DE2131045B2 - Verfahren zur Führung von Schachtöfen, insbesondere Hochöfen - Google Patents

Description

läuft eine zweite Reaktion ab:

CO₂ +C-

2CO,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, der mit einer Charge aus natürlichen oder synthetischen Erzen, insbesondere Eisenerzen, und Koks die unter dem Namen »Boudouard-Reaktion« oder »solution loss« bekannt ist. Diese zweite Reaktion verbraucht Kohlenstoff und folglich Koks. Bei Kupfer können die Oxyde bei niedriger Temperatur reduziert werden, und die vorstehende Reaktion findet nicht statt; hingegen findet beim Eisen diese letztere Reaktion statt und verbraucht entsprechend dem Ofengang 70 bis 120 kg Koks pro Tonne erzeugter Schmelze.

c) Bei Metallen, die stabile Kohlenstoffverbindungen bilden, dient eine kleine Menge des eingebrachten Kokses dazu, um das geschmolzene Metall zu kohlen. Dies gilt genau beim Eisen; die durch Aufkohlung verbrauchte Menge Koks liegt in der Größenordnung von 50 bis 70 kg Koks pro Tonne der erzeugten Schmelze.

Ganz allgemein gesprochen, wird der Gesamtverbrauch an Koks bei einem Schachtofen durch die Summe der einzelnen Verbrauchsanteile an Koks gebildet, die den obigen drei Reaktionsabläufen zuzuschreiben sind.

Schließlich spielt der Koks auch eine mechanische Rolle, indem er eine feste Abstützung bildet, die von den Fachleuten »Koksgerüst« genannt wird, die die Bewegung der Gase und der flüssigen Bestandteile (Schlacken, Metalle, Verbindungen, Gesteine und Speisen) in Gegenrichtung sicherstellt. Dieser Effekt ist ohne Verbrauch von Koks wirksam.

Auf Grund der wachsenden Schwierigkeiten bei

der Beschaffung von zu verkokenden Kohlen und auf Grund der dadurch bedingten Preiserhöhungen des Kokses wird schon seit einigen Jahren versucht, den entscheidenden Einfluß, d. h. den Verbrauch des Kokses im Schachtofen, herabzusetzen. Deshalb wurden auch insbesondere Injektionsverfahren von Kohleschlamm (Slurries, d.h. pulverisierte Kohle, suspendiert in einer Flüssigkeit) durchgeführt sowie von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen,

durchführen, ohne daß die bekannten Schachtofen, insbesondere Hochöfen, baulich verändert werden müßten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Reduktionsgas in an sich bekannter Weise aus einer gasförmigen Mischung von CO, H₂ und N₂ besteht sowie gegebenenfalls geringen Anteilen von CO₂ und/oder H₂O.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung

dem darüber hinaus auch noch das Schmelzen des Metalls zu erzielen, wobei zusätzlich Heizkoks neben Reduktionskoks erspart wird.

Disse Aufgabe wird nach der Erfindung im wesent-5 liehen dadurch gelöst, daß in den Ofen an Stelle von Wind, unter Berücksichtigung der Zusammensetzung und der Temperatur eines aufzuarbeitenden Metalls, einer Legierung, eines Steines oder einer Speise ein Reduktionsgas injiziert wird und daß dessen Tempe-

die einen Ersatz eines kleinen Anteils des Kokses io ratur und Menge entsprechend dem Wärmebedarf ermöglichen (im allgemeinen lO°/o des gesamten des Ofens sowohl für die Reduktion als auch für das Kokses). Diese Verfahren weisen jedoch Nachteile Schmelzen der Beschickung eingestellt wird, auf, wie z. B. Abkühlen der Flamme infolge des Unter synthetischen Erzen sind in der Erfindung

Krackens der Kohlenwasserstoffe unmittelbar vor angereicherte, gesinterte oder sonst vorbehandelte, den Windformen, so daß sich für die injizierbaren 15 beispielsweise pelletisierte, natürliche Erze zu ver-Mengen «ine Grenze ergab. stehen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich

Es ist eine Einrichtung bekannt (US-PS 32 36 628), - . . ~-

welche in ihrem oberen Teil einen Schachtofen zum Reduzieren eingegebener Mineralien und in ihrem unteren Teil einen elektrischen Schmelzofen zum 20 Schmelzen der reduzierten Mineralien entspricht, unten in den Schachtofenteil des kombinierten Ofens ein Reduktionsgas zu injizieren, jedoch mit einer derart niederen Temperatur, die zum Schmelzen des

reduzierten Materials keinesfalls ausreicht. Auf die 25 ist es vorteilhaft, wenn das injizierte Reduktionsgas Gewinnung der Schmelze hat die Injektion des Re- sich auf einer durch das auszuführende Verfahren duktionsgases keinen Einfluß, da die Schmelzgewin- und/oder das zu erschmelzende Produkt bestimmten nung bei diesem kombinierten Ofen erst in dem un- Temperatur befindet. Die Temperatur des Gases wird ten angeschlossenen Elektroofen erfolgt. Es ist ferner in vorteilhafter Weise mittels eines Wärmetauschers, eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen, näm- 30 auf elektrischem Wege oder durch Kombination dielich aus fein zermahlenem Mineral, bekannt (DT-AS ser beiden Verfahren auf die gewünschte Temperatur 10 33 902), in die ein reduzierendes Gasgemisch ein- gebracht.

geführt wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird In besonders vorteilhafter Weise wird der Ofen-

jedoch kein Koks gemeinsam mit den Materialien in gang durch Änderung der Temperatur des injizierten den Schachtofen eingefüllt, so daß lediglich das Ein- 35 Reduktionsgases gesteuert. Dies erfolgt zweckmäßig blasen eines Reduktionsgases in die Schmelzzone dadurch, daß die Temperatur des injizierten Redukeines Hochofens bekannt ist. tionsgases variiert wird, indem gleichzeitig Mittel

Bei einem weiteren, der Reduktion von Mineralien zum Heizen oder Abkühlen injiziert werden, dienenden bekannten Schachtofen (DT-PS 1 93 456), Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung der Ererfolgt der Schmelzvorgang als solcher getrennt in 40 findung wird als aufheizendes oder abkühlendes Miteinem anschließenden Elektroofen. Die Zuführung tel entweder ein mehr oder weniger heißes Redukvon Reduktionsgasen in den Schachtofen dient auch tionsgas oder ein Gemisch aus reduzierenden Mitteln hier lediglich zur Reduktion der Mineralien, nicht und oxydierenden Mitteln injiziert, die gemeinsam auch zu deren Schmelzen. Auch dieser Schmelzofen miteinander unter Bildung von Reaktionsprodukten wird offenbar nur allein mit Mineralien, nicht jedoch 45 mit einem Gehalt an CO, H₂ und N₂ reagieren, zusätzlich mit Schmelzmitteln und/oder Koks gefüllt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum

Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Ge- Ausüben des vorstehend beschriebenen Verfahrens, winnen von Eisen (BE-PS 7 15 424) wird Brennstoff das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein vorzugs- und Möller derart in einen Schmelzschachtofen ein- weise im Inneren der Blasformen des Schachtofens gebracht, daß von der Mitte des Ofens nach außen 50 angeordneter Plasmabogenbrenner vorgesehen ist, konzentrisch eine zentrale, säulenartige Brennstoff- dessen Ausgang die Injektionsöffnung zum Injizieren zone, eine ringförmige Möllerzone und eine an der des Reduktionsgases in den Schachtofen darstellt. Innenwandung des Ofens befindliche, ringförmige Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt praktisch

Brennstoffzone gebildet werden, ein Teil der Ofen- den Verbrauch von verbranntem Koks an den Blasgase durch die an der Innenwandung des Ofens be- 55 formen, d. h. zum Schmelzen, zu vermeiden sowie findliche, ringförmige Brennstoffzone abgezogen und beinahe den Verbrauch an Koks für die Boudouarddanach entstaubt, verdichtet und reformiert und da- Reaktion oder die »solution loss«, d. h. die Redukdurch in ein reduzierend wirkendes Gas umgewandelt tion, völlig zu vermeiden sowie einen Großteil des wird, das zusammen mit Sauerstoff durch Windfor- Kokses für die Aufkohlung einzusparen. Die für die men in den Ofen geblasen wird, der übrige Teil der 60 Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Ofengase durch die ringförmige Möllerzone geführt verwendete gasförmige Mischung kann durch jegwird, wodurch das Erz erhitzt und reduziert wird, liehen geeigneten Prozeß erhalten werden, beispiels- und dieser Teil der Gase als Gichtgas vom oberen weise durch Reformierung eines Kohlenwasserstoffes. Ende des Ofens abgeblasen wird. Unter »reformiertes Gas« ist jeder flüssiger Koh-

