DE2819465C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem, Kohlenstoff im Bereich von 1 bis 2% enthaltendem Roheisen für die Stahlherstellung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von flüssigem, Kohlenstoff im Bereich von 1 bis 2% enthaltenden Roheisen für die Stahlherstellung der im Oberbegriff des Anspruchs 5 angegebenen Gattung.

Ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung gehen aus der US-PS 40 07 034 hervor, wobei ein feuerfest ausgekleideter Direktreduktionsofen mit einem oberen Einlaß und einem unteren Auslaß vorgesehen ist; an den Einlaß des Direktreduktionsofens sind Einrichtungen zur Zuführung von Eisenoxid enthaltendem Erz in Form von Brocken, Briketts, Pellets oder anderen Agglomeraten sowie schlackenbildenden Zusätzen angeschlossen; in diesem Direktreduktionsofen werden die Erze mittels eines reduzierenden Gases erwärmt und die Eisenoxide reduziert. An den Auslaß des Reduktionsofens ist eine feuerfest ausgekleidete, vertikale Schmelzeinheit für das Einschmelzen des reduzierten Eisens durch die Wärme aus der Reaktion eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas angeschlossen; im unteren Bereich der Schmelzeinheit befindet sich ein Herdraum, wobei das Abgas der Schmelzeinheit über eine Leitung dem Direktreduktionsofen als Reduktionsgas zugeführt wird.

Eine ähnliche Vorrichtung geht noch aus der US-PS 40 19 895 hervor, wobei der Reduktions- und Schmelzstufe zusätzliche Energie mittels eines gasförmigen Energieträgers zugeführt wird; das die Vorreduktionsstufe verlassende Gas wird als Brennstoff für die Vorwärmung des ankommenden oxidischen Materials benutzt.

Nachteilig ist bei dem bekannten Verfahren der relativ große Energieaufwand, verursacht durch die schlechte Ausnutzung der vorhandenen Wärmeenergie.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von flüssigem Roheisen für die Stahlherstellung der angegebenen Gattung zu schaffen, die mit relativ geringem Wärmeaufwand betrieben werden können, d. h., daß der Bedarf an thermodynamischer Energie gering sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. bei der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 4 und 6 bis 8 definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß sich durch die beanspruchten Maßnahmen eine Verringerung des Gesamtenergiebedarfes, im Vergleich mit dem Verfahren nach der US-PS 40 07 034 bis zu 30% ergibt, und zwar einschließlich der Energie, die für die Reduzierung des Eisenerzes benötigt wird. Dies ist auf die direkte Ausnutzung des Abgases der Schmelzeinheit in unbehandelter Form als reduzierendes Gas in dem Direktreduktionsofen zurückzuführen, was wiederum dadurch ermöglicht wird, daß außerhalb des Herdraumes der Schmelzeinheit durch Verbrennung ein Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes, reduzierendes Gas erzeugt wird. Die bekannte Behandlung des Abgases der Schmelzeinheit, die für seine Verwendung als Reduktionsgas für den Direktreduktionsofen erforderlich war, war mit einem konstruktiven und auch wärmetechnischen Aufwand verbunden, der nun vermieden werden kann.

Das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltende, reduzierende Gas wird durch Verbrennung von Erdgas erzeugt, das einen großen Anteil an Methan (CH₄) enthält. Die endothermen Reaktionen bei der entsprechenden Reaktion sind:

CH₄ + CO₂ → 2 CO + 2 H₂ und
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂.

Wird Kohlenmonoxid als gasförmiges Reduktionsmittel eingesetzt, so läuft die Nettoreaktion mit Hämatit nach der folgenden Gleichung ab:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂.

Dies ist eine exotherme Reaktion.

Dient als gasförmiges Reaktionsmittel Wasserstoff, so ergibt sich eine endotherme Nettoreaktion, die sich durch die folgende Gleichung ausdrücken läßt:

Fe₂O₃ + 3 H₂ → Fe + 3 H₂O.

Die angegebenen Reaktionen definieren die theoretisch minimale Menge der zur Reduzierung des Eisenoxids erforderlichen Reduktionsgase. Bei der direkten Gasreduktion von Erzen mit Hämatit (Fe₂O₃) und Magnetit (Fe₂O₄) werden die höheren Oxide fortschreitend reduziert, so daß Eisen (Fe), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser entstehen.

