CH670834A5

CH670834A5 -

Info

Publication number: CH670834A5
Application number: CH1741/85A
Authority: CH
Inventors: Sven Santen; Jerome Feinman; Sune Eriksson
Original assignee: Skf Steel Eng Ab
Priority date: 1984-10-19
Filing date: 1985-04-24
Publication date: 1989-07-14
Also published as: NZ211817A; NO163493C; FI77897B; BE902291A; SE453304B; FI851309A0; ZA852470B; AU578461B2; JPS6199637A; NO163493B; FI851309L; GB2165861B; GB2165861A; FI77897C; IT1184452B; KR860003348A; DE3513732A1; ES542358A0; US4601752A; NO851334L

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallen und/oder zur Erzeugung von Schlacke aus Oxiderzen.

Wenn sich auch die nachfolgende Beschreibung sowie die Beispiele auf die Herstellung von Ferrochrom aus Chromeisenerz beziehen, so ist die Erfindung doch keineswegs auf diese Stoffe begrenzt, sondern kann für eine grosse Anzahl unterschiedlicher Oxiderzen angewendet werden.

Ferrochrom wird herkömmlicherweise aus Chromeisenerz in Elektroofen hergestellt, wobei Koks als Reduktionsmittel verwendet wird. Nachteilig bei diesen Prozessen ist es, dass als Reduktionsmittel hochwertiger metallurgischer Koks verwendet werden muss und dass es schwierig ist, Metalle mit geringem Kohlenstoffgehalt herzustellen. Ausserdem muss feinpulveriges Erz im allgemeinen agglomeriert werden, damit es bei derartigen Verfahren verwendet werden kann, um einen hohen Prozentgehalt an Metall gewinnen zu können.

Es wurden auf der Plasma-Technologie beruhende verbesserte Verfahren entwickelt, bei denen ein grosser Teil des benötigten Kokses durch pulverigen Kohlenstoff ersetzt wird und wobei vorzugsweise feinpulveriges Erz verwendet wird. Diese neuen Verfahren stellen im Vergleich mit den herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von Elektroofen einen grossen Schritt vorwärts dar, doch erfordern sie immer noch ein Reduktionsmittel, welches zumindest zu 25% aus metallurgischem Koks besteht, und das Verfahren kann nicht ohne weiteres zur Herstellung von Produkten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt angewendet werden.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu verwirklichen, welches die Vorteile der neuen Reduk-tions- und Schmelzverfahren aufgrund der Plasmaenergie der vorbeschriebenen Art beibehält, während gleichzeitig deren Abhängigkeit von metallurgischem Koks ausgeschaltet werden soll und die Herstellung von Metallprodukten mit relativ geringem Kohlenstoffgehalt möglich sein soll. Dabei soll das erfindungsgemässe Verfahren flexibler als die bisher bekannten Verfahren in Bezug auf die Verteilung der zur Reduktion und zum Schmelzen erforderlichen Energie zwischen elektrischer Energie und von brennbaren fossilen Brennstoffen abgeleiteter Energie sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Metallherstellung und/oder Schlackenerzeugung aus Oxiderzen vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Oxiderz in einem aus drei Zonen bestehenden Reaktor behandelt wird, wobei in der oberen oder Oxidationszone (11) das Gut vorgewärmt und dieses vorgewärmte Gut dann in eine aus einem Schlackenbad bestehende mittlere Zone gelangt, in welcher es durch Einblasen von kohlenstoffhaltigem und/oder kohlenwasserstoffhaltigem Material sowie Wärmeenergie enthaltendem Material zumindest teilweise reduziert wird, wobei das Schmelzen in der oberen oder mittleren Zone stattfindet und wobei die Wärmeenergie hauptsächlich durch ein in einem Plasmagenerator (14) erhitztes Gas geliefert wird, woraufhin das im Reduktionsprozess entstandene Metall in eine untere Zone (10) am Boden des Reaktors hinabsinkt, aus welcher es ebenso wie die Schlacke durch Ablassöffnungen (19; 20) intermittierend abgelassen wird.

Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einzelner Durchführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsge-mässen Verfahrens;

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Fig. 2 ein Flussdiagramm des erfmdungsgemässen Verfahrens; und

Fig. 3 ein Flussdiagramm eines herkömmlichen Plasma-Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Kammer 11, welche eine Hochtemperatur-Reaktionszone bildet, welche über einem unteren, mit feuerfestem Material ausgekleideten Herd 10 angeordnet ist. Die Kammer 11 ist von wassergekühlten Platten 12 umgeben, welche Metallkanäle bilden, durch welche Kühlwasser mit hoher Geschwindigkeit hindurchgeleitet werden kann und welche innenseitig mit einer feuerfesten Auskleidung 13 versehen sind, welche die innenseitige Metalloberfläche vor einem direkten Kontakt mit der in der Kammer 11 vorhandenen Schmelze schützt.

Der untere Teil der Kammer 11 ist mit Plasmageneratoren 14 versehen, welche das Verfahren mit elektrischer Energie versorgen, sowie mit Lanzen 15 zur Zufuhr von Kohlenstoff als Reduktionsmittel für das Verfahren. Diese Lanzen 15 sind vorzugsweise höher in der Kammer angeordnet als die Plasmageneratoren 14. Die Kammer 11 weist ausserdem Lanzen 16 für die Zufuhr von Sauerstoffgas auf, welche wiederum höher als die Kohlenstoff-Lanzen 15 angeordnet sein können. Das Sauerstoffgas soll einen Teil der bei der Umwandlung des Kohlenstoffes mit den Metalloxiden im System erzeugten Gase verbrennen, um Energie zur Erhitzung und zum Schmelzen dieser Oxide zu liefern. Weitere Lanzen 17 sind an der Decke der Kammer 11 für die Zufuhr von fein verteiltem Erz und von Zuschlägen zum Reaktor vorgesehen. Ausserdem ist an der Decke der Kammer 11 ein mit feuerfestem Material ausgekleideter Kanal 18 vorgesehen, um dem System Gase zu entziehen. Der Herd 10 besitzt Ablassöffnungen 20 und 19 zum Ablassen von Schlacken bzw. Metall.

Die verschiedenen Lanzen für die Zufuhr von Sauerstoffgas und Reduktionsmittel können miteinander und/oder mit den Plasmageneratoren zusammengefasst werden. Wenn Sauerstoffgas im Zusammenhang mit den Plasmageneratoren in einer geringen Höhe in die Kammer 11 eingebracht wird, wird zusätzliches Sauerstoffgas über die Oberfläche des Schlackenbettes zugeführt.

Ausserdem kann ein kombinierter Auslass für die Schlacke und das hergestellte Metall am Boden des Reaktors vorgesehen werden.

Die nachfolgende sich auf Fig. 1 beziehende Beschreibung betrifft ein bevorzugtes Durchführungsbeispiel des erfmdungsgemässen Verfahrens.

Wenn die untere Zone 10 und die obere oder Oxidationszone 11 etwa auf Betriebstemperatur durch Zufuhr eines geeigneten Plasmagases durch die Plasmageneratoren 14 erhitzt wurden und Schichten von Metallschmelze und Schlacke durch Schmelzen geeigneter Ausgangsstoffe ausgebildet wurden, wird durch die Lanzen 15 bzw. 16 Kohlenstoffbzw. Sauerstoffgas eingeblasen. Dies ruft den Umlauf eines CO, H2 und H20 enthaltenden Prozessgases hervor, welches zumindest teilweise als geeigneteres Plasmagas wieder im Umlauf gebracht werden kann. Die Kühlung der Wäsche und die erneute Kompression des Prozessabgases zur erneuten Verwendung als Plasmagas oder zur Verwendung als Brennstoff werden durch in den Zeichnungen nicht dargestellte herkömmliche Einrichtungen erreicht.

