DE2253228B2

DE2253228B2 - Verfahren zur Gewinnung von Roheisen

Info

Publication number: DE2253228B2
Application number: DE2253228A
Authority: DE
Inventors: Per Harald Falun Collin; Folke Karl Evald Borlaenge Johansson
Original assignee: Stora Kopparbergs Bergslags AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1971-11-01
Filing date: 1972-10-30
Publication date: 1979-06-07
Also published as: CS212734B2; AT340452B; CA983720A; DD100017A5; ES408125A1; NL7214671A; ZA727716B; FR2158350B1; DE2253228C3; PL76243B1; ATA926772A; US3985544A; LU66404A1; AU4829772A; BE790825A; BR7207607D0; FR2158350A1; GB1386452A; DE2253228A1; RO76208A

Description

gekörnten eisenoxidhaltigen Materialien sind Eisenerzkonzentrate, calcinierte Eisenpyrite oder andere Eisenoxide mit einer Teilchengröße bis zu IO mm. Diese gekörnten Materialien können durch Agglomerieren feinerer Teilchen erhallen werden.

Feinkörniges eisenoxidhalliges Material kann in einer speziellen Stufe vorerhitzt werden, die nach dem gleichen Prinzip wie die Votredukiionsstufe, doch unter vollständiger Verbrennung des zugeführten Brennstoffes abläuft.

Die Vorreduktion kann durch Einführung vorerhilzten Schweröls in eine Wirbelschicht des gekörnten ciscnoxidhalligen Materials erfolgen, das mit \ lilfe einer geeigneten Menge vorerhitzter Luft fluidisiert wird, wobei die ölmengc derart geregell ist, daß bei einem VoIu inen verhältnis

CO, CO

H₂O

CO, I- H₂O
CO Ml.

0,5 bis 0,3

in den Abgasen von etwa 1 die Temperatur der Schidil auf 850"C gehalten wird. Das cisenoxidhaliige Material wird derart reduziert, daß der Eisenoxidgehali in dem erhaltenen Produkt hauptsächlich aus Wüstit besteht. Das vorreduzierte Produkt der ersten Wirbelschicht wird in erhitztem Zustand zu einer /weiten mit Hilfe einer geeigneten Menge von vorerhit/ter Luft fluidisierten Wirbelschicht überführt, in welche erhitztes Schweröl in solcher Menge eingeführt wird, daß die Temperatur der Schicht auf 850"C gchallcn wird und im Abgas das Volumenverhältnis

beträgt. Das Produkt der ersten Wirbelschicht wird so bis zu einem Gehalt von metallischem Eisen von 70% reduziert. Di" Abgase aus beiden Wirbelschichten werden, gegebenenfalls nach der Abtrennung von Staub beispielsweise in Zyklonen, getrennt oder miteinander vermischt direkt zu der Wärmekraftslation überführt, wo ihr restlicher Energicinhalt (physikalische und chemische Energie) für die Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird. Das cisenox. dhaltige Material wird also in Wirbelschichten, denen Öl und Luft getrennt und in kontrollierter Weise zugeführt werden, vorrediizierl, während die Abgase aus jeder Stufe geradewegs /ti der Warnukraftstaiion gelangen.

Es kann vorteilhaft sein, die Rohmaterialien mil zusätzlichem Brennstoff, wij beispielsweise Öl vo'viihcizcn und sich den Wärmeinhall der Abgase in dem Wasserdampfgenerator zunutze zu machen. Auch kann die Luft für die Vergasung der Reduktionsmittel und für Ueheizungszwecke durch die aus dem Wasserdampfgcnerator verlorene Wärme vorerhitzi werden. Die Luft kann vollständig oder teilweise durch Sauerstoff ersetzt werden, um den Gasfluß ein/uslellen, wenn besonders feinkörniges Malerial der Wirbelschicht /ugeführt wird.

Vorzugsweise erfolgt die Vorreiliiklion bis /χι einem Metallisicrungsgrad von bO bis 80%. Der Cirtind hierfür ist. daß die Investitionskosten je Tonne Roheisen für eine Anlage, die nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitel, in diesem Bereich etwa die gleichen sind wie für ein llothifenvcrfahren der gleichen Kapazität einschließlich tier Sinlcriingsanlage. Vcrko kungsanlage und Kraftstalion für das Hochofengas. Bei höheren Mctallisierungsgraden sind die Investitionskosten je Tonne Roheisen für das Verfahren nach der Erfindung höher als jene für das Hochofenverfahren wegen der immer größeren Würmekrafistation.

Wie aus Fig.2 der Zeichnung ersichtlich ist, sind in dem dort beschriebenen Beispiel nur 27% der gesinnten zu der Vorreduktionsstufe geführten Energie in dem Vorreduktionsprodukt in der Form physikalisch und chemisch gebundener Energie wiederzufinden. In den beiden Stufen der Vorreduktion werden 0,6 + J kiVlol CO + H₂ je kMol Fe in dem Produkt der Vorreduklion verwendet. Beispielsweise in drei Reduktionsstufen, die im Gegenstromfluß miteinander verbunden sind, liegt das theoretische Minimum für die Reduktion bei etwa 2,1 kMol CO + H₂- Das Verfahren nach der Erfindung erfordert somit eine größere Menge an Reduktionsmittel, um den gleichen Metallisierungsgrad zu erreichen. Dies gestattet jedoch die Verwendung einer einfachen Anlage, ohne heiße, staubhaltige Gase für Reduktionszwecke wiederverwenden zu müssen,-//as in der Praxis wesentliche technische Probleme verursachen würde, besonders bei großen Rcduktionsanlagen.

