DE2048827B2

DE2048827B2 - Verfahren zur direkten Stahlgewinnung durch Reduktion von Eisenerzen in einem Schachtofen

Info

Publication number: DE2048827B2
Application number: DE2048827A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. Leoben Stift (Oesterreich)
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Voestalpine AG
Priority date: 1969-10-07
Filing date: 1970-10-05
Publication date: 1979-10-18
Also published as: JPS5110169B1; FR2064179B1; DE2048827A1; SE426709B; FR2064179A1; LU61811A1; BE757182A; NL170310B; YU247470A; GB1314039A; NL7014705A; AT313941B; NL170310C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur direkten Stahlgewinnung durch Reduktion von Eisenerzen in einem Schachtofen, bei welchem eine brennstofffreie Beschickung aus Erz und gegebenenfalls Schlackenbildnern im oberen Teil des Schachtofens aufgegeben wird, wobei im unteren Teil des Ofens aus einer Teilverbrennung stammende reduzierende Gase nach unten gerichtet eingeblasen werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der US-PS 2750278 bekannt. Ein solches Verfahren hat gegenüber der üblichen Reduktion von Eisenerz im Hochofen bei welcher gegebenenfalls Zuschlagstoffe für die Schlackenbildung und Koks von der Gicht aus in den Schacht eingebracht werden und die Verbrennungsluft (»Wind«) durch die unten im Gestell angeordneten Windformen zugeführt wird, den Vorteil, daß die Schmelzarbeit nicht von Koks geleistet werden muß, und es kann daher Koks erspart werden, was insbesondere in Ländern von Wichtigkeit ist, welche über keine eigenen Vorkommen an verkokbarer Kohle verfügen. Es sind eine Reihe von Vorschlägen bekanntgeworden, den Koksanteil bei der Reduktion von Eisenerzen zu ersetzen, jedoch kann mit dem größten Teil dieser Verfahren nicht unmittelbar Stahl erschmolzen werden. Beim eingangs genannten Verfahren werden nun aus einer Teilverbrennung stammende reduzierende Gase in den Schachtofen eingeblasen und dort verbrannt, um die erforderlichen hohen Temperaturen zu erzielen. Die Flamme der verbrennenden Gase ist hiebei auf den Möller gerichtet und es tritt bei dem bekannten Verfahren zum einen das Problem auf, welches damit zusammenhängt, daß im Bereich der Flamme oxydierende und reduzierende Zonen entstehen, und zum anderen das Problem, daß gegebenenfalls bei einer Teilverbrennung entstehender Kohlenstoff eine unerwünschte Boudouard-Reaktion auslöst, welche zu einer Abkühlung des Möllers führt. Bei dieser Boudouard-Reaktion tritt eine Rückreduktion von CO₂ zu CO ein, und diese Rückreaktion stellt vor allem bei Temperaturen von über 1000° C einen beträchtlichen thermischen Verlust dar. Mit der DE-PS 453162 wurde bereits vorgeschlagen, zur Erzielung eines mehr oder weniger kohlenstoffhaltigen Eisens einen entsprechenden Überschuß an Brennstoff, welcher gemäß dieser Literaturstelle aus Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffen bestehen soll, in gröber gemahlenen Zustand einzuführen. Auch diese Maßnahme führt zum Auftreten der unerwünschten Boudouard-Reaktion und damit zu thermischen Verlusten. Eine präzise Ansteuerung eines gewünschten Endkohlenstoffgehaltes im Bad ist mit den bekannten Verfahren nicht möglich.

Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß eine vorgegebene Stahlqualität in einfacher Weise, angesteuert werden kann und vor allen Dingen eine genaue Ansteuerung eines gewünschten Kohlenstoffgehaltes im Bad zu erzielen, ohne die durch Einsatz von Koks im Möller auftretenden Nachteile in Kauf zu nehmen. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß die Teilverbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen und/oder festen Brennstoffen durch Regelung der Sauerstoffzufuhr derart gesteuert wird, daß mit den reduzierenden Gasen fester Kohlenstoff als Ruß in einer für die Aufkohlung des Schmelzbades erforderlichen Menge eingeblasen wird und daß auf elektrischem Wege erzeugte zusätzliche Wärme in einer zum Niederschmelzen des bei der Reduktion des Erzes entstandenen Metalls ausreichenden Menge zugeführt wird. Dadurch, daß mit den reduzierenden Gasen fester Kohlenstoff als Ruß in einer für die Aufkohlung des Schmelzbades erforderlichen Weise nach unten gerichtet eingeblasen wird, wird der eingeblasene Ruß unmittelbar zur Aufkohlung des Bades wirksam, ohne mit dem Möller in Berührung zu gelangen, wodurch die unerwünschte Boudouard-Reaktion und damit die thermischen Verluste nicht auftreten. Dadurch, daß die reduzierenden Gase bereits als teilverbrannte Gase zugeführt werden, werden die Probleme welche sich durch die reduzierenden und oxydierenden Zonen einer Flamme im Schachtofen ergeben würden, vermieden. Die Wärmemenge, welche für das Niederschmelzen des bei der Reduktion des Erzes entstehenden Metalls erforderlich ist, wird erfindungsgemäß in Form von elektrischer Wärme eingebracht, so daß auch hier eine optimale Anpassung an die Erfordernisse möglich ist. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine präzise Steuerung des Stahlgewinnungsverfahrens zur Erzielung eines Stahles mit vordefinierter Zusammensetzung in bezug auf seinen Kohlenstoffgehalt in einfacher Weise ermöglicht.

