DE4429937A1 - Verfahren zum Verblasen von NE-Metall-Schrott und Hütten-Zwischenprodukten - Google Patents

Verfahren zum Verblasen von NE-Metall-Schrott und Hütten-Zwischenprodukten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verblasen von NE-Metall-Schrott und Hütten-Zwischenprodukten im schmelzflüssigen Zustand durch Einblasen von sauerstoffangereicherter Luft mittels Unterbad-Düsen unter Erzeugung einer raffinierten Metall- oder Steinphase.
Die Verarbeitung von NE-Metall-Schrott und sulfidischen oder metallischen Hütten-Zwischenprodukten erfolgt durch Verblasen mit sauerstoffhaltigen Gasen. Solche Stoffe sind z . B. Cu-Legierungsschrott, Cu-Stein, CuNi-Stein, CuPb-Stein, Ni-Stein, PbAg-Legierungen, S- oder Fe-haltiges Kupfer oder S-, As-, Sb- oder Sn-haltiges Werkblei.
Beim Verblasen werden bestimmte Begleitmetalle und Verunreinigungen verflüchtigt oder verschlackt. Die Verwendung von sauerstoffangareicherter Luft als Blas-Medium bringt Vorteile im Hinblick auf den Wärmehaushalt, die notwendige Reaktionszeit und das anfallende Abgasvolumen. Jedoch wird in der Regel die Standzeit der Düsen verringert, und es tritt ein verstärkter Verschleiß des feuerfesten Mauerwerks des Reaktors an den Düsen auf. Der Grund hierfür liegt einerseits in der steigenden Wärmekonzentration im Brennfleck vor den Düsen, die zu lokaler Temperaturerhöhung der Schmelze und des Mauerwerks führt und andererseits in einer wachsenden Reaktivität des sauerstoffhaltigen Gases mit dem metallischen Düsenwerkstoff.
In "Erzmetall", Band XIX (1966), Seiten 609-614 wird beschrieben, daß beim Verblasen von Kupferstein im Peirce-Smith Konverter bei der Verwendung von O₂-angereichertem Blaswind mit 28 Vol.-% O₂-Gehalt in der Nähe der seitlich angeordneten Einstoff-Unterbad-Düsen ein starker Mauerwerksverschleiß eintrat.
In der EP-A- 0 020 186 wird das Verblasen von NE-Metall-Steinen mit Luft oder sauerstoffangereicherter Luft beschrieben, wobei das Gas durch Einstoff-Unterbad-Düsen in die Schmelze geblasen wird. Das Gas wird mit einem solchen Druck eingeblasen, daß die Ströme bis zu einer gewissen Entfernung von den Düsenmündungen erhalten bleiben. Eine O₂-Anreicherung bis zu 40 Vol. % O₂ kann zur Aufrechterhaltung eines autothermen Prozesses erfolgen.
In der GB-PS 1 414 769 wird das Verblasen von Cu-haltigen Materialien, wie Cu-Schrott, Cu-Erzen und Cu-Stein, mittels Mehrstoff-Unterbad-Düsen beschrieben. Durch das zentrale Rohr der Düsen wird ein Gas eingeblasen, dessen O₂-Gehalt höher ist als der von Luft, bevorzugt technisch reiner Sauerstoff. Durch das koaxial um das Zentralrohr angeordnete Rohr wird ein Schutzgas eingeblasen. Im Fall von Propan als Schutzgas liegt das Volumenstromverhältnis von Schutzgas zu Sauerstoff unter 4% und im Fall von Erdgas liegt das Verhältnis unter 8%.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs genannten Verfahren den Verschleiß der Düsen und des Mauerwerks möglichst gering zu halten und günstige Betriebsbedingungen zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verblasen von NE-Metall-Schrott und Hütten-Zwischenprodukten im schmelzflüssigen Zustand durch Einblasen von sauerstoffangereicherter Luft mittels Unterbad-Düsen unter Erzeugung einer raffinierten Metall- oder Steinphase, das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch das innere Rohr von Mehrstoff-Düsen Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft in die Schmelze eingeblasen wird, durch das äußere Rohr der Mehrstoff-Düsen Luft als Kühlgas in die Schmelze eingeblasen wird, die Einblasgeschwindigkeiten der beiden Gase in die Schmelze so eingestellt werden, daß eine Vermischung der beiden Gase in der Schmelze erst in einem Abstand von den Düsenmündungen erfolgt, und der Sauerstoffgehalt im Mischgas 23 bis 80 Vol.-% beträgt.
