DE2347070A1

DE2347070A1 - Verfahren und ofen zur schmelzreduktion

Info

Publication number: DE2347070A1
Application number: DE19732347070
Authority: DE
Inventors: Per Harald Collin; Folke Karl Evald Johansson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1972-09-27
Filing date: 1973-09-19
Publication date: 1974-04-04
Also published as: GB1452944A; SE363346B; JPS4993203A; US3932173A

Description

Priorität vom 27. September 1972 in Schweden Nr, 12 487 / 1972

Gemäß einer bereits bekannten Technik können Eisenoxyde dadurch mit Kohlenstoff bei einer Temperatur, die den Schmelzpunkt des erhaltenen Roheisens übersteigt, reduziert werden, der sogenannten Schmelzreduktion, daß eisenoxydhaltiges Material in feinverteilter Form, z.B. Eisenerzschlick, einer Reaktionsschicht zugeführt wird, die auf einer Roheisenschmelze ruht. Die Reaktionsschicht besteht aus glühendem Koks und eventuell Schlacke, wobei der Koks normalerweise eine Schicht auf einer leichtflüssigen Schlackenschicht bildet, die ihrerseits auf der Roheisenschmelze ruht» Die Reaktionsschicht enthält auch reduzierende Gase, die bei Reaktionen zwischen Eisenoxyden und Kohlenstoff gebildet werden. Die Reaktionsschicht vrird dadurch instandgehalten, daß der Koks oder koksende feste Brennstoffe zugeführt werden, eventuell in einer Mischung mit einem eisenoxydhaltigen Material. Bei Bedarf werden auch Schlackenbildner zugeführt, so daß Verunreinigungen, Gesteinsart und Aschebestandteile in den Z_usätzen eine leichtflüssige Schlacke bilden.

Die Schmelzreduktion von Eisenoxyden mit Kohle geschieht gemäß

Reaktion FeO +X.C—^-Fe+X.CO, welche eine endotherme Reaktion χ

ist und daher eine Wärmezufuhr zur leaktionsschicht fordert. Bei der technischen Gestaltung von Schmelzreduktionsverfahren hat es sich jedoch gezeigt, daß das Ordnen dieser Wärmezufuhr so schwor ist, daß die Schmelzreduktion bisher noch keine kommerzielle Bedeutung für die Eisenherstellung erzielt hat.

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IWscbedc Frawkfurt/Mafn 67 63-602

Bank: Dresdner Bank AG. Wiesbaden. Konto-Nr. 276 807

Ausgiebige Versuche wurden durchgeführt, um die Wärme durch Verbrennung von sich bildendem Kohlenstoffmonoxyd und Zusatzbrennstoffen oberhalb der Reaktionsschicht zuzuführen, dieses resultierte jedoch in nicht akzeptierbaren hohen Kosten für die feuerfeste Ausfütterung.

Der Wärmebedarf für die Schmelzreduktion kann auch durch elektrische Energie gedeckt werden, die Wärme in der Koksschicht, der Schlacke oder der Eisenschmelze freimacht. Bei hoher Leistung ist es vorteilhaft, Induktionsöfen zur Wärmeerzeugung im Eisen zu benutzen, jedoch bleibt hierbei "das Problem bestehen, die Wärme zur Koks schicht zu überführen. Da die Wärmeüberführung durch die dazwischenliegende Schlackenschicht erschwert wird, muß man für eine so intensive Umrührung im Ofen sorgen, daß ein direkter Kontakt zwischen der Eisenschmelze und der Koksschicht hergestellt wird. Es ist schwer, dieses nur durch induktive Badbewegungen zu erreichen» Ein verbessertes Umrühren kann durch Gaszufuhr oder Gasentwicklung unter der Fläche des Roheisens erzielt werden, jedoch hat auch dies keins völlig zufriedenstellenden Resultate ergeben.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schmelzreduktion eines Metalloxyds, beispielsweise Eisenoxyd, indem das metalloxydhaltige Material zu einer auf einer vorzugsweise induktiv erwärmten Metallschmelze ruhenden Reaktionsschicht geführt wird, unter einer verbesserten Wärmeüberführung von der Metallschmelze zur Reaktionsschicht* Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Ofen zur Durchführung dieses Verfahrens. Der Ofen eignet sich zur Roheisenherstellung durch Schmelzreduktion aus Eisenerzschlick oder vorreduziertem Schlick in einer auf einer Roheisenschmelze ruhenden Reaktionsschicht, kann jedoch auch zur Durchführung anderer Prozesse, wo die Wärme einer Reaktionsschicht von einer Metallschmelze zugeführt werden soll, benutzt werden.

