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Die Erfindung betrifft einen Absetzofen zum Reinigen von Schlacke, wie sie insbesondere bei der Herstellung von Nichteisenmetall, NE-Legierungen, insbesondere Kupferlegierungen, oder Ferrolegierungen anfällt. Die Reinigung zielt darauf ab, Metalle, beispielsweise Kupfer oder Schwermetalle aus der Schlacke zu separieren. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Absetzofens.
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Im Stand der Technik sind Absetzöfen, insbesondere in Form von Submerged-Arc-Furnaces SAF zum Reinigen von Schlacke grundsätzlich bekannt. Zum Reinigen wird die Schlacke in den Ofen eingeführt, um dort eine vorbestimmte Zeitdauer zu verweilen. Während der Zeitdauer setzt sich eine Matte oder setzen sich die relativ schweren Metallbestandteile als Metalllegierung am Boden des Absetzofens ab, während die leichteren Bestandteile der ursprünglichen Schlacke als neue Restschlacke auf der Matte oder der Metalllegierung aufschwimmen. Nach Ablauf der Verweildauer werden die Metalllegierung und die Restschlacke getrennt voneinander aus dem Absetzofen abgeführt. Die Absetzrate in klassischen Absetzöfen ist bei Kupfer nach unten bei 0,6 bis 0,7 % CU limitiert. Durch ein zusätzliches magnetisch reduziertes Rühren können nur ca. 30 % bis 50 % Verbesserung erreicht werden.
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Es sind runde SAF mit drei Elektroden und rechteckige SAF mit drei bis sechs Elektroden bekannt. Weiterhin sind Öfen mit getrennt geschalteten zwei mal-3-Elektroden bekannt und solche mit verschiedenen Badhöhen.
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Ein Hauptnachteil der bekannten SAF-Öfen ist, dass nur Reduktionsprozesse ablaufen und Schwermetalle nur sehr bedingt abgeschieden werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bekannten Absetzofen sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb dahingehend weiterzubilden, dass die Reinigung von Schlacke und insbesondere die Absetzrate weiter verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird bezüglich des Absetzofens durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach ist der erfindungsgemäße Absetzofen dadurch gekennzeichnet, dass sein Gefäß – in Strömungsrichtung der zu reinigenden Schlacke von der Einlaufrinne bis zu der Schlacken-Ablaufrinne hin gesehen – hintereinander angeordnet eine erste Zone zum Durchführen einer ersten Behandlung der Schlacke und eine zweite Zone zum Durchführen einer zweiten Behandlung der Schlacke aufweist und dass die Wände des Gefäßes zumindest im Bereich der zweiten Zone – in der Draufsicht gesehen – in Form eines Trapezes ausgebildet sind und zu der Schlacken-Ablaufrinne hin divergieren.
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Durch das Vorsehen der ersten und zweiten Zone in dem einen Absetzofen können vorteilhafterweise zwei verschiedene Behandlungsschritte zur Reinigung der Schlacke in einem Aggregat vereinigt durchgeführt werden bei, bezogen auf den Prozess, minimalem Verschleiß an Feuerfestmaterial.
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In der zweiten Zone soll eine Behandlung der Schlacke dahingehend erfolgen, dass die Schlacke Gelegenheit bekommt, sich zu beruhigen, so dass sich die in der Schlacke enthaltene Matte und/oder enthaltenen Metallbestandteile am Boden des Gefäßes im Bereich der zweiten Zone absetzen können. Die beanspruchte trapezförmige Ausgestaltung der Wände des Gefäßes im Bereich der zweiten Zone, d. h. konkret die Aufweitung der Wände zu der Schlacken-Ablaufrinne hin, begünstigt konkret den beschriebenen Zweck, nämlich dass die Schlacke im Bereich der zweiten Zone zur Ruhe kommt und sich somit die in ihr enthaltenen Metallbestandteile besser am Boden des Gefäßes absetzen können.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist der Boden des Gefäßes im Bereich der zweiten Zone tiefer als der Boden im Bereich der ersten Zone; auch dies bewirkt, genau wie die beanspruchte trapezförmige Aufweitung der Wände, eine Vergrößerung des in der Zone II zur Verfügung stehenden Volumens gegenüber der ersten Zone und damit die Beruhigung der Schlacke.
