DE2419165A1

DE2419165A1 - Verfahren und vorrichtung zum schmelzen von eisenschrott

Info

Publication number: DE2419165A1
Application number: DE2419165A
Authority: DE
Inventors: Jean Daubersky
Original assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Current assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date: 1973-04-25
Filing date: 1974-04-20
Publication date: 1974-11-21

Description

CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES CENTRUM VOOR RESEARCH IN DE METALLURGIE Association sans but lucratif Vereniging zonder winstoogmerk Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von Eisenschrott Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches das Schmelzen von Eisenschrott bei gleichzeitiger Erzeugung eines in der Hauptsache CO und H2 enthaltenden Reduktionsgases zum Einblasen in den Hochofen sicherstellt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zu den Aufgaben eines modernen Hüttenbetriebes gehören einerseits das Vorschmelzen des Schrotts vor dessen Einsatz in die klassischen Stahlwerkseinrichtungen wie beispielsweise Konverter, Martin-Öfen und Elektroöfen, und andererseits die Erzeugung von Reduktionsgas, welches zur Reduzierung des Koksverbrauchs in den Hochofen- einzublasen ist.
Jede dieser Aufgaben ist mit ganz besonderen Schwierigkeiten technischer bzw. wirtschaftlicher Art verbunden.
Bei einem Kupolofen zum Schmelzen von Schrott, der mit einem Kohlenwasserstoff anstelle von Koks als Brennstoff gefahren wird, bestehen die grössten Schwierigkeiten darin, die Schmelze im flüssigen Zustand zu halten und eine Oxydation des Metalls durch Verbrennungsgase zu verhindern. Das Problem, die Eisenschmelze flüssig zu halten, lässt sich im Prinzip auf einfache Weise dadurch lösen, dass man sie in eine Roheisen enthaltende Pfanne ablaufen lässt. Dies ist jedoch in solchen Fällen nicht zweckmässig, wo die Schmelze Eisenoxyde führt, weil diese Oxyde unter Einbusse von Kohlenstoff, Silizium und Mangan mit dem Roheisen reagieren und die grosse Gefahr besteht, dass das Eisen-Roheisengemisch zumindest teilweise erstarrt.
Ausserdem ist die Herstellung eines Reduktionsgases von heisser Beschaffenheit, das in der Hauptsache CO und H2 enthält und zwecks Reduzierung des Koksverbrauchs in den Hochofen einzublasen ist, ein bekanntes Problem, doch sind die Gestehungskosten dieser Herstellung noch zu hoch, als dass man die für die industrielle Nutzung des Hochofens vorausgesetzte hohe Wirtschaftlichkeit erreichen könnte, da der Hochofen mit einem sehr H2O- und C02-armen Gas beschickt werden imins. Die beim Spalten (Cracken) des Brennstoffs in Gegenwart von Wasserdampf gegebenen chemothermischen Gleichgewichte legen Beschränkungen auf, die sich nur durch kostspielige Massnahmen wie Kühlen, Reinigen der erzeugten Gase von H20 und C02, Spalten (Cracken) bei sehr hoher Temperatur unter Einsatz von Sauerstoff in Gegenwart von~Katalysatoren mit einer sehr hochgradigen Entschwefelung des Brennstoffs, beseitigen lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten hinsichtlich sowohl des Schrottechmelzens als auch der Herstellung von Reduktionsgasen wie vorerwähnt auszuschalten. Die Erfindung beinhaltet im wesentlichen die gleichzeitige Durchführung dieser beiden Arbeitsgänge, nämlich des Schrottschmelzens und der Erzeugung eines in der Hauptsache Co und H2 enthaltenden Reduktionsgases, das zum Einblasen in den Hochofen geeignet ist, in ein- und derselben Vorrichtung.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Schmelzen von Schrott in einem Gefäss ist im wesentlichen gekennzeichnet durch Regulierung der Anteile von Brenn- und Sauerstoff bei der Herstellung von gegenüber Eisen und seinen Oxyden reduzierenden und besonders H20- und C02-armen Gasen; durch Erzeugung einer hohen Flammentemperatur; und durch RUckgewinnung der durch Verbrennung entstandenen heissen Reduktionsgase am Ausgang des Schmelzgefässes.
Eine hohe Flammentemperatur ist einmal zum schnellen Schmelzen des Schrotts und zum anderen zur Verringerung der Erzeugung von C02 bzw. H20 erforderlich, und zwar weil bei einer Teilverbrennung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs durch Sauerstoff selbst bei einer Beschränkung des Sauerstoffs auf die zur alleinigen Verbrennung von Kohlenstoff zu CO genau erforderliche Menge die Tendenz besteht, dass sich neben dem CO nichtvernachlässigbare Mengen von C02 und freiem Kohlenstoff bilden. Diese Mengen sind- jedoch umso geringer, je höher die Temperatur ist.
Die erfindungsgemäss notwendigen sehr hohen Temperaturen, die als theoretische Flammentemperaturen errechnet sind, liegen in der Grössenordnung von 20000C und darüber.
Es scheint jedoch, dass bei Verbrennung des in einem gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoff enthaltenen gesamten Kohlenstoffs in CO durch reinen Sauerstoff sogar die erreichte Flammentemperatur merklich niedriger ist als die Solltemperatur von 20000C. Es muss also erfindungsgemäss zusätzliche Wärme in solcher Menge zugesetzt werden, dass die Flammentemperatur auf mindestens 20000C erhöht wird. Diese Zufuhr erfolgt zweckmässigerweise durch die eine oder andere bzw. durch jede gewünschte Kombination der nachfolgend beschriebenen Massnahmen: Gemäss einer ersten Abwandlung der Erfindung erfolgt diese Wärmezufuhr durch Vorwärmen des Sauerstoffs auf etwa 0 1000 C.
