DE4216891A1 - Verfahren und Einrichtung zum Erhitzen und Schmelzen von stückigem Eisenschwamm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner bezieht sie sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.

Bei einem bekannten Verfahren der genannten Art werden me­ tallische Eisenträger in einem über einem Schmelzofen ange­ ordneten Chargiergutvorwärmer erhitzt und dann dem Schmelz­ ofen zugeführt. Eine wirtschaftliche Betriebsweise ist in diesem Fall nur möglich, wenn als Eisenträger Materialien verwendet werden, die keine zu große Reaktivität gegenüber Sauerstoff aufweisen, weil nur dann durch eine Nachverbren­ nung der Abgase aus dem Schmelzofen der Energieinhalt die­ ser Abgase für die Vorwärmung wirtschaftlich genutzt werden kann. Soll stückiges direktreduziertes Material, d. h. stückiger Eisenschwamm, vorerhitzt werden, dann verlangt dessen hohe Reaktivität, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 500°C, eine reduzierende Atmosphäre um größere Oxidations­ verluste beim Erhitzen des Eisenschwamms zu verhindern. Zu diesem Zweck hat man den Eisenschwamm mit Koks vermischt in einem Vorwärmer aufgeheizt. Ein solches Verfahren bedingt jedoch einen erheblichen Überschuß an energiereichen Abga­ sen und setzt Gasverbraucher in der Nähe der Anlage voraus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfah­ ren der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art ein Vorerhitzen des hochreaktiven Eisenschwamms auf Temperatu­ ren von etwa 850°C ohne wesentliche Oxidationsverluste zu ermöglichen und gleichzeitig einen Überschuß an energierei­ chen Abgasen zu vermeiden. Ferner soll eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Ansprüchen 2 bis 9 zu entnehmen. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist durch die Merkmale des Anspruches 10 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Einrichtung sind in den restlichen Ansprüchen be­ schrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die unterschiedli­ che Reaktivität des Eisenschwamms bei unterschiedlich hohen Temperaturen dadurch nutzbar gemacht, daß das Vorwärmen des Eisenschwamms in mehreren Stufen durchgeführt wird und je­ der der Vorwärmstufen eine bestimmte Temperatur und eine bestimmte Gasatmosphäre zugeordnet wird. Während bei hohen Temperaturen von 800 bis 900°C der Eisenschwamm nur mit re­ duzierenden Gasen aufgeheizt werden kann, ist es in Vor­ wärmstufen niedrigerer Temperatur, wie 250 bzw. 500°C, mög­ lich, den Eisenschwamm in neutraler Atmosphäre aufzuheizen. Durch geeignete individuelle Steuerung von Temperatur und Gasatmosphäre in den einzelnen Vorwärmstufen läßt sich eine wesentliche Erhöhung der Wirtschaftlichkeit erzielen. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung läßt sich die Untertei­ lung in verschiedene Vorwärmstufen und die Steuerung von Temperatur und Gasatmospähre in diesen Vorwärmstufen auf konstruktiv besonders einfache Weise realisieren.

Die Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert, die eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrens­ schritte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt.

In der Figur ist schematisch ein Verfahren zum Schmelzen von Eisenschwamm 10 dargestellt mit vier übereinander ange­ ordneten Vorheizkammern 11 bis 14, die mit feuerfestem Ma­ terial ausgekleidet sind, einem unter der vierten Vorheiz­ kammer 14 angeordneten transportierbar ausgebildeten Kupol­ ofen 15, einem Koksspeicher 16 mit einer Zuführleitung 17 zum Kupolofen 15, einem Rekuperator 18, einer Gasreini­ gungsanlage 19 und einem Kohlespeicher 20.

Die erste Vorheizkammer 11 ist rechteckig ausgebildet und weist einen Gasauslaß 21 auf, der über eine Leitung 22 mit der Gasreinigungsanlage 19 verbunden ist, und eine Char­ gieröffnung 23, durch die Eisenschwamm 10 und Kalkstein 24 in die erste Vorheizkammer 11 eingebracht werden können. Der Boden der ersten Vorheizkammer 11 ist verschieblich ge­ lagert und zum Öffnen und Schließen der Vorheizkammer 11 als Schieber 25 ausgebildet, um vorbestimmte Mengen Eisen­ schwamm 10 und Kalkstein 24 unmittelbar in die darunterlie­ gende Vorheizkammer 12 zu bringen.

