DE4103132A1

DE4103132A1 - Verfahren zur herstellung von kalziumkarbid

Info

Publication number: DE4103132A1
Application number: DE4103132A
Authority: DE
Inventors: Horst Grundmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1991-01-30
Publication date: 1992-08-20
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: DE4103132C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kalziumkarbid (CaC₂) in einem Sauerstoffkonverter auf der Grundlage des 3-Stoffsystems Eisenkarbid, Kalk und Kohlenstoff.

Die Herstellung von Kalziumkarbid erfolgt nach den bekannten Verfahren auf der Basis von gebranntem Stückkalk und einem Kohlenstoffträger, z. B. in Form von Koks, Kohlenstaub oder Koksgrus. Die Ausgangsstoffe werden dabei im kalten Zustand mit einer bestimmten Teilchengröße eingesetzt und in einem Lichtbogenofen bei Temperaturen oberhalb 1650°C zur Reaktion gebracht, wobei die reaktionsfähige Kalkschmelze bis auf ca. 2000°C erhitzt werden muß, um vertretbare CaC₂-Gehalte von ca. 78% zu erreichen. Der endotherme Vorgang läuft dabei wie folgt ab:

CaO + 3 C=CaC₂ + CO + 456 KJ/Mol Wärmebedarf

Auf Grund der ungenügenden Durchmischung der Kalkschmelze wird der festbleibende Kohlenstoff nur sehr langsam chemisch gebunden. Der Prozeß der Karbidbildung im Lichtbogenofen hat folgende Nachteile:

- lange Vorwärmung und Aufschmelzdauer infolge von Kalteinsatz von Kalk und Kohlenstoffträger
- Reaktionsträgheit bei der chemischen Abbindung zu Kalziumcarbid auf Grund ungelöstem Kohlenstoff
- hoher Energieverbrauch von ca. 3800 kWh für 1 t 78%igen CaC₂
- ungenügende Entsorgung und Verwertung der entstehenden staubhaltigen CO-Abgase und damit verbundener hoher Gefährdungsgrad und Umweltbelastung
- hoher Verschleiß der Anlagentechnik

Diese Nachteile haben dazu geführt, daß die Karbidchemie gegenüber der Erdgas- und Erdölchemie an Konkurrenzfähigkeit verloren hat. Neben der Herstellung von Kalziumkarbid in einem Lichtbogenofen ist gemäß DE-OS 33 15 852 ein Verfahren bekannt geworden, bei dem unter Einsatz von pulvrigem Kalk oder Kalkstein und einem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel Kalziumkarbid unter Verwendung eines Plasmagenerators hergestellt werden kann. Gemäß diesem Verfahren wird der pulvrige Kalk oder Kalkstein mit Hilfe eines Trägergases in ein vom Plasmagenerator erzeugtes Plasmagas eingeblasen und anschließend zusammen mit einem Reduktionsmittel in eine Reaktionskammer gebracht, die im wesentlichen allseitig von einem festen stückigen Reduktionsmittel umschlossen ist. Nachteil dieser Lösung ist ebenfalls der hohe Energieeinsatz von ca. 3800 kWh/t CaC₂ und der Mehraufwand für die Aufbereitung der Einsatzstoffe sowie die Anlagentechnik.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Kalziumkarbid (CaC₂) zu entwickeln, bei dem unter Nutzung der exothermen Vorgänge bei der Konverterstahlerzeugung die für ein Karbidbildung erforderliche Prozeßwärme erzeugt wird und die Reaktionsbedingungen für die Karbidbildung verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Herstellung von Kalziumkarbid unter Verwendung einer an sich bekannten Anlage zur Konverterstahlerzeugung in zwei Stufen auf der Basis eines 3-Stoffsystems von Eisenkarbid, Kalk und Kohlenstoff erfolgt, wobei in einer ersten Stufe, das in einem Konvertergefäß befindliche schmelzflüssige Roheisen nach Zugabe von Kalk einem Blasprozeß unterzogen wird, bei dem durch Verbrennung des zugeführten Sauerstoffs mit dem in der Fe₃C-Schmelze gebundenen Kohlenstoff eine Temperaturerhöhung um ca. 400°C auf <1650°C erreicht wird. Der exotherme Vorgang läuft nach der Beziehung

