem Beschickungsmaterial, typischerweise Metalloxide; und
  • (ii) von einem festen kohlehaltigen Material, typischerweise Kohle, das als Reduktionsmittel der Metalloxide und als Energiequelle wirkt; und
  • (c) Schmelzen des metallhaltigen Beschickungsmaterials in der Metallschicht zu Metall.

Der HIsmelt-Prozeß umfaßt auch die Nachverbrennung der Reaktionsgase, wie CO und H2, die aus dem Bad freigesetzt werden, im Raum über dem Bad mit sauerstoffhaltigem Gas und die Übertragung der durch die Nachverbrennung erzeugten Wärme auf das Bad, wodurch zu der Wärmeenergie beigetragen wird, die erforderlich ist, um die metallhaltigen Beschickungsmaterialien zu schmelzen.

Der HIsmelt-Prozeß umfaßt auch die Bildung einer Übergangszone über der nominell ruhigen Oberfläche des Bades, in der es aufsteigende und danach absinkende Tropfen oder Spritzer oder Ströme des geschmolzenen Metalls und/oder der Schlacke gibt, die ein wirksames Medium bilden, um die Wärmeenergie, die durch die Nachverbrennung der Reaktionsgase über dem Bad erzeugt worden ist, auf das Bad zu übertragen.

Der HIsmelt-Prozeß, wie er in dieser Internationalen Anmeldung beschrieben ist, ist durch die Bildung der Übergangszone gekennzeichnet, in dem ein Trägergas und metallhaltiges Beschickungsmaterial und/oder festes kohlehaltiges Material und/oder ein anderes festes Material durch einen Abschnitt der Seite des Gefäßes, die mit dem Bad in Kontakt steht, und/oder von oberhalb des Bades in das Bad eingeblasen wird, so daß das Trägergas und das feste Material in das Bad eindringen und dazu führen, daß geschmolzenes Metall und/oder Schlacke in den Raum über der Oberfläche des Bades herausgeschleudert werden.

Der HIsmelt-Prozeß, wie er in dieser Internationalen Anmeldung beschrieben ist, stellt eine Verbesserung gegenüber früheren Formen des HIsmelt-Prozesses dar, die die Übergangszone bilden, indem Gas und/oder kohlehaltiges Material von unten in das Bad eingeblasen werden, was dazu führt, daß Tropfen und Spritzer und Ströme und geschmolzenes Material und Schlacke aus dem Bad herausgeschleudert werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Direktschmelzverfahrens zum Erzeugen von Metallen aus Metalloxiden (einschließlich teilweise reduzierten Metalloxiden).

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Direktschmelzverfahren zum Erzeugen von Metallen aus Metalloxiden (einschließlich teilweise reduzierten Metalloxiden) bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 angegeben ist.

Typischerweise stellt das geschmolzene Metall einen wesentlichen Teil und die Schlacke den restlichen Teil des geschmolzenen Materials in den Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials aus der Metallschicht dar. Typischerweise reißen die Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials weiteres geschmolzenes Material (insbesondere Schlacke) mit, wenn sie sich nach oben bewegen. Außerdem verlieren die Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials immer mehr ihren Impuls und fallen nach unten zur Metallschicht. Angesichts der höheren Dichte des Metalls im Vergleich zur Schlacke nimmt die relative Menge des Metalls im geschmolzenen Material in den Spritzern, Tropfen und Strömen mit dem Abstand zur Metallschicht bis zu einem Punkt ab, an dem die Übergangszone falls überhaupt nur geringe Mengen Metall einschließen kann.

Die Aufwärtsbewegung der Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials aus der Metallschicht sichert das starke Vermischen des Metalls in der Schlackeschicht. Das Einblasen von festem kohlehaltigem Material in die Metallschicht sichert große Mengen von gelöstem Kohlenstoff im Metall, das mit der Schlackeschicht gemischt wird. Als Folge des gelösten Kohlenstoffs im Metall in der Schlackeschicht und des starken Vermischens des Metalls in der Schlackeschicht weist die Schlackeschicht die erwünschten geringen Mengen von FeO (d.h. weniger als 8 Gew.-%) in der Schlacke auf.

