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Verfahren und Lichtbogenofen zur Herstellung von Stahl unmittelbar aus Erz und Kohle
Die seit vielen Jahren benutzten Verfahren zur Herstellung von Stahl aus Eisenerz sind immer zwei- stufige Verfahren gewesen. In der ersten Stufe wird das Eisenerz üblicherweise in einem Hochofen zu
Roheisen reduziert, während das Roheisen in der zweiten Stufe nach zahlreichen Verfahren, z. B. in einem Siemens-Martin-Ofen oder im Konverter, in Stahl umgewandelt wird.
Die Verwendung eines Hochofens zur Reduzierung des Eisenerzes besitzt jedoch eine Anzahl von
Nachteilen ; vor allem hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit, weil ein Hochofen ein hohes Fassungsver- mögen besitzt, weshalb die Errichtung eines solchen Ofens beträchtliche Kapitalaufwendungen erfordert.
Ferner benötigen Hochöfen hochqualitative Erze als auch einen solchen Koks, so dass es kostspielig ist, diese Öfen zu betreiben, wenn nicht reichliche Mengen gut verkokender Kohle bzw. hochqualitativer Erze zur Verfügung stehen. Der Koksverbrauch im Blashochofen beträgt im allgemeinen 700 - 1000 kg
Koks je 1000 kg erzeugtes Roheisen. Ferner wurde ermittelt, dass ungefähr 400 kg dieses Kokses zur che- mischen Reduktion der Eisenerze verbraucht werden und der Rest die für das Verfahren erforderliche Wär- me durch Verbrennen liefert.
Ausser im Blashochofen wird Roheisen bekanntlich auch im Elektrohochofen hergestellt, bei welchem Verfahren ein Teil des zur Reduktion der Erze erforderlichen Kokses durch die elektrische Wärme ersetzt wird, wodurch der Kohlenstoffverbrauch in Form von Koks oder andern Kohlenstoffträgern geringer ist als im Blashochofen. Für dieses Verfahren ist jedoch eine billige Stromquelle erforderlich. In dem der Roheisengewinnung ferner dienenden Elektroniederschachtofen bzw. Lichtbogenofen ist zwar der Stromverbrauch wegen des Fortfalles der Vorwärmung des Möllers im Schacht gegenüber dem im Elektrohochofen etwas höher ; dafür stellt aber der Niederschacht- bzw. Lichtbogenofen geringere Ansprüche an die Beschaffenheit des Möllers und der Kohle.
Die in den letzten Jahren vorgeschlagenen zahlreichen Abänderungen dieses Verfahrens zur Reduktion von Eisenerzen, einschliesslich der Veredelung der Erze und deren Sintern, verwenden in einigen Fällen ärmere Eisenerze und billigere Kohlenstoffquellen, wie Lignit. Alle diese Verfahren erzeugen insbesondere Roheisen und Eisenschwamm, welches Eisen in Stahl umgewandelt werden muss.
Nach der Erfindung wird Eisenerz zu Eisen reduziert und dieses Eisen in Stahl oder niedrig gekohltes Eisen in einem einzigen Ofen umgewandelt. Dies erfolgt durch elektrisches Erhitzen des Erzes zusammen mit Kohlenstoff und Kalk in einem Lichtbogenofen zur Erzeugung geschmolzenen Metalles, das sich am Boden des Ofens ar ;lummelt, wobei erfindungsgemäss Sauerstoff in den Metallsumpf eingeblasen wird und heisse reduzierende Gase erzeugt werden, welche durch das Erz hindurchströmen und dieses innerhalb des Ofens reduzieren. Das Erz kann ir seinem Rohzustand oder/und in Form von Sinter verwendet werden.
