DE3219984C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisen aus Alteisen, bestehend aus einem feuerfest ausgekleideten Reaktor mit Hochtemperaturgas-Ausgang, Abstichöffnungen sowie mindestens einer Gaseinblasdüse im Bodenbereich des Reaktors und aus einem vertikalen Schacht mit Alteisen-Beschickungseinlaß, Abgaskamin und Gaseinlaß in Verbindung mit einem Umleitungskanal, der Düsen für die Zufuhr von Luft oder Sauerstoff aufweist. Diese Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung von Eisen aus Alteisen, ohne daß elektrische Energie und Erdöl verbraucht wird.

Das Schmelzen von Eisenabfällen bzw. Schrott zur Herstellung von Stählen, insbesondere Spezialstählen, erfolgt normalerweise in elektrischen Öfen, wie zum Beispiel in der DE-OS 23 51 171 und der DE-OS 25 04 106 beschrieben, wobei die in der DE-OS 23 51 171 beschriebene Vorrichtung einen Elektroofen zum Schmelzen und einen diesem nachgeordneten Frischofen umfaßt, von welch letzterem eine Abgasleitung zu einem Bandförderer geführt ist, der dem Elektroofen dessen Beschickungsgut, beispielsweise Schrott, zuführt, so daß dieses Beschickungsgut durch die heißen Abgase des Frischofens vorerwärmt wird.

Es ist jedoch davon auszugehen, daß die Umstände, die mit elektrischer Energie einhergehen, wenig Möglichkeiten für eine Verbesserung zulassen und daß sich die Energiekosten allmählich erhöhen. Weiterhin wird die Beziehung zwischen Erdölförderung und -bedarf immer enger, und daher ist es wenig vorteilhaft, thermische elektrische Energie unter Verbrauch von Erdöl zu erzeugen oder selbst Erdölfraktionen direkt für die Stahlherstellung zu verwenden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden Versuche durchgeführt, um eine Technologie für die Eisenherstellung unter Verwendung von Kohle oder Koks, für die derzeit eine stabile Förderung erwartet werden kann, oder von anderen kohlenstoffhaltigen Materialien mit niedrigeren Qualitäten anstelle von Elektrizität oder Erdöl zu entwickeln.

In der Praxis wird als Vorrichtung zur Herstellung von Eisen unter Verwendung kohlenstoffhaltiger Materialien beispielsweise eine Vorrichtung zur Herstellung von Kupoleisen unter Verwendung von Koks benutzt. Bei der Herstellung von Kupoleisen sind Klumpen oder Blöcke aus Koks mit hoher Festigkeit und geeigneten Größen erforderlich, so daß der Koks die zugeführten Materialien mitführen kann und ein Gasfluß im Ofen sichergestellt ist. Dies ergibt jedoch hinsichtlich des Materials Grenzen, und bei den Kosten treten Nachteile auf. Weiterhin ist der Ofen zur Herstellung von Kupoleisen inhärent ein Ofen zur Herstellung von Gußeisen und ergibt nur geschmolzenes Eisen, das 3 bis 4% Kohlenstoff enthält, nämlich Roheisen, und daher sind, falls Stahl hergestellt werden soll, eine weitere Oxidationsraffinierung (Entkohlung) und eine Reduktionsraffinierung erforderlich, für die ein anderer Ofen, wie ein Konverter, verwendet werden muß.

Ein Konverter zur Herstellung von Eisen durch Einleiten von Alteisen und kohlenstoffhaltigem Material in geschmolzenes Eisen, welches sich in dem Konverter befindet, ist aus der DE-OS 29 10 103 bekannt. In das geschmolzene Eisen wird Sauerstoffgas eingeblasen, wodurch das geschmolzene Eisen bewegt und das kohlenstoffhaltige Material hauptsächlich zu CO oxidiert wird. Außerdem kann, wie in der DE-OS 29 10 103 beschrieben ist, das Gichtgas, das beim Einschmelzen und beim Umsatz im Bad entsteht, im oberen Teil des Konverters durch Zufuhr von Sauerstoff oder Wind nachverbrannt werden. Zum Schmelzen des Alteisens in dem Konverter ist jedoch Brennstoff erforderlich, wozu am Umfang des Konverters in dessen Wandung Brennstoff-Sauerstoff- Brenner geringfügig oberhalb der sich nach dem Einschmelzen ergebenden Badhöhe angeordnet sind.

