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"Verfahren zur Erzeugung von Stahl"
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(Zusatz zu Patentanmeldung P 28 38 983.5-24) Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Stahl im Konverter, bei dem einer Schmelze
kohlenstoffhaltige Brennstoffe, insbesondere in Pulverform, und Sauerstoff unterhalb
der Badoberfläche zugeführt werden, wobei der Sauerstoff zusätzlich in Form eines
Freistrahls auf die Badoberfläche geblasen wird, nach Patentanmeldung P 28 38 983.5-24.
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Gemäß dem Verfahren nach der genannten, älteren Patentanmeldung werden
die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, die man der Schmelze zuführt, mit hohem wärmetechnischem
Wirkungsgrad von ca. 30 %, bezogen auf die C02-Verbrennung, ausgenutzt. Das höhere
Wärmeangebot gegenüber der bekannten Verbrennung zu CO beim Einleiten kohlenstoffhaltiger
Brennstoffe in die Schmelze, kommt durch die teilweise Nachverbrennung der CO-Reaktionsgase
im oberen Konverterraum und Rückführung der gewonnenen Wärme an die Schmelze zustande.
Weiterhin gehört es zu den Vorteilen dieses bekannten Verfahrens, die Anzahl der
Sauerstoffeinleitungsdüsen unterhalb der Badoberfläche zu verringern. Damit wird
einmal der Verbrauch von Düsenschutzmedium, absolut gesehen, geringer und zum anderen
das Angebot von Wasserstoff aus dem Düsenschutzmedium an die Schmelze kleiner.
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Bei der Anwendung des eingangs erwähnten Verfahrens, insbesondere
um den Schrottsatz bei der Stahlerzeugung erheblich heraufzusetzen, hat es sich
jedoch in der Betriebspraxis als nachteilig
heratlsg(.stellt, daß
während bestimmter lri.schphasen die Sauerstoffzul'uhr an die Schmelze im Konverter
durch die verringerte Düsenanzahl unterhalb der Badoberfläche zu niedrig ist und
es dadurch zu einer Frischzeitverlängerung kommt, die normalerwei se unerwünscht
ist. Insbesondere zu Beginn der Frischzeit, wenn Kalk zur Schlackenbildung und kohlenstoffhaltige
Brennstoffe zur Erhöhung des Wärmeangebotes in der Schmelze durch die Düsen unterhalb
der Badoberfläche eingeblasen werden, erweist sich die Sauerstoffblasrate als unzureichend,
da der begrenzte Blasquerschnitt durch das Fördern der Feststoffe teilweise belegt
ist.
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Andererseits würde aber eine Erhöhung der Düsenanzahl, z.B. wie sie
ein Sauerstoffdurchblaskonverter aufweist, auch die bekannten Nachteile der Kohlenwasserstoffzufuhr
und den daraus resultierten gesteigerten Wasserstoffgehalten im Stahl mit sich bringen.
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Zumal die verringerte Düsenanzahl ohne oder bei gedrosselter Brennstoffzufuhr
und in den brennstoff-förderfreien Frischperioden, insbesondere im letzten Drittel
der Frischzeit, vollkommen ausreicht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach
der älteren Patentanmeldung dahingehend weiter auszugestalten, daß unter Beibehaltung
der reduzierten Anzahl von Düsen untcrhalb der Badoberfläche in einem Konverter,
das Einleiten von yemahlenen Feststoffen, wie Schlackenbildner oder kohlenstoffhaltige
Brennstoffe, in der gewünschten Menge unterhalb der Badoberfläche ohne Verminderung
der Sauerstoffzufuhr an die Schmelze erfolgt und die Verbreniiurig der kohlenstoffhaltigen
Brennstoffe mit dem hohen warmetechisehen Wirkungsgrad gemäß der älteren Patentanmeldung
abläuft.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß nach dem eingangs erwähnten
Verfahren der älteren Patentanmeldung erfindungsgemäß der Sauerstoff der Schmelze
im Konverter teilweise durch Düsen mit Schutzmediumummantelung unterhalb der Badoberfläche
zugeführt
wird und parallel dazu durch eine wassergekühlte Frischlanze
und gleichzeitig durch eine oder mehrere Düse(n) mit Schutzmediumummantelung, angeordnet
in der Ausmauerung der Konverterseitenwand, mindestens 2 m über der Stahlbadoberjläche,
auf die Schmelze geblasen wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Verbesserung
und Ausgestaltung des Verfahrens nach der deutschen Patentanmeldung P 28 38 983.5-24,
mit der die Anpassungsfähigkeit und Flexibilität dieses Verfahrens bei der Stahlerzeugung
erhöht wird.