Wie im Bessemerkonverter oxydiert der Sauerstoff die Verunreinigungen des geschmolzenen Eisens, welche Oxydation von einer beträchtlichen Wärmeentwicklung begleitet ist. Während im Bessemerkonverter die Wärme weitgehend ungenutzt bleibt, wird sie beim erfindungsgemässen Verfahren zum Erhitzen des unreduzierten Erzes über der Eisenschmelze verwendet. Die heissen, wegen ihres Gehaltes an Kohlenoxyd reduzierende Eigenschaften besitzenden Gase strömen aus dem geschmolzenen Eisen und werden zur Reduktion des Eisenerzes verwendet. Sobald die Umwandlung des geschmolzenen Eisens in Stahl begon-
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nen hat, kann die Zufuhr elektrischer Energie vermindert werden, weil die durch die Raffination des ge- schmolzenen Eisens erzeugte Wärme zunimmt, was eine beträchtliche Verminderung des Energieverbrau- ches ermöglicht.
Umgekehrt wie die Menge des geschmolzenen Eisens zunimmt, wird die Geschwindig- keit des Sauerstoffstromes erhöht. Das Verfahren kann absatzweise wie im Bessemerkonverter durchge- führt werden. Wenn das ganze Eisenerz zu Eisen reduziert ist und das geschmolzene Eisen zur Entfernung der Verunreinigungen genügend behandelt wurde, wird die gebildete Schlacke entfernt, worauf die übli- chen Legierungszusätze in den Stahl eingebracht werden können. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Verfahren kontinuierlich auszuführen wie in den bekannten Schmelzöfen, die mit einem Schacht ausgestattet sind, dem die Charge zugeführt wird, um sie in den Ofenbehälter einzubringen.
Der Kohlenstoff, welcher mit dem Erz zu dessen Reduktion gemischt wird, kann, wie bei den her- kömmlichen Verfahren, Koks sein. Einer der Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens ist jedoch, dass jede geeignete Kohlenstoffquelle verwendet werden kann. Solche Materialien, wie Lignit, Holzkohle und sogar Sägespäne, können zur Versorgung des Einsatzes mit Kohlenstoff verwendet werden.
Auf ähnliche Weise kann das erfindungsgemässe Verfahren zur Reduktion von Eisenerzen angewendet werden, die für eine Reduktion im Hochofen ungeeignet sind. So ist z. B. titanhaltiger Magnetit, von denen zahlreiche Länder grosse Lagerstätten besitzen, nicht sehr zur Reduktion im Hochofen geeignet ; aber dieses Erz, das im elektrischen Lichtbogen geschmolzen wird, ist in gleicher Weise zur Herstellung von Stahl nach dem erfindungsgemässen Verfahren geeignet. Nach diesem Verfahren können auch vana- diumhaltige Erze verarbeitet werden.
Wie oben erwähnt, strömen die das geschmolzene Eisen verlassenden Gase durch das darüber befind- liche unreduzierte Erz und erhitzen als auch reduzieren auf diese Weise dieses Erz. Die Gase können je- doch, wenn sie das Erzbsstt durchströmt haben, noch einen hohen Kohlenoxydgehalt aufweisen, und es ist ein Vorteil der Erfindung, dass zumindest ein Teil dieses Kohlenoxydes rückgewonnen und wieder in den Ofen eingeführt wird.
Der Kalk wird zur Schlackenbildung verwendet und mit dem Eisenerz vermischt. Während der Raffination des geschmolzenen Eisens kann es jedoch notwendig sein, mehr Kalk einzuführen, um mit dem Silikatüberschuss zu reagieren und damit die Entfernung des Phosphors aus der Schmelze zu unterstützen. Dies wird üblicherweise durch Einblasen gepulverten Kalkes in die Schmelze. z. B. zusammen mit dem Sauerstoff oder mit dem im Kreislauf eingeführten Kohlenoxyd vorgenommen. Ein Kohlenstoffmangel in der Schmelze kann in bekannter Weise durch Einblasen gepulverter Kohle in die Schmelze ausgeglichen werden. Dies kann notwendig sein, wenn zu wenig Kohlenstoff in der Schmelze ist, um die Geschwindigkeit der Bildung geschmolzenen Eisens aus dem Eisenerz zu erhöhen und zu verhindern, dass das Eisen aus der Schmelze ausbrennt.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann in verschiedenen Ofenformen durchgeführt werden, die selbst einen Teil der Erfindung bilden und die sämtlich die Vereinigung eines Lichtbogenofens mit Mitteln zur Einführung von Sauerstoff in das Metall am Boden des Ofens umfassen.
