DE2650324A1 - Verfahren und vorrichtung zum reduzieren von metalloxiden - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum reduzieren von metalloxiden

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DE2650324A1 DE19762650324 DE2650324A DE2650324A1 DE 2650324 A1 DE2650324 A1 DE 2650324A1 DE 19762650324 DE19762650324 DE 19762650324 DE 2650324 A DE2650324 A DE 2650324A DE 2650324 A1 DE2650324 A1 DE 2650324A1
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Richard G Gold
Donald R Macrae
William R Sandall
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Description

Anmelderin; Stuttgart, den 26. Oktober 1976
Bethlehem öteel Corp« P 3264 S/kg Bethlehem Pennsylvania 18 016, V.St.A.
Vertreter;
Kohler - Schwindling - Späth Patentanv/älte Hohentwielstraße 7000 Stuttgart
Verfahren, und Vorrichtung zum Reduzieren von Metalloxiden
Die Erfindung betrifft ein. Verfahren zum Reduzieren von. Metalloxiden, in einem zwischen Kathode und Anode eines Plasmabrenners erzeugten Lichtbogen in Anwesenheit eines Reduktionsmittels«
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Eg ist bekannt, Stahl nach einem Verfahren herzustellen, das die folgenden »Schritte umfaßt: 1O Die Erzeugung von Koks in den Kammern von Koksöfen, 2. das Umwandeln von Eisenerz in Roheisen durch Reaktion des Erzes mit dem Ko]ca im Hochofen und 3· Raffinieren des Roheisens zu Stahl nach dem Herdfrisch-, Windfrisch- oder Elektrostahl Verfahren. Die zur Stahlerzeugung nach diesen Methoden erforderlichen Investitionen sind enorm und verlangen eine große iierstellungskapazität, um wirtschaftlich durchführbar zu nein«
Andererseits besteht ein Bedarf an Stahlerzeugungsanlagen mit einer relativ kleinen Kapazität. Der Versuch, diesen Bedarf zu befriedigen, hat zur Entwicklung von direkten Reduktionsverfahren geführt, bei denen Eisenerz ohne Verwendung eines Hochofens reduziert wird«
Ein Verfahren zum unmittelbaren Reduzieren von Erz umfaßt a) das Einleiten einer Mischung, die aus festen Erzteilchen und einem Reduktionsmittel besteht, in einen Lichtbogen-Plasmabrenner, der eine zur Erzeugung des Lichtbogens geeignete Kathode und Anode enthält, und b) das Mitführen der Mischung im Lichtbogen» Obwohl dieses Verfahren mit Erfolg zur Umwandlung von Eisenerz in Stahl verwendet wird, sind mit seiner Durchführung Schwierigkeiten verbunden, die in der relativ schnellen Erosion der Anode, übermäßigen Wärmeverlusten im Anodenbereich, einem relativ hohen Leistungsbedarf und einer
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relativ geringen Ausnutzung des Reduktionsmittels im Verhältnis zum reduzierten Erz verbunden sindo
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reduzieren von Metalloxiden in einem Plasmabrenner anzugeben, bei dem die genannten Schwierigkeiten vermieden sind.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß längs der Kathode und der Anode des Plasmabrenners ein stabilisierender Gasstrom in Form eines kreisenden Wirbels erzeugt und die Metalloxide in Form fester Teilchen an einer zwischen den Enden der Anode gelegenen Stelle in einer solchen Richtung in den Plasmabrenner eingeleitet werden, daß sich die Teilchen mit dem. Gasstrom vereinigen und in der gleichen Richtung wie der Gasstrom einen kreisenden Wirbel bilden, daß der Lichtbogen zwischen Kathode und Anode eine so große Hitze erzeugt, daß die Metalloxide an der Anodenwand eine Materialschicht bilden und dabei durch das mit ihnen in Kontakt befindliche Reduktionsmittel reduziert werden, und daß der Ausstoß des Plasmabrenners in einen Behälter geleitet wirde
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine schnelle Erosion der Anode, ein übermäßiger Wärmeverlust im Anodenbereich, ein relativ hoher Leistungsverbrauch und eine relativ geringe Ausnutzung des Reduktionsmittels im Verhältnis zum reduzierten Erz vermieden.