Je höher die Temperatur für die Vorreduktion ist. desto größer ist die Reduktionsgeschwindigkeii, doch auch dL Gefahr eines Verklebens zwischen den ein/einen Körnern des eisenoxidhaltigen Materials in den Wirbelschichten, was zur Bildung großer Agglomerate führt. Die Kohlensioffablageriing auf den Körnern des eisenoxidhalligen Materials, die auftritt, wenn das Ol im Kontakt mit den heißen Körnern gekrackt wird, verhindert ein Ancinanderklcben oder Aneinanderhaftcn, so daß ausreichend hohe Temperaturen verwendet werden können. Anstelle von Öl kann auch Feinkohle mil hohem Anteil flüchtiger Bestandteile für die Vorreduktion verwendet werden. In diesem Fall kann die Fcinkohle mit dem Konzentrat vor der Vorieduktion vermisch! werden, wonach das Gemisch der Wirbelschicht zugesetzt wird. Während der Vergasung in der Wirbelschicht entläßt die Kohle ihren Gehalt an flüchiigen Subslanzen. Diese werden beim Kontakt mil den heißen Körnern in der Wirbelschicht derart gekrackt, daß eine Kohlcnsloffablagerung und Reduktion stattfindet. Wenn erwünscht, können natürlich auch Gemische von Kohlenstoff und Öl in der Vorrednktion verwendet werden. Die Flexibilität bezüglich der Auswahl des Reduktionsmittels ist einer der großen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Kalk und/oder Kalkstein, die für die Schlackebildung in der Endreduktion erforderlich sind, können mit Vorteil schon vor de/ Vorreduklion zugesetzt werden. Ein merklicher Anteil des Schwefelgchalies de·. Reduktionsmittels wird liann an den Kalk gebunden, iiiui de. Gehall an Schwefeldioxid in den Abgasen au«· der Wiirmekraflanlage wird dadurch vermindert. Somit können dann auch Reduktionsmittel mit einem höheren Schwefelgehiill für die Vorreiluktion verwendet werden, ohne daß der zulässige Gehall an Schwefeldioxid in den Abgasen überschritten wird. Dies ist ein weilerer wesentlicher Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung, (hi Reduktionsmittel mil hohem Schwefelgehiill leicht erhältlich sind.

/.weckmäßig arbeitet man bei der Vorreduklion in mehreren Wirbelschichlrcaklorcn, die derart angeordnet sind, daß das Ma'crial von einem in den nächsten niedrigeren fließt. Luft und Brennstoff werden verschic denen Reaktoren in kontrollierten Mengen derart zugeführt, da» das Verhältnis (('().. f ll.,())/((() ι II.)

in dem Gas, das die Wirbelschicht verläßt, allmählich \.m einem relativ hohen Wert (etwa 1.5) in dem ersten Reaktor bis zu einem niedrigen Wert (0.5 bis 0.25) abnimmt. Die Reaktoren können in der F-Omi eines Kanals mil Trennwänden, die als Wehre wirken, miteinander vereinigt werden.

Das vorreduzierte Produkt wird schließlich bei der Naehrcduktion reduziert und geschmolzen, indem man es in Kentakt mil Kohle bringt, während Wärmeenergie zugeführt wird. Dieser Kontakt wird bequemerweise so durchgeführt, daß man das vorrcduztcrtc Produkt mit geschmolzenem Metall, das gelösten Kohlenstofl enthält, vermischt, oder indem man es auf einer Schicht \on glühendem Koks ausbreite!, die gegebenenfal's mil d e r Sc h m e I ζ e se h w i m m t.

Bei der Nachreduklion in einer Schmelze oder Koksschich' wird der Kohlenstoff bei den herrschenden lempcraluren ( > 1000 C) hauptsächlich zu Kohlen m..n..«i<! {>v»jk'r!. I Ür I iijil i.iyl jmjnr.j M'-'! ä!! ¹J !!!!'.

hoher Affinität zn Sauerstoff ist diese Reaktion endotherm, so daß der Reaktionskammer Wärmeenergie zugeführt werden muß. Theore'isch könnte der größere feil dieses Wärmebedarfs durch vollständige Verbrennung der Reduktionsabgase mit Sauerstoffgiis in der Reaktionskammer gedeckt werden. |-!s war ledoch bisher unmöglich, das Problem /\\ losen, die wahrend der Verbrennung freigesetzte Wärme /u ocv Reaktionszonc zu bringen, ohne das reduzierte MeKiII wieder zu oxidieren.

Auch Probleme der Dauerhaftigkeit der Auskleidung werden bei dem Verfahren 'lach der l.rfindung gelost, da der Wärmebedarf in der Nachreduklion im wesentlichen durch Heizen mn elektrischer Energie gedeckt wird. Das geschmolzene Metall, die Schlacke üihI oder die Koksschicht können somit das Material sein, in dem die elektrische Wärme entwickelt wird. Die Abgase aus der Nachreduktion. die in der Hauptsache ,ms Kohlenmonoxid bestehen, werden /weckmäßig direkt /u der Wärmekraftanlage geführ;, wie dies der lall mn den Abgasen aus der Vorrciluktion ist. Hier wird ihr Energicinhalt (physikalische und chemische l.nertrie) für die Urzeugung elektrischen Sltonies ausgenutzt.

