AT395478B

AT395478B - Schmelzofen und verfahren zum zufuehren von darin zu verarbeitendem material

Info

Publication number: AT395478B
Application number: AT0039289A
Authority: AT
Inventors: Nils Hakan Hakulin; Risto Markus Heikkilae; Matti Elias Honkaniemi; Helge Johannes Krogerus; Launo Leo Lilja
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1989-02-21
Publication date: 1993-01-25
Also published as: NO890729D0; US4995051A; ATA39289A; DE3905486A1; SE8900415L; FI880819A0; SE470387B; NO173957B; ZA891206B; FR2627578B1; DE3905486B4; NO173957C; FR2627578A1; FI79560B; NO890729L; SE8900415D0

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schmelzofen, vorteilhafterweise einen Gleichstromofen, und ein Verfahren zum Zufuhren des darin verarbeitbaren Materials, wenn oxidhältige Materialien, wie Erzkonzentrate oder oxidische Zwischenprodukte, in ein für die weitere Veredelung geeignetes Produkt verarbeitet werden.

Sowohl die Stahlherstellung aus Roheisen als auch die Mehrzahl der in Elektroreduktionsöfen ausgeführten 5 Reduktionsverfahren basieren auf der Tatsache, daß das Material in Form von Stückerz, Sinter oder gesinterten Pellets vorliegt, und daß im allgemeinen das einzige annehmbare Reduktionsmittel Koks ist.

Eine Einschränkung der oben genannten Herstellungsmethoden, unabhängig davon, ob die Reduktion und das Schmelzen in einem Hochofen oder in einem Elektroreduktionsöfen ausgeführt werden, ist, daß feinverteiltes Erz nichtohne teure Agglomeration verwendet werdenkann.EineandereEinschränkungbestehtdarin,daß das benötigte 10 Reduktionsmittel hauptsächlich hochwertiger metallurgischer Koks ist, dessen Herstellung Umweltprobleme hervorruft. Die dritteEinschränkung für Elektroreduktionsöfen ist, daß eine Grundvoraussetzung für ökonomisches Schmelzen ein hoho* elektrischer Widerstand der Schlacke ist, welcher allgemeinerweise im Widerspruch zu den metallurgischen Erfordernissen steht.

Daher ist lange versucht worden, neue Schmelz verfahren ohne diese Einschränkungen zu entwickeln. Unter den 15 neuen Verfahren basieren einige auf dem Schmelzen von feinverteiltem Erz in einem Elektroofen, wo die Schmelzenergie mittels eines Plasma· oder eines Gleichstrombogens hervorgerufen wird, oder wo der elektrische Strom die Schlacke durch Widerstandsverluste erhitzt. Diese neuen Verfahren umfassen oft das vorherige Erhitzen und die vorhergehende Reduktion des feinverteilten Erzes. ln den Plasmabogenverfahren wie: 20 - demFreital-Verfahren(KepplingerL.-W.,MüellerH.,KochE.,BerichtüberplasmametallurgischeEntwicklun-gen beider VÖEST-ALPINE, 19. Metallurgisches Seminar der GDMB; Elektroofentechnik in der Metallurgie, 1987), - dem EPP-Verfahren (Heanley C.P., Cowx P.M., The Smelting ofFerrous Ores Using aPlasma Fumace, Elec- 25 tric Fumace Conference Proceedings, ISS-AIME, Bd. 40,1982, S. 257-265), - dem SSP-Verfahren (Moore JJ., Reid KJ., Industrial Plasma for Steelmaking, Electric Fumace Conference Proceedings, ISS-AIME, Bd. 40,1982, S. 231 - 238), - dem Plasmacan-Verfahren (CA Patent 1,173,7481) und - dem Verfahren der Universität Toronto (Sommerville I.D., McLean A., Alcock C.B., Smelting and Refining 30 of Ferroalloys in a Plasma Reactor, Electric Fumace Conference Proceedings, ISS-AIME, Bd. 41,1983), ist das vorherrschende Problem, daß ein zu großer Teil der Plasmabogenstrahlung an Stelle sowohl des geschmolzenen als auch des zugeführten Rohmaterials, die Ofenauskleidung erhitzt. Um das Problem zu vermindern, wird das Rohmaterial als ein Vorhang rund um den elektrischen Bogen zugeführt. Da der Vorhang dünn bleibt, kann die 35 Lösung nicht als optimal betrachtet werden.