Der Begriff "Schmelzen" steht hier für eine Wärmebehandlung, bei der chemische Reaktionen stattfinden, die Metalloxide reduzieren, wodurch flüssiges Metall erzeugt wird.

Der Begriff "Metallschicht" steht hier für den Bereich des Bades, der vorwiegend aus Metall ist. Insbesondere deckt der Begriff einen Bereich oder eine Zone ab, der bzw. die eine Dispersion von geschmolzener Schlacke im durchgängigen Metallvolumen einschließt.

Der Begriff "Schlackeschicht" soll hier für den Bereich des Bades stehen, der vorwiegend aus Schlacke ist. Insbesondere deckt dieser Begriff einen Bereich oder eine Zone ab, der bzw. die eine Dispersion des geschmolzenen Materials im durchgängigen Schlackevolumen einschließt.

Der Begriff "ruhige Oberfläche" steht im Zusammenhang mit dem Schmelzbad für die Oberfläche des Schmelzbades bei Verfahrensbedingungen, bei denen es kein Einblasen von Gas/Feststoffen und folglich keine Bewegung des Bades gibt.

Der Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades wird hier nachstehend als "oberer Raum" bezeichnet.

Es ist bevorzugt, daß die Menge des im Metall gelösten Kohlenstoffs mehr als 4 Gew.-% beträgt.

Es ist bevorzugt, daß die Konzentration von FeO in der Schlackeschicht unter 6 Gew.-% und stärker bevorzugt unter 5 Gew.-% liegt.

Es ist bevorzugt, daß das Verfahren ferner umfaßt, daß die Menge des in die Metallschicht eingeblasenen festen kohlehaltigen Materials so ausgewählt wird, daß sie größer als die ist, die zum Schmelzen der metallhaltigen Beschickung und für die Erzeugung der Wärme erforderlich ist, damit die Reaktionsraten aufrechterhalten werden, so daß der im das Gefäß verlassenden Abgas mitgerissene Staub mindestens 5 Gew.-% überschüssigen Kohlenstoff enthält.

Es ist bevorzugt, daß die Konzentration des festen Kohlenstoffs im Staub im Abgas aus dem Gefäß bei einer Stauberzeugungsrate von 10 bis 50 g/Nm3 im Abgas im Bereich von 5 bis 90 Gew.-% (stärker bevorzugt 20 bis 50 Gew.-%) des Gewichts des Staubs im Abgas liegt.

Der Schritt (e) des Verfahrens arbeitet vorzugsweise bei hohen Werten der primären Nachverbrennung.

Der Begriff "primäre Nachverbrennung" bedeutet:

wobei:

[CO2] = Vol.-% von CO2 im Abgas;

[H2O] = Vol.-% von H2O im Abgas;

[CO] = Vol.-% von CO im Abgas; und

[H2] = Vol.-% von H2 im Abgas.

Insbesondere bedeutet der Begriff "primäre Nachverbrennung" auch die Nachverbrennung, die durch das Schmelzverfahren ohne irgendeinen Zusatz von ergänzendem kohlehaltigem Material für andere Zwecke entsteht.

In einigen Fällen kann eine zusätzliche Quelle von festem oder gasförmigem kohlehaltigem Material (wie Kohle oder Erdgas) in das Abgas aus dem Gefäß eingeblasen werden, um Wärmeenergie in Form von chemischer Energie einzufangen.

Ein Beispiel für dieses zusätzliche Einblasen von kohlehaltigem Material ist das Einblasen von Erdgas, das das Abgas crackt und reformiert und somit abkühlt, womit dessen Heizwert erhöht wird.

Das ergänzende kohlehaltige Material kann in den oberen Bereichen (reaches) des Gefäßes oder in der Abgasleitung, nachdem das Abgas das Gefäß verlassen hat, zugesetzt werden.

