DE60031206T2

DE60031206T2 - Verfahren zum Anfahren eines Direktschmelzprozesses

Info

Publication number: DE60031206T2
Application number: DE60031206T
Authority: DE
Inventors: Cecil Peter Mt Pleasant Bates; Peter Damian Winthrop Burke
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: CZ20002522A3; RU2242520C2; EP1067201A2; CZ302435B6; EP1067201A3; ZA200003263B; KR20010015263A; US6517605B1; CN1317398C; DE60031206D1; AU4272500A; ATE342381T1; AU768952B2; CN1280199A; CA2313622A1; KR100647232B1; JP4916046B2; TW527422B; MY135442A; ES2272220T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Eisen aus einem metallhaltigen Beschickungsmaterial, wie Erzen, teilweise reduzierten Erzen und metallhaltigen Abfallströmen, in einem metallurgischen Gefäß, das ein Schmelzbad enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einem Schmelzbad basierendes Direktschmelzverfahren für die Herstellung von geschmolzenem Eisen aus einem metallhaltigen Beschickungsmaterial.
Der Begriff "Direktschmelzverfahren" soll für ein Verfahren stehen, das aus einem metallhaltigen Beschickungsmaterial, geschmolzenes Metall, in diesem Fall Eisen, erzeugt.
US 3,463,472 offenbart eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Direktschmelzen von Eisen zu Metall und zum Vergüten dieses Metalls. Die Vorrichtung wird bei einem Anfahrverfahren verwendet, das die Schritte umfaßt: Vorwärmen durch Ölbrenner, Beschicken mit geschmolzenem Roheisen, das Kohlenstoff und Silicium enthält, und Einblasen von Eisenerz und metallisierten Pellets mit kohlehaltigem Material.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einem Schmelzbad basierendes Direktschmelzverfahren, das auf einer Schicht aus einer Metallschmelze als Schmelzmedium beruht und allgemein als HIsmelt-Prozeß bezeichnet wird.
Der HIsmelt-Prozeß schließt die folgenden Schritte ein:

(a) Erzeugen eines Schmelzbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht in einem metallurgischen Gefäß;
(b) Einblasen von metallhaltigem Beschickungsmaterial und festem kohlehaltigem Material in die Metallschicht durch eine Vielzahl von Lanzen/Düsen;
(c) Schmelzen des metallhaltigen Beschickungsmaterials in der Metallschicht zu Metall;
(d) Bewirken, daß geschmolzenes Material als Spritzer, Tropfen und Ströme in den Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades herausgeschleudert wird, wodurch eine Übergangszone gebildet wird; und
(e) Einblasen eines sauerstoffhaltigen Gases durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse in das Gefäß, um die aus dem Schmelzbad freigesetzten Reaktionsgase nachzuverbrennen, wobei die aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials in der Übergangszone die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtern und wobei die Übergangszone den Wärmeverlust aus dem Gefäß über die Seitenwände minimiert, die mit der Übergangszone in Kontakt stehen.

Eine bevorzugte Form des HIsmelt-Prozesses ist dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone gebildet wird, indem Trägergas, metallhaltiges Beschickungsmaterial, festes kohlehaltiges Material und gegebenenfalls Flußmittel durch Lanzen in das Bad eingeblasen werden, die sich durch die Seitenwände des Gefäßes nach unten und einwärts erstrecken, so daß das Trägergas und das feste Material in die Metallschicht eindringen und dazuführen, daß geschmolzenes Material aus dem Bad herausgeschleudert wird.
Diese Form des HIsmelt-Prozesses stellt gegenüber früheren Formen des Verfahrens eine Verbesserung dar, die die Übergangszone durch Bodeneinblasen von Trägergas und festem kohlehaltigen Material durch Düsen in das Bad bilden, das dazu führt, daß Tropfen und Spritzer und Ströme des geschmolzenen Materials aus dem Bad herausgeschleudert werden.
Der Anmelder hat in einer Pilotanlage eine extensive Arbeit bezüglich des HIsmelt-Prozesses durchgeführt und in Zusammenhang mit diesem Prozeß eine Reihe von signifikanten Erkenntnissen gewonnen.
Eine der Erkenntnis, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist ein Verfahren zum Anfahren des HIsmelt-Prozesses in einer effektiven und effizienten Art und Weise.
Allgemein ausgedrückt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Anfahren eines Direktschmelzverfahrens für die Erzeugung von Eisen aus einem metallhaltigen Beschickungsmaterial in einem metallurgischen Gefäß, wobei das Gefäß eine Vielzahl von Lanzen/Düsen zum Einblasen von Beschickungsmaterial aufweist, wobei das Anfahrverfahren die folgenden Schritt einschließt.