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Unter Beibehaltung der verringerten Düsenanzahl unterhalb der Stahlbadoberfläche
werden erfindungsgemäß die Begrenzungen der älteren Patentanmeldung beim Einleiten
von pulverisierten Feststoffen, wie Schlackenbildner und kohlenstoffhaltige Brennstoffe,
in die Schmelze aufgehoben und zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Schlackenbildung,
hauptsächlich in der Anfangsphase des Frischvorgangs, und eine Verkürzung der Gesamtfrischzeit
erreicht.
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Der hohe wärmetechnische Wirkungsgrad von mindestens 30 %, bezogen
auf die C02-Verbrennung der in die Schmelze eingeleiteten kohlenstoffhaltigen Brennstoffe,
wie beispielsweise pulverisierte Kohle oder Koks, bleibt ebenso uneingeschränkt
erhalten wie die bekannten metallurgischen Vorteile des Sauerstoffdurchblasverfahrens
im Vergleich zum Sauerstoffaufblasprozeß.
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Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
den Sauerstoff auf die Badoberfläche der Schmelze im Konverter gleichzeitig durch
eine bekannte, wassergekühlte Sauerstoffaufblaslanze und durch eine oder mehrere,
im oberen Bereich der Konzerterseitenwand angeordnete Düse(n), die ungefähr auf
das Zentrum der Stahlbadoberfläche ausgerichtet sind, aufzublasen.
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Diese Sauerstoffaufblas- oder Seitenwanddüsen sind vorzugsweise oberhalb
der Konverterdrehzapfen bei senkrechtstehendelll Konverter
(Blasposition)
iii einer Iliihe zwischen 2 m über der ruhenden Stahlbadoberfläche und 0.5 m unterhalb
des Konverterlippringes in der feuerfesten Ausmauerung eingebaut. Die Düsen bestehen
aus zwei konzentrischen Rohren, wobei dts Zentralrohr, abhängig von der Konvertergröße
und der Düsenanzahl, einen Durchmesser von 25 bis 80 mm aufweisen kann und der Ringspalt
meistens eine Breite von 0.5 bis 2 mm hat und ggf. in einzelne Kanäle aufgeteilt
sein kann. Durch diesen Ringspalt strömt das Düsenschutzmedium, vorzugsweise gasförmige
Kohlenwasserstoffe, jedoch haben sich auch Stickstoff, Inertgase, insbesondere Argon,
C02 und CO bewährt.
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Die erforderliche Düsenschutzmediummenge ist für die Seitendüse normalerweise
kleiner als für die Düsen unterhalb der Badoberfläche. In der Praxis wird üblicherweise
mit einer Durchflußmenge von 0.1 bis 2 Gew-%, bezogen auf den Sauerstoff, gearbeitet.
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Gemäß der Erfindung kann das Verfahren beispielsweise so durchgeführt
werden, daß mit Frischbeginn der größte Anteil an der Gesamtsauerstoffmenge durch
die wassergekühlte Frischlanze auf das Bad geblasen wird. Die Frischlanze wird normalerweise
wie beim Sauerstoffaufblasverfaliren gehandhabt, z.B. werden analoge Lanzenpositionen
(Höhe der Lanze iiber der Stahlbadoberfläche) eingestellt. Die Aufteilung der Gesamtsauerstoffmenge
kann beispielsweise ca. 50 bis 70 % für die Frischlanze, ca. 20 bis 30 % für die
Seitendüse und ca. 10 bis 20 % für die Bodendüsen betragen.
