DE102021214227A1

DE102021214227A1 - Schmelzaggregat zur Stahlerzeugung mit einem Abstichgewicht zwischen 60 t und 350 t

Info

Publication number: DE102021214227A1
Application number: DE102021214227.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Odenthal; Andreas Schüring; Peter Starke; Thomas Henkel
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023110375A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schmelzaggregat zur Stahlerzeugung mit einem Abstichgewicht zwischen 60 t und 350 t und ein Verfahren zum Betrieb desselben. Durch eine im Betrieb des Schmelzaggregates bewegliche Toplanze und das abgestimmte Einblasen von Prozessgasen durch Seitenwandinjektoren und die Toplanze werden die Wellenbewegungen der Schmelzbadoberfläche reduziert. Dadurch lösen sich weniger Tropfen aus der Schmelzbadoberfläche und eine Verschmutzung des Obergefäßes und des Abgaskrümmers wird dadurch erheblich vermindert.

Description

Gebiet:
Die Erfindung betrifft ein Schmelzaggregat zur Stahlerzeugung mit einem Abstichgewicht zwischen 60 t und 350 t und ein Verfahren zum Betrieb desselben.
Stand der Technik:
Üblicherweise wird Stahl aus Einsatzstoffen wie beispielsweise Roheisen durch Entfernen des überschüssigen Kohlestoffs, Zugabe von Legierungsstoffen und Raffinieren der Schmelze erzeugt (metallurgische Arbeit). Dazu wird das flüssige Roheisen in einen Konverter gefüllt und dann mittels einer Toplanze und/oder Boden- bzw. Seitenwanddüsen Sauerstoff auf oder in die Schmelze geblasen (Frischen der Schmelze). Alternativ dazu kann auch DRI-Eisen in einem Elektrolichtbogenofen eingeschmolzen und dieser Einsatzstoff als Roheisenschmelze eingesetzt werden. Anschließend wird die Schmelze mit Legierungsstoffen auf die gewünschte Endlegierung eingestellt.
Zur Reduzierung von Arbeitsschritten, insbesondere Umfüllvorgängen, und damit einhergehenden Materialverlusten erfolgt zunehmend das Einschmelzen von DRI-Eisen und Frischen in einem Schmelzaggregat. Ein Schmelzaggregat, welches sowohl Einschmelzen als auch metallurgische Arbeit verrichten kann, ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 0 717 115 A1 bekannt. In einem Doppelgefäß-Lichtbogenofen kann in einem einzelnen der Gefäße mittels der Grafitelektroden elektrische Energie eingebracht werden oder durch einen Wechsel des Deckels in einen Betriebszustand mit chemischer Energie bzw. Frischen umgestellt werden. Das Schmelzaggregat ist dadurch in der Lage, ausgehend von festen Einsatzstoffen eine metallische Schmelze zu erzeugen, dabei die dazu notwendigen Energiequellen zu ändern und metallurgische Arbeit zu verrichten.
In dem Betriebszustand, bei dem chemische Energie genutzt und metallurgische Arbeit verrichtet wird, wird mittels einer durch den Deckel geführten Blaslanze Sauerstoff auf die Schmelzbadoberfläche oder die heißen Einsatzstoffe geblasen. Der Sauerstoff reagiert mit der flüssigen Schmelze oder den Einsatzstoffen und setzt dabei Energie frei. Üblicherweise wird der Sauerstoff mit einem hohen Druck oder Volumenstrom eingeblasen, um eine gute Durchmischung der Reaktionspartner zu erreichen.
Ein ähnliches Verfahren wird in der Druckschrift DE 101 15 779 A1 offenbart. Zusätzlich zum Sauerstoff wird hier noch ein Inertgas zur besseren Durchmischung der Schmelze eingeblasen. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Sauerstoffreaktion und die Schmelze wird gleichmäßiger aufgeheizt. Der Sauerstoffeintrag mittels der Toplanze wird darüber hinaus nicht nur zum Aufheizen der Schmelze verwendet, sondern auch zum gezielten Entkohlen der Schmelze nach Abschluss des Einschmelzvorgangs. Dazu wird in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes der Einsatzstoffe in das Schmelzaggregat die eingeblasene Sauerstoffmenge angepasst.
Nachteilig bei den oben genannten Verfahrensweisen ist, dass durch die hohen Volumenströme und dem damit verbundenen Impuls des Gasstrahles beim Einblasen Stahl und/oder Schlacke im Schmelzaggregat verspritzt wird (Splashing). Beispielsweise trifft das durch den Seitenwandinjektor eingeblasene Prozessgas unter einem bestimmten Winkel auf die Schmelzbadoberfläche und verursacht dort eine elliptisch geformte, oszillierende Blasmulde. Größe und Tiefe der Blasmulde sind vom Abstand des Seitenwandinjektors zur Schmelzbadoberfläche, vom Neigungswinkel des Seitenwandinjektors und von der Prozessgasmenge bzw. dem Prozessgasvolumenstrom abhängig. An den Rändern der Blasmulde werden über Scherkräfte zwischen Prozessgasstrahl und Schmelze einzelne Schmelzengebiete bzw. -tropfen abgerissen, mit hohem Impuls in die Ofenumgebung transportiert und an den Ofenwänden, am Ofendeckel und im Ofenkrümmer abgelagert. Dabei werden die meisten Metalltropfen von der dem Seitenwandinjektor gegenüberliegen Rand der Blasmulde abgerissen.
