DE3513732A1 - Verfahren zur metallherstellung und/oder schlackenerzeugung - Google Patents

Verfahren zur metallherstellung und/oder schlackenerzeugung

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DE3513732A1 DE19853513732 DE3513732A DE3513732A1 DE 3513732 A1 DE3513732 A1 DE 3513732A1 DE 19853513732 DE19853513732 DE 19853513732 DE 3513732 A DE3513732 A DE 3513732A DE 3513732 A1 DE3513732 A1 DE 3513732A1
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Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallen und/oder zur Erzeugung von Schlacke aus Oxiderzen.
Wenn sich auch die nachfolgende Beschreibung sowie die Beispiele auf die Herstellung von Ferrochrom aus Chromeisenerz beziehen, so ist die Erfindung doch keineswegs auf diese Stoffe begrenzt, sondern kann für eine große Anzahl unterschiedlicher eisenhaltiger und nichteisenhaltiger Stoffe angewendet werden.
Ferrochrom wird herkömmlicherweise aus Chrmeisenerz in Elektroofen hergestellt, wobei Koks als Reduktionsmittel verwendet wird. Nachteilig bei diesen Prozessen ist es, daß als Reduktionsmittel hochwertiger metallurgischer Koks verwendet werden muß und daß es schwierig ist, Metalle mit geringem Kohlenstoffgehalt herzustellen. Außerdem muß feinpulveriges Erz im allgemeinen agglomeriert werden, damit es bei derartigen Verfahren verwendet werden kann, um einen hohen Prozentgehalt an Metall gewinnen zu können.
Es wurden auf der Plasma-Technologie beruhende verbesserte Verfahren entwickelt, bei denen ein großer Teil des benötigten Kokses durch pulverigen Kohlenstoff ersetzt wird und wobei vorzugsweise feinpulveriges Erz verwendet wird. Diese neuen Verfahren stellen im Vergleich mit den herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von Elektroofen einen großen Schritt vorwärts dar, doch erfordern sie immer noch ein Reduktionsmittel, welches zumindest zu 25% aus metallurgischem Koks besteht, und das Verfahren kann nicht ohne weiteres zur Herstellung von Produkten mit niedrigem Kohlenstoffgehalt angewendet werden.
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu verwirklichen, welches die Vorteile der neuen Reduktions- und Schmelzverfahren aufgrund der Plasmaenergie der vorbeschriebenen Art beibehält, während gleichzeitig deren Abhängigkeit von metallurgischem Koks ausgeschaltet werden soll und die Herstellung von Metallprodukten mit relativ geringem Kohlenstoffgehalt möglich sein soll. Dabei soll das erfindungsgemäße Verfahren flexibler als die bisher bekannten Verfahren in Bezug auf die Verteilung der zur Reduktion und zum Schmelzen erforderlichen Energie zwischen elektrischer Energie und von brennbaren fossilen Brennstoffen abgeleiteter Energie sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metallen und/oder zur Erzeugung von Schlacke aus Oxiderzen vor, welches im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß das Oxiderz evtl. zusammen mit Schlackenbildnern, in einem aus drei Zonen bestehenden Reaktor behandelt wird, wobei in der oberen oder Oxidationszone das Gut vorgewärmt und evtl. durch die Verbrennung von Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas aus der darunterliegenden mittleren Zone zusammen mit einem sauerstoffhaltigem Gas geschmolzen wird, dieses vorgewärmte und evtl. geschmolzene Gut dann in eine aus einem Schlackenbad bestehende mittlere Zone gelangt, in welcher es durch Einblasen von kohlenstoffhaltigem Material und/oder Kohlenwasserstoff sowie Wärmeenergie enthaltendem Material zumindest teilweise reduziert wird, wobei die Wärmeenergie hauptsächlich durch ein in einem Plasmagenerator erhitztes Gas geliefert wird, woraufhin das im Reduktionsprozeß entstandene Metall in eine untere Zone am Boden des Reaktors
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hinabsinkt, aus welcher es ebenso wie die Schlacke durch Ablaßöffnungen intermittierend abgelassen wird.
Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einzelner Durchführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung; es zeigt
Fig.1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig.2 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig.3 ein Flußdiagramm eines herkömmlichen Plasma-Verfahrens.
Fig.1 zeigt eine Kammer 11, welche eine Hochtemperatur-Reaktionszone bildet, welche über einem unteren, mit feuerfestem Material ausgekleideten Herd 10 angeordnet ist. Die Kammer 11 ist von wassergekühlten Platten 12 umgeben, welche Metallkanäle bilden, durch welche Kühlwasser mit hoher Geschwindigkeit hindurchgeleitet werden kann und welche innenseitig mit einer feuerfesten Auskleidung 13 versehen sind, welche die innenseitige Metalloberfläche vor einem direkten Kontakt mit der in der Kammer 11 vorhandenen Schmelze schützt.