Zusätzlich zur Reduktion wird auch das Eisen aufgekohlt, und zwar im allgemeinen in einem Bereich von 1 bis 1,5%; die Aufkohlungsreaktion läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrücken:

3 Fe + 2 CO → Fe₃C + CO₂.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Kombination der Direktreduktion mittels eines reduzierenden Gases mit einer mit einem reduzierenden Gas arbeitenden Schmelzeinheit und mit einem Frischofen zur Erzeugung eines Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt,

Fig. 2 ein ähnliches Blockdiagramm wie Fig. 1, jedoch einer Kombination der Direktreduktion mit einer Schmelzeinheit und einem Frischofen, wobei das vorreduzierte Eisen vor der Zuführung in die Schmelzeinheit gekühlt wird,

Fig. 3 ein Diagramm mit einer Kurvendarstellung der Schmelzgeschwindigkeit der Schmelzeinheit als Funktion des Anteils an vorreduziertem Eisen in der der Schmelzeinheit zugeführten Charge,

Fig. 4 ein Diagramm mit einer Kurvendarstellung der für die Stahlherstellung erforderlichen Energie als Funktion des Anteils an vorreduziertem Eisen in der Charge der Schmelzeinheit, und zwar für ein kommerzielles Verfahren und für das erfindungsgemäße Verfahren,

Fig. 5 ein Diagramm mit einer Darstellung der prozentualen Energieeinsparung durch das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich mit einem kommerziellen Verfahren als Funktion des Anteils an vorreduziertem Eisen in der Charge,

Fig. 6 eine Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von flüssigem Roheisen für die Stahlherstellung, wobei dem Direktreduktionsofens sowohl Schrott als auch Erze zugeführt werden, und

Fig. 7 eine Ansicht einer Vorrichtung, bei der Schrott, schlackenbildende Zusätze und andere Zusätze direkt der Schmelzeinheit zugeführt werden.

In Fig. 1 ist durch das Bezugszeichen 10 ein Direktreduktionsofen angedeutet, der mit einem reduzierenden Gas arbeitet. Eine Beschickungsbühne 12 nimmt vorreduziertes Roheisen, Schrott, Kalkstein und Koks auf; eine Schmelzeinheit 14 ist auf Betrieb mit einem reduzierenden Gas und auf die Erzeugung eines Abgases ausgelegt, das reich an Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) ist. Der für die Verbrennung in der Schmelzeinheit 14 und zum Frischen in einem Ofen 16 erforderliche Sauerstoff wird von einer Sauerstoffquelle 18 aus zugeführt.

Ein Teil des Gichtgases aus dem Direktreduktionsofen 10 wird in einer Gasaufbereitungseinrichtung 20 aufbereitet und dann im Umlauf dem Direktreduktionsofen 10 zugeführt. Der Rest des Gichtgases aus dem Direktreduktionsofen 10 strömt durch eine Energierückgewinnungsheinheit 22 und wird dann zur Atmosphäre abgelassen.

Zum leichteren Verständnis wird die schematisch in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform anhand eines Betriebsablaufes beschrieben, bei dem im wesentlichen gleiche Mengen von Gußeisen, Schrott und vorreduziertem Eisen geschmolzen und gefrischt werden, wobei 107 kg Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt entstehen. In Abwandlung hiervon kann jedoch der Anteil an vorreduziertem Eisen zwischen etwa 30 und 100% der Charge ausmachen, während der Schmelzeinheit auch Eisen enthaltende Erze wie Gußeisen, Schrott, Stahlschrott oder ein Gemisch hiervon zugeführt werden.

Obwohl der eigentliche Verfahrensablauf mit der Reduktion des Erzes in dem Direktreduktionsofen 10 beginnt, hängen die einzelnen Schritte im wesentlichen von der Schmelzeinheit 14 ab, so daß zur Vereinfachung der Beschreibung zunächst auf die Schmelzeinheit 14 eingegangen werden soll.

Als Schmelzeinheit 14 wird ein Kupolofen benutzt; diese Schmelzeinheit 14 ist mit Brennern ausgerüstet, die Sauerstoff und Erdgas oder (Heiz)Öl bei etwa der Hälfte des stöchiometrischen Verhältnisses für die Erzeugung eines reduzierenden Gases in dem Kupolofen sowie von Abgas, das reich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid ist, verbrennen können. Zur Erzeugung einer amerikanischen Tonne (907,2 kg) Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wird die Beschickungsbühne 12 der Schmelzeinheit 14 mit vorreduziertem Eisen 24 und Schrott 26 beschickt. Das vorreduzierte Eisen 24, das beispielsweise aus Midrex-Pellets bestehen kann, hat einen Kohlenstoffgehalt von etwa 1,0% und ein Gewicht von etwa 498 kg. Die Schrottcharge 26 enthält 481 kg Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 3,5%, 39,5 kg Kalkstein und 9,98 kg Koks. Die Schrottcharge 26 ist kalt; das vorreduzierte Eisen 24 ist jedoch vorzugsweise so warm, wie es aus dem Direktreduktionsofen 10 erhalten wird.