Weiter ist aus der DE-OS 27 59 129 eine Vorrichtung zur Erzeugung von basischem Sauerstoffstahl bekannt, die zwei Öfen aufweist, von denen im ersten das Frischen erfolgt, während im zweiten die aus Schrott und/oder Pellets bestehende Feststoffcharge mit Hilfe der im Abgas des ersten Ofens enthaltenen Energie vorgewärmt wird, indem das CO des Abgases in dem zweiten Ofen zu CO₂ verbrannt wird. Zu dieser Verbrennung wird der Verbindungsleitung zwischen den beiden Öfen, über welche das Abgas von dem ersten zum zweiten Ofen geleitet wird, Luft oder Sauerstoff zugeführt, und zwar vorzugsweise über eine Sauerstofflanze. Anstatt Sauerstoff oder Luft durch die Verbindungsleitung einzuführen, kann am Boden des Ofens eine Eintrittsstelle für Sauerstoff oder Luft zur Verbrennung des Abgases innerhalb des Ofens zwecks Vorwärmung vorgesehen sein. Jedoch erfordert diese Vorrichtung, damit die Vorwärmung durchgeführt werden kann, zwei funktionsfähige Öfen. Die Öfen müssen aber periodisch ausgebessert werden, so daß während dieser Zeitspanne, wie in der DE-OS 27 59 129 ausdrücklich angegeben ist, keine Vorwärmung stattfinden kann.

Schließlich ist aus der DE-OS 27 37 441 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Erzeugung von Eisen aus Alteisen bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist der vertikale Schacht als Schachtofen bzw. Schrotteinschmelzgefäß ausgebildet, das heißt als derjenige Bereich, in dem das aufgegebene Alteisen bereits aufgeschmolzen wird. Dementsprechend sind im unteren Bereich dieses Schachtofens Brenner vorgesehen, mit denen die Schrottsäule im wesentlichen aufgeschmolzen wird. Derartige Brenner machen die Vorrichtung kompliziert und erfordern einen besonderen Bedienungs- bzw. Steuerungsaufwand. Weiterhin ist der Umleitungskanal als gesonderte Zuführung für stückigen Koks in den Aufheizraum für die Schmelze vorgesehen, was den Bedienungs- bzw. Steuerungsaufwand noch weiter erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisen aus Alteisen, wie sie im Prinzip aus der DE-OS 27 37 441 bekannt ist, so weiterzubilden, daß sie bei geringerem Bedienungs- bzw. Steuerungsaufwand einfacher ausgebildet ist und einen glatten Betrieb hinsichtlich der Zuführung des Beschickungsmaterials erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der vertikale Schacht direkt über dem Alteisen-Beschickungseinlaß des Reaktors angeordnet ist und daß sich in seinem unteren Bereich - unterhalb des Gaseinlasses aus dem Umleitungskanal - ein Verschlußschieber und ein Schieber befinden, die beide seitlich vor- und rückbewegbar sind, und daß in den Reaktor mindestens eine Gaseinlaßdüse über der Oberfläche des geschmolzenen Eisens einmündet.

Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, ohne Brenner zum Aufschmelzen des Schrotts auszukommen, indem das in den Schacht aufgegebene Alteisen mit Hilfe der beiden Schieber stückig bzw. in im wesentlichen fester Form in die im Reaktor vorhandene Eisenschmelze, die als Impfeisen dient und entweder in dem Reaktor selbst erzeugt oder zu Beginn des Betriebs aus einer anderen Vorrichtung zugeführt wird, eingebracht und dort durch das Verbrennen von CO zu CO₂ mittels des über die Gaseinblasdüse oberhalb der Oberfläche des geschmolzenen Eisens zugeführten Sauerstoffs geschmolzen wird, während das restliche CO in den Abgasen, welche ohne Störung durch die aktuell zuzuführende Beschickungsmaterialcharge über den Umleitungskanal aus dem Reaktor abgeführt werden, zur Vorerwärmung des Beschickungsmaterials dient.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Eisenherstellung; und

Fig. 2 ein schematisches Diagramm, in dem die Materialbilanz eines Beispiels unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt ist.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, wonach die Vorrichtung, welche einen glatten Betrieb, der unabhängig von einer Beschränkung hinsichtlich der Form und der Größe des Materials aus Alteisen ist, erlaubt, im wesentlichen einen Reaktor 2 mit einer feuerfesten Auskleidung 21 und je mindestens einer oberen und unteren Gaseinblasdüse 24 bzw. 23, einem Alteisen-Beschickungseinlaß 25 A für das Alteisen 5, sowie einem Hochtemperaturgas-Ausgang 25 B für das Hochtemperaturabgas, welches im Reaktor 2 oberhalb des geschmolzenen Eisens 7 entsteht, umfaßt. Weiter besitzt die Vorrichtung 1 einen vertikalen Schacht 9 für das Alteisen 5 als Beschickungsmaterial, der gleichzeitig der Ausgang für das Hochtemperaturgas ist, direkt über dem Alteisen-Beschickungseinlaß 2 liegt und damit verbunden ist. Am unteren Ende des Schachts 9 ist eine Einrichtung 67, 68 zur Kontrolle der Zugabe von Alteisen 5 vorgesehen, über der sich ein Gaseinlaß 91 für die Zuführung von Abgas aus dem Hochtemperaturgas-Ausgang 25 B des Reaktors 2 über einem Umleitungskanal 8 befindet.

Der Schacht 9 ist der Einlaß für einzuführendes Alteisen 5 und dient dem Wärmeaustausch zwischen dem Hochtemperaturabgas und dem Alteisen 5.

Der Reaktor 2 kann gegebenenfalls mit einer weiteren (nicht- gezeigten) Düse zum Injizieren pulverförmigen, kohlenstoffhaltigen Materials mit einem Strom aus einem geeigneten Trägergas ausgerüstet sein. Das kohlenstoffhaltige Material kann natürlich als Gemisch mit dem Alteisen 5 zugeführt werden.

Das Abstechen des geschmolzenen Eisens 7 kann durch den Eingang 26 C für das Impfeisen durch Kippen des Reaktors 2 erfolgen. Es ist jedoch bevorzugt, eine Abstichöffnung 26 A zu verwenden, da dadurch die Herstellung des Eisens durch das Abstechen nicht unterbrochen wird und kein Wärmeverlust auftritt.

Die Lage der Abstichöffnung 26 A sollte so gewählt werden, daß eine geeignete Menge an geschmolzenem Eisen 7 als Impfmaterial im Reaktor 2 verbleibt. Das Bezugszeichen 26 B ist die Abstichöffnung für das geschmolzene Impfeisen.

Die Einrichtung zur Kontrolle der Zufuhr an Alteisen 5, die am unteren Teil des Schachtes 9 angeordnet ist, umfaßt einen Verschlußschieber 67 und einen Schieber 68, die sich seitlich öffnen und schließen lassen, wodurch der Schacht 9 geöffnet und geschlossen wird. Zu dem Zeitpunkt, in dem der Verschlußschieber 67 geöffnet ist und der Schieber 68 geschlossen ist, wird das Alteisen 5 durch den Alteiseneinlaß 92 am oberen Teil des Schachtes 9 zugeführt, und dann wird der Verschlußschieber 67 geschlossen, so daß eine bestimmte Menge an Alteisen 5 auf dem Schieber 68 gehalten wird. Wenn der Schieber 68 geöffnet wird, fällt das Alteisen durch den Alteisen-Beschickungseinlaß 25 A in das geschmolzene Eisen 7. Der Schieber 68 wird dann geschlossen, und der Verschlußschieber 67 wird geöffnet, wobei das gesamte Alteisen 5 nach unten fällt, und nach Schließen des Verschlußschiebers 67 wird eine bestimmte Menge an Alteisen 5 auf dem Schieber 68 gehalten, die für die nachfolgende Beschickung verfügbar ist.

