DE3016450C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesse­ rung des wärmetechnischen Wirkungsgrades von festen, kohlen­ stoffhaltigen Brennstoffen bei der Stahlherstellung mit erhöhtem Schrottsatz, bei der die Brennstoffe einer Eisen­ schmelze in einem Konverter zugeführt sowie verbrannt wer­ den und der Sauerstoff gleichzeitig in das Bad und aus ei­ nem Abstand von mindestens 2 m über der ruhenden Badober­ fläche als ein im Gasraum blasender Strahl aufgeblasen wird nach Patent 28 38 983.

Bei dem Verfahren nach dem älteren Patent werden die kohlen­ stoffhaltigen Brennstoffe, die man der Schmelze zuführt, mit hohem wärmetechnischen Wirkungsgrad von ca. 30%, bezo­ gen auf die CO₂-Verbrennung, ausgenutzt. Das höhere Wärme­ angebot gegenüber der bekannten Verbrennung zu CO beim Ein­ leiten kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in die Schmelze, kommt durch die teilweise Nachverbrennung der CO-Reaktions­ gase im oberen Konverterraum und Rückführung der gewonnenen Wärme an die Schmelze zustande. Weiterhin gehört es zu den Vorteilen dieses bekannten Verfahrens, die Anzahl der Sauer­ stoffeinleitungsdüsen unterhalb der Badoberfläche zu verrin­ gern. Damit wird einmal der Verbrauch von Düsenschutzme­ dium, absolut gesehen, geringer und zum anderen das Angebot von Wasserstoff aus dem Düsenschutzmedium an die Schmelze kleiner.

Bei der Anwendung des eingangs erwähnten Verfahrens, insbe­ sondere um den Schrottsatz bei der Stahlerzeugung erheblich heraufzusetzen, hat es sich jedoch in der Betriebspraxis als nachteilig herausgestellt, daß während bestimmter Frischphasen die Sauerstoffzufuhr an die Schmelze im Konver­ ter durch die verringerte Düsenanzahl unterhalb der Badober­ fläche zu niedrig ist und es dadurch zu einer Frischzeit­ verlängerung kommt, die normalerweise unerwünscht ist. Ins­ besondere zu Beginn der Frischzeit, wenn Kalk zur Schlacken­ bildung und kohlenstoffhaltige Brennstoffe zur Erhöhung des Wärmeangebots in der Schmelze durch die Düsen unterhalb der Badoberfläche eingeblasen werden, erweist sich die Sauer­ stoffblasrate als unzureichend, da der begrenzte Blasquer­ schnitt durch das Fördern der Feststoffe teilweise belegt ist. 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 Wasserstoffgehal­ ten im Stahl mit sich bringen. Zumal die verringerte Düsen­ anzahl ohne oder bei gedrosselter Brennstoffzufuhr und in den brennstoff-förderfreien Frischperioden, insbesondere im letzten Drittel der Frischzeit, vollkommen ausreicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfah­ ren nach dem älteren Patent dahingehend weiter auszugestal­ ten, daß unter Beibehaltung der reduzierten Anzahl von Dü­ sen unterhalb der Badoberfläche in einem Konverter, das Einleiten von gemahlenen Feststoffen, wie Schlackenbildner oder kohlenstoffhaltige Brennstoffe, in der gewünschten Men­ ge unterhalb der Badoberfläche ohne Verminderung der Sauer­ stoffzufuhr an die Schmelze erfolgt und die Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Brennstoffe mit dem hohen wärmetechni­ schen Wirkungsgrad gemäß dem älteren Patent abläuft.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß nach dem ein­ gangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäß der Sauerstoff der Schmelze im Konverter durch mindestens eine in der Aus­ mauerung der Konverterseitenwand angeordnete Düse mit Schutzmediumummantelung auf die Schmelze geblasen wird.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Ver­ besserung und Ausgestaltung des Verfahrens nach dem deut­ schen Patent 28 38 983 mit der die Anpassungsfähigkeit und Flexibilität dieses Verfahrens bei der Stahlerzeugung er­ höht wird. Unter Beibehaltung der verringerten Düsenanzahl unterhalb der Stahlbadoberfläche werden erfindungsgemäß die Begrenzungen des Verfahrens nach dem älteren Patent beim Einleiten von pulverisierten Feststoffen, wie Schlackenbildner und kohlenstoffhaltige Brennstoffe, in die Schmelze aufgehoben und zusätzliche Vorteile hinsicht­ lich der Schlackenbildung, hauptsächlich in der Anfangspha­ se des Frischens, und eine Verkürzung der Gesamtfrischzeit erreicht. Der hohe wärmetechnische Wirkungsgrad von min­ destens 30%, bezogen auf die CO₂-Verbrennung der in die Schmelze eingeleiteten kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, wie beispielsweise pulverisierte Kohle oder Koks, bleibt ebenso uneingeschränkt erhalten wie die bekannten metallur­ gischen Vorteile des Sauerstoffdurchblasverfahrens im Ver­ gleich zum Sauerstoffaufblasverfahren.

Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht 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 Konverterseitenwand angeord­ nete Düse(n), die ungefähr auf das Zentrum der Stahlbadober­ fläche ausgerichtet sind, aufzublasen. Diese Sauerstoffauf­ blas- oder Seitenwanddüsen sind vorzugsweise oberhalb der Konverterdrehzapfen bei senkrechtstehendem Konverter (Blasposition) in einer Höhe 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 das 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, vor­ zugsweise gasförmige Kohlenwasserstoffe, jedoch haben sich auch Stickstoff, Inertgase, insbesondere Argon, CO₂ und CO bewährt. Die erforderliche Düsenschutzmediummenge ist für die Seitendüse normalerweise kleiner als für die Düsen unterhalb der Badoberflä­ che. In der Praxis wird üblicherweise mit einer Durchflußmenge von 0,1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf den Sauerstoff, gearbeitet.

Gemäß der Erfindung kann das Verfahren beispielsweise so durchge­ führt werden, daß mit Frischbeginn der größte Anteil an der Ge­ samtsauerstoffmenge durch die wassergekühlte Frischlanze auf das Bad geblasen wird. Die Frischlanze wird normalerweise wie beim Sauerstoffaufblasverfahren gehandhabt, z. B. werden analoge Lan­ zenpositionen (Höhe der Lanze über der Stahlbadoberfläche) ein­ gestellt. Die Aufteilung der Gesamtsauerstoffmenge kann beispiels­ weise ca. 50 bis 70% für die Frischlanze, ca. 20 bis 30% für die Seitendüse und ca. 10 bis 20% für die Bodendüsen betragen. Zum Beispiel bläst man bei einem 60 t-Konverter mit einer Gesamt­ sauerstoffrate von 18 000 Nm³/h, die sich in ca. 11 000 Nm³/h für die wassergekühlte Frischlanze und je ca. 3500 Nm³/h für die Bodendüsen und die Seitenwanddüse aufteilt.

Es liegt im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Auftei­ lung der gesamten Sauerstoffmenge auf die Bodendüsen, die Sei­ tenwanddüse(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 die Roheisenzusammensetzungen und die gewünschten Schrott­ sätze. In der Praxis bei der Stahlproduktion hat es sich heraus­ gestellt, daß ungefähr 5 bis 20% der Gesamtsauerstoffmenge durch die Bodendüsen dem Stahlbad zugeführt werden. Obwohl grundsätz­ lich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Anwendung die­ ser kombinierten Blastechnik, nämlich einerseits Sauerstoff mit einer wassergekühlten Lanze und gleichzeitig durch Aufblasdüsen auf die Badoberfläche zu blasen und andererseits durch Düsen un­ terhalb der Badoberfläche, insbesondere im Konverterboden, der Schmelze zuzuführen, keine Grenzen für die Aufteilung der Gesamt­ sauerstoffmenge bestehen. Da es aber im Sinne der Erfindung liegt, möglichst wenig Düsen unterhalb der Badoberfläche einzubauen, de­ ren Gesamtblasquerschnitt ohne Einschränkung die Zufuhr der pulve­ risierten Feststoffe (Schlackenbildner und kohlenstoffhaltige Brennstoffe) ermöglicht, ergibt sich für den üblichen Betriebs­ fall der genannte Anteil von ungefähr 5 bis 20% der Gesamt­ sauerstoffmenge, der unterhalb des Badspiegels in die Schmelze geblasen wird als nicht einschränkend anzusehender Richtwert.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich die drei Einblaspositionen für den Sauerstoff vereinfacht von ihrer Aufgabe her folgendermaßen betrachten. Die wasserge­ kühlte Lanze erlaubt ohne besondere Begrenzungen das Sauerstoff­ angebot an die Schmelze im Konverter zu variieren, d. h. die Sauer­ stoffdurchblasrate läßt sich beliebig wählen, und damit kann die Frischzeit gesteuert werden. Die Fahrweise der Lanze entspricht im wesentlichen der Technik des Sauerstoffaufblasprozesses. Nor­ malerweise beginnt man das Frischen mit dem sogenannten harten Blasen, bei dem sich die Lanze nahe der Stahlbadoberfläche (ca. 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 Stahlbadoberfläche angeordnet ist. Es wird somit auch gleich zu Beginn der Frischzeit eine aktive, heiße Schlacke eingestellt, die sich beispielsweise günstig auf die Entphosphorung auswirkt.