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-Hr-
Die Erfindung hat weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gegenstand, die einen Plasmabrenner, der eine Kathode und eine davon elektrisch isolierte Anode aufweist, zwischen denen durch Anlegen einer geeigneten Leistungsquelle ein Lichtbogen erzeugbar ist, umfaßt. Nach der Erfindung ist eine solche-Vorrichtung derart ausgebildet, daß die' Kathode an einem rohrförmigen Hohlkörper gebildet wird, der in einen Isolierblock eingesetzt ist und an einem Ende ein Einsatzstück, aufweist, das den Brennfleck für den Lichtbogen bildet, daß der Isolierblock mit einem Gaseinlaß zur tangentialen Zufuhr eines stabilisierenden, den Hohlkörper wirbeiförmig umströmenden und an den Wänden des Plasmabrenners entlangströmenden Gasstromes in den Plasmabrenner versehen .ist, daß unterhalb des Einsatzstückes eine von der Kathode und der Anode elektrisch isolierte Düse angeordnet ist und daß die Anode einen oberen Endabschnitt, der in dem Isolierblock unterhalb der Düse endet, einen unteren Endabschnitt, der in einen Tiegel mündet, und zwischen den Endabschnitten einen Feststoffeinlaß umfaßt, durch den zu reduzierendes Metalloxid eingeleitet werden kann, so daß die vom Lichtbogen erzeugte Wärme aus dem stabilisierenden Gas ein Plasma und aus dem Metalloxid eine Schicht in Form eines an den Wänden der Anode langsam absinkenden Wirbels bildet, die der Hitze des Plasmas ausgesetzt ist.
Endlich hat die Erfindung auch die Verwendung eines Plasmabrenners in einem metallogischen Verfahren zur Bildung einer aus Erzmaterial bestehenden Schicht, die an der
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Anodenvvand vorbei eine Wirbelbewegung ausführt, mittels eines einen kreisförmigen Wirbel bildenden stabilisierenden Gases und der von dem Plasmabrenner erzeugten Wärme zum Gegenstand, durch die das Erzmaterial während der Bildung der Schicht mittels eines Eeduktionsmittels reduziert wird.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer dazu geeigneten Vorrichtung anhand der Zeichnung. Es zeigen
Figo 1 einen Vertikalschnitt durch eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 und
Figo 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch die Vorrichtung nach Fig. 1.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist ein Licht-* bogen-Plasmabrenner 10 in einer kreisförmigen Öffnung in der Abdeckung 13 eines Tiegels 14 befestigt» Der Plasmabrenner 10 hat einen kreisförmigen Querschnitt und besteht im wesentlichen aus einem Kathodenabschnitt 15 und einem Anodenabschnitt 16«, Der Kathodenabschnitt weist einen aus Kupfer bestehenden Hohlkörper 17 auf, der an einem Ende mit einem thoriierten Wolfram-Einsatzstück 18 versehen ist, das den Brennfleck für den Lichtbogen bildete Das andere
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Ende dc; a Hohlkörper σ 17 iat durch einen Kupfer stopf en 20 verschlossen, eier von einem Kühlrohr 22 durchsetzt wird« Das Kühlrohr 22 ist koaxial zum Hohlkörper 17 angeordnet und mündet in einer öffnung 24, die einer Einstülpung 26 des Hohlkörpers 17 gegenübersteht, die das Einsatzstück aufnimmt. Das Kühlrohr 22 ist auch mit einer Art Schirm versehen, der das von dem Kühlrohr 22 zugeführte Kühlmittel auf dar, Gehäuse mit dem w'olfrani-Einsatzstück lenkt. In die Wandung des Hohlkörpers 17 ist ein zweites Hohr eingelassen, durch welches das Kühlmittel den Hohlkörper verlassen kamin
Der Hohlkörper 17 ist in einem mehrteiligen Isolierblock 32 befestigt, der aus einem oberen Abschnitt 32a, einem mittleren Abschnitt 32b, einem unteren Abschnitt 32c und Abs tandsplatten 33a und 33t> besteht. Der Hohlkörper wird von einem geteilten Ring 34- gehalten, der in eine Aussparung 36 an der Außenfläche des Hohlkörpers 17 eingreift und mit dem oberen Abschnitt 32a durch mehrere Schrauben 35 verbunden ist. Unterhalb des oberen Abschnittes 32a und innerhalb der Abstandsplatte 33a ist ein Gasring 38 angeordnet, durch den hindurch ein Gas dem Plasmabrenner 10 zugeführt wird. Das Gas passiert einen Kanal 40, der von Bohrungen in dem oberen Abschnitt 32a gebildet wird, und durch den Raum zwischen der Abstandsplatte 33a und der Außenfläche des Gasringes 38. Wie Fige 2 zeigt, ist der Gasring 38 mit einer Anzahl von Kanälen 42 versehen, deren Anordnung bewirkt, daß das Gas in den Plasmabrenner tangential eingeleitet wirdo Um eine Korrosion des EinsatzStückes 18 zu verhindern,
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muß das Gas gegenüber dem thoriierten Wolfram neutral sein» Das Gas kann insbesondere Helium, Wasserstoff, Argon, Stickstoff oder eine Mischung aus diesen Gasen sein. Das Gas stabilisiert den Lichtbogen zwischen Anode und Kathode, indem es das Ende des Hohlkörpers kreisförmig umfließt und dann an den Innenwänden des Plasmabrenners entlang nach unten strömt«
Vorzugsweise ist der Plasmabrenner mit einer aus Kupfer bestehenden Düse 43 versehen, die von der Kathode und der Anode elektrisch isoliert und unmittelbar unterhalb des Kythoden-iannatzstückes 18 angeordnet ist. Die Düse ist mit einem Kanal 44 zur Aufnahme eines Kühlmittels versehen, das durch eine Bohrung 45 in dem mittleren Abschnitt 32b eintritt und den Isolierblock durch eine Ausgangsbohrung verläßt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Düse 43 stabilisiert den Lichtbogen, erhöht die pro Längeneinheit im Bogen erzeugte Leistung und verhindert, daß Kohlenstoff enthaltende Gase aus dem Anodenbereich in den Kathodenbereich zurückschlagen.»