Der Zusatz von ergänzendem kohlehaltigem Material kann dazu dienen, die primäre Nachverbrennung so zu verringern, daß sie vom hauptsächlichen Schmelzverfahren im Gefäß praktisch unabhängig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einer primären Nachverbrennung von mehr als 40% durchgeführt werden.

Vorzugsweise arbeitet das Verfahren bei einer primären Nachverbrennung von mehr als 50%.

Stärker bevorzugt arbeitet das Verfahren bei einer primären Nachverbrennung von mehr als 60%.

Die im vorstehenden Schritt (d) (ii) gebildete Übergangszone ist aus drei Gründen wichtig.

Erstens stellen die aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials ein wirksames Mittel dar, um die durch die Nachverbrennung der Reaktionsgase im oberen Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Bades erzeugte Wärme auf das Schmelzbad zu übertragen.

Zweitens stellt das geschmolzene Material und insbesondere die Schlacke in der Übergangszone ein wirksames Mittel dar, um den Wärmeverlust durch Strahlung über die Seitenwände des Gefäßes zu minimieren.

Drittens vermindert der kohlehaltige Staub in der Übergangszone den Wärmeverlust durch Strahlung auf die Seitenwände des Gefäßes.

Ein grundsätzlicher Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und herkömmlichen Verfahren besteht darin, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren der hauptsächliche Schmelzbereich die Metallschicht ist und der hauptsächliche Bereich der Gasoxidation (d.h. der Wärmeerzeugung) von der Metallschicht getrennt ist und insbesondere in der Übergangszone liegt und diese Bereiche räumlich ausreichend getrennt sind und die Wärmeübertragung durch die körperliche Bewegung des geschmolzenen Materials zwischen diesen beiden Bereichen erfolgt.

Die Aufwärtsbewegung der Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials, insbesondere Schlacke, die die Übergangszone bildet, entsteht vorzugsweise durch Einblasen von metallhaltigem Beschickungsmaterial und/oder kohlehaltigem Material in einem Trägergas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse, die sich nach unten in Richtung der Metallschicht erstreckt.

Wie vorstehend festgestellt erstreckt sich stärker bevorzugt die eine oder mehr als eine Lanze/Düse durch die Seitenwände des Gefäßes und ist in einem Winkel nach innen und unten zur Metallschicht ausgerichtet.

Dieses Einblasen des festen Materials zur und danach in die Metallschicht hat die nachstehenden Folgen.

  • (a) Der Impuls des festen Materials/Trägergases bewirkt, daß das feste Material und das Gas in die Metallschicht eindringen;
  • (b) das kohlehaltige Material, typischerweise Kohle, wird von flüchtigen Bestandteilen befreit und erzeugt dadurch Gas in der Metallschicht;
  • (c) Kohlenstoff löst sich vorwiegend im Metall und bleibt teilweise als Feststoff zurück;
  • (d) das metallhaltige Material wird durch den von der eingeblasenen Kohle stammenden Kohlenstoff zu Metall geschmolzen, wie es vorstehend im Punkt (c) beschrieben ist, und diese Schmelzreaktion erzeugt gasförmiges Kohlenmonoxid; und
  • (e) die in die Metallschicht transportierten und durch das Entfernen der flüchtigen Bestandteile und das Schmelzen erzeugten Gase rufen eine signifikante Auftriebsbewegung des geschmolzenen Materials, und zwar des geschmolzenen Metalls (das gelösten Kohlenstoff einschließt) und der geschmolzenen Schlacke (die als Folge des Einblasens von Feststoff/Gas von oberhalb der Metallschicht in die Metallschicht gezogen wird) und von festem Kohlenstoff aus der Metallschicht hervor, was zu einer Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials führt, und diese Spritzer, Tropfen und Ströme reißen weitere Schlacke mit, wenn sie sich durch die Schlackeschicht bewegen.

Eine andere Möglichkeit, obwohl keinesfalls die einzige andere Möglichkeit, die Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials hervorzurufen, besteht im Einblasen des metallhaltigen Beschickungsmaterials und des kohlehaltigen Materials durch eine oder mehr als eine Düse im Boden des Gefäßes oder in den Seitenwänden des Gefäßes, die mit der Metallschicht in Kontakt stehen.

