DE2401909C3 - Verfahren zur Herstellung von Stahl - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Stahl

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Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorwärmung und Teilreduktion der feinkörnigen Eisenerze die Abgase des Wirbelschichtreaktors und ein Teil der Abgase des Schmelzgefaßes verwendet werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur pneumatischen Förderung des Eisenschwammes und der Kohlenstoffträger ein Teil des Abgases des Schmelzgefaßes verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß feinkörniges Fisenerz durch feinkörnige eisenoxidhaltige Abfallstoffe teilweise ersetzt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Verfahrens durch die Änderung folgender Regelgrößen erfolgt: a) Änderung der Zusammensetzung des Reduktionsgases, b) Änderung der Menge des Reduktionsgases, c) Zugabe von Erz in das Schmelzgefäß, d) Zugabe von Schrott in das Schmelzgefäß.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahl aus feinkörnigen Eisenerzen.
Es ist bekannt, daß Eisenschwamm durch Reduktion feinkörniger Eisenerze in einem Wirbelschichtreaktor mit gasförmigen Reduktionsmitteln, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid und Wasserstoff, hergestellt werden kann. Das im feinkörnigen Eisenschwamm enthaltene metallische Eisen wird leicht reoxidiert.
Deshalb muß der feinkörnige Eisenschwamm vor seiner Einschmelzung, die in der Regel diskontinuierlich erfolgt, durch Überführung in eine stückige Form mittels der sogenannten Heißbrikettierung oder durch Lagerung und Tiansport unter Inertgas vor der Reoxidation geschützt werden. Sowohl die Heißbrikettierung wie die Lagerung und der Transport unter Inertgas bereiten technische Schwierigkeiten und verursachen erhebliche Kosten. Außerdem kann die Reoxidation durch beide Schutzmaßnahmen nie ganz vermieden werden, da sie in gewissem Umfang auch an der Oberfläche der Eisenschwammbriketts abläuft und da die zu verwendenden Inertgase immer geringe Sauerstoffgehalte aufweisen. Um die Einschmelzung des Eisenschwamms mit vertretbarem Kostenaufwand durchführen zu können, muß der Eisenschwamm einen möglichst hohen Gehalt an metallischem Eisen besitzen. Der bei der Erzreduktion anzustrebende hohe Metallisierungsgrad des Eisenschwamms verursacht aber andererseits hohe Kosten und erfordert besonders wirksame Schutzmaßnahmen zur Verhinderung der Reoxidation.
Es ist weiterhin bekannt, daß der Eisenschwamm durch Zufuhr von elektrischer Energie oder Verbrcnnungswärme in einer geeigneten Vorrichtung eingeschmolzen werden kann. Zur Erzeugung der Verbrennungswärme können Erdgas, Erdöl and Kohle verwendet werden. Als Einschmelzvorrichtung sind Herdofen (Elektrolichtbogenofen, Siemens-Martin-Ofen), Schachtofen (Hochofen, Kupolofen, Elektroniederschachtofen) und Tiegel (Sauerstofffrischkonverter) geeignet, in denen neben dem Einschmclzvorgang auch Legierungs-, Restreduktions- und/oder Frischprozesse ablaufen können. So kann beispielsweise im Hochofen Eisenschwamm eingeschmolzen und gleichzeitig einer Restreduktion unterworfen werden, wobei als Endprodukt kohlenstoffreiches Roheisen entsteht. Beim Frischen von Roheisen in einem Konverter wird der im Roheisen in einer Menge bis zu 4% vorhandene Kohlenstoff durch die eingeblasene Luft oder den eingeblasenen Sauerstoff verbrannt, und die dabei entstehende Wärme kann zum Einschmelzen von Eisenschwamm genutzt werden. Die Aufnahmefähigkeit des Konverters für einzuschmelzenden Eisenschwamm wird aber durch den Kohlenstoffgehalt des im Konverter befindlichen Roheisens in unerwünschter Weise begrenzt. Außerdem unterliegen die Düsen, mit denen der Sauerstoff in das flüssige Roheisen eingetragen wird, starken mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen, die zu Störungen des Frisch- und Schmelzprozesses führen. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, durch geeignete Maßnahmen in den Konverter größere Wärmemengen einzubringen, und die prozeßbedingten Beanspruchungen, denen die Sauerstoffeintragsvorrichtungen ausgesetzt sind, zu vermindern. Das Aufheizen eines Konverters durch eine mit Sauerstoff betriebene Ölfeuerung hat sich nicht bewährt, da die Aufnahmefähigkeit des Konverters für einzuschmelzenden Eisenschwamm wegen des unzureichenden Wärmeübergangs von den Verbrennungsgasen auf das Metallbad nicht wesentlich gesteigert werden konnte.