Dadurch bilden sich Ablagerungen aus Schlacke und Metall im Ofeninneren und im Ofenkrümmer, die den Querschnitt des Ofenkrümmers reduzieren, die Funktion von mechanischen Bauteilen beeinträchtigen und das Ausbringen reduzieren; dieses so genannte Verschlacken des Ofens im laufenden Betrieb muss vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Schmelzaggregat und ein Verfahren zum Betrieb des Schmelzaggregates bereitzustellen, welche mittels chemischer und elektrischer Energie eine metallische Schmelze aus festen Einsatzstoffen erzeugt und metallurgische Arbeit verrichtet, ohne dass es zum Splashing und zur Verschlackung kommt.
Erfindung:
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Schmelzaggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Das Schmelzaggregat weist eine Toplanze auf zum Einblasen eines Prozessgases und/oder Feststoffs, wobei die Toplanze durch eine Öffnung im ersten Deckel in eine Arbeitsposition gebracht werden kann. Die Toplanze ist während des Betriebes des Schmelzaggregates einerseits um die Achse der Toplanze rotierbar und andererseits um eine vertikale Achse rotierbar. Weiterhin ist die Toplanze um eine horizontale Achse schwenkbar. Der Betrieb des Schmelzaggregates umfasst im erfindungsgemäßen Sinne sowohl die Behandlung einer sich im Schmelzaggregat befindlichen Schmelze als auch die Abfolge mehrere Schmelzen aufeinander.
Die vertikale Schwenkachse liegt parallel zur Rotationsachse der Toplanze und ermöglicht der Toplanze eine Bewegung auf einem Kreisbogenabschnitt um die vertikale Achse. Die horizontale Achse liegt in einer Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse der Toplanze ist. Ein Schwenken der Toplanze um diese Achse ermöglicht es, unterschiedliche Winkel der Toplanze gegenüber der Schmelzbadoberfläche einzustellen.
Der Abstand zwischen der Schmelzbadoberfläche und der Toplanzen-Spitze ist änderbar. In dem Oberofen ist radial umlaufend eine Vielzahl von Seitenwandinjektoren angeordnet zum Einblasen eines Prozessgases und/oder Feststoffs, wobei die Seitenwandinjektoren horizontal und/oder vertikal um bis zu ± 5° schwenkbar sind.
Prozessgase im Sinne der Erfindung sind Gase, die eine Reaktion mit den Einsatzstoffen, der Schmelze und/oder der Ofenatmosphäre eingehen. Beispielsweise können Prozessgase im erfindungsgemäßen Sinne Sauerstoff, Stickstoff, C_xH_y (z.B. Methan, Ethan, usw.), Wasserstoff oder Inertgase sein. Feststoffe im Sinne der Erfindung sind Legierungsstoffe, Schlackebildner und/oder feste Energieträger. Als Feststoffe können beispielsweise feinkörnige Kohle, Kalk, Chromerz o.ä. verwendet werden.
Die erste Arbeitsposition der Toplanze ist dadurch definiert, dass ein aus der Toplanze an dieser Position austretender Gasstrahl in den Ofenraum eindringt und mit der Ofenatmosphäre oder der Schmelze interagiert. Die Bewegung und/oder Rotation um eine oder mehrere Achsen der Toplanze wird mittels eines Antriebes oder mehrerer Antriebe ausgeführt, die vorzugsweise mit der Ofensteuerung verbunden sind. Dies können elektrische, pneumatische oder hydraulische Antriebe sein.
Die Spitze der Toplanze ist der Bereich der Toplanze, der der Schmelzoberfläche am nächsten ist. Dabei ist es nicht notwendig, dass an dieser Stelle auch eine Austrittsöffnung für den Gasstrahl angeordnet ist. Bekannte Bauformen für Toplanzen weisen typischerweise zwischen 3 bis 7 Laval-Düsen auf, wobei die einzelne Laval-Düse selbst zwischen 7° und 25° gegenüber der Toplanzenachse geneigt ist. Mehr-Loch-Toplanzen sind beispielsweise auch aus der Druckschrift DE 20 2007 009 161 U1 bekannt.
Seitenwandinjektoren ermöglichen es, einen Gasstrahl und/oder einen Feststoff in den Ofenraum einzudringen. Dies können im erfindungsgemäßen Sinne auch Gasgemische oder Feststoff/Gas-Mischungen sein. Für die möglichen Gase oder Feststoffe gelten die oben genannten Definitionen. Die Schwenkbarkeit von bis zu ±5° der Seitenwandinjektoren ist auf eine mittlere Einbauposition des jeweiligen einzelnen Injektors bezogen. Dadurch kann die Ausrichtung des Seitenwandinjektors und damit die durch ihn hervorgerufene Blasmulde in der Schmelzbadoberfläche in einem geringen Maße auf unterschiedliche Betriebszustände und Füllgrade im Schmelzaggregat angepasst werden. Eine mögliche Bauform eines Seitenwandinjektors als Brenner ist durch die Druckschrift DE 603 05 321 T2 offenbart.
