DE102004033433B4

DE102004033433B4 - Verfahren zum Vorheizen von Eisenschwamm

Info

Publication number: DE102004033433B4
Application number: DE102004033433A
Authority: DE
Inventors: Karl E.h. Dr. Dr. Brotzmann
Original assignee: BROTZMANN KARL CONSULTING; KARL BROTZMANN CONSULTING GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2004-07-10
Filing date: 2004-07-10
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-07-11
Also published as: DE102004033433A1

Abstract

Verfahren zum Vorheizen von Eisenschwamm durch einen heißen Gasstrom, d.gkz., dass ein Eisenschwammhaufwerk von einem heißen zirkulierenden Gas durchströmt wird, dieses Gas dabei seine Wärmeenergie weitgehend an den Eisenschwamm überträgt und dann in einem Wärmeaustauscher wieder auf die Vorheiztemperatur erwärmt wird, wobei der über die gesamte Heizzeit eingestellte Mittelwert des Aufheizgasstromes unter 6.000 Nm³/h bezogen auf 1m² Oberfläche des Eisenschwammhaufwerkes liegt.

Description

Bei der Stahlerzeugung werden in zunehmendem Ausmaß Eisenträger eingesetzt, die aus Eisenerz über sogenannte Direktreduktionsverfahren hergestellt werden. Es handelt sich hierbei um DRI-Pellets, auch Eisenschwamm genannt, die einen Durchmesser von ungefähr 15 mm haben.

DRI-Pellets zeigen jedoch beim Einschmelzen, z.B. in einem Elektrolichtbogenofen, gegenüber Schrott beträchtliche Nachteile. Das liegt einmal daran, dass verfahrensbedingt ca. 5 – 8% des Eisens in oxidischer Form als Wüstit vorliegen. Aber auch ihre physikalische Beschaffenheit, die gegenüber Schrott zu einem geringeren Lückenvolumen führt, erschwert das Einschmelzen. Für das Einschmelzen vom DRI-Pellets werden deshalb im Elektrolichtbogenofen ca. 600 kWh/t Stahl gegenüber 400 kWh/t Stahl für das Einschmelzen von Schrott benötigt.

Um diesen Nachteil zu vermindern, werden z.B. DRI-Pellets unmittelbar aus dem Direktreduktionsprozess mit einer Temperatur von ca. 650°C in den Einschmelzofen chargiert, wodurch etwa 170 kWh/t Stahl eingespart werden. Diese direkte Verbindung kann natürlich nur angewendet werden, wenn die Direktreduktionsanlage und das Schmelzaggregat räumlich beieinander liegen. Die Anlagen hierfür sind sehr aufwendig.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, die beim Einschmelzen von Eisenschwamm-Pellets bestehenden beträchtlichen Nachteile zu vermeiden und einen neuen Weg aufzuzeigen, bei dem die sonst nachteilige physikalische Beschaffenheit der Eisenschwamm-Pellets für ein Vorheizverfahren vorteilhaft ausgenutzt und so die Energie für das Einschmelzen beträchtlich reduziert wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Grundlage für die vorliegende Erfindung ist die überraschende Erkenntnis, dass ein heißes Gas beim Durchströmen eines Haufwerkes aus Eisenschwamm nicht linear in der Temperatur abfällt, sondern dass das Aufheizgas innerhalb einer dünnen Schicht praktisch vollständig abgekühlt wird. Beim Aufheizvorgang schiebt sich also eine Temperaturfront durch die Pellets und das das Haufwerk verlassende Gas bleibt auf niedriger Temperatur bis kurz vor dem vollständigen Aufheizen der gesamten Charge. Dadurch ist es möglich, Inertgas für die Aufheizung ohne zusätzliche Kühlung im Kreislauf zu führen.

Die erfindungsgemäße Wirkung auf die Temperaturverteilung im Pellet-Bett wird erreicht, wenn der Mittelwert des Aufheizgasstromes unter 6.000 Nm³/hm² eingestellt wird. Optimale Werte ergeben sich, wenn der Mittelwert des Aufheizgasstromes bei 1.500 bis 3.000 Nm³/hm² liegt. Diese Maßnahme erscheint auf den ersten Eindruck widersinnig. Die Vorheizzeiten liegen dadurch so hoch, dass, wenn die gesamte Produktion vorgeheizt werden soll, mehrere Vorheizaggregate für ein Schmelzgefäß verwendet werden müssen. Außerdem führt die längere Vorheizzeit zu entsprechend höheren Wärmeverlusten. Für den Aufheizprozess überwiegen jedoch die Vorteile, weil das zirkulierende Inertgas nach dem Verlassen der aufzuheizenden Pelletschüttung nicht gekühlt werden muss und damit der gesamte thermische Wirkungsgrad wesentlich höher liegt, als wenn schneller aufgeheizt würde. Außerdem werden die Vorrichtungen für das Aufheizen einfacher.