Es ist ferner üblich, den zu erschmelzenden Eisenschwamm chargenweise in den Konverter zu geben und die nach dem Frischprozeß vorliegende Stahlschmelze diskontinuierlich abzuziehen, wodurch für den Konverter längere Anfahr- und Standzeilen ver-
ursacht werden.
Aus der DE-AS 12 66 330 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von kohlenstoffhaltigem Eisen bekannt, das folgende Merkmale aufweist:
1. Vorwärmung und Reduktion des Eisenerzes mit einem Reduktionsgas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei 500 bis 700° C, wobei sich Eisenschwamm bildet, der einen Reduktionsgrad von 70 bis 98% hat.
2. Pneumatische Förderung des Eisenschwamms mit gekracktem Erdgas, das eine Temperatur von 1000° C hat, unter die Oberfläche der Eisenschmelze.
3. Einbringen von Sauerstoff, der auf 1000° C aufgeheizt ist. unterhalb der Badoberfläche in die Eisenschmelze.
4. Restreduktion und Einschmelzen des Eisenschwamms in der Eisenschmelze.
5. Verwendung des in der Eisenschmelze entstehenden Abgases zur Reduktion des Eisenerzes.
6. Periodisches oder kontinuierliches Abnehmen des Eisens.
Bei diesem bekannten Verfahren wird der Schmelze durch das gekrackte Erdgas eine erhebliche Menge Wasserstoff zugefühtt. Auch wenn der Wasserstoff auf eine Temperatur von 1000° C vorgewärmt ist, entzieht er der Schmelze doch Wärme, weil er die Schmelze in unverbranntem Zustand mit einer Temperatur von ca. 1500° C verläßt, was die E':nschmelzleistung des Systems stark vermindert. Auch das beim bekannten Verfahren vorgesehene Aufheizen des Sauerstoffs auf 1000° C dürfte in der Praxis große Probleme in bezug auf die Lebensdauer der Sauerstoff-Eintragsdüse verursachen. Außerdem kommt es bei der räumlich getrennten Zufuhr von Eisenschwamm, Sauerstoff und gekracktem Erdgas, wie es bei dem bekannten Verfahren vorgesehen ist, mit Sicherheit zum »Einfrieren« der Eisenschwammdüse, wenn eine wirtschaftlich vertretbare Einschmelzleistung des Systems erreicht werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Reduktion feinkörniger Eisenerze zu Eisenschwamm sowie Schmelzen des Eisenschwamms und Frischen der Schmelze eine günstige Energiebilanz für die Stahlerzeugung und eine Erhöhung der Lebensdauer der Sauerstoff-Eintragsdüsen erreicht werden soll.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebene Kombination.
