DE60127278T2

DE60127278T2 - Verfahren zur direkterschmelzung

Info

Publication number: DE60127278T2
Application number: DE60127278T
Authority: DE
Inventors: Rodney James City Beach Dry; Cecil Peter Mt Pleasant Bates
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: US6482249B1; WO2002024963A1; BR0113971A; MXPA03002150A; US20030033905A1; ATE356887T1; EP1325159B1; ES2282287T3; KR100806266B1; CN1458981A; JP2004509231A; BR0113971B1; DE60127278D1; CA2422905C; EP1325159A1; KR20030048037A; EP1325159A4; AUPR023100A0; CN1221668C; US6596223B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Eisen und/oder Eisenlegierungen aus einem eisenhaltigen Material, einschließlich Eisenerzen, anderen eisenhaltigen Erzen wie Chromiterzen, teilweise reduzierten Erzen und eisenhaltigen Abfallströmen, wie Stahlrücklaufmaterialien.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einem Metallschmelzebad basierendes Direktschmelzverfahren zur Herstellung von geschmolzenem Eisen und/oder Eisenlegierungen.
Ein bekanntes auf einem Schmelzbad basierendes Direktschmelzverfahren für die Herstellung von geschmolzenem Eisen ist der DIOS-Prozeß. Der DIOS-Prozeß schließt eine Vorreduktionsstufe und eine Schmelzreduktionsstufe ein. Beim DIOS-Prozeß wird Erz (– 8 mm) in aufwallenden Wirbelbetten vorgewärmt (750°C) und vorreduziert (10 bis 30 %), wobei Abgas aus einem Schmelzreduktionsgefäß verwendet wird, das ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke enthält, wobei die Schlacke auf dem Eisen eine tiefe Schicht bildet. Die feinen (– 0,3 mm) und groben (– 8 mm) Komponenten des Erzes werden in der Vorreduktionsstufe des Verfahrens getrennt, und die Komponente mit – 0,3 mm wird in einem Zyklon aufgefangen und mit Stickstoff in das Schmelzreduktionsgefäß eingeblasen, während das grobe Erz aufgrund der Schwerkraft zugeführt wird. Vorgetrocknete Kohle wird von der Oberseite des Gefäßes direkt in das Schmelzreduktionsgefäß eingeführt. Die Kohle zersetzt sich in der Schlackeschicht in verkohltes Material und flüchtiges Material, und das Erz löst sich in der geschmolzenen Schlacke und bildet FeO. Dieses FeO wird an den Grenzflächen von Schlacke/Eisen und Schlacke/verkohltem Material reduziert, wodurch Eisen erzeugt wird. Das an den Grenzflächen von Eisen/Schlacke und Schlacke/verkohltem Material erzeugte Kohlenmo noxid ruft eine aufschäumende Schlacke hervor. Sauerstoff wird durch eine speziell gestaltete Lanze geblasen, die den Sauerstoff ins Innere der aufgeschäumten Schlacke einführt und die sekundäre Verbrennung fördert. Die Sauerstoffstrahlen verbrennen das Kohlenmonoxid, das bei den Schmelzreduktionsreaktionen produziert wird, wodurch Wärme erzeugt wird, die zuerst auf die geschmolzene Schlacke und dann durch die starke Rührwirkung des vom Boden eingeblasenen Gases auf die Grenzfläche von Schlacke/Eisen übertragen wird. Das von unten oder der Seite des Schmelzreduktionsgefäßes in das heiße Eisenbad eingeführte rührende Gas verbessert den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung und vergrößert die Grenzfläche von Schlacke/Eisen für die Reduktion und somit die Produktivität und den thermischen Wirkungsgrad des Gefäßes. Die Einblasraten müssen jedoch begrenzt sein, da ein starkes Rühren die sekundäre Verbrennung aufgrund der stärkeren Wechselwirkung zwischen dem Sauerstoffstrahl und den Eisentropfen in der Schlacke – bei einer anschließenden Verringerung der Produktivität und einem zunehmenden Verschleiß des feuerfesten Materials – vermindert. Schlacke und Eisen werden periodisch abgestochen.