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu- 65 lenwasserstoff zu verstehen, der einer oxydierenden gründe, innerhalb eines außer mit den zu reduzieren- Umwandlung und/oder thermischen Krackung unterden Materialien noch mit Koks gefüllten Schacht- zogen wurde, deren Resultat ein gasförmiges Genfens nicht nur eine Reduktion der Mineralien, son- misch ist mit beträchtlichen Anteilen an Wasserstoff

und/oder Kohlenoxyd. Diese Behandlung wird im allgemeinen in einer geeigneten Vorrichtung (Spaltform) außerhalb des Hochofens durctgeführt.

Die Höhe, in der das gasförmige Gemisch in den Ofen injiziert wird, kann beliebig sein; es wurde jedoch als insbesondere vorteilhaft gefunden, die gasförmige Mischung durch die »klassischen« Windformen zu injizieren.

Das Verfahren kann auch mit Vorteil angewendet werden, wenn das Reduktionsgas in den oberen Teil des Schachtofens eingeführt wird, wobei ein Teil oder das gesamte Reduktionsgas in das Gestell des Schachtofens eingeblasen wird.

Es wurde bereits betont, daß der Ofengang oder, mit anderen Worten, die Güte (Zusammensetzung und Temoeratur) des erhaltenen Metalls oder der erhaltenen Verbindung von der Injektions-Temperatur des Reduktionsgases abhängt. Es kann deshalb die

Steuerung des Ofenganges durch jegliches Mittel vorgenommen werden, das geeignet ist, diese Temperatur zu beeinflussen. Es kann insbesondere auf direktem Wege auf die Heizeinrichtung für das Gas entsprechend eingewirkt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Regelung in der Weise durchgeführt, indem die Injektionen unter Erwärmung oder Abkühlung vorgenommen werden, insbesondere, indem gleichzeitig mit dem warmen Reduktions-

eas oder mittels entsprechender Vorrichtungen Mischungen von reduzierenden Substanzen und von warmen oder kalten oxydierenden Substanzen injiziert werden, wobei der Anteil derart ist, daß die Reaktionsprodukte dieser Substanzen CO, H₂ und N₂

enthalten. In der Praxis ergibt eine derartige Reaktion zwischen reduzierenden und oxydierenden Substanzen ein Gas mit einem Gehalt an CO, H₂ und N₂ sowie geringen Mengen an CO₂, H₂O und C (Ruß).

Die Erfindung wird an Hand von zwei Ausführungsbeispielen, die die metallurgische Behandlung von Eisen betreffen, nachstehend näher erläutert:

Tabelle 1	Schmelze	Erfin-	—	Tabelle 2	Klassischer	r	1852	Erfin-	—
Herstellung einer phosphorfreien	Klassischer	dungs-			Ofengang		820	dungs-
	Ofengang	gemäßer			gemäßer
		Ciengang	Herstellung einer nicht phosphorfreien Schmelze		Ofengang
		0		450	0
	301
Vor den Blasformen		30		139	29
verbrannter Koks, kg/tf *)	145
Koksanteil bei der direkten		40	Vor den Blasformen	46	37
Verbrennung, kg/tf	54		verbrannter Koks, kg/tf
Koksanteil bei der Kohlung		0,6	Koksanteil bei der direkten	21	1,4
der Schmelze, kg/tf	6		Verbrennung, kg/tf
Koksanteil im angefallenen		70,6	Koksanteil bei der Kohlung	656	67,4
Staub bzw. Rauch, kg/tf	506		der Schmelze, kg/tf	50	0
Gesamt, kg/tf		4,57 0,57 0,13	Koksanteil im angefallenen	3,94 0,49	3,94 0,49
Schmelze:	4,57 0,57 0,13		Staub bzw. Rauch, kg/tf	1,69	1,69
C, Vo Si, ·/· P, ·/·			Gesamt, kg/tf
Vor den Blasformen gebildetes	1360		In die Windformen injizierter	2345
Gas: Menge, nWtf	35,0		Brennstoff, kg/tf Schmelze: C,°/o Si, °/o	33,8
CO, Vo	1,9		P, %	3,70
H2, Vo	63,0		Vor den Blasformen gebildetes Gas:	62,5
N2, »/ο	2314		Menge, m3/tf	1875
Temperatur, ° C			CO, Vo
In die Blasformen injiziertes		1850	H2, Vo
Gas:		37,8	N2, Vo		3172
Menge, nWtf		29,6	Temperatur, ° C		37,8
CO, °/o		32,6	In die Blasformen injiziertes		29,6
H2, Vo		2314	Gas:		32,6
N2, ·/·			Menge, ms/tf		1875
Temperatur, ° C			CO, Vo
In die Blasformen eingeblasener		0	H2, Vo
Wind:	1104	N2, Vo	0
Menge, mVtf	1075	Temperatur, ° C
Temperatur, ° C		In die Blasformen eingeblasene
*) tf = Tonne Schmelze.		Wind:
		Menge, m3/tf
Temperatur," ° C

Unter reduzierenden Substanzen sind Kohlenwasserstoffe zu verstehen, feste oder gasförmige Produkte mit einem Kohlenstoffgehalt, gasförmigen Kohlenwasserstoffen oder Gase mit CO, CO₂, H₂ ode H₂O. Unter oxydierenden Substanzen sind Gase oder Dämpfe mit einem Gehalt an freiem Sauerstoff oder in Verbindung mit Kohlenstoff und Wasserstoff zu verstehen, wie z. B. Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, Sauerstoff, CO₂ und H₂O.

Ein reformiertes warmes Gas wird derzeitig in speziellen Vorrichtungen, die in der Nähe des Hochofens angeordnet sind, hergestellt. Jedoch kann das Gas, obwohl es auf Temperaturen von 1000 bis 1400° C erhitzt ist, nicht in großen Mengen den Blasformen zugeführt werden, da es die untere Zone des Hochofens abkühlen würde. Man muß deshalb die Injektion auf die Rast und den unteren Teil des Hochofens beschränken und auf geringe Mengen durch die Windformen. Unter diesen. Bedingungen kann das injizierte Gas nur diejenige Menge des Kokses ersetzen, die zur Reduzierung der Oxyde der Charge dient.

Die Erfindung zeigt einen zusätzlichen Weg, durch reformiertes warmes Gas größere Mengen Koks zu ersetzen, insbesondere den Koks, der durch Verbrennung in den Blasformen die notwendige Wärme für den Ablauf der Reduktionsreaktionen liefert, indem das reformierte Gas auf eine sehr hohe Temperatur von mindestens 1800° C erhitzt und in die Blasformen injiziert wird, wodurch mindestens zum Teil der warme »klassische« Wind ersetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das darin besteht, ein reformiertes Gas zu erzeugen oder ein derartiges vorzugsweise reformiertes Gas zu erhitzen, indem es auf die Temperatur der Flamme des klassischen« Ofenganges gebracht wird, erlaubt es, mindestens einen Teil des in den Ofen eingeblasenen

ίο Windes zu ersetzen. Daraus ergibt sich eine um so höhere Einsparung an Koks, je stärker die Windmenge verringert wird, wobei die anderen Betriebsbedingungen gleich gehalten werden, so daß Winderhitzer geringerer Leistung verwendet oder diese ganz vermieden werden können, falls die Menge und die Temperatur des warmen reformierten und injizierten Gases genügend groß bzw. hoch ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, den Aufwand an Koks auf einen sehr geringen Anteil

ao herabzusetzen, der theoretisch Null sein könnte, der jedoch in der Praxis in der Größenordnung von 10 bis 80 kg pro Tonne liegt. Der Einfluß dieses Kokses liegt darin, die Aufkohlung des aufbereiteten Metalls zu Ende zu führen, die durch injiziertes CO zum Teil

as bewirkt wurde, und gegebenenfalls die Boudouard-Reaktion bzw. die »solution loss«-Reaktion entsprechend zu beeinflussen.