Bei Verwendung eines Gleichstromofens, wie in der ASEA-Anmeldung (veröffentliche Schwedische Patentanmeldung 8 600 939-6) und im ELRED-Verfahren (Collin P.H., Sticker H., The ELRED Process, Iran and Steel Engineer, Bd. 57, 3,1980, S. 43 - 45), wird das Rohmaterial durch eine, in der Elektrode geschaffene Öffnung zugeführt. Um leitfähig zu bleiben, benötigt der elektrische Bogen eine hohe Temperatur und daher kann er auch in 40 diesem Verfahren die Auskleidung zu sehr erhitzen, oder die Stabilität des elektrischen Bogens wird anschließend vermindert, sodaß die Energieausbeute gering bleibt. IRSID hat gemeinsam mit CLESIM und Jeumont-Schneider einen Gleichstromofen mit drei als Kathoden dienenden Elektroden gebaut. Nun werden die elektrischen Bögen auf Grund des magnetischen Feldes einwärts gebogen. In derPraxis ist festgestellt worden, daß die Strahlung des elektrischen Bogens zu den Wänden im Vergleich 45 zur elektrischen Bogenstrahlung eines Wechselstromofens extrem gering ist.

Feinverteiltes metalloxid- und/oder metallsulfidhältiges Material zum Herstellen von geschmolzenem Metall kann auch gemäß den in den finnischen Patenten 66 433 und 66 434 beschriebenen Verfahren behandelt werden. Demgemäß wird das metalloxidhältige Material, wenn es durch einen Schachtofen fällt, durch In-Kontakt-Bringen mit den heißen Gasen, welche mittels Verbrennung gebildet werden, geschmolzen, in welchem Fall etwas 50 kohlenstoffhältiges Reduktionsmittel gleichzeitig in den Schachtofen eingebracht wird. Die genannten heißen Gase werden abgelenkt, um aufwärts durch den Schacht aufzusteigen und das geschmolzene, metalloxidhältige, im Bodenteil des Schachtes befindliche Material wird mittels einer teilweisen Reduktion durch Kontakt mit dem zugeführten Reduktionsmittel in ein vorreduziertes Produkt umgewandelt. Das zu behandelnde metalloxidhältige Material wird gemeinsam mit dem Rest des festen Materials in den Schachtofen durch Brenner, welche schräg 55 abwärts gerichtet sind, zugeführt. Mittels der abwärts geneigten Brenner wird das feste Material zum Zentrum des Schachtofens geleitet. Infolgedessen wird im Zentrum des Schachtofens ein dicker Materialvorhang gebildet, wo sich beim Erhitzen wahrscheinlich für die innersten Teilchen nicht die gleichen Bedingungen wie für die äußeren -2-

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Teilchen ergeben werden, in welchem Fall die Energieausnutzung ungleichmäßig und gering wird.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einige der Nachteile des Standes der Technik zu eliminieren und sowohl einen Schmelzofen zu realisieren, welcher einen effizienteren Gebrauch der in einem Gleichstrombogenofen zugeführten elektrischen Energie machen könnte, als auch ein Zufuhrverfahren für das in einem Schmelzofen zu S behandelnde Material zu schaffen. Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung sind aus den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich.