Das Einblasen von metallhaltigem Beschickungsmaterial und kohlehaltigem Material kann durch die gleiche oder eine getrennte Lanze(n)/Düse(n) erfolgen.

Es ist bevorzugt, wenn das Einblasen des Trägergases und des kohlehaltigen Materials und/oder der metallhaltigen Beschickung und/oder eines anderen festen Materials in das Bad ausreichend ist, damit Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials fontänenartig in den Raum über dem Bad herausgeschleudert werden.

Das metallurgische Gefäß weist vorzugsweise folgendes auf:

  • (a) die vorstehend beschriebenen Lanzen/Düsen zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas und Lanzen/Düsen zum Einblasen von festen Materialien, wie metallhaltigem Material, kohlehaltigem Material (typischerweise Kohle) und Flußmitteln, in das Gefäß;
  • (b) Abstichlöcher für die Abgabe der Metallschmelze und der Schlacke aus dem Gefäß; und
  • (c) einen oder mehrere Abgasauslässe.

Das metallhaltige Beschickungsmaterial kann in irgendeiner geeigneten Form vorliegen. Zum Beispiel kann es in Form von Erzen, teilweise reduzierten Erzen, DRI (direkt reduziertes Eisen), Eisencarbid, Walzschlacke, Hochofenstaub, Sinterfeinstoffen, BOF-Staub oder eines Gemischs solcher Materialien vorliegen.

Im Falle von teilweise reduzierten Erzen kann der Vorreduktionsgrad im Bereich von relativ geringen Werten (z.B. zu FeO) bis zu relativ hohen Werten (z.B. eine Metallisierung von 70 bis 95%) liegen.

In diesem Zusammenhang schließt das Verfahren ferner das teilweise Reduzieren von metallhaltigen Erzen und danach das Einblasen der teilweise reduzierten Erze in die Metallschicht ein.

Das metallhaltige Beschickungsmaterial kann vorgewärmt werden.

Das Trägergas kann irgendein geeignetes Trägergas sein.

Es ist bevorzugt, daß das Trägergas ein Gas mit Sauerstoffmangel ist.

Es ist bevorzugt, daß das Trägergas Stickstoff umfaßt.

Das sauerstoffhaltige Gas kann Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft sein, die bis zu 40 Vol.-% Sauerstoff enthält.

Es ist bevorzugt, daß das sauerstoffhaltige Gas Luft ist.

Es ist besonders bevorzugt, daß die Luft vorgewärmt wird.

Die vorliegende Erfindung wird ferner anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die eine senkrechte Schnittansicht durch ein metallurgisches Gefäß zeigt, die eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch erläutert.

Die folgende Beschreibung steht im Zusammenhang mit dem Schmelzen von Eisenerz, um eine Eisenschmelze zu produzieren, und es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt ist und bei irgendwelchen geeigneten Metallerzen und/oder Konzentraten – einschließlich teilweise reduzierten Metallerzen und Abfallmaterialien – angewendet werden kann.

Das in der Zeichnung gezeigte Gefäß weist eine Unterseite 3, Seitenwände 5, die ein im allgemeinen zylindrisches Gefäß bilden, ein Gewölbe 7, einen oberen Auslaß 9 für Abgase und Abstichlöcher (nicht gezeigt) für die Abgabe von Metall und Schlacke auf.

Die Unterseite 3 und der untere Abschnitt 8 der Seitenwände 5 sind aus einem hitzebeständigen Material gebildet.

Das Gewölbe 7 und der obere Abschnitt 10 der Seitenwände 5 sind aus wassergekühlten Platten gebildet. Die Platten sind in der vorläufigen Australischen Anmeldung PP4426 des Anmelders ausführlich beschrieben, und auf die Beschreibung in dieser Anmeldung wird hier als Querverweis Bezug genommen.

