DE3620517A1 - Verfahren zum schmelzen und rberhitzen von eisenmetallen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Schmelzen von Metallen und insbesondere auf das Schmelzen und Überhitzen von festen Eisenmetallen.

Das Schmelzen von Schrott oder anderem festen Eisen­ material innerhalb eines Lichtbogenofens ist natür­ lich ein allgemein bekanntes Verfahren. Jedoch wird zum zufriedenstellenden Schmelzen des festen Materials eine beträchtliche elektrische Energie benötigt und zusammen mit den zugeordneten Elektrodenkosten trägt dies wesentlich zu den Gesamtkosten des Fertigproduktes bei.

Die Umwandlung der der Kohle innewohnenden Energie in elektrische Energie stellt ein Verfahren mit geringem Wirkungsgrad dar und demgemäß stellt das Schmelzen von Schrott in einem Lichtbogenofen ein Verfahren dar, durch das der zugrundeliegende fossile Brennstoff in höchst unwirksamer Weise ausgenutzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Schmelzen von Metall in der Weise durchzuführen, daß die oben erwähnten Probleme wesentlich vermindert werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Schmelzen und Überhitzen von Eisenmaterial in der Weise durchgeführt, daß ein Behälter mit Eisenmaterial beschickt und in den Behälter Kohle und Sauerstoff in solchen Verhältnissen eingespritzt werden, daß die Kohle verbrennt, um eine ausreichende Erhitzung zum Schmelzen des Eisenmaterials zu liefern und um überschüssigen Restkohlenstoff in der Schmelze zu belassen, um die Schmelze bei Oxydation dieses Sauerstoffs zu überhitzen.

Unter dem Ausdruck "Überhitzung" soll ein solches Anheben der Temperatur der Schmelze über den Schmelz­ punkt verstanden werden, daß am Ende der Erhitzung die Schmelze auf eine Temperatur gebracht ist, die aus­ reicht um einen zufriedenstellenden Transport und/oder ein Vergießen des geschmolzenen Metalls zu ermöglichen.

Unter dem Ausdruck "Eisenmaterial" soll Eisenschrott und/oder anderes Eisen enthaltendes festes Material verstanden werden.

Kohle und Sauerstoff werden in einem solchen Verhältnis eingeführt, daß der Kohlenstoffgehalt sowohl während des Schmelzvorganges als auch während des Überhitzungs­ vorganges gesteuert wird.

Der Behälter kann in seiner Bodenwand beispielsweise Blasrohre oder poröse Ziegel enthalten, um ein Umrühr­ gas in die Schmelze einzuleiten, um auf diese Weise die Wärmeübertragung in der Schmelze zu verbessern.

Eine Eisenschmelze, die gemäß den Lehren der Erfindung erzeugt wird, kann anschließend einem weiteren Behälter zugeführt werden, um eine sekundäre Stahlfrischung durchzuführen.

Die Kohle kann über ein Trägergas über eine Lanze oder ein Blasrohr eingeführt werden, welches ge­ trennt ist von den Lanzen oder Blasrohren, die zum Einleiten des sauerstoffreichen Gases benutzt werden. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Stoffe in einer einzigen Lanze oder mehreren Lanzen gemeinsam zuzuführen, wodurch Sauerstoff und Kohle in Kombi­ nation zur Verbrennung in den Behälter gelangen, oder es kann eine koaxiale Einspritzlanze benutzt werden, bei der z.B. die Kohle in dem äußeren Ring­ kanal zugeführt wird, während der Sauerstoff durch die Innenbohrung eingeleitet wird. Die Lanze oder die Lanzen können mit einer Wasserkühlung versehen sein.

Der Behälter kann mit einer Vielzahl von Einspritz­ rohren oder Lanzen versehen sein.

Die Kohle kann in Pulverform oder in Granulatform vor­ liegen, und zwar in einem weiten Bereich von Teilchen­ größen, beispielsweise zwischen 3 mm mittleren Durch­ messers bis herab zu 50 µm.