Der Betrieb dieser Vorrichtung ist wie folgt:
Das Material, das Alteisen 5, das durch den Alteiseneinlaß 92 nach unten in den Schacht 9 eingeführt wird, fällt bis zum unteren Ende des Schachtes und fällt herab in den Reaktor 2. Dort schmilzt es, indem es durch die Wärme erhitzt wird, die durch Umsetzung des kohlenstoffhaltigen Materials, das in den Reaktor 2 injiziert wird oder zusammen mit dem Alteisen 5 in den Reaktor fällt, und des Sauerstoffs erzeugt wird. Hochtemperaturabgas mit einem Gehalt an CO tritt aus dem Hochtemperaturgas-Ausgang 25 B mittels des Umleitungskanals 8 in den Schacht 9 durch den Gaseinlaß 91 am unteren Teil des Schachtes 9 ein. Das Hochtemperaturgas wird mit Luft, die über eine Düse 81 zugeführt wird oder die durch einen im Umleitungskanal 8 vorgesehenen Zwischenraum eingeführt wird, vermischt und reagiert unter Erzeugung von Hitze und steigt in dem Schacht 9 auf, wo es das Alteisen 5 erhitzt und sich abkühlt. Das entstehende Gas mit niedriger Temperatur tritt aus dem Abgaskamin 93 für Niedertemperatur aus und wird in einer Abgasbehandlungsvorrichtung (nicht dargestellt) behandelt und dann in die Luft abgelassen.

Zu Beginn des Betriebes wird eine bestimmte Menge an geschmolzenem Roheisen oder Stahl in einer anderen Vorrichtung, wie einem Hochofen oder Lichbogenofen, hergestellt und in den Reaktor 2 als Impfmaterial gegeben. Alternativ kann man, wenn der Reaktor laufend verwendet wird und sich sein Inneres bei hoher Temperatur befindet, den Betrieb beginnen, ohne daß man geschmolzenes Impfeisen verwendet, wenn leicht oxidierbares Alteisen, wie Drehbankspäne, in den Reaktor gegeben wird. Dann werden das Alteisen 5 und das kohlenstoffhaltige Material, wie Kohle, in das geschmolzene Eisen 7 geworfen, und Sauerstoffgas wird aus den oberen und unteren Gaseinblasdüsen 23 und 24 eingeblasen. Es findet eine Oxidation des zugeführten, kohlenstoffhaltigen Materials zu CO im geschmolzenen Eisen 7 statt, und der Hauptteil des entstehenden CO wird zu CO₂ im Raum über dem geschmolzenen Eisen oxidiert. Bedingt durch die während der Oxidation erzeugte Wärme schmilzt das zugeführte Alteisen und gleichzeitig findet eine Aufkohlung bzw. Carburierung des geschmolzenen Eisens statt. Die Carburierung verläuft sehr schnell, da durch das Einblasen zwangsweise gerührt wird.

Wie es leicht verständlich ist, wird die Wärme, die während der Oxidation C → CO im geschmolzenen Eisen erzeugt wird, fast vollständig für die Temperaturerhöhung des geschmolzenen Eisens ausgenutzt, und die Wärme, die aufgrund der Oxidation CO → CO₂ erzeugt wird, wird ebenfalls stark von dem geschmolzenen Eisen an seiner freien Oberfläche absorbiert, wobei die freie Oberfläche durch das zwangsweise Rühren erhöht ist.

