DE4139236C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von Roheisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Roheisen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Kupolofen gemäß Oberbegriff Anspruch 10 zur Durchführung des Verfahrens.

Üblicherweise wird Roheisen in Hochöfen erschmolzen, ein Weg, der regelmäßig mit hohen Investitionskosten verbunden ist. Hochofenprozesse lassen sich dabei wirtschaftlich mit kleineren Kapazitäten kaum durchführen, darüber hinaus eignen sich diese Anlagen kaum für eine intermitierende Arbeitsweise. Hinsichtlich der Verwendung von Brennstoffen sind Hochöfen in besonderem Maße eingeengt und erfordern teuren Koks, wobei zum Verkoken geeignete Kohle nicht immer in dem großen Maße vorhanden ist und dabei einen hohen Kostenfaktor darstellt.

In Eisengießereien ist das Schmelzen von Eisen in Kupolöfen üblich. Gemöllert wird hier regelmäßig Gußeisen, Eisenschrott und Stahlschrott und die zugehörigen Zuschläge wie etwa Kalkstein.

Aus der AT-PS 186 296 ist ein Verfahren zur Verhüttung von Erzen bekannt, bei dem aus feinkörnigem, unverkokstem Brennstoff und Erzen bestehende Brikette in den oberen Teil eines Niederschachtofens chargiert werden, wobei die Beschickung in einer vorgegebenen Höhe und ohne wesentliche Pausen erfolgt. Aus den Gichtgasen werden hierbei Schwelteere gewonnen.

Aus der Schrift DE OS 22 04 042 ist ein Verfahren zum Schmelzen von Metall, insbesondere Eisen bekannt, bei dem ein senkrechter Schachtofen Verwendung findet, der ein poröses Wärmetauscherbett aufweist. Erhitzt wird der Schachtofen durch Brennergase, die einen Brennstoffüberschuß von über 10% aufweisen und die nach oben durch das aus feuerfestem Material bestehenden Wärmetauscherbett geleitet werden. Dieses Verfahren zum Schmelzen von Metall kommt ohne Verwendung von Koks aus.

Nachteil des aus dieser Schrift bekannten Gegenstandes ist der hohe Energieverbrauch und seine zu geringe Leistung. Darüber hinaus ist das bekannte Verfahren nur geeignet zum Schmelzen von Eisen in Eisengießereien, aber nicht vorgesehen zur Erzeugung von Roheisen.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Roheisen zu schaffen, bei der nichtverkokbare Kohle in gerade für die Reduktion erforderlicher Menge Verwendung findet und beliebige Brennstoffe zur Wärmeerzeugung in energiesparender Weise zum Einsatz kommen.

Gelöst wird das Problem durch die gekennzeichneten Merkmale des Verfahrensanspruches 1 und des Vorrichtungsanspruchs 11.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Schmelzen von Roheisen kommen selbstgängige Agglomerate zum Einsatz. Diese Agglomerate bestehen aus feinkörnigem Eisenerz, feinkörniger nichtverkokbarer Kohle und einem Bindemittel, z. B. Polyvinylacetat. Diese Materialien werden zu relativ dichten und großen Körpern, vorzugsweise in Form von Briketts bepreßt. Diese Briketts werden in einem Schachtofen, einem sogenannten kokslosen Kupolofen, chargiert. Ein solcher Schachtofen besitzt im unteren Drittel einen Rost, auf dem sich die Möllersäule abstützt. Unterhalb des Rostes sind Brenner angeordnet, die mit Öl, Gas oder Feststoffen betrieben werden. Diese stöchiometrisch betriebenen Brenner erzeugen vollständig verbrannte Gase. Diese Gase steigen im Gegenstrom zu den Agglomeraten durch die Möllersäule des Schachtofens und verlassen den Ofen an der Gicht.

Die Agglomerate werden kalt chargiert und bei ihrem Niedergehen durch die Verbrennungsgase auf eine Temperatur um etwa 1000°C erhitzt. Je nach Reaktivität der Kohle beginnt bei dieser Temperatur bei den selbstgängigen Agglomeraten die Reduktionsreaktion. Die Kohlen- und Wasserstoff enthaltenden Bindemittel initiieren bzw. beschleunigen die Reduktion. Die Reduktion läuft dabei im Agglomerat unabhängig von der Atmosphäre im Ofen ab. Durch die relativ dichte Oberfläche der gepreßten Agglomerate dringen nahezu keine oxidierenden Verbrennungsgase in die Agglomerate ein. Somit können diese Gase auch nicht das frisch reduzierte Eisen reoxidieren oder sich mit dem für die Reduktion benötigten Kohlenstoff umsetzen und diesen für die Reduktion bzw. für das Aufkohlen der Agglomerate entziehen.