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Gemäß derErfindung wird geschmolzenes Metall von der Metallschmelze zu einem Niveau über der Reaktionsschicht hochgehoben, durch welche es dann hindurchlaufen soll. Hierbei gibt das geschmolzene Metall ¥ärme an die Reaktionsschicht ab, wonach es wieder mit der Metallschmelze vereint wird. Am besten wird das Metall in senkrechten Kanälen hochgehoben, die unten mit dem Bad und oben mit dem Platz über der Koksschicht kommunizieren, indem dem unteren Teil dieser vertikalen Kanäle ein Gas zugeführt wird. Hierdurch entsteht eine Mammut-Pumpwirkung. Die induktive Erwärmung geschieht am besten in von der Reaktionsschicht getrennten Plätzen, die ganz oder teilweise aus den Kanälen bestehen, in die das Metall mit dem Gasstrom hochgehoben wird. Hierdurch kommt die Schlacke in der ReaktionsBchicht nicht mit der Ofenwand zwischen der Induktionswicklung und der Metallschmelze in Berührung, wodurch eine verbesserte Futterhaltbarkeit erreicht wird.

Der Ofen und seine Funktion werden nachstehend unter Hinweis auf die Figuren 1 bis 5 beschrieben.

Fig. 1 zeigt .einen Ofen in einem Vertikalschnitt und Fig. 2 einen Horizontalschnitt des gleichen Ofens durch

zwei Ebenen, wie in Fig. 1 gezeigt. Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt eines Ofens gemäß einer alternativen Ausführung mit einer größeren Reaktionsschichtfläche .

Fig. h zeigt eine Ansicht von oben und Fig. 5 eine Seitenansicht einer Ofenausführung, bestehend aus drei Öfen gemäß Fig. 3, die an ihrem Oberteil

zusammengebaut wurden.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des oberen Teils des

Mauerwerks.
Fig. 7 und 8 zeigen die Anwendung der Erfindung bei einem Ofen, der wie ein liegender Zylinder ausgestaltet ist.

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■ k -

Schmelzöfen entsprechend Fig. 1 und 2 bestehen aus einem oben eingezogenen zylindrischen Blechmantel 1, versehen mit einer wassergekühlten Induktionsschlinge 2 zur Erwärmung der Schmelze. Das Kraftfeld der Schlinge ist durch radial gestellte Blechpakete 3 gegen den Blechmantel abgeschirmt. Der Ofen ist mit einer feuerfesten Ausfütterung h versehen, die Schutz und Isolierung gegen Blechmantel und Schlinge darstellt. Innerhalb dieser Ausfütterung befindet sich ein gemauerter Zylinder 5» der sich auf die Bodenziegel 6 des Ofens und den oberen Flansch 7 des Blechmantels stützt. Zwischen dem Zylinder und der · Ofenwand ist ein Spalt, der durch die Ziegelstränge 9» 9¹, die in radialer. Richtung eine Stütze für den Zylinder 5 darstellen, in eine Anzahl vertikaler Kanäle 8 aufgeteilt ist. Unten im Zylinder sind Öffnungen 10 zu jedem Kanal, so daß die Schmelze 11 im Inneren des Ofens und die Kanäle kommunizieren. Auch im oberen Teil des Zylinders befinden sich Öffnungen 12 zwischen den Kanälen und dem Ofeninneren. Diese befinden sich in einer gewissen Höhe über der Metallschmelze, so daß Platz für eine Reaktionsschicht, bestehend aus einer Koksschicht 13 und einer Schlackenschicht 14, zwischen dem Eisenbad und der unteren Kante der Öffnungen vorhanden ist.

Nicht oxydierendes Gas oder in Wärme vergasende Flüssigkeit (beispielsweise Kohlenwasserstoff) wird unter Druckdurch keramische oder metallkeramische Rohre in den vertikalen Ziegelsträifpn dem unteren Teil 15 der Kanäle in solcher Menge zugeführt, so daß das Gas imstande ist, die Metallschmelze in den Kanälen anzuheben und dieselbe durch die Öffnungen 12 über die Koksschicht zu spritzen. Dadurch, daß neue Schmelze durch die unteren Öffnungen im Zylinder einströmt, erhält man eine Zirkulation der Metallschmelze 11, die in den Kanälen induktiv erwärmt wird und die Wärme zur Reaktionsschicht I3, 14, liefert.

