DE2707759C3 - Verfahren zur Reduktion und Erwärmung von Metallschmelzen durch Aufblasen von Gasen - Google Patents

Description

Die Erfinde ag betrifft ein Verfahren zur Reduktion und Erwärmung von Metallschmelzen durch Aufblasen von Gasen, bei dem aus mindestens einer zentralen Düse und einer oder mehreren konzentrischen Düsen die Gase mit unterschiedlichen Drücken unter Bildung eines Gaskernes und eines Gasmantels divergierend austreten und auf die Metallschmelze auf treffen.

Die Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen, insbesondere Kupfer, durch ein Verfahren zum Aufblasen von Reaktionsgasen ist bekannt (DE-OS 23 06 398). Dieses bekannte Verfahren hat zum Ziel, unter Vermeidung der Nachteile älterer Verfahren, bei welchen durch turbulente Strömungsverhältnisse im Bereich der Bad- und Srfilackenoberfläche unkontrollierbare reaktionskinetische Zustände verursacht wurden, die Blaszeilen bei der Abtreibung von Begleitetementen aus flüssigem Metall zu verkürzen, darüber hinaus aber auch reproduzierbare Stoffübergangsverhältnisse und damit die Voraussetzung für kontinuierliche Verfahrensweise zu schaffen.

Des weiteren ist eins Vorrichtung sowie ein *o Verfahren zum oxidierenden Aufblasen von Reaktionsgas auf Schmelzbäder zum Zweck einer intensiven Stoffübertragung bekannt, wobei das Reaktionsgas, nämlich Sauerstoff, aus einer zentralen Düse, und beliebiges Gas aus mehreren konzentrischen Düsen gesondert und mit unterschiedlichen Drücken sowie Konzentrationen aus einer gemeinsamen Lanzenspitze divergierend austreten und wegen des Anstellwinkels der Düsen im wesentlichen ohne Vermischung in einen gemeinsamen Brennfleck auftreffen.(DE-PS 8 45 643) 'M

Die der bekannten Einrichtung zugrundeliegende Aufgabe ist in der Patentschrift zwar nicht ausdrücklich angegeben, besteht aber bei verständiger Würdigung des Offenbarungsgehaltes dieser Veröffentlichung darin, daß ein Gasstrahl mit einer Metalloberfläche, vorzugsweise bei der Behandlung von Spiegeleisen, Roheisen und Stahlbädern, in der besonderen Weise in Kontakt gebracht wird, daß durch den nach außen divergierenden Verlauf der Blasstrahlen die auf der Badoberfläche schwimmenden Schlacken- oder Metall-Verbindungen zur Seite gedrängt werden, daß dadurch die blanke Badoberfläche dem Sauerstoffstrahl freigelegt wird, damit dieser ohne Behinderung durch die Schlackenschicht zur Badoberfläche gelangen, bzw. in das Bad eindringen kann. ⁶S

Im Gegensatz zu diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, beim reduzierenden Blasen von Metallen und Schlacken durch gezielte örtliche Aufheizung der Reduktionsstelle mit Hilfe eines vom Brenngas erzeugten Hochtemperatur-Brennfleckes dem Absinken der Badtemperatur an der Auftreffstelle des Reduktionsgasstrahles entgegenzuwirken, und im Gegenteil die Temperatur an dieser Stelle zum Zwecke einer signifikanten Verbesserung der thermodynamischen Reaktionsbedingungen örtlich kräftig zu steigern.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der Erfindung dadurch, daß für den Gaskern ein Reduktionsgas und für den Gasmantel ein Brenngas verwendet wird, und daß der Anstellwinkel der Brenngasdüsen auf das 1,5- bis 2,5-Fache des Ausbreitungswinkels des Gaskernes eingestellt wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Reduktionsgaskern mit einem diesen als Mantelgas umgebenden Brenngas im gemeinsamen Auftreff-Feld einen Brennfleck von örtlich hoher Temperatur bildet, welcher einer schädlichen Temperaturerniedrigung beim Aufblasen des Reduktionsgases entgegenwirkt und damit eine vorzugsweise für einen kontinuierlichen Raffinationsprozeß erforderliche reduzierende Hochtemperaturbehandlung mit großer Leistungsintensität möglich macht, wodurch beispielsweise erstmals die Voraussetzung zur Reduktion einer Metall- oder Schlackenschmelze im Durchlauf durch einen beispielsweise rinnenförmigen Reaktionsraum geschaffen wird, eine sehr rationelle Verfahrensweise, die ohne die Voraussetzungen der vorliegenden Erfindung nicht durchführbar wäre.

Damit ergeben sich in überraschender Weise neue Möglichkeiten für eine bisher noch nicht für durchführbar gehaltene Zusammenlegung zweier Prozeßschritte, nämlich die örtliche Erhitzung des Schmelzbades im Zusammenwirken mit dem Reduktionsvorgang, mit dem Ergebnis einer solchen spontanen Temperaturanhebung, daß dadurch sowohl optimale reaktionskinetische Bedingungen mit definierten Stoffübergängen zwischen dem Reaktionsgas und der schmelzflüssigen Phase als auch eine Überführung verflüchtigbarer Begleitmetalle in die Dampfphase gleichzeitig erzielt werden.