Unter dem Begriff "Mehrstoff-Düsen" sind Düsen zu verstehen, die aus koaxialen Rohren bestehen, wobei ein Medium durch das innere Rohr strömt und ein anderes Medium durch das äußere Rohr strömt, das aus dem ringförmigen Raum zwischen beiden Rohren gebildet wird; oder die Düse hat ein massives, zentrales Rohr, das von zwei Rohren koaxial umgeben ist, wobei ein Medium durch das innere Rohr strömt, das aus dem inneren ringförmigen Raum gebildet wird, und ein anderes Medium strömt durch das äußere Rohr, das aus dem äußeren ringförmigen Raum besteht. Die Mündung der Düse wird mit der Ausmauerung des Reaktors fluchtend angeordnet oder steht etwa 2 bis 5 cm über die Ausmauerung in den Innenraum vor. Der Reaktor kann ein Konverter sein, der drehbar oder stationär angeordnet ist, ein Treibofen oder ein Raffinierofen.
Die Mehrstoff-Düsen sind vorzugsweise im Boden des Reaktors senkrecht nach oben gerichtet angeordnet, sie können aber auch in jeder Position bis zum waagerechten oder abwärts geneigten Einblasen in die Schmelze angeordnet sein. Der günstigste Abstand der Vermischung der beiden Gasströme von der Düsenmündung richtet sich nach den jeweiligen Betriebsbedingungen und kann empirisch ermittelt werden. Das Mischgas ist die Mischung der beiden Gasströme. Durch das äußere Rohr kann auch eine Mischung von Luft und Stickstoff oder einem anderen, nicht brennbaren Gas eingeblasen werden. Der Reaktor kann kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden. Falls erforderlich, kann Material nachgesetzt werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß nur ein Teil der eingeblasenen Gasmenge hoch komprimiert werden muß, kein oder wenig kostspieliges Kühlgas erforderlich ist, ein relativ hoher Sauerstoffgehalt eingestellt werden kann und trotzdem eine hohe Standzeit der feuerfesten Auskleidung des Reaktors und der Düsen erreicht wird. Die Sauerstoffanreicherung kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden, wobei ein Sauerstoffgehalt im Mischgas von 50 bis 80 Vol.-% besonders vorteilhaft ist. Es ist nur ein Düsentyp am Reaktor erforderlich.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß durch das äußere Rohr der Mehrstoff-Düsen eine Mischung aus Luft und Stickstoff oder einem anderen, nicht brennbaren Gas eingeblasen wird. Wird reine Luft durch das äußere Rohr geblasen, läßt sich ein Sauerstoffgehalt des Mischgases von maximal etwa 65 Vol.-% einstellen, ohne daß die Düse und das umgebende Mauerwerk vorschnell verschleißen. Wird die Luft, die durch das äußere Rohr strömt, dagegen teilweise durch Stickstoff oder ein anderes, nicht brennbares Gas ersetzt, kann der Sauerstoffgehalt des Mischgases auf über 75 Vol.-% gesteigert werden, da der zur Düsenkühlung erforderliche Gasvolumenstrom gegenüber reiner Luft erheblich verringert werden kann.