Unterhalb der Düse 43 befindet sich ein ringförmiger Schirm 46 aus Bornitrid, der die Düse 43 und den Isolierblock gegen eine Beschädigung durch die von dem Lichtbogen ausgehende Hitze schützt. Der Schirm 46 v/ird von einer Stahlscheibe 48 an seinem Platz gehaltene
Ein weiteres, zur Stabilisierung des Lichtbogens zwischen Anode und Kathode dienendes Gas wird in den Plasmabrenner
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durch einen zweiten Gasring 50 tangential eingeleitet. Die Anwendung eines zweiten stabilisierenden Gases ist nicht notwendig, ist jedoch zweckmäßig, weil es eine verbesserte Stabilisierung des Lichtbogens zur Folge hat«, JSs kann sich dabei um ein neutrales Gas handeln, wie beispielsweise Argon, oder um ein Metalloxide und insbesondere Krze reduzierendes Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, Methan oder eine Mischung beider Gase. Dieses weitere Gas wird dem Gasring 50 durch einen Kanal 52 zugeführt, der von einer Bohrung in dem mittleren Abschnitt 32b gebildet wird, und durch den Raum zwischen der Abs tandsplatte 33b und der Umfangs fläche des Gasringes 50» Auch dieses Gas bildet einen Wirbel, der an der Innenwand des Plasmabrenners entlang nach unten fließt.
Das obere Ende der Anode 5^ befindet sich unterhalb der Düse 43 und wird von einem geteilten Ring 56 gehalten, der mit dem unteren Abschnitt 32c durch Zuganker 58 verbunden ist. Die Anode 54 ist mit einem ringförmigen Kühlmittelkanal 60, mehreren Anschlüssen 62, durch die hindurch ein Kühlmittel dem Kühlmittelkanal zugeführt und von diesem wieder abgeführt werden kann, und einem ringförmigen Kanal.61 versehen, durch den ein Kühlmittel über Bohrungen 61'hindurchgeleitet werden kann, von denen nur eine dargestellt ist.
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Der die Kathode bildende Hohlkörper 17 und die Anode 54-sind mit der negativen bzw. positiven Seite eines üblichen Netzgerätes 63 verbunden. Das Netzgerät liefert vorzugsweise eine Gleichspannung von 2000 V und einen Strom von 500 A.
Im Bereich zwischen den landen der Anode 54- befindet sich ein Feststoffeinlnß 64-, der eine Deckplatte 66 umfaßt, die an einem Feststoff-Einlaßring 68 mittels Maschinenachrauben 70 befestigt ist. Der Einlaßring 68 ist mit radial angeordneten Einlaßbohrungen 72 und mit Kühlmittelbohrungen 7^· versehene Er igt weiterhin mittels Maschinenschrauben 71 an einem Flansch 76 befestigt, der Teil einer Kühlkammer ist, die eine Einlaßbohrung 78, einen ringförmigen Kanal 79 und eine Auslaßbohrung 81 umfaßte Die Anode yv ist mit äußeren Verstärkungen versehen, die Rippen 86 und einen Flansch 88 umfassen» Das untere Ende der Anode ist in eine Flanschplatte 80 eingelassen, an der der Flansch 88 mittels Maschinenschrauben 83 befestigt ist«. Die Flanschplatte ist in der Abdeckung 13 eines Tiegels 14- angeordnet. Die Abdeckung ist zur Kühlung mit einem Kanal 89 versehen. Zum Kühlen der Flanschplatte ist ein ringförmiger Kanal 91 mit einer Einlaßbohrung und einer Auslaßbohrung 92 vorgesehen.