Weiterhin ist die Vorheizkammer 12 im oberen Bereich abge­ stuft und ebenfalls rechteckig ausgebildet.

Durch die abgestufte Ausbildung wird ein Gasraum 26, d. h. ein feststoffreier Bereich in der Vorheizkammer 12 gebil­ det.

Die dritte und vierte Vorheizkammer 13, 14 sind entspre­ chend der zweiten Vorheizkammer 12 ausgebildet, nämlich ebenfalls abgestuft und mit einem Schieber 28 bzw. 29 als Zwischenboden zwischen den Kammern 12/13 bzw. 13/14. Die Schieber 25, 28 bzw. 29 sind maximal über die Breite der jeweils darunter liegenden Stufe verschiebbar, so daß durch die durch das Verschieben des Schiebers 25, 28 bzw. 29 ent­ stehende Öffnung der Eisenschwamm 10 und der Kalkstein 24 in die jeweils darunter liegende Vorheizkammer 12, 13 bzw. 14 fallen bzw. ausgetragen werden können. Somit ist über die Schieber 25, 28 und 29 der Materialfluß von der ersten in die vierte Vorheizkammer 11, 14 steuerbar.

Die vierte Vorheizkammer 14 weist keinen Schieber auf. Sie verjüngt sich vielmehr im unteren Bereich und ist über eine Dosierklappe 33 mit dem Kupolofen 15 verbunden. Die Vor­ heizkammer 12, 13 bzw. 14 ist jeweils mit einem Brenner 30, 31 bzw. 32 versehen, der in den zugehörigen Gasraum 26, 27 bzw. 50 der betreffenden Vorheizkammer mündet. Zudem weist die vierte Vorheizkammer 14 in der unteren Hälfte einen weiteren Brenner 34 auf.

Die Vorheizkammern 11 bis 14 sind unmittelbar übereinander und versetzt angeordnet. Dabei ist die dritte Vorheizkammer 13 auf der unteren Stufe der vierten Vorheizkammer 14, die zweite Vorheizkammer 12 auf der unteren Stufe der dritten Vorheizkammer 13 und die erste Vorheizkammer 11 auf der un­ teren Stufe der zweiten Vorheizkammer 12 angebracht. Die Vorheizkammern 11 bis 13 weisen Gaseinlässe 35, 36 bzw. 37 auf, die jeweils direkt oberhalb des betreffenden Schiebers 25, 28 bzw. 29 in der angrenzenden Seitenwand der benach­ barten, abgestuften Vorheizkammer 12, 13 bzw. 14 angeordnet sind.

Bei dem Kupolofen 15 handelt es sich um einen bekannter Bauart mit einem Koksbett 48, das über die Zuführleitung 17 mit Koks 38 aus dem Koksspeicher 16 ergänzt werden kann.

Weiterhin weist der Kupolofen 15 eine Abstichöffnung 39, Brenner 40 und eine Abgasöffnung 41 auf. Diese ist über ei­ ne Leitung 42 mit dem Rekuperator 18 und mit den Brennern 30 bis 32 und 34 derart verbunden, daß das Abgas aus dem Kupolofen 15 in einem steuerbaren Verhältnis, teilweise zum Rekuperator 18 und teilweise zu den Brennern 30 bis 32, 34 geleitet werden kann. Etwa 40 bis 80% des Abgases werden in den Rekuperator 18 zum Aufheizen der Verbrennungsluft auf etwa 815°C und der Rest zu den Brennern geleitet.

Desweiteren ist der Kohlespeicher 20 und eine Sauerstoff­ quelle 43 über Leitungen 44 jeweils mit den Brennern 30 bis 32, 34, 40 verbunden. Luft 45 ist über eine Leitung 46 den Brennern 30 bis 32, 34 zuführbar.

Über eine Leitung 47 wird dem Brenner 40 die im Rekuperator 18 vorgewärmte Luft zugeführt, die zur Verringerung des Koksverbrauchs zusammen mit Kohle aus dem Kohlespeicher 20 in den Kupolofen eingeblasen werden kann.