Bei Verwendung enthält das Gefäß ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke, das eine Schicht 15 aus geschmolzenem Metall und eine Schicht 16 aus geschmolzener Schlacke auf der Metallschicht 15 einschließt. Der mit der Bezugsziffer 17 bezeichnete Pfeil kennzeichnet die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Metallschicht 15, und der mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnete Pfeil bezeichnet die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Schlackeschicht 16. Der Begriff "ruhige Oberfläche" soll für die Oberfläche stehen, wenn kein Gas und keine Feststoffe in das Gefäß eingeblasen werden.

Das Gefäß schließt auch zwei Lanzen/Düsen 11 zum Einblasen von Feststoffen ein, die sich nach unten und einwärts durch die Seitenwände 5 und in die Schlackeschicht 16 erstrecken. Die Position der Lanzen/Düsen 11 ist so ausgewählt, daß sich die unteren Enden über der ruhigen Oberfläche 17 der Metallschicht 15 befinden.

Bei Verwendung werden Eisenerz, festes kohlehaltiges Material (typischerweise Kohle) und Flußmittel (typischerweise Kalk und Magnesiumdioxid), die in einem Trägergas (typischerweise N2) mitgerissen werden, durch die Lanzen/Düsen 11 in die Metallschicht 15 eingeblasen. Der Impuls des festen Materials/Trägergases führt dazu, daß das feste Material und das Gas in die Metallschicht 15 eindringen. Die flüchtigen Bestandteile der Kohle werden entfernt, und dadurch wird in der Metallschicht 15 ein Gas erzeugt. Kohlenstoff wird teilweise in Metall gelöst und bleibt teilweise als feste Kohle zurück. Das Eisenerz wird zu Metall geschmolzen, und die Schmelzreaktion erzeugt gasförmiges Kohlenmonoxid. Die in die Metallschicht 15 transportierten und durch Entfernen der flüchtigen Bestandteile und das Schmelzen erzeugten Gase rufen einen deutlichen Auftrieb des geschmolzenen Metalls, der festen Kohle und der geschmolzenen Schlacke (die als Folge des Einblasens von Feststoff/Gas von oberhalb der Metallschicht 15 in die Metallschicht 15 gezogen wird) aus der Metallschicht 15 hervor, wodurch eine Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Material und fester Kohle erzeugt wird, und diese Spritzer und Tropfen und Ströme reißen Schlacke mit, wenn sie sich durch die Schlackeschicht 16 bewegen.

Der Auftrieb des geschmolzenen Materials und der festen Kohle führt zu einer wesentlichen Bewegung in der Metallschicht 15 und der Schlackeschicht 16 mit dem Ergebnis, daß die Schlackeschicht 16 ein größeres Volumen erreicht und die mit dem Pfeil 30 bezeichnete Oberfläche hat. Das Ausmaß des Bewegens ist derart, daß die Metallschicht 15 und die Schlackeschicht 16 jeweils im wesentlichen dadurch homogen sind, daß sie innerhalb jedes Bereichs vernünftige gleichmäßige Temperaturen – typischerweise 1450 bis 1550°C – und innerhalb jedes Bereichs vernünftige einheitliche Zusammensetzungen aufweisen.

Außerdem erstreckt sich die Aufwärtsbewegung der Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials, die durch den Auftrieb von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke hervorgerufen wird, in den oberen Raum 31 über dem geschmolzenen Material im Gefäß und bildet eine Übergangszone 23.

Allgemein ausgedrückt ist die Schlackeschicht 16 ein durchgängiges Flüssigkeitsvolumen mit Gasblasen und Metall darin (typischerweise in Form von Tropfen), und die Übergangszone 23 ist ein durchgängiges Gasvolumen mit Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials darin (das in dieser Stufe zumindest vorwiegend Schlacke ist).