Die benutzte Kohle kann irgendeine Kohle sein, die auf die erforderliche Größe zerkleinert ist und die erforderliche Brennkapazität besitzt, d.h. mittel­ flüchtige oder hochflüchtige Kohle für allgemeine Zwecke.

Es können unterschiedliche Spendervorrichtungen benutzt werden, um die Kohle nach dem Einspritzrohr zu über­ führen.

So kann die Spendervorrichtung eine herkömmliche Schraubenfördervorrichtung sein oder eine Fluidi­ sierungsvorrichtung, z.B. eine Vorrichtung zur Zuführung von Kohle nach dem Förderrohr.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann eine vorgeschaltete Vorrichtung benutzt werden, die suk­ zessive die angeförderte Kohle zerkleinert und dem Einspritzrohr liefert.

Die Einspritzraten von Kohle und Sauerstoff können verändert werden, um eine Anpassung an örtliche Um­ stände und Erfordernisse zu gewährleisten, und ins­ besondere um eine Anpassung an die Betriebsbedingungen des betreffenden Behälters zu ermöglichen. Das Verhält­ nis von Sauerstoff zu Kohle kann derart sein, daß es während des Schmelzvorganges ein Verhältnis unter dem sub­ stoichiometrischen Wert ergibt, aber die Anteile können sich ändern, je nachdem ob Kohlenstoff der Schmelze zu­ gesetzt oder aus dieser abgezogen wird, wie weiter unten im einzelnen beschrieben ist.

Das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff kann in der Überhitzungsstufe über dem stoichiometrischen Wert liegen, wobei die Anteile durch das Ausmaß der erforderlichen Überhitzung bestimmt werden, und durch den Kohlegehalt der Schmelze beim Fortschreiten des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vertikalschnitt­ ansicht der Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens;

Fig. 2 eine schematische Grundrißansicht der Vorrichtung nach Fig. 1.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Vorrichtung allgemein wie ein herkömmlicher Lichtbogenofen ausge­ bildet ist. Der Ofen 1 ist mit einer Schrottcharge 2 versehen, vielleicht zusammen mit einem Anteil von Roheisen, wobei der Schrott normale Stahlcharakte­ ristik besitzt. Mehrere koaxiale Kohlenstoff- und Sauerstoffinjektionslanzen werden benutzt, um die brennende Kombination von Kohlenstoff und Sauerstoff einzuführen. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel drei derartige wasser­ gekühlte Lanzen 3 durch die Öffnungen 8 eingeführt sind, die normalerweise für die Lichtbogenelektroden vorge­ sehen sind, während drei weitere Lanzen 4 diagonal durch die Seitenwände 5 des Ofens geführt sind. Der Ofen kann mit einer feuerfesten Auskleidung für den Herd versehen sein, jedoch können Seitenwände und Dach aus wasserge­ kühlten Platten bestehen.

Ein Abgas- und Rauchabzug 10 ist im Ofen 9 vorgesehen.

Der Behälter ist mit porösen Elementen 6 im Bodenteil 12 ausgestattet, um ein Rührgas in die Schmelze 7 einführen zu können.

Die drei Brennerlanzen 3, die durch das Dach hindurch­ stehen, liegen auf einem gleichen Teilungskreis wie jener, der für die Elektroden bei einem Lichtbogen­ ofen benutzt wird, wie dies oben erwähnt wurde, wobei in diesem Falle Kohle in einem weiten Bereich stoichio­ metrischer Werte verbrannt werden kann. Die Brenner­ lanzen 4, die durch die Seitenwände 5 des Ofens hin­ durchstehen, haben eine Doppelfunktion. Erstens wirken sie als Brenner zur Erhitzung der Charge, und zweitens ermöglichen sie das Einspritzen von Kohle oder anderem kohlenstoffhaltigem Material in die Schmelze, um den Kohlenstoffgehalt derart einzustellen, daß die Flüssig­ stahltemperatur nach dem Schmelzen auf den richtigen Abstichwert angehoben wird.

Die unteren Rührelemente 6 werden von feuerfesten Blöcken gebildet, die entweder Schlitze oder kleine Kanäle zum Gasdurchtritt aufweisen. Das zum Umrühren benutzte Gas ist gewöhnlich ein inertes Gas, obgleich auch reaktive Gase, beispielsweise Kohlendioxid oder Luft gelegentlich benutzt werden.