Über die Brenner 30 bis 32, 34, 40 ist Kalk und/oder vorge­ wärmte Luft oder Kohle in der erforderlichen Menge ein­ bringbar. Statt bzw. ergänzend zur Kohle können aber auch andere fossilie Brennstoffe, wie Erdgas, Öl oder syntheti­ sche Brennstoffe in die Vorheizkammern 12 bis 14 bzw. den Kupolofen 15 eingebracht werden.

Zudem kann mittels der Brenner 30 bis 32, 34 und der Lei­ tung 42 das Abgas aus dem Kupolofen 15 den Vorheizkammern 12 bis 14 zugeführt werden.

Die dargestellte und erläuterte Vorrichtung ist zum Erhit­ zen und Schmelzen von mit Sauerstoff sehr reaktivem Eisen­ schwamm 10 mittels fossilier Brennstoffe bestimmt, um flüs­ siges Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von über 3% und einer Temperatur über 1400°C zu gewinnen.

Dabei wird beispielsweise 1075 kg Eisenschwamm 10 pro 1000 kg gewonnenes Eisen benötigt. Der Eisenschwamm 10 hat eine typische Zusammensetzung von 85 bis 90% metallisches Ei­ sen, 0,5% Kohlenstoff und 10% Eisenoxid. Der Eisenschwamm 10 wird zusammen mit Kalkstein 24 über die Chargieröffnung 23 in die erste Vorheizkammer 11 gegeben. Hierbei wird vor­ zugsweise pro Tonne erzeugtes Eisen 115 kg Kalkstein hinzu­ gegeben.

Durch die Anordnung des Kupolofens 15 und der Vorheizkam­ mern 11 bis 14 übereinander kann das Gemisch aus Eisen­ schwamm 10 und Kalkstein 24 mit dem Öffnen der jeweiligen Schieber 25, 28 und 29 in die jeweils darunter liegende Vorheizkammer 12, 13, 14 fallen. Dabei wird die Menge, die in die nächste Vorheizkammer 12, 13, 14 ausgebracht werden soll, über den Verschiebeweg des Schiebers 25, 28 bzw. 29 und die Dauer, in der der Schieber 25, 28 bzw. 29 in der geöffneten Position verweilt, gesteuert.

Durch Öffnen der Dosierklappe 33 gelangt dann der vorge­ wärmte Eisenschwamm 10 und der Kalk in vorbestimmter, abge­ wogener Menge aus der vierten Vorheizkammer 14 in den Ku­ polofen 15.

In der ersten Vorheizkammer 11 herrschen neutrale Bedingun­ gen, d. h. weder oxidierende noch reduzierende Bedingungen. Der Eisenschwamm 10 und der Kalkstein 24 werden hier durch die aus der Vorheizkammer 12 ausströmenden und durch den Gaseinlaß 35 einströmenden heißen Gase auf 250°C erwärmt. Dabei durchströmt das Gas die Schüttung aus in die erste Vorheizkammer 11 eingebrachtem stückigem Eisenschwamm 10 und stückigem Kalkstein 24 und gibt Wärme an Eisenschwamm 10 und Kalkstein 24 ab. Über den Gasauslaß 21 und die Lei­ tung 22 wird das Gas zur Gasreinigungsanlage geleitet, wo es gereinigt wird.

Die Temperatur und die Atmosphäre, also die Gaszusammenset­ zung in den einzelnen Vorheizkammern 11 bis 14, werden durch hier nicht dargestellte Temperaturmeß- und Gasanaly­ segeräte ermittelt. Mittels der Brenner 30 bis 32, 34 kön­ nen dann die neutralen/reduzierenden Bedingungen in den einzelnen Vorheizkammern 11 bis 12 eingestellt und gehalten bzw. geändert werden. Diese Steuerung erfolgt dabei in be­ kannter Weise rechnergestützt.

Durch die Brenner 30 bis 32, 34 wird entsprechend den An­ forderungen in den einzelnen Vorheizkammern 11 bis 14 Abgas aus dem Kupolofen 15 direkt oder über den Rekuperator abge­ kühlt in die Vorheizkammer 12, 13 bzw. 14 eingeblasen. Zu­ dem können die Brenner 30 bis 32, 34 Kohle mit Luft 45 und /oder Sauerstoff verbrennen, um die Vorheizkammer 12, 13, 14 zusätzlich zu erwärmen.