I.in kleiner Anteil des Wärmebedarfs der Nachreduküun kann durch TeiUerbrennung von Gasen aus der Reduktion mit Sauerstoff und'oder Luft oberhalb der Oberfli'khc des Materials in dem Ofen gedeckt werden. !.·■■ wurde jedoch gefunden, daß selbst mit einer \crhrennung von 30^r"'n der Abgase die Abnutzung der Λ !■"kleidung so groß ist. daß dies die Wirtschaftlichkeit iks \ erfahrens beeinträchiigi.

Ι)λ· Nachreduktion kann mit dem in dem geschmolzenen Metall gelosten Kohlenstoff oder in einer glühenden Koksschicht, die auf der geschmolzenen Phase schwimmen kann, durchgeführt werden. Koks wird als der feste Rückstand betrachtet, der in der Hauptsache aus Kohlenstoff besteht und den man beim Erhitzen kohlenstoffhaltiger Materialien innerhalb oder außerhalb der Reduktionszone erhält. Hei einem niedrigeren Reduktionsgrad des vorrcdu/.icrtcn Produktes ist eine Koksschicht bevorzugt, da diese eine starke Gasentwicklung je Oberflächeneinheit gestaltet. Wenn eine Koksschicht verwendet wird, braucht während der Endreduklion gebildetes Kohlenmonoxid nicht durch die Schlackenschicht hindurchzugehen.

I u ~:_ C-U^ _ Λ C-Ul I i_: ι . .. :_ ι

WUUUl V- II till .5C I iaUI I IUM UCl .3111 !dl. P,C VCI HItIUCI t WIIU.

Die Koksschicht besteht aus Teilchen mit einer Teilchengröße kleiner als 10 mm. vorzugsweise zwischen I und 10 mm. und wird durch Zugabe von Kok oder anderen kohlenstoffhaltigen Malcrialicn. wi< beispielsweise Anlhraziigrus, auf dieser Größe gehalten Bei höheren Rcduklionsgraclcn entsprechend etwa J( bis 80% Metallisierung wird in der geschmolzcnei Mctallphase gelöster Kohlenstoff für die Endredukliot bevorzugt. In diesem l'all ist es ratsam, das Vorreduk tionsprodukt unter Rühren zuzusetzen. Dies kann mi Hilfe von Gasblasen oder elektromagnetisch erfolgen Die Gasblascn können in der Schmelze entwickcl werden, indem man eine kleine Menge entweder nur de Reduktionsmittels (Öl und/oder KohlcpiiKer) tind'odei fein zerkleinerter Eisenoxide, gegebenenfalls miieinan tier vermischt, unterhalb der Oberfläche der Roheisen schmelze zuführt. Gasblascn von Kohlenmonoxid um Wasserstoff werden bei dem Rcduklionss erfahret gebildet \\m\ ergeben beim Aufsteigen durch dii Schmelze einen Rühreffekt.

WiMin 'I)I¹ NJ rti "Il rorll |L· t lr>rl m tjini'r k.'f tL<.(.<'hifh

durchgerührt wird, ist das Rühren wichtig, besonder¹ wenn der Koks auf der Schmelze schwimmt und du elektrische Wärme hauptsächlich in dem geschmolze nen Roheisen und/oder der Schlacke gebildet wird. Du Wärme muß dann von dieser Schicht zu der Koksschich überfuhrt werden, und dies muß hauptsächlich durcl Konvektion erfolgen, einer I Iberführiingsart. die stark durch i-iiihi'cn gefordert wird.

Nur '-CIiIi die Wärme durch elektrische Encrgii hauptsächlich in der Koksschicht selbst gebildet w ird. is das Rühren von geringerer Bedeutung. Wenn jedoch du Koksscliichi auf der Schmelze schwimmt, kann eiiu bestimmte Menge Rühren in der Schicht von Roheisei und Schlacke zum /weck der Homogenisierung erforderlich sein.

Bei der Endreduktion \on vorreduzierten Eisenerz konzentralen kann ein Roheisen produziert werden, da' nur Kohlenstoff als I egierungselemcnt enthält unc daher leichler unter Verwendung von Saucrstoffgas zi Stahl gefrischt werden kann. Der Kohlenstoffgehalt de> Roheisens sollte so hoch sein, daß die Schmelze be MOO ( gute !!leitfähigkeit besitzt, so daß mit einen bestimmten Sicherheilsspielraum und unabhängig vor Iemperalurvciänderungen im System die Nachreduk non bei etwa 1400 C durchgeführt werden kann. Wem das Konzentral Phosphor enthält, kann es ratsam sein die Basizitäi und das Oxidationspotential der Schlackt so einzustellen, daß man ein Roheisen erhält, da¹ phosphorarm ist. Gleichzeitig nimmt es einen niedriger Siliciiimgehah und folglich mehr Schwefel in deir Roheisen auf. vorausgesetzt, daß der Schwefel aus der Rohmaterialien während der Vorreduktion durch ner Zusatz \on Kalk teilweise gebunden wird. DcrSchwcfe muli aus dein Roheisen durch ein getrenntes Hntsehwe lelungsverfahren entfernt werden. Bei kontinuierlichen-Abstich des Roheisens der Nachreduktion kann diese« rnischwefelungsverfahrcn in der Weise durchgcführi werden, daß man das Roheisen in dünnen Strahler durch geschmolzenes Soda fließen läßt, wobei der Schwefel als Natriumsulfid gebunden wird. Diese? enthält keine Verunreinigungen von Bedeutung, wie Phosphor und Silicium, und ist daher für die Verwendung zur Ergänzung anstelle von Natriumsulfat in der Sulfatzcllstoffindustric geeignet.