Die Teilprozesse, aus denen das erfindungsgemäße Verfahren besteht, sind so aufeinander abgestimmt, daß es kontinuierlich abläuft. Durch die kontinuierliche Arbeitsweise des Verfahrens werden die Anfahr- und Standzeiten für die Prozeßapparate verkürzt und die Zwischenlagerung des Eisenschwamms wird vermieden. Ferner wird durch die Verwendung von Kohlenstaub, durch die optimale Nutzung der in den Abgasen enthaltenen Wärme und durch die Verwertung des in den Abgasen enthaltenen Kohlenmonoxids eine wirtschaftliche und rationelle Arbeitsweise des Verfahrenserreicht. Außerdem wird durch die Erzeugung der für die Einschmelzung des Eisenschwamms erforderlichen Schmelzwärme innerhalb des Schmelzgefäßcs die maximale Nutzung dieser Wärme möglich. Schließlich durchmischen die im Schmelzgefäß entstehenden Verbrennungsgase und die zum pneumatischen Feststofftransport verwendeten Trägergase die Metallschmelze und sorgen für eine gleichmäßige Temperaturverteüung im SchmelzgefsS. Das Verfahren zeichnet sich durch gute Regelbarkeit und durch ί die Verwendbarkeit aller Kohleai ten aus. Durch die Eifindungsgemäße Verwendung fester, feinkörniger Kohlenstoffträger wird die Bildung von Wasserstoff vermieden, da diese Kohlenstoffträger praktisch keinen Wasserstoff enthalten. Auch das Aufheizen des
in Sauerstoffs auf eine Temperatur von 1000° C ist beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, wodurch die Lebensdauer der Sauerstoff-Eintragsdüsen erhöht wird. Der für den Verfahrensablauf am besten geeignete Metallisierungsgrad ist abhängig von der Anlagengröße, der eventuell zugegebenen Menge weiterer einzuschmelzender Einsatzstoffe und der eventuellen Entnahme von Abgas, das wegen seines hohen Kohlenmonoxidgehaltes anderweitig genutzt werden kann. Die erforderliche Menge des Kohlen-Stoffträgers ist abhängig von seinem Kohlenstoffgehalt und vom Metallisierungsgrad des Eisenschwamms. Aufgabe des Kohlenstoffträgers ist es, die Restreduktion des Eisenschwamms zu bewirken und durch seine Verbrennung die Metallbadtemperatur aufrechtzuerhalten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Vorwärmung und Teiheduktion der feinkörnigen Eisenerze die Abgase des Wirbelschichtreaktors und ein Teil der Abgase des Schmelz-
jo gefäßes verwendet werden. Diese Maßnahme wirkt sich vorteilhaft auf die Energiebilanz des Verfahrens aus. Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß zur pneumatischen Förderung des Eisenschwamms und der Kohlenstoffträger ein Teil des Abgases des Schmelzgefäßes verwendet wird. Durch diese Maßnahme wird insbesondere die Reoxidation des Eisenschwamms vermieden. Zur Verhinderung der Eisenoxidation beim Frischprozeß und zur Erhaltung des für die Restreduktion des Eisenschwamms erforderlichen Kohlenstoffgehaltes der Metallschmelze sieht die Erfindung in vorteilhafter Weise vor, daß durch die einzelnen konzentrisch angeordneten Rohre der Mehrmanteldüsen verschiedene Stoffe in die Metallschmelze eingebracht werden.
Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, daß das feinkörnige Eisenerz durch feinkornige eisenoxidhaltige Abfallstoffe, wie zum Beispiel Hochofenstaub, Walzenzunder und Stahlwerkstaub teilweise ersetzt
so wird. Für die Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn gemäß der Erfindung die Steuerung des Verfahrens durch die Änderung folgender Regelgrößen erfolgt:
a) Änderung der Zusammensetzung des Reduktionsgases,
b) Änderung der Menge des Redukt'onsgases,
c) Zugabe von Erz in das Schmelzgefäß,
d) Zugabe von Schrott in das Schmelzgefäß.
Durch die Änderung der Zusammensetzung und
bo Menge des Reduktionsgases wird der Metallisierungsgrad des Eisenschwamms verändert. Durch Zugabe von Erz und Schrott in das Schmelzgefäß erhöht sich die zum Einschmelzen erforderliche Kohlenstoff- und Sauerstoffmenge sowie die anfallende Abgasmenge.