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 Sauer­ stoffs durch die Lanze und des über die Düsen unterhalb der Bad­ oberfläche zugeführten Sauerstoffs, resultiert sehr wahrschein­ lich die Summe der Vorteile von dem bekannten Sauerstoffaufblas­ prozeß und dem Sauerstoffdurchblasprozeß, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Die Sauerstoffzufuhr über die Aufblasdüse in der oberen Konver­ terseitenwand beträgt mindestens ca. 20% und dient sehr wahr­ scheinlich 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 fläche über eine längere Laufstrecke als Freistrahl im Konver­ terraum bläst. Dieser Freistrahl saugt große Mengen an Konver­ terabgasen an. Eine rechnerische Abschätzung ergibt, daß bei die­ sem 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 darüber hinaus von Bedeutung sein, daß die Temperaturstrahlung des Plasmas durch den Staubgehalt der Konver­ terabgase abgeschirmt wird und somit sich überraschenderweise kein zusätzlicher Verschleiß der feuerfesten Konverterausmaue­ rung ergibt.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, die Schlackenbildner, insbesondere den Kalk (CaO), durch die Düsen unterhalb der Badoberfläche der Schmelze zuzuführen. Überlicherwei­ se wird Staubkalk dem Sauerstoff aufgeladen, so kann beispiels­ weise 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 ge­ zeigt, einen Teil des Kalkbedarfs als Stückkalk in den Konver­ ter zu chargieren. Zum Beispiel bewährt es sich unter bestimm­ ten Betriebsbedingungen, zum Frischende Stückkalk der Schlacke im Konverter zuzusetzen, um die Schlacke abzusteifen und damit Rückphosphor aus der Schlacke an das Stahlbad zu verhindern. Außerdem läßt sich die Schlacke somit besser im Konverter zurück­ halten. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es jedoch wichtig, einen wesentlichen Anteil, darunter sind mindestens 50% des Ge­ samtbedarfs zu verstehen, in Form von Staubkalk dem Sauerstoff der Bodendüsen zuzusetzen. Nur dadurch kann nach den bisherigen Be­ triebserfahrungen 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 Ver­ gleichswert beim Sauerstoffaufblasprozeß ca. 25% beträgt.

Gemäß der Erfindung werden die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, beispielsweise Kohle verschiedener Qualitäten, Graphit, Braun­ kohlenkoks, Koksgruß und Mischungen davon, getrocknet und pul­ verisiert, mit einem sauerstoff-freien Trägergas durch eine oder mehrere Düsen unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze einge­ leitet. Diese Zugabedüsen für die kohlenstoffhaltigen Brennstof­ fe verfügen über besondere Umschalt-Ventile nach der deutschen Patentanmeldung P 29 49 801.8, die es ermöglichen, von einer Brennstoff-Trägergas-Suspension auf Sauerstoff umzuschalten. Nor­ malerweise 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 Frischpha­ se zum Einleiten der kohlenstoffenthaltenden Brennstoffe, wäh­ rend in der zweiten Frischphase auch durch diese Düsen Sauerstoff eingeblasen wird. Das Einleiten der kohlenstoffhaltigen Brenn­ stoffe ist normalerweise bei Kohlenstoffkonzentrationen von 1 bis 2% in der Schmelze beendet. Anschließend reicht die Spül­ wirkung der CO-Bläschen in der Schmelze nach beendeter Brenn­ stoffzufuhr aus, um unerwünscht hohe Stickstoffkonzentrationen im Bad abzubauen. Der Stickstoff wird durch die kohlenstoffhal­ tigen Brennstoffe selbst oder bei Verwendung von Stickstoff als kostengünstiges Trägergas für die Brennstoffe, dem Bad zugeführt. Selbstverständlich liegt es auch im Sinne der Erfindung, andere Gase, beispielsweise CO, CO₂ und insbesondere Inertgase, wie Ar­ gon, als Trägergas für die kohlenstoffhaltigen Brennstoffe einzu­ setzen. Bei besonderen Anforderungen hinsichtlich niedriger Stick­ stoff- 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. Die Spülzeiten betragen üblicherweise weniger als 2 Minuten. Zum Beispiel lassen sich bei einer 60 t-Stahlschmelze durch eine Spül­ behandlung von 1 Minute, mit einer Blasrate von 75 Nm³/min Ar­ gon, der Stickstoffgehalt von 35 ppm auf 10 ppm und der Wasser­ stoffgehalt von 3,5 ppm auf 1,5 ppm erniedrigen.