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Zum Beispiel bläst man bei einem 60 t-Konverter mit einer Gesamtsauerstoffrate
von 18 000 Nm3/h, die sich in ca. 11 000 Nm3/h für die wassergekühlte Frischlanze
und je ca. 3 500 Nm3/h für die Bodentiiisnn und die Seitenwanddüse aufteilt.
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E4 liegt irn Sinllo de.4 erfindungsyemißen Verfahrens, die Aufteitung
der gesamten Sauerstoffmenge auf die Bodendüsen, die Seitenwanddüse(n) und die Lanze
während des Frischverlaufes und von Charge zu Charge in weiten Grenzen zu variieren
und damit das
Verfahren an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen
in den einzelnen Stahlwerken anzupassen, beispielsweise mit Rücksicht auf d ie die
Roheisenzusammensetzungen und die gewünschten Schrottsätze. In der Praxis bei der
Stahlproduktion hat es sich herausgestellt, daß ungefähr 5 bis 20 % der Gesamtsauerstoffmenge
durch die Bodendüsen dem Stahlbad zugeführt werden. Obwohl grundsåtzlich nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren bei der Anwendung dieser kombinierten Blastechnik, nämlich
einerseits Sauerstoff mit einer wassergekühlten Lanze und gleichzeitig durch Aufblasdüsen
auf die Badoberfläche zu blasen und andererseits durch Düsen unterhalb der Badoberfläche,
insbesondere im Konverterboden, der Schmelze zuzuführen, keine Grenzen für die Aufteilung
der Gesamtsauerstoffmenge bestehen. Da es aber im Sinne der Erfindung liegt, möglichst
wenig Düsen unterhalb der Badoberfläche einzubauen, deren Gesamtblasquerschnitt
ohne Einschränkung die Zufuhr der pulverisierten Feststoffe (Schlackenbildner und
kohlenstoffhaltige Brennstoffe) ermöglicht, ergibt sich für den üblichen Betriebsfall
der genannte Anteil von ungefähr 5 bis 20 % der Gesamtsauerstoffmenge, der unterhalb
des Badspiegels in die Schmelze geblasen wird als nicht einschränkend anzusehender
Richtwert.
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Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich
die drei Einblaspositionen für den Sauerstoff vereinfacht von ihrer Aufgabe her
folgendermaßen betrachten. Die wassergekühlte Lanze erlaubt ohne besondere Begrenzungen
das Sauerstoffangebot an die Schmelze im Konverter zu variieren, d.h. die Sauerstoffdurchblasrate
läßt sich beliebig wählen, und damit kann die Frischzeit gesteuert werden. Die Fahrweise
der Lanze entspricht im wesentlichen der Technik des Sauerstoffaufblasprozesses.
. Norrnalerweise beginnt man das Frischen mit dem sogenannten harten Blasen, bei
dem sich die Lanze nahe der Stahlbadoberfläche (ca.
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0 bis 0.3 m über der Stahlbadoberfläche) befindet und geht im Verlauf
der Frischzeit zum weichen Blasen über, bei dem die Lanze
etwa 0.8
bis 1.5 m oberhalb der Stahlbadoberflache angeordnet ist.
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Es wird somit auch gleich zu Beginn der Frischzeit eine aktive, heiße
Schlacke eingestellt, die sich beispielsweise günstig auf die Entphosphorung auswirkt.
