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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung einer Roheisenschmelze oder flüssigem Roheisen.
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Seit vielen Jahren werden mit großem Aufwand
Reduktionsverfahren/Schmelzverfahren entwickelt, die anstelle des
Hochofens zur Herstellung von flüssigem
Roheisen eingesetzt werden könnten,
insbesondere im Rahmen von geringvolumigeren Fertigungseinheiten,
welche ohne Materialaufbereitung auskommen, d.h. welche direkt Feinkohle
und Feinerz verarbeiten. Derartige Verfahren sind insofern von Interesse,
als sich dadurch investitionsintensive Anlagen wie Anlagen zur Koksherstellung
und zur Erzagglomeration grundsätzlich
erübrigen.
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Die zurzeit verfügbaren Verfahren sind mit Nachteilen
behaftet.
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Eine Schwierigkeit eines derartigen
Verfahrens zur direkten Schmelzherstellung ist insbesondere darin
zu sehen, dass die zwei Verfahrenskomponenten – die Direktreduktion und das
Schmelzen – abweichende
Betriebsbedingungen voraussetzen. Während der Reduktion der Eisenerzpartikel
gilt es nämlich,
eine Reduktionsatmosphäre
aufrechtzuerhalten, wohingegen beim Schmelzen beträchtliche Sauerstoffmengen
einzublasen sind, um die Energie der kohlenstoffhaltigen Brennstoffe
effizient zu verwerten.
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In den bekannten Verfahren werden
die Gase aus dem Schmelzofen in den Vorreduktionsofen eingetragen.
Da die Gase aus dem Schmelzofen schwach kohlenmonoxidhaltig und
stark kohlendioxidhaltig sind, stellt das Eintragen größerer Mengen von
diesen Gasen in den Vorreduktionsofen einen Störfaktor für die Eisenerzreduktion dar.
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In einer verbesserten Ausgestaltung
des Verfahrens werden die heißen
Gase aus dem Schmelzofen vor dem Eintrag in den Vorreduktionsofen
mit Kohlenmonoxid angereichert. Die stark kohlendioxidhaltigen Gase
aus dem Schmelzofen werden mit Kohle in Kontakt gebracht, so dass
das Kohlendioxid sich aufgrund der Reaktion mit der Kohle größtenteils
in Kohlenmonoxid umsetzt. Es ist nachvollziehbar, dass das erhöhte Reduktionsvermögen der
Gase aus dem Schmelzofen die Reaktion innerhalb des Vorreduktionsofens
begünstigt.
Dieser Vorgang ist jedoch energieintensiv und daher kostspielig.
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Die Verfügbarkeit eines optimierten
Verfahrens zur direkten Schmelzherstellung aus vorreduzierten Eisenpartikeln
wäre von
Vorteil.
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Aus der WO 97/17473 ist ein Verfahren
zur Herstellung von Metallen und Metalllegierungen aus Metalloxiden
bekannt. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Vorreduktionsbehälter mit
Metalloxiden und/oder teilweise reduzierten Metalloxiden sowie einem
festen kohlenstoffhaltigen Material beschickt, so dass die Metalloxide
und/oder die teilweise reduzierten Metalloxide teilweise reduziert
werden und der flüchtige
Anteil eines festen kohlenstoffhaltigen Materials mindestens teilweise
freigegeben wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Reduktion
der teilweise reduzierten Metalloxide bis zur Herstellung der Metallschmelze
fortgesetzt. Hierzu wird ein Reduktionsbehälter/Schmelzbehälter, in
dem ein Metallbad mit Flüssigschlacken
enthalten ist, mit den teilweise reduzierten Metalloxiden und dem
festen, im ersten Schritt zumindest teilweise devolatilisierten kohlenstoffhaltigen
Material beschickt.