2 Fe₃C + O₂=6 Fe + 2 CO + Wärme

ab und ermöglicht neben der Temperaturerhöhung auf vorzugsweise ca. 1700°C eine intensive Durchmischung der Schmelze sowie Erzeugung einer chemisch aktiven Kalkschmelze mit Ablauf der Blaszeit von ca. 15 min. Die Sauerstoffzuführung während der Blasprozesses ist dabei so zu steuern, daß die Schmelze nicht unter 0,5% C entkohlt wird. Das in dieser Stufe durch die C-Verbrennung entstandene CO wird durch eine entsprechende Abgasvorrichtung abgesaugt, gespeichert und verwertet. Die für die erste Verfahrensstufe benötigte Menge an Kalk beträgt ca. ¹/₅ der eingesetzten Roheisenmenge. Die sich anschließende 2. Stufe ist ein reduzierende und karbidbildende Verfahrensstufe, bei der die bessere Löslichkeit von Kohlenstoff im Eisen oberhalb der Linie BCD des Fe-C Diagramms und die damit vorhandene bessere Reaktionsfähigkeit von Kohlenstoff mit anderen Stoffen für die Karbidbildung genutzt wird. Der in der 1. Stufe durch den Blasprozeß aus der Fe₃C- Schmelze verbrauchte Kohlenstoff sowie der für die Karbidbildung erforderliche Kohlenstoff wird in der 2. Stufe durch C- Zugabe ausgeglichen, wobei der eingesetzte Kohlenstoffträger sich gemäß der Beziehung

C + 3 Fe = Fe₃C

mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit in der Schmelze auflöst. Die Hauptreaktion der 2. Verfahrensstufe

3 Fe₃C + CaO = CaC₂ + 9 Fe + CO

läuft auf Grund der günstigen Reaktionsbedingungen auch noch unterhalb von 1650°C ab, wobei der Vorgang der Karbidbildung durch den Einsatz einer Bodenspülung mit Argon in vorteilhafter Weise beschleunigt werden kann. Dieser endotherme Vorgang führt durch das Vorhandensein einer mehrfachen Roheisenmenge und damit einer erforderlichen Speicherwärme nur zu einer geringfügigen Absenkung der Badtemperatur von ca. 50-100°C. Die Dauer der 2. Verfahrensstufe beträgt etwa das Doppelte der 1. Stufe, wobei das jeweilige Ende der 2. Stufe von der aktuellen Badtemperatur, der Menge der Kalkschmelze sowie der zugeführten C-Menge abhängig ist. Die in der 2. Stufe anfallende CO-Abgasmenge wird ebenfalls abgesaugt, aufbereitet und einer Verwertung zugeführt. Je nach den Erfordernissen ist das Verfahren für eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Karbidproduktion anwendbar, d. h. die eingesetzte Roheisenmenge kann einmalig oder mehrmalig als Wärmespeicher, Katalysator und Lösungsmittel des schwer schmelzbaren Kohlenstoffs eingesetzt werden, wozu bei einem mehrmaligen Einsatz lediglich eine entsprechende Aufkohlung der Schmelze auf ca. 4-5% C vorgenommen werden muß. Die verfahrengemäß hergestellte Karbidmenge wird nach vorgenommener Bodenspülung einer kurzzeitigen Phase der Schwerkraftentmischung unterzogen, danach abgestochen und einer weiteren Verarbeitung zugeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft in Kombination mit der Stahlerzeugung in einem Sauerstoffkonverter angewendet werden. Neben den wesentlich günstigeren Reaktionsbedingungen für eine CaC₂-Produktion ist es mit diesem Verfahren möglich, die anfallende CO-Abgasmenge unter Nutzung der bestehenden Anlagen für die Stahlherstellung wirtschaftlich zu verwerten und die Umweltbelastungen gegenüber der herkömmlichen Karbidproduktion erheblich zu senken.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Beispielen näher erläutert werden. Das Verfahren wird dabei an einer Anlage zur Konverterstahlerzeugung beschrieben, dessen Konverter mit Bodenspülung ausgerüstet ist und nach dem Sauerstoffaufblasverfahren arbeitet. Die Karbidproduktion erfolgt dabei im Wechsel mit der Stahlerzeugung, um eine effektive Auslastung der Konverterkapazität zu ermöglichen, wenn infolge von Störungen oder Instandhaltungsmaßnahmen an den nachfolgenden Stahlbehandlungs- oder Gießanlagen eine kontinuierliche Stahlproduktion nicht möglich ist.

Beispiel A

Das flüssige Roheisen (Fe₃C) in einer Menge von 200 t, mit einer Temperatur von 1300°C und einem C-Gehalt von 4,5% wird in das Konvertergefäß chargiert. Auf den sonst bei einer Stahlproduktion üblichen Einsatz von Schrott wird zugunsten einer erhöhten Kalkmenge von ca. 42 t für eine max. Karbidbildung verzichtet. Zum Einsatz kommt ein Si- und P-armes Roheisen. Die O₂-Menge, die Position der Blaslanze sowie das Schema der Kalkzugabe werden rechnerisch ermittelt und danach der Blasprozeß geregelt. Die Blaszeit beträgt ca. 15 min bei einem um ca. 20% geringeren O₂-Einsatz gegenüber der Stahlproduktion. Nach Erreichen der Badtemperatur von 1700°C wird die O₂-Zufuhr über eine gesonderte Kontrolleinrichtung (Sublanze) unterbrochen. Der C-Gehalt der Fe₃-C-Schmelze beträgt danach 1,0%, wodurch ein vertretbarer FeO-Gehalt in der dünnflüssigen und reaktionsfähigen CaO-Schmelze vorliegt. Der Prozeß ist so zu führen, daß keine Mn-Verbrennung stattfindet. Die Kalkzugabe erfolgt in Form von Stückkalk, der durch den exothermen Vorgang