Als Brennstoffe für den Teilverbrennungsvorgang können flüssige und/oder gasförmige Kohlenwasser-

stoffe und/oder feste Brennstoffe verwendet werden. Da die aus dem Teilverbrennungsvorgang stammende Wärme für das Niederschmelzen des Eisens nicht ausreicht, wird zusätzliche Wärme im Bereich der Zone, in welche die teilverbrannten Gase eingeführt werden, zugeführt. Gemäß der Erfindung wird diese zusätzliche Wärme zweckmäßig in Form von elektrisch erzeugter Wärme, beispielsweise durch Anwendung von Plasma- oder Flammbögen bzw. Spannungsfeldern in den Brenne/n und/oder in Form von durch Lichtbogen oder Induktion erzeugter Wärme zugeführt. Durch die Zufuhr der zusätzlichen Wärme kann dem für die Schmelzung, die Reduktionsarbeit etc., erforderlichen Wärmebedarf Rechnung getragen werden, ohne daß die erforderliche Reduktionsarbeit der Gase in irgendeiner Weise berührt wird. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Verfahren in dieser Weise einfach gesteuert werden kann. Diese Steuerbarkeit ist dadurch gegeben, daß die MöIIersäule nur Erz und keinen Koks enthält und daß die Zuführung der reduzierenden Gase jederzeit präzise eingestellt werden kann, wobei dadurch, daß wenn die zusätzliche Wärme auf elektrischem Wege erzeugt wird, auch die Wärmezufuhr präzise regelbar ist.

Dadurch, daß die Zugabe von Koks und anderen Brennstoffen an der Gicht des Schachtofens zur Gänze vermieden wird und die MöIIersäule ausschließlich Erz und gegebenenfalls zur Schlackenbildung dienende Zuschläge enthält, wird eine Rückreduktjon (Boubouardreaktion) der Kohlensäure, welche bei den bekannten Verfahren Verluste mit sich bringt, völlig vermieden. Es strömen nun lediglich die heißen, aus dem Teilverbrennungsvorgang gewonnenen Reduktionsgase, und zwar Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, der niedergehenden Erzmöllersäule entgegen und bewirken die Reduktion. Der bei der Teilverbrennung gewonnene Ruß dient zur Aufkohlung des Eisenbades. Durch Steuerung der anfallenden Menge an Ruß kann die Höhe der Aufkohlung des Eisenbades geregelt werden und es kann auf diese Weise ein Endprodukt erzielt werden, welches im Bereich zwischen Roheisen und überfrischtem Stahl liegt. Die anfallende Rußmenge und damit der Aufkohlungsgrad des Eisenbades kann in einfacher Weise durch Regelung der Sauerstoffzufuhr zum Teüverbrennungsvorgang geregelt werden. Zweckmäßig wird das Verfahren so durchgeführt, daß die reduzierenden Gase im unteren Teil des Schachtofens in verschiedenen Höhen eingeblasen weiden, wobei die Teilverbrennung zur Erzeugung der weiter unten zugeführten reduzierenden Gase unter größerem Sauerstoffmangel durchgeführt wird, als die Teil verbrennung zur Erzeugung der weiter oben zugeführten reduzierenden Gase. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer optimalen Anpassung an den im Ofen erforderlichen Temperatur- und Reduktionsmittelverlauf.

Bei Durchführung des Verfahrens in einem Hochofen der bekannten Art werden an der Gicht ausschließlich Erz und gegebenenfalls zur Schlackenbildung dienende Zuschläge zugeführt, wobei die teilverbrannten Gase in die Rast und/oder im Gestell eingeführt werden. Ein üblicher Hochofen ist jedoch für die Aufgabe von Erz und Koks an der Gicht berechnet und es erscheint daher zweckmäßig, einen besonders gestalteten Schachtofen vorzusehen, dessen unterer Teil, zu welchem die apaltbrenner führen, gegenüber dem Schacht erweitert ist, zweckmäßig wenigstens den l,5fachen, vorzugsweise etwa den 2fachen bis 4fachen Querschnitt aufweist als der Schacht.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert.

Fig. 1 bis 3 zeigen Vertikalschnitte durch verschiedene Ausbildungen eines Schachtofens.

Bei dem Schachtofen nach Fig. 1 erfolgt die Aufgabe des Erzes und der Zuschläge in ähnlicher Weise wie bei einem Hochofen an der Gicht 1 über einen Fülltrichter 2. 3 stellt den Gichtgasabzug dar. Das Eisenerz gelangt in den Schacht 4, wobei die Erzmöllersäule 5 lediglich Erz und gegebenenfalls Zuschläge, aber keinen Koks enthält. Bei 6 ist der Schacht 4 ähnlich der Rast eines Hochofens verengt. Der untere Teil 7 des Schachtes ist gegenüber dem Schacht 4 erweitert.