Der Eisenschwamm 10 und der Kalkstein 24 werden in der er­ sten Vorheizkammer 11 auf etwa 250°C, in der zweiten Vor­ heizkammer 12 auf etwa 500°C, in der dritten Vorheizkammer 13 auf etwa 800°C und in der vierten Vorheizkammer 14 auf etwa 850°C erhitzt.

In der dritten und vierten Vorheizkammer 13 und 14 erfolgt die Erwärmung unter reduzierenden Bedingungen, indem ent­ sprechend Abgas aus dem Kupolofen 15 in die Vorheizkammern 12 und 13 geleitet wird. Dabei soll der Kohlenmonoxidanteil im Gasgemisch CO₂+CO über 25% liegen.

Bis zum vierten Vorheizofen 14 wird der Kalkstein 24 in Kalk umgewandelt und dient dann im Kupolofen 15 als Fluß­ mittel für den geschmolzenen Eisenschwamm 10.

Der aufgeheizte Eisenschwamm 10 und der Kalk wird dann in den Kupolofen 15 mittels der Dosierklappe 33 eingebracht. Der Kupolofen 15 ist mit dem Koksbett 48 versehen, wobei der Koks 38 eine Größe bis zu etwa 20 cm aufweist.

In den Kupolofen 15 wird durch den Rekuperator auf 850°C vorgewärmte heiße Luft über den Brenner 40 in das Koksbett 48 geblasen. Aufgrund der dadurch freiwerdenden Energie schmelzen Eisenschwamm und Kalk und fließen gemeinsam durch das Koksbett 48. Mit Durchtritt der Schmelze nach unten durch das Koksbett 48 steigt die Temperatur der Schmelze weiter an, und Kohlenstoff löst sich im Eisen. Am Fuße des Kupolofens 15 sammelt sich dann die Schmelze, die eine Zu­ sammensetzung von über 3% Kohlenstoff und über 95% reines Eisen aufweist. Über das Abstichloch 39 ist die Schmelze dann zur weiteren Verarbeitung aus dem Kupolofen 15 aus­ bringbar.

Die Koksmenge, die für das Verfahren benötigt wird, beträgt etwa 175 kg pro gewonnener Tonne Eisen. Die für das Verfah­ ren benötigte Menge Koks 38 kann vermindert werden, wenn entweder im Kupolofen 15 oder auch in den Vorheizkammern 12 bis 14 zusätzlich Kohle zum Aufheizen verwendet wird.

Die Koksmenge kann weiterhin auf 80 bis 100 kg pro Tonne vermindert werden, indem die Verbrennungsprozesse mit Sau­ erstoff und zusätzlichen Brennstoffen, wie Kohle, Erdgas, Öl oder synthetischen Brennstoffen unterstützt werden.

Claims (15)

1. Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen von stückigem Eisenschwamm,
bei dem der Eisenschwamm in einen Vorwärmer char­ giert,
hier durch Hindurchleiten von heißen Gasen durch die Schüttung im Wärmeaustausch erhitzt wird,
dann vom Vorwärmer auf ein, mittels Sauerstoff oder Heißluft, erhitztes Koksbett eines Schmelzofens gebracht und hier geschmolzen wird, und
die Schmelze nach dem Durchdringen des Koksbett im unteren Teil des Schmelzofens gesammelt wird, wobei
das heiße Gas für den Vorwärmer wenigstens teilweise aus dem Abgas des Schmelzofens gewonnen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Erhitzen des Eisenschwamms im Vorwärmer in wenig­ stens zwei getrennten Vorwärmstufen mit unterschiedlichen Temperaturen erfolgt, denen der Eisenschwamm nacheinander zugeführt wird, und in denen die Temperatur und die Gasat­ mosphäre jeweils individuell derart gesteuert werden, daß durch die Temperatur und Zusammensetzung der in die Vor­ wärmstufen eingeleiteten heißen Gase in der ersten Vorwärm­ stufe mit niedrigster Temperatur eine chemisch neutrale Gasatmosphäre und in der letzten Vorwärmstufe mit höchster Temperatur eine reduzierende Gasatmosphäre eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der reduzierenden Gasatmosphäre das Verhältnis CO/CO₂+CO < 25%ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei mehr als zwei Vorwärm­ stufen mit unterschiedlichen abgestuften Temperaturwerten das Verhältnis CO/CO₂+COauf einen mit dem Temperaturwert steigenden Wert ein­ gestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß vier Vorwärmstu­ fen vorgesehen sind, in denen etwa die folgenden Tempera­ turwerte eingestellt werden: Stufe 1: 250°C,
Stufe 2: 500°C,
Stufe 3: 800°C,
Stufe 4: 850°C,