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Die Sauerstoffzufuhr durch die Bodendüsen kann von der Menge her der
Feststoffzufuhr angepaßt werden, d.h. bei hohen Einblasraten für die Feststoffe,
insbesondere in der ersten Frischperiode bis ungefähr zur Hälfte der Blasezeit,
ist die Sauerstoffzufuhr durch die Bodendüsen normalerweise geringer als in der
zweiten Hälfte der Frischzeit. Aus dem Zusammenwirken des aufgeblasenen Sauerstoffs
durch die Lanze und des über die Düsen unterhalb der Badoberfläche zugeführten Sauerstoffs,
resultiert sehr wahrscheinlich die Summe der Vorteile von dem bekannten Sauerstoffaufblasprozeß
und dem Sauerstoffdurchblasprozeß, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
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Dic Sauerstoffzufuhr über die Aufblasdüse in der oberen Konvertcrseitenwand
beträgt mindestens ca. 20 % und dient sehr wahrscheinlich vorzugsweise zur CO-Nachverbrennung
im Gasraum des Konverters. Durch die beschriebene Anordnung der Düse wirkt der austretende
Gasstrahl im Konverterraum als Freistrahl und saugt dabei beträchtliche Mengen von
Reaktionsgasen aus dem Gasraum des Konverters an und überträgt betriebssicher die
freiwerdende Wärme aus der CO-Nachverbrennung an die Schmelze. Wesentlich ist, daß
der Sauerstoff aus der Seitenwanddüse oberhalb der Badober-I'l.iichc über eine l.ingerc
Laufstrecke als Freistrahl im Konverterrarnn blist. Dieser j?reistrahl saugt grofSc
Mengen der Konverterabgase an. Eine rechnerische Abschätzung ergibt, daß bei diesem
Ansaugen die zwei- bis dreifache Menge der Konverterabgase umgewälzt wird. Die Energieübertragung
an die Schmelze geschieht in diesem Fall vermutlich zu einem großen Teil auf dem
Wege über die freiwerdende Rekombinationsenergie des thermischen Plasmas,
aus
dem der Freistrahl besteht. Für die praktische Anwendung des Verfahrens dürfte es
dariiber hinaus von Bedeutung sein, daß die Temperaturstrahlung des Plasmas durch
den Staubgehalt der Konverterabgase abgeschirmt wird und somit sich überraschenderweise
kein zusätzlicher Verschleiß der feuerfesten Konverterausmaue rung ergibt.
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Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, die Schlackenbildner,
insbesondere den Kalk (CaO), durch die Düsen unterhalb der Badoberfläche der Schmelze
zuzuführen. Üblicherweise wird Staubkalk dem Sauerstoff aufgeladen, so kann beispielsweise
während der Entsilizierungsperiode der gesamte Kalkbedarf zur schnellen Bildung
der Dikalziumsilikatschlacke zusammen mit dem Sauerstoff zugeführt werden. Diese
Arbeitsweise wirkt sich günstig auf die Haltbarkeit der feuerfesten Konverterzustellung
aus. Von Fall zu Fall hat es sich jedoch auch als sinnvoll gezeigt, einen Teil des
Kalkbedarfs als Stückkalk in den Konverter zu chargieren. Zum Beispiel bewährt es
sich unter bestimmten Betriebsbedingungen, zum Frischende Stückkalk der Schlacke
im Konverter zuzusetzen, um die Schlacke abzusteifen und damit Rückphosphor aus
der Schlacke an das Stahlbad zu verhindern.
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Außerdem läßt sich die Schlacke somit besser im Konverter zurückhalten.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es jedoch wichtig, einen wesentlichen Anteil,
darunter sind mindestens 50 % des Gesamtbedarfs zu verstehen, in Form von Staubkalk
dem Sauerstoff der Bodendüsen zuzusetzen. Nur dadurch kann nach den bisherigen Betriebserfahrungen
bei der kombinierten Blastechnik, d.h. der Sauerstoffzufuhr oberhalb und unterhalb
der Badoberfläche in einem Konverter, sicher die Bildung von Schaumschlacke verhindert
werden, und es erfolgt auch bei tiefen Kohlenstoffgehalten in der Schmelze kein
unerwünschter Anstieg der Eisenoxidgehalte in der Schlacke. Zum Beispiel ergeben
sich nach dem Verfahren gemäß der Erfindung bei einem Kohlenstoffgehalt in der Schmelze
von 0.03 % Eisenoxidgehalte in der Schlacke von ca. 13 %, während der Vergleichswert
beim Sauerstoffaufblasprozeß ca. 25 % beträgt.