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Die beiden Zonen 1 und 2 können durch Dämme, die auf dem Boden des Gefäßes abgestützt sind, und/oder durch Wehre, die zum Beispiel von dem Deckel oder von der Decke des Gefäßes herabhängen, zumindest teilweise voneinander separiert sein.
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Wenn die Wände des Gefäßes optional auch schon im Bereich der ersten Zone – in der Draufsicht gesehen – in Form eines Trapezes ausgebildet sind und zu dem Anfang der zweiten Zone hin divergieren, kann der Beruhigungsprozess der Schlacke auch schon in dieser ersten Zone beginnen. Es findet dann vorzugsweise eine stetige Aufweitung des Gefäßes des Absetzofens zu der Schlacken-Ablaufrinne hin statt, beginnend auch schon in der ersten Zone.
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Sowohl in der ersten Zone wie auch in der zweiten Zone können Elektroden angeordnet sein, um die Schlacke in den Zonen jeweils zu erwärmen bzw. auf konstanter Temperatur zu halten. In der ersten Zone dienen die Elektroden darüber hinaus dazu, in der Schlacke durch den Lichtbogen der Elektroden bewirkte Turbulenzen zu erzeugen und auf diese Weise die metallurgischphysikalischen Reaktionen in der Schlacke zu begünstigen. Zu diesem Zweck sind die Elektroden in der ersten Zone eng benachbart und vorzugsweise auf einem Kreis angeordnet. In der zweiten Zone sind die Elektroden dagegen kleiner ausgebildet und weiter voneinander beabstandet. Vorzugsweise sind sie entlang der Längsachse des Absetzofens angeordnet, um Turbulenzen in der Schlacke so gering wie möglich zu halten, um die dort angestrebte Beruhigung der Schlacke nicht unnötig zu stören. Zu diesem Zweck ist der Energieeintrag durch die Elektroden in die Schlacke in der zweiten Zone geringer als in der ersten Zone.
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Die einzelnen Elektroden in den einzelnen Zonen können vorteilhafterweise mit Hilfe einer Steuereinrichtung individuell und unabhängig voneinander je nach Bedarf angesteuert werden. So kann es z. B. in der ersten Zone durchaus eine gewisse Turbulenz der Schlacke noch gewünscht sein, um dort gewünschte chemische bzw. metallurgisch-physikalische Reaktionen in der Schlacke zu begünstigen. In der zweiten Zone steht jedoch eindeutig die Beruhigung der Schlacke im Vordergrund, weshalb der Energieeintrag dort nur so gering sein wird, dass die Temperatur der Schlacke auf einem gewünschten Niveau gehalten werden kann bei gleichzeitig minimaler Turbulenz.
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Im Bereich der ersten Zone können an dem Gefäß Bodenspüler, Seitenwandspüler, Tauchlanzen, Blaslanzen und – falls erforderlich – Öffnungen für deren Einführung vorgesehen sein, um Gas oder Feststoffe in das Innere des Gefäßes einzugeben. Das Zuführen des Gases in die erste Zone kann erfolgen, um dort bestimmte chemische Reaktionen in der Schlacke ablaufen zu lassen und/oder um Turbulenzen in der Schlacke zu erzeugen und/oder um eine bessere Vermischung bzw. Homogenisierung der Schlacke zu erreichen. Zur Erzeugung gewünschter chemischer Reaktionen werden Prozessgase eingeblasen; zur Erzeugung von Turbulenzen oder zur Homogenisierung werden beispielsweise Inertgase, wie N2, Ar und/oder CO2 eingeblasen.
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Bei dem erfindungsgemäßen beanspruchten Absetzofen handelt es sich vom Grundtyp her um einen Submerged Arc Furnace SAF, der allerdings in der beschriebenen und beanspruchten Weise modifiziert wurde.
