DE19608530C2 - Verwendung von reinem CO¶2¶-Gas oder einem im wesentlichen CO¶2¶ enthaltenden Gas als Trägergas bei der Behandlung von Stahl in einem Lichtbogenofen - Google Patents

Verwendung von reinem CO¶2¶-Gas oder einem im wesentlichen CO¶2¶ enthaltenden Gas als Trägergas bei der Behandlung von Stahl in einem Lichtbogenofen

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von reinem CO2-Gas oder einem im wesentlichen CO2 enthaltenden Gas als Träger­ gas bei der Behandlung von Stahl im Zuge der Stahlerzeugung in einem Lichtbogenofen.
Es ist bekannt, Inertgas wie beispielsweise Stickstoff oder Trockenluft als Trägergas zu verwenden, um Feststoffe in metallurgische Öfen wie beispielsweise Lichtbogenöfen ein­ zublasen. Ein wesentlicher Nachteil dieser regelmäßig ver­ wendeten Gase ist in ihrem negativen Einfluß auf die Stahl­ qualität und auf die Schlackenbeschaffenheit zu sehen. Wenn beispielsweise im Wege der Direktreduktion erzeugter Eisenschwamm eingeblasen wird, erzeugt der in der Luft ent­ haltene Sauerstoff FeO. Daraus folgt, daß freier Sauerstoff in Trägergasen von Einblassystemen die Bildung von FeO in der Schlacke erzeugt. Dadurch nimmt die Viskosität der Schlacke ab. Gleichzeitig steigt die Temperatur in der be­ treffenden Berührungszone zwischen der Schlacke und der Stahlschmelze an, und zwar aufgrund thermischer Reaktionen als Folge von chemischen Reaktionen. Daraus resultiert ein negativer Einfluß in bezug auf die Viskosität und die Qualität der Schlacke mit der Folge, daß die negative Schlackenoberfläche - aufgrund geringerer Bildung von Schlackenschaum - reduziert wird und darüber hinaus der Lichtbogen zumindest teilweise unbedeckt ist und insoweit Energieverluste entstehen. Hinzu kommt, daß der Stickstoff von der Stahlschmelze in unkontrollierter Weise absorbiert wird. Daraus resultiert eine geringere Warmfestigkeit des erzeugten Stahls. Die Qualität des abgegossenen Stahles nimmt ab, Risse an der Stahloberfläche und eine verminderte Verwendungsfähigkeit des fertiggestellten Stahlerzeugnisses sind die Folge. - Beide Effekte, nämlich
  • a) ungenügende Erzeugung von Schlackenschaum und
  • b) Abnahme der Stahlqualität
sind die Gründe dafür, daß das Einblasen von Luft oder Stickstoff, welches seit mehr als 10 Jahren bekannt ist, nur selten und restriktiv von Stahlproduzenten verwendet wird - obwohl die Vorteile von pneumatischen Einblas­ systemen - schon weil keine Feinanteile verlorengehen, wenn im Wege der Direktreduktion erzeugter Eisenschwamm einge­ blasen wird - der Stahlindustrie wohl bekannt sind.
Die EP-A-0 637 634 beschäftigt sich mit einem Verfahren zur Stahlerzeugung in einem metallurgischen Elektro-Licht­ bogenofen. Dabei werden über selbstverzehrende Lanzen durch eine Seitenwand des Elektro-Lichtbogenofens feinkörnige Feststoffe und/oder Gase bzw. Feststoff-Gasgemische einge­ bracht. Als Gase bzw. Trägergase können auch CO2 sowie Gas­ gemische dienen.