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Geschwindigkeit des Sauerstoffs oder der sauerstoffangereicherten Luft im inneren Rohr Mach 0,1 bis 0,8 beträgt, die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr Mach 0,4 bis 1,0 beträgt, und die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr mindestens Mach 0,1 höher ist als die Geschwindigkeit des Gases im inneren Rohr. Mit diesen Parametern werden im allgemeinen sehr gute Ergebnisse erzielt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Geschwindigkeit des Sauerstoffs oder der sauerstoffangereicherten Luft im inneren Rohr Mach 0,4 bis 0,6 beträgt, die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr Mach 0,6 bis 1,0 beträgt, und die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr mindestens Mach 0,2 höher ist als die Geschwindigkeit des Gases im inneren Rohr. Mit diesen Parametern werden im allgemeinen besonders gute Ergebnisse erzielt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Mischgases durch das äußere Rohr ein Gasvolumen geblasen wird, das 10 bis 50% des Gasvolumens beträgt, das durch das innere Rohr geblasen wird.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Mischgases und dem Inertgasgehalt des Kühlgases durch das äußere Rohr ein Gasvolumen geblasen wird, das 10 bis 25% des Gasvolumens beträgt, das durch das innere Rohr geblasen wird. In diesem Bereich werden besonders gute Ergebnisse erzielt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß durch das äußere Rohr Gas mit vernebeltem Wasser in die Schmelze eingeblasen wird. Es werden etwa 10 bis 200 l/h Wasser, vorzugsweise 20 bis 50 l/h der Luft zugemischt, wobei sich die Wassermenge nach dem Grad der Sauerstoff-Anreicherung und dem Volumenstrom der durch das Innenrohr geblasenen Luft richtet. Das erforderliche Kühlluftvolumen kann dadurch erheblich kleiner gehalten werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in dem inneren Rohr ein Zentralrohr angeordnet ist und durch das Zentralrohr Brennstoff in die Schmelze geblasen wird. In diesem Fall besteht die Düse aus einem Zentralrohr, um das zwei Rohre koaxial angeordnet sind. Feinkörniger, fester Brennstoff wird mit einem Trägergas eingeblasen, das aus Luft, inerten oder brennbaren Gasen bestehen kann. Flüssiger oder gasförmiger Brennstoff können ohne Trägergas eingeleitet werden. Durch die Einleitung von Brennstoff kann fehlende Wärme in günstiger Weise in der Schmelze erzeugt werden.
Die Erfindung wird an Hand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Ein Peirce-Smith Konverter von 7,00 m Länge und 3,45 m Durchmesser ist normalerweise mit 30 Düsen von 48 mm Innendurchmesser ausgerüstet, durch die insgesamt 12.000 Nm³/h auf ca. 24 Vol.-% Sauerstoff angereicherte Luft mit einem Vordruck von ca. 1,7 bar entsprechend einer Austrittsgeschwindigkeit von ca. 40 m/s geblasen werden.
Zu Versuchszwecken wurden 6 der vorgenannten Düsen durch Doppelrohrdüsen mit 42 mm weitem Zentralrohr und engem Ringspalt ersetzt, die zentralrohrseitig an das vorhandene Niederdrucknetz für auf ca. 24 Vol.-% Sauerstoff angereicherte Luft angeschlossen und ringspaltseitig mit reiner Hochdruckluft beaufschlagt wurden. Durch das Zentralrohr jeder Doppelrohrdüse wurden 300 Nm³/h von mit Sauerstoff angereicherter Luft mit einer Austrittsgeschwindigkeit von ca. 40 m/s, durch den Ringspalt 100 Nm³/h reine Luft mit einer Austrittsgeschwindigkeit < 200 m/s geblasen. Die übrigen 24 Düsen wurden wie üblich betrieben, so daß das Gesamtvolumen mit 12.000 Nm³/h und der Sauerstoffgehalt praktisch konstant blieben.
