DE102014019133A1 - Verfahren zur Rückgewinnung von Metallen aus der Schlacke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Metallen aus der Schlacke bei der Erzeugung von Ferro-Legierungen, NE-Legierungen, NE-Metallen und der Schlackenreinigung, in einem als Wechselstrom-Elektrofen ausgebildeten Ofen, wobei durch die zum Schmelzen vorgesehenen, mit Wechselstrom gespeisten Elektroden, ein elektrisches Feld erzeugt wird und bei dem durch die Erzeugung eines das elektrische Feld der Elektroden kreuzenden Magnetfeldes eine Lorentzkraft auf die Schmelze ausgeübt wird. Dabei wird das Magnetfeld durch einen mit Wechselstrom beaufschlagten Elektromagneten erzeugt, dessen sinusförmige Phase mit der sinusförmigen Phase des Stromflusses durch die Elektroden überlagert oder zu dieser verschoben wird.

Description

• Verfahren zur Rückgewinnung von Metallen aus der Schlacke bei der Erzeugung von Metallen oder beim Recycling in einem als Wechselstrom-Elektrofen ausgebildeten Ofen.
• Zur Verbesserung der Produktionskapazität und der Schlackenreinigung mit einer Rückgewinnung der in der Schlacke enthaltenen Metalle, ist es bekannt, die Schlacke zu rühren.
• Bekannt ist das mechanische Rühren der Schlacke ( US 4036636 ), wobei sich aber aufgrund der hohen Temperaturen Probleme ergeben.
• Wesentlich geeigneter ist demgegenüber das elektromagnetische Rühren der Schlacke.
• Ein Beispiel hierfür ist in der EP 1807671 B1 beschrieben.
• Hierbei kommen zwei hintereinander angeordnete Öfen zum Einsatz, und zwar als erster Ofen, ein Ofen der als Wechselstrom-Elektroofen ausgebildet ist. In diesem wird die metallhaltige Schlacke erhitzt und anschließend in den zweiten Ofen verbracht.
• Der zweite Ofen, in dem eine Schlackenreduktion und die Entfernung von Einschlüssen stattfindet, ist als Gleichstrom-Elektrofen ausgebildet.
• Entscheidend für den Wirkungsgrad ist nun die Anordnung eines Magnetjoches, dass den Ofen auf einem Teilbereich umfasst, vorrangig im Bereich einer Elektrode. Dabei kann es sich um die Anordnung eines Elektromagneten handeln oder um einen Permanentmagneten.
• Durch diese Magnetanordnung wird ein Magnetfeld erzeugt, dass sich mit dem von den Elektroden erzeugten elektrischen Feld kreuzt, so dass eine Lorentzkraft erzeugt wird, die – entsprechend der „Rechten-Hand-Regel – auf die Schmelze derart einwirkt, dass eine Strömung, also ein Rühreffekt in der Schmelze erzielt wird.
• Die Lorentzkraft ist die Kraft, die eine bewegte Ladung in einem magnetischen Feld erfährt. In Magnetfeldern ist sie am größten, wenn die Bewegungsrichtung der Ladungen senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfelds verläuft. Ist die Bewegungsrichtung der Ladungen parallel zu den Feldlinien, tritt keine Lorentzkraft auf. Die Lorentzkraft wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungen und den Magnetfeldlinien. Ihre Wirkungsrichtung kann mit der 3 Finger-Regel bestimmt werden. Für negative Ladungen verwendet man die linke, für positive Ladungen die rechte Hand.
• Bekannt ist es ferner aus der DE 10 2011 090 072 A1 den Rühreffekt periodisch durchzuführen, wobei dies durch ein pulsierendes Rühren oder eine Umkehr der Rührrichtung erfolgen kann.
• Gemäß der DE 1458942 kann dies durch die Versorgung des den Rühreffekt bewirkenden Elektromagneten mit einem gleichgerichteten Strom durch temporäres Umpolen oder Abschalten erreicht werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Schlackenreinigung weiter zu verbessern und die Produktivität zu erhöhen.