Vorliegend geht es darum, den im Elektro-Lichtbogenofen er­ zeugte Lichtbogen über einen längeren Zeitraum mit Schaum­ schlacke zu umhüllen. Zu diesem Zweck wird eine Regelung der Schichthöhe der Schaumschlacke durchgeführt. Im einzelnen dient hierzu eine während einer Ofencharge mehr­ mals vorgenommene Pegelmessung der Schichthöhe der Schlacke. Durch Ein- und/oder Aufblasen von Feststoffen, Gasen oder eines Gemisches von Feststoffen und Gasen in und/oder auf die Schlacke oder die Metallschmelze wird der Lichtbogen von der Schaumschlacke eingehüllt bzw. umhüllt. Die vorgenannte Vorgehensweise ist aufwendig und teuer und erfordert insbesondere eine Regelung der zugeführten Menge an Trägergas und der mittels des Trägergases eingeblasenen Feststoffmenge.
Durch die DE-C-31 36 058 ist ein Verfahren zum Gewinnen eines CO-reichen Abgases beim Frischen von Stahlschmelzen bekannt geworden. Hierzu wird ein metallurgischer Ofen in Form eines Konverters eingesetzt. Darüber hinaus werden Feststoffe mittels eines Trägergases, beispielsweise CO2 eingeblasen. Primär geht es jedoch darum, zum Erzeugen von CO granulierten Kalkstein zusammen mit einem Trägergas in die Stahlschmelze mit einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 0,3% einzublasen. Das vorgenannte Einblasen des Kalksteines erfolgt mittels einer unterhalb der Schmelzbadoberläche angeordneten Blasform.
Die deutsche Zeitschrift "Fachberichte Hüttenpraxis Metall­ weiterverarbeitung", Volumen 25, Nr. 1, 1967, Seiten 16, 18 spricht schließlich global das Einblasen von Sauerstoff an. Im übrigen ist es hieraus bekannt, Kohlenstoff mittels Sauerstoff als Trägergas unterhalb der Schlackenoberfläche einzublasen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine kostengünstige und ressourcensparende Behandlung von Stahl mit einem Trägergas anzugeben, welches einen stabilen Schlackenschaum unter gleichzeitig positiver Beeinflussung der erzeugten Stahlqualität auf einfache Weise erzeugt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung von reinem CO2-Gas oder eines im wesentlichen CO2 enthaltenden Gases als Trägergas bei der Behandlung von Stahl im Zuge der Stahlerzeugung in einem Lichtbogenofen, wobei
  • - das CO2-Gas im Rahmen eines Reduktionsprozesses für Eisenerz erzeugt wird, und wobei
  • - Feststoffe mittels dieses Trägergases unter Verwendung einer Blaslanze aus Kohlenstoffstahl durch eine Ab­ stichöffnung in den Ofen unterhalb der Schlackenoberfläche eingeblasen werden und sich eine Schicht aus Schlacke oberhalb einer Stahlschmelze bildet, so daß
  • - das CO2 an der Oberfläche der Stahlschmelze in einer endothermen Reaktion nahezu vollständig in CO und O2 dissoziiert, und
  • - das gebildete O2 unter zusätzlicher Erzeugung von CO un­ mittelbar mit C aus der Stahlschmelze reagiert, sowie
  • - aufgrund der der Schlacke und der Stahlschmelze ent­ zogenen Wärme insbesondere die Temperatur der Schlacke in der Reaktionszone abnimmt und in Verbindung mit der erzeugten CO-Strömung ein stabiler Schlackenschaum gebildet und zusätzlich eine Entgasung der Stahlschmelze erreicht wird.