Brennstoff 28, vorzugsweise Erdgas aus im wesentlichen Methan (CH₄), und Sauerstoff werden gemischt und in den Kupolbrennern verbrannt. Gleiche Mengen, in diesem Fall etwa 192,1 Nm³ Methan und Sauerstoff werden verbrannt zur Erzeugung von Wärme und eines reduzierenden Gases in dem Kupolofen gemäß der Reaktion:

CH₄ + O₂ → [CO, CO₂, H₂, und H₂O]

In der Kupolofencharge treten mehrere Reaktionen zusätzlich zum Schmelzen des in dem Schrott und dem Erz enthaltenen Eisens auf. Dazu gehören:

CaCO₃ → CaO + CO₂
CaO + SiO₂ → CaSiO₃
C + CO₂ → 2 CO
C + H₂O → H₂ + CO

Als Ergebnis dieser Reaktionen bilden die in dem Erz enthaltene Gangart, Koks und Kalkstein etwa 64,4 kg einer geschmolzenen Schlacke, welche aus dem Kupolofen abgezogen werden kann; das Eisen aus dem Schrott und dem Erz bildet annähernd eine amerikanische Tonne Roheisen, welches etwa 2,3% Kohlenstoff enthält. Zusätzlich entsteht Abgas aus Wasser (H₂O), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) im Kupolofen 14 mit einer Temperatur von annähernd 1100°C. Die annähernde Zusammensetzung des Abgases des Kupolofens ist wie folgt:

GasNm³/amerikanische Tonne Stahl

H₂O27,5% CO27,5% H₂39,2% CO₂ 5,8%

Obwohl das Abgas des Kupolofens reich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid ist, die beide als reduzierendes Gas wirksam sind, enthält es auch Wasserdampf und Kohlendioxid, wodurch die Reduktion gehemmt werden kann. Die Reduktion von Erz kann im Vergleich mit dem Oxidzustand als vierstufiges Verfahren betrachtet werden, bei dem das Erz von Hämatit (Fe₂O₃) über Magnetit (Fe₃O₄), Wüstit (FeO) fortschreitend in Eisen (Fe) umgewandelt wird. Wenn die reduzierenden Gase Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind, können die kombinierten Reaktionen wie folgt dargestellt werden:

Bei Temperaturen unter 560°C ist Wüstit (FeO) unstabil; die Reduktion von Fe₃O₄ führt wie folgt direkt zu Fe:

Wenngleich jedoch das Gleichgewicht für die Reduktion von Hämatit zu Magnetit derart ist, daß bei allen Temperaturen entweder CO oder H₂ sehr wirksam ist, wird das Gleichgewicht für die nachfolgenden Reduktionsstufen weniger günstig und hängt sowohl von der Temperatur als auch dem Verhältnis CO₂/CO und H₂O/H₂ ab. Wenn K₁ als Gleichgewichtskonstante für die Reduktion von Eisenerz durch CO und K₂ als Gleichgewichtskonstante für die Reduktion von Eisenerz durch Wasserstoff bezeichnet werden, dann gilt

Es kann gezeigt werden, daß bei 871°C K₁ kleiner als 0,48 sein muß, um ein reduzierendes Gas aufrechtzuhalten, das jedoch bei Verringerung der Temperatur auf 426,6°C K₁ auf etwa 1,35 erhöht werden kann. Andererseits muß K₂ bei 871°C kleiner als 0,55 sein, während bei absinkender Temperatur auf 426,6°C K₂ auf etwa 0,15 verringert werden muß, um die Reduktionsbedingung aufrechtzuerhalten.

Das Abgas des Kupolofens kann bei 871 bis 426,6°C in den Direktreduktionsofen eintreten und bei 315,6 bis 482°C aus dem Ofen austreten, so daß die Reduktion über einen größeren Temperaturbereich abläuft. Außerdem werden beim Fortschreiten der Reduktion durch die besprochenen Reaktionen sowohl CO₂ und H₂O erzeugt, so daß die Neigung besteht, daß die Werte von K₁ bzw. K₂ sich vergrößern.