Das kohlenstoffhaltige Material kann, obgleich Kohle als solche bevorzugt ist, kohlenstoffhaltiges Material mit niedrigeren Qualitäten sein, wie Graphitpulver, Retortenkohle oder Kaminruß. Selbst bei Verwendung von Kohle kann niedrigverkokte Kohle eingesetzt werden.

Die Menge (oder Geschwindigkeit) an Sauerstoff, die eingeblasen wird, und die Menge (oder Geschwindigkeit) an kohlenstoffhaltigem Material, das zugeführt wird, hängen von den Bedingungen des Betriebszyklus ab oder, genauer gesagt, werden sie bestimmt, indem man die Menge und Temperatur des geschmolzenen Impfeisens, die für das Schmelzen des Alteisens erforderliche Hitze und die Hitze, die nach außen vom Reaktor abgestrahlt wird und vom Abgas weggeführt wird, in Betracht zieht (wobei die Hitze, die während des Wärmeaustausches mit dem Alteisen erzeugt wird, ebenfalls berücksichtigt wird). Das Alteisen wird in einer Menge, die im Gleichgewicht mit der erzeugten Wärme steht, zugeführt, und nach Beendigung des Schmelzens des Alteisens erfolgen eine weitere Beschickung und Einblasen, um die Menge an geschmolzenem Eisen zu erhöhen. Die Zufuhr der Materialien kann diskontinuierlich, periodisch oder kontinuierlich erfolgen, solange der Betrieb als solcher kontrolliert werden kann.

Zum wirtschaftlichen Ablauf des Betriebs wurde festgestellt, daß die Menge an geschmolzenem Eisen in dem Reaktor höchstens 40% des Innenvolumens des Reaktors ausmachen sollte; in anderen Worten sollten 60% oder mehr als Raum über dem geschmolzenen Eisen verbleiben.

Die anderen Stufen zur Umwandlung des geschmolzenen Eisens, insbesondere des Roheisens, in Stahl, wie die Entkohlung, Desoxidation, Entschwefelung und Zugabe von Legierungselementen, können nach solchen Verfahren durchgeführt werden, wie sie im allgemeinen bei getrennten Raffinierungsverfahren verwendet werden. Jedoch kann mindestens ein Teil des Raffinierens in dem Reaktor durchgeführt werden, wobei sich Schlacke geeigneter Zusammensetzung auf dem geschmolzenen Eisen bildet. Wie oben angegeben, wird das geschmolzene Eisen, bedingt durch das Einblasen von Sauerstoffgas, heftig gerührt bzw. bewegt, und daher läuft das Raffinieren sehr wirtschaftlich ab.

Nach dem Abstechen des geschmolzenen Eisens aus dem Reaktor werden die oben erwähnten Stufen wiederholt, wobei geeignete Mengen an geschmolzenem Impfeisen, die in dem Reaktor verbleiben, verwendet werden. Die geeignete Menge an geschmolzenem Impfeisen beträgt, obgleich sie von der Kapazität des Reaktors und den Betriebsbedingungen abhängt, 5 bis 80%, bezogen auf die maximale Menge an geschmolzenem Impfeisen.

Die Materialbilanz eines Arbeitsbeispiels des Reaktors zur Eisenherstellung unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zur Herstellung von 2 t Eisen mit einem Gehalt von 2% C ist in Fig. 2 dargestellt. Die Wärmebilanz in diesem Beispiel ist wie folgt:

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Eisen in dem Reaktor besitzt die folgenden Vorteile gegenüber einer Vorrichtung zur Herstellung von Kupoleisen, einer speziellen Technologie zur Herstellung von Eisen, wobei in der Vorrichtung nach der Erfindung weder elektrische Energie noch Erdöl verwendet wird.

Erstens ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kein stückiger Koks als Wärmequelle zum Schmelzen erforderlich, und daher besteht hinsichtlich des Materials keine Beschränkung. Zweitens kann die durch C→CO erzeugte Wärme wirksam durch das geschmolzene Eisen absorbiert werden, und ein Hauptteil des CO wird zu CO₂ verbrannt, wobei eine große Wärmemenge erzeugt wird. Diese Wärme wird leicht in das geschmolzene Eisen übertragen, da eine vergrößerte, freie Oberfläche davon durch Rühren mit dem eingeblasenen Gas in den Reaktor vorliegt, und dadurch wird die Temperatur des Alteisens in dem Reaktor, in dem ein Vorerhitzen erfolgt, erhöht.