Gemäß der Erfindung wird feinverteiltes Material in einen Gleichstrombogenofen durch mindestens eine im Ofendach im Gebiet zwischen den Elektroden geschaffene Zufuhröffnung zugeführt, welche Zufuhröffnung vorteilhafterweise mit einer Vorheizeinheit des Materials und/oder einem Konzentratverteiler verbindbar ist. Diese 10 Teile bilden mit dem Gasraum des Schmelzofens günstigerweise ein im wesentlichen geschlossenes System und schaffen folglich eine im wesentlichen gleichmäßige Materialzufuhr in den Schmelzofen. So kann die in der Behandlung benötigte elektrische Energie beträchtlich besser als im Stand der Technik zu dem geschmolzenen und zu dem zuzuführenden Material geleitet werden.

Die Erfindung kann vorteilhafterweise auf einen Gleichstrombogenofen angewandt werden, wo mindestens 3 IS Elektroden, die als Kathoden dienen und durch die Decke hängen, im wesentlichen symmetrisch im Zentrum des Ofens kreisförmig angeordnet sind. Was die Anode betrifft, so befindet sie sich in der Auskleidung des Ofenbodens, sodaß sie mit der im Ofen vorliegenden Schmelze in Kontakt ist.

Bei Verwendung von Konstruktionen, wie dem oben beschriebenen Gleichstrombogenofen in der Ausführung der Erfindung, biegt das durch die Elektrodenströme gebildete magnetische Feld die elektrischen Bögen einwärts. 20 Das Einwärtsbiegen der elektrischen Bögen kann weiters durch Anordnen der Kathodenelektroden in einer, bezogen auf die vertikale Ebene, schrägen Position erhöht werden. Der Winkel zwischen den Elektroden und der vertikalen Ebene liegt vorteilhafterweise im Bereich von 1 bis 5°. Folglich wird der Hauptteil der durch die elektrischen Bögen erzeugten Energie, welcher nicht in das geschmolzene Bad übertragen wird, in das Zentrum des Ofens, was die Höhe anlangt, leicht aufwärts, geleitet. Da das gemäß der Erfindung zu behandelnde Material auch in das Zentrum des durch 23 die Elektroden, welche im Ofen angeordnet sind, gebildeten Kreises zugeführt wird, kann die durch die elektrischen Bögen hervorgerufene Energie günstigerweise zum Schmelzen von fallenden Teilchen verwendet werden. ln einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Zentrum des durch die Elektroden geformten Kreises günsügerweise ein Teil der Decke des elektrischen Ofens geschaffen, welcher im wesentlichen höher als der Rest der Decke ist, welcher Teil als Vorheizschacht des feinverteilten Materials dient, um die im Material 30 vorliegenden Teilchen vorzuerhitzen, bevor sie in den effektiven Bereich der Energie gebracht werden, welcher im

Ofen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise durch die elektrischen Bögen hervorgerufen wird.

Die in der Behandlung des Materials gebildeten Abgase werden aus dem erfindungsgemäßen Schmelzofen durch außerhalb des durch die Elektroden gebildeten Kreises geschaffene Auslässe abgeführt. Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, einen Teil der Abgase in die Vorheizeinheit, d. h. den Vorheizschacht, welcher sich im Zentrum des 35 Schmelzofens befindet, zurückzuführen, um das Erhitzen der Teilchen des zugefiihrten Materials zu verstärken. Aus dem Vorheizschacht können die rezirkulierten Abgase abgeführt werden, bevor sie die eigentliche Schmelzzone des Schmelzofens erreichen, aber sie können auch gemeinsam mit dem Rest der im Schmelzprozeß gebildeten Gase durch die außerhalb des durch die Elektroden gebildeten Kreises geschaffenen Gasauslässe entfernt werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter erklärt, worin 40

Fig. 1 eine schematische Abbildung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite, ist;

Fig. 2 eine schematische Abbildung einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite, ist und 45 Fig. 3 eine schematische Abbildung einer bevorzugten zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung, gesehen von der Seite, ist.