Wenn der Betrieb in der Oxidationszone 11, begleitet von der Zirkulation der Schlacke vom Bad in die untere Zone 10 in der Oxidationszone 11 angelaufen ist, wird die Zufuhr von Erz und Zuschlägen durch die Lanzen 17 begonnen. Die Reaktion zwischen Kohlenstoff und Oxiden in der geschmolzenen Schlacke erzeugt CO und H2, welche teilweise mit Sauerstoffgas in der Oxidationszone 11 verbrannt werden. Das Ausmass der in der Oxidationszone 11 erfolgenden Verbrennung wird gesteuert, um ausreichend Energie zur Vorwärmung und zum Schmelzen des Erzes und der Zuschläge zu erreichen, die in die Oxidationszone 11 eingeleitet werden.

Die durch die Plasmageneratoren 14 zugeführte Energie-5 menge wird in Abhängigkeit von den endothermischen Reaktionen zwischen der Schlacke und Kohlenstoff so gesteuert, dass in der unteren Zone 10 und im unteren Teil der Oxidationszone 11 in welcher die Reduktion und das Schmelzen erfolgen, eine reduzierende Atmosphäre und dass im oberen 10 und mittleren Bereich der Oxidationszone 11, wo das Vorwärmen und das Schmelzen erfolgt, eine mehr oxidierende Atmosphäre aufrecht erhalten wird.

Der Wärmefluss durch die Auskleidung 13 in die wassergekühlten Platten 12 beträgt 50 bis 100 kWh/m2, wodurch ei-15 ne dünne Schicht erstarrter Schlacke 21 an der Innenseite der Auskleidung 13 ausgebildet wird. Die Temperatur an der Innenseite dieser erstarrten Schlackenschicht, welche 1 bis 2 cm dick sein kann, entspricht dem Schmelzpunkt der Schlacke und wirkt daher als Schutz für die Auskleidung 13 und die 20 wassergekühlten Platten 12 vor korrosiven/errosiven Einflüssen der turbulenten Masse aus festen, flüssigen und gasförmigen Reaktionspartnern, welche in der Kammer 11 umlaufen.

Zur Herstellung von Ferrochrom wird vorzugsweise eine 25 Temperatur von annähernd 2000 °C in der Kammer aufrecht erhalten, um geschmolzene Reaktionspartner mit einer Temperatur von annähernd 1700 °C zum unteren Teil der Kammer 11 gelangen zu lassen.

Als Plasmagas kann Luft, sauerstoff-angereicherte Luft, 30 Sauerstoffgas und/oder erneut in Umlauf gebrachtes Prozessgas verwendet werden. Wenn erneut in Umlauf gebrachtes Prozessgas verwendet wird, werden zweckmässigerweise Wasserdampf und Kohlendioxid aus dem Gas entfernt, bevor es zu den Plasmageneratoren gelangt.

35 Vorzugsweise ist die obere Zone zumindest teilweise von den anderen Zonen getrennt, sodass eine Schweberöstschmelzzone ausgebildet wird. Ein Teil des heissen Abgases kann daher zum Vorwärmen und Schmelzen des eingeblasenen feinpulverigen Oxiderzes ausgenutzt werden. Dieses fallt 40 dann in den Reaktor nieder.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt die Steuerung des Sauerstoffpotentials in der Schmelzzone, indem die Menge, in welcher die oxidierenden Bestandteile zugeführt werden, wie z.B. Metalloxide und oxidierende Gase, z.B. Sauer-45 stoffgas, Kohlenmonoxid, Wasser usw. im Verhältnis zur Zufuhr der reduzierenden Stoffe wie z.B. Kohlenstoff und/ oder Kohlenwasserstoff enthaltendes Material, gesteuert werden. Auf diese Weise kann der Kohlenstoffgehalt ebenso wie die Ausbildung von Karbid im hergestellten Metall ge-50 steuert werden. Es ist auch möglich, die selektive Reduktion von komplexen Metalloxiden wie z.B. die Reduktion von Cu im Cu-Fe-O-System, von Cu-Zn im Cu-Zn-Fe-O-System, von Cu-Zn-Pb im Cu-Zn-Pb-O-System und von Fe im Fe-Ti-O-System durchzuführen. Das erfindungsgemässe Verfah-55 ren eignet sich besonders im Fe-Ti-O-System zur Reduktion von Eisen (III)-Oxid und zur Bildung von metallischem Eisen aus Ilmenit und daher zur Herstellung einer Schlacke mit einem hohen Gehalt an Ti02 und niedrigem FeO-Gehalt ohne die störende Bildung von Titankarbiden oder Nitrokarbi-60 den.