(a) Vorwärmen des Gefäßes;
(b) Einführen einer Charge von geschmolzenem Eisen in das Gefäß und Erzeugen eines Schmelzbades in dem Gefäß;
(c) Einführen von kohlehaltigem Material und Flußmittel in das Schmelzbad und Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial und Verbrennen von Kohle und aus dem Bad stammendem Gas (falls vorhanden) und dadurch Erwärmen des Schmelzbades und Erzeugen von Schlacke und Beginnen, eine Übergangszone einzurichten, und Erhöhen des Drucks im Gefäß, wenn vorgegebene Bedingungen, wie sie hier später angegeben sind, einen vorbestimmten Schwellenwert erreichen;
(d) Einführen von metallhaltigem Beschickungsmaterial in das Gefäß, wobei weiterhin kohlehaltiges Material und Flußmittel zugeführt wird und sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen wird und metallhaltiges Beschickungsmaterial geschmolzen wird und geschmolzenes Eisen erzeugt wird und dadurch das Anfahrverfahren beendet wird.

Der Schritt (a) des Vorwärmens des Gefäßes schließt vorzugsweise das Verbrennen von Heizgas und Luft im Gefäß ein. Der Begriff "Heizgas" soll hier nur als Beispiel Gas von Koksöfen, Hochofengas und Erdgas einschließen.
Das Einführen von kohlehaltigem Material und/oder Flußmittel im Schritt (c) erfolgt vorzugsweise über eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial.
Das Einführen von metallhaltigem Beschickungsmaterial im Schritt (d) erfolgt vorzugsweise über eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial.
Vorzugsweise werden Feststoffe, d.h. einer oder mehrere aus metallhaltigem Beschickungsmaterial, kohlehaltigem Material und Flußmittel, die durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterials zugeführt werden, mit Trägergas durch die Lanze(n)/Düse(n) eingeblasen.
Die Lanze(n)/Düse(n) zum Einblasen von Feststoff kann (können) im Verlauf des Anfahrverfahrens zwischen tieferen Arbeitspositionen und höheren zurückgezogenen Positionen beweglich sein.
In einer anderen Ausführungsform kann (können) die Lanze(n)/Düse(n) zum Einblasen von Feststoffen beim Anfahrverfahren fixiert sein und kann (können) sich z.B. durch Seitenwände des Gefäßes erstrecken.
Falls die Lanze(n)/Düse(n) zum Einblasen von Feststoffen fixiert ist (sind) schließt der Schritt (b) vorzugsweise das Einblasen von Trägergas ohne Feststoffe durch die Lanze(n)/Düse(n) zum Einblasen von Feststoffen mit einer Strömungsrate ein, die verhindert, daß geschmolzenes Metall in die Lanze(n)/Düse(n) eindringt.
Das Anfahrverfahren schließt vorzugsweise zwischen den Schritten (b) und (c) einen Zwischenschritt ein, bei dem sauerstoffhaltiges Gas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial eingeblasen wird, bevor mit dem Einführen von kohlehaltigem Material und Flußmittel im Schritt (c) begonnen wird, um oxidierbares Material im Schmelzbad zu verbrennen und dadurch die Temperatur des Bades zu erhöhen.
Der Schritt (d), bei dem metallhaltiges Beschickungsmaterial eingeführt wird, beginnt, wenn vorgeschriebene Verfahrensbedingungen einen vorbestimmten Schwellenwert erreichen. Die vorgegebenen Verfahrensbedingungen schließen eine oder mehrere der folgenden ein:

(i) eine Temperatur des Schmelzbades von mindestens 1400°C; und
(ii) eine Kohlenstoffkonzentration im Schmelzbad von mindestens 4 Gew.-%;
(iii) Nachverbrennungswerte unter einem Wert, der eine Sättigung des Schmelzbades mit Kohlenstoff anzeigt.