Gemäß Fig. 1 wird das Gemisch 1 aus feinverteiltem Konzentrat, Reduktionsmittel und Flußmittel durch den Konzentratverteiler (3) in den Vorheizschacht (2) zugeführt. Mittels des Verteilers (3) wird das im wesentlichen 50 vertikal zugeführte feste Material in im hohen Maße getrennte Teilchen aufgetrennt und günstigerweise in einer gleichmäßigen Suspension über die gesamte Querschnittsfläche des Vorheizschachtes verteilt. Folglich erhält der Vorheizschacht eine vorteilhafte dünne Konzentratsuspension, worin das Erhitzen der Teilchen in einer im wesentlichen gleichmäßigen Weise stattfindet. Die zum Schmelzen des festen Materials benötigte Kathoden-elektroden (4) sind rund um den Vorheizschacht (2) angeordnet, sodaß das durch die Elektrodenströme gebildete 55 magnetische Feld die elektrischen Bögen einwärts biegt. Was die Anodenelektrode (21) betrifft, so befindet sie sich in der Bodenverkleidung des elektrischen Ofens, sodaß sie mit der Schmelze (6) in Kontakt steht Folglich wird jener Teil der durch die elektrischen Bögen (22) hervorgerufenen Energie, welcher nicht sofort in die Schmelze (6) am -3-

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Boden des Schmelzofens (5) übergeleitet wird, in dem Betriebsmaterial (1), welches vorteilhafterweise aus dem Vorheizschacht (2) fällt, absorbiert Die in der Behandlung des Materials gebildeten Abgase werden aus dem Schmelzofen (5) durch die Gasauslässe (20), welche außerhalb des Elektrodenkreises in der Decke des Schmelzofens befindlich sind, abgelassen und werden weiters in Gasbehandlungseinrichtungen geleitet. Was das behandelte Material anbelangt, so wird es vorteilhafterweise durch den an der Seite des Schmelzofens (5) geschaffenen Auslaß (7) abgestochen.

In derbevorzugten Ausführungsform aus Fig. 2 wird das feinverteilte Konzentrat gemeinsam mit dem Reduktionsmittel und dem Flußmittel zu dem Abgas aus dem Schmelzofen (5) in das Verbindungsstück (9) zugeführt. Wenn notwendig, kann der zum Verbrennen benötigte Sauerstoffgehalt zu der durch die Abgase und das behandelte Material gebildeten Suspension über das Verbindungsstück (10) zugesetzt werden. Der Sauerstoff kann entweder als reiner Sauerstoff oder als sauerstoffangereicherte Luft eingebracht werden. Die Suspension aus Gas und festem Betriebsmaterial wird tangential in den Vorheizschacht (11) des Schmelzofens zugeführt. Anschließend kann das zum Vorheizen des festen Materials verwendete Gas durch Anwendung des Zyklonprinzips aus dem Vorheizschacht (11) abgeführt werden, bevor das vorgeheizte Material die eigentliche Schmelzzone (12) des Schmelzofens erreicht Das zum Vorheizen des festen Materials benötigte Gas wird durch das im mittleren Teil des Vorheizschachtes (11) geschaffene Auslaßverbindungsstück (13) aus dem Vorheizschacht entfernt Die durch das Verbindungsstück (13) abgeführten Gase werden weiters in eine Gasbehandlungseinheit, wie einen Abwärmekessel (14), geleitet um die darin enthaltenen festen Teilchen abzutrennen, und weiters zum Beispiel zu einem Gaswäscher (15).

Um die Abtrennung des festen Materials aus dem zu seinem Vorheizen verwendeten Gas zu verbessern, ist der Vorheizschacht (11) vorteilhafterweise von sich nach unten hin verengender Form. Auf Grund des sich nach unten verengenden Vorheizschachtes (11) wird das in die Schmelzzone (12) des Schmelzofens fallende feste Material günstigerweise im wesentlichen nahe zum Zentrum des Schmelzofens (8) geleitet.