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Der erste Schritt gemäß dem Verfahren
aus der WO 97/17473 beinhaltet vorzugsweise einen Schritt zur Trocknung
und einen Schritt zum Vorheizen sowie einen Schritt zur teilweise
Reduktion der Metalloxide in einem ersten Vorreduktionsbehälter mit
Gasen aus dem Reduktionsofen/Schmelzofen und/oder aus einem zweiten
Vorreduktionsbehälter. Danach
werden die vorreduzierten, getrockneten und vorgeheizten Metalloxide
zusammen mit dem festen kohlenstoffhaltigen Material in einen zweiten
Vorreduktionsbehälter
weitergeleitet, so dass die Reduktion der Metalloxide fortgesetzt
wird und die flüchtigen Anteile
des festen kohlenstoffhaltigen Materials zumindest teilweise freigegeben
werden.
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Die
DE
42 40 197-A betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Schmelze aus Metalloxiden. Hierbei wird das Eisenerz zunächst in
einer Reduktionseinheit aufbereitet und dann in eine Schmelzeinheit eingetragen.
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Die Reduktionseinheit wird von einem
kohlenmonoxid- und wasserstoffhaltigen Reduktionsgas von unten nach
oben durchströmt.
Das Eisenerz, dem gegebenenfalls Zusatzstoffe zugesetzt wurden, bewegt
sich von oben nach unten, wo es zur weiteren Verarbeitung in der
Schmelzeinheit ausgetragen wird. Das Reduktionsgas stammt aus der
Schmelzeinheit. Die Reduktionseinheit weist eine Reihe von Verteilerbühnen zur
Gasverteilung auf, welche schräg,
kaskadenartig und versetzt angeordnet sind und über welche das Eisenerz, dem
gegebenenfalls Zusatzstoffe zugesetzt wurden, sich auf den unteren Teil
des Ofens zu bewegt. In ihrem oberen Teil wird die Reduktionseinheit
mit grobkörnigen
Metalloxiden beschickt, denen gegebenenfalls Zusatzstoffe zugesetzt
werden. In ihrem mittigen Teil wird die Reduktionseinheit mit kleinkörnigeren
Metalloxiden beschickt. In ihrem mittigen oder unteren Teil wird
diese Reduktionseinheit gegebenenfalls mit den kleinkörnigen Zusatzstoffen
beschickt.
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Das Reduktionsgas, das in der Reduktionseinheit
emporsteigt, durchströmt
somit die Eisenerzschichten, denen gegebenenfalls Zusatzstoffe zugesetzt
wurden, wobei das Eisenerz sich von oben nach unten im Ofen bewegt,
und führt
dabei die Reduktion durch, während
die durch diese Schichten mitgeführten
Stäube
größtenteils
aus dem Gas abgeschieden werden.
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Die
JP
62 188714-A offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer
Roheisenschmelze. Hierbei wird ein sogenannter Festbett-Reduktionsreaktor/Festbett-Verkokungsreaktor
mit Eisenerz und Kohle zur Vorreduktion des Eisenerzes und zur Kohleverkokung
beschickt. Danach wird ein Raffinationsofen – ein sogenannter Konverter – mit dem
vorreduzierten Eisenerz und dem Koks beschickt, welche darin unter
Sauerstoffeintrag geschmolzen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
optimiertes Verfahren zur Schmelzherstellung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zur Herstellung einer Roheisenschmelze mit den folgenden
Schritten gelöst:
- a) Reduktion von Eisenerzpartikeln zur Gewinnung
von vorreduziertem Eisen oder Eisenschwamm mit überschüssigem, freiem Kohlenstoff;
- b) Heißüberführung des
Eisenschwamms in einen Schmelzofen;
- c) Aufschmelzen des Eisenschwamms in einem Schmelzofen zur Erzeugung
von flüssigem
Roheisen.