Der untere Teil der Kammer 11 ist mit Plasmageneratoren 14 versehen, welche das Verfahren mit elektrischer Energie versorgen, sowie mit Lanzen 15 zur Zufuhr von Kohlenstoff als Reduktionsmittel für das Verfahren. Diese Lanzen 15 sind
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vorzugsweise höher in der Kammer angeordnet als die Plasmageneratoren 14. Die Kammer 11 wiest außerdem Lanzen 16 für die Zufuhr von Sauerstoffgas auf, welche wiederum höher als die Kohlenstoff-Lanzen 15 angeordnet sein können. Das Sauerstoffgas soll einen Teil der bei der Umwandlung des Kohlenstoffes mit den Metalloxiden im System erzeugten Gase verbrennen, um Energie zur Erhitzung und zum Schmelzen dieser Oxide zu liefern. Weitere Lanzen 17 sind an der Decke der Kammer 11 für die Zufuhr von fein verteiltem Erz und von Zuschlägen zum Reaktor vorgesehen. Außerdem ist an der Decke der Kammer 11 ein mit feuerfestem Material ausgekleideter Kanal 18 vorgesehen, um dem System Gase zu entziehen. Der Herd 10 besitzt Ablaßöffnungen 20 und 19 zum Ablassen von Schlacke bzw. Metall.
Die verschiedenen Lanzen für die Zufuhr von Sauerstoffgas und Reduktionsmittel können miteinander und/oder mit den Plasmageneratoren zusammengefasst werden. Wenn Sauerstoffgas im Zusammenhang mit den Plasmageneratoren in einer geringen Höhe in die Kammer 11 eingebracht wird, wird zusätzliches Sauerstoff gas über die Oberfläche des Schlackenbettes zugeführt.
Außerdem kann ein kombinierter Auslaß für die Schlacke und das hergestellte Metall am Boden des Reaktors vorgesehen werden.
Die nachfolgende sich auf Pig.1 beziehende Beschreibung betrifft ein bevorzugtes Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Wenn der Herd 10 und die Kammer 11 etwa auf Betriebstemperatur durch Zufuhr eines geeigneten Plasmagases durch die Plasmageneratoren 14 erhitzt wurden und Schichten von Metallschmelze und Schlacke durch Schmelzen geeigneter Ausgangsstoffe ausgebildet wurden, wird durch die Lanzen 15 bzw. 16 Kohlenstoff bzw. Sauerstoffgas eingeblasen. Dies ruft den Umlauf eines CO, H2/ CO2 und H2O enthaltenden Prozeßgases hervor, welches zumindest teilweise als geeigneteres Plasmagas wieder in Umlauf gebracht werden kann. Die Kühlung, die Wäsche und die erneute Kompression des Prozeßabgases zur erneuten Verwendung als Plasmagas oder zur Verwendung als Brennstoff werden durch in den Zeichnungen nicht dargestellte herkömmliche Einrichtungen erreicht.
Wenn der Betrieb in der Kammer 11, begleitet von der Zirkulation der Schlacke vom Bad im Herd 10 in die Kammer 11 angelaufen ist, wird die Zufuhr von Erz und Zuschlägen durch die Lanzen 17 begonnen. Die Reaktion zwischen Kohlenstoff und Oxiden in der geschmolzenen Schlacke erzeugt CO und H3, welche teilweise mit Sauerstoffgas in der Kammer 11 verbrannt werden. Das Ausmaß der in der Kammer 11 erfolgenden Verbrennung wird gesteuert, um ausreichend Energie zur Vorwärmung und zum Schmelzen des Erzes und der Zuschläge zu erreichen, die in die Kammer 11 eingeleitet werden.
Die durch die Plasmageneratoren 14 zugeführte Energiemenge wird in Abhängigkeit von den endothermischen Reaktionen zwischen der Schlacke und dem Kohlenstoff gesteuert. Daher wird im Herd 10 und im unteren Teil der Kammer 11 eine reduzierende Atmosphäre, in welcher die Reduktion und das Schmelzen
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erfolgen, sowie im oberen und mittleren Bereich der Kammer 11, wo das Vorwärmen und das Schmelzen erfolgt, eine mehr oxidierende Atmosphäre aufrecht erhalten. Schlacke und Metall werden entweder intermittierend oder fortlaufend in herkömmlicher Weise durch Ablaßöffnungen 19 und 20 abgelassen.