Eine maximale Rohstoffausnutzung wird dadurch erreicht, daß überschüssiges Abgas aus dem Schmelzprozeß gesammelt und genutzt wird. Da das überschüssige Abgas fast quantitativ aus Kohlenmonoxid
besteht, kann es beispielsweise zur Wärmegewinnursg oder zur Synthese organischer Verbindungen eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. In den Gegenstromwärmeaustauscher 1 wird von oben aus dem Vorratsbunker 2 feinkörniges Eisenerz mit einer Korngröße von 0 bis 3 mm, vorzugsweise 0 bis 0,5 mm eingebracht. Die optimale Korngröße ist unter anderem abhängig von der Größe der Produktionsanlage. Die Korngröße vermindert sich mit der Anlagengröße. Von unten wird dem Gegenstromwärmeaustauscher 1 das noch heiße Abgas des Wirbelschichtreaktors 3 und ein Teil des Abgases des Schmelzgefäßes 4 zugeführt. Das Abgas des Schmelzgefäßes 4 wird vom Abgasverteiler 27 in zwei Teilströme geteilt. Ein Teilstrom gelangt in den Gegenstromwärmeaustauscher 1. Vorher wird ihm aus dem Vorratsbunker 35 Kohlenstaub und aus dem Dampfverteiler 36 Heißdampf zugegeben. Der Heißdampf wird im Gegenstromwärmeaustauscher 37 vom zweiten Abgasteilstrom erzeugt, der vom Verteiler 27 in den Entstauber 28 geführt wird. Nach der Entstaubung wird das Abgas im Kompressor 32 auf den erio>derlichen Betriebsdruck gebracht und im Druckvorratsbehälter 29 gespeichert. Der erforderliche Betriebsdruck liegt je nach Größe der Anlage zwischen I und 40 atü. Vom Druckvorratsbehälter 29 wird das Abgas über Druckminderer den verschiedenen Verwendungszwecken zugeführt.
Das Abgas des Wirbelschichtreaktors 3 besteht zum größten Teil aus Kohlendioxid, während das Abgas des Schmelzgefäßes 4 fast nur aus Kohlenmonoxid besteht. Das Abgas des Gegenstromwärmeaustauschers 1 wird im Entstauber S entstaubt, in der Brennkammer 6 mit Sauerstoff, der dem Tank 8 entnommen wird, verbrannt und dem Wärmeaustauscher 7 zugeführt, von wo es einer weiteren Nutzung zugehen oder in die Atmosphäre entlassen werden kann. Das gereinigte und nachverbrannte Abgas des Gegenstromv.'ärrneaustauschers 1 besteht fast quantitativ aus Kohlendioxid. Falls erforderlich, kann der Brennkammer 6 über den Druckminderer 34 kohlenmonoxidreiches Abgas aus dem Behälter 29 zugeführt werden. -
Das vorgewärmte, vorreduzierte, feinkörnige Eisenerz wird aus der Schleuse 9 mit einem kleinen Teil des Abgases aus dem Behälter 29, das im Druckminderer 33 auf den erforderlichen Betriebsdruck gebracht wird, in den Wirbelschichtreaktor 3 gefördert. Das zur Reduktion der Erze verwendete Abgas aus dem Behälter 29 wird im Wärmeaustauscher 7 so weit aufgeheizt, daß der Wärmeinhalt des Gases zur Dekkung des Wärmebedarfs der endothermen Erzreduktion ausreicht. Außerdem wird das Reduktionsgas im Druckminderer 10 auf den erforderlichen Druck gebracht. Die Temperaturen im Wirbelschichtreaktor 3 liegen zwischen 500 und 850° C, und der Metallisierungsgrad des Eisenschwamms beträgt 40 bis 95%. Der Wirbelschichtreaktor 3 ist bodenlos und hat eine konische Form. Die Abtrennung des Eisenschwamms vom Reduktionsabgas erfolgt im Zyklon 11, von wo das Reduktionsabgas dem Gegenstromwärmeaustauscher 1 zugeführt wird. Zur besseren Durchführung der Direktreduktion des Eisenerzes ist es oft von Vorteil, wenn der Reduktionsvorgang in mehreren hintereinandergeschalteten Wirbelschichtreaktoren 3 mit nachgeschalteten Zyklonen 11 durchgeführt wird.