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Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführung des oberen Teils des Mauerwerkes 5» um die Schlackenkorrosion an diesem Mauerwerk zu verringern. Bei dieser Ausführung erhält man nämlich eine Schicht eines flüssigen Metalls 25 neben dem Mauerwerk, so daß die Schlacke nicht mit der Ausfütterung in Berührung kommt, solange die Metallzirkulation in Gang gehalten wird. Es ist zweckmäßig, die Zufuhr von Erz und Koks gegen diese Schicht aus flüssigem Metall zu richten. Hierdurch erreicht man nämlich einen schnellen und intimen Kontakt zwischen der heißen Metallschmelze und dem zugeführten Material, was die Reaktion beschleunigt.

Gas oder gaserzeugende Flüssigkeit wird durch ein Rohr 16 mit Anschlüssen an jeden Zulauf, zugeführt, so daß der Fluß hierin durch Regelventile 17 separat zu jedem Kanal eingestellt werden kann. In den Ziegelsträngen 9» 9¹ befinden sich oben Öffnungen 18 zwischen den danebenliegenden Kanälen. Bei einem Abbruch der Gaszufuhr zu einem der Kanäle strömt die Schmelze durch diese Öffnungen von den danebenliegenden Kanälen nach unten, weshalb man trotz des Abbruchs in der Gaszufuhr zu einem der Kanäle eine Metallzirkulation er hält. Wird die Gaszufuhr zu jedem zweiten Kanal gestoppt, so daß ein Teil der angehobenen Schmelze durch diese Kanäle nachunten strömt, wird die Erwärmung der Schmelze erhöht, während die auf die Reaktionsschicht gespritzte Menge Schmelze kleiner wird. Die erhöhte Temperatur der Schmelze kompensiert die geringere Menge ₉ so daß man dieselbe Wärmeüberführung mit kleinerer Gasmenge erhält. Eine weitere Reduktion des Gasbedarfs kann man dadurch erhalten, daß man das Gas nur jedem dritten Kanal zuführt. Um bei der Anwendung einer Abwärtsströmung in einem Teil der Kanäle eine gleichmäßige Belastung auf sämtlichen Kanälen zu erreichen, kann die Gaszufuhr mit kurzen Zeitintervallen systematisch von einem Kanal zu dem am nächsten liegenden dirigiert werden, so daß man eine sukzessive zyklische

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Verschiebung der Aufwärtsströmung durch jeden zweiten oder jeden dritten Kanal erhält. Eine weitere Verminderung des Metallflusses und des Gasbedarfs kann durch eine intermittierende Gaszufuhr zu sämtlichen Kanälen oder intermittierend zu jedem zweiten oder dritten Kanal, mit systematischer Verschiebung wie oben beschrieben, erreicht werden. Bei den Gelegenheiten wo ein Kanal nicht zum Anheben der Schmelze ausgenutzt wird, behält man zweckmäßigerweise doch einen so großen Gasfluß, wie er erforderlich ist, um die Schmelze daran zu hindern, in die Zulaufleitungen für das Gas oder die gaserzeugende Flüssigkeit einzudringen.

Der Ofen ist mit einer dichtschließenden Kuppe 19 mit gasdichter Durchführung eines oder mehrerer Chargierungsrohre 20 für Rohwaren, Reduktionsmittel und Schlackenbildner versehen, die mit Vor teil über die ganze Reaktionsschicht verteilt werden. Das bei der Reduktion gebildete Gas sowie das Gas für die - Zirkulation der Schmelze werden durch die Gasleitung 21 abgeleitet. Die Gase bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffmonoxyd und können ausgezeichnet als Brennstoff in einem Dampfelektrizitätswerk zur Erzeugung von elektrischer Energie für Schmelzofen ausgenutzt werden.

Um den El-Energiebedarf zu verringern, kann ein Teil des Gases oberhalb des Koksbettes mit Luft verbrannt werden, die durch eine oder mehrere Düsen 26 im Oberteil des Ofens zugeführt wird. Indem man den Luftzufluß auf das Koksbett richtet, kann man gleichzeitig einen T_eil des Kokes verbrennen. Dies ist von besonderem Wert, wenn man bei der Vorreduktion des Schlicks mit festem Kohlenstoff zeitweise ein vorreduziertes Produkt erhält, das mit mehr Koks vermischt ist, als die Menge, die für Endreduktion und die Aufkohlung der Schmelze gebraucht wird. Durch eine Regulierung des Luftflusses zu den Düsen 26 kann man die Kohlenverbrennung kontrollieren und somit einen eventuellen Koksüberschuß in der Charge verbrennen.