Eine zweite erfindungsgemässe Abwandlung sieht diese Wärmezufuhr durch Vorwärmen des Brennstoffs vor.
Nach einer dritten Abwandlung der Erfindung wird die Wärmezufuhr durch eine rein thermische Vorwärmung (Vorcracken) des Brennstoffs, die sich als besonders wirksam erwiesen hat, bewerkstelligt.
Nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Wärmezufuhr durch Anreicherung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs mit Kohlenstoff, beispielsweise durch Zugabe von 300 Gramm Kohlenstoff je Kilogramm Brennstoff, und Teilverbrennung des Gemischs durch Zugabe derjenigen Sauerstoffmenge, die zur Verbrennung nahezu des gesamten Kohlenstoffs des Brennstoffs zu CO stöchiometrisch erforderlich ist.
Eine fünfte Abwandlung der Erfindung sieht diese Wärmezufuhr dadurch vor, dass diese Wärmezufuhr dadurch bewirkt wird, dass neben der Verbrennung von Kohlenstoff des Brennstoffs zu CO noch eine geringe Menge von H2 bzw. H20 in einer solchen Menge verbrannt wird, als H?O das Verhältnis H2 in dem erzeugten Gas einem Reduktionszustand dieses Gases gegenüber den Eisenoxyden entspricht. Man beachte beispielsweise, dass bei einer Temperatur von 8000C ein Verhältnis von H20 = 30 einem H TU Oxydationszustand das Gases gegenüber ien Eisenoxyden entspricht.
Erfindungsgemäss liegt die zu verbrennende Wasserstoffmenge in der Grössenordnung von 15 «/o' der Wasserstoff-Gesamtmenge, wodurch sich eine Flammentemperatur von mindestens 20000C und ein Verhältnis von H20 v 15 erreichen lassen. H2 Nach einer sechsten erfindungsgemässen Ausführungsform erfolgt die Wärme zufuhr mit Hilfe elektrischer Energie in der Grössenordnung von 0.4 W pro Stunde und Kilogramm Brennstoff, um eine Flammentemperatur von mindestens 10000C bei kaltem Sauerstoff zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird der methodische Umlauf der heissen Gase und des zu schmelzenden Schrotts auf einfache Weise durch Einsatz eines Kupolofens bewirkt, der einen genügend hohen Schacht aufweist, denn es ist dem Fachmann wohlbekannt, dass die Wärmeleistung des Ganzen umso höher ist, je stärker die Eigenwärme der Reduktionsgase dem Schrott mitgeteilt wird.
Die zweckmässigste Schachthöhe ist ganz offensichtlich je nach Art des Schrotts, je nach den Schrotteigenschaften und vor allem je nach der Schrottdicke verschieden. Im allgemeinen ist eine Höhe von 10 bis 15 m als ausreichend anzusehen.
Brennstoff und Sauerstoff werden an der Sohle des Kupolofens eingeblasen und bilden somit unter dem Schrott d.;i. in einer freien Zone mit veränderlichem Volumen, ein Gaspolster. Für ein gutes Ergebnis des Verfahrens ist es wichtig, dass die chemischen Gleichgewichte, die einer Teilverbrennung entsprechen, auch tatsächlich in dieser freien Zone eingehalten werden. Erfindungsgemäss wird dies dadurch sichergestellt, dass ein inniger Kontakt hergestellt wird zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff, und zwar aufgrund einer starken Turbulenz, die an der Sohle des Kupolofens durch eine Art Rührbewegung unter dem Einfluss von relativ zur Kupolofenachse versetzt angeordneten, mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Düsen, oder stark wirbelnden Brennern erzeugt wird.
Dies ist auch erreichbar, indem die Verbrennung in zwei Phasen durchgeführt wird, wobei in der ersten Phase der 0 Brennstoff bei einer Temperatur von etwa 1000 C in einem Vorbrenner, wo nur der effektiv erforderliche Sauerstoffanteil zugeführt wird, eine Teilverbrennung und -spaltung erfährt, während der andere Sauerstoffanteil mit den erzeugten Heissgasen in den Kupolofen eingeleitet wird.
Für den Fachmann ist ohne weiteres erkennbar, dass die Wirtschaftlichkeit des Systems auf der Kombination beider Arbeitsgänge in ein- und derselben Einrichtung beruht.
Die Herstellung eines Reduktionsgases durch Verbrennung von Brenn- und Sauerstoff ist im allgemeinen sehr kostspielig, doch erfahren die Gestehungskosten des Gases eine beträchtliche Reduzierung im Rahmen dieses Verfah rens, wenn die aus dieser Verbrennung resultierende grosse Hitze zum Schmelzen von Schrott unter optimalen Bedingungen ausgenutzt wird. Umgekehrt und im anderen Falle erscheint es kaum zweckmässig und interessant, in einem Kupolofen zum Schmelzen von Schrott den Koks durch einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff und durch Sauerstoff zu ersetzen. Wird der Prozess jedoch dahingehend ausge führt, dass das Gas als zur Verwendung im Hochofen geeignetes und den geschmolzenen Schrott nicht oxydierendes Reduktionsgas anfällt, so lässt sich durch den Nutzen einer Kommerzialisierung dieses Gases der Kostenaufwand für das Schmelzen dieses Schrotts beträchtlich verringern.
PATENTA NS PRUCHE