Ausgehend von der oben angeführten Zusammensetzung des Abgases des Kupolofens ergeben sich K₁ zu etwa 0,21 und K₂ zu etwa 0,7 entsprechend der folgenden Formel:

Es ist daher ersichtlich, daß die Reduktion des Erzes durch Kohlenmonoxid zwar stark begünstigt wird, jedoch die Reduktion des Erzes über den Magnetit-Oxidationsgrad hinaus gehemmt wird, bis K₂ wesentlich abgesunken ist. Zu diesem Zweck wird das Abgas des Kupolofens in den unteren Bereich 38 des Direktreduktionsofens 10 eingeführt, im Gegenstrom durch den Ofen geführt und am oberen Ende 40 des Ofens 10 abgezogen. Wie unten noch deutlicher erläutert, wird ein Teil des Gichtgases 42 aus dem Direktreduktionsofen in die Luftaufbereitungseinrichtung 20 geführt, wo das Gas gekühlt und derart behandelt, daß ein Teil des Wassers und des Kohlendioxids beseitigt wird, und dann wieder aufgewärmt wird. Das wieder erwärmte und aufbereitete Gas 44 wird mit dem Gasstrom 36 gemischt, welcher aus dem Kupolofen 14 austritt, und wieder in den Direktreduktionsofen 10 bei 38 eingeführt. Als Ergebnis der Abfuhr wesentlicher Mengen von Wasser und Kohlendioxid in der Aufbereitungseinrichtung 20 können die Werte für K₁ und K₂ gut unter 0,4 bzw. 0,5 gehalten werden, so daß die Reduktion der Eisenoxide sowohl durch Wasserstoff als auch Kohlenmonoxid innerhalb des Direktreduktionsofens 10 stattfindet.

Zusätzlich zu den oben angegebenen Reduktionsreaktionen wird das reduzierte Eisen in dem Ofen auf etwa 1,0% Kohlenstoff gemäß der Gleichung aufgekohlt:

3 Fe + 2 CO → Fe₃C + CO₂

Die Temperaturverhältnisse innerhalb des Ofens 10 müssen eng eingeregelt werden, um die Reduktionsgeschwindigkeit auf einem Maximum zu halten; jedoch müssen die Temperaturen insbesondere in den unteren Bereichen des Ofens begrenzt werden, so daß Sintern oder Agglomerieren des reduzierten Erzes verhindert wird. Dies kann teilweise dadurch bewerkstelligt werden, daß die Gasaufbereitungseinrichtung 20 so gesteuert wird, daß die Temperatur des in den Ofen 10 an der Stelle 38 eintretenden Gases auf einem gewünschten Wert gehalten wird. Außerdem kann der Anteil des Gichtgases 42, welcher rezirkuliert wird, so gewählt werden, daß das reduzierende Gas mehrfach durch den Ofen 10 geführt wird. Das genaue Ausmaß der Rezirkulation hängt von der Art und Zusammensetzung des Roherzes 46 und des Abgases 36 des Kupolofens und von dem Betrieb der Gasaufbereitungseinrichtung 20 ab.

Im vorliegenden Beispiel werden 687,7 kg Erz mit 645 kg Hämatit und 42,6 kg Gangart zur Erzielung von 498,4 kg vorreduzierten Roheisen 24 eingesetzt. Der nicht rezirkulierte Teil des Gichtgases 48 aus dem Ofen 10 kann mit Luft und, falls erforderlich, zusätzlichem Brennstoff verbrannt werden, um in der Energierückgewinneinheit 22 die Wärme zu erzeugen, welche erforderlich ist zum Wiedererwärmen des Gichtgases, welches durch die Aufbereitungseinrichtung 20 geführt wird. Der Energieüberschuß, welcher aus dem Gichtgas 48 des Ofens 10 verfügbar ist, kann beispielsweise zur Dampferzeugung verwendet werden.

Wie oben angegeben, hat das aus dem Kupolofen 14 austretende Eisen 34 einen Kohlenstoffgehalt von etwa 2,3% und kann eine Temperatur von mehr als 1371°C haben. Eine weitere Frischung in dem Stahlerzeugungsofen 16 ist erforderlich, um Stahl zu erzeugen mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,1%. Der Ofen 16 ist vorzugsweise ein elektrischer Ofen oder ein Sauerstoffkonverter. Bei den in Fig. 1 gezeigten Komponenten sind etwa 20,4 Nm³ Sauerstoff 50 stöchiometrisch erforderlich, um den Kohlenstoff in dem Eisen 34 von dem Anfangsgehalt von 2,3% auf einen Endgehalt von 0,1% zu oxidieren. Die Reaktion des Sauerstoffs und Kohlenstoffs ist exotherm, so daß die Temperatur des Endstahlprodukts 52 auf die gewünschte Stichtemperatur von etwa 1477°C ansteigt.