Aus einem Oxid, beispielsweise Eisenerz, bestehende feste Teilchen werden durch die Bohrung 72 radial in den Innenraum 93 dea Plasmabrenners eingeführt. Solche Teilchen können auch ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Koks, und einen Schlackenbildner, wie beispielsweise Calciumoxid, umfassen. Die von dem Lichtbogen, dessen
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Temperatur etwa 55OO°G (10.0000F) betragen kann, ausgehende Hitze bewirkt, daß die Stabilisierungsgase ein Plasma bilden und daß die Oxide zu einer Schicht versintern oder verschmelzen, die um die Wende der Anode 5^ in. Form der kreisenden Wirkung der Stabilisierungsgase wirbeln,, Die Schicht sinkt an den Wänden der Anode ^v langsam ab. Dieses relativ langsame Absinken bewirkt, daß die Schicht einer verhältnismäßig langen Zeit der Hitze des Plasmas ausgesetzt wird, wodurch das Ausmaß der Reduktion des Erzes, der Leistungsverbrauch pro Einheit des reduzierten Erzes und die Ausnutzung des Reduktionsmittels verbessert wird. Dio Oxide werden durch den Kontakt mit dem Reduktionsmittel während der Filmbildung und danach, also während des Absinkens der Schicht und, sofern erforderlich, auch noch nach dem Übergang des Ausstoßes des Plasmabrenners in den Tiegel 14 reduziert.
Mit einem nach der Erfindung ausgebildeten Plasmabrenner wurde geschmolzenes Eisen mit einem Leistungsverbrauch von 6,2 kWh/kg Eisen (2,8 kWh/lb) und einer Umwandlung des Reduktionsmittels von 2¥/Ό hergestellt. Dagegen betrug unter gleichen Arbeitsbedingungen, jedoch mit vom Gasstrom mitgeführten Teilchen, der Leistungsbedarf 13 bis 20 kWh/kg Eisen (6 bis 9 kWh/lb) und die Umsetzung des Reduktionsmittels 8 bis
Der Lichtbogen haftet unmittelbar an der Schicht, wodurch die Anode 5^ geschützt und das Ausmaß ihrer Erosion vermindert wird. Außerdem dient die Schicht als Wärmeisolator und vermindert die Wärmeverluste an das Kühlwasser, das die Anode 5^ durchfließt„
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Daa fast vollständig reduzierte Material verläßt endlich die Wandung der Anode 54- und fällt in den Tiegel 14-. Das Plasma dringt in das Bad 82 im Tiegel 14 ein und "bewirkt dadurch eine Badbewegung sowie eine weitere Reduzierung von Oxiden, die noch vorhanden sein könnten. In den Tiegel kann eine Schlacke 54 eingegeben werden, welche die Reduktion unterstützt.
Als spezielles Beispiel wurden drei Läufe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Carol Lake Eisenerz-Konzentrat durchgeführt, das 64,8% Eisen enthielt. Carol Lake Eisenerz-Konzentrat enthält 91»7% Fe(II)- und Fe(III)-Oxide, 0,017% P, 0,02750 S, 1,4·% C, 4,9% SiO3, 0,24% Al3O , 0,09% TiO2, 0,22% MnO, 0,49% OaO, 0,5% MgO und als Rest zufällige Verunreinigungen« Das Erz war fein gemahlen, so daß etwa 45% eine Konrgörße von weniger als 0,037 mm (400 Maschen) und weniger als 1% eine Korngröße von mehr als 0,15 mm (100 Maschen) hatten.
Der Kathode wurde als primäres Stabilisierungsgas Y/asserstoff mit einem Durchsatz von 62 000 bis 65 000 Kormliter/h (2200 bis 23OO SCFH) zugeführt«, Im Bereich zwischen der Düse und der Anode wurde dem Plasmabrenner als zweite Stabilisierungsgas eine Mischung von Viasserstoff und Erdgas mit einem Durchsatz von 110,000 bis 200 000 Normliter/t (39OO bis 7000 SCFH) Viasserstoff und 45.000 bis 74.000 Normliter/h (1600 bis 2600 SCFH) Erdgas zugeführt. Das feingemahlene Eisenerz wurde dann unter Verwendung von 20.000 Normliter/h (700 SCFH) Erdgas mit einem Durchsatz von 6,4 bi3 8,2 kg/min (14 bis 18 lb/min) üneumatisch dem Plasmabrenner zugeführt» Es wurden keine Schlackenbildner oder feste Reduktionsmittel benutzt.