In Abhängigkeit der Größe und der Dichte der Agglomerate läßt sich das Eindiffundieren des CO₂ während der Durchsatzzeit in der Weise beeinflussen, daß nur im Oberflächenbereich Eindiffundieren stattfindet. Insgesamt muß nur mit einem geringen Kohlenstoffabbrand gerechnet werden.

Beim weiteren Absinken der Beschickung wird diese in Roheisen und Schlacke aufgeschmolzen. Das schmelzflüssige Material wird zunächst bei dem Kontakt mit dem keramischen Bett überhitzt und fällt in Tropfenform in das Gestell des Kupolofens.

Dabei befindet sich das herabtropfende Roheisen im Gegenstrom zu den unterhalb des Rostes erzeugten, vollkommen verbrannten Gasen. In Abhängigkeit von der Intensität des Kontaktes der Roheisentropfen mit den Gasen findet eine Reoxidation statt. Die Reoxidation ist dabei um so geringer, je kleiner die Abgasgeschwindigkeit ist, da bei zu hohen Abgasgeschwindigkeiten es zu einem feinen Versprühen der Eisentropfen mit der nachteiligen Folge einer Vergrößerung der spezifischen Oberfläche kommen kann.

Zur Verringerung der Abgasgeschwindigkeit werden relativ große Agglomerate eingesetzt, um den aufströmenden Gasen über ein großes Lückenvolumen eine große Durchtrittsfläche anzubieten. Vorzugsweise kommen hier Briketts zum Einsatz.

Als weitere Maßnahmen zur Minimierung der Reoxidation des Roheisens durch Reduzierung der Abgasgeschwindigkeit wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schacht des Kupolofens mit erhöhtem Gegendruck betrieben. Weitere Maßnahmen sind das Vorwärmen der Verbrennungsluft und das Anreichern der Verbrennungsluft mit Sauerstoff. Hierdurch kann das Gasvolumen minimiert werden, wodurch die Abgasgeschwindigkeit reduziert wird.

Das durch die Reduktionsreaktion in der Beschickungssäule entstehende Kohlenmonoxid wird durch innerhalb der Beschickung über Seitendüsen zugeführten Sauerstoff nachverbrannt. Hierdurch wird ein Teil der Energie für die im mittleren oberen Bereich des Schachtes ablaufende Reaktion bereitgestellt.

Zur Durchführung des Verfahrens kommt ein konstruktiv einfacher Schachtofen zum Einsatz. Die Investitions- wie auch die Instandhaltungskosten sind im Vergleich zur Roheisenerzeugung in einem Hochofen gering. Der Energieverbrauch gestaltet sich gerade durch den Verzicht auf Koks deutlich kostengünstiger.

Ein Beispiel des zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Schachtofens ist in der beiliegenden Zeichnung dargelegt. Es zeigt

die Fig. 1 einen Kupolofen 10 mit einem Metallmantel 11 und einer Feuerfestauskleidung 12. Im Schacht 18 befindet sich im Kopf eine Beschickungseinrichtung 13 und eine Abgasöffnung 14. Im Gestell 19 ist eine Abstichöffnung 15 mit einer anschließenden Abstichrinne 16 und einem Schlackeabstich 17 vorgesehen.

Zwischen dem Schacht 18 und dem Gestell 19 ist ein senkrecht zur Ofen-Mittenachse I angeordneter Rost 20 vorgesehen. Dieser Rost 20 besteht aus parallel geführten Rohren 21, die an eine nicht weiter dargestellte Kühlmittelzufuhr 22 und eine Kühlmittelabfuhr 23 angeschlossen sind.

Unterhalb des Rostes 20 sind Brenner 30 vorgesehen, deren Brennerkammer im Bereich der Feuerfestauskleidung 12 angeordnet ist. Die Brenner 30 weisen eine Windzufuhr 31 und eine Brennstoffzufuhr 52 auf. Die Windzufuhr 31 kann an eine Luftvorwärmung angeschlossen sein. Darüber hinaus ist eine Sauerstoffanreicherung vorsehbar.

Die Verbrennungsgase verlassen als Abgase 34 den Schacht 18 über die Abgasöffnung 14.

Am Schacht 18 sind Seitendüsen 40 vorgesehen, mit denen eine Sauerstoffzufuhr 41 durchführbar ist.