Ein anderes bekanntes Direktschmelzverfahren für die Herstellung von geschmolzenem Eisen ist der Romelt-Prozeß. Der Romelt-Prozeß basiert auf der Verwendung eines stark bewegten Schlackebades mit einem großen Volumen als Medium für das Schmelzen des eisenhaltigen Beschickungsmaterials zu Eisen in einem Schmelzreduktionsgefäß und für die Nachverbrennung der gasförmigen Reaktionsprodukte und die Übertragung der Wärme je nach Bedarf, so daß das Schmelzen des eisenhaltigen Beschickungsmaterials andauert. Das eisenhaltige Beschickungsmaterial, Kohle und Flußmittel werden durch eine Öffnung im Gewölbe des Gefäßes aufgrund der Schwerkraft in das Schlackebad eingeführt. Der Romelt-Prozeß schließt das Einblasen eines ersten Windes aus mit Sauerstoff angereicherter Luft über eine untere Reihe von Düsen in die Schlacke, so daß es zur erforderlichen Bewegung der Schlacke kommt, und das Einblasen von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder Sauerstoff durch eine obere Reihe von Düsen in die Schlacke ein, um die Nachverbrennung zu fördern. Das in der Schlacke erzeugte geschmolzene Eisen bewegt sich nach unten und bildet eine Eisenschicht und wird über einen Vorherd abgegeben. Beim Romelt-Prozeß stellt die Eisenschicht kein wichtiges Reaktionsmedium dar.
Eine anderes bekanntes Direktschmelzverfahren für die Herstellung vom geschmolzenem Eisen ist der AISI-Prozeß. Der AISI-Prozeß schließt eine Vorreduktionsstufe und eine Schmelzreduktionsstufe ein. Beim AISI-Prozeß werden vorgewärmte und teilweise vorreduzierte Eisenerzpellets, Kohle oder kleinstückiger Koks und Flußmittel von oben in einen unter Druck stehenden Schmelzreaktor eingeführt, der ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke enthält. Die Kohle wird in der Schlackeschicht von flüchtigen Bestandteilen befreit, und die Eisenerzpellets lösen sich in der Schlacke und werden dann durch Kohlenstoff (verkohltes Material) in der Schlacke reduziert. Die Verfahrensbedingungen führen zum Aufschäumen der Schlacke. Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die in diesem Verfahren erzeugt werden, werden in oder direkt über der Schlackeschicht nachverbrannt, wodurch die Energie bereitgestellt wird, die für die endothermen Reduktionsreaktionen erforderlich ist. Sauerstoff wird durch eine mittige, wassergekühlte Lanze von oben eingeblasen, und Stickstoff wird durch Düsen am Boden des Reaktors eingeblasen, um eine ausreichende Bewegung zu sichern, so daß die Wärmeübertragung der Energie von der Nachverbrennung auf das Bad erleichtert wird. Das Abgas des Verfahrens wird in einem Heißzyklon von Staub befreit, bevor es einem Ofen vom Schachttyp zugeführt wird, um die Pellets vorzuwärmen und zu FeO oder Wüstit vorzureduzieren.
Ein anderes bekanntes Direktschmelzverfahren, das auf einer Schicht aus geschmolzenem Eisen als Reaktionsmedium beruht und allgemein als HIsmelt-Prozeß bezeichnet wird, ist in der Internationalen Anmel dung PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) im Namen dieses Anmelders beschrieben.
Der HIsmelt-Prozeß, so wie er in dieser Internationalen Anmeldung beschriebenen ist, schließt folgendes ein:

(a) Erzeugen eines Bades von geschmolzenem Eisen und geschmolzener Schlacke in einem Gefäß;
(b) Einblasen in das Bad von: (i) eisenhaltigem Beschickungsmaterial, typischerweise Eisenoxide; und (ii) einem festen kohlehaltigen Material, typischerweise Kohle, das als Reduktionsmittel der Eisenoxide und als Energiequelle wirkt; und
(c) Schmelzen des metallhaltigen Beschickungsmaterials in der Eisenschicht zu Metall.

Der HIsmelt-Prozeß schließt auch das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in den Raum über dem Bad und die Nachverbrennung der Reaktionsgase, wie CO und H₂, die aus dem Bad freigesetzt wurden, und die Übertragung der erzeugten Wärme auf das Bad ein, so daß ein Beitrag zur der Wärmeenergie geleistet wird, die für das Schmelzen der metallhaltigen Beschickungsmaterialien erforderlich ist.
Der HIsmelt-Prozeß schließt auch die Bildung einer Übergangszone im Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Bades ein, in der eine vorteilhafte Masse aus aufsteigenden und danach absinkenden Tropfen oder Spritzern oder Strömen des geschmolzenen Materials vorliegt, die ein wirksames Medium bietet, um die durch die Nachverbrennung der Reaktionsgase über dem Bad erzeugte Wärmeenergie auf das Bad zu übertragen.
Der Anmelder hat eine extensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu Direktschmelzverfahren durchgeführt, dazu gehört die Forschungs- und Entwicklungsarbeit bezüglich der Bedingungen für kommerziell durchgeführte Verfahren, und hat in Zusammenhang mit diesen Verfahren eine Reihe von signifikanten Erkenntnissen gewonnen.
Die vorliegende Erfindung konzentriert sich auf die Nachverbrennung von Reaktionsgasen.
Ohne angemessene Nachverbrennung der Reaktionsgase und anschließende Übertragung der Wärme zurück auf das Schmelzbad werden solche auf einem Schmelzbad basierende Direktschmelzverfahren, insbesondere jene ohne eine Vorreduktionsstufe, unökonomisch und lassen sich in vielen Fällen aufgrund der endothermen Natur der Reduktion der eisenhaltigen Materialien nicht durchführen.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß eine gute Nachverbrennung nicht zu Lasten der Oxidation signifikanter Materialmengen, wie geschmolzenes Metall und verkohltes Material, im Schmelzbad gehen darf, da das Verfahren ineffizient wird, wobei übermäßig große Mengen von festem kohlehaltigem Material erforderlich sind, um dieser Oxidation entgegenzuwirken.
Zu große Mengen von flüssigem FeO im Schmelzbad sind für den Verschleiß des feuerfesten Materials entlang des Bereichs des Niveaus der nominell ruhigen Metallschmelze ebenfalls besonders schädlich.
Allgemein ausgedrückt betrifft die vorliegende Erfindung ein Direktschmelzverfahren für die Herstellung von Eisen und/oder Eisenlegierungen, das in kommerziellem Umfang in einem metallurgischen Gefäß durchgeführt wird, das einen Herd, Seitenwände und ein Gewölbe und eine Mindestbreite der Innenseite des Herdes von mindestens 4 m, stärker bevorzugt mindestens 6 m aufweist, wie es in Anspruch 1 angegeben ist.
Insbesondere schließt das Direktschmelzverfahren die folgenden Schritte ein:

(a) Erzeugen eines Schmelzbades, das geschmolzenes Metall und geschmolzene Schlacke enthält;
(b) Einführen von Beschickungsmaterialien, die eisenhaltiges Material, kohlehaltiges Material und Flußmittel sind, in das Gefäß;
(c) Schmelzen des eisenhaltigem Beschickungsmaterials im Schmelzbad zu geschmolzenem Metall und Erzeugen von Gasen im Bad;
(d) Einblasen von Strahlen von sauerstoffhaltigem Gas, das Luft oder Luft mit bis zu 50 % Sauerstoff ist, durch drei oder mehr Lanzen in den Raum über der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades (den "oberen Raum") und Verbrennen der im Verfahren erzeugten Gase; und
(e) Erzeugen einer Aufwärtsbewegung von geschmolzenem Material aus dem Schmelzbad in den oberen Raum, um die Wärmeübertragung auf das Bad zu erleichtern und den Wärmeverlust aus dem Gefäß zu minimieren;