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CemälS der Erfindung werden die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, beispielsweise
Kohle verschiedener Qualitäten, Graphit, Braunkohlenkoks, Koksgruß und Mischungen
davon, getrocknet und pul verisiert, mit einem sauerstoff-freien Trägergas durch
eine oder mehrere Düsen unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze eingeleitet.
Diese Zugabedüsen für die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe verfügen über besondere
Umschalt-Ventile nach der deutschen Patentanmeldung P 29 49 801.8, die es ermöglichen,
von einer Brennstoff-TrägergasSuspension auf Sauerstoff umzuschalten. Normalerweise
sind nur einige Düsen unterhalb der Badoberfläche für die Brennstoffzufuhr eingerichtet.
Beispielsweise in einem 60 t-Konverter, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben wird, befinden sich fünf Düsen unterhalb der Badoberfläche, und zwei von
diesen fünf Düsen dienen während der ersten Frischphase zum Einleiten der kohlenstoffenthaltenden
Brennstoffe, während in der zweiten Frischphase auch durch diese Düsen Sauerstoff
eingeblasen wird. Das Einleiten der kohlenstoffhaltigen Brennstoffe ist normalerweise
bei Kohlenstoffkonzentrationen von 1 bis 2 % in der Schmelze beendet. Anschließend
reicht die Spülwirkung der CO-Bläschen in der Schmelze nach beendeter Brennstoffzufuhr
aus, um unerwünscht hohe Stickstoffkonzentrationen im Bad abzubauen. Der Stickstoff
wird durch die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe selbst oder bei Verwendung von Stickstoff
als kostengünstiges Trägergas für die Brennstoffe, dem Bad zugeführt.
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Selbstverständlich liegt es auch im Sinne der Erfindung, andere Gase,
beispielsweise CO, C02 und insbesondere Inertgase, wie Argon, als Trägergas für
die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe einzusetzen. Bei besonderen Anforderungen hinsichtlich
niedriger Stickstoff- und Wasserstoffgehalte in der Stahlschmelze kann der Stahl
vor dem Abstich der Charge mit Spülgas, beispielsweise Argon, das man durch die
Bodendüsen der Schmelze zuführt, behandelt werden.
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Die Spülzeiten betragen üblicherweise weniger als 2 Minuten. Zum Beispiel
lassen sich bei einer 60 t-Stahlschmelze durch eine Spülbehandlung
von
1 Minute, mit einer 13lasrate von 75 Nm³/min Argon, der Stickstoffgehalt von 35
ppm auf 10 ppm und der Wasserstoffgehalt von 3.5 ppm auf 1.5 ppm erniedrigen.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, das Verfahren auch dann anzuwenden,
wenn keine kohlenstoffhaltigen Brennstoffe der Schmelze zugeführt werdeii. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn itiS wirtschaftlichen Überlegungen oder aus
anderen Gründen es zweckmäßig erscheint, auf erhöhte Schrottsätze zu verzichten.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich auch dann als vorteilhaft, wenn nur
ein wesentlicher Anteil der Schlackenbildner durch die Bodendüsen in die Schmelze
geleitet wird.
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Es hat sich äußerst überraschend herausgestellt, daß die kombinierte
Blastechnik gemäß der Erfindung aufgrund des besonderen Blasverhaltens es ermöglicht,
die bedeutenden Vorteile des Sauerstoffdurchblasprozesses, insbesondere das hohe
Ausbringen, die niedrigen Eisenverluste über die Schlacke und das Konverterabgas,
das leichte Einstellen tiefer Kohlenstoffgehalte, mit den Vorteilen des Sauerstoffaufblasverfahrens,
hauptsächlich der hohe Schrottsatz, niedrige Wasserstoffgehalte im Stahl, zu vereinen,
ohne sich die Summe der Nachteile beider Prozesse einzuhandeln.