Die Schrottcharge 2 kann in der üblichen Weise durch Kübelbegichtung zugesetzt werden. Die Anzahl der benutzten Kübel wird aus praktischen Gründen so klein als möglich gehalten, je nach der Größe des Ofens. Die Charge könnte in der Praxis einen Anteil von Roheisen mit Reststahlschrott enthalten. Es könnte ein Wiederaufkohlmittel zugesetzt werden und Flußzusätze, wie beispielsweise Kalk, um eine Schlacke herzustellen, die über Kübel zugeführt werden kann.

Nach der Beschickung wird der Ofen dadurch in Tätig­ keit gesetzt, daß das Schmelzen des Schrotts einge­ leitet wird, wobei der flüssige Stahl auf die geeig­ nete Abstichtemperatur (etwa 1650°C) angewärmt wird. Normalerweise wird der so erhaltene Stahl über einen Abstichkanal 11 für einen zweiten Frischvorgang ab­ gezapft, obgleich wenn nur ein einfacher Stahl er­ forderlich ist, die Möglichkeit besteht, daß dieser im Schmelzbehälter direkt erzeugt wird. Im Normalbe­ trieb werden sekundär Pfannenzusätze benutzt. Das System ist auch in der Lage, einen gewissen Anteil Schwefel während des Schmelzens und der Überhitzung innerhalb des Schmelzgefäßes durch entsprechende Schlackensteuerung zu entfernen.

In der Praxis beginnt der Schmelzprozeß wenn die vom Dach her eingeführten Brenner 3 abgesenkt werden und ihre Spitzen etwa 2 m über dem Herd befindlich sind. Dann wird die Charge von diesem Punkt an unter Zuhilfe­ nahme der Seitenwandbrenner 4 geschmolzen. Wenn die flüssige Metallmenge 7 am Boden 12 des Ofens sich ver­ größert und der Schrott hereinfällt, werden die Dach­ brenner 3 zurückgezogen um den Abstand zwischen Brenner und Bad zu steuern. Während dieser Vor­ gänge verbrennt die Kohle mit dem Sauerstoff unter stoichiometrischen Bedingungen oder etwas darunter. Die Rührgase beginnen durch die Elemente 6 mit ge­ ringer Strömungsrate einzutreten, wobei diese Ein­ trittsrate ansteigt, wenn die Größe des flüssigen Stahlbades 7 sich vergrößert, damit die Wärmeüber­ tragung verbessert wird. Wenn eine zweite Kübelbe­ schickung durch Schrott erforderlich ist, wiederholt sich der Schmelzprozeß.

Bei der Vollendung des Schmelzprozesses (Ausschmelzen) hat der flüssige Stahl gewöhnlich eine Temperatur von 1550°C und enthält etwa 1,4% Kohlenstoff. Wenn diese Stufe erreicht ist, kann die Kohlenstoffzuführung nach den Seitenwandbrennern 4 abgeschaltet werden und die Kohlenstoffzuführung durch die Dachbrenner wird ver­ mindert, während die Sauerstoffströmungsrate aufrecht­ erhalten wird, wodurch der stoichiometrische Wert über 100% angehoben wird. Unter normalen Bedingungen kann der etwa 2 bis 3-fache stoichiometrische Wert dabei angewandt werden. Die Wirkung dieses Verfahrens be­ steht darin, eine Oxydation des Kohlenstoffs aus dem flüssigen Bad zuzulassen. Die freigegebene Wärme führt dazu, daß der flüssige Stahl auf seine Abstichtemperatur von etwa 1650°C überhitzt wird. Sollte der Kohlenstoff­ pegel im Stahl bei der Vollendung des Schmelzprozesses unter dem erwünschten Pegel liegen, um eine solche Ab­ stichtemperatur erreichen zu können, kann Kohle in das Bad über die Seitenwandlanzen 4 oder die Dachlanzen oder durch getrennte Hilfslanzen eingeführt werden. Die Kohlenstoffmenge, die erforderlich ist, hängt von den Schmelzbedingungen, von dem Kohlenstoff­ pegel und der Temperatur ab. Eine Hilfslanze kann benutzt werden, um Sauerstoff während des Schmelz­ vorganges und/oder des Überhitzungsvorganges in das System einzuführen.