In dem neu zugestellten Konverter wurde schmelzflüssiger Kupfer-Blei-Stein mit durchschnittlich ca. 61% Cu, 11% Fe, 5% Pb und 20% S unter Zuschlag von Quarzsand auf Blisterkupfer verblasen. Nach 71 Chargen mußte der Konverter stillgesetzt werden, da die konventionellen Düsen bis unter die zulässige Mindestlänge abgebrannt waren und das angrenzende ff. Mauerwerk entsprechend verschlissen war (ff. = feuerfest).
Die Doppelrohrdüsen wiesen noch zwischen 50 und 70% ihrer Arbeitslänge auf, das angrenzende ff. Mauerwerk war zwar dementsprechend abgetragen, jedoch gebrauchsfähig.
Im Betrieb zeigte sich ferner, daß die Doppelrohrdüsen weniger häufig gereinigt werden mußten als die konventionellen Düsen.
Beispiel 2
Für einen weiteren Versuch wurde der im ersten Beispiel beschriebene Konverter mit 15 konventionellen Düsen von 48 mm Innendurchmesser bestückt, die mit insgesamt 6.000 Nm³/h Luft wie üblich betrieben wurden. Dazu wurden 6 Doppelrohrdüsen mit 26 mm weitem Zentralrohr und engem Ringspalt installiert.
Durch die Zentralrohre wurde ein Gemisch aus 1.050 Nm³/h Luft und 950 Nm³/h Sauerstoff mit einem Vordruck von 3,1 bar geleitet, der einer Austrittsgeschwindigkeit von ca. 120 m/s entsprach. Die Ringspalte wurden mit insgesamt 450 Nm³/h Luft beaufschlagt, die so hoch komprimiert war, daß die Austrittsgeschwindigkeit < 250 m/s betrug.
Ersichtlich enthielt das Mischgas ca. 51,5 Vol.-% Sauerstoff.
In dem neu zugestellten Konverter wurde schmelzflüssiger Kupfer-Blei-Stein mit ähnlicher Zusammensetzung wie im ersten Beispiel auf Blisterkupfer verblasen. Dazu konnten wegen des Sauerstoffeinsatzes im Durchschnitt 7,5 t/h Kupferschrott mitgeschmolzen werden. Nach 63 Chargen mußte der Konverter stillgesetzt werden, da die konventionellen Düsen wiederum bis unter die zulässige Mindestlänge abgebrannt waren und das angrenzende ff. Mauerwerk dementsprechend verschlissen war.
Die Doppelrohrdüsen wiesen noch durchschnittlich 50% ihrer Arbeitslänge auf, das angrenzende Mauerwerk war zwar dementsprechend abgetragen, jedoch gebrauchsfähig.
Im Gegensatz zu den konventionellen Düsen, mußten die Doppelrohrdüsen während des Betriebs nicht gereinigt werden.
Beispiel 3
Im Rahmen des QSL Verfahrens zur kontinuierlichen Erzeugung von Werkblei aus sulfidischen Konzentraten wird technisch reiner Sauerstoff mit Hilfe stickstoffgekühlter Doppelrohrdüsen in ein schmelzflüssiges Bad geblasen, das aus metallischem Blei und bleioxidhaltiger Schlacke besteht und eine Temperatur von etwa 1.200°C besitzt. Dem Kühlstickstoff wird häufig eine geringe Menge an vernebeltem Wasser zugemischt. Typische Durchflüsse für eine solche Düse sind z. B. 800 Nm³/h Sauerstoff, 200 Nm³/h Stickstoff und 20 l/h Wasser. Die Abbrandgeschwindigkeit der Düse liegt normalerweise bei etwa 0,1 mm/h oder darunter.