Das Gefäß schließt vorzugsweise einen Vorherd ein, und der Schritt (b), bei dem die Charge des geschmolzenen Eisens in das Gefäß eingeführt wird, schließt das Einführen der Charge über den Vorherd ein.
Der Vorwärmschritt (a) schließt vorzugsweise das Anordnen eines Deckels auf dem Vorherd ein, damit der Wärmeverlust über den Vorherd minimiert wird.
Das Anfahrverfahren schließt vorzugsweise das Reinigen des Gefäßes vor dem Vorwärmschritt (a) ein, um Schlacke aus dem Gefäß zu entfernen.
Das Gefäß schließt vorzugsweise wassergekühlte Platten ein, die zumindest einen Teil der Seitenwände des Gefäßes bilden, und das Anfahrverfahren schließt das Sprühen eines vergießbaren feuerfesten Materials auf die Platten vor dem Vorwärmschritt (a) ein, um den anfänglichen Wärmeverlust von den Platten beim Anfahrverfahren zu verringern.
Das vergießbare feuerfeste Material ist vorzugsweise Spinell mit hohem Aluminiumoxidgehalt.
Das Anfahrverfahren schließt vorzugsweise das Verbinden von Verlängerungen mit den Enden der Lanzen/Düsen zum Einblasen von Feststoffen vor dem Vorwärmschritt (a) ein, um die Wirksamkeit des Einblasens der Feststoffe beim Anfahrverfahren zu erhöhen, wenn das Niveau des Schmelzbades relativ niedrig ist. Diese Verlängerungen bestehen vorzugsweise aus einem Material, das im Schmelzbad schmilzt, wenn das Niveau des Schmelzbades steigt und die Verlängerungen immer weiter eingetaucht sind.
Das im Schritt (b) zugeführte geschmolzene Eisen schließt vorzugsweise mindestens 3 Gew.-% Kohlenstoff ein.
Das im Schritt (b) zugeführte geschmolzene Eisen schließt vorzugsweise Silicium und/oder Aluminium und/oder irgendein anderes geeignetes, z.B. oxidierbares Material ein.
Der Schritt (c) und der Zwischenschritt zwischen den Schritten (b) und (c) schließen das Einblasen von Trägergas mit einem Druck von mindestens 100 kPa oberhalb von dem im Gefäß ein – und zwar entlang der Lanzen/Düsen zum Einblasen von Feststoffen gemessen.
Das Anfahrverfahren schließt vorzugsweise eine Erhöhung der Strömungsrate des sauerstoffhaltigen Gases innerhalb von jedem der Schritte (c) und (d) ein.
Der Schritt (c) schließt vorzugsweise das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial mit einer Strömungsrate von mindestens 12000 Nm³/h ein.
Der Schritt (d) schließt vorzugsweise das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas mit einer Strömungsrate von mindestens 20000 Nm³/h ein.
Das Anfahrverfahren schließt vorzugsweise eine Bestimmung des Zeitraums für den Schritt (c) ein, indem die Sauerstoff- und/oder Kohlenmonoxid- und/oder Kohlendioxidkonzentration im Abgas aus dem Gefäß überwacht werden.
Das Anfahrverfahren schließt vorzugsweise die Bestimmung des Zeitraums für den Zwischenschritt zwischen den Schritten (b) und (c) ein, indem die Sauerstoff- und/oder Kohlenmonoxid- und/oder Kohlendioxidkonzentration im Abgas aus dem Gefäß überwacht werden.
Schlackematerial, das mögliches Schlackematerial von einem vorherigen Betrieb des Gefäßes einschließt, kann dem Gefäß während des Schrittes (c) zugeführt werden, um dazu beizutragen, eine übermäßige Oxidation des Eisens im Schmelzbades während des Schrittes (c) zu minimieren, indem auf dem Bad eine Schlackeschicht aufgebaut wird.
Das Schlackematerial wird vorzugsweise durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial zugeführt.
Das metallhaltigen Beschickungsmaterial kann irgendein geeignetes eisenhaltiges Beschickungsmaterial sein. Das bevorzugte Beschickungsmaterial ist Eisenerz.
Das Eisenerz kann vorgewärmt sein.
Das Eisenerz kann teilweise reduziert sein.
In einigen Fällen, wie z.B. dann, wenn das Gefäß hohen Wärmeverlusten unterworfen ist, kann das metallhaltige Beschickungsmaterial ein Gemisch von Eisenerz und einem stark reduzierten metallhaltigen Beschickungsmaterial sein. In diesem Fall schließt das Anfahrverfahren vorzugsweise die folgenden Schritte ein: Verringern der dem Schmelzbad zugeführten Menge von stark reduziertem metallhaltigem Beschickungsmaterial, Ersetzen dieses metallhaltigen Beschickungsmaterials durch Eisenerz und Fortsetzen des Einblasens von sauerstoffhaltigem Gas und Erreichen von stabilen Verfahrensbedingungen.
Der Begriff "stabile Verfahrensbedingungen" soll bedeuten, daß das Verfahren mit einer Zielbeschickung des metallhaltigen Materials und innerhalb eines Zielwertes der Wärme- und Massebilanz arbeitet.
Die vorstehende Definition bedeutet in diesem Zusammenhang, daß der HIsmelt-Prozeß auf einer signifikanten Bewegung des geschmolzenen Materials im Gefäß beruht, und als Folge kann das Verfahren beträchtlich kurzzeitigen Schwankungen unterworfen sein.