Das wesentliche Bewegen der Metallschicht 15 und der Schlackeschicht 16, das durch den vorstehend erläuterten Auftrieb hervorgerufen wird, sichert das deutliche Vermischen des Metalls in der Schlackeschicht 16. Das bewußte Einblasen von festem kohlehaltigem Material in die Metallschicht 15 sichert große Mengen von gelöstem Kohlenstoff in dem Metall, das in die Schlackeschicht gemischt wird. Als Folge des gelösten Kohlenstoffs im Metall in der Schlackeschicht und des starken Vermischens des Metalls in der Schlackeschicht weist die Schlackeschicht erwünschte geringe Mengen von FeO in der Schlacke (typischerweise weniger als 8 Gew.-%) auf.

Das Gefäß weist ferner eine Lanze 13 zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas auf, die mittig angeordnet ist und sich senkrecht nach unten in das Gefäß erstreckt. Die Position der Lanze 13 und der Gasdurchsatz durch die Lanze 13 werden so ausgewählt, daß das sauerstoffhaltige Gas in den mittleren Bereich der Übergangszone 23 eindringt und um das Ende der Lanze 13 einen von Metall/Schlacke im wesentlichen freien Raum 25 aufrechterhält.

Durch das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas durch die Lanze 13 erfolgt die Nachverbrennung der Reaktionsgase CO und H2 in der Übergangszone 23 und im freien Raum 25 um das Ende der Lanze 13 herum, und dadurch werden im Gasraum hohe Temperaturen in der Größenordnung von 2000°C oder darüber erzeugt. Die Wärme wird im Bereich des Einblasens von Gas auf die aufsteigenden und absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials übertragen, und diese Wärme wird dann teilweise auf die Metallschicht 15 übertragen, wenn Metall/Schlacke zur Metallschicht 15 zurückkehren.

Der freie Raum 25 ist wichtig, um hohe Nachverbrennungswerte, d.h. mehr als 40% zu erreichen, da er das Mitreißen von Gasen im Raum über der Übergangszone 23 in den Endbereich der Lanze 13 ermöglicht und dadurch die verfügbaren Reaktionsgase stärker der Nachverbrennung ausgesetzt werden.

Der kombinierte Effekt aus der Anordnung der Lanze 13, dem Durchsatz des Gases durch die Lanze 13 und der Aufwärtsbewegung der Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials dient der Bildung der Übergangszone 23 um den unteren Bereich der Lanze 13 – im allgemeinen mit den Bezugsziffern 27 bezeichnet. Dieser geformte Bereich bildet eine teilweise Sperre gegenüber der Wärmeübertragung durch Strahlung auf die Seitenwände 5.

Außerdem stellen die aufsteigenden und absinkenden Tropfen, Spritzer und Ströme des geschmolzenen Materials ein wirksames Mittel zur Wärmeübertragung von der Übergangszone 23 auf das Schmelzbad dar; mit dem Ergebnis, daß die Temperatur der Übergangszone 23 im Bereich der Seitenwände 5 in der Größenordnung von 1450 bis 1550°C liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren schließt ein, daß die Menge des dem Bad zugesetzten festen kohlehaltigen Materials so ausgewählt wird, daß sie größer als die Menge ist, die zum Schmelzen des in das Bad eingeführten Eisenerzes erforderlich ist, so daß feste Kohle in Form von Ruß oder verkohltem Material durch das Bad und die Übergangszone 23 befördert wird. Als Folge ist Kohle in einer signifikanten Menge im Staub im Abgas aus dem Gefäß vorhanden. Kohle kann auch in geringen Mengen in der Schlacke vorhanden sein, die aus dem Gefäß abgestochen wird.

Das feste kohlehaltige Material, das in die Metallschicht 15 eingeblasen wird, ist ausreichend, um folgendes aufrechtzuerhalten:

  • (a) eine Konzentration von mindestens 3 Gew.-% Kohlenstoff im Metall im Bad;
  • (b) Mengen von FeO von weniger als 8 Gew.-% in der Schlacke in der Schlackeschicht 16 und in der Übergangszone 23; und
  • (c) mindestens 5% Kohle im im Abgas aus dem Gefäß mitgerissenen Staub.

Die Vorteile der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Kohleüberschuß sind zweifach.