Öfen gemäss der Erfindung sind in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt, in denen Fig. 1 den Aufriss eines Ofens teilweise im Schnitt, Fig. 2 einen Seitenriss, teilweise im Schnitt nach der Linie lI-li gemäss Fig. l, Fig. 3 den Grundriss des in Fig. 1 dargestellten Ofens, Fig. 4 den Aufriss eines zweiten Ofens ähnlich Fig. 1, Fig. 5 einen Seitenriss des in Fig. 4 dargestellten Ofens, Fig. 6 den Aufriss eines andern Ofens, Fig. 7 den Aufriss, teils im Schnitt, eines vierten Ofens und Fig. 8 den Grundriss des in Fig. 7 dargestellten Ofens zeigen.
Der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Ofen bildet einen aus einem Stahlgehäuse 3 und einer feuerfesten Ausmauerung 4 aufgebauten Behälter, der äusserlich einem Bessemerkonverter ähnelt und der als Konverter bezeichnet wird. Durch die Öffnung dieses Konverters reichen drei senkrechte Elektroden 2 in den sich im Inneren des Konverters befindenden Einsatz. Ein Vorteil der Erfindung ist die besondere Gestalt der Mauerung 4, die dazu beiträgt, das Gewicht des Einsatzes im Konverter zu tragen. Der untere Teil 5 des Konverters, in dem sich das geschmolzene Metall sammelt, besitzt einen geringeren Durchmesser als der obere Teil 6. Dort, wo der Konverter sich zwischen diesen Teilen erweitert, ist ein geneigter Teil 7 vorhanden, welcher dazu beiträgt, das Gewicht des Einsatzes 8 im oberen Teil zu tragen.
Das Gehäuse 3 des Konverters kann, wie dies gezeigt ist, in ähnlicher Weise geformt sein ; es wird aber vorgezogen, die Form durch Änderung der Dicke des Mauerwerkes 4 in einem Gehäuse üblicher Form herzustellen. Der Effekt der Formung der Innenseite des Konverters auf diese rt besteht darin, einen weiteren Querschnitt oben im Konverter vorzusehen, damit so viel als möglich unreduziertes Erz den vom unteren Teil des Ofens aufsteigenden Gasen dargeboten wird, um damit den Wirkungsgrad sowohl des Wärmeaustausches zwischen den Gasen und Feststoffen. als auch die chemische Einwirkung der Gase
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auf das Erz zu erhöhen. Der schräge Teil 7 trägt einen Teil des Eiilsatzgewichtes und dient dazu, den
Einsatz in den unteren engeren Teil des Ofens zu leiten, wo sich die Enden der Elektroden 2 befinden.
Auf diese Weise wird die elektrische Erhitzung im Einsatz mehr verteilt.
Der Konverter wird von Tragzapfen 9 und 10 durch einen den Konverter umgebenden Traganker 11 getragen. Der Traganker 11 besitzt an jedem Tragzapfen eine Führung 12 für eine Lanze 13, so dass von jedem Tragzapfen eine Lanze unter einem Winkel von ungefähr 350 zur Waagrechten in den Konverter eingeführt werden kann. Dieser Winkel wird in verschiedenen Öfen weitgehend verändert, weil er sehr weitgehend von den Dimensionen des Konverters abhängt. Die Öffnungen 14 für die Lanzen an der Innenseite des Mauerwerkes sollen gerade über der maximalen Höhe 15 liegen, wie sie vom geschmolzenen Metall während dessen Herstellung im Konverter erreicht wird.
Wenn die Öffnungen 14 nicht in dieser Weise über dem höchsten Stand des geschmolzenen Metalles 15 und/oder nahe der lotrechten Ebene durch die Achsen der Tragzapfen 9 und 10 angeordnet sind, kann flüssiges Metall austreten und die Durchgänge für die Lanzen durch das Mauerwerk 4 zerstören, wenn der Konverter gekippt wird. Es ist ein wesentlicher Vorteil dieser Bauart, dass die Öffnungen 14 zu jeder Zeit und in allen Lagen des Konverters frei von geschmolzenem Metall sind.