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die heißen Gase einer Vorwärmstufe höherer Temperatur wenigstens teilweise in eine Vorwärmstufe niedrigerer Temperatur eingeleitet wenden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die heißen Gase vor dem Einleiten in die Vorwärmstufe niedrigerer Temperatur zur Steuerung von Temperatur und Gasatmosphäre dieser Vorwärmstufe mit Zu­ satzgasen vermischt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in die einzelnen Vorwärmstufen Abgas aus dem Schmelzgefäß eingeleitet wird, und die Steuerung von Temperatur und Gasatmosphäre in den einzelnen Vorwärmstufen durch Beimischen von in einem Reku­ perator abgekühltem Abgas des Schmelzgefäßes und Teilver­ brennung dieses Abgases oder eines zusätzlichen Brennstof­ fes mit einem sauerstoffhaltigen Gas, insbesondere Luft, durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem Rekupera­ tor Luft vorgewärmt wird, die der Verbrennungszone des Koksbetts des Schmelzofens als Heißluft zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß stückiger Eisen­ schwamm gemeinsam mit Kalkstein im Vorwärmer erhitzt und dann dem Schmelzofen zugeführt wird.

10. Einrichtung zum Erhitzen und Schmelzen von stückigem Eisenschwamm mit einem oberhalb eines Schmelzofens (15) angeordneten Vorwärmer, der oben eine Chargiereinrich­ tung (23) für den Eisenschwamm (10) und einen Gasauslaß (21), unten eine Austragvorrichtung (33) zum Austragen des erhitzten Eisenschwamms aus dem Vorwärmer in den Schmelz­ ofen (15) , ferner in wenigstens einer der Seitenwände Düsen und/oder Brenner (30, 31, 32, 34) zum Einleiten von heißen Gasen in den Vorwärmer aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vorwärmer wenigstens zwei Vor­ heizkammern (11, 12, 13, 14) enthält, die jeweils überein­ ander angeordnet sind, wobei die oberste Kammer (11) im oberen Bereich den Gasauslaß (21) und die Chargiereinrich­ tung (23) für den Eisenschwamm (10) und die unterste (14) im Bodenbereich die Austragsvorrichtung (33) enthält, fer­ ner im Bereich des Zwischenbodens zwischen zwei benachbar­ ten Kammern eine Austragvorrichtung (25, 28, 29) zum Aus­ tragen des Eisenschwamms von der jeweils oberen in die je­ weils untere Kammer sowie ein Gaseinlaß (35, 36, 37) für die Einleitung von Gas in die jeweils obere Kammer vorgese­ hen ist, wobei der Gaseinlaß (35, 36, 37) mit der jeweils unteren Kammer (12, 13, 14) und mit jeweils einem Gasraum (26, 27, 50) in Verbindung steht, in den wenigstens eine Düse und/oder ein Brenner (30, 31, 32) münden.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorheizkammern (11, 12, 13, 14) des Vorwärmers einen rechteckigen Querschnitt auf­ weisen und unter Bildung jeweils eines Gasraumes (26, 27, 50) gegenseitig seitlich versetzt angeordnet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenböden als Schieber (25, 28, 29) ausgebildet sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasein­ lässe (35, 36, 37) im Bereich der Zwischenböden (25, 28, 29) jeweils durch einen Spalt zwischen dem betreffenden Zwischenboden und einer sich nach oben anschließender Kam­ merwand gebildet sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrags­ vorrichtung der untersten Kammer (14) als Dosierklappe (33) ausgebildet ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vorheiz­ kammer (11, 12, 13, 14) wenigstens ein Temperaturfühler und wenigstens ein Gassensor zur individuellen Steuerung von Temperatur und Gasatmosphäre in der betreffenden Vorheiz­ kammer zugeordnet sind.