Erstens sichern, wie vorstehend erwähnt, große Mengen von gelöstem Kohlenstoff im Metall im Bad und das starke Vermischen des Metalls in der Schlackeschicht 16, daß die Schlackeschicht aufgrund des Mischens von Metall-Schlacke in einem stark reduzierten Zustand gehalten wird. Die so erhaltene Schlacke mit einem geringen Gehalt an FeO vermeidet Verfahrensprobleme, die mit einer unkontrollierten, möglicherweise schnellen Reaktion zwischen Schlacke mit viel FeO und kohlenstoffreichem Metall verbunden sind.

Zweitens wird das Bad in Bezug auf den gelösten Kohlenstoff nahe dem Sättigungswert gehalten, und der Kohlenstoffgehalt des Metalls muß nicht explizit geregelt werden. Ein Verlust von Kohlenstoff aus dem Metall stellt in Hinblick auf den Betrieb einer Anlage ein ernsthaftes Problem dar, da sich der Liquidus des Metalls (z.B. des Eisen-Kohle-Systems) auf jeder Seite des Eutektikums deutlich ändert. Das Vorhandensein eines Kohleüberschusses im Bad bedeutet, daß sich das System bis zu einem Grad selbst korrigiert, wobei dem Betreiber im Falle einer Störung des Verfahrens mehr Zeit für einen korrigierenden Eingriff zur Verfügung steht.

Der im Gefäß erreichte Nachverbrennungsgrad wird durch die Menge der überschüssigen Kohle wirksam geregelt, die als Staub im Abgas aus dem Gefäß befördert wird. Das führt zu unverbrauchter Kohle, die aus dem Gefäß befördert wird, die zum Gefäß zurückgeleitet werden kann.

Der Anmelder hat mit dem in der Figur gezeigten und vorstehend beschriebenen Gefäß und entsprechend der vorstehend beschriebenen Verfahrensbedingungen eine extensive Arbeit in einer Pilotanlage durchgeführt.

Mit der Arbeit in der Pilotanlage wurden das Gefäß ausgewertet und das Verfahren erforscht, jeweils in einem weiten Bereich von unterschiedlichen:

  • (a) Beschickungsmaterialien;
  • (b) Einspritzraten von Feststoffen und Gas;
  • (c) Verhältnissen von Schlacke:Metall;
  • (d) Betriebstemperaturen; und
  • (e) Einstellungen der Vorrichtung.

Die nachfolgende Tabelle 1 führt relevante Werte bei Gleichgewichtsbedingungen des Verfahrens für einen Teil der Arbeit in der Pilotanlage auf.

  • * thm = t heißes Metall

Das Eisenerz wurde von Hamersley als normales feines direkt versandtes Erz geliefert und enthielt 64,6% Eisen, 4,21% SiO2 und 2,78% Al2O3, auf Trockenbasis.

Eine Anthrazitkohle wurde sowohl als Reduktionsmittel als auch als Kohlenstoffquelle und Wasserstoff zum Verbrennen und für die Energiezufuhr für dieses Verfahren verwendet. Die Kohle hatte einen spezifischen Heizwert von 30,7 MJ/kg, einen Aschegehalt von 10% und eine Menge der flüchtigen Bestandteile von 9,5%. Zu weiteren Eigenschaften gehörten 79,82% gesamter Kohlenstoff, 1,8% H2O, 1,59% N2, 3,09% O2 und 3,09% H2.

Das Verfahren wurde so durchgeführt, daß eine Basizität der Schlacke von 1,3 (CaO/SiO2-Verhältnis) aufrechterhalten wurde, wobei eine Kombination von Flußmitteln aus Kalk und Magnesiumoxid verwendet wurde. Das Magnesiumoxid steuerte MgO bei, wodurch das Korrosionsvermögen der Schlacke gegenüber dem hitzebeständigen Material verringert wurde, indem geeignete Mengen von MgO in der Schlacke aufrechterhalten wurden.