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Erfindungsgemäß relevant beinhaltet der Schritt
a) folgende Schritte:
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- a1) das Eisenerz wird in einen Mehretagenofen mit
mehreren übereinander
liegenden Etagen eingebracht und auf der oberen Etage des Mehretagenofens
abgelegt,
- a2) das Eisenerz wird schrittweise auf die unteren Etagen überführt,
- a3) einer oder mehreren der unteren Etagen wird ein kohlenstoffhaltiges
Reduktionsmittel in ausreichender Menge zugeführt, um das Eisenerz zu reduzieren
und einen Überschuss
an freiem Kohlenstoff sicherzustellen,
- a4) der Mehretagenofen wird aufgeheizt und das Eisenerz wird
beim Kontakt mit dem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel und den
durch das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel erzeugten Gasen bei
geeigneten Temperaturen vorreduziert,
- a5) die durch das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel erzeugten
Gase werden im oberen Bereich des Mehretagenofens verbrannt und
die dabei entstehende Wärme
wird zum Trocknen und Vorwärmen
des Eisenerzes genutzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung
werden außerdem
in Schritt a) oder Schritt b) Mittel zur Schlackenbildung zugesetzt.
Diese Mittel zur Schlackenbildung stellen vorzugsweise eine Auswahl
aus Kalk, Kalkstein, Magnesia und deren Gemischen dar.
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Das vorreduzierte Eisen wird vorteilhafterweise
vor der Weiterleitung vor seiner Überführung in den Schmelzofen verdichtet.
Es werden Briketts aus vorreduziertem Eisen, überschüssigem, freiem Kohlenstoff
und gegebenenfalls Mitteln zur Schlackenbildung gebildet. Da die
Dichte der Briketts höher
ist als diejenige der sie bildenden Partikel ist, weisen diese Briketts
folgende Vorteile auf: sie dringen leichter in das flüssige Schmelzbad
im Schmelzofen ein, das vorreduzierte Eisenerz wird in geringerer
Menge in der Oberflächenschlacke
auf der Flüssigschmelze eingefangen
und Eisen sowie freier Kohlenstoff werden in geringeren Anteilen
von den Gasen aus dem Schmelzofen mitgerissen.
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Der Kohlenstoffüberschuss am Ende des Schritts
a) liegt vorteilhafterweise zwischen 7 % und 15 % und beträgt vorzugsweise
ca. 10 %.
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Das feste kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel
besteht aus Kohle oder aus den flüssigen oder festen Erdölprodukten.
Die flüchtigen
Anteile im kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel sowie teilweise
der Schwefel werden während
der Verweildauer im mehrstöckigen
Ofen freigesetzt.
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Der überschüssige Kohlenstoff wird teilweise in
Schritt c) verbraucht.
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Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung
ist der Schmelzofen ein Elektroofen.
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In Schritt c) wird Sauerstoff zur
Verbrennung des überschüssigen freien
Kohlenstoffs eingetragen sowie zur Zufuhr eines beträchtlichen
Anteils an der für
das Schmelzen in Schritt c) benötigten
Energie. Der überschüssige freie
Kohlenstoff dient zudem zur Beendigung der Reduktionsreaktionen
und zur Aufkohlung der Schmelze.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Gase aus dem Schmelzofen nicht in den Reduktionsofen eingetragen
werden. Das Reduktionsverfahren wird daher nicht durch diese stark
oxidierenden Gase gestört.
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Ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens
ist darin zu sehen, dass der Betrieb der beiden Reaktoren optimiert
ist. Durch die Herstellung eines vorreduzierten Erzeugnisses mit überschüssigem freiem Kohlenstoff
erhöhen
sich nämlich
die Reduktionsgeschwindigkeit und die Metallisierungsrate. Dadurch erhöhen sich
jedoch auch die Kosten für
die Gewinnung der vorreduzierten Eisenpartikel. Bei den herkömmlichen
Verfahren zur Gewinnung von vorreduzierten Eisenpartikeln wird die
Herstellung eines Erzeugnisses mit nur wenig oder überhaupt
keinem Restkohlenstoff angestrebt, denn der Restkohlenstoff im Fertigprodukt,
der keine Reaktion eingegangen ist, stellt freilich zusätzliche
Produktionskosten ohne entsprechende Wertschöpfung dar.