Erfindungsgemäß wird der Wärmebedarf währcnc der Nachreduktion im wesentlichen durch Zuführung

CicKinSeiici L-ueFgiC gcucCKt. L/ic5c Kann naCii uvivainr

icn Prinzipien für eleklrometallurgische Schmelz- unc i ieizöfen zugeführt werden, wie beispielsweise mit Hilfe

von Lichtbogen-, Induktioiis- oder Widerstandsheizuiigen. Bei höheren Rcduktionsgradcn in dem vorreduziertcn Material ist es zweckmäßig, die elektrische Energie durch das geschmolzene Roheisen zuzuführen. Dies kann durch induktives Heizen mit Hilfe von Wechselstrom hoher und/oder niedriger Frequenz erfolgen. Unter anderem erwiesen sich Induktionsöfen vom sogenannten Kanallyp als geeignet. In diesem Ofen wird ein Tcil.itrom des Roheisens kontinuierlich zu einem hitzcbeständigcn Kanal umgelenkt, wo das induktive Heizen mit Hilfe eines Stromes mit niedriger Frequenz in einer Induktionswicklung um den Kntial durchgeführt wird, wonach das erhitzte Roheisen zurück zu dem Reduktionsofen fließt und so das Wärmegleichgewicht darin aufrecht erhält.

Wenn bei dem erfindungsgemiißen Verfahren das eiscnoxidluiltigc Rohmaterial, das oder die Reduktionsmittel und das oder die Schlackenbildner kontinuierlich zugeführt werden, werden die Ströme getrennt und einzeln gesteuert. Roheisen und Schlacke können iinleilweisc oder kontinuierlich abgestochen werden. Das Abstechen kann unter Verwendung getrennter Abstiehöffnungcn durchgeführt werden, oder Schlucke und Metall können zusammen abgestochen werden, worauf dann die Trennung erfolgt. Das abgestochene McIaII wird entweder anteilweise oder kontinuierlich nach bekannten Methoden entschwefeln gefrischt, gereinigt und gegossen.

In der Zeichnung zeigt

I ig. I ein Fließbild einer Ausführungsform des erfinrVingsgemällen Verfahrens.

!·' i g. 2 den Encrgieabglcich für eine Ausführiingsform ties Verfahrens.

F i g. 3 die I lauptkoslen für Roheisen und elektrischen Strom als eine Funktion des Mctallbildungsgrades.

F i g. 4 und 5 Heispiele verschiedener Anlagen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Gemäß Γ ig. I werden eisenoxidhaltigcs Material 101. kohlenstoffhaltiges Material 102 und Luft 103 zu einer Vorreduktion 104 befördert, wo das kohlenstoffhaltige Material durch TeiKcrbrcnnung in ein reduzierendes Gas umgewandelt wird. Dieses Gas reduziert das cisenoxidhaltige Material vor. das dann in erhitztem Zustand 105 zu einer Nachreduktion 106 überführt wird, wo man nach der Zugabe von weiterem kohlenstoffhaltigem Material 107 und nach der Zufuhr von elektrischem Strom 108 ein geschmolzenes Roheisen 109 erhält. Die Abgase 110, 111 aus der Vorreduktion und aus der Nachreduktion werden zu einem Dampfgenerator 114 in einer Wärmekraftsiation 112 geführt, wo ihr F.nergieinhalt in elektrische Fnergic umgewandelt wird, von der alles oder ein Teil 108 zu der Nachredukiion 1% zurückgeführt wird. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß das gesamte kohlenstoffhaltige Material dem Verfahren zugeführt wird, wobei aber nur ein Teil seines Encrgieinhaltes (Verbrennungswärme) für die Herstellung von Roheisen verwendet wird, während der Rest in der Form verbrennbarer Gase 110,111 mit Luft 113 in dem Dampfgenerator 114 verbrannt und mit Hilfe eines Tirrbinengenerators in elektrische Energie umgewandelt wird. Von dem Dampfgenerator 114 werden Randgasc 116 abgegeben, deren Wärme verwendet werden kann, um die Luft 103 für die Vorreduktion 104 vorzuheizen. Ein Teil der Energie geht mit dem Kühlwasser 117 aus der Turbine verloren. Diese kann gegebenenfalls zur Heizung von Häusern verwendet werden. Die erhaltene elektrische Enereie 118 wird über eine Schalttafel 119 zu der Nachreduktion (Oft geführt. Die .Schalttafel ist mit einem Stromnetz 120 verbunden, so dal.! überschüssiger oder fehlender Strom durch Strom zu oder von dem Stromnetz kompensiert werden kann.