Die Energiebilanz für das in Fig. 1 beispielhaft angegebene Verfahren weist aus, daß etwa 2107 kWh in Form von Brennstoff (Erdgas) und 352 kWh elektrisch zur Erzeugung des zur Verbrennung und Raffinierung erforderlichen Sauerstoffs vorhanden und etwa 193 kWh als elektrische Leitung zur Aufbereitung des Gases und für den Betrieb von Gebläsen und Blaseinrichtungen erforderlich ist. Die Gesamtenergie pro amerikanische Tonne Stahl bei dem vorliegenden Verfahren beträgt etwa 2652 kWh.

Fig. 3 ist ein Kurvenschaubild, welches das Verhältnis zwischen der Schmelzgeschwindigkeit des Kupolofens und dem prozentualen Anteil an vorreduziertem Eisen in der Charge zeigt. Die Linien 54 und 56 repräsentieren einen Bereich von Versuchsdaten in einem Kupolofen mit Brennern, die zur Erzeugung eines reduzierenden Gases in dem Kupolofen und von an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reichem Abgas dienten. Im allgemeinen zeigen diese Daten an, daß mit dem Anstieg des prozentualen Anteils an vorreduziertem Eisen in der Kupolofencharge die Schmelzgeschwindigkeit abnimmt. Diese Daten sind entsprechend als Linien 58 und 60 umgerechnet auf Werte, die den Prozentsatz der Schmelzgeschwindigkeit in einem Kupolofen zeigen, welcher ohne vorreduziertes Eisen in der Charge betrieben wird. Die Linie 62 ist aus Fig. 1 des Aufsatzes "The Use of Sponge Iron in Foundries" auf Seite 53 der Ausgabe September 1976 von "Modern Casting" entnommen und zeigt Ergebnisse, welche ähnlich denen sind, die bei dem hier beschriebenen Verfahren durch die Wirkung von vorreduziertem Eisen auf die Schmelzraten des Kupolofens erhalten werden.

Die Kurve 64 gründet sich auf die Schmelzratendaten der Kurve 54 für einen Kupolofen, welcher bei der Hälfte des stöchiometrischen Verhältnisses von Sauerstoff und Brennstoff betrieben wurde, um ein reduzierendes Gas und an CO und H₂ reiches Abgas zu erzeugen. Die Kurve 64 demonstriert, daß eine ausreichende Menge Abgas erzeugt werden kann, um die Reduktion des Erzes unter jeder gewünschten Beschickungsbedingung zu bewirken. Die Kurve 64 belegt weiter, daß etwa 75% des Abgases, welches in dem Kupolofen erzeugt wird, erforderlich ist, um eine ausreichende Erzmenge zu reduzieren; diese bildet 50% des Einsatzes des Kupolofens. Wie oben ausgeführt, kann der Rest des Abgases dann verbrannt werden, um die Energie zur Aufbereitung des Gichtgases aus dem Ofen zu erbringen. Wenn der Kupolofen bei einer geringeren Schmelzrate als die, welche durch die Kurve 66 definiert ist, betrieben wird, ist ein geringerer Anteil des Abgases erforderlich zur Reduktion des Erzes, d. h., ein Überschuß an Energie in der Form von Gichtgas aus dem Ofen wird verfügbar.

Fig. 4 zeigt ein Kurvenbild, welches energiemäßig einen Vergleich des hier beschriebenen Verfahrens mit einem handelsüblichen, mit Direktreduktion arbeitenden Stahlerzeugungsprozeß, an den sich ein Schmelz- und Frischvorgang in einem elektrischen Lichtbogenofen anschließt, für verschiedene Prozentzahlen von vorreduziertem Eisen in der Charge darstellt. Die Kurve 68 zeigt die zur Erzeugung von Stahl durch Direktreduktion und zum Betreiben eines elektrischen Lichtbogenofens mit zwischen 0 und 100% vorreduziertem Eisen als Charge erforderliche Energie. Es ist ersichtlich, daß bei 0% vorreduziertem Eisen in der Charge des Elektro-Ofens die erforderliche Energie etwa 1465 kWh/amerikanische Tonne beträgt, während bei 100% vorreduziertem Eisen in der Charge die erforderliche Energie etwa 5685 kWh/amerikanische Tonne beträgt.