Das stark reduzierte metallhaltige Beschickungsmaterial, das im Schritt (d) eingeblasen wird, ist vorzugsweise zu mindestens 60% metallisiert.
Stärker bevorzugt ist das stark reduzierte metallhaltige Beschickungsmaterial direktreduziertes Eisen ("DRI").
Das sauerstoffhaltige Gas ist vorzugsweise Luft mit bis zu 50 Vol.-% Sauerstoff.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Direktschmelzverfahren angegeben, das das vorstehend beschriebene Anfahrverfahren einschließt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung als Beispiel weiter beschrieben, die eine senkrechte Schnittansicht einer bevorzugten Form eines Direktschmelzgefäßes für die Durchführung dies HIsmelt-Prozesses für das Direktschmelzen von Eisenerz darstellt, um geschmolzenes Eisen zu produzieren.
Das in der Figur gezeigte Gefäß weist folgendes auf: einen Herd, der eine Basis 3 und Seiten 55 aufweist, die aus feuerfesten Ziegeln gebildet sind; Seitenwände, die ein im allgemeinen zylindrisches Gefäß bilden, das sich von den Seiten 55 des Herdes nach oben erstreckt und das einen oberen Gefäßabschnitt 51 und einen unteren Gefäßabschnitt 53 einschließt; ein Gewölbe 7; einen Auslaß 9 für Abgase; einen Vorherd 77 für die kontinuierliche Abgabe von geschmolzenem Metall; eine Vorherdverbindung 71, die den Herd und den Vorherd 77 miteinander verbindet; und ein Abstichloch 61 für die Abgabe von geschmolzener Schlacke.
Bei Verwendung unter stabilen Verfahrensbedingungen enthält das Gefäß ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke, das eine Schicht 15 aus geschmolzenem Metall und eine Schicht 16 aus geschmolzener Schlacke auf der Metallschicht 15 einschließt. Der Pfeil mit der Bezugsziffer 17 kennzeichnet die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Metallschicht 15, und der Pfeil mit der Bezugsziffer 19 bezeichnet die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Schlackeschicht 16. Der Begriff "ruhige Oberfläche" soll für die Oberfläche stehen, wenn in das Gefäß kein Gas und keine Feststoffe eingeblasen werden.
Das Gefäß schließt auch zwei Lanzen/Düsen zum Einblasen von Beschickungsmaterial in Form von Lanzen/Düsen 11 zum Einblasen von Feststoffen ein, die sich durch die Seitenwände 5 in einem Winkel von 30 bis 60° zur Senkrechten nach unten und einwärts und in die Schlackeschicht 16 erstrecken. Die Position der Lanzen/Düsen 11 wird so ausgewählt, daß sich die unteren Enden bei stabilen Verfahrensbedingungen oberhalb der ruhigen Oberfläche 17 der Metallschicht 15 befinden.
Bei Verwendung unter stabilen Verfahrensbedingungen werden Eisenerz, festes kohlehaltiges Material (typischerweise Kohle) und Flußmittel (typischerweise Kalk und Magnesiumoxid), die in einem Trägergas (typischerweise N₂) mitgerissen werden, durch die Lanzen/Düsen 11 in die Metallschicht 15 eingeblasen. Der Impuls des festen Materials/Trägergases bewirkt, daß das feste Material und das Gas in die Metallschicht 15 eindringen. Die Kohle wird von flüchtigen Bestandteilen befreit, und dadurch wird in der Metallschicht 15 Gas erzeugt. Kohlenstoff löst sich teilweise im Metall und bleibt teilweise als feste Kohle zurück. Das Eisenerz wird zu Metall geschmolzen, und die Schmelzreaktion erzeugt gasförmiges Kohlenmonoxid. Die Gase, die in die Metallschicht 15 transportiert und durch das Entfernen der flüchtigen Bestandteile und das Schmelzen erzeugten werden, rufen eine beträchtliche Auftriebsbewegung des geschmolzenen Metalls, der festen Kohle und der Schlacke (die als Folge des Einblasens von Fest stoff/Gas in die Metallschicht 15 gezogen worden ist) aus der Metallschicht 15 hervor, was zu einer Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Metall und Schlacke führt, und diese Spritzer und Tropfen und Ströme reißen Schlacke mit sich, wenn sie sich durch die Schlackeschicht 16 bewegen.
Die Auftriebsbewegung von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke führt zu einer wesentlichen Bewegung in der Metallschicht 15 und der Schlackeschicht 16 mit dem Ergebnis, daß das Volumen der Schlackeschicht 16 zunimmt und sie die mit dem Pfeil 30 angegebene Oberfläche hat. Das Ausmaß der Bewegung ist derart, daß in den Metall- und Schlackebereichen eine vernünftige gleichmäßige Temperatur vorliegt – typischerweise 1450 bis 1550°C, – bei einer Temperaturschwankung in der Größenordnung von 30°.
Außerdem erstreckt sich die Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials und der Schlacke, die durch die Auftriebsbewegung von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke hervorgerufen wird, in den oberen Raum 31 über dem geschmolzenen Material im Gefäß und:

(a) bildet eine Übergangszone 23; und
(b) schleudert etwas geschmolzenes Material (vorwiegend Schlacke) über die Übergangszone hinaus und auf den Teil des oberen Gefäßabschnittes 51 der Seitenwände 5, der sich über der Übergangszone 23 befindet, und auf das Gewölbe 7.

Allgemein ausgedrückt ist die Schlackeschicht 16 ein durchgängiges Flüssigkeitsvolumen mit Gasblasen im Inneren und die Übergangszone 23 ein durchgängiges Gasvolumen mit Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Metall und Schlacke.
Das Gefäß schließt ferner eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial in Form einer Lanze 13 zum Einblasen eines sauerstoffhaltigen Gases (typischerweise vorgewärmte, mit Sauerstoff angereicherte Luft) ein, die mittig angeordnet ist und sich senkrecht nach unten in das Gefäß erstreckt. Die Position der Lanze 13 und die Strömungsrate des Gases durch die Lanze 13 werden bei stabilen Verfahrensbedingungen so gewählt, daß das sauerstoffhaltige Gas in den mittleren Bereich der Übergangszone 23 eindringt und um das Ende der Lanze 13 einen im wesentlichen von Metall/Schlacke freien Raum 25 aufrechterhält.
Bei Verwendung unter stabilen Verfahrensbedingungen verbrennt das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas durch die Lanze 13 die Reaktionsgase CO und H₂ in der Übergangszone 23 und im freien Raum 25 um das Ende der Lanze 13 nach und erzeugt im Gasraum hohe Temperaturen in der Größenordnung von 2000°C oder darüber. Die Wärme wird in dem Bereich, in dem Gas eingeblasen wird, auf die aufsteigenden und absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme übertragen, und die Wärme wird dann teilweise auf die Metallschicht 15 übertragen, wenn das geschmolzene Material zum Schmelzbad zurückkehrt.
Der freie Raum 25 ist wichtig, um hohe Nachverbrennungswerte zu erzielen, da er das Mitreißen von Gasen im Raum über der Übergangszone 23 in den Endbereich der Lanze 13 ermöglicht und verfügbare Reaktionsgase dadurch stärker der Nachverbrennung ausgesetzt werden.
Dieser kombinierte Effekt aus Anordnen der Lanze 13, Strömungsrate des Gases durch die Lanze 13 und Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Metall und Schlacke besteht darin, um den unteren Bereich der Lanze 13 – der allgemein mit den Bezugsziffern 27 bezeichnet ist – eine Übergangszone 23 zu formen.
Dieser geformte Bereich bietet eine teilweise Sperre für die Wärmeübertragung durch Strahlung auf die Seitenwände 5.
Bei stabilen Verfahrensbedingungen stellen die aufsteigenden und absinkenden Tropfen, Spritzer und Ströme von Metall und Schlacke zudem ein wirksames Mittel zur Wärmeübertragung von der Übergangszone 23 auf das Schmelzbad dar – mit dem Ergebnis, daß die Temperatur der Übergangszone 23 im Bereich der Seitenwände 5 in der Größenordnung von 1450 bis 1550°C liegt.
Das Gefäß ist in bezug auf die Niveaus von Metallschicht 15, Schlackeschicht 16 und Übergangszone 23 im Gefäß, wenn das Verfahren bei stabilen Verfahrensbedingungen betrieben wird, und in bezug auf die Spritzer, Tropfen und Ströme von geschmolzenem Metall und Schlacke, die in den oberen Raum 31 über der Übergangszone 23 geschleudert werden, wenn das Verfahren bei stabilen Verfahrensbedingungen durchgeführt wird, so gestaltet, daß:

(a) der Herd und der untere Gefäßabschnitt 53 der Seitenwände 5, die mit den Schichten 15, 16 von Metall/Schlacke in Kontakt stehen, aus Ziegeln aus feuerfestem Material gebildet sind (in der Figur mit Kreuzschraffur dargestellt);
(b) zumindest ein Teil des unteren Gefäßabschnittes 53 der Seitenwände 5 mit Wasser gekühlten Platten 8 hinterlegt ist; und
(c) der obere Gefäßabschnitt 51 der Seitenwände 5 und das Gewölbe 7, die mit der Übergangszone 23 und dem oberen Raum 31 in Kontakt stehen, aus wassergekühlten Platten 57, 59 gebildet sind.

Jede wassergekühlte Platte 8, 57, 59 im oberen Gefäßabschnitt 51 der Seitenwände 5 weist parallele Ober- und Unterkanten und parallele Seitenkanten auf und ist so gekrümmt, daß ein Abschnitt des zylindri schen Gefäßes gebildet wird. Jede Platte schließt ein inneres Wasserkühlrohr und ein äußeres Wasserkühlrohr ein. Die Rohre sind serpentinenförmig ausgebildet, wobei die waagerechten Abschnitte durch gekrümmte Abschnitte miteinander verbunden sind. Jedes Rohr schließt ferner einen Wassereinlaß und einen Wasserauslaß ein. Die Rohre sind senkrecht versetzt, so daß die waagerechten Abschnitte des äußeren Rohrs nicht unmittelbar hinter den waagerechten Abschnitten des inneren Rohrs sind, wenn das Ganze von einer freiliegenden Seite der Platte, d.h. der Seite her betrachtet wird, die zum Inneren des Gefäßes zeigt. Jede Platte weist ferner ein gestampftes feuerfestes Material auf, das die Räume zwischen benachbarten geraden Abschnitten jedes Rohrs und zwischen den Rohren füllt. Jede Platte schließt ferner eine Trägerplatte ein, die eine Außenseite der Platte bildet.
Die Wassereinlässe und die Wasserauslässe der Rohre sind mit einem Wasserversorgungskreis (nicht gezeigt) verbunden, der Wasser mit einer hohen Strömungsrate durch die Rohre zirkulieren läßt.
Die vorstehend genannte Arbeit mit einer Pilotanlage wurde vom Anmelder in seiner Pilotanlage in Kwinana, Westaustralien als Reihe von längeren Kampagnen durchgeführt.
Die Arbeit mit der Pilotanlage erfolgte mit dem in der Figur dargestellten und vorstehend beschriebenen Gefäß und gemäß der vorstehend angegebenen stabilen Verfahrensbedingungen.
Mit der Arbeit mit der Pilotanlage wurden das Gefäß ausgewertet und das Verfahren untersucht, jeweils in einem weiten Bereich von unterschiedlichen:

(a) Beschickungsmaterialien;
(b) Einblasraten von Feststoffen und Gas;
(c) Schlackebeständen – bezüglich der Tiefe der Schlackeschicht und die Verhältnisse von Schlacke:Metall gemessen;
(d) Betriebstemperaturen; und
(e) Einstellungen der Vorrichtung.

Mit der Arbeit mit der Pilotanlage wurde ein bevorzugtes Anfahrverfahren eingerichtet, das effektiv und effizient arbeitet. Das bevorzugte Anfahrverfahren ist nachfolgend zusammengefaßt.

(1) Reinigen des Gefäßes, um Schlacke aus dem Herd, von den Seitenwänden 5 und vom Gewölbe 7 zu entfernen, die bei einer vorangegangenen Kampagne abgelagert worden ist. Das Entfernen der Schlacke ist wegen möglicher Sicherheitsprobleme wichtig, die beim Anfahren entstehen können, wenn geschmolzene Schlacke in den und aus dem Vorherd 77 geschleudert wird. Nach dem Reinigen des Gefäßes wird Spinell mit hohem Aluminiumoxidgehalt auf die wassergekühlten Platten gesprüht, um beim Anfahrverfahren den Wärmeverlust über die Platten zu verringern. Vor oder nach dem vorhergehenden Schritt werden Verlängerungen (nicht gezeigt) auf die Lanzen/Düsen 11 zum Einblasen von Feststoffen geschraubt oder auf andere Weise angebracht, um die wirksame Länge der Lanzen/Düsen beim Anfahrverfahren zu vergrößern, bei dem das Niveau des geschmolzenen Materials im Gefäß relativ niedrig ist. Die Verlängerungen bestehen aus rostfreiem Stahl oder irgendeinem anderen geeigneten Material, das im Schmelzbad schmilzt, wenn das Niveau des Bades steigt und die Verlängerungen eingetaucht sind.
(2) Vorwärmen des Gefäßes. Eine bevorzugte Möglichkeit zum Vorwärmen besteht darin, Heizgas und Luft im Gefäß zu verbrennen. In der Praxis ist es bevorzugt, die Vorwärmtemperatur auf 1400°C zu begrenzen, da die Flammentemperaturen für die Erzeugung dieser Vorwärmtemperatur beträchtlich höher sind und zu einer Beschädigung der feuerfesten Materialien im Gefäß führen können. Um die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern, werden auf dem Vorherd 77 ein Deckel 73 und eine sich nach unten erstreckende Abdeckplatte 75 angeordnet. Eine weitere bevorzugte Möglichkeit zum Erwärmen besteht in den Fällen, bei denen Wärmeöfen verfügbar sind, darin, vorzuwärmen, indem Luft durch die Lanze 13 eingeblasen wird und die Luftmenge allmählich erhöht wird, die mit den Öfen vorgewärmt wurde, bis die gesamte Luft über die Öfen kommt, und das Vorwärmen innerhalb der letzten 400°C dann unter Verwendung eines Brenners für Brennstoffe zu ergänzen, wie er bereits beschrieben worden ist.
(3) Es wird eine Charge von geschmolzenem Eisen mit 40 bis 45 t vorbereitet, das 4 Gew.-% Kohlenstoff, 0,75 Gew.-% Silicium und 0,5 Gew.-% Aluminium enthält und eine Durchschnittstemperatur von 1360°C hat.
(4) Der Vorwärmschritt wird abgebrochen und die Charge des geschmolzenen Eisens wird über den Vorherd 77 in das Gefäß eingeführt und Stickstoff (oder ein anderes geeignetes Trägergas) wird durch die Lanzen/Düsen 11 mit einem Druck von mindestens 100 kPa über dem Druck im Gefäß in das Gefäß eingeblasen, und dadurch wird das Eindringen von geschmolzenem Material in die Lanzen/Düsen 11 verhindert;