Leitungen 8, durch welche öl oder andere Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, führen zu Spaltbrennern 9, welche rund um den Schacht angeordnet sind. Über Leitungen 10 wird technisch reiner Sauerstoff und/oder Heißwind den Spaltbrennern zugeführt. 11 deutet die Zuführung elektrischer Energie für die Erzeugung der zusätzlichen Wärme an. Es können die Spaltbrenner 9 selbst als Elektroden ausgebildet sein oder Elektroden enthalten und die zusätzliche Wärmemenge kann mit elektrischen Flammbogen oder Plasma erzeugt werden. In dem Spaltbrenner 9 wird durch Teilverbrennung Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erzeugt, welche Gase entgegen der niedergehenden Erzmöllersäule 5 nach oben strömen und die Reduktion bewirken. Gleichzeitig wird in den Spaltbrennern auch Kohlenstoff in Form von Ruß erzeugt, der die Aufkohlung bewirkt. Unter der Wärmeeinwirkung wird das Eisen und die Schlacke geschmolzen, wobei 12 das Eisenbad darstellt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß nun für die Erzeugung der zusätzlichen Wärme eine Induktionsspule 13 vorgesehen ist.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 durch die Anordnung von gesonderten Elektroden 14.

Wird beim erfindungsgemäßen Verfahren als Brennstoff Heizöl verwendet und dieses Heizöl z. 3. mit nicht vorgewärmter Luft zu etwa 6 Nm³ Gas pro Kilogramm Heizöl teilweise verbrannt, so ergibt sich eine Flammentemperatur von 750 bis 800° C. Bei Teilverbrennung des gleichen Heizöles im gleichen Ausmaß mittels technisch reinen Sauerstoffes wird eine Flammentemperatur von etwa 1400° C erzielt; diese Flammentemperatur kann bei der Teilverbrennung des Heizöles mittels Luft ebenso erreicht werden, wenn diese Luft auf 1100 bis 1200° C erhitzt wird. Wird zusätzliche Wärme in Form elektrischer Energie, z. B. mittels Plasma- oder Flammbogen im Brenner in einer Menge von etwa 1 kWh/kg Heizöl zugeführt, steigt die Flammentemperatur auf 1700 bis 1800° C, bei welcher Temperatur ohne weiteres Stahl aus Erz erschmolzen werden kann. Noch höhere elektrische Energiezufuhr pro kg Heizöl läßt die Flammentemperatur weiter steigen. Bei der Teilverbrennung des Brennstoffes entstehendes Kohlenoxyd bzw. entstehender Wasserstoff kann vor allem im Ofenschacht Eisenoxyde nach der allgemeinen Gleichung

Fe_xO,, + y CO = χ ■ Fe Iy ■ CO,

bzw.
Fe₁O₁ + ν H, = χ ■ Fe ■+ ν · Η,Ο

5 6

reduzieren. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens

Verbleibende Eisenoxydreste können ähnlich wie wird ähnlich wie in einem in normaler Weise betriebe-

beim klassischen Hochofenverfahren direkt durch fe- nen Hochofen ein wesentlicher Anteil des Erzes durch

sten Kohlenstoff reduziert werden. Der bei der Teil- reduzierende Gase reduziert, jedoch ist dieser Anteil

verbrennung des Brennstoffes entstehende Kohlen- "> beim erfindungsgemäßen Verfahren noch wesentlich

stoff bewirkt eine Aufkohlung des Eisens. größer als im normal betriebenen Hochofen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur direkten Stahlgewinnung durch Reduktion von Eisenerzen in einem > Schachtofen, bei welchem eine brennstofffreie Beschickung aus Erz und gegebenenfalls Schlakkenbildnern im oberen Teil des Schachtofens aufgegeben wird, wobei im unteren Teil des Ofens aus einer Teilverbrennung stammende reduzie- "> rende Gase nach unten gerichtet eingeblasen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilverbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenstoffwasserstoffen und/oder festen Brennstoffen durch Regelung der Sauerstoffzufuhr derart gesteuert wird, daß mit den reduzierenden Gasen fester Kohlenstoff als Ruß in einer für die Aufkohlung des Schmelzbades erforderlichen Menge eingeblasen wird und daß auf elektrischem Wege erzeugte zusätzliche Wärme in einer zum Niederschmelzen des bei der Reduktion des Erzes entstandenen Metalls ausreichenden Menge zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch erzeugte Wärme ·?5 durch Plasma, Flammbögen, Spannungsfelder, Lichtbogen oder Induktion zugeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierenden Gase im unteren Teil des Schachtofens in ver- jo schiedenen Höhen eingeblasen werden, wobei die Teilverbrennung zur Erzeugung der weiter unten zugeführten reduzierenden Gase unter größerem Sauerstoffmangel durchgeführt wird als die Teilverbrennungzur Erzeugung der weiter oben züge- i> führten reduzierenden Gase.