Der Wärmefluß durch die Auskleidung 13 in die wassergekühlten Platten 12 beträgt 50 bis 100 kWh/m2, wodurch eine dünne Schicht erstarrter Schlacke 21 an der Innenseite der Auskleidung 13 ausgebildet wird. Die Temperatur an der Innenseite dieser erstarrtenSchlackenschicht, welche 1 bis 2 cm dick sein kann, entspricht dem Schmelzpunkt der Schlacke und wirkt daher als Schutz für die Auskleidung 13 und die wassergekühlten Platten 12 vor korrosiven/errosiven Einflüssen der turbulenten Masse aus festen, flüssigen und gasförmigen Reaktionspartnern, welche in der Kammer 11 umlaufen.
Zur Herstellung von Ferrochrom wird vorzugsweise eine Temperatur von annähernd 20000C in der Kammer aufrecht erhalten, um geschmolzene Reaktbnspartner mit einer Temperatur von annähernd 17000C zum unteren Teil der Kammer 11 gelangen zu lassen.
Als Plasmagas kann Luft, sauerstoff-angereicherte Luft, Sauerstoffgas und/oder erneut in Umlauf gebrachtes Prozeßgas verwendet werden. Wenn erneut in Umlauf gebrachtes Prozeßgas verwendet wird, werden zweckmäßigerweise Wasserdampf und Kohlendioxid aus dem Gas entfernt, bevor es zu den Plasmageneratoren gelangt.
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Vorzugsweise ist die obere Zone zumindest teilweise von den anderen Zonen getrennt, sodaß eine Schweberöstschmelzzone ausgebildet wird. Ein Teil des heißen Abgases kann daher zum Vorwärmen und Schmelzen des eingeblasenen feinpulverigen Oxiderzes ausgenutzt werden. Dieses fällt dann in den Reaktor nieder.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Steuerung des Sauerstoffpotentials in der Schmelzzone, indem die Menge, in welcher die oxidierenden Bestandteile zugeführt werden, wie z.B. Metalloxide und oxidierende Gase, z.B. Sauerstoffgas, Kohlenmonoxid, Wasser usw. im Verhältnis zur Zufuhr der reduzierenden Stoffe wie z.B. Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendes Material, gesteuert werden. Auf diese Weise kann der Kohlenstoffgehalt ebenso wie die Ausbildung von Karbid im hergestellten Metall gesteuert werden. Es ist auch möglich, die selektive Reduktion von komplexen Metalloxiden wie z.B. die Reduktion von Cu im Cu-Fe-O-System, von Cu-Zn im Cu-Zn-Fe-O-System, von Cu-Zn-Pb im Cu-Zn-Pb-O-System und von Fe im Fe-Ti-O-System durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders im Fe-Ti-O-System zur Reduktion von Eisen (III)-Oxid und zur Bildung von metallischem Eisen aus Ilmenit und daher zur Herstellung einer Schlacke mit einem hohen Gehalt an TiO_ und niedrigem FeO-Gehalt ohne di· störende Bildung von Titankarbiden oder Nitrokarbiden.
Fig.2 zeigt ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig.3 ein Flußdiagramm für ein herkömmliches Plasma-Verfahren, wobei bei beiden Verfahren Ferrochrom mit einem hohem
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Kohlenstoffgehalt hergestellt werden soll. Diese beiden Flußdiagramme zeigen eindeutig die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen Verfahren.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert
weiterhin die nachstehende Tabelle, welche einen Vergleich
zwischen den Betriebsparametern des bisher bekannten Plasmaverfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung von Ferrochrom mit hohem Kohlenstoffgehalt erlaubt.
Tabelle
Erzzufuhr (t) Kohlenstoff Koks
Sauerstoffgas (mol) Elektrizität (kWh) Schlacke (t) Brenngas-"Guthaben" (GCaI) Brenngas-Volumen (mol) Gesamtmenge an Abgas (kmol) Plasmagas (kmol)
Herkömml.
Plasma-
Schmelzen		 Erfindungs
gemäßes
Verfahren
2.293 2.293
0.366 0.510
0.166 -
- 12.388
4.913 3.036
1.217 1.213
2.844 . 1.006
44.69 24.59
97,94 73,70
53.25 32,90
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert im Vergleich mit
30 Gew.-% beim herkömmlichen Plasmaschmelzen keinen Koks und 40% weniger direkte Elektroenergie. Außerdem ist beim erfin-
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dungsgemäßen Verfahren ein 65% geringeres Brenngas-"Guthaben" (crediting) erforderlich, was einen bedeutenden Vorteil an den Orten geben kann, an denen kein Bedarf für einen derartigen Brennstoff weder extern noch intern besteht. Die geringere Menge an Abgas beim erfindunysgemäßen Verfahren ist ein weiterer Vorteil, da die Einrichtung zum Kühlen, Waschen und erneutem Komprimieren infolgedessen weniger kostenaufwendig sein kann.