509550/1

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Führang eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, der mit einer Charge aus natürlichen oder synthetischen Erzen, insbesondere Eisenerzen, und Koks beschickt ist, in welchem die Erze reduziert und geschmolzen werden, wobei von außen Reduktionsgas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ofen an Stelle von Wind, unter Berücksichtigung der Zusammensetzung und der Temperatur eines aufzuarbeitenden Metalls, einer Legierung, eines Steines oder einer Speise, ein Reduktionsgas injiziert wird und daß dessen Temperatur und Menge entsprechend dem Wärmebedarf des Ofens sowohl für die Reduktion ais auch für das Schmelzen der Beschickung eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas in an sich bekannter Weise aus einer gasförmigen Mischung von CO, H₂ und N₂ besteht sowie gegebenenfalls geringen Anteilen von CO₂ und/oder H₂O.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das injizierte Reduktionsgas sich auf einer durch das auszuführende Verfahren und/oder das zu erschmelzende Produkt bestimmten Temperatur befindet.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gases mittels eines Wärmetauschers, auf elektrischem Wege oder durch Kombination dieser beiden Verfahren auf die gewünschte Temperatur gebracht wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofengang durch Änderung der Temperatur des injizierten Reduktionsgases gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des injizierten Reduktionsgases dadurch variiert wird, daß gleichzeitig Mittel zum Heizen oder Abkühlen injiziert v/erden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als aufheizende oder abkühlende Mittel entweder ein mehr oder weniger heißes Fteduktionsgas oder ein Gemisch aus reduzierenden Mitteln und oxydierenden Mitteln injiziert wird, die gemeinsam miteinander unter Bildung von Reaktionsprodukten mit einem Gehalt an CO, H₂ und N₂ reagieren.

8. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise im Inneren der Blasformen des Schachtofens angeordneter Plasmabogenbrenner vorgesehen ist, dessen Ausgang die Injektionsöffnung zum Injizieren des Reduktionsgases in den Schachtofen darstellt.

60 beschickt ist, in welchem die Erze reduziert und geschmolzen werden, wobei von außen Reduktionsgas zugeführt wird.

Es ist bekannt, daß der Koks in Schachtofen einen vielfältigen Einfluß hat, der kurz in folgender Weise beschrieben werden kann:

a) Der den Windformen zugeführte Wind ruft die Verbrennung eines großen Teiles oder des gesamten Kokses der Charge hervor. Der Anteil des verbrannten Kokses liegt zwischen 60 und 100% entsprechend physikalisch-chemischen Eigenschaften d?,r behandelten Mineralien bzw. Erze und der sie begleitenden Metalle und hängt ab von den Bedingungen der Ofenführung, von der Temperatur, dem Gehalt an Sauerstoff und der Feuchtigkeit des eingeblasenen Windes. Als Beispiele können Kupfer und Eisen genannt werden. Während der Aufarbeitung von Kupfer entspricht der in Blasformen verbrannte Koks 100% des gesamten Verbrauchs an Koks, während beim Eisen dieser Anteil zwischen 60 und 70% des gesamten Koksverbrauches beträgt. Diese Verbrennung gibt ein Gasgemisch frei, das im wesentlichen aus CO, H₂ und N₂ besteht, das eine Temperatur zwischen 1200 und 2700° C gemäß den Bedingungen des Ofenganges und den physikalisch-chemischen Eigenschaften der behandelten Mineralien und der sie begleitenden Metalle aufweist. Dieses Gas übt einen zweifachen Einfluß aus, nämlich die die Charge des Ofens bildenden Materialien zu erhitzen und zu reduzieren.

b) Bei Metallen, deren Oxyde nur bei hoher Temperatur (T > 900° C) reduziert werden können, beispielsweise Eisenoxyd (FeO), bei dem die Reduktion der folgenden Reaktion abläuft:

FeO+ CO-* Fe+ CO₂