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Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Absetzofens nach Anspruch 10. Dieses Verfahren sieht vor, dass die zu reinigende Schlacke aus einem Herstellungsprozess für NE- oder Ferrolegierungen zunächst dem Absetzofen zugeführt wird. Die Zuführung erfolgt vorzugsweise diskontinuierlich, also in einem Batchbetrieb. In der ersten Zone wird die Schlacke einer ersten Behandlung unterzogen, wobei Gas in oder auf die Schlacke geblasen wird, um bestimmte chemische bzw. metallurgische Reaktionen in der Schlacke zu realisieren. Je nach gewünschter Reaktion, wird das Gas so ausgewählt, dass entweder eine Agglomeration von den in der Schlacke enthaltenen Metallbestandteilen erfolgt, dass eine Reduktion oder dass eine Oxydation in der Schlacke abläuft. In der in Strömungsrichtung nachgeordneten zweiten Zone soll die Schlacke zur Ruhe kommen, damit sich dort in ihr enthaltene Metallbestandteile am Boden des Gefäßes absetzen können. Die als Metalllegierung auf diese Weise ausgefällten Metallbestandteile werden separat von der Metalllegierung aufschwimmenden Restschlacke abgestochen.
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Insofern entsprechen die Vorteile dieses beanspruchten Verfahrens den oben mit Bezug auf den beanspruchten Absetzofen genannten Vorteilen.
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Diese zweistufige Reinigung der Schlacke bietet den Vorteil, dass der in der Restschlacke noch enthaltene Restanteil an Matte und/oder Metall und beispielsweise insbesondere Schwermetallen deutlich geringer ist, als bei einer lediglich einstufigen Behandlung. Somit ist die gereinigte Schlacke auch deutlich besser geeignet für eine umweltschonende Entsorgung oder Weiterverwertung als die aus dem Stand der Technik bekannte gereinigte Schlacke. Dies gilt insbesondere, weil der Restgehalt an Metallen und insbesondere Schwermetallen bei der erfindungsgemäßen Restschlacke deutlich geringer ist als im Stand der Technik.
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Bei der Schlacke kann es sich um Schlacke handeln, die direkt aus einem NE- oder Ferrolegierungs-Herstellungsprozess stammt oder um bereits vorgereinigte Schlacke aus einem solchen Herstellungsprozess.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des beanspruchten Absetzofens oder des beanspruchten Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Beschreibung sind fünf Figuren beigefügt, wobei
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1 den erfindungsgemäßen Absetzofen in einer Draufsicht;
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2 den erfindungsgemäßen Absetzofen in einem Längsschnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für den Bodenlängsschnitt;
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3 den erfindungsgemäßen Absetzofen in einem Längsschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für den Bodenlängsschnitt;
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4 den erfindungsgemäßen Absetzofen in einem Längsschnitt mit einem Damm und/oder Wehr; und
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5 den erfindungsgemäßen Absetzofen in einer Draufsicht gemäß einer Alternative
zeigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Absetzofen 100 zum Reinigen von Schlacke 200. Die Schlacke gelangt über eine Einlaufrinne 112 in das Innere eines Gefäßes 110 des Absetzofens 100. Dort wird/werden der Schlacke über mindestens eine Blas- oder Tauchlanze 118 oder über einen Bodenspüler 117, siehe die 2 bis 4, oder über Seitenwandspüler ein Gas und/oder Feststoffe, z.B. Kohle, zugeführt, um in der Schlacke enthaltene Metallbestandteile zu agglomerieren oder um in der Schlacke eine Reduktion oder eine Oxydation durchzuführen; je nach gewünschter Reaktion wird das zugeführte Gas oder werden die zugeführten Feststoffe entsprechend ausgewählt. Darüber hinaus sind in der Zone I typischerweise eine Mehrzahl kleinerer Elektroden angeordnet, um in der ersten Zone zum einen die Schlacke aufzuwirbeln, um die besagten chemischen Reaktionen zu begünstigen und zum anderen um die Schlacke aufzuwärmen. In der zweiten Zone II des Absetzofen 100, welche in Strömungsrichtung R der Schlacke der ersten Zone I nachgeschaltet ist, sind typischerweise ebenfalls Elektroden 126, vorzugsweise auf einer Linie angeordnet. Beispielsweise sind pro Zone jeweils drei oder vier Elektroden angeordnet. Über eine Steuereinrichtung 130 werden die Elektroden in der ersten Zone I und in der zweiten Zone II individuell und unabhängig voneinander gesteuert. Die Ansteuerung in der ersten Zone wurde oben bereits beschrieben. Die Ansteuerung der Elektroden 126 in der zweiten Zone II erfolgt mit geringem Energieeintrag als in der, welcher lediglich so groß gewählt ist, dass die Schmelze auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird. Das Erzeugen von Turbulenzen bzw. Verwirbelungen in der Schlacke sollte im Bereich der zweiten Zone II möglichst vermieden werden, um einen dort stattfindenden Absetzprozess nicht zu konterkarieren.