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Zur Gewinnung dieses überschüssigen freien
Kohlenstoffs bedarf es der Beimengung eines kohlenstoffhaltigen
Reduktionsmittels in geeigneter Menge während des Reduktionsschrittes.
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Ein weiterer Vorteil des überschüssigen freien
Kohlenstoffs im vorreduzierten Eisen ist darin zu sehen, dass auf
den jeweiligen Reduktionsebenen des Reduktionsreaktors sehr hohe
Temperaturen herrschen, so dass das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel,
d.h. in der vorliegenden Erfindung die Kohle, devolatilisiert und
weitestgehend entschwefelt wird. Es hat sich gezeigt, dass im Schmelzungsschritt die
devolatilisierte Kohle sich leichter im Schmelzbad auflöst als nicht
devolatilisierte Kohle. Da zudem das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel
während
seiner Verweildauer im Reduktionsreaktor sehr hohen Temperaturen
ausgesetzt wird, verringert sich der Schwefelgehalt beträchtlich.
Die derart hergestellte Schmelze weist geringere Schwefelgehalte
auf. Anstatt Kohle hätte
selbstverständlich
auch Koks bei der Schmelzung der vorreduzierten Eisenpartikel verwendet
werden können,
um die Auflösung
des Kohlenstoffs zu verbessern. Durch die Verwendung von Koks statt
Kohle erhöhen
sich jedoch die Produktionskosten und das mit dem Schwefel zusammenhängende Problem
wird dadurch nicht gelöst.
Koks enthält
nämlich
keine flüchtigen
Stoffe, wohl aber weitestgehend soviel Schwefel wie die bei dessen Herstellung
verwendete Kohle.
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Der überschüssige Kohlenstoff wird im Schmelzofen
verbrannt. Daraus ergibt sich eine Ersparnis an elektrischer Energie
bei der Partikelschmelzung.
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Durch das lediglich auf den letzten
Ebenen des mehrstöckigen
Ofens zugesetzte kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel wird die Gas-Restwärme zum Trocknen
und Vorheizen der Eisenerzpartikel sowie zur vollständigen Verbrennung
des Kohlenmonoxids verwertet. Eine gesonderte Nachverbrennung erübrigt sich.
Durch die höhere
Temperatur auf diesen letzten Ebenen lässt sich der Schwefelgehalt
im freien Kohlenstoff zudem weiter reduzieren.
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Es werden somit nicht zwei bekannte
Verfahren verbunden. Vielmehr entsteht eine Wechselwirkung zwischen
den beiden Verfahren, welche zu unerwarteten Vorteilen führt.
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Weitere Besonderheiten und Merkmale
der Erfindung werden im Folgenden anhand der ausführlichen
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung und der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigt
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
einer Roheisenschmelze.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer
Roheisenschmelze. Darin ist ein Vorreduktionsreaktor ersichtlich,
welcher im vorliegenden Beispiel als mehrstöckiger Ofen 10 ausgeführt ist,
in dem Eisenerzpartikel zur Gewinnung von vorreduziertem Eisen reduziert
werden. Das vorreduzierte Eisen wird danach im Warmzustand in einen
Schmelzofen weitergeleitet, welcher im vorliegenden Beispiel als
Elektroofen 12 ausgestaltet ist. Das vorreduzierte Eisen wird
darin geschmolzen, so dass eine Roheisenschmelze 14 mit
Oberflächenschlacke 16 entsteht.
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Im ersten Verfahrensschritt geht
es somit um die Reduktion der Eisenpartikel im mehrstöckigen Ofen 10.
Der mehrstöckige
Ofen 10 beinhaltet eine Reihe von ringförmigen, vertikal beabstandeten
Ebenen. Die Eisenerzpartikel werden in der obersten Ebene eingetragen
und stufenweise auf die nächsttieferen
Ebenen weitergeleitet.