Bei Gleichgewichtsbedingungen des Verfahrens wurden relativ geringe Wärmeverluste von 8 MW erfaßt. Die Produktivität betrug 6,1 t/h heißes Metall. Die Einspritzraten der Feststoffe betrugen 9,7 t/h Erzfeinstoffe und 6,1 t/h Kohle, zusammen mit 1,4 t/h Flußmittel. Es wurde eine Kohlerate von 1000 kg Kohle/t heißes Metall erreicht. Die Ergebnisse des Verfahrens unter diesen Bedingungen führten zu einer Kohlenstoffmenge im Staub von 25 Gew.-% und FeO in der Schlacke mit 4 Gew.-% und Kohlenstoff im Bad mit 4 Gew.-%.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es vorstehend beschrieben worden ist, können viele Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Direktschmelzverfahren zur Herstellung von Metallen aus Metalloxiden (einschließlich teilweise reduzierten Metalloxiden), das die folgenden Schritte aufweist:

    (a) Erzeugen eines Metallbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht in einem metallurgischen Gefäß;

    (b) Einblasen eines metallhaltigen Beschickungsmaterials in die Metallschicht durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse und Schmelzen des metallhaltigen Materials zu Metall zumindest vorwiegend in der Metallschicht;

    (c) Einblasen von festem kohlehaltigem Material in die Metallschicht durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse;

    (d) Erzeugen einer Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials aus der Metallschicht des Schmelzbades, was:

    (i) das starke Vermischen des Metalls in die Schlackeschicht des Schmelzbades fördert; und

    (ii) sich in einen Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades erstreckt, wodurch eine Übergangszone gebildet wird; und

    (e) Einblasen eines sauerstoffhaltigen Gases in das Gefäß durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse, um die aus dem Schmelzbad freigesetzten Reaktionsgase nachzuverbrennen, wodurch die aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials in der Übergangszone die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtern und wodurch die Übergangszone den Wärmeverlust aus dem Gefäß über die Seitenwände, die mit der Übergangszone in Kontakt stehen, minimiert; und wobei die Menge des festen kohlehaltigen Materials, die im Schritt (c) zugeführt wird, so ausgewählt ist, daß sie ausreicht, um folgendes aufrechtzuerhalten:

    (i) eine Konzentration von mindestens 3 Gew.-% gelöstem Kohlenstoff im Metall im Schmelzbad, bezogen auf das Gesamtgewicht von Kohlenstoff und Metall;

    (ii) Mengen von Eisenoxid (FeO) unter 8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schlacke in der Schlackeschicht; und

    (iii) mindestens 5 Gew.-% Kohlenstoff im im Abgas aus dem Gefäß mitgerissenen Staub.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge des gelösten Kohlenstoffs im Metall mehr als 4 Gew.-% beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Konzentration von FeO in der Schlacke in der Schlackeschicht unter 6 Gew.-% liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Konzentration von FeO unter 5 Gew.-% liegt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das folgendes einschließt: Auswählen der Menge des in die Metallschicht eingeblasenen festen kohlehaltigen Materials, so daß der im das Gefäß verlassenden Abgas mitgerissene Staub zumindest etwas Kohle enthält.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Durchführen des Verfahrens bei primären Nachverbrennungswerten von mehr als 40% einschließt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, das das Durchführen des Verfahrens bei primären Nachverbrennungswerten von mehr als 50% einschließt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt (d) das Einblasen des metallhaltigen Beschickungsmaterials und des kohlehaltigen Materials in einem Trägergas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse, die sich nach unten zur Metallschicht erstreckt, und dadurch eine Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials in den Raum über der nominell ruhigen Oberfläche einschließt, wodurch die Übergangszone gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt (d) das Einblasen des metallhaltigen Beschickungsmaterials und des kohlehaltigen Materials durch eine oder mehr als eine Düse im Boden des Gefäßes oder in den Seitenwänden des Gefäßes, die mit der Metallschicht in Kontakt stehen, und dadurch das Erzeugen einer Aufwärtsbewegung aus Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Material in den Raum über der nominell ruhigen Oberfläche einschließt, wodurch die Übergangszone gebildet wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com