Die Tragzapfen 9 und 10 sind in Lagern 16 geführt, die von Ständern 17 getragen werden. Ein Motor 18 ist in Verbindung mit dem Tragzapfen 10, um den Konverter 1 zu kippen.
Die Lanzen 13 sind wassergekühlt, wobei Wasser und Sauerstoff von Rohren 20 und durch biegsame Rohre 21 zugeführt werden. Die Lanzen werden in Führungen 12 in der Wand des Konverters mittels einer endlosen, an jeder Lanze befestigten Drahtseilzugvorrichtung 22 vor-oder zurückgezogen. Die Lanzen werden in oder aus dem Konverter mittels biegsamer Rohre 21 locker bewegt. die von Lastrollen 23 gesteuert werden. In der durch die gestrichelten Linien 24 gezeichneten Lage werden die Lanzen 13 schräg abwärts bis fast zum Boden des Konverters vorgetrieben. Die gepulverten Stoffe, wie Kohle und Kalk, sind in Behältern 19 gelagert, welche Stoffe in die Lanzen durch biegsame Rohre 35 eingebracht werden können.
Die drei vertikalen Elektroden 2 sind von üblicher Form und symmetrisch im gleichseitigen Dreieck angeordnet. Sie werden vom Hubwerk 25 geführt, so dass sie beim Giessen sicher vom Konverter 1 abgehoben werden können. Diese Elektroden werden vom Transformator 37 mit elektrischer Energie gespeist. Die Elektroden treten durch eine fest angeordnete, durch fliessendes Wasser gekühlte Haube 26 und durch ringförmige Elektrodenführungen 36. Die Haube 26 ist von Stahlträgern 27 getragen. Die Haube bezweckt, die aus dem Konverter entweichenden Gase zu sammeln, damit diese, z. B. im Kreislauf, weiter verwendet werden können, zu welchem Zweck für die Gase ein Rohr 28 vorgesehen ist.
Zwischen dem Sockel, der Haube 26 und der Konvertermündung 29 ist genügend Spielraum, damit letztere in die Giesslage gedreht und der auf diese Weise geschaffene Spalt während dieser Operation durch einen beweglichen Gasverschluss 30 geschlossen werden kann. Dieser besitzt einen Stahlring, der auf die Mündung des Konver-
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Die Lanzen können in das geschmolzene Metall gesenkt oder über dem Metall gehalten werden, so dass der Sauerstoffstrahl auf dessen Oberfläche gerichtet wird. Wird der Sauerstoff auf eine dieser Arten unter Druck in das flüssige Metall am Boden des Konverters eingeblasen, entsteht eine heftige chemische Reaktion und das Metall neigt dazu, in der Mitte des Konverters, weg vom Mauerwerk, aufzusteigen.
Diese Wirkung ist verschieden von jener der herkömmlichen Aufblaseverfahren, bei denen ein Sauerstoffstrahl unter Druck senkrecht auf die Oberfläche des flüssigen Metalles auftrifft, das Metall nach aussen wirbelt und die Oberfläche des Mauerwerkes des Konverters scheuert und damit einen beträchtlichen Verschleiss der Ausfütterung verursacht.
Die den Konverter durch die Gassammelhaube 26 verlassender. Gase enthalten einen hohen Anteil an Kohlenoxyd und dieses kann im Verfahren wieder verwendet werden ; z. B. zum Kühlen der inneren oberen Oberfläche des Konverterfutters, als Fördermittel für Feststoffe, wie Kohle oder Kalk, welche Stoffe in das geschmolzene Metall eingeblasen werden können, und um den chemischen Wirkungsgrad des Verfahrens durch Kreislaufführung in den Konverter zu erhöhen. Die anfallenden Gase können in einer üblichen elektrostatischen Entstaubungsvorrichtung oder im Nasswaschprozess gereinigt und mittels eines zu-
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Bei einem andern abgeänderten Ofen, wie er in Fig. 6 gezeigt ist, ersetzen Metalldüsen 60 die Lanzen 30 gemäss Fig. 1 - 3. Die Düsen sind in derselben Lage angeordnet wie jene, die für die Öffnungen für die Lanzen erforderlich sind, d. h. über dem Maximalstand des geschmolzenen Metalles im Konverter 1. Für das durch die in das geschmolzene Metall reichenden Düsen eingeblasene Gas sind besonders im frühen Stadium des Verfahrens hohe Drücke notwendig, um in den zwischenliegenden Einsatz einzudringen und eine Berührung mit dem geschmolzenen Metall zu erzielen. Die Düsen können wassergekühlt sein ; das Gas wird durch die Rohre 62 den Düsen zugeführt.