Die obigen, kumulativen Vorteile werden durch das Verhältnis an verbrauchtem, kohlenstoffhaltigem Material zu einer Einheit an gebildetem, geschmolzenem Eisen bewiesen. In Beispielen beträgt das gemessene Verhältnis etwa 13% (bezogen auf reinen Kohlenstoff); dieses Verhältnis ist besser als der typische Wert bei der Herstellung von Kupoleisen im 2t-Maßstab von etwa 16%. Da in der Vorrichtung nach der Erfindung eine billigere Wärmequelle verwendet wird und weniger Wärme verbraucht wird, ist es offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Technologie die Eisenherstellung mit stark ermäßigten Kosten erlaubt.

Diese Vorrichtung besitzt den weiteren Vorteil, daß gleichzeitig ein Schmelzen und eine Oxidationsraffinierung und gegebenenfalls ein weiters Raffinieren stattfinden, was bei der Herstellung von Kupoleisen nicht möglich ist.

Im Gegensatz zur Herstellung von Kupoleisen, bei der die Größe und die mechanische Festigkeit von Koks für einen stabilen Betrieb kritisch sind, ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erforderlich, kohlenstoffhaltiges Material als Gerüst im Ofen zu haben, und daher kann ein stabiler Betrieb leicht weitergeführt werden, unabhängig von der Art und der Form des kohlenstoffhaltigen Materials. Ein wirksames Rühren des geschmolzenen Eisens, bedingt durch das Einblasen von Gas, und die Ausnutzung der Verbrennungswärme CO → CO₂ in dem Raum, im oberen Teil des Reaktors bewirken das schnelle Schmelzen und die Aufkohlung. Dementsprechend ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine höhere Produktivität bei der Herstellung von Roheisen als die Vorrichtung des Kupolofen-Verfahrens.

Da der Schacht mit einem Umleitungkanal versehen ist, kann der untere Teil des Schachtes geöffnet und geschlossen werden, um die Beschickung mit dem Alteisen zu kontrollieren, und die Menge an Alteisen kann so kontrolliert werden, daß die Zeitintervalle beim Betrieb der Schieber zum Schließen und Öffnen variiert werden können.

Selbst wenn die Form und Größe des zugeführten Alteisens variieren, kann eine vorbestimmte Menge zugeführt werden, und somit kann ein stabiler Betrieb aufrechterhalten werden.

Wenn hier von "Alteisen" oder "Schrott" gesprochen wird, so sollen darunter jegliche Eisenprodukte, die zur Herstellung von Eisen verwendet werden können, verstanden werden. Der Ausdruck "Alteisen" soll daher alle vorgenannten Eisenprodukte mitumfassen.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Eisen aus Alteisen, bestehend aus einem feuerfest ausgekleideten Reaktor mit Hochtemperatur- Ausgang, Abstichöffnungen sowie mindestens einer Gaseinblasdüse im Bodenbereich des Reaktors und aus einem vertikalen Schacht mit Alteisen-Beschickungseinlaß, Abgaskamin und Gaseinlaß in Verbindung mit einem Umleitungskanal, der Düsen für die Zufuhr von Luft oder Sauerstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Schacht (9) direkt über dem Alteisen-Beschickungseinlaß (25 A) des Reaktors (2) angeordnet ist und daß sich in seinem unteren Bereich - unterhalb des Gaseinlasses (91) aus dem Umleitungskanal (8) - ein Verschlußschieber (67) und ein Schieber (68) befinden, die beide seitlich vor- und rückbewegbar sind, und daß in den Reaktor (2) mindestens eine Gaseinblasdüse (24) über der Oberfläche des geschmolzenen Eisens einmündet.