Chargiermaterial 60 wird über eine im Ofenkopf angeordnete Beschickungseinrichtung 70 in den Schacht 18 eingebracht. Die Beschickungseinrichtung 70 weist dabei einen Verschluß 71, einen Schieber 72 und eine darunter angeordnete Schurre 73 auf. Durch den Verschluß 71 und den Schieber 72 ist die Aufrechterhaltung des Gegendrucks auch während des Möllerns möglich.

Das Chargiermaterial besteht aus Agglomeraten, vorzugsweise aus Brikett.

Die Möllersäule des Chargiermaterials 60 stützt sich auf einem keramischen Bett 50 ab, das auf dem Rost 20 aufliegt. Das keramische Bett 50 weist dabei Keramikkugeln 51 auf. Diese Keramikkugeln werden entsprechend ihres Verschleißes nachgemöllert und befinden sich zwischen den Agglomeraten 61.

Während des Schmelzprozesses wird das Chargiergut 60 verflüssigt, es strömt als Schmelzgut 62 durch die auf dem Rost 20 angeordneten Keramikkugeln 51 und fällt in Form von Tropfen in den im Gestell 19 befindlichen Sumpf, bestehend aus Schlacke 63 und Metallschmelze 64.

In dem aufgeführten Beispiel ist ein kontinuierliches Abstechen möglich.

Nicht dargestellt sind Ofenverschlüsse zum intermitierenden Abstechen des Schmelzgutes. Ebenfalls nicht gesondert dargestellt ist die Möglichkeit der Aufrechterhaltung des Gegendruckes an der Gicht mittels Doppelverschlüssen beispielsweise in Form von Glocken.

Claims (7)

1. Verfahren zum Schmelzen von Roheisen bestehend aus folgenden Schritten:

• a) Einführen von kalten, aus feinkörnigem Eisenerz, nichtverkokbarer Kohle und Bindemitteln bestehenden, die Form von Briketts aufweisenden Agglomeraten mit einem Mindestvolumen von 0,3 dm³ in den oberen Teil eines eine oxidierende Ofenatmosphäre aufweisenden Kupolofens,
• b) Abwärtsströmenlassen der Agglomerate und Erwärmen der Agglomerate mittels der den Kupolofen in Gegenrichtung durchströmenden Gase auf eine Temperatur über 1000°C zur Auslösung einer von der oxidierenden Ofenatmosphäre unabhängigen Reduktionsreaktion im Inneren der Agglomerate,
• c) Zuführen von Sauerstoff zu den Verbrennungsgasen in den Bereich, in dem die Reduktion der Agglomerate stattfindet, zur Nachverbrennung der aus der Reduktionsreaktion entstehenden Kohlenmonoxide,
• d) weiteres Niedersinken der reduzierten Agglomerate und Aufschmelzen in flüssiges Roheisen und Schlacke, dabei Erhitzen des flüssigen Roheisens über Schmelztemperatur durch Kontakt mit Kugeln eines keramischen Bettes, die durch vollständige Verbrennung von Gasen erhitzt werden,
• e) Durchströmen des keramischen Bettes und Herabfallen des flüssigen Roheisens in Form von Tropfen in das Gestell des Kupolofens,
• f) abschließendes kontinuierliches oder intermittierendes Abstechen des von der Schlacke trennbaren Roheisens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Gases der anfänglichen Reduktionszone im oberen Teil des Kupolofens über 1,3 bar gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Verbrennungsgase eingesetzte Luft vorgewärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft mit Sauerstoff angereichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Gase, Öl oder staubförmige Kohle zum Einsatz kommen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich des Verschleißes des keramischen Bettes Kugeln nachchargiert werden.

7. Kupolofen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 mit einer am Gestell vorgesehenen Absticheinrichtung, einem auf gekühlten Gittern angeordneten keramischen Bett, auf dem die im Schacht befindliche kokslose Möllersäule aufliegt und in Strömungsrichtung vor dem keramischen Bett angeordneten Brennern, wobei an den Brennern eine Einrichtung zur Vorwärmung und/oder zur Sauerstoffanreichung der Verbrennungsluft vorgesehen ist, sowie am Ofenkopf angeordnete Bauteile zum Möllern unter Gegendruck, dadurch gekennzeichnet, daß im Schacht (18) in dem Bereich, in dem die Reduktion der Agglomerate stattfindet, mindestens eine Einrichtung (41) zum Einbringen von Sauerstoff in das Ofeninnere angeordnet ist.