Die Kathodenelektroden (16) des Schmelzofens (8) befinden sich wie in der Ausführungsform von Fig. 1 rund um den Vorheizschacht (11), sodaß das durch die Elektrodenströme gebildete magnetische Feld die elektrischen Bögen einwärts, d. h. zum Zentrum des Schmelzofens, biegt. Folglich wird das aus dem Vorheizschacht (11) fallende vorgeheizte, feste Material dorthin geleitet, um jenen Teil, der durch dieelektrischen Bögen hervorgerufenen Energie zu verwenden, welcher nicht sofort in die im Schmelzofen vorliegende Schmelze übergeführt wird.

Die in der Schmelzzone (12) des Schmelzofens gebildeten Gase werden durch die Gasauslässe (17), welche außerhalb des Elektrodenkreises in der Decke des Schmelzofens angeordnet sind, abgelassen. Ein Teil dieser Abgase aus der Schmelzzone wird in das Verbindungsstück (9) geleitet, um die Abgase in den Vorheizschacht (11) zu rezirkulieren. Der Rest der Abgase aus der Schmelzzone wird über die Auslaßverbindungssstücke (18) zu einer Gasbehandlungseinheit (19) und anschließend zur weiteren Verarbeitung geführt.

In Fig. 3 wird der Konzentratverteiler (24) im erfindungsgemäßen Schmelzofen durch das Zentrum der Decke (23) installiert, welcher Konzentratverteiler das Gemisch aus dem feinverteilten, in den Ofen einzubringenden Material, dem Flußmittel und dem Reduktionsmittel ohne Vorheizen sofort in den Gasraum des Schmelzofens (25) zuführt. Nun trifft die durch das zugeführte Material gebildete Suspension vorteilhafterweise im wesentlichen rascher nach der Zufuhr auf die einwärts gebogenen elektrischen Bögen (27), welche durch die Kathodenelektroden (26) hervorgerufen werden. Die Ausführungsform aus Fig. 3 ist insbesondere für leicht entflammbare Materialien vorteilhaft.

Die in der Reduktion gebildeten Abgase werden aus dem Schmelzofen (25) durch die Gasauslässe (28), welche außerhalb des durch die Kathodenelektroden (26) in der Decke gebildeten Kreises angeordnet sind, abgeführt, um weiterverarbeitetzu werden. In derbevorzugten Ausführungsform aus Fig.3entsprichtdieangewandteBodenelektrode, die Anode (29), der in den Ausführungsformen aus Fig. 1 und 2 verwendeten Elektrode.

Selbstverständlich sind der Schmelzofen und das Zufuhrverfahren der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise nur auf die oben beschriebenen Ausführungsformen eingegrenzt, sondern die Erfindung kann innerhalb des Rahmens der beigefügten Patentansprüche sogar weitgehend modifiziert werden.

Beispiel:

Der Schmelzofen und das Zufuhrverfahren des Schmelzofens gemäß der vorliegenden Erfindung wurden auf ein Konzentrat, welches 42,7 % G2O3, 22,2 % FeO, 3,5 % Fe203,4,1 % S1O2,13,1 % AI2O3,10,2 % MgO und 0,7 % CaO (Gewichtsprozente) enthielt, angewandt. Um das Schmelzverfahren zu realisieren, wurden in den Schmelzofen sowohl 20,541 Konzentrat, insgesamt 4,21 als Flußmittel dienender Dolomit und Quarzit als auch 43 t als Reduktionsmittel dienender Koks zugeführt. Die festen Materialien wurden gemäß Fig. 2 durch das Rezirkulations-Verbindungsstück des Schmelzofens tangential in den Vorheizschacht unter Anwendung des Zyklonprinzips zuerst zugeführt.