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines erfmdungsgemässen Verfahrens und Fig. 3 ein Flussdiagramm für ein herkömmliches Plasma-Verfahren, wobei bei beiden Verfahren Ferrochrom mit einem hohen Kohlenstoffgehalt hergestellt wer-65 den soll. Diese beiden Flussdiagramme zeigen eindeutig die Vorteile des erfmdungsgemässen Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen Verfahren.

Die Vorteile des erfmdungsgemässen Verfahrens illu

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striert weiterhin die nachstehende Tabelle, welche einen Vergleich zwischen den Betriebsparametern des bisher bekannten Plasmaverfahrens und des erfmdungsgemässen Verfahrens bei der Herstellung von Ferrochrom mit hohem Kohlenstoffgehalt erlaubt.

Tabelle

Herkömml.

Erfindungsge-

Plasma-

mässes Verfah

Schmelzen ren

Erzufuhr (t)

2,293

Kohlenstoff

0,366

0,510

Koks

0,166

—

Sauerstoffgas (mol)

-

12,388

Elektrizität (kWh)

4,913

3,036

Schlacke (t)

1,217

1,213

Brenngas-«Guthaben» (GCal)

2,844

1,006

Brenngas-Volumen (mol)

44,69

24,59

Gesamtmenge an Abgas (kmol) 97,94

73,70

Plasmagas (kmol)

53,25

32,90

Das erfindungsgemässe Verfahren erfordert im Vergleich mit 30 Gew.-% beim herkömmlichen Plasmaschmelzen keinen Koks und 40% weniger direkte Elektroenergie. Ausserdem ist beim erfmdungsgemässen Verfahren ein 65% geringeres Brenngas-«Guthaben» (crediting) erforderlich, was einen bedeutenden Vorteil an den Orten geben kann, an denen kein Bedarf für einen derartigen Brennstoff weder extern noch intern besteht. Die geringere Menge an Abgas beim erfmdungsgemässen Verfahren ist ein weiterer Vorteil, da die Einrichtung zum Kühlen, Waschen und erneutem Komprimieren infolgedessen weniger kostenaufwendig sein kann.

Gewisse kritische Merkmale und Bedingungen für die 5 korrekte Dimensionierung und den sicheren Betrieb des Verfahrens sollen ebenfalls erwähnt werden. Eine der wichtigsten Anforderungen besteht darin, die Funktion der Kühlplatten, welche die Seiten und die Decke der Reaktionskammer bilden, aufrecht zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, io dass ein Belag aus leitendem feuerfestem Material eingebaut wird. Dadurch kann eine dünne Schale aus erstarrter Schlak-ke an der Auskleidung haften bleiben, was einen zusätzlichen Schutz für das System liefert. Die Lanzen 15, 16 und 17 sind derart ausgebildet und in den Reaktor eingesetzt, dass sie die >5 direkte Einwirkung auf die Wandungen möglichst klein halten und die Durchwirbelung in der Reaktionskammer 11 möglichst grosshalten. Erreicht wird dies durch eine Kombination der Strahldurchdringung in Abhängigkeit von der Abmessung und der Geschwindigkeit sowie der Richtung. Die gegenseitige Anordnung der Plasmageneratoren 14, der Injektionslanzen 15 für den Kohlenstoff und der Lanzen 16 für das Sauerstoffgas wird so eingestellt, dass eine angemessene Verteilung zwischen den oxidierenden Bedingungen im oberen und im mittleren Teil der Reaktionskammer sowie die reduzierenden Bedingungen im Herd 10 und im unteren Teil der Kammer 11 sichergestellt ist.