Es liegt im Sinne der Erfindung, das Verfahren auch dann anzu­ wenden, wenn keine kohlenstoffhaltigen Brennstoffe der Schmelze zugeführt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn aus wirtschaftlichen Überlegungen oder aus anderen Gründen es zweck­ mäßig erscheint, auf erhöhte Schrottsätze zu verzichten. Das er­ findungsgemäße Verfahren erweist sich auch dann als vorteilhaft, wenn nur ein wesentlicher Anteil der Schlackenbildner durch die Bodendüsen in die Schmelze geleitet wird.

Es hat sich äußerst überraschend herausgestellt, daß die kombi­ nierte Blastechnik gemäß der Erfindung aufgrund des besonderen Blasverhaltens es ermöglicht, die bedeutenden Vorteile des Sauer­ stoffdurchblasprozesses, insbesondere das hohe Ausbringen, die niedrigen Eisenverluste über die Schlacke und das Konverterab­ gas, das leichte Einstellen tiefer Kohlenstoffgehalte, mit den Vorteilen des Sauerstoffaufblasverfahrens, hauptsächlich der hohe Schrottsatz, niedrige Wasserstoffgehalte im Stahl, zu ver­ einen, ohne sich die Summe der Nachteile beider Prozesse einzu­ handeln.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung des wärmetechnischen Wir­ kungsgrades von festen, kohlenstoffhaltigen Brennstof­ fen bei der Stahlherstellung mit erhöhtem Schrottsatz, bei der die Brennstoffe einer Eisenschmelze in einem Konverter zugeführt und verbrannt werden sowie der Sauerstoff gleichzeitig in das Bad und aus einem Ab­ stand von mindestens 2 m über der ruhenden Badoberflä­ che als ein im Gasraum blasender Strahl aufgeblasen wird nach Patent 28 38 983, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff durch mindestens eine in der Aus­ mauerung der Konverterseitenwand angeordnete Düse mit Schutzmediumummantelung auf die Schmelze geblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff durch mindestens eine Düse in der oberen Konverterausmauerung in einer Höhe zwischen 2 m über der ruhenden Stahlbadoberfläche und 0,5 m unterhalb des Konverterlipprings ungefähr auf das Zentrum der Stahlbadoberfläche aufgeblasen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff durch mindestens eine in der Blasposi­ tion über dem Drehzapfen angeordnete Düse aufgeblasen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens 50% der Schlackenbildner durch die Düsen unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmiger Kalk durch die Düsen unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen koh­ lenstoffenthaltenden Brennstoffe unterhalb der Badober­ fläche mit einem sauerstofffreien Trägergas in der ersten Frischperiode bis zu einem Kohlenstoffgehalt der Schmelze von 1 bis 2% eingeleitet werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch sämtliche Düsen unterhalb der Badoberfläche gegen Frischende (1 bis 5 Minuten) Sauerstoff mit oder ohne CaO-Beladung in die Schmelze geblasen wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Düsen unter­ halb der Badoberfläche vor dem Abstich der Charge bis zu 2 Minuten Stickstoff und/oder Inertgase, wie bei­ spielsweise Argon, zur Spülbehandlung in die Schmelze eingeleitet werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Düsenschutzme­ dium für die Düsen unterhalb der Badoberfläche flüssi­ ge oder gasförmige Kohlenwasserstoffe eingesetzt wer­ den.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzmedium für die Düsen oberhalb der Badoberfläche flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, Stickstoff, Argon, CO, CO₂ einzeln oder nebeneinander eingesetzt werden.