Fig. 2 erläutert den l.nergieabgleich für eine spezielle Anwendung der Erfindung. Hier werden Magnetilkonzentrale. die 67,7% Fc enthalten, mit Öl in einer Vorrcduklion 202 reduziert. Das öl wird bei 201 in einer Menge von 530 kg, entsprechend 5168 Meal je Tonne Fc des Roheisens, zugesetzt. Die Vorreduklion wird bis /u einem 70%igen Metallhildiingsgrad fortgesetzt, was bedeutet, daß 70% des Eisengehaltes des Produktes metallisches Eisen sind. Während clei Vorreduktion tritt ein Wärmcverlusl 203 von 181 Meal auf. Die Energieahsorplion während der Vorreduktion erfordert eine Wärmemenge 204 entsprechend 1 307 Meal. Die Abgase aus der Vorreduktion enthalten eine Wärmemenge 205 von 3834 Meal. Das vorrediizier· te Produkt, das eine Enthalpie 207 von 167 Meal besitzt, wird dann schließlich mit Anthrazit in einer Nachredukiion 213 reduziert.

Das Anthrazit wird in einer Menge von 126 kg je Tonne Fc im geschmolzenen Roheisen zugesetzt, was einer Wärmemenge 214 von 794 Meal entspricht. Eine Wärmemenge 212 von 498 Meal verläßt die Nachrcdiiktion 213 in der Form von Abgasen, eine Wärmemenge 215 von 518 Meal in der Form einer Energieabsorptiou in der Nachreduktion. eine Wärmemenge 218 von 399 Meal in der Form von Enthalpie des Roheisens und der Schlacke und eine Wärmemenge 217 von 100 Meal in der Form von Verlusten. Fine Wärmemenge 211 entsprechend 644 kWh wird der Nachreduktion 213 in der Form elektrischer Energie zugeführt.

Die überschüssige Wärme 205 aus der Vorreduktion wird in einer Wärmekraftstation 208 verwendet, die auch die Wärmemenge 212 aus der Nachreduktion aufnimmt. Fin Anteil 211 der erzeugten elektrischen Energie wird für die Nachreduktion 213 benützt, während der Rest 210 die überschüssige Energie darstellt, die verkauft werden kann. Eine Wärmemenge 209 geht mit dem Kamingas und Kühlwasser verloren, und eine Wärmemenge 206 wird verwendet um Luft für die Vorreduktion 202 vorzuheizen.

Aus dem Diagramm ist klar ersichtlich, daß 2.2 χ 1180 = 2596 Meal der Verbrennungswärme (794 + 5168Mcal/t Fc) des kohlenstoffhaltigen Materials für die Gewinnung überschüssiger elektrischer Energie und der Rest von 3366 Meal für die Gewinnung von Roheisen verwendet werden. Die Reduktion erfordert 1307 + 518 Meal sowie die Enthalpie des Eisens und der Schlacke von 399 Meal, was insgesamt 22Γ4 Meal ausmacht. Dies bedeutet eine 66%ige Lnergieausnuvzung bei der Herstellung von Roheisen.

Unter Verwendung der gleichen Rohmaterialien, wie in F i g. 2 (Kohle, Öl) und unter Gewinnung der gleichen Produkte (Roheisen und elektrischer Strom) liegt die Energieausnutzung eines modernen Hochofens mit einem Koksofen und einer Kraftstation zur Ausnutzung des Gases bei nur etwa 50 bis 55%. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß billige, kohlenstoffhaltige Materialien verwendet werden können. Einschließlich des kostenmäßigen Vorteils gegenüber dem Hochofen, daß nichtagglomerierles Eisenrohmaterial verwendet werden kann, sind die Kosten des nach der Erfindung gemäß Fig. 2 produzierten Roheisens 30% niedriger als die von Roheisen, das nach der Hochofenmethode produziert wurde.

IO

Die Reduktion des eisenoxidhaltigen Materials wild erfindungsgemäß getrennt in der Vorreduktion und der Nachrcduktion durchgeführt. |c weiter die Vorrcduktion durchgeführt wird, d. h. je höher der Reduklionsgrad des vorreduzierten Produktes ist, desto niedriger ist die Energiemenge, die für das elektrische Beheizen der Nachreduktion erforderlich ist und desto größer ist die Menge der Abgase, welche die Wärmekraftstation erreichen, und desto energiereichcr sind diese Abgase. Nach der Ausführungsform gemäß K i g. 2 produzieren die Abgase 1824 kWh je Tonne Roheisen mit einem Energieverbrauch von 2200 kcal/kWh in der Wärmekraftslalion und einem 70%igen Melallisicrungsgrad in deni Vorrediiktionsprodukt. Für die Nachreduklion werden h44 kWh verbraucht, so dall I 180 kWh je Tonne Roheisen verkauft oder anderweitig in der Stahlunlagc veriVLMiclet werden können.