Durch eine Wendung dieser Technik der Kohlenstoff­ steuerung wird die Wärme wirksamer auf das Bad bei Stahlherstellungstemperaturen durch eine Bad-Kohlen­ stoff-Oxydation übertragen. Ohne die Kohlenstoff­ einstellung, die durch die Erfindung bewirkt wird, wäre eine thermische Erholung der Schmelze und wäh­ rend der Überhitzung sehr unwirksam und betrüge höchstens 20%, wodurch Zeit und Energie vergeudet werden. Das Umrühren des Bades wird auch benutzt, um die Kohlenstoff/Sauerstoffreaktion zu unterstützen und zu optimieren und die Bad-Oxydation zu vermindern und ein gutes Ergebnis zu erlangen.

Bei Vollendung der Überhitzungsphase wird der flüssige Stahl normalerweise vom Ofen abgestochen und dann einer weiteren Behandlung in einem Sekundär-Stahl­ herstellungsbehälter weiterverarbeitet.

Claims (12)

1. Verfahren zum Schmelzen und Überhitzen von Eisenmetall, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter mit Eisenmetall beschickt wird, und daß in den Behälter Kohle und Sauerstoff in solchen Verhältnissen eingespritzt werden, daß die Kohle verbrennt, um eine ausreichende Er­ hitzung zum Schmelzen des Eisenmetalls zu liefern und um Restkohlenstoff in der Schmelze zu belassen, um die Schmelze nach Oxydation des Kohlenstoffs zu überhitzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kohle und Sauer­ stoff in einem solchen Verhältnis eingeführt werden, daß der Kohlenstoffgehalt der Schmelze sowohl während des Schmelzvorganges als auch während der Überhitzung gesteuert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von eingespritztem Sauerstoff zu einge­ spritzter Kohle derart ist, daß während des Schmelzvorganges bei einem unterhalb des sub-stoichiometrischen Wertes liegenden Wert gearbeitet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von eingespritztem Sauerstoff zu eingespritzter Kohle derart ist, daß während der Über­ hitzungsphase mit einem über dem stoichiometrischen Pegel liegenden Wert gearbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rührgas wenigstens während einer der Verfahrensstufen in die Schmelze eingeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle in granularer Form eingeführt wird, wobei die Teilchengröße zwischen 3 mm und weniger als 50 µm mittleren Durchmessers liegt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle eine mittel- bis hochflüchtige Kohle für allgemeine Zwecke ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle in den Behälter mittels einer Lanze oder einer Blasform eingeführt wird, und zwar getrennt von jenen Mitteln die benutzt werden, um sauerstoffreiches Gas während wenigstens einer Stufe einzuleiten.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle und das sauerstoffreiche Gas in den Behälter in Kombination in wenigstens einer Lanze einge­ spritzt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kohle und sauer­ stoffreiches Gas in den Behälter durch wenigstens eine koaxiale Lanze eingespritzt werden, wobei die Kohle im äußeren Ringkanal zugeleitet wird und das sauerstoffreiche Gas über die Innenbohrung.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle zum Einspritzen von einem Förderrohr zugeführt und dem Förderrohr von einer Vorrichtung zugeleitet wird, die derart angeordnet ist, daß sie die Kohle zerkleinert und pulvrisiert, und die so zerkleinerte Kohle weiterleitet.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um einen Behälter mit Eisenmaterial an­ zufüllen und in den Behälter zerkleinerte Kohle und Sauerstoff in solchen Mengen einzu­ spritzen, daß die Kohle verbrennt um die not­ wendige Hitze zum Schmelzen des Eisenmaterials zu liefern, wobei ein Rest Kohlenstoffgehalt in der Schmelze verbleibt, um diese durch Oxydation des Kohlenstoffs zu überhitzen.