(5) nach der Zuführung der Charge des geschmolzenen Eisens wird weiterhin Stickstoff eingeblasen, wie es im Schritt (4) angegeben ist, und durch die Lanze 13 wird ein sauerstoffhaltiges Gas mit einer anfänglichen Strömungsrate von 12000 Nm³/h eingeblasen – wobei diese auf 20000 Nm³/h erhöht wird (die für das Einblasen von Feststoffen erforderlich Mindestströmungsrate) – um Silicium und Aluminium zu verbrennen und die Charge des geschmolzenen Eisens zu entkohlen und Kohlenmonoxid/Kohlendioxid zu erzeugen und dadurch das Eisenschmelzebad zu erwärmen. Gleichzeitig wird der Druck im Gefäß auf den Mindestdruck erhöht, der für das Einblasen von Feststoffen erforderlich ist (typischerweise 20 kPa). Die für diesen Schritt erforderliche Zeit beträgt typischerweise 5 bis 10 Minuten.
(6) Nachdem das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas bei 20000 Nm³/h stabilisiert ist, wird mit dem Einblasen von Kohle und Flußmittel (typischerweise Kalk) durch die Lanzen/Düsen 11 mit einer anfänglichen Strömungsrate der Kohle von 3 t/h begonnen und die Überwachung des Gehalts an Sauerstoff und/oder CO und/oder CO₂ im Abgas wird eingeleitet, um festzustellen, ob das Bad reagiert. Eine Verringerung des Sauerstoffgehalts und eine Zunahme des Gehalts an CO und CO₂ zeigen, daß das Bad reagiert. Wenn sich dieser Trend eingestellt hat, kann die Strömungsrate von Kohle und von sauerstoffhaltigem Gas von der anfänglichen Strömungsrate erhöht werden. Die Aufgaben dieses Schrittes sind: (a) die Temperatur und den Kohlenstoffgehalt des geschmolzenen Eisens möglichst schnell auf die Mindesttemperatur des geschmolzenen Eisens von 1450°C und den Mindestgehalt von Kohlenstoff von 4,6 Gew.-% zu erhöhen, (b) Schlacke mit der erforderlichen Basizität zu bilden und (c) mit der Einrichtung einer Übergangszone 23 zu beginnen. Während dieses Schritts erfahren die wassergekühlten Platten sehr hohe Wärmebelastungen. Die Strömungsrate des sauerstoffhaltigen Gases wird auf 28000 Nm³/h erhöht. Das bewirkt eine Druckerhöhung im Gefäß auf 70 bis 75 kPa. Dieser Schritt dauert typischerweise 30 Minuten.
(7) Nachdem die Temperatur des geschmolzenen Eisens die Mindesttemperatur von 1450°C erreicht hat und der Mindestgehalt an Kohlenstoff von 4,5 Gew.-% erreicht ist, wird mit dem Einblasen eines Gemischs von Eisenerzfeinstoffen und DRI durch die Lanzen/Düsen 11 mit einer anfänglichen Strömungsrate von 6 t/h begonnen, wobei weiterhin Kohle und Flußmittel eingeblasen werden und das Gemisch schmilzt und aus dem Vorherd ein Eisenschmelzestrom erzeugt wird und die Nachverbrennung und die Wärmeübertragung auf das Bad über die Übergangszone 23 hervorgerufen werden. Nachdem die Nachverbrennungswerte zu steigen begonnen haben, beginnt eine Verringerung der Wärmebelastungen der Platten, und die Strömungsrate des Gemischs kann erhöht werden.
(8) Das DRI kann mit der Zeit bis zu dem Moment allmählich durch teilweise reduziertes Eisenerz oder Eisenerz ersetzt werden, zu dem das zu erzielende Beschickungsmaterial das einzige metallhaltige Beschickungsmaterial darstellt und sich das Verfahren im stabilen Modus befindet.
(9) Nach 2 bis 3 Betriebsstunden wird das Gefäß abgestochen und es wird eine Schlackeprobe gewonnen und die Verfahrensbedingungen werden bestimmt.

Das anfängliche Einblasen des Gemischs von Eisenerzfeinstoffen und DRI im vorstehenden Schritt (7) ist eine Funktion der Größe des Gefäßes und der Wärmeverluste. Im Falle der Pilotanlage gab es in der Anfahrphase sehr große Wärmeverluste, und der Zusatz von DRI war erforderlich, damit sich die Metallproduktion einstellt. Bei größeren Gefäßen mit kommerziellen Maßen wird angenommen, daß die Wärmeverluste kein derartig ernsthaftes Problem darstellen können und der Zusatz von DRI nicht erforderlich sein kann.