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Ein in der Koksschicht herausreduziertes Metall löst Kohlenstoff und bildet Metalltropfen, die sich mit der zirkulierenden Metallschmelze verbinden. Um im Ofen ein konstantes Badniveau zu halten, wird kontinuierlich eine Menge Metall und Schlacke entsprechend der Schmelzkapazität des Ofens durch ein Ausflußloch 22 abgelassen, das durch einen verbreiterten Ziegelstrang 9 zwischen 2 Kanälen oberhalb der Induktionsschlinge 2 führt· Das Badniveau im Ofen kann auch durch eine Stauanordnung in der Rinne 23 außerhalb des Ofens reguliert werden. Die Schlakkenabtrennung und die Weiterbehandlung des Roheisens geschehen nach den bereits bekannten Methoden. Um den Ofen entleeren zu können, beispielsweise zum Ummauern, wird derselbe mit einer Bodenöffnung 2k versehen, die mit feuerfestem Mörtel verstopft wird, den man von unten entfernen kann*

In Fig. 3 wird eine alternative Ausführung eines nach oben hin erweiterten Ofenmantels 1 gezeigt. Um die nach oben verlängerte Tiegelwand k befindet sich ein ringförmiger Herd 30» in dem die Koks- und Schlackenschichten 13 bzw. \k auf einer Metallschmelze ruhen, die durch eine Öffnung 31» die auf die gleiche Art wie das Ausflußloch 22 in Fig. 2 angeordnet ist, mit der Schmelze innerhalb des Zylinders 5 kommuniziert.

Gemäß dieser Ausführung spritzt die Metallschmelze durch die Öffnung 12 in der verlängerten Tiegelwand über die Reaktionsschicht. Um die Ausfütterung 4, den Zylinder 5 und die Ziegelstränge 9, 9' in vertikaler Richtung zu fixieren, ist die dichtschließende Ofenkuppe 19 mit einem Überbau 32 mit Klemmschrauben 33 versehen, die an einen auf der Ofenkuppe ruhenden Stützringe 3^ angezogen werden. Um ein konstantes Badniveau zu halten, werden Metall und Schlacke kontinuierlich durch das Ausflußloch 35 in eine Rinne 23, die mit einem Damm 36 versehen ist, abgelassen.

Verglichen mit dem nach oben eingezogenen Ofen gemäß Fig. 1 bis 2 ist die Ausführung gemäß Fig. 3 komplizierter, hat jedoch den Vorteil, daß man die Fläche der Reaktionsschicht sowohl im Verhältnis zu der zugeführten Leistung als auch zum Metallinhalt des Ofens vergrößern kann. Um die Ofenleistung noch mehr zu steigern, kann man gemäß Fig. h und 5 drei Induktionsöfen der in Fig. gezeigten Ausführung, mit einem gemeinsamen Herd für die Reaktionsschicht, zusammenbauen. Jeder Induktionsofen kann dabei, ohne Schrägbelastung des elektrischen Starkstromnetzes, mit einphasigem Wechselstrom gespeist werden.

Gemäß der in Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführung reicht der Zylinder 5 ganz bis zu den Bodenziegeln. Dies hat den Vorteil, daß das zirkulierende Eisen außerordentlich schlakkenrein wird, was eine gute Haltbarkeit des Mauerwerks h_t 5t 9$ 9' ergibt. In den Fällen, wo eine akzeptierbare Futterhaltbarkeit ohne diese effektive Schlackenabscheidung erreicht wird, ist es jedoch möglich, den Zylinder und die Ziegelstränge mit dem Gasablaß 15 gleich unterhalb des Niveaus der Metallschmelze einmünden zu lassen, soweit sich dies im Rahmen der Erfindung hält. In diesem Fall können der Zylinder und die Ziegelstränge im Oberteil des Ofens verankert werden.

Eine andere Art, den Ofenraum zu vergrößern ist, den Ofen wie einen horizontalen Zylinder zu gestalten. Fig. 7 zeigt zwei halbe vertikale Querschnitte und Fig. 8 einen Teil eines vertikalen Längenschnitts eines solchen Ofens. Der Ofen besteht aus einem liegenden zylindrischen Blechmantel 1, der mit einer feuerfesten Ausfütterung k versehen ist. In der Ausfütterung und im Mantel befinden sich Öffnungen 27, an welche Induktoren 2S angeschlossen sind. Die Schmelze.11 wird in hierin befindlichen Kanälen erwärmt.