Zweck des Vorheizschachtes war es, das im eigentlichen Schmelzofen zu schmelzende Material auf eine Temperatur von 700 °C zu erhitzen. Nun wurden 4420 Nm^ Sauerstoff enthaltendes Gas, d. h. Verbrennungsluft, in -4-

Claims

AT 395 478 B den Vorheizschacht eingeleitet. In Verbindung mit dem Erhitzen wurden 7185 Nm^ Gas aus dem Vorheizschacht abgeführt, um weiterverarbeitet zu werden. Das vorgeheizte Material wurde durch Anwendung des Zyklonprinzips in den Schmelzofen geleitet, wo während des Schmelzverfahrens zwei geschmolzene Phasen gebildet wurden: Schlacke, alles zusammen 10,49 t und Fenochrom, alles zusammen 10,0 L Gleichzeitig wurden im gesamten 6610 Nm^ Abgase gebildet, wovon 2145 Nm^ in den Vorheizschacht rezirkuliert wurden, um das kalte, feste Material zu erhitzen. Das aus dem Schmelzofen erhaltene Ferrochromprodukt enthielt 52,5 % Chrom, 37,0 % Eisen, 3,0 % Silizium und 7,5 % Kohlenstoff (Gewichtsprozente). Die Analyse der erhaltenen Schlacke ergab 6,4 % Chrom, 3,4 % Eisen, 29,5 % Siliziumoxid, 26,5 % Aluminiumoxid, 22,9 % Magnesiumoxid und 5,9 % Calciumoxi d (Gewichtsprozente). Folglich betrug die erhaltene Ausbeute des zugeführten Chroms im Ferrochromprodukt 87,8 %, die Ausbeute des zugeführten Eisens war 90,2 %, und der Energieverbrauch des Schmelzofens betrug 31,7 MWh. PATENTANSPRÜCHE 1. Schmelzofen, insbesondereein Gleichstrombogenofen, zum Behandeln von feinverteiltem Material, welchcrOfcn mindestens 3 durch die Decke hängende Elektroden besitzt, um den elektrischen Bogen hervorzurufen, und dessen Decke mit Öffnungen zum Zuführen von festem Material und zum Abführen von Prozeßgasen ausgestatlct ist. dadurch gekennzeichnet, daß, um das verarbeitbare Material in den Schmelzofen (5,8,25), innerhalb des durch die durch die Decke hängenden Elektroden gebildeten Kreises (4,16, 26) zuzuführen, mindestens eine Zufuhröffnung (30) geschaffen wird, welche mit Zusatzteilen zur Vorbehandlung des zuzuführenden Materials verbunden ist, um eine gleichmäßige Zufuhr des Materials in den Schmelzofen zu gewährleisten, und daß, um die im Verfahren gebildeten Gase abzuführen, mindestens ein Auslaß (20) außerhalb des durch die Elektroden (4,16,26) gebildeten kreisförmigen Raumes geschaffen wird.
2. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Zufuhröffnung (30) verbundenen und eine gleichmäßige Zufuhr hervorrufenden Teile mit dem Gasraum des Schmelzofens (5,8,25) ein im wesentlichen geschlossenes System bilden.
3. Schmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnung (30) sowohl mit einem Konzentratverteiler (3,24) für das zu behandelnde Material als auch mit einer Vorheizeinheit (2,11) verbunden ist.
4. Schmelzofen nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnung (30) mit einer Vorheizeinheit (2,11) für das zu behandelnde Material verbunden ist.
5. Schmelzofen nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizeinheit (2,11) von sich nach unten hin verengender Form ist.
6. Schmelzofen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnung (30) mit einem Konzentratverteiler (24) für das zu behandelnde Material verbunden ist.
7. Verfahren zum Beschicken des Schmelzofens aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, um das zu behandelnde Material vorzuheizen, das Material in den Schmelzofen (5,8,25) in Suspension zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension in die Vorheizeinheit (2,11) des Schmelzofens zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension mittels eines Konzentratverteilers (3,24) hervorgerufen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführen der Suspension vertikal erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß um die Suspension zu bilden, ein Teil der Abgase aus dem Schmelzofen in die Vorheizeinheit (2,11) rezirkuliert wird. -5- AT 395 478 B
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Suspension tangential erfolgt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -6-