Eine Isolierung des Produktbades von den Reaktionen in der Kammer 11 wird dadurch erreicht, dass die Schlackenschicht oder das Schlackenbad im Herd 10 auf dem Metall-bad so dick gehalten wird, dass mindestens ein Teil der Schlacke über dem Produktbad liegen bleibt.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

670 834 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Metallherstellung und/oder Schlackenerzeugung aus Oxiderzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxiderz in einem aus drei Zonen bestehenden Reaktor behandelt wird, wobei in der oberen oder Oxidationszone (11) das Gut vorgewärmt und dieses vorgewärmte Gut dann in eine aus einem Schlackenbad bestehende mittlere Zone gelangt, in welcher es durch Einblasen von kohlenstoffhaltigem und/oder kohlenwasserstoffhaltigem Material sowie Wärmeenergie enthaltendem Material zumindest teilweise reduziert wird, wobei das Schmelzen in der oberen oder mittleren Zone stattfindet und wobei die Wärmeenergie hauptsächlich durch ein in einem Plasmagenerator (14) erhitztes Gas geliefert wird, woraufhin das im Reduktionsprozess entstandene Metall in eine untere Zone (10) am Boden des Reaktors hinabsinkt, aus welcher es ebenso wie die Schlacke durch Ablassöffnungen (19; 20) intermittierend abgelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gut bei der Vorwärmung durch die Verbrennung von Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas aus der darunterliegenden mittleren Zone zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas geschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Plasmageneratoren (14) zugeführte Energiemenge in Abhängigkeit von den endothermi-schen Reaktionen zwischen der Schlacke und dem Kohlenstoff so gesteuert wird, dass in der unteren Zone (10) und im unteren Teil der Oxidationszone (11) in welcher die Reduktion und das Schmelzen erfolgen, eine reduzierende Atmosphäre und dass im oberen und mittleren Bereich der Oxidationszone (11), wo das Vorwärmen und das Schmelzen erfolgt, eine mehr oxidierende Atmosphäre aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Oxidationszone (11) und die Reduktionszone (10) umgebenden Teile des Reaktors durch wassergekühlte Platten (12) gekühlt werden, welche innenseitig mit feuerfestem Material (13) beschichtet sind und dadurch an der Innenwandung des Reaktors eine Schicht (21) aus erstarrter Schlacke ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass kohlenstoffhaltiges Material und/oder kohlen-wasserstoffhaltiges Material an einer Stelle zugeführt wird, welche über der Stelle liegt, an welcher vom Plasmagenerator (14) erhitztes Gas zugeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass kohlenstoffhaltiges Material und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Material sowie ein sauerstoffhaltiges Gas in die unteren Teile des Reaktors eingebracht werden und dass ein sauerstoffhaltiges Gas ausserdem an einer Stelle über der Oberfläche des Schlackenbades eingeblasen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die obere oder Oxidationszone (11) zumindest teilweise von den anderen Zonen getrennt ist und das vorgewärmte Material von der oberen in die mittlere Zone hinabfallt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass heisses Abgas an der Decke des Reaktors entnommen und zumindest ein Teil desselben zum Vorwärmen und eventuellen Schmelzen des Materials in der zumindest teilweise abgetrennten oberen Zone (11) verwendet wird, wodurch eine Schweberöstschmelzzone gebildet wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxiderz zusammen mit Schlackenbildern in dem Reaktor behandelt wird.