Die Kurve 70 repräsentiert das hier beschriebene Verfahren bei dem das Abgas aus der Kupol-Schmelzeinheit die zur Reduktion des Erzes erforderlichen Gase liefert. Die Daten aus Fig. 4 sind in umgezeichneter Form in Fig. 5 eingetragen, um die typischen Energieeinsparungen in Prozent zu zeigen, welche mit dem vorliegenden Verfahren im Vergleich mit einem handelsüblichen Verfahren erzielbar sind. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß das vorliegende Verfahren zu Energieeinsparungen von etwa 30% für eine Charge mit etwa 50% vorreduziertem Eisen führt.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Vorrichtung, in welcher das Verfahren entsprechend Fig. 1 durchgeführt werden kann. Derjenige Teil der Vorrichtung, welcher die Schmelzeinheit bildet, ist insgesamt mit 72 bezeichnet, während die Beschickungsbühne bei 74 und der Direktreduktionsofen bei 76 gezeigt sind. Die Schmelzeinheit 72 und die Beschickungsbühne 74 sind in einem insgesamt zylindrischen Stahlmantel 78 ausgebildet, welcher mit einem geeigneten feuerfesten Material 80 ausgekleidet ist. Zusätzliches feuerfestes Material 32, vorzugsweise in der Form von geformten Ziegeln, ist innerhalb des feuerfesten Materials 80 angeordnet, so daß ein Herdraum 84, ein Schmelzbereich 86 und ein die Charge erhaltender Beschickungsbereich 88 entstehen. Mit dem Herdraum 84 stehen mehrere Brennkammern 90 in Verbindung, in denen sich Brenner 92 befinden. Die Brenner 92 sind ausgelegt auf die Verbrennung eines an Brennstoff/Sauerstoff reichen Gemisches, so daß Verbrennungsprodukte erzeugt werden, welche reich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind.

Eine Ausgußrinne 94 steht mit dem Herdraum 84 etwa oberhalb seines Bodens in Verbindung, so daß das geschmolzene Eisen aus der Schmelzeinheit einem Sauerstoffkonverter oder einem elektrischen Ofen (nicht gezeigt) für das weitere Frischen zur Stahlerzeugung zugeführt wird. Das eine Ende eines mit feuerfestem Material ausgekleideten zusätzlichen Einlaufkanals 96 steht in Verbindung mit der Beschickungsbühne 74, während sein anderes Ende mit einem zusätzlichen Beschickungstrichter 98 über ein Gasabdichtventil 100 verbunden ist. Das ausladende Ende des zusätzlichen Beschickungstrichters 98 ist ebenfalls mit einem gasdichten Verschluß 102 ausgestattet. Zuschläge aus Eisen- oder Stahlschrott, Koks, Kalkstein und Flußmittel können in den Beschickungstrichter 98 eingeführt und in die Beschickungsbühne 74 eingebracht werden.

Der Direktreduktionsofen 76 enthält einen im allgemeinen zylindrischen Stahlmantel 104 mit einer feuerfesten Auskleidung 106 und steht mit der Beschickungsbühne 74 über einen feuerfest ausgekleideten konvergierenden Abschnitt 108 und eine Öffnung 100 in Verbindung. Wenigstens eine Öffnung 113 ist im oberen Bereich des Direktreduktionsofens 76 für den Austritt von Gas ausgebildet. Außerdem ist wenigstens eine Öffnung 115 in der Beschickungsbühne 74 vorgesehen, so daß aufbereitetes Gas aus dem Direktreduktionsofen 76 in den Bereich 88 der Beschickungsbühne 74 und dann durch die Öffnung 110 und den Innenraum 112 des Ofens 76 rezirkuliert werden kann. Es können auch frische reduzierende Gase den aufbereiteten Gasen zugesetzt werden, falls dies gewünscht wird.

Das obere Ende des Direktreduktionsofens 76 ist abgeschlossen mittels eines Beschickungstrichters 114, welcher mit geeigneten Gasdichtungen (nicht gezeigt) ausgestattet ist.

Geeignete Mengen Erz werden in den Direktreduktionsofen 76 für die Reaktion mit den reduzierenden Gasen und die Erzeugung vorreduzierten Eisens eingeführt, welches dann in den Beschickungsbereich 88 zusammen mit der gewünschten Menge von Schrott, Flußmitteln und Zuschlägen gebracht wird, um den Einsatz für die Schmelzeinheit 72 zu bilden. In dem Herdraum der Schmelzeinheit werden Temperaturen im Bereich von 1649 bis 2204°C erzeugt, um die Charge zu schmelzen und einen Sumpf aus Roheisen 116 zu bilden, welches für die Weiterverarbeitung zu Stahl geeignet ist.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, hat der Herdraum 84 der Schmelzeinheit einen kleineren Durchmesser als der Schmelzbereich 86 der Schmelzeinheit, so daß eine Umfangsschulter 118 entsteht, die das Beschickungsmaterial in der Schmelzeinheit trägt. Durch diese eine kuppelartige Verbrennungskammer wird die Gefahr vermieden, daß festes Material in das Schmelzbad 116 fällt und diese möglicherweise abkühlt und verfestigt. Das Schmelzbad 116 ist ein wesentlicher Teil der Gestaltung des Herdraums der Schmelzeinheit, derart, daß es den feuerfesten Boden der Schmelzeinheit abdeckt und gleichzeitig Wärme aus den gasförmigen Verbrennungsprodukten absorbiert. Außerdem wird durch das Zurückhalten einer Menge geschmolzenen Eisens in dem Schmelzbad eine Reaktion der Flußmittel und anderer Zugabemittel mit der Schlacke begünstigt und die gewünschten Schlacke-Eisen-Reaktionen beschleunigt.