Die Beziehung zwischen ilen Selbstkosten des

j 1 .1

tllllll£1£l lU

gcscuiMOizcui'ii tvoiieiscm uiiu uOi'ii ivcüuiin'
bei 0 bis 85% Mclallbildiing in dem Vorrediiktionsprodukt ergibt sich klar aus dem Diagramm in Ii g. J. das sich auf die Atisführiingsform nach der Erfindung bezieht, die in I-i g. 2 beschrieben ist. Das Diagramm gemäß E i g. 3 zeigt die Situation, wenn 500 000 Tonnen Roheisen pro )ahr produziert werden. Die Ordinate Λ zeigt die Schwedenkronen je rönne Roheisen. Die Ordinate Il zeigt Öre je kWh erzeugter elektrischer Energie. Die Ordinate Cerläiiu-rt die kWh überschüssiger elektrischer Energie, die je Tonne Roheisen erzeugt werden. Die Abszisse erläutert den Metallbildungsgrad. Außer den Selbstkosten /■' des Roheisens zeigt das Diagramm auch die Menge C! der überschüssigen elektrischen Energie und deren Kosten Λ" je Einheit. Zu Vergleichs/wecken sind auch die Selbstkosten ü von I lochofenrohcisen gezeigt. Es ist klar, daß die Selbstkosten des Roheisens und des elektrischen Stromes mit ansteigendem Metallbildungsgrad in dem vorrediizierten Produkt abnehmen. Es ist auch klar, daß der Energiebedarf für die Nachreduktion und die Produktion von elektrischem Strom mit Hilfe der Abgase bei etwa 25% Metallbildungsgrad einen Abgleich erreicht. Bei höheren Metallbildiingsgraden erhält man elektrischen Strom in schnell wachsendem Überschuß. Das Diagramm in Fig. 3 zeigt vom wirtschaftlichen Standpunkt klar die Bedeutung, den Metallbildungsgrad in dem Vorrediiktionsprodukt so hoch wie möglich zu halten.

Eine Anlage zur Durchführung der Erfindung ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Die Anlage besteht hauptsächlich aus zwei Vorreduktionsöfen 501, 502, zwei Nachreduktionsöfen 503. von denen einer normalerweise in Reserve gehalten wird, einem Wasserdampfgenerator 504 (nur teilweise gezeigt), einer Dampfturbine 505 mit einem Kondensator 506 und einem Generator 507. Eisenerzkonzentrat, das gegebenenfalls mit einer geeigneten Menge Feinkohle vermischt ist, aus einem Silo 509 wird dem Vorreduktionsofen 501 mit Hilfe einer Fördereinrichtung 510 zugeführt. Der Ofen, der als Wirbelschicht arbeitet, besitzt einen perforierten Boden 511. Die Kammer 512 unterhalb dieses Bodens bekommt durch Leitung 513 Luft zugeführt, die auf 500⁰C vorgeheizt ist. Die Luft wird zweckmäßig in einem Vorerhitzer mit vertikal aufgehängten Röhren, der an das hintere Ende des Wasserdampfgenerators angebaut ist, vorgeheizt. Öl wird über eine Leitung 514 zu speziellen Öffnungen eingeführt, die über den ganzen perforierten Boden 511 verteilt s^;nd. Das Verhältnis zwischen Öl und vorgeheizter Luft wird so gesteuert, daß das Volumenverhälinis

CO₂ + H₂O CO f H₂

in den Abgasen etwa I beträgt. Die Menge von Öl und Luft wird so eingestellt, daß die Temperatur der Schicht auf etwa 850" gehalten wird. Die Abgase uns der Schicht

to werden nach der Staubentfernung in Zyklonen 515 zu dem Wasserdampfgeneralor 504 geschickt, wo der restliche Energicinhalt durch Verbrennung mit einem Überschuß an Luft abgegeben wird.

In dem Vorreduktionsofen 501 wird das Eisenoxid in

ι > dem Konzentrat hauptsächlich zu Wüst it reduziert. Mit dein Oxidrohniaterial vermischte Keinkohle wird unter den in dem Ofen 501 herrschenden Bedingungen z.i; Kohlengrus verkokt. Kalkslein in dem (jcmisch wird zu K.iik iiir.gcwande!;. der in ;!c;i; Cie;"i',ch v;;:i !eüweise

.'ο reduziertem Eisenoxid und Koks in dem Produkt des Ofens 501 bleibt. Das Produkt des Ofens 501 wird durch ein Fallrohr 516 zu dem Ofen 502 befördert. Dieser Ofen isl in gleicher Weise wie der Ofen 501 konstruiert und arbeitet auf die gleiche Weise mit vorgeheizter Luft und

_>> Öl. Das Verhältnis zwischen vorgeheizter Luft 517 und Öl 518 wird jedoch in diesem Fall so eingestellt, daß das Volumenverhälinis

CO, \ H₂O

to (O I- H₂

in den Abgasen, die die Schicht verlassen, 0,25 bis 0,3 beträgt, während die Mengen so eingestellt werden, daß die Temperatur in der Schicht auf 850"C gehalten wird.

η Nach der Staubentfernung in den Zyklonen 519 gelangen die Abgase zu dem Wasserdampfgenerator 504, wo der restliche Energieinhalt durch Verbrennen mit überschüssiger Luft abgegeben wird.