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In partiellen Zwischenwänden 2°-t> in angemessenem Abstand voneinander im Ofen, sind gasbetriebene Zirkulationslcanäle *8 eingebaut. In den Zwischenwänden sind unten Öffnungen 10 zu jedem Kanal angebracht, so daß die Schmelze 11 im Ofen und den Kanälen kommuniziert. Auch in dem oberen T_eil des Zylinders sind Öffnungen 12 zwischen den Kanälen und dem Ofenraum angebracht. Diese befinden sich

in einer gewissen Höhe über der Metallschmelze, so daß Platz für eine Reaktionsschicht, bestehend aus einer Koksschicht 13 und." einer Schlackenschicht 14, zwischen dem Eisenbad und der unteren Kante der Öffnung vorhanden ist.

Nicht oxydierendes Gas, z.B. Stickstoff, oder in Wärme vergasende Flüssigkeit, z.B. Kohlenwasserstoff, wird unter Druck durch Loch 15 im unteren Teil der Kanäle in solcher Menge zugeführt, daß das Gas imstande ist, die Metallschmelze in den Kanälen anzuheben und diese durch die Öffnungen 12 über die Koksschicht zu spritzen. Das Gas oder die Flüssigkeit wird durch ein Rohr i6, mit Regelventilen 17 für jeden Zulauf, zugeführt.

Der Ofen ist mit Chargierungsrohren 20 für Rohmaterial sowie mit einem nüit gezeigten Zulauf für eventuelle Verbrennungsluft und Ablauf für gebildete Abgase versehen.

Dadurch, daß die Zwischenwände 29 nur partiell sind, geschieht ein Ausgleich in der Längsrichtung des Ofens, und Schlacke sowie hergestellte Metallschmelze können am Ende des Ofens abgelassen werden.

Der Ofen ist drehbar, damit die Induktoren ausgetauscht werden können, ohne daß der Ofen entleert wird.

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Claims

-ΛΟ-

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Schmelzreduktion eines Metalloxyds, wodurch metalloxydhaltxges Material zu einer Reaktionsschicht geführt wird, die auf einer Metallschmelze ruht, dadurch gekennzeichnet, daß geschmolzenes Metall von der Metallschmelze zu einem Niveau über der Reaktionsschicht angehoben und dazu gebracht wird, durch diese hindurchzulaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem unteren Teil von vertikalen Kanälen, die unten mit der Metallschmelze und oben mit dem Raum über der Reaktionsschicht kommunizieren, ein Gas zugeführt wird, wodurch das geschmolzene Metall durch eine Mammut-Puntpwirkung angehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall induktiv erwärmt wird, vorzugsweise dann, wenn es durch die Kanäle nach oben strömt,

k. Ofen zur Schmelzreduktion eines Metalloxyds durch ein Verfahren gemäß Anspruch 2 mit einem Raum für eine Metallschmelze, Anordnungen zum Erwärmen der Metallschmelze, vorzugsweise induktiv, Zuführungsanordnungen für Metalloxyd zur Reaktionsschicht, sowie Ablaßanordnungen für geahmolzenes Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen vertikale Kanäle (8) enthält, die unten mit dem Raum für die Metallschmelze (11) und oben mit dem Raum über der Reaktionsschicht (13» 1*0 kommunizieren, sowie daß Anordnungen (15 ~ 17) für die Zufuhr von Gas unten in den Kanälen (8) zur Erzeugung der Mammut-Pumpwirkung in den Kanälen (8) vorhanden sind.

5· Ofen nach Anspruch h_t dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in einem Tiegelofen mit der Reaktionsschicht in der Mitte angeordnet sind.

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6. Ofen gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in einem Tiegelofen mit einem peripheren, ringförmigen Herd für die Reaktionsschicht angeordnet sind, und daß die Metallschmelze in diesem Herd mit der Metallschmelze im Tiegel kommuniziert.

7· Ofen nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, daß Kanäle in drei Tiegelöfen mit einem gemeinsamen Herd für die Reaktionsschicht angeordnet sind und daß die Metallschmelze in diesem Herd mit der Schmelze in jedem der drei Tiegelöfen kommuniziert.

8. Ofen nach Anspruch k bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß Gas oder vergasende Flüssigkeit für das Anheben des Metalls durch Rohre in die Ziegelstränge (9» 9') zuführbar ist, die die Kanäle radial abgrenzen.

10. Ofen nach Anspruch h bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziegelstränge (9$ 9¹) oben mit Öffnungen (18) versehen sind, so daß die Schmelze nach unten strömt, wenn dem danebenliegenden Kanal kein Gas zugeführt wird.

11. Ofen nach Anspruch k bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle sich vom Boden des Tiegelofens erstrecken.

12. Ofen nach Anspruch h bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle nur soweit unter das Niveau der Schmelze geführt sind, wie es zum Anheben der Schmelze in den Kanälen erforderlich ist.

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