Die Brennkammern 90 enden mit ihren inneren Enden in verengten Abschnitten 120, in welchen die Geschwindigkeit der Verbrennungsprodukte vergrößert wird, so daß ein Gasstrahl entsteht, der in den Herdraum 84 eindringen kann; dadurch wird ein Hochturbulenzbereich erzeugt, in welchem der Wärmeübergang zu dem Beschickungsmaterial und dem Schmelzbad 116 begünstigt wird.

Fig. 2 zeigt in Form eines Blockdiagramms eine Abwandlung des Verfahrens nach Fig. 1. Der Hauptunterschied liegt im Verfahrensschritt 11, bei welchem das vorreduzierte Eisen bei seinem Austritt oder unmittelbar nach seinem Austritt aus dem Direktreduktionsofen 10 auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Durch die Verwendung dieser Technik ist die Betriebsgeschwindigkeit des Ofens 10 nicht direkt an den Betrieb der Schmelzeinheit 14 gebunden, so daß es möglich ist, näher bei der vollen Reduktionskapazität des Abgases zu arbeiten und dadurch die Produktion an vorreduziertem Eisen zu vergrößern. Durch das Abkühlen des Anteils an vorreduziertem Eisen in der Charge der Schmelzeinheit geht die nutzbare Wärme des vorreduzierten Eisens verloren und muß in der Schmelzeinheit durch Verbrennung einer zusätzlichen Brennstoffmenge ausgeglichen werden. Hierdurch wird zwangsläufig die erforderliche Gesamtenergie erhöht und daher der Wirkungsgrad etwas verringert.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung unterscheidet sich von der nach Fig. 7 dadurch, daß die Beschickungsbühne 74 und die zugeordneten zusätzlichen Kanäle und der zusätzliche Beschickungstrichter fehlen. Die entsprechenden Teile aus Fig. 7 sind in Fig. 6 mit denselben entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet und dienen in beiden Ausführungsformen der Vorrichtung zu denselben Zwecken. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 werden die erforderlichen Mengen an Schrott, Flußmittel oder anderen Zusätzen zusammen mit dem Erz in den Direktreduktionsofen 76 durch den Beschickungstrichter 114 eingebracht. Der Schrott, die Flußmittel und die anderen Zusätze werden in dem Direktreduktionsofen 76 vorgeheizt, also nicht in den oberen Bereichen der Schmelzeinheit 72. Daher ist die Temperatur des Abgases der Schmelzeinheit etwas höher als die Temperatur bei der Ausführungsform nach Fig. 7. Wie oben erwähnt, ist es erforderlich, die maximale Temperatur des Abgases der Schmelzeinheit zu begrenzen, um das Versintern oder Agglomerieren der Charge innerhalb des Reduktionsofens 76 zu verhindern.

In den Fig. 1 und 2 ist angegeben, daß das Eisenerz in den Reduktionsofen 10 eingeführt wird, während der Schrott, d. i. die Eisen enthaltenden Materialien, und andere Zusätze einschließlich Koks, Kalkstein und Flußmittel in den den Einsatz aufnehmenden Teil der Schmelzeinheit 14 eingeführt werden. Es ist ersichtlich, daß wie in Fig. 6 gezeigt, sämtliche Einsatzmaterialien in den Reduktionsofen 10 eingeführt und durch diesen hindurchgeführt werden können, falls dies gewünscht wird. In diesem Fall wird ein Teil des Wärmebedarfs aus der Schmelzeinheit 14 in den Ofen 10 verlagert. Als Ergebnis hiervon ist die Temperatur des aus der Schmelzeinheit 14 austretenden Abgases etwas höher.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von flüssigem, Kohlenstoff im Bereich von 1 bis 2% enthaltendem Roheisen für die Stahlherstellung, bei dem