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Rückgewinnung von Metallen aus der Schlacke bei der Erzeugung von Ferro-Legierungen, NE-Legierungen, NE-Metallen und der Schlackenreinigung, in einem als Wechselstrom-Elektrofen ausgebildeten Ofen, wobei durch die zum Schmelzen vorgesehenen, mit Wechselstrom gespeisten Elektroden, ein elektrisches Feld erzeugt wird und bei dem durch die Erzeugung eines das elektrische Feld der Elektroden kreuzenden Magnetfeldes eine Lorentzkraft auf die Schmelze ausgeübt wird, die zu einer Bewegung der Schmelze in einer durch die 3 Finger Regel vorgegebenen Richtung führt, wobei das Magnetfeld durch einen mit Wechselstrom beaufschlagten Elektromagneten erzeugt wird, dessen sinusförmige Phase mit der sinusförmigen Phase des Stromflusses durch die Elektroden überlagert oder zu dieser verschoben wird, so dass durch den gleichzeitigen Wechsel der Stromflußrichtung und des Vektors des Magnetfeldes eine Lorentzkraft in einer Richtung auf die Schmelze einwirkt.
• Die Herstellung von Ferrolegierungen, NE-Legierungen usw. beruht auf dem reduktiven Schmelzen von Erzen oder kalzinieren, üblicherweise im 3 Phasenwechselstrom Elektroofen. Dabei wird die Reduktion und das Schmelzen durch die Masse und den Wärmeübergang gesteuert. Die Schlackenbewegung durch die natürliche Konvektion ist gering, so dass der Oxidübergang an die Reaktionsoberflächen Elektrode/Schlacke und Kalzinierung/Schlacke oder Koks/Schlacke sehr langsam ist und zwar ebenso wie der Wärmeübergang. Durch Rühren der Schlacke kann die Effektivität aber erheblich gesteigert werden. Dies geschieht erfindungsgemäß durch überlagern eines alternierenden magnetischen Feldes mit dem kreuzenden elektrischen Feld. Wenn die Pole des Elektromagneten in der Höhe der Elektrodenspitze oder der Elektrodenspitzen angeordnet ist und das elektrische Feld dieselbe Phase hat wie das magnetische Feld, dann entsteht eine Lorentzkraft, die in einer Richtung wirkt und die sinusförmig pulsiert. Durch die Kapazität kann das magnetische Feld der elektromagnetischen Spulen beeinflusst werden, wobei allerdings selbst bei einer niedrigen Induktivität des Magnetfeldes durch die hohe Stromdichte die Konvektionsgeschwindigkeit der Schlacke wesentlich höher ist.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die zugehörige Elektroofenanordnung wird nicht nur die Reduktionsrate erhöht, sondern auch eine Vergleichmäßigung der Temperatur erreicht, sowie – und dies ist besonders bedeutungsvoll – die Kollision von Metalleinschlüssen und damit die Koagulation unterstützt. Wesentlich ist, dass das ganze Verfahren – abweichend vom bisherigen Stand der Technik – in ein und demselben Elektroofen stattfindet, was erheblich zur Senkung der Anlagenkosten beiträgt.
• Die Erfindung soll nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt:
• 1 schematisch die Lorentzkraft als Funktion der Richtung des Magnetfeldes und der Stromdichte,
• 2 die sinusförmige Stromintensität bei einem 3 Phasen Elektroofen mit den Phase R, S und T,
• 3 die Magnetfelddichte, die Stromdichte und die Lorentzkraft unter der ersten Elektrode,
• 4 den Sinusverlauf bei drei Phasen und mit dem Magnetspalt unterhalb der Elektrode,
• 5 den sinusförmigen Verlauf des Magnetfeldes und die Lorentzkraft bei 3 Phasen,
• 6, 6a schematisch einen rechteckigen AC Elektroofen mit drei Graphit – oder Soederberg – Elektroden und dem AC Magneten quer zur ersten Elektrode in Aufsicht und Seitenansicht,
• 7, 7a schematisch einen AC Elektroofen mit drei Graphit- oder Soederberg Elektroden und AC Elektromagneten an jeder Elektrode in Aufsicht und Seitenansicht,
• 8, 8a einen runden Elektroofen und einem AC Magneten an der ersten Elektrode in Aufsicht und Seitenansicht und
• 9 mit Pfeilen die Schlackenbewegung.
• 1 gibt die Lorentzkraft gemäß der 3 Fingerregel (rechte Hand) wieder, wobei die Induktivität der elektromagnetischen Spulen das Magnetfeld verschiebt, während die Anordnung einer geeigneten Kapazität das Magnetfeld zurückführt. Wenn nun die Stromdichte und das Magnetfeld dieselbe Phase haben, dann wirkt die Lorentzkraft in der gleichen Richtung (a und b). Haben beide entgegengesetzte Phasen, dann wechselt die Lorentzkraft die Richtung (c und d)