Der im Zyklon 11 anfallende Eisenschwamm wird in der Schleuse 12 mit einem Teil des Abgases des Behälters 29 vermischt, das im Druckminderer 13 auf den erforderlichen Trägergasdruck gebracht wurde. In der Schleuse 12 wird dem Eisenschwamm außerdem Kohlenstaub zugemischt, der eine Korngröße von 0 bis 3 mm hat und im Vorratsbunker 14 gelagert wird. Weiterhin kann dem Eisenschwamm in der Schleuse 12 feinkörniges Eisenerz aus dem Bunker
ίο 20 zugemischt werden. Der im kohlenmonoxidhaltigen Abgas suspendierte und mit Kohlenstoffträgern vermischte Eisenschwamm gelangt durch das innere Rohr der Manteldüse 15 in das Schmelzgefäß 4, in dem sich eine Metallschmelze 16 befindet, auf der die Schlackenschicht 17 schwimmt. Das Schmelzgefäß 4 dient als Schmelz-, Restreduktions- und Frischgeiäß. Durch das mittlere Rohr der Mehrmanteldüse 15 wird Sauerstoff aus dem Vorratstank 8 in das Schmclzgefäß 4 geblasen. Dem Sauerstoff werden über die Dosiervorrichtung 18 feinkörniger Kalk aus dem Vorratsbunker 19 und gegebenenfalls andere Zuschlagstoffe zugemischt. Dem Vorratsbunker 14 wird Kohlenstaub entnommen und mit einem Teil des Abgases aus dem Behälter 29 in der Schleuse 21 gemischt, nachdem es im Druckminderer 22 auf den erforderlichen Betriebsdruck gebracht wurde. Anschließend gelangt der im kohlenmonoxidhaltigen Abgas suspendierte Kohlenstaub durch das äußere Rohr der Manteldüse 15 in das Schmelzgefäß 4. Dieses ist mit einer oder mehreren Manteldüsen 15 ausgerüstet, die unterhalb der Metallbadoberfläche angeordnet sind.
Das Metallbad 16 hat eine Temperatur von 1200 bis 160O11 C und einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,1%.
Über den Auslaß 23 wird dem Schmelzgefäß 4 flüssiger Vorstahl entnommen und dem Frischkonverter 24 zugeführt, wo der Vorstahl durch Blasen mit aus dem Vorratstank 8 entnommenen Sauerstoff auf den gewünschten Kohlenstoffendgehalt eingestellt wird. Die im Schmelzgefäß 4 vorhandene Schlacke, die aus Zuschlagstoffen, mineralischen Bestandteilen des Eisenschwamms und der Kohle sowie aus Metalloxiden besteht, wird über den Auslaß 25 abgelassen. Die im Schmelzgefäß 4 gebildeten Abgase bestehen fast quantitativ aus Kohlenmonoxid und werden aus der gasdichten Abdeckhaube 26 in den Abgasvcrieiler 27 gefördert. Abgas des Schmelzgefäßes 4, das nicht als Reduktions- oder Trägergas dient, wird zur weiteren Verwendung aus dem Behälter 29 abgegeben. Das fast ausschließlich aus Kohlenmonoxid bestehende Abgas des Frischkonverters 24 wird übet die nahezu gasdichte Abdeckhaube 31 dem Abgasverteiler 27 zugeführt und dem Abgasstrom des Schmelzgefäßes 4 beigemischt. Zum Anfahren des Schmelzgefäßes 4 wird flüssiges Roheisen in Pfannen angeliefert oder in einem kleineren Einschmelzofen vorgeschmolzen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Stahl aus feinkörnigen Eisenerzen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:
a) Vorwärmung und Teilreduktion der feinkörnigen Eisenerze in einem Gegenstromwärmeaustauscher bei 500 bis 850° C.
b) Reduktion der feinkörnigen Eisenerze mit den fast ausschließlich aus Kohlenmonoxid bestehenden Abgasen des Schmelzprozesses in einem Wirbelschichtreaktor bei 500 bis 8500C zu Eisenschwamm, dessen Metallisierungsgrad 40 bis 95% beträgt, und Abtrennung des feinkörnigen Eisenschwamms vom Reduktionsgas.
c) Verwendung einer Mehrmanteldüse, wobei über das Zentralrohr der Eisenschwamm ggfs. mit Kohlenstaub vermischt mit CO-haltigem Abgas als Fördermittel, über das mittlere konzentrische Rohr Sauerstoff, ggfs. mit zugemischtem feinkörnigem Kalk und ggfs. weiteren Zuschlagstoffen und über das äußere konzentrische Rohr Kohlenstaub mit CO-haltigem Abgas als Fördermittel in eine Eisenschmelze gefördert werden, deren C-Gehalt nicht unter 0,1% absinkt und deren Temperatur 1200 bis 1600°C beträgt.
d) Restreduktion und Einschmelzen des Eisenschwamms in der Eisenschmelze sowie Entnahme eines Teil des geschmolzenen Eisens aus dem Schmelzgefäß.
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