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Es ist zu erkennen, dass bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Wände des Gefäßes 110 – hier beispielhaft – sowohl in der Zone I wie auch in der Zone II divergieren. D. h die Breite des Gefäßes wird zu einer Schlacken-Ablaufrinne 114 hin zunehmend größer. Durch diese Aufweitung des Gefäßes wird die angestrebte Beruhigung der Schlacke insbesondere in der zweiten Zone II stark begünstigt. Eine alternative Ausgestaltung ist weiter unten unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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Die Beruhigung der Schlacke wird weiterhin dadurch begünstigt, dass, wie in den 2 und 3 gezeigt, der Boden des Gefäßes 110 im Bereich der Zone II tiefer ausgebildet ist als in der Zone I. Der Boden des Ofens kann – in Längsrichtung des Ofens gesehen – im Übergang von Zone 1 nach Zone 2 gemäß 2 gestuft oder gemäß 3 kontinuierlich bzw. stetig differenzierbar abfallend verlaufend ausgeführt sein. Konkret begünstigt das auf diese Weise vergrößerte Volumen des Gefäßes in dem Bereich der zweiten Zone II das angestrebte Absetzen der Metalllegierung am Boden des Gefäßes. Nachdem die Schlacke für eine vorbestimmte Verweildauer insbesondere in der Zone II verweilt hat, und sich eine Matte oder eine Metalllegierung am Boden des Gefäßes 110 abgesetzt hat, werden diese Matte bzw. die Metalllegierung einerseits und die verbleibende Restschlacke andererseits über getrennte Ablaufkanäle abgeführt. Konkret werden die gereinigte Schlacke über eine Schlacken-Ablaufrinne 114 und die Metalllegierung über eine Metall-Auslaufrinne 116 aus dem erfindungsgemäßen Absetzofen 100 abgestochen. Die Metall-Auslaufrinne 116 sowie die Schlacken-Ablaufrinne, befinden sich jeweils im Bereich der zweiten Zone II des Absetzofens 100.
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4 zeigt einen Längsschnitt durch den Ofen, wobei im Übergangsbereich von Zone 1 nach Zone 2 ein Damm und/oder ein Wehr angeordnet ist. Der Damm 121 stützt sich vom Boden ab, während das Wehr 122 beispielsweise von dem Deckel oder der Decke des Ofens herabhängt. Durch den Damm 121 und/oder das Wehr 122 werden die beiden Zonen stärker voneinander separiert.
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5 zeigt den erfindungsgemäßen Absetzofen 100 in einer Draufsicht gemäß einer Alternative, bei welcher der Grundriß des Ofens in der ersten Zone (I) rechteckförmig und erst in der zweiten Zone (II) trapezförmig ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Absetzofen
- 110
- Gefäß
- 112
- (Schlacken-)Einlaufrinne
- 114
- Schlacken-Ablaufrinne
- 116
- Metall-Auslaufrinne
- 117
- Bodenspüler
- 118
- Blaslanzen
- 121
- Damm
- 122
- Wehr
- 124
- erste Elektroden
- 126
- zweite Elektroden
- 200
- Schlacke
- R
- Strömungsrichtung
- I
- Zone
- II
- Zone
- L
- Längsachse des Absetzofens