Um Kühlstickstoff zu sparen, wurde an einem QSL Reaktor versuchsweise eine Doppelrohrdüse mit 16 mm weitem Zentralrohr und engem Ringspalt eingesetzt und wie folgt betrieben:
Durch das Zentralrohr wurde eine Mischung aus 650 Nm³/h Sauerstoff und 150 Nm³/h Luft mit einem Vordruck von 3,6 bar entsprechend einer Austrittsgeschwindigkeit < 150 m/s geleitet. Durch den Ringspalt wurde eine Mischung aus 100 Nm³/h Stickstoff und 100 Nm³/h Luft geleitet, die so hoch komprimiert war, daß die Austrittsgeschwindigkeit einen Wert < 250 m/s erreichte.
Ersichtlich lag der Sauerstoffgehalt des Mischgases bei ca. 70,2 Vol.-%.
Die Düse brannte mit einer mittleren Geschwindigkeit < 0,1 mm/h zurück und arbeitete vollkommen wartungsfrei.
Beispiel 4
In einem weiteren Versuch mit der im dritten Beispiel beschriebenen Doppelrohrdüse wurde Kühlstickstoff vollständig durch Luft ersetzt, der eine geringe Menge vernebeltes Wasser beigemischt war. Folgende Betriebsbedingungen wurden gewählt:
Durch das Zentralrohr wurden 750 Nm³/h Sauerstoff mit einem Vordruck von 4,5 bar entsprechend einer Austrittsgeschwindigkeit < 200 m/s geleitet. Durch den Ringspalt wurde eine Gemisch aus 250 Nm³/h Luft und 25 l/h Wasser geleitet, das so hoch komprimiert war, daß die Austrittsgeschwindigkeit einen Wert < 250 m/s erreichte.
Ersichtlich lag der Sauerstoffgehalt des feuchten Mischgases bei ca. 78,0 Vol.-%.
Die Düse brannte mit einer mittleren Geschwindigkeit < 0,1 mm/h zurück und arbeitete vollkommen wartungsfrei.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verblasen von NE-Metall-Schrott und Hütten-Zwischenprodukten im schmelzflüssigen Zustand durch Einblasen von sauerstoffangereicherter Luft mittels Unterbad-Düsen unter Erzeugung einer raffinierten Metall- oder Steinphase, dadurch gekennzeichnet, daß durch das innere Rohr von Mehrstoff-Düsen Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft in die Schmelze eingeblasen wird, durch das äußere Rohr der Mehrstoff-Düsen Luft als Kühlgas in die Schmelze eingeblasen wird, die Einblasgeschwindigkeiten der beiden Gase in der Schmelze so eingestellt werden, daß eine Vermischung der beiden Gase in der Schmelze erst in einem Abstand von der Düsenmündung erfolgt, und der Sauerstoffgehalt im Mischgas 23 bis 80 Vol.-% beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das äußere Rohr der Mehrstoff-Düsen eine Mischung aus Luft und Stickstoff oder einem anderen, nicht brennbaren Gas eingeblasen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Sauerstoffs oder der sauerstoffangereicherten Luft im inneren Rohr Mach 0,1 bis 0,8 beträgt, die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr Mach 0,4 bis 1,0 beträgt, und die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr mindestens Mach 0,1 höher ist als die Geschwindigkeit des Gases im inneren Rohr.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Sauerstoffs oder der sauerstoffangereicherten Luft im inneren Rohr Mach 0,4 bis 0,6 beträgt, die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr Mach 0,6 bis 1,0 beträgt, und die Geschwindigkeit des Gases im äußeren Rohr mindestens Mach 0,2 höher ist als die Geschwindigkeit des Gases im inneren Rohr.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das äußere Rohr ein Gasvolumen geblasen wird, das 10 bis 50% des Gasvolumens beträgt, das durch das innere Rohr geblasen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das äußere Rohr ein Gasvolumen geblasen wird, das 10 bis 25% des Gasvolumens beträgt, das durch das innere Rohr geblasen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch das äußere Rohr Gas mit vernebeltem Wasser in die Schmelze eingeblasen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem inneren Rohr ein Zentralrohr angeordnet ist, und durch das Zentralrohr Brennstoff in die Schmelze geblasen wird.
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