Hierbei unterscheiden sich die Brenngase nach Art ihrer eindeutig auf Temperaturerhöhung gerichteten Funktion bezüglich Art und Zusammensetzung von den Reduktionsgasen. Diese können ihrerseits aus Gemischen verschiedener reduzierender Gase bestehen, wobei zur Erzeugung des Brenngases und/oder des Reduktionsgases flüssige und feste Brennstoffe im Freistahl Verwendung finden können. Dabei ist es aus kinetischen und hydrodynamischen Gründen von großem Vorteil, daß die Übertragung von Wärme auf die Schmelze und die Reaktion der Gase mit der Schmelze an der gleichen Stelle, nämlich im Brennfleck, stattfindet.

Weil jedoch für die Wärmeübertragung andere Gaszusammensetzungen und -Geschwindigkeiten als für den Stoffübergang optimal sind, ist es für die Durchführung der Erfindung wichtig, daß die Reaktionsund Brenngase zwar gemeinsam, jedoch ohne Vermischung derart aus der Lanzenspitze austreten, daß das Reaktionsgas bevorzugt mit der durch die Schmelzoberfläche dargestellten Phasengrenze unter für den Stoffübergang günstigen Bedingungen in Kontakt tritt.

Im weiteren wird die Erfindung anhand einer schematischen Darstellung in der Zeichnung beschrieben und näher erläutert.

Der auf die Schmelze 1 auftreffende Freistrahl von

Gas besteht aus dem Gaskern 2 und einem diesen umgebenden Gasmantel 3, Der Gaskern 2 besteht aus dem Reduktionsgas, während der Gasmantel 3 aus Brenngas gebildet wird. Beim Auftreffen des Freistrahles auf die Schmelze 1 erzeugt der konzentrische Gasmantel 3 aus Brenngas einen Brennfleck 5, in dessen Bereich die oberste Strömungsschicht der Schmelze 1 auf relativ hohe Temperaturen, beispielsweise zwischen 2000 und 2500⁰C erwärmt wird. Im Bereich des Brennfleckes 5 ergibt sich außerdem durch den Staudruck des Freiistrahles ein Staupunkt 4, in dessen Bereich sowohl der Gaskern 2 als auch der Gasmantel 3 unter Bildung eines Blaseindruckes mit der Tiefe E umgelenkt werden. Dabei tritt der Gaskern 2 des Reaktionsgases während des Abströmens im Bereich des Brennfleckes 5 als dünner Reduktions-Gasfiim R mit hoher Geschwindigkeit in Kontakt mit der Schmelze 1. Nach Maßgabe des Düsenvordruckverhältnisses sowie von Temperatur und Gaszusammensetzung tritt während des Abströmens der Gase eine partielle Vermischung des langsameren Brenngase·; mit dem Reduktionsgas ein. Dabei wird die Übertragung d,";r Wärme vom Brenngas auf das Schmelzbad 1 durch die dünne Reduktionsgasschicht R hindurch sowohl durch Strahlung als auch durch Leitung vollzogen.

Durch Anpassung der Vordrucke sowie der optimalen Düsenstellung-Leistung an die jeweiligen Gaszusammensetzungen Brenngas/Reduktionsgas können die kinetischen und hydrodynamischen Bedingungen für den Stoffübergang an der Phasengrenze optimiert werden. Dies ist ein reiner Routinevorgang. Dabei ergeben sich — wie gesagt — mit der Erfindung überraschende Vorteile dadurch, daß die punktuelle Konzentrierung des Wärmeüberganges im Brennfleck 5 besonders günstige thermodynamische Verhältnisse exakt an derjenigen Stelle hervorruft, an welcher der Stoffübergang zwischen Gas und Schmelze stattfindet. Dies führt im Ergebnis, insbesondere bei endothermen Reduktionsvorgängen, zu einer signifikanten Erhöhung der StoffUhergangigeschwindigkeit mit dem günstigen Neben-Resultat der Einsparung von Reduktionsgasen. Mit anderen Worten: Der Wirkungsgrad des Stoffübergangssystems wird in einem definierten reaktionskinetischen Gleichgewicht optimiert.

Unabhängig von der Art der verwendeten Brenngase können dabei unterschiedliche Reduktionsgase im Brennfleck zur Anwendung kommen, wodurch der Stoffübergang Gas/Schmelze unabhängig von der Wärmezufuhr dem jeweiligen chemischen Zustand der Schmelze ideal angepaßt werden kann.

Wie weiterhin in der Figur rein schematisch angedeutet, besitzt die Lanze einen Düsenkopf 6 mit darin angeordneten, getrennten Zuführungen für die verschiedenen Gase, wobei ein zentrischer Kanal für das Reduktionsgas von einer Anordnung eines oder mehrerer konzentrischer Kanäle für das Brenngas umgeben ist. Da jedoch derartige Düsenköpfe sowie deren konstruktive Ausbildung seit langem zum Stand der Technik gehören, wurde darauf verzichtet, diese im Detail darzustellen.