• a) Eisenoxide enthaltendes Erz in Form von Brocken, Briketts, Pellets oder anderen Agglomeraten sowie schlackenbildende Zusätze einem Direktreduktionsofen zugeführt,
• b) dort mittels eines reduzierenden Gases erwärmt und die Eisenoxide reduziert werden, bei dem
• c) anschließend das reduzierte Eisen in einer Schmelzeinheit durch die Wärme aus der Reaktion eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mit einem sauerstoffhaltigen Gas eingeschmolzen und
• d) das Abgas aus der Schmelzeinheit als Reduktionsgas für den Direktreduktionsofen verwandt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• e) die Verbrennung eines an Brennstoff/Sauerstoff reichen Gemisches, wodurch ein Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes reduzierendes Gas erzeugt wird, außerhalb des Herdraumes der Schmelzeinheit erfolgt und daß
• f) das Abgas aus der Schmelzeinheit direkt in unbehandelter Form dem Direktreduktionsofen zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Schmelzeinheit zugeführte, reduzierte und aufgekohlte Eisen in einer Menge von 30 bis 70%, insbesondere 40 bis 60%, und der Rest Schrott der der Schmelzeinheit zugeführten Charge eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des reduzierenden Gases dem Abgas aus der Schmelzeinheit Wasserstoff, Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthaltendes Gichtgas aus dem Direktreduktionsofen zugesetzt wird, daß das Eisen in dem Direktreduktionsofen durch Reaktion mit einem Teil des in dem Gichtgas und dem Abgas enthaltenen Kohlenmonoxids in dem Reduktionsofen zu Eisencarbid aufgekohlt wird, daß ein Teil des Gichtgases von dem Direktreduktionsofen zur Entfernung von Wasser und Kohlenmonoxid gekühlt und aufbereitet wird und daß dieser Teil des Gichtgases erneut erwärmt wird, bevor er zusammen mit dem Abgas von der Schmelzeinheit wieder dem Direktreduktionsofen zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zur Wiedererwärmung des aufbereiteten Gichtgases erforderlichen Wärmemenge durch die Verbrennung des anderen Teils des Gichtgases mit einem Oxidationsmittel erzeugt wird.

5. Vorrichtung zur Herstellung von flüssigem, Kohlenstoff im Bereich von 1 bis 2% enthaltendem Roheisen für die Stahlherstellung

• a) mit einem feuerfest ausgekleideten Direktreduktionsofen mit einem oberen Einlaß und einem unteren Auslaß,
• b) mit an den Einlaß angeschlossenen Einrichtungen zur Zuführung von Eisenoxide enthaltendem Erz in Form von Brocken, Briketts, Pellets oder anderen Agglomeraten sowie schlackenbildenden Zusätzen,
• c) mit einer an den Auslaß angeschlossenen, feuerfest ausgekleideten, vertikalen Schmelzeinheit für das Einschmelzen des reduzierten Eisens durch die Wärme aus der Reaktion eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas,
• d) mit einem Herdraum im unteren Bereich der Schmelzeinheit und
• e) mit einer Leitung für die Zuführung des Abgases der Schmelzeinheit als Reduktionsgas zu dem Direktreduktionsofen,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• f) mehrere Brennkammern (90), die mit dem Herdraum (84) der Schmelzeinheit (72) in Verbindung stehen,
• g) in jeder Brennkammer (90) ist ein Brenner (92) für die Verbrennung eines an Brennstoff/Sauerstoff reichen Gemisches zur Erzeugung eines Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden, reduzierenden Gases angeordnet und
• h) eine Leitung (36) für die Zuführung des Abgases aus der Schmelzeinheit (72) direkt in unbehandelter Form zu dem Direktreduktionsofen (76).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzeinheit (72) einen oberen Schmelzbereich (86) mit größerem Durchmesser als der Herdraum (84) aufweist und daß zwischen dem Herdraum (84) und dem Schmelzbereich (86) eine Schulter (118) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (90) mit dem Herdraum (84) über eine Verengung (120) mit reduziertem Durchmesser zur Erhöhung der Geschwindigkeit der in den Herdraum (84) eintretenden Verbrennungsprodukte in Verbindung stehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzeinheit (72) in der Nähe ihres oberen Endes einen Beschickungsbereich (88) aufweist, der über den Schmelzbereich (86) mit dem Herdraum (84) verbunden ist, und daß der Beschickungsbereich (88) über einen Einlaufkanal (96) an eine Zuführeinrichtung (98) für Schrott, Flußmittel und Zuschläge angeschlossen ist.