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In seinem unteren Teil wird der mehrstöckige Ofen 10 in
mehreren Ebenen mit Kohle, wie mit Pfeil 18 angegeben,
beschickt. In einer günstigen
Ausgestaltung wird Kohle in für
die Reduktion der Eisenerzpartikel und die Entstehung eines Überschusses
an freier Kohle ausreichender Menge eingetragen. Anders ausgedrückt, das
vorreduzierte Eisen enthält überschüssige freie
Kohle. Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird der mehrstöckige Ofen 10 in
seinen unteren Ebenen derart mit Kohle beschickt, dass sich am Ausgang
des Ofens 10 ein ca. 10%iger Überschuss an freier Kohle ergibt.
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Die Eisenerzreduktion erfolgt in
Kontakt mit der Kohle sowie mit den hiervon erzeugten Gasen, indem
der mehrstöckige
Ofen 10 auf Temperaturen von 1050°C bis 1200°C aufgeheizt wird. Das überschüssige, von
der Kohle erzeugte Gas steigt im mehrstöckigen Ofen 10 empor
und wird in dessen oberem Teil verbrannt. Durch diese Verbrennung wird
das Eisenerz auf den oberen Ebenen getrocknet und vorgeheizt.
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Hierbei werden durch den Eintrag
von überschüssigem freiem
Kohlenstoff die Reduktionsgeschwindigkeit und die Metallisierungsrate
erhöht.
Auf diese Art und Weise wird der Betrieb des mehrstöckigen Ofens 10 aufgrund
der gesteigerten Vorreduktionsrate und Ertragsleistung optimiert.
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Am Ausgang des mehrstöckigen Ofens 10 wird
das vorreduzierte Eisen im Warmzustand über eine die zwei Reaktoren
verbindende Leitung 20 in den Elektroofen 12 weitergeleitet.
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Die Gewinnung von vorreduziertem
Eisen mit überschüssiger freier
Kohle widerspricht den üblichen
Produktionsanforderungen zur Minimierung der Kohlenmenge im Vorreduktionsofen.
Wie vorstehend erläutert,
ermöglicht
jedoch die überschüssige freie
Kohle die Optimierung des Betriebs des mehrstöckigen Ofens 10.
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Durch die Verwendung von freier Kohle
im Elektroofen 12 kann des Weiteren dessen Betrieb verbessert
werden, da die flüchtigen
Anteile der freien Kohle im mehrstöckigen Ofen freigesetzt werden und
die freie Kohle sich dadurch in der Roheisenschmelze 14 besser
auflöst.
Auch die Sulfide werden größtenteils
im mehrstöckigen
Ofen 10 freigesetzt, so dass der Schwefelgehalt in der
Roheisenschmelze 14 sich verringert.
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Mit einer Sauerstofflanze 21 wird
ein Sauerstoffstrahl zur Verbrennung der überschüssigen Kohle eingeblasen. Dies
stellt eine zur elektrischen Energie zusätzlichen Energiezufuhr für das Schmelzen des
vorreduzierten Eisens dar.
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Die Roheisenschmelze wird über ein
Abstichloch 23 aus dem Elektroofen 12 in einen
Auffangbehälter 22 abgeführt.
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Hierbei werden die Gase aus dem Elektroofen
nicht in den mehrstöckigen
Ofen 10 eingetragen, sondern können – wie mit Pfeil 28 angegeben – aus einer Öffnung 24 im
Gewölbe 26 des
Elektroofens 12 abziehen.
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Mittel zur Schlackenbildung wurden
bereits in den mehrstöckigen
Ofen 10 oder bei der Weiterleitung des vorreduzierten Eisens
in den Elektroofen 12 eingetragen. Für die Rückgewinnung der Schlacke zur
weiteren Verarbeitung ist in der Wand des Elektroofens 12 ein
Abstichloch 24 vorgesehen.