Der angegebene Grenzwert für den Aufheizgasstrom ist als Mittelwert über die gesamte Heizperiode zu verstehen. So kann beispielsweise beim Aufheizen von Pellets der Aufheizgasstrom während der ersten Hälfte des Aufheizzyklus bei 4.000 Nm³/hm² liegen. In der zweiten Hälfte wird dann der Aufheizgasstrom kontinuierlich bis auf 1.000 Nm³/hm² reduziert. Es kann jedoch beispielsweise auch mit 4.000 Nm³/hm² begonnen werden und der Aufheizgasstrom wird dann kontinuierlich bis auf 1.000 Nm³/hm² reduziert. Eine solche Fahrweise führt dazu, dass der Druckabfall im Aufheizgefäß über die gesamte Aufheizzeit ungefähr konstant bleibt.

Um die erfindungsgemäßen Bedingungen bei dem Aufheizgefäß zu erfüllen, muss die geometrische Form entsprechend angepasst werden. So soll bei dem Vorheizgefäß für das Aufheizen von Pellets das Verhältnis von lichtem Gefäßdurchmesser zu lichter Gefäßhöhe zwischen 0,5 und 1,5 liegen. Im Mittel soll der lichte Gefäßdurchmesser etwa so groß sein wie die Höhe der Pelletschicht.

Die genannten Bedingungen gelten für Gefäße mit einem kreisförmigen Querschnitt. Sie können natürlich sinngemäß auf jede andere geometrische Form übertragen werden.

Die Gefäße weisen, wie später bei den beispielhaften Ausführungen beschrieben, im unteren Teil eine konische Verjüngung auf. Dieser Teil ist bei der erfindungsgemäßen Berechnung der geometrischen Form nicht zu berücksichtigen.

Es hat sich gezeigt, dass durch die Formgebung im unteren Bereich ein vorteilhafter Effekt auf die annähernd vollständige gleichmäßige Aufheizung der DRI-Schüttung erreicht werden kann. Wird der Querschnitt im unteren Bereich auf ca. 1/3 des Querschnittes im oberen Aufheizgefäß reduziert, so wird der letzte Teil der Schüttung besser aufgeheizt als bei konstantem Querschnitt.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass anstelle von Inertgas Luft im Kreislauf geführt werden kann. Es werden dabei zu Beginn des Aufheizprozesses ca. 0,1% der Eisenmenge oxidiert, die jedoch später wieder reduziert werden. Schon nach einer kurzen Zeit ist die in der Luft vorhandene Sauerstoffmenge an das Eisen gebunden und das zirkulierende Gas für den Aufheizprozess besteht dann nur aus einem nichtoxidierenden Gas.

Die weitgehende Reduktion des Wüstitgehaltes der DRI-Pellets ist beim Vorheizen der Pellets von entscheidender Bedeutung. Der Energiebedarf für das Einschmelzen wird dadurch um ca. 25% vermindert. Aber auch die Zugabe zu einem kohlenstoffhaltigen Eisenbad, was übliche Praxis ist, wird einfacher, weil damit das sonst gelegentlich auftretende Schäumen der Schlacke verhindert wird.

Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren der Wüstitanteil der Pellets praktisch vollständig reduziert wird. Die Erklärung dafür dürfte sein, dass sich schon beim Beginn der Wüstitreduktion der CO-Gehalt des zirkulierenden Inertgases sehr schnell erhöht, wodurch optimale Bedingungen für die Wüstitreduktion geschafften werden. Die Wirkung kann noch unterstütz werden, wenn der Druck des Aufheizgases pulsierend geändert wird. Druckänderungen bis zu 20% sind hierfür ausreichend.

Der Effekt wird begünstigt, wenn dem Inertgas zu Beginn 10 – 20% CO zugegeben werden, wodurch die Reduktion schneller eingeleitet wird. Bei dem üblichen Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anreicherung jedoch automatisch, weil die vom Aufheizgefäß getrennte Anlage mit CO-haltigem Gas gefüllt bleibt.

Die erfindungsgemäße Reduzierung der Gasumlaufmenge und die konische Verjüngung des Querschnittes im unteren Teil des Aufheizgefäßes begünstigen die weitgehende Reduktion des Wüstitgehaltes des Pellet-Anteils auch im unteren Teil des Aufheizgefäßes.

Es bilden sich durch die Wüstit-Reduktion beträchtliche Mengen an CO, die entweder abgefackelt oder erfasst und als Brenngas für den Schüttgutregenerator eingesetzt werden. Etwa die Hälfte des Energiebedarfs für den Regenerator kann dadurch gedeckt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren begünstigt also in doppelter Weise die wichtige Reduktion des Wüstitgehaltes. Es ist einmal der hohe CO-Gehalt des zirkulierenden Gasses und die verhältnismäßig lange Aufheizzeit.