2 Fe₃C + O₂ = 6 Fe + 2 CO + Wärme

in eine chemische aktive Kalkschmelze umgewandelt wird. Die entstehende CO-Abgasmenge der 1. Stufe von ca. 16 t wird ständig abgesaugt und vor dem E-Filter durch Abhitzekessel gekühlt sowie bei entsprechender Nachbehandlung gespeichert. Die 1. Stufe des Verfahrens endet mit Abschluß der O₂-Zufuhr und dem Vorliegen einer reaktionsfähigen Kalkschmelze für die CaC₂- Produktion.

Für die Karbildbildung aus einer Einsatzmenge von 42 t Stückkalk sind ca. 27 t C und als Ersatz für die in der 1. Stufe erfolgte C-Verbrennung ca. 7 t C, insgesamt also ca. 34 t C erforderlich, die kontinuierlich in Abhängigkeit von der Reaktionsgeschwindigkeit während der 2. Stufe in das Schmelzbad einzubringen sind. Als Zielgröße wird eine Karbidproduktion von ca. 50 t 80%igem CaC₂ angestrebt. Zur Beschleunigung der CaC₂-Bildung sowie der Auflösung des als Kohlenstoffträger eingesetzten Feinkoks in der Schmelze erfolgt der Einsatz einer Bodenspülung am Konverter. Die Bodenspülung mit Argon wird nach erfolgter Karbidbildung eingestellt, um vor dem Abstich in der Übergangszone Eisen-/Karbidschmelze eine Entmischung der Schmelze zu ermöglichen. Die in dieser Verfahrensstufe anfallende CO- Abgasmenge von ca. 21 t wird ständig abgesaugt, gekühlt und gespeichert. Nach dem Abstich der erzeugten Karbidschmelze von ca. 50 t 80%igem CaC₂ wird die verbleibende und auf ca. 4,5% aufgekohlte Fe₃C-Schmelze für die nächste Karbidcharge genutzt.

Beispiel B

Im Gegensatz zu der unter Beispiel A beschriebenen Variante einer durchgehenden Karbidproduktion, d. h. der Nutzung einer eingesetzten Roheisenmenge für die kontinuierliche Herstellung von Karbid, besteht bei entsprechenden Produktionsbedingungen an den einem Konverter nachgeordneten Anlagen eines Stahlwerkes auch die Möglichkeit einer gemischten Karbid- und Stahlproduktion. Unter diesem Gesichtspunkt wird das Verfahren so modifiziert, daß für jede Charge die erforderliche Roheisenmenge neu chargiert wird. Die Karbidproduktion wird dabei wie mit den unter Beispiel A genannten Einsatzstoffen und Bedingungen beschrieben. Lediglich die für die Aufkohlung der Fe₃C-Schmelze in der 2. Verfahrensstufe eingesetzte Kohlenstoffmenge von ca. 7 t ist nicht zuzuführen, da in Abhängigkeit von der jeweils zu erschmelzenden Stahlmarke ein niedriger C-Gehalt in der Schmelze erforderlich ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kalziumkarbid, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Basis eines 3-Stoffsystems von Eisenkarbid, Kalk und Kohlenstoff in zwei Stufen eine CaC₂-Bildung erfolgt, wobei in einer ersten exothermen Stufe schmelzflüssiges Roheisen (Fe₃C) und Kalk durch Einblasen von Sauerstoff auf eine Temperatur <1650°C vorzugsweise von ca. 1700°C gebracht wird und anschließend in einer reduzierenden und karbidbildenden zweiten Stufe unter Zuführung von Kohlenstoff die aufgeschmolzene chemisch aktive Kalkschmelze mit dem in Lösung gegangenen Kohlenstoff zu Kalziumkarbid (CaC₂) reagiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Wärmespeicher und Katalysator eingesetzte Roheisenschmelze (Fe₃C) einmalig oder mehrmalig für die Bildung von CaC₂ eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbidbildung in einem Sauerstoffkonverter erfolgt, der zur Beschleunigung der Reaktionsvorgänge der 2. Stufe mit einer Bodenspülung betrieben wird.