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Es wurde dann in üblicher Weise zwischen Kathode und Anode ein Lichtbogen gezündet und die Leistung auf einen V/ert von 830 bis 860 kV/ eingestellt. Stromstärke und Spannung betrugen etwa 4-80 bis 500 A bzw. 1525 bis 1850 Ve
Das raffinierte Eisen enthielt 0,006% 0, 0,007% P, 0,005% S, 0,06% Si, 0,00^0 Ou, 0,14% 0 und 6 bis 8 ppm Wasserstoff, und zwar bezogen auf das Gewicht. Der Brutto-Leistungsverbrauch betrug 3 »3 kWh/kg (1,5 kWh/lb) hochreinem Eisen und es wurde das Reduktionsmittel zu etwa 35% umgesetzt« Die Gesamtzeit der drei Läufe erstreckte sich über 8,5 Stunden. Da3 hochreine Eisen wurde mit einer mittleren Ausbeute von 257 kg/h (565 lb/h) produziert»
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Jb
Leerseite

Claims (1)

  1. 265032A
    Patentansprüche
    1„ Verfahren zum Reduzieren von Metalloxiden in einem zwischen Kathode und Anode eines Plasmabrenners erzeugten Lichtbogen in Anwesenheit eines Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Kathode und der Anode des Plasmabrenners ein stabilisierender Gasstrom in Form eines kreisenden Wirbels erzeugt und die Metalloxide in Form fester Teilchen an einer zwischen den Enden der Anode gelegenen Stelle in einer solchen Richtung in den Plasmabrenner eingeleitet werden, daß sich die Teilchen mit dem Gasstrom vereinigen und in der gleichen Richtung wie der Gasstrom einen kreisenden Wirbel bilden, daß der Lichtbogen zwischen Kathode und Anode eine so große Hitze erzeugt, daß die Metalloxide an der Außenwand eine Materialschicht bilden und dabei durch das mit ihnen in Kontakt befindliche Reduktionsmittel reduziert. werden, und daß der Ausstoß des Plasmabrenners in einen Behälter geleitet wird.
    2« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Plasmabrenner eingeleiteten festen Teilchen ein festes Reduktionsmittel enthalten.
    3β Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit den festen Teilchen eingeleitete Reduktionsmittel Kohlenstoff enthält»
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    4„ Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansparüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Plasmabrenner eingeleiteten festen Teilchen einen schlackenbildenden Stoff enthalten.
    5· Vorfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierende Gasstrom ein reduzierendes Gas enthält.
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Plasmabrenner, der eine Kathode und eine davon elektrisch isolierte Anode aufweist, zwischen denen durch Anlegen einer geeigneten Leistungsquelle ein Lichtbogen erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode von einem rohrförmigen Hohlkörper (17) gebildet wird, der in einen Isolierblock (32) eingesetzt ist und an seinem 13nde ein Einsatzstück (18) aufweist, das den Brennfleck für den Lichtbogen bildet, daß der Isolierblock (32) mit einem Gaseinlaß (38, 40) zur tangentialen Zufuhr eines stabilisierenden, den Hohlkörper (17) wirbeiförmig umströmenden und an den Wänden des Plasmabrenners entlangströmenden Gasstromes in den Plasmabrenner versehen ist, daß unterhalb des EinsatzStückes (18) eine von der Kathode und der Anode elektrisch isolierte Düse (43) angeordnet ist und daß die Anode (54) einen oberen Endabschnitt, der in dem Isolierblock (32) unterhalb der Düse (43) endet, einen unteren Endabschnitt, der in einen Tiegel (44) mündet, und zwischen den Endabschnitten einen Feststoffeinlaß (64) umfaßt, durch den zu reduzierendes Metalloxid eingeleitet werden kann, 30 daß die vom Lichtbogen erzeugte Wärme
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    aus dem stabilisierenden Gas ein Plasma und aus dem Metalloxid, eine Schicht in Form eines an den Wänden der Anode -langsam: absinkenden Wirbels bildet, die der Hitze des Plasmas ausgesetzt ist.
    7» Verwendung eines Plasmabrenners in einem metallogischen Verfahren zur Bildung" einer aus Erzmaterial bestehenden Bchicht, die an der ümodenwand vorbei eine Wirbelbewegung ausführt, mittels eines einen kreisförmigen Wirbel bildenden stabilisierenden Gases und der von dem Plasmabrenner erzeugten Wärme, um das Erzmaterial· während der Bildung der üehicht mittels eines Reduktionsmittels zu
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