Die Behälter 19 führen gepulverte Materialien den Düsengehäusen 61 zu und diese Materialien können dann in die Düsen durch das durch die Düsen 62 strömende Gas eingebracht werden. In jeder andern Beziehung ist dieser Ofen identisch mit dem in den Fig. 1-3 dargestellten ; ausgenommen, dass die Tragzapfen 63 etwas verschieden sind.
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Die Verwendung solcher Düsen hat. den Vorteil, dass eine komplizierte Wasserkühlung nicht notwendig ist, und die dazugehörigen Rohre und biegsamen Verbindungen wegfallen. Die Düsen verbrennen gleich dem Futtermauerwerk und können ersetzt werden, wenn der Konverter wieder ausgemauert wird.
Der in den Fig. 7 und 8 gezeigte Ofen ähnelt dem üblichen elektrischen Schmelzofen und ist der kontinuierlichen Herstellung von Stahl angepasst. Oberhalb des Ofens 71 befindet sich ein kurzer Schacht 70 und die Elektroden 72 sind vertikal angeordnet, wobei die Anordnung der Elektroden und des diese bedienenden Hubwerkes 73 vereinfacht ist. Wenn der Ofenschacht 70 während des Verfahrens mit dem Einsatz gefüllt gehalten wird, ist eine grössere Ausnutzung des Wärmeinhaltes der entweichenden Gase. im Vergleich zu dem oben beschriebenen abgeänderten Bessemerkonverter möglich. Zum Chargieren des Ofens befindet sich am obersten Ende des Schachtes 70 ein üblicher Gichtverschluss 74, der durch ein endloses Band 74 versorgt wird.
Der Schacht 70 ist von sechs vertikalen Elektroden 72 umgeben, die durch den unteren Teil des Ofengehäuses 76 in den Ofen ragen.
Wie beim abgeänderten Bessemerkonverter hat das Ofeninnere einen geringeren Durchmesser als sein
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Ofenwand schräg auswärts in einem Winkel von ungefähr 600 verläuft. Weil der Ofen fest steht. ist es nicht erforderlich. der Stellung der Lanzen eine Grenze zu setzen. In der in Fig. 8 dargestellten Bauart sind vier Lanzen an den Linien 79 angeordnet. Wenn erwünscht, können mehr Lanzen am Umfang des Ofens vorgesehen werden. In üblicher Weise ist an der einen Seite des Ofens ein Einschnitt 80 für den Abstich der Schlacke und an der andern Seite ein weiterer Einschnitt 81 zum absatzweisen Abstich des geschmolzenen Stahles vorgesehen. Die entweichenden Gase werden durch ein Rohr 82 aus dem Ofenschacht abgezogen. In diesem Ofen können die mit Bezugnahme auf Fig. 6 oben beschriebenen Metalldüsen die wassergekühlten Lanzen ersetzen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Stahl oder niedrig gekohltem Eisen durch Zusammenschmelzen von Eisenerz, Kohle und Kalk im Lichtbogenofen zu Metall, das sich am Boden des Ofens ansammelt, dadurch gekennzeichnet, dass in den Sumpf des geschmolzenen Metalles Sauerstoff eingeblasen wird, um dieses in Stahl oder niedrig gekohltes Eisen unter Gewinnung heisser reduzierender Gase umzuwandeln, die durch das Erz strömen und dieses innerhalb des Ofens reduzieren.