Claims

Verfahren zum Anfahren eines Direktschmelzverfahrens für die Herstellung von Eisen aus einem metallhaltigen Beschickungsmaterial in einem metallurgischen Gefäß, wobei das Gefäß eine Vielzahl von Lanzen/Düsen zum Einblasen von Beschickungsmaterial aufweist, wobei das Anfahrverfahren umfaßt: (a) Vorwärmen des Gefäßes durch Verbrennen von Heizgas und Luft im Gefäß; (b) Einführen einer Charge von geschmolzenem Eisen in das Gefäß und Erzeugen eines Schmelzbades in dem Gefäß; (c) Einführen von kohlehaltigem Material und Flußmittel in das Schmelzbad und Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial, Verbrennen von Kohle und aus dem Bad stammendem Gas und dadurch Erwärmen des Schmelzbades, Erzeugen von Schlacke und Beginnen, eine Übergangszone einzurichten, und Erhöhen des Drucks im Gefäß; und (d) wenn vorgegebene Bedingungen, die irgendeinen Wert oder mehrere aus Temperatur des Schmelzbades von mindestens 1400°C, Kohlenstoffkonzentration von mindestens 4 Gew.-% im Schmelzbad und Nachverbrennungswerte unter einem Wert, der eine Kohlenstoffsättigung des Schmelzbades anzeigt, einschließen, einen vorbestimmten Schwellenwert erreichen, Einführen von metallhaltigem Beschickungsmaterial in das Gefäß, wobei weiterhin kohlehaltiges Material und Flußmittel zuge führt werden und sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen wird und metallhaltiges Beschickungsmaterial geschmolzen wird und weiteres geschmolzenes Eisen erzeugt wird.
Anfahrverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) das Zuführen von kohlehaltigem Material und Flußmittel durch Einblasen des kohlehaltigen Materials und des Flußmittels durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial einschließt.
Anfahrverfahren nach Anspruch 2, das das Einblasen von einem oder mehreren Materialien aus kohlehaltigem Material, Flußmittel und metallhaltigem Beschickungsmaterial mit Trägergas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial einschließt.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt (d) das Zuführen von metallhaltigem Beschickungsmaterial durch Einblasen des Beschickungsmaterials durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial einschließt.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das zwischen den Schritten (b) und (c) das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von Beschickungsmaterial einschließt, bevor mit der Zuführung von kohlehaltigem Material und Flußmittel im Schritt (c) begonnen wird, um oxidierbares Material im Schmelzbad zu verbrennen, wodurch die Temperatur des Bades steigt.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gefäß einen Vorherd einschließt und der Schritt (b) das Zuführen der Charge durch den Vorherd einschließt.
Anfahrverfahren nach Anspruch 6, wobei der Vorwärmschritt (a) das Anordnen eines Deckels auf dem Vorherd einschließt, um den Wärmeverlust über den Vorherd zu minimieren.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das vor dem Schritt (a) das Reinigen des Gefäßes einschließt, um Schlacke zu entfernen, die am Ende des vorherigen Ganges des Direktschmelzverfahrens im Gefäß zurückgeblieben ist.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gefäß wassergekühlte Platten einschließt, die zumindest einen Teil der Seitenwände des Gefäßes bilden, und das Anfahrverfahren vor dem Schritt (a) das Sprühen eines vergießbaren feuerfesten Materials auf die Platten einschließt, um den anfänglichen Wärmeverlust von den Platten während des Anfahrverfahrens zu verringern.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das im Schritt (b) zugeführte geschmolzene Eisen mindestens 3 Gew.-% Kohlenstoff einschließt.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das im Schritt (b) zugeführte geschmolzene Eisen Silicium und/oder Aluminium und/oder irgendein anderes geeignetes oxidierbares Material einschließt.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei der Schritt (c) das Einblasen von Trägergas mit dem eingeblasenen kohlehaltigen Material und Flußmittel mit einem Druck von mindestens 100 kPa über dem Druck im Gefäß einschließt.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das eine Erhöhung der Strömungsrate des sauerstoffhaltigen Gases innerhalb von jedem der Schritte (c) und (d) einschließt.
Anfahrverfahren nach Anspruch 13, das im Schritt (c) das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas mit einer Strömungsrate von mindestens 12000 Nm³/h einschließt.
Anfahrverfahren nach Anspruch 13 oder 14, das im Schritt (d) das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas mit einer Strömungsrate von mindestens 20000 Nm³/h einschließt.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das die Bestimmung des Zeitraums für den Schritt (c) einschließt, indem die Konzentration von Sauerstoff und/oder Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid im Abgas aus dem Gefäß überwacht wird.
Anfahrverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das metallhaltige Beschickungsmaterial ein Gemisch von Eisenerz und stark reduziertem metallhaltigem Beschickungsmaterial umfaßt und das Anfahrverfahren ferner folgendes einschließt: Verringerung der Menge des stark reduzierten metallhaltigen Beschickungsmaterials, das dem Schmelzbad im Verlauf der Zeit zugeführt wird, Ersetzen des stark reduzierten metallhaltigen Beschickungsmaterials durch Eisenerz und Fortsetzen des Einblasens von sauerstoffhaltigem Gas und Erreichen von stabilen Verfahrensbedingungen.
Anfahrverfahren nach Anspruch 17, wobei das stark reduzierte metallhaltige Beschickungsmaterial, das im Schritt (d) eingeblasen wird, zu mindestens 60% metallisiert ist.
Anfahrverfahren nach Anspruch 18, wobei das stark reduzierte metallhaltige Beschickungsmaterial direktreduziertes Eisen ist.