Ein derartiges Schmelzaggregat in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb minimiert die auf die Oberfläche der Schmelze einwirkenden Scherkräfte der Gasstrahlen und verringert dadurch die Anzahl der entstehenden Stahl- und/oder Schlacketropfen im Ofeninneren, am Ofendeckel und im Ofenkrümmer. Die Möglichkeit, mittels der Gase und/oder Feststoffe metallurgische Arbeit zu verrichten oder chemische Energie in das Schmelzaggregat einzubringen, bleibt erhalten.
Ein schräg von oben auf das Randgebiet der durch den Seitenwandinjektor induzierten Blasmulde gerichteter Gasstrahl reduziert die Oszillationsbreite der Blasmulde des Seitenwandinjektors und stört bzw. unterbindet und letztlich reduziert das Abreißen der Metalltröpfchen am Rand der Blasmulde des Seitenwandinjektors.
Weiter bevorzugte Ausführungsformen des Schmelzaggregates werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 dargestellt.
Die Toplanze ist bevorzugt als eine Mehr-Loch-Toplanze ausgebildet und weist mehr als 2 Austrittsöffnungen, bevorzugt mehr als 5 Austrittsöffnungen, für ein Prozessgas und/oder einen Feststoff auf. Eine erhöhte Anzahl von Austrittsöffnungen der Toplanze ermöglicht es, einen größeren Bereich der Schmelzbadoberfläche zu beeinflussen. Die Anzahl, die Größe bzw. Form der Austrittsöffnungen und die Neigung der Austrittsöffnungen sind auf die Seitenwandinjektoren angepasst. Austrittsöffnungen können beispielsweise als einfache Durchbrüche in der Oberfläche der Toplanze ausgebildet sein. Bevorzugt ist aber für die Ausführung einer Austrittsöffnung eine Düsenform. Insbesondere ist bei einer Düsenform eine Laval-Düse oder eine Venturi-Düse bevorzugt.
Die Toplanze ist vorzugsweise um einen Winkel von mind. +/- 15°, mehr bevorzugt mind. +/- 30°, noch mehr bevorzugt +/- 45° um die Achse der Toplanze drehbar.
Dadurch kann der Auftreffpunkt eines asymmetrisch aus der Toplanze austretenden Gasstrahls auf der Schmelzbadoberfläche wunschgemäß eingestellt werden. Die Achse der Toplanze ist definiert durch die Spitze der Toplanze und den Durchtrittspunkt der Toplanze im Ofendeckel.
Die Toplanze ist um einen Winkel von mind. +/- 15°, vorzugsweise mind. +/- 30°, mehr bevorzugt +/- 45° um die vertikale Achse drehbar. Die vertikale Achse ist eine Achse, die parallel zur Achse der Toplanze oder deckungsgleich mit dieser liegt. Dadurch kann die Toplanze gegenüber dem Schmelzaggregat ein- oder ausgeschwenkt werden. In einem geringen Maße, begrenzt durch die Öffnung im Ofendeckel, kann eine derartige Schwenkbewegung dazu genutzt werden, die Position des Auftreffpunktes des Gasstrahls bezüglich der durch die Seitenwandinjektoren induzierten Blasmulden einzustellen.
Die Toplanze ist bevorzugt um einen Winkel von mind. +/- 10°, mehr bevorzugt mind. +/- 20°, noch mehr bevorzugt +/- 30°, um die horizontale Achse schwenkbar. Horizontale Achsen sind Achsen, die in einer horizontalen Ebene liegen. Eine Rotation der Toplanze um eine derartige Achse vergrößert den Bewegungsraum der Spitze der Toplanze im Schmelzaggregat. Ein besonders großer Bewegungsraum der Spitze entsteht, wenn die horizontalen Rotationsachsen im Bereich der Deckelöffnung liegen.
Die Toplanze weist bevorzugt zumindest eine Überschalldüse auf. Überschalldüsen ermöglichen es, einen hohen Impuls des Gasstrahls auf die Oberfläche des Schmelzbades aufzubringen. Vorzugsweise ist der durch diese Düse fließende Volumenstrom des Prozessgases getrennt von den Volumenströmen der anderen Austrittsöffnungen regelbar. Dadurch ist es möglich, gezielt und bei Bedarf die Schmelze zu frischen, aber auch den Impulseintrag in die Schmelze zu reduzieren oder zu erhöhen.
Für je drei aus einem oder mehreren Seitenwandinjektoren austretenden Gasstrahlen ist bevorzugt zumindest eine Austrittsöffnung in der Toplanze vorhanden. Noch mehr bevorzugt ist es, wenn für je zwei aus einem oder mehreren Seitenwandinjektoren austretenden Gasstrahlen zumindest eine Austrittsöffnung in der Toplanze vorhanden ist. Überausbevorzugt ist es, wenn für jeden aus einem Seitenwandinjektor austretenden Gasstrahl zumindest eine Austrittsöffnung in der Toplanze vorhanden ist. Dadurch können die Blasmulden eines oder mehrerer Seitenwandinjektoren durch einen Gasstrahl der Toplanze ideal beeinflusst werden.
Der Oberofen weist bevorzugt mehr als 4, mehr bevorzugt mehr als 5, noch mehr bevorzugt mehr als 6, Seitenwandinjektoren auf. Mit steigender Anzahl von Seitenwandinjektoren können die entstehenden Blasmulden auf der Oberfläche der Schmelze besser verteilt werden und der Volumenstrom durch den einzelnen Seitenwandinjektor sinkt in Bezug auf den für den Prozess benötigten Gesamtvolumenstrom.
Zumindest ein Seitenwandinjektor ist bevorzugt zwischen einem Injektorbetrieb in einen Brennerbetrieb umstellbar. Im Injektorbetrieb des Seitenwandinjektors kann ein Blasbetrieb für Gase als auch ein Förderbetrieb für pulverförmige Feststoffe durch den Seitenwandinjektor ausgeführt werden. Dadurch kann ein einzelner Seitenwandinjektor beispielsweise als Gasbrenner oder Feststoffbrenner auch am Anfang des Einschmelzprozesses genutzt werden.
Die Toplanze und die Seitenwandinjektoren sind bevorzugt zeitgleich und mit aufeinander abgestimmten Volumenströmen für ein jeweiliges Prozessgas koordiniert betreibbar. Koordiniert betreibbar im Sinne der Erfindung umfasst eine manuelle, teilmanuelle oder automatische Abstimmung und Einstellung aller in das Schmelzaggregat durch Toplanze oder Seitenwandinjektor eintretenden Volumenströme. Die Abstimmung erfolgt bevorzugt durch eine Anpassung des Drucks und/oder des Volumenstromes des Prozessgases für jeden einzelnen Seitenwandinjektor oder für zusammengeschaltete Seitenwandinjektoren und die Toplanze. Bei der Toplanze ist es, im Falle einer Mehr-Loch-Toplanze, bevorzugt, dass die durch die jeweilige Austrittsöffnung austretenden Gasstrahlen einzeln oder in Gruppen abgestimmt betreibbar sind. Dazu ist der anstehende Druck und der Volumenstrom für jede Austrittsöffnung einzeln oder in Gruppen einstellbar.
Bei einem für das Verfahren notwendigen Gesamtvolumenstrom von Prozessgas sind durch die Toplanze 50 % bis 90 % des Gesamtvolumenstromes einbringbar und durch die Seitenwandinjektoren 10 % bis 50 % des Gesamtvolumenstromes einbringbar. Der notwendige Gesamtvolumenstrom wird definiert durch den in diesem Augenblick benötigten Volumenstrom an Prozessgas. Das Prozessgas kann hierbei auch aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Prozessgasen bestehen.
Der erste Ofendeckel weist bevorzugt einen Ofenkrümmer zum Ableiten des im Schmelzaggregat entstehenden Abgases mit einer Abgasströmungsgeschwindigkeit von v_AG ≤ 50 m/s bei einer Abgastemperatur von T_AG ≥ 800 °C auf, wobei der Ofenkrümmer einen mittleren Durchmesser von 1,20 m bis 3,50 m aufweist. Der Ofenkrümmer ist vorzugsweise gegenüber der Vertikalen in einem Bereich von bis zu ± 30° geneigt und weist bevorzugt eine durchströmte Länge von ≥ 2,0 m auf.
Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. In dem Verfahren zum Betrieb eines Schmelzaggregates zur Stahlerzeugung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 werden die Schritte ausgeführt:

a. Erzeugen einer zumindest teilweise flüssigen Badoberfläche
b. Einblasen eines Prozessgases auf die Badoberfläche mittels der Seitenwandinjektoren
c. Absenken der Toplanze in eine erste Betriebsposition und Einblasen eines Prozessgases auf die Badoberfläche
d. Ausrichten der Toplanze durch ein Rotieren, eine Abstandsänderung und/oder ein Schwenken der Toplanze auf eine zweite Betriebsposition, so dass
- - der durch die Toplanze mindestens eine erzeugbare Kern der Blasmulde zwischen zwei benachbarten Blasmulden der Seitenwandinjektoren liegt, oder
- - der durch die Toplanze mindestens eine erzeugbare Kern der Blasmulde innerhalb des Bereiches einer der Blasmulden der Seitenwandinjektoren liegt.
e. Einstellen und Abstimmen der Volumenströme der Prozessgase der Seitenwandinjektoren und der Toplanze, so dass die Gesamtmenge oder der Gesamtvolumenstrom des benötigten Prozessgases auf die Badoberfläche gebracht, um das Splashing zu reduzieren bzw. vermeiden.

Der Kern einer einzelnen Blasmulde ist der in der Schmelzbadoberfläche tiefste durch den Gasstrahl hervorgerufene Punkt. Je nach Betriebszustand, beispielsweise der Temperatur des Schmelzbades, ändert sich zeitabhängig die Form und Größe der Blasmulde. Die Volumenströme werden dabei derartig abgestimmt eingestellt, dass die Oberflächenbewegung der Schmelzbadoberfläche und das Herausreißen von Schmelzentropfen aus der Blasmulde infolge der Scherkräfte reduziert werden. Die Tiefe einer einzelnen Blasmulde wird dadurch reduziert.
Weitere bevorzugte Ausprägungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 14 bis 16 beschrieben. Das Verhältnis der Volumenströme des Prozessgases von Toplanze V_TL zu zwei benachbarten Seitenwandinjektoren V_SI beträgt bevorzugt zwischen $\frac{{\dot{V}}_{T l}}{{\dot{V}}_{S I}} \geq 0,5$
und $\frac{{\dot{V}}_{T l}}{{\dot{V}}_{S I}} \geq 2,0.$
In diesem Einstellungsbereich können wirksam die Wellenbewegungen der Schmelzbadoberfläche und das Splashing reduziert werden. Die Schritte des Verfahrens werden vorzugsweise in der Reihenfolge a) bis e) ausgeführt, wobei vorzugsweise die Schritte d) und e) mehrfach durchgeführt werden. Durch diese Abfolge der Arbeitsschritte a) bis e) kann sehr schnell die notwendige Toplanzenposition eingestellt werden. Durch das mehrfache Anpassen der Toplanze und Abstimmen der Volumenströme kann auf unterschiedliche Betriebszustände des Schmelzaggregates reagiert werden.
Bevorzugt wird in Abhängigkeit des Volumenstromes des Prozessgases durch die Toplanze (12) der Volumenstrom des Prozessgases durch die Seitenwandinjektoren (15) eingestellt und die Addition der Volumenströme ergibt den aktuell benötigten Gesamtvolumenstrom. Der aktuelle Gesamtvolumenstrom ist der auf den Prozesszeitpunkt oder Prozessphase bezogene Volumenstrom, der für die metallurgische Arbeit in diesem Zeitpunkt oder Phase benötigt wird. Der Gesamtvolumenstrom kann dabei auch durch unterschiedliche Gase gebildet werden. Hierdurch ist beispielsweise sichergestellt, dass die Schmelze in Bezug auf den Zeitpunkt nicht überfrischt wird oder überhitzt wird.
Der Beschreibung sind die folgenden vier Figuren beigefügt:

1: Erfindungsgemäßes Schmelzaggregates
2: Blasmulden der Seitenwandinjektoren und Aufblasbereiche der Toplanze
3: Oberflächenbewegung eines Bereiches in unterschiedlichen Prozesszuständen
4: Schematische Übersicht der Bewegungsmöglichkeiten der Toplanze
5: Unterschiedliche Varianten der Positionierung der Blasmulden

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schmelzaggregat 1. Das Schmelzaggregat 1 besteht aus einem feuerfest ausgekleideten Unterofen 2 mit einem Abstichloch 3, einem Oberofen 4 und zwei unterschiedlichen Ofendeckeln 9, 13. Der Gefäßboden 4 des Unterofens 2 weist einen „Kugelradius“ von 10 m auf, wobei sich bei einer bei einem Schmelzgewicht von ca. 90 t eine Schmelzbadhöhe von ca. 1 m einstellt.
Der wassergekühlte Oberofen 8 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist eine Höhe ho von ca. 4,5 m und einen Radius ro von ca. 3 m auf. Im Oberofen 8 sind in diesem Beispiel umlaufend 6 Seitenwandinjektoren 15 angeordnet. Die mittlere Ausrichtung der Seitenwandinjektoren 15 ist so eingestellt, dass auf einer Schmelzbadoberfläche 6 sechs Blasmulden 26 entstehen. Dazu sind die Seitenwandinjektoren 15 um 40° bis 50°, vorzugsweise um 45° gegenüber der Horizontalen auf die Schmelzbadoberfläche 6 geneigt. In seitlicher Richtung können die Seitenwandinjektoren 15 um bis zu 15° geneigt sein. Dadurch wird eine entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufende Schmelzbadbewegung in der Schmelze 7 induziert. Drei Seitenwandinjektoren 15 können von einem Injektorbetrieb in einen Brennerbetrieb umgestellt werden. Drei weitere Seitenwandinjektoren 15 können Feststoffe, wie Kohlenstaub, Schlackebildner und/oder Legierung mittels eines Fördergases einblasen.
Die Kühlung des Oberofens 8 und die feuerfeste Zustellung des Unterofens 2 sind in Bezug auf die Kühlleistung und Dicke und Art der feuerfesten Steine sowohl auf den Schmelzbetrieb als auch auf den metallurgischen Arbeitsbetrieb ausgelegt.
Der erste Deckel 9 weist einen Abgasstutzen 10 und eine Öffnung 11 zum Einführen einer Toplanze 12 in das Schmelzaggregat 1 auf. Der Abgasstutzen 10 ist um ca. 30° gegenüber der Vertikalen geneigt. Der Durchmesser beträgt 1,45 m und die Länge beträgt 2,80 m. Der zweite Deckel 13 weist zentrisch eine Öffnung 14 mit einem Deckelherz für drei Elektroden 27 auf. Der Abgasstutzen 29 ist im Durchmesser kleiner gegenüber dem Abgasstutzen 10 des ersten Deckels 9. Durch zwei Schwenkarme, an denen die Deckel 9, 13 jeweils befestigt sind, können die Deckel 9, 13 während des Betriebes des Schmelzaggregates getauscht werden.
Eine hier nicht dargestellte Gasstation 28 oder Prozessgassteuerung 16 ist mit den Seitenwandinjektoren 15 und der Toplanze 12 verbunden und steuert den Druck und den Volumenstrom der Prozessgase. Die Gasstation 28 oder Prozessgassteuerung 16 selbst ist regelungstechnisch in die Steuerung des Schmelzaggregates 1 integriert.
Die Toplanze 12 ist an einem weiteren Schwenkarm angebracht. Mittels einer Vielzahl von hydraulischen Antrieben kann diese gegenüber dem Deckel bewegt werden. In diesem Beispiel ist die Toplanze 12 um ± 45° um die eigene Achse 17 der Toplanze 12 rotierbar. Um die horizontale Achse 19 ist die Toplanze 12 um ± 30° schwenkbar, wobei der Drehpunkt ca. 0,5 m oberhalb der Deckelöffnung 11 liegt. In einer Arbeitsposition ist die Toplanze 12 um den Drehpunkt des Schwenkarmes um ca. ± 10° schwenkbar. Die Spitze der Toplanze 20 kann durch die hydraulischen Antriebe bis auf 0,5 m an die Schmelzbadoberfläche 6 angenähert werden. Durch den Schwenkarm ist es auch möglich, die Toplanze 12 ganz vom Deckel bzw. dem Schmelzaggregat 1 zu entfernen.
Die Toplanze 12 selbst weist im Bereich der Spitze 20 sieben Austrittsöffnungen 21 auf, wobei sechs umlaufend an der Außenfläche angebracht sind. An der Spitze der Lanze 20 ist eine siebte Öffnung positioniert; diese ist bei inaktiver Toplanze in Betrieb, um eine Verbärung der Lanze zu vermeiden. Diese siebte Öffnung kann als Venturi-Düse oder Überschalldüse 22 ausgebildet sein. Die sechs äußeren Düsen werden gemeinsam durch die Gasstation 28 in Bezug auf den Druck und Volumenstrom gesteuert. Die zentrische siebte Düse 22 wird getrennt davon eingestellt.
2 zeigt die Schmelzbadoberfläche 6 zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Verfahrens. Zunächst ist eine metallische Schmelze 7 im Schmelzaggregat 1 erzeugt worden. Auf dieser Schmelzbadoberfläche 6 erzeugen die Seitenwandinjektoren 15 umlaufend 6 Blasmulden 26, die näherungsweise oval sind. Die Toplanze 12 wird in die erste Arbeitsposition 23 gebracht und der Druck und der Volumenstrom der sechs umlaufenden Austrittsöffnungen 21 eingestellt. Anschließend wird die Toplanze 12 durch Absenken, Drehen und Schwenken derart positioniert, dass die sechs Blasmulden 25 der umlaufenden Austrittsöffnungen 21 der Toplanze 12 jeweils zwei benachbarte Blasmulden 26 der Seitenwandinjektoren 15 berühren. Der Volumenstrom der Venturi-Düse 22 wird anschließend derart eingestellt, dass im Zentrum der Schmelzbadoberfläche 6 eine flache Blasmulde entsteht.
3 stellt den zeitlichen Verlauf der Höhe der Schmelzbadoberfläche (Schwankungswert) im Randbereich einer Blasmulde 26 eines Seitenwandinjektors 15 sowie den zeitlich gemittelten Verlauf der Höhe der Schmelzbadoberfläche 6 an der Kante einer Blasmulde 26 eines Seitenwandinjektors 15 dar. Im Bereich A des Diagramms ist eine große Bewegung um die mittlere Schmelzbadhöhe ds von 1 m erkennbar. Ab einer Abweichung von ca. ±0,10 m nach oben und unten entstehen Schlacke- und/oder Stahlspritzer, die sich von der Schmelzbadoberfläche 6 ablösen. Im Bereich B des Diagramms wirkt ein Gasstrahl der Toplanze 12 auf diesen Bereich. Dadurch reduziert sich die Schwankungsbreite der Schmelzbadhöhe ds um ca. 50 %.
4 zeigt beispielhaft die unterschiedlichen Schwenk- und Rotationsmöglichkeiten der Toplanze 12 in Bezug auf die Schmelzbadoberfläche 6 und unterschiedliche Achsen 17, 18, 19 auf. Mögliche Bewegungen sind schematisch durch die Pfeile eingezeichnet.
5 stellt in den ) bis 5) unterschiedliche Varianten der Positionierung der Blasmulden zueinander dar. In ) sind sechs Blasmulden der Seitenwandinjektoren auf der Schmelzbadoberfläche vorhanden. Die sechs Blasmulden der Toplanze werden so positioniert, dass jeweils eine der Blasmulden der Toplanze Kontakt mit jeweils einer Blasmulde eines Seitenwandinjektors hat. Der Kontaktpunkt der beiden Blasmulden ist auf der dem Seitenwandinjektor abgewandten Seite der Blasmulde.
In ) sind die Blasmulden der Toplanze größer gegenüber den Blasmulden der Toplanze gemäß der ). Weiterhin sind die Blasmulden der Toplanze nach außen geschoben und überdecken einen Teil der Blasmulden der Seitenwandinjektoren. Eine Änderung der Positionierung der Blasmulden der Toplanzen von ) zu 2) kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Abstand der Toplanze zur Schmelzbadoberfläche vergrößert wird.
In ) sind die Blasmulden der Toplanze so positioniert, dass eine Blasmulde der Toplanze Kontakt mit jeweils zwei Blasmulden von zwei Seitenwandinjektoren hat oder auch teilweise überdeckt. Eine derartige Positionierung kann beispielsweise durch eine Rotation der Toplanze um die Achse der Toplanze aus einer Positionierung gemäß der ) erfolgen.
) stellt eine Anordnung von Blasmulden mit einer Drei-Loch-Blaslanze dar. Im dargestellten Fall überdeckt jeweils eine Blasmulde der Toplanze Teilbereiche von zwei benachbarten Blasmulden der Seitenwandinjektoren. Demgegenüber sind in ) drei Seitenwandinjektoren im Schmelzaggregat angeordnet oder aktiv. Die Blasmulden der Sechs-Loch-Toplanze werden so positioniert, dass jeweils zwei der Blasmulden eine Blasmulde eines Seitenwandinjektors berühren oder überdecken.
Bezugszeichenliste

1: Schmelzaggregat
2: Unterofen
3: Abstichloch
4: Gefäßboden
6: Schmelzbadoberfläche
7: Schmelze
8: Oberofen
9: Erster Deckel
10: Abgasstutzen
11: Öffnung
12: Toplanze
13: Zweiter Deckel
14: Öffnung
15: Seitenwandinjektoren
16: Prozessgassteuerung
17: Achse der Toplanze
18: Vertikale Achse
19: Horizontale Achse
20: Toplanzenspitze
21: Austrittsöffnung
22: Überschalldüse
23: Erste Arbeitsposition
24: Zweite Arbeitsposition
25: Blasmulde Toplanze
26: Blasmulde Seitenwandinjektor
27: Elektrode
28: Gasstation
dS: Abstand Gefäßboden - Schmelzbadoberfläche
hS: Abstand Spitze Toplanze-Schmelzbadoberfläche
hO: Höhe Oberofen
rO: Radius Oberofen
vAG: Abgasgeschwindigkeit
TAG: Abgastemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0717115 A1 [0003]
DE 10115779 A1 [0005]
DE 202007009161 U1 [0015]
DE 60305321 T2 [0016]

Claims

Schmelzaggregat (1) zur Stahlerzeugung mit einem Abstichgewicht zwischen 60 t und 350 t aufweisend - einen feuerfest ausgekleideten Unterofen (2) mit einem Abstichloch (3), wobei der Gefäßboden (4) des Unterofens (2) im Wesentlichen einem kugelförmig ausgebildeten Schalenabschnitt entspricht und die Kugel, aus dem der Schalenabschnitt geometrisch entstammt, einen Radius von ≥ 5 m und ≤ 15 m aufweist und der Abstand (ds) zwischen dem tiefsten Punkt des Gefäßbodens (4) im Unterofen (2) und der Oberfläche (6) einer sich darin im Betriebszustand befindlichen Schmelze (7) ≥ 0,5 m und ≤ 1,5 m beträgt, - einen im Wesentlichen zylindrischen, wassergekühlten Oberofen (8), wobei die Höhe (ho) des Oberofens (8) ≥ 3 m beträgt und der im Wesentlichen zylindrische Teil des Oberofens (8) einen Radius (ro) ≥ 2 m aufweist, - einen ersten, den Oberofen (8) nach oben abschließenden konischen Deckel (9) mit einem Abgasstutzen (10) und mindestens einer Öffnung (11) zum Einführen einer Toplanze (12) in das Schmelzaggregat (1), - einen zweiten, den Oberofen (8) nach oben abschließenden Deckel (13) mit zumindest einer Öffnung (14) zum Durchführen von einer oder mehrerer Elektroden (27), - wobei der Unterofen (2) und der Oberofen (8) sowohl für eine Fahrweise ohne Schmelzstrom als auch für eine Fahrweise mit Schmelzstrom ausgelegt ist und der erste Deckel (9) gegen den zweiten Deckel (13) während des Betriebes des Schmelzaggregates (1) auswechselbar ist, - eine Prozessgassteuerung (16) zum Einstellen des Druckes und/oder des Volumenstroms des zumindest eines Prozessgases für die Toplanze (12) und die Seitenwandinjektoren (15), dadurch gekennzeichnet, dass - das Schmelzaggregat (1) eine Toplanze (12) aufweist zum Einblasen eines Prozessgases und/oder Feststoffs, wobei i) die Toplanze (12) durch die Öffnung (11) im ersten Deckel (9) in eine Arbeitsposition gebracht werden kann und ii) die Toplanze (12) während des Betriebes des Schmelzaggregates (1) um die Achse (17) der Toplanze (12) rotierbar ist, um eine vertikale Achse (18) rotierbar ist und/der um eine horizontale Achse (19) schwenkbar ist, und iii) der Abstand (hs) zwischen der Schmelzbadoberfläche (6) und der Toplanzen-Spitze (20) veränderbar ist, - in dem Oberofen (8) radial umlaufend eine Vielzahl von Seitenwandinjektoren (15) angeordnet ist zum Einblasen eines Prozessgases und/oder Feststoffs, wobei die Seitenwandinjektoren (15) horizontal und/oder vertikal um bis zu ± 5° schwenkbar sind.
Schmelzaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Toplanze (12) als eine Mehr-Loch-Toplanze ausgebildet ist, und - die Toplanze (12) mehr als 3 Austrittsöffnungen (21), vorzugsweise mehr 5 Austrittsöffnungen (21), für ein Prozessgas und/oder Feststoff aufweist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toplanze (12) um einen Winkel von mind. +/- 15°, vorzugsweise mind. +/- 30°, mehr bevorzugt +/- 45° um die Achse (17) der Toplanze (12) drehbar ist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toplanze (12) um einen Winkel von mind. +/- 15°, vorzugsweise mind. +/- 30°, mehr bevorzugt +/- 45° um die vertikale Achse (18) in einer Arbeitsposition drehbar ist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toplanze (12) um einen Winkel von mind. +/- 10°, vorzugsweise mind. +/- 20°, mehr bevorzugt +/- 30° um die horizontale Achse (20) schwenkbar ist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toplanze (12) zumindest eine Überschalldüse (22) aufweist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für je drei aus einem oder mehreren Seitenwandinjektoren (15) austretenden Gasstrahlen zumindest eine Austrittsöffnung (21) in der Toplanze (12) vorhanden ist, vorzugsweise für je zwei aus einem oder mehreren Seitenwandinjektoren (15) austretenden Gasstrahlen zumindest eine Austrittsöffnung (21) in der Toplanze (12) vorhanden ist; noch mehr bevorzugt für jeden aus einem Seitenwandinjektor (15) austretenden Gasstrahl zumindest eine Austrittsöffnung (21) in der Toplanze (12) vorhanden ist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberofen (8) mehr als 4, bevorzugt mehr als 5, noch mehr bevorzugt mehr als 6, Seitenwandinjektoren (15) aufweist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Seitenwandinjektor (15) zwischen einem Brennerbetrieb in einen Blasbetrieb umstellbar ist.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Toplanze (12) und die Seitenwandinjektoren (15) zeitgleich und mit aufeinander abgestimmten Volumenströmen für ein jeweiliges Prozessgas koordiniert, vorzugsweise mittels einer gemeinsamen Gasstation (22) oder Prozessgassteuerung (16), betreibbar sind.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem für das Verfahren notwendigen Gesamtvolumenstrom von Prozessgas durch die Toplanze (12) 50 % bis 90 % des Gesamtvolumenstromes einbringbar sind und durch die Seitenwandinjektoren (15) 10 % bis 50 % des Gesamtvolumenstromes einbringbar sind.
Schmelzaggregat nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Ofendeckel (9) ein Abgasstutzen (10) aufweist zum Ableiten des im Schmelzaggregat entstehenden Abgases mit einer Abgasströmungsgeschwindigkeit von v_AC ≤ 50 m/s bei einer Abgastemperatur von T_AG ≥ 800 °C, und - der Abgasstutzen (10) einen mittleren Durchmesser von 1,20 m bis 3,5 m aufweist, und - der Abgasstutzen (10) gegenüber der vertikalen in einem Bereich von ± 30° geneigt ist, und eine durchströmte Länge (I_A) von ≥ 2,0 m aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Schmelzaggregates zur Stahlerzeugung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bei dem die Schritte ausgeführt werden: f. Erzeugen einer zumindest teilweise flüssigen Badoberfläche (6) g. Einblasen eines Prozessgases auf die Badoberfläche mittels der Seitenwandinjektoren (15) h. Absenken der Toplanze (12) in eine erste Arbeitsposition (23) und Einblasen eines Prozessgases auf die Badoberfläche (6) i. Ausrichten der Toplanze (12) durch ein Rotieren, eine Abstandsänderung und/oder ein Schwenken der Toplanze (12) auf eine zweite Arbeitsposition (24), so dass - der durch die Toplanze (12) mindestens eine erzeugte Kern der Blasmulde (25) zwischen zwei benachbarten Blasmulden (26) der Seitenwandinjektoren (15) liegt, oder - der durch die Toplanze (15) mindestens eine erzeugte Kern der Blasmulde (25) innerhalb des Bereiches einer der Blasmulden (26) der Seitenwandinjektoren (15) liegt. j. Einstellen der Volumenströme der Prozessgase der Seitenwandinjektoren (15) und der Toplanze (12), so dass die Gesamtmenge oder der Gesamtvolumenstrom des benötigten Prozessgases auf die Badoberfläche (6) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Volumenströme des Prozessgases von Toplanze (12) zu zwei benachbarten Seitenwandinjektoren (15) $\frac{{\dot{V}}_{T l}}{{\dot{V}}_{S I}} \geq 0,5$
und $\frac{{\dot{V}}_{T l}}{{\dot{V}}_{S I}} \geq 2,0$
beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte in der Reihenfolge a) bis e) ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte d) und e) mehrfach durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass - in Abhängigkeit des Volumenstromes des Prozessgases durch die Toplanze (12) der Volumenstrom des Prozessgases durch die Seitenwandinjektoren (15) eingestellt wird; und - die Addition der Volumenströme den aktuell benötigten Gesamtvolumenstrom ergibt.