Für den Fall, daß eine intensive Wärmestrahlung zur unzulässigen Aufheizung der Lanze führen könnte, ist — wie ebenfalls bekannt — vorgesehen, die Lanze durch einen Wasserzwangsumlauf zu kühlen. Die Lanze selbst ist im allgemeinen in senkrechter Richtung beweglich, um den optimalen Abstand zur Schmelze einzustellen, oder um sie aus dein Ofenraum entfernen zu können.

Die im Düsenkopf 6 angeordnete zentrale Reduktionsgasdüse sowie die Anordnung der Brenngasdüsen sind bezüglich ihrer öffnungswinkel 8, 8' sowie bezüglich deren Anstellwinkel 7 so bemessen, daß sich das Brenngas gerade nicht mit dem Reduktionsgas vermischt. Dabei beträgt der Anstellwinkel 7 der Brenngasdüsen das 13- bis 2^fache des Ausbreitungswinkels 8.
Am Beispiel der Reduktion vom sauerstoffhaltigen

Iu Kupfer mittels reduzierender Gase bzw. Gasgemische zur Herstellung von Anoden oder Halbzeugkupfer läßt sich die Erfindung besonders eindrücklich erläutern.

Bei der Verwendung von reinem Reduktionsgas gemäß dem Stand der Technik wird die Schmelze im Auftreff-Feld des Gasstrahles abgekühlt, weil die Gase infolge der adia bauschen Expansion in der Düse relativ kalt sind, und teilweise vor der Reaktion noch zur Kräckung benötigte Wärme der Umgebung und damit dem Schmelzbad entziehen. Würde man jedoch versuchen, die benötigte Wärmemenge durch Zuführung von Brenn-Sauerstoff auszugehen, so ginge das Reaktionspotential des Reduktionsgase; und damit die Reduktionsgeschwindigkeit erheblich zurück.
Dagegen verhindert die Aufblastechnik nach der

Erfindung die Abkühlung der Schmelze im Brennfleck und ermöglicht im Gegenteil durch Temperaturerhöhung günstigere Voraussetzungen für die Reaktion, und damit Reduktionswirkungen mit vergleichsweise geringeren Mengen von Reduktionsgas.

Auf diese Weise lassen sich N E-Metall-Schmelzen mit relativ niedrigen Dampfdrücken, beispielsweise Kupfer oder Zinn, welche Verunreinigungen mit höheren Dampfdrücken enthalten, wie beispielsweise Blei oder Wismut, mit heißen, neutralen bis reduzierenden Gasgemischen raffinieren. Auch für diese metallurgischen Vorgänge kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil eingesetzt werden.

Ebenfalls können mit heißen, reduzierenden Flammen mit Hilfe der Erfindung die in Schlacken oxydiert vorliegenden NE-Nutzmetalle bis zu außergewöhnlich niedrigen Gehalten herausreduziert werden. Dabei werden diese Nutzmetalle entweder unter der Schlacke schmelzflüssig gesammelt oder mit Hilfe der Temperaturerhöhung verflüchtigt, wobei eine wirksame Abtren-

4-> nung dieser flüchtigen Bestandteile aus der flüssigen Schlacke dadurch ermöglicht wird, daß im Brennfleck an der Phasengrenze genau einstellbare Sauerstoff-Partialdrücke herrschen, um eine zu früh erfolgende Rückoxydation zu vermeiden.

v> Vielfach enthalten NE-metallurgische Schlacken relativ hohe Anteile an gebundenem Eisen, beispielsweise in Form von FeO, welches als ein zähigkeitsvermindernder Bestandteil wirkt Oxydierende Behandlung der S-jhlacke bei zu niedrigen Temperaturen sowie

Ί5 geringer Konvektion ergeben eine erhöhte Bildung Von Magnetit, Fe₃O₄, welches die Löslichkeil; für einige Metalloxyde erhöht und die Zähigkeit der Schlacke verstärkt. Weil aber zähe Schlacke ein ungünstiges Trennverhalteii in Bezug auf eine nutzmetallhaltige Phase, wie beispielsweise Metall oder Stein aufweisen, ergeben sich hierdurch hohe Metallverluste, Mit einer reduzierenden Behandlung der Schlacke Lei hohen Temperaturen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher der Magnetitgehalt leicht steuerbar und lassen sich daher die genannten Verluste auf ein Minimum reduzieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Reduktion und Erwärmung von Metallschmelzen durch Aufblasen von Gasen, bei dem aus mindestens einer zentralen Düse und einer oder mehreren konzentrischen Düsen die Gase mit unterschiedlichen Drücken unter Bildung eines Gaskernes und eines Gasmantels divergierend austreten und auf die Metallschmelze auftreffen, dadurch gekennzeichnet, daß für den to Gaskern ein Reduktionsgas und für den Gasmantel ein Brenngas verwendet wird, und daß der Anstellwinkel (7) der Brenngasdüsen auf das 1,5—2^-fache des Ausbreitungswinkels (8) des Gaskernes eingestellt wird.