Es hat sich gezeigt, dass die Bedingungen für ein erfindungsgemäßes Aufheizen von Eisenschwamm einfach kontrolliert werden können, indem die Temperatur des Abgases beim Verlassen des Vorheizgefäßes gemessen wird.. Überschreitet die Abgastemperatur 200°C, so wird der Aufheizgasstrom reduziert. Im allgemeinen sind die Bedingungen für ein optimales Aufheizen gut reproduzierbar. Gelegentliche Anpassungen sind jedoch erforderlich, weil der Anteil von Pellets einer kleineren Korngröße bzw. auch der Feinanteil sowohl der Menge nach wie auch in der örtlichen Verteilung im Aufheizgefäß schwanken kann.

Die Vorheiztemperatur des Eisenschwammes soll zwischen 800°C und 1.100°C liegen. Außerdem soll der C-Gehalt des Eisenschwammes bei mindestens 2% liegen. Diese beiden Bedingungen sind die Voraussetzung dafür, dass der Wüstitanteil des Eisenschwammes, der bei 5 bis 8% liegen, während des Vorheizens reduziert wird. Erst bei einer Vorheiztemperatur von mindestens 800°C wird eine zuverlässige Reduktion des Wüstitanteiles im Eisenschwamm erreicht.

Es gehört auch zum Wesen der vorliegenden Erfindung, die Oberfläche der Pellets so zu behandeln, dass sie bei hohen Vorheiztemperaturen nicht zusammensintern. Diese Behandlung ist von den Direktreduktionsverfahren im Schachtofen bekannt. Die Pulver, mit denen die Pellets bestäubt werden, bestehen im allgemeinen aus MgO, CaO oder dessen Verbindungen. Bei dieser Behandlung können Vorheiztemperaturen bis zu 1.100°C angewendet werden.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Energiebedarf für das Einschmelzen von DRI-Pellets im Elektrolichtbogenofen auf weniger als 200 kWh/t Stahl reduziert. Auch ein höherer Gangartanteil der Erze kann durch die hohe Vorheiztemperatur im Schmelzprozess leichter toleriert werden.

Eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem beigefügten Bild dargestellt. Sie besteht aus einem Aufheizgefäß, einer Regeneratoranlage zum Aufheizen des Inertgases, einem Gebläse und einem Tuchfilter. Die Regeneratoranlage kann ein Schüttgutregenerator sein. Anstelle des Regenerators kann zum Aufheizen des Inertgases auch ein Rekuperator verwendet werden. Die Anlage wird damit einfacher, die höchstmögliche Temperatur und der thermische Wirkungsgrad werden jedoch herabgesetzt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung besteht in der Kombination eines für das vorliegende Verfahren abgeänderten Schüttgutregenerators. Für diesen Fall wird der Regenerator mit einer wesentlich erhöhten Schichtstärke des Schüttgutes betrieben. Während üblicherweise die Dicke der radial durchströmten Schüttgutschicht etwa 60 cm beträgt, wird sie bei der erfindungsgemäßen Anwendung etwa verdoppelt.

Dadurch reicht die gespeicherte Wärme aus, um die gesamte DRI-Charge aufzuheizen. Es ergibt sich dadurch auch eine vorteilhafte Kombination des erforderlichen Druckes für die Zirkulation des Inertgases. Während der Druckabfall im Schüttgutregenerator kontinuierlich weniger wird, steigt er im Vorheizgefäß an. Es findet damit eine gewisse Angleichung des Druckabfalls während des Aufheizprozesses statt.

Wichtig ist die Formgebung für das Aufheizgefäß. Als Beispiel sei das Aufheizen einer Charge mit 50 t Eisenschwamm angeführt. Für 50 t DRI-Pellets wird ein inneres Volumen des Gefäßes von ungefähr 30 m³ benötigt. Das Gefäß hat einen lichten Durchmesser von 3,3 m und eine Höhe für den zylindrischen Teil von 4 m, wovon etwa 3,5 m mit Pellets gefüllt sind. Oberhalb der Pellets verbleibt ein freier Raum, durch den das heiße Inertgas eingeleitet wird. Das heiße Gas durchströmt die Füllung von oben nach unten. Der untere Teil des Gefäßes besteht aus einem sich verjüngenden Konus, in dessen unterem Teil sich Öffnungen für den Abzug des abgekühlten Inertgases befinden.
Für das Aufheizen der Charge wird eine Inertgasmenge von insgesamt 40.000 Nm³ durch die aufzuheizenden Pellets geleitet. Erfindungsgemäß wird mit einem Inertgasstrom von 4.000 Nm³/hm² begonnen. Bei einem Durchmesser des Aufheizgefäßes von 3,3 m beträgt der Querschnitt 8,6 m² und der Gasdurchfluss 34.400 Nm³/h. Nach 20 Minuten wird die Gasmenge innerhalb von 1,3 Stunde kontinuierlich bis auf 1.000 Nm³/hm² reduziert. Die Gesamtaufheizzeit liegt bei ca. 1,7 h. Die Abgastemperatur am Ende des Heizzyklus beträgt 180°C. Es erübrigt sich eine Kühlung des zirkulierenden Inertgases.
Die Pellets können nach dem Aufheizen über einen schieberförmigen Verschluss am Boden des Aufheizgefäßes in ein Schmelzgefäß chargiert werden. Es kann aber auch zweckmäßig sein, das Gefäß so auszubilden, dass es die Form einer Schrottmulde hat, wobei dann die obere Begrenzung ein abnehmbareer oder abklappbarer Deckel ist. Der Eisenschwamm wird dann, wie beim Chargieren von Schrott, nach dem Vorheizen durch Kippen in den Konverter entleert.
Ein kontinuierliches Vorheizen in Verbindung mit einem Schmelzgefäß ist kaum vorstellbar. So müsste bei 50-t-Pellets, die innerhalb von 20 Minuten kontinuierlich chargiert werden, ein Aufheizgasstrom von 120.000 Nm³/h angewendet werden, wofür sehr aufwendige Regeneratoranlagen erforderlich wären. Auch für das Aufheizgefäß führt das zu nicht realisierbaren Bedingungen.
Die Erfindung wurde in Verbindung mit einem Elektrolichtbogenofen als Einschmelzaggregat beschrieben. Sie bietet dort besondere Vorteile, wie eingangs beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf diese Kombination beschränkt. Sie kann in Verbindung mit jedem Einschmelzaggregat angewendet werden. Z.B. kann das Einschmelzaggregat auch ein Konverter sein. Das Vorheizen des DRI ermöglicht es, den DRI-Zusatz beträchtlich zu steigern. Dabei ist es besonders vorteilhaft, Verfahren in Verbindung mit einem bodenblasenden Konverter mit Heißluftnachverbrennung der Reaktionsgase einzusetzen. Mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 4% in den Pellets kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens flüssiger Stahl in einem solchen Konverter ohne weitere Energiezufuhr und ohne flüssiges Roheisen hergestellt werden.

Claims

Verfahren zum Vorheizen von Eisenschwamm durch einen heißen Gasstrom, d.gkz., dass ein Eisenschwammhaufwerk von einem heißen zirkulierenden Gas durchströmt wird, dieses Gas dabei seine Wärmeenergie weitgehend an den Eisenschwamm überträgt und dann in einem Wärmeaustauscher wieder auf die Vorheiztemperatur erwärmt wird, wobei der über die gesamte Heizzeit eingestellte Mittelwert des Aufheizgasstromes unter 6.000 Nm³/h bezogen auf 1m² Oberfläche des Eisenschwammhaufwerkes liegt.
Verfahren nach Anspr. 1, d.gkz. dass der Mittelwert des Aufheizgasstromes zwischen 1.500 und 3.000 Nm³/h bezogen auf 1 m² Oberfläche des Eisenschwammhaufwerkes liegt
Verfahren nach Anspr. 1 und 2, d.gkz dass das Aufheizgas über einen freien Raum von oben auf das Eisenschwammhaufwerk geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 – 3, d.gkz., dass Eisenschwamm mit einem Kohlenstoffgehalt von 2 – 5% durch ein inertes Heizgas mit einer Temperatur von 800°C bis 1.100°C aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspr. 1 – 4, d.gkz. dass dem Inertgas zu Beginn des Aufheizprozesses 10 bis 20% CO zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspr. 1 – 5, d.gkz. dass der Druck des Heizgases pulsierend geändert wird.
Verfahren nach Anspr. 1 – 6, d.gkz dass der Druck bis zu 20% bezogen auf den mittleren Druck variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 – 7, d.gkz., dass der Gasdurchfluss durch die Abgastemperatur gesteuert wird.
Verfahren zum Vorheizen von Eisenschwamm nach Anspruch 1 – 8, d.gkz., dass das Verhältnis aus Höhe und Querschnitt des Eisenschwammhaufwerkes zwischen 0,5 und 1,5 eingestellt wird.
Verfahren zum Vorheizen von Eisenschwamm nach Anspr. 1 – 9, d.gkz., dass der Austritt des zirkulierenden Aufheizgases durch einen konischen Stutzen erfolgt, in dem sich der Querschnitt auf mindestens 1/3 des Querschnittes des Eisenschwammhaufwerkes reduziert.
Verfahren nach Anspr. 1 – 10, d.gkz., dass als Wärmeaustauscher ein Schüttgutregenerator verwendet wird, bei dem die Stärke der radial durchströmten Schicht mindestens 1,2 m beträgt.