Die vorliegende Erfindung basiert art auf der Erkenntnis, daß es das Mitreißen eines Volumens des Gases des oberen Raums in die Strahlen des eingeblasenen Gases, das das 2- bis 6-Fache des Volumens des eingeblasenen Gases beträgt, ermöglicht, eine gute Nachverbrennung des Gases des oberen Raums und eine gute Wärmeübertragung auf das Schmelzbad und ohne inakzeptable Oxidationswerte der geschmolzenen Materialien im Bad zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung basiert auch auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, das Mitreißen der Volumina des Gases des oberen Raums in das eingeblasene sauerstoffhaltige Gas im vorstehend angegebenen Bereich zu erreichen, wenn das sauerstoffhaltige Gas durch Lanzen, die Auslaßenden mit einem Innendurchmesser von 0,8 m oder weniger (vorzugsweise 0,6 m oder weniger) aufweisen, mit einer Geschwindigkeit von mindestens 150 m/s eingeblasen wird.
Folglich ist das Verfahren vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß Strahlen von sauerstoffhaltigem Gas durch Lanzen, die Auslaßenden mit einem Innendurchmesser von 0,6 m oder weniger aufweisen, mit einer Geschwindigkeit von mindestens 150 m/s eingeblasen werden.
Die Geschwindigkeit beträgt vorzugsweise mindestens 200 m/s.
Die Auslaßenden der Lanzen zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas befinden sich vorzugsweise nicht mehr als 7 m über der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Vorwärmen des sauerstoffhaltigen Gases auf eine Temperatur von 800 bis 1400°C ein.
Die Verwendung von drei oder mehr Lanzen zum Einblasen von Strahlen von sauerstoffhaltigem Gas ermöglicht es, daß das Gewölbe des Schmelzgefäßes weiter unten sein kann, als es sonst bei einer einzigen Lanze der Fall wäre, die die gleiche gesamte innere Querschnittsfläche wie mehrere Lanzen hat. Das beruht auf der Zunahme des Verhältnisses von Oberfläche/Volumen der Gasstrahlen, die aus den Enden der mehreren kleineren Lanzen austreten. Es ist weniger freier Raum für das Mitreißen von Gas erforderlich, da die vertikale Höhe im metallurgischen Gefäß geringer ist. Das Ergebnis ist ein kompakteres kostengünstiges Direktschmelzverfahren mit geringeren Wärmeverlusten aus dem Gefäß.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in einer Wirbelbewegung in das Gefäß ein.
Der Wirbel verstärkt die Ansaugrate des Gases des oberen Raums in die eingeblasenen Gasstrahlen. Folglich wird es durch die Anwendung eines Wirbels möglich, daß die Höhe der Auslaßenden der Lanzen zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas über dem Schmelzbad geringer als die Höhe bei Lanzen ohne Wirbel ist. Folglich kann ein Gefäß, das eine vorgegebene Anzahl von verwirbelnden Lanzen mit einem vorgegebenen Innendurchmesser aufweist, niedriger als ein Gefäß sein, das die gleiche Anzahl von nicht verwirbelnden Lanzen mit dem gleichen Innendurchmesser aufweist. Das stellt eine wichtige Verbesserung in Hinblick auf eine weitere Minimierung der Höhe des Gefäßes und folglich der Oberfläche dar, über die Wärme aus dem Gefäß verlorengehen kann.
Bei einem Gefäß mit irgendeiner vorgegebenen Höhe bedeutet die Anwendung eines Wirbels ferner, daß die Anzahl der Lanzen zum Einblasen von Strahlen von sauerstoffhaltigem Gas geringer als die Anzahl von nicht verwirbelnden Lanzen sein kann. Das Ausmaß, bis zu dem es erwünscht ist, die Anzahl der verwirbelnden Lanzen zu verringern, ist jedoch begrenzt. Wenn insbesondere die Anzahl der Lanzen in einem Gefäß mit einer vorgegebenen Größe verringert wird, muß der Innendurchmesser der Lanzen deutlich erhöht werden. Mit einer Erhöhung des Innendurchmessers