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Schmelzen von Eisenschrott, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile von Brenn- und Sauerstoff mit der Maßgabe der Bildung von Reduktionsgasen, insbesondere von H20- und CO2 -armen Verbrennungsgasen, für die Reduktion von Eisen aus seinen Oxyden durch Erzeugung einer hohen Flammentemperatur geregelt werden, und daß die durch Verbrennung entstandenen heißen Reduktionsgase am Ausgang des Schmelzgefässes zurückgewonnen werden.
2. Verfafral nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -die Flammentemperaturen über 20000C betragen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammentemperatur durch die Zufuhr von zusätzlicher Wärme auf 20000C und darüber gebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr durch Vorwärmen des Sauerstoffs auf 10000C erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr durch Vorwärmen des Brennstoffs bewirkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr durch eine reine thermische Vorwärmung (Vorcracken) des Brennstoffs bewerkstelligt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr durch Anreichern des Kohlen-Wasserstoff-Brennstoffs mit Kohlenstoff, insbesondere durch Zugabe von etwa 300 Gramm Kohlenstoff je Kilogramm Brennstoff, und Teilverbrennung des Gemischs durch Zugabe derjenigen Sauerstoffmenge, de zur Verbrennung nahezu des gesamten Kohlenstoffs des Brennstoffs zu CO stöchiometrisch erforderlich ist, erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr mit der Maßgabe erfolgt, daß neben der Verbrennung von Kohlenstoff des Brennstoffs zu CO noch eine geringe Menge von H2 in einer solchen Menge verbrannt wird, daß das Verhältnis t in dem erzeugten H2 Gas einem Reduktionszustand dieses Gases gegenüber Eisenoxyden entspricht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbrennende Wasserstoffmenge in der Größenordnung von 15 % der Wasserstoff-Gesamtmenge liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zufuhr mit elektrischer Energie in der Größenordnung von 0.4 W pro Stunde und Kilogramm Brennstoff erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß die Wärme zufuhr durch eine zumindest teilweise Kombination der in den Ansprüchen 4 bis 10 beschriebenen Abwandlungen bewirkt wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf der heißen Gase und des zu schmelzenden Schrotts durch Einsatz eines Kupolofens bewerkstelligt wird.
13. Kupolofen für die Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Höhe von 10 bis 15 m besitzt.
14. Kupolofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff und Sauerstoff an der Sohle des Kupolofens eingeblasen werden und unter dem Schrott eine freie Zone mit veränderlichem Volumen bilden.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Teilverbrennung entsprechenden chemischen Gleichgewichte in der freien Zone unterhalb des Schrotts dadurch hergestellt werden, wobei durch eine starke Turbulenz ein inniger Kontakt zwischen Brennstoff und Sauerstoff hergestellt wird.
16. Kupolofen nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Erzeugung einer Turbulenz zur Herstellung eines innigen Kontakts zwischen Brennstoff und Sauerstoff zur Kupolachse versetzt angeordnete, mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Düsen besitzt.
17. Kupolofen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Erzeugung einer Turbulenz zur Herstellung eines innigen Kontakts zwischen Brennstoff und Sauerstoff stark wirbelnde Brenner besitzt.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz zur Herstellung eines innigen Kontakts zwischen Brennstoff und Sauerstoff durch eine Verbrennung in zwei Phasen erzeugt wird, wobei in der ersten Phase der Brennstoff bei einer Temperatur von etwa 10000C in einem Vorbrenner, wo nur der effektiv erforderliche Sauerstoffanteil zugeführt wird, eine Teilverbrennung und -spaltung erfährt, während in der zweiten Phase die Einblasung des Sauerstoffs mit den erzeugten Heissgasen in den Kupolofen erfolgt.