Gewisse kritische Merkmale und Bedingungen für die korrekte Dimensionierung und den sicheren Betrieb des Verfahrens sollen ebenfalls erwähnt werden. Eine der wichtigsten Anforderungen besteht darin, die Funktion der Kühlplatten, welche die Seiten und die Decke der Reaktionskammer bilden, aufrecht zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Belag aus leitendem feuerfestem Material eingebaut wird. Dadurch kann eine dünne Schale aus erstarrter Schlacke an der Auskleidung haften bleiben, was einen zusätzlichen Schutz für das System liefert. Die Lanzen 15, 16 und 17 sind derart ausgebildet und in den Reaktor eingesetzt, daß sie die direkte Einwirkung auf die Wandungen möglichst klein halten und die Durchwirbelung in der Reaktionskammer 11 möglichst groß halten. Erreicht wird dies durch eine Kombination der Strahldurchdringung in Abhängigkeit von der Abmessung und der Geschwindigkeit sowie der Richtung. Die gegenseitige Anordnung der Plasmageneratoren 14, der Injektionslanzen 15 für den Kohlenstoff und der Lanzen 16 für das Sauerstoffgas wird so eingestellt, daß eine angemessene Verteilung zwischen den oxidierenden Bedingungen im oberen und im mittleren Teil der Reaktionskammer sowie die reduzierenden Bedingungen im Herd 10 und im unteren Teil der Kammer 11 sichergestellt ist.
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
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Eine Isolierung des Produktbades von den Reaktionen in der Kammer 11 wird dadurch erreicht, daß die Schlackenschicht oder das Schlackenbad im Herd 10 auf dem Metallbad so dick gehalten wird, daß mindestens ein Teil der Schlacke über dem Produktbad liegen bleibt.
- Leerseite -

Claims (6)

Andrejewski, Honke & Partner Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 63 230/E-th 4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 100254 11. April 1985 Patentanmeldung SKF Steel Engineering AB P. 0. Box 202 S-813 00 HOPORS, Schweden Verfahren zur Metallherstellung und/oder Schlackenerzeugung. Patentansprüche:
1. Verfahren zur Metallherstellung und/oder Schlackenerzeugung aus Oxiderzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxiderz evtl. zusammen mit Schlackenbildnern, in einem aus drei Zonen bestehenden Reaktor behandelt wird, wobei in der oberen oder Oxidationszone (11) das Gut vorgewärmt und evtl. durch die Verbrennung von Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas aus der darunterliegenden mittleren Zone zusammen mit einem sauer-
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stoffhaltigem Gas geschmolzen wird, dieses vorgewärmte und evtl. geschmolzene Gut dann in eine aus einem Schlackenbad bestehende mittlere Zone gelangt, in welcher es durch Einblasen von kohlenstoffhaltigem Material und/oder Kohlenwasserstoff sowie Wärmeenergie enthaltendem Material zumindest teilweise reduziert wird, wobei die Wärmeenergie hauptsächlich durch ein in einem Plasmagenerator (14) erhitztes Gas geliefert wird, woraufhin das im Reduktionsprozeß entstandene Metall in eine untere Zone (10) am Boden des Reaktors hinabsinkt, aus welcher es ebenso wie die Schlacke durch Ablaßöffnungen (19; 20) intermittierend abgelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Oxidationsζone (11) und die Reduktionszone (10) umgebenden Teile des Reaktors durch wassergekühlte Platten (12) gekühlt werden, welche innenseitig mit feuerfestem Material (13) beschichtet sind und dadurch an der Innenwandung des Reaktors eine Schicht (21) aus erstarrter Schlacke ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoffhaltiges Material und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Material an einer Stelle zugeführt wird, welche über der Stelle liegt, an welcher vom Plasmagenerator (14) erhitztes Gas zugeführt wird.
4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß kohlenstoffhaltiges Material und/oder kohlenwasserstoffhaltiges Material sowie ein sauerstoffhaltiges Gas in die unteren Teile des Reaktors eingebracht werden und
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daß ein sauerstoffhaltiges Gas außerdem an einer Stelle über der Oberfläche des Schlackenbades eingeblasen wird.
5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere oder Oxidationszone (11) zumindest teilweise von den anderen Zonen getrennt ist und das vorgewärmte Material von der oberen in die mittlere Zone hinabfällt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß heißes Abgas an der Decke des Reaktors entnommen und zumindest ein Teil desselben zum Vorwärmen und eventuellen Schmelzen des Materials in der zumindest teilweise abgetrennten oberen Zone (11) verwendet wird, wodurch eine Schweberöstschmelzzone gebildet wird.
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