In dem Vorreduktionsofen 502 wird das Produkt aus

4(1 dem Ofen 501 so weit reduziert, daß 70% des Eisengehalts in der Form von metallischen·. Eisen und der Rest in der Form von Wüstit vorliegen. Das heiße, teilweise aus Metall bestehende Produkt aus dem Ofen 502, das gegebenenfalls mit Koks und Kalk vermischt ist,

4-, wird durch ein Fallrohr 520. einen Verteiler 521 und ein Rohr 522 zu dem Nachreduktionsofen 50} überführt, der in der Form eines durch Netzfrequenz, erregten Gefäßinduktionsofens vorliegt Der Ofen enthält eine Schmelze in zwei Schichten, einer oberen Schlacke-

Vi schicht und einer unteren Schicht von geschmolzenem Roheisen mit 4% gelöstem Kohlenstoff. Die Temperatur wird auf etwa 1400"C gehalten, indem man der Induktionswicklung 607, die den Ofenkessel umgibt, elektrische Energie zuführt. Durch den aufwärts

-,5 gerichteten Strom in dem geschmolzenen Roheisen, der durch das magnetische Feld der Induktionswicklung verursacht wird, bildet sich in der Oberfläche 601 der Schmelze ein Buckel. Die Schlacke 606 wird dadurch zu den Wänden des Kessels bewegt, und das geschmolzene

bo Roheisen wird über eine kreisförmige Fläche der Mitte des Kessels freigelegt. Im Dauerbetrieb wird die gebildete Schlacke kontinuierlich über eine Schwelle, die bei einem geeigneten Spiegel oberhalb des Bodens des Kessels liegt, ausgetragen, während der Spiegel des

to Roheisens konstant gehalten wird, indem man den Abstich durch ein Bodenventil 603 einstellt.

Das vorreduzierte Produkt aus dem Ofen 502 wird durch ein Rohr 604 in der Mitte des Deckels des

GefälJofcns gefördert und mit einer geeigneten Geschwindigkeit (beispielsweise mit Hilfe eines Injektors, der durch gasförmige Kohlenwasserstoffe betrieben wird und in der Zeichnung nicht gezeigt ist) im wesentlichen senkrecht auf die freiliegende Oberfläche '> des Roheisens gerichtet. Auf diese Weise wird das vorredu/ierte Produkt in das Roheisen eingemischt, und sein restlicher Oxidsauerstoff reagiert darin mit Kohlenstoff, der in dem Roheisen gelöst ist. Das so produzierte Kohlenmonoxid perlt aufwärts zu der κι Oberfläche der Schmelze und wird über eine Leitung 805 ausgetragen und zn dem Wasserdamplgencraior 504 befördert. Wenn das vorredu/ierte Produkt aus dem Ofen 502 eine bestimmte Menge Koks enthalt, und diese ebenfalls in das Roheisen derart eingemischt, dal! ι ' sein Kohlenstoffgehalt auf etwa 4% gehalten wird.

Anstelle einer Verkokung der mit dem Oxidrohmale rial vermischten l'einkohle in dem Ofen 501 kann dies natürlich auch in dem Ofen 502 oder in einem getrennten Ofen erfolgen, und der Koks kann z.ugemischt werden, wenn das vorreduz.ierte Produkt in den Gefäßofen geblasen wird. Der Kalkstein kann statt in den Öfen 501 und 502 ebenfalls getrennt abgebrannt werden, und er kann während des Hinblusuns in den Gefäßofen zugemischt werden.

Während des Einblasens des Produktes aus dem Ölen 502 und von gegebenenfalls getrennt produziertem Koks und Kalk durch das Rohr 604 kann man das Rohr auch unter die Oberflhche des geschmolzenen Roheisens eindringen lassen. Dies führt zu einem zufriedenstellenden Vermischen der Schmelze, verursacht aber eine stärkere Abnutzung des Linblasrohres. Das induktive Rühren in dem Ofen geniäl.1 I i g. 5 könnte auch derart umgekehrt werden, (hill die Schmelz'! abwärts in die Mille der Schmelze fliel.lt und zugesetztes Material heruntersaugt.

Hierzu .i HIaW /eichnunuen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung von Roheisen durch Erwärmen von gekörntem, eisenoxidhaltigem Material auf Reduktionstemperatur, Reduktion mit Kohlenstoff und Erzeugung elektrischer Energie aus den Abgasen der Reduktion, dadurch gekennzeichnet, daß man in an sich bekannter Weise die Reduktion in eine Vorreduktion bei einer in Temperatur unterhalb des Roheisenschmelzpunktes und eine hiervon getrennte Nachreduktion bei einer Temperatur oberhalb des Roheisenschmelzpunkies unterteilt, die Vorreduktion in einer oder mehreren Wirbelschichtstufen mit reduzierenden (Jasen bis zu 1 > einem Metallbildungsgrad von wenigstens 50% durchführt, wobei die reduzierenden Gase und die Wärme hierfür durch Teilverbrennung von kohlenstoffhaltigem Material im Gemisch mit dzm eisenoxidhaJilgen Material mit Luft erzeugt werden, 2» ilic Ni»ehretii/ktion ohne Zwischenkühlung durch Erhitzen in Kontakt mit dem Kohlenstoff durchführt und dabei den Wärmebedarf im wesenilichen durch I lei/en mit elektrischer Energie deckt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekenn- 2> zeichnet, daß man den Kontakt zwischen dem vorreduzierten Produkt und dem Kohlenstoff in der Nachreduktion durch Vermischen des Produktes mit geschmolzenem Metall, das den Kohlenstoff gelöst einhält, bewirkt. «1

3. Verfahrer nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kontakt zwischen dein melallisierien ProcLikl unc dem Kohlenstoff in der Nachreduktion durch Verteilung des Produktes über der Oberfläche einer glühe den Koksschicht r, bewirkt.