- Diese Maßnahmen der Erfindung haben zur Folge, daß zunächst einmal ein Trägergas mit einem höheren Molekulargewicht zur Verfügung steht, so daß der Transport der Feststoffe in der Gasströmung im Sinne einer verbesserten Einbindung und Tragfähigkeit unterstützt wird. Hinzu kommt, daß in einem Temperaturbereich bis zu 700°C keine nennenswerte Reaktion zwischen Fe und CO2 stattfindet. Das bedeutet, daß das CO2 die Schlackenschicht durchdringt und die Oberfläche der Stahlschmelze erreicht. Dort beträgt die Temperatur etwa 1500°C. Unter diesen Bedingungen dissoziiert das CO2 in CO + 1/2 O2 unter Verwendung von Wärme, welche der Schlacke und der Stahlschmelze entzogen wird. Die Umwandlung von CO2 beträgt unter diesen Umständen nahezu 100%. Der hoch aktive atomare Sauerstoff reagiert unmittelbar mit C aus der Stahlschmelze. Dadurch wird CO erzeugt, und zwar aufgrund der Reaktion C + ½ O2 ===< CO plus Wärme. Insoweit handelt es sich um einen Verfeinerungs- bzw. Veredelungsprozeß für den geschmolzenen Stahl. Im Ergebnis läuft ein endothermer Prozeß ab, welcher der Umgebung Energie entzieht. Insbesondere nimmt die Schlackentemperatur in der Reaktionszone ab, wodurch die Schlackenviskosität erhöht wird. - Außerdem entstehen CO-Blasen an der Oberfläche der Stahlschmelze, welche durch die Schlacke hindurch bis zur Schlackenoberfläche hochsteigen und dadurch Reste von FeO zu Fe mit der Folge zurückführen, daß die Schlackenviskosität weiter erhöht wird. Eine verhältnismäßig hohe CO-Strömung erzeugt in Verbindung mit der Schlackentemperatur einen stabilen Schlackenschaum mit einer hoch aktiven Oberfläche. Ferner wird hinsichtlich des Stahles auch ein Entgasungseffekt erreicht. Endlich kommt hinzu, daß der Schlackenschaum den Lichtbogen vollständig umhüllt bzw. abdeckt, so daß auch Energieverluste reduziert werden.
Durch die Verwendung des speziellen, im Rahmen eines Re­ duktionsprozesses für Eisenerz erzeugten CO2-Trägergases wird nicht nur der gewünschte stabile Schlackenschaum er­ zeugt, sondern auch eine Aufwandsminimierung erreicht. Denn diesbezüglich geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß das vorgenannte Gas zumeist ungenutzt in die Atmosphäre freigegeben wird und in vorteilhafter Weise als Trägergas bei der Behandlung von Stahl eingesetzt werden kann. Eine spezielle Aufbereitung ist nicht erforderlich. Hierdurch werden Gasressourcen geschont und es kommt - neben der ohnehin zu beobachtenden Energieeinsparung - zu einer weiteren Kostenminimierung. In die gleiche Richtung zielt auch die Verwendung der Blaslanze aus Kohlenstoffstahl, welche die Schlackenbildung insofern unterstützt, als im Zuge eines Abschmelzens oder einer Selbstverzehrung dieser Blaslanze größtenteils Stahl und Kohlenstoff unter Bildung von schaumunterstützendem CO erzeugt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind im folgenden auf­ geführt. So kann das Gas/Feststoff-Gemisch mittels einer gekühlten oder ungekühlten Blaslanze bzw. Stahllanze durch eine Durchtrittsöffnung im Ofendeckel hindurch eingeblasen werden. Vorzugsweise wird der Gas/Feststoff-Gemisch-Strahl auf die Heißzone des Ofens bzw. der Schlacke im Bereich der Elektroden gerichtet. Dabei wird das Gas/Feststoff-Gemisch in beiden Fällen üblicherweise unterhalb der Schlackenober­ fläche eingeblasen bzw. injiziert. - Als Feststoffe kommen Eisen, im Wege der Direktreduktion erzeugter Eisenschwamm oder Eisenfeinteile, Eisen enthaltende Abfälle, Kohle, Kohle enthaltende Abfälle, Additive, Zuschläge, Flußmittel oder dergleichen in Frage.
Im Rahmen der Erfindung findet CO2-Gas Verwendung, welches von eine Druckwechselanlage (PSA), einer Vakuum­ wechselanlage (VSA) oder einer chemischen Absorptionsanlage kommt. Das vorgenannte CO2-Gas wird im Zuge eines Re­ duktionsprozesses für Eisenerz erzeugt und wird bei den meisten installierten Anlagen ungenutzt in die Atmosphäre freigegeben. Selbstverständlich kann im Rahmen der Er­ findung auch CO2-Gas Verwendung finden, welches in anderen Prozessen entsteht.