• Ein typisches Bild der drei Phasen einer sinusförmigen Stromintensität in einem Elektroofen ist in der 2 dargestellt.
• Bei der Untersuchung der Stromdichte der ersten Elektrode und der Magnetfeldintensität wurde nun festgestellt, dass die Lorentzkraft – wie in der 3 gezeigt – positiv ist und sinusartig in einer Richtung wirkt und damit die Schlacke in dieser Richtung bewegt.
• Die 4 zeigt das komplexere 3 Phasen System mit einem Versatz von 1/3 bzw. 2/3 gegenüber der ersten Phase. Die Phasen S und T bewirken durch den Versatz von Strom und Magnetfeld eine Lorentzkraft in beiden Richtungen. Der Vergleich der 4 und 5 zeigt, dass die resultierende Lorentzkraft zweimal geringer ist als bei den ursprünglichen System mit einer Elektrode und einem Magnetfeld (5). Der schematisch in der 6 dargestellte Ofen für die Schlackenreinigung entspricht den Öfen, die beispielsweise für die Herstellung von Ferro-Legierungen eingesetzt werden. Bezeichnet sind der Ofen mit 1, die Elektroden mit 2, der Elektromagnet mit 3 und die Spule mit 4. Um die Rührwirkung zu optimieren, ist vorzugsweise – nicht wie in der 6 nur ein – sondern wie in der 7 dargestellt, an jeder Elektrode ein Elektromagnet angeordnet. Da die Schlackenreinigung eine Zone intensiven Rührens benötigt, gefolgt von einer Ruhezone zum Absetzen des Kupfersteins und der metallischen Kupfereinschlüsse, ist auch die Ausführung nach 5 geeignet.
• Wesentlich verbreiteter sind für die Schlackenreinigung runde Elektroöfen, wie es in der 8 schematisch dargestellt ist. Ein weiter Magnetspalt verringert zwar die Intensität des Magnetfeldes, aber auch mit einem effektiven Magnetfeld von 2 gauss kann eine maximale Schlackengeschwindigkeit von 80–100 gauss erreicht oder durch stärkere Elektromagneten erhöht werden.
• Auf jeden Fall ergeben sich aus der erfindungsgemäßen Lösung eine Reihe von Vorteilen für die Arbeit mit Ferro-Legierungen und der Schlackenreinigung, wobei es besonders vorteilhaft ist, dass die Elektromagneten während des Betriebes des Ofen oder allenfalls bei einer kurzen Unterbrechung montiert werden können. Hinzu kommen sehr geringe Investitionskosten. Damit ermöglicht diese Technik eine Nachrüstung vorhandener Öfen. Der Betrieb des oder der Elektromagneten ist risikofrei und bedarf keiner Wartung. Schließlich ist ein weiterer Vorteil in den niedrigen Betriebskosten der Magneten zu sehen, denn diese resultieren nur aus dem Stromverbrauch für die Spulen, der mit 5–10 kW bei einer Elektrode und etwa dem dreifachen bei drei Elektroden liegt.
• Nachfolgend eine CFD Modellrechnung
• Die Berechnung für das Magnetfeld und die Stromdichte wurden für einen rechteckigen Schlackereinigungsofen vorgenommen. Die effektive Stromdichte wurde mit 16.2 kA bei einer Spannung von 170 V gewählt. Für die Magnetfeldstärke wurden 5 gauss und im Zentralbereich des Ofens effektiv 3,5 gauss angenommen. Die Gefäßbreite betrug 6,4 m mit einem Innenmaß von 5,0 m. Die Schaffung eines derart breiten Spaltes (6,4 m) ist extrem schwierig. Versuche haben gezeigt, dasseine Magnetfeldstärke von 5 bis 10 gauss mit einem Transformatorkern von 300×300, besser 400×400 möglich ist. Die ein oder zwei Spulen mit geeigneter Ampere-Windungbringen den Kern nahe an die Sättigung.
• Die Schlackendichte lag bei 3500 kg/m³, die Schlackenviskosität bei 0,3 Pa·s und die elektrische Leitfähigkeit bei 40 1/Ωm.
• Die maximale Schlackengeschwindigkeit beträgt 0,15 m/s und an einer Seite 0,05 m/s. Die Schlacke zirkuliert teilweise vertikal unter der Elektrode und und horizontal in zwei Zonen. Die typische natürliche Schlackenkonvektion liegt bei 1 mm/s, wobei die Erhöhung der Geschwindigkeit auf 150 mm/s in der Mitte und 50 mm/s an den Seiten einen signifikanten Einfluss auf den Massen und Wärme Übergang hat.
• Die Sherwood Annäherung bezieht sich auf die Schmidt und Reynolds Zahlen:

  
• In der Gleichung (x) sind alle Eigenschaften gleich, lediglich für die Schlackengeschwindigkeit ist die Reynoldszahl anders, wobei der Massenübergangskoeffizient eine Funktion des Quadrates der Schlackengeschwindigkeit ist. Re = uρL / η (2)
• Aus der Modellkalkulation ergibt sich die max. Geschwindigkeit mit 150 mm/s, die wirksam die Oxide in die Schlacke überträgt, im Vergleich mit 1 mm/s. Auf der Schlackenoberfläche ist die Schlackengeschwindigkeit nahe 50 mm/s und die Konvektion liegt bei 0,5 mm/s.
• Benutzt man die Formel (3), so ergibt sich, dass der Massenübergangskoeffizient 10 mal höher ist.
• 
• Für den Wärmeübergand wurde die Sherwood Anäherung benutzt, gestützt auf die Nusselt, Peclet und Reynolds Zahlen

  
• Die Schlackengeschwindigkeit ist 150 mal so groß mit dem elektromagnetischen Rühren und auch der Wärmeübergangskoeffizient ist größer vergleichen mit der kovektiven Schlackenbewegung.
• In den Formeln ist:

Sh_E

Sherwood Zahl für elektromagnetisches Rühren (e. m. R),

Sh_C

Sherwood Zahl für konvektives Rühren (k. R.),

k_E

Massen Übergangskoeffizient beim e. m. R;

k_C

Massen Übergangskoiffizent bei k. R;

L

charakteristische Dimension;

D_AB

Diffusions Koefficient;

Sc

Schmidt Zahl;

Pc

Peclet Zahl

Re

Reynolds Zahl;

u_C

Schlackengeschwindigkeit bei Konvektion;

u_E

Schlackengeschwindigkeit beim e. m. R;

h_E

Massen Übergangskoiffizient beim e. m. R;

h_C

Massen Übergangskoeffizient beim k. R;

k

Wärmeleitfähigkeit der Schlacke;

r

Schlackendichte;

h

Schlackenviskosität.

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 4036636 [0003]
• EP 1807671 B1 [0005]
• DE 102011090072 A1 [0011]
• DE 1458942 [0012]

Claims (4)

1. Verfahren zur Rückgewinnung von Metallen aus der Schlacke bei der Erzeugung von Ferro-Legierungen, NE-Legierungen, NE-Metallen und der Schlackenreinigung, in einem als Wechselstrom-Elektrofen ausgebildeten Ofen, wobei durch die zum Schmelzen vorgesehenen, mit Wechselstrom gespeisten Elektroden, ein elektrisches Feld erzeugt wird und bei dem durch die Erzeugung eines das elektrische Feld der Elektroden kreuzenden Magnetfeldes eine Lorentzkraft auf die Schmelze ausgeübt wird, die zu einer Bewegung der Schmelze in einer durch die 3 Finger Regel vorgegebenen Richtung führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld durch einen mit Wechselstrom beaufschlagten Elektromagneten erzeugt wird, dessen sinusförmige Phase mit der sinusförmigen Phase des Stromflusses durch die Elektroden überlagert oder zu dieser verschoben wird, so dass durch den gleichzeitigen Wechsel der Stromflußrichtung und des Vektors des Magnetfeldes eine Lorentzkraft in einer Richtung auf die Schmelze einwirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der zum Schmelzen vorgesehenen Elektroden ein eigenes Magnetfeld zugeordnet ist.
3. Elektroofenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Schmelzen vorgesehene Elektroden durch den Ofendeckel in das Ofeninnere reichend und mit Wechselstrom gespeist ein elektrisches Feld erzeugen wird und außerhalb des Ofengefäßes ein Elektromagnet angeordnet ist, zur Erzeugung eines mit dem elektrische Feld der Elektroden zusammen wirkenden Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet in Form eines offenen U- ausgebildet ist, dass den Ofen teilweise umfasst, wobei sich der Magnetspalt in Höhe der Spitze der Elektrode befindet.
4. Elektroofenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Elektrode ein eigener Elektromagnet zugeordnet ist.

Images