4. Verfahren nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die elektrische Wärme für die Nachreduktion in dem geschmolzenen Metall einwickelt.

5. Verfahren nach Anspruch I, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die für die Nachreduktion erforderliche Wärmcüberfiihrung von dem geschmolzenen Metall zu der Koksschicht durch Rühren der Schmelze bewirkt. v>

b. Verfahren nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die elektrische Wärme für die Nachreduktion hauptsächlich in der Koksschicht entwickelt.

7. Verfahren nach Anspruch I bis 3, dadurch ,< > gekennzeichnet, daß man die elektrische Wärme für die Nachreduktion hauptsächlich in der geschmolzenen .Schlackeschicht entwickelt.

8. Verfahren nach Anspruch I, 2 und 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man während der y, Nachreduktion den Kohlenstoffgehall in dem geschmolzenen Metall durch Zugabe von kohlen sloffhaltigem Material, wie Kohle, Kokslösche und Öl oder Mischungen derselben, zu dein geschmolzenen Metall aufrecht erhall. wi

4. Verfahren nach Anspruch I bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß man den Kohlensloffverbrauch während der Nachredtiklion durch Zugabe von Kolik· und/oder Kokslösche vor der Vorreduktion kompensiert. μ

Die DE-AS 19 27 558 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Eisenschwamm aus oxydisehen Eisenerzen, die zunächst mit Heißgasen vorgewärmt und sodann in einer einzigen Reduktionsstufe mit Kohlenstoff reduziert werden, wobei aus den Abgasen der Reduktion elektrische Energie erzeugt wird. Aus der DE-AS 12 66 776 ist weiterhin ein Verfahren zum unmittelbaren Reduzieren von zerkleinerterci Eisenerz bekannt, bei dem man die Reduktion in eine Vorreduklion bei einer Temperatur unterhalb des Rohciscn.schmelzpunktes und eine Nachreduktion bei einer Temperatur oberhalb des Roheisenschmelzpunktes unterteilt. Schließlich ist es aus der DE-OS 15 08 078 bekannt, die Reduktion von Eisenerz in der Wirbelschicht durchzuführen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand nun darin. Roheisen mit möglichst hoher Energieausnutzung und in einer möglichst einfachen Anlage zu gewinnen, um auf diese Weise die Kosten der Roheisengewinnung über den Stand der Technik zu senken.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Roheisen durch Erwärmen von gekörntem, eisenoxidhaltigem Material auf Reduktionstemperatur, Reduktion mit Kohlenstoff und Erzeugung elektrischer Energie aus den Abgasen der Reduktion ist dadurch gekennzeichnet, daß μ ran in an sich bekannter Weise die Reduktion in eine Vorreduktion bei einer Temperatur unterhalb des Roheisenschmelzpunkies und eine hiervon getrennte Nachredukiion bei einer Temperatur oberhalb des Roheisenschmelzpunktes unterteilt, die Vorreduktion in einer oder mehreren Wirbelschichtstufen mit reduzierenden Gasen bis zu einem Metallbildungsgrad von wenigstens 50% durchführt, wobei die reduzierenden Gase und die Wärme hierfür durch Teilverbrennung von kohlenstoffhaltigem Material im Gemisch mit dem eisenoxidhaltigcn Material mit I.uft erzeugt werden, die Nachreduktion ohne Zwischenkühlung durch Erhitzen im Kontakt mi' dem Kohlenstoff durchführt und dabei den Wärmebedarf im wesenilichen durch \ lcizen mit elektrischer Energie deckt.

Bei diesem Verfahren ist die direkte Verwendung beliebiger kohlenstoffhaltiger Materialien, wie beispielsweise von Öl und Kohle mit hohem Anteil flüchtiger Bestandteile, möglich, was einen Vorteil gegenüber bekannten Hochofenverfahren darstellt, bei denen Koks verwendet werden muß. Ein anderer Vorteil des Verfahrens besteht in den geringen Wärmcverlusten unc? dem geringen Energieverbrauch je Tonne gewonnenen Roheisens sowie in der Möglichkeil, körnige eisenoxidhaltige Materialien ohne vorherige Agglomerierung zu verwenden. Alle diese Vorteile führen dazu, daß Roheisen nach'der Erfindung mit Kosten, die etwa 30% geringer als bei bekannten Verfahren sind, gewonnen werden kann. Außerdem wird bei dem Verfahren nach der Erfindung elektrische Energie zu Kosten erzeugt, die mil den Encrgieer/eiigungskosien herkömmlicher Verfahren konkurrieren können.

linier Roheisen werden hier kohlenstoffhaltige (-!iscnschmcl/cu mil einem (iehall von 2-b% Kohlenstoff sowie den üblichen Verunreinigungen und l.egieriingssiibstau/en aus ilen verwendeten Rohmaterialien vuisi,linien. KohleusiofflKiltige Materialien sind bei itcin Verfahren nach der Erfindung Brennstoffe und Reduktionsmittel, die Kohlenstoff und Kohlenwasser stoffe einhalten können, wie beispielsweise Kohle. Koks, C)I, Naliiig.is oder Mischungen desselben. Die