Sofern ein metallurgischer Ofen bzw. Lichtbogenofen mit einem Ofendeckel zur Durchführung des beanspruchten Ver­ fahrens eingesetzt wird, weist dieser Ofendeckel eine Durchtrittsöffnung für eine Blaslanze auf, die in dieser Durchtrittsöffnung höhenverstellbar geführt ist. Die Durchtrittsöffnung kann sich neben den üblichen Durchführungen für die Elektroden des Lichtbogenofens befinden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher er­ läutert.
Die einzige Figur zeigt einen Lichtbogenofen 1 mit einer vorgeschalteten Mischvorrichtung 2, in welcher Feststoffe und nach dem Ausführungsbeispiel im Wege der Direktreduktion erzeugter Eisenschwamm und gegebenenfalls Eisenfeinteile mit CO2 als Trägergas vermischt werden. Das Gas/Feststoff-Gemisch wird entweder mittels einer Stahl­ lanze 3 durch eine Durchtrittsöffnung 4 im Ofendeckel 5 hindurch eingeblasen oder mittels einer Blaslanze 6 aus Kohlenstoffstrahl durch die Abstichöffnung 7 des Licht­ bogenofens 1 hindurch eingeblasen. Im ersteren Fall ist der Gas/Feststoff-Gemisch-Strahl auf die Heißzone 8 des Licht­ bogenofens 1 bzw. der Schlacke 9 gerichtet, die sich im mittleren Bereich zwischen z. B. drei auf- und nieder­ fahrbaren sowie zumindest in die Schlacke eintauchenden Elektroden 10 befindet. Die Durchtrittsöffnung 4 für die Stahllanze 3 ist zugleich für die Führung der Stahllanze eingerichtet, welche oberhalb des Ofendeckels 5 höhenver­ stellbar eingerichtet und dort ebenfalls geführt ist. Stets wird das Gas/Feststoff-Gemisch unterhalb der Schlackenober­ fläche eingeblasen und durchdringt dadurch die Schlacke 9 bis zu deren Berührungsfläche mit der Stahlschmelze 11.

Claims (3)

1. Verwendung von reinem CO2-Gas oder einem im wesentlichen CO2 enthaltenden Gas als Trägergas bei der Behandlung von Stahl im Zuge der Stahlerzeugung in einem Lichtbogenofen (1), wobei
  • 1. das CO2-Gas im Rahmen eines Reduktionsprozesses für Eisenerz erzeugt wird, und wonach
  • 2. Feststoffe mittels dieses Trägergases unter Verwendung einer Blaslanze (6) aus Kohlenstoffstahl durch eine Ab­ stichöffnung (7) in den Ofen (1) unterhalb der Schlackenoberfläche eingeblasen werden und sich eine Schicht aus Schlacke (9) oberhalb einer Stahlschmelze (11) bildet, so daß
  • 3. das CO2 an der Oberfläche der Stahlschmelze (11) in einer endothermen Reaktion nahezu vollständig in CO und O2 dissoziiert, und
  • 4. das gebildete O2 unter zusätzlicher Erzeugung von CO un­ mittelbar mit C aus der Stahlschmelze reagiert, sowie
  • 5. aufgrund der der Schlacke (9) und der Stahlschmelze (11) entzogenen Wärme insbesondere die Temperatur der Schlacke (9) in der Reaktionszone abnimmt und in Verbindung mit der erzeugten CO-Strömung ein stabiler Schlackenschaum gebildet und zusätzlich eine Entgasung der Stahlschmelze (11) erreicht wird.
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas/Feststoff-Gemisch-Strahl auf die Heißzone des Ofens bzw. der Schlacke (9) gerichtet ist.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Feststoffe Eisen, im Wege der Direktreduktion erzeugter Eisenschwamm oder Eisenfeinteile, Eisen enthaltende Abfälle, Kohle, Kohle enthaltende Ab­ fälle, Additive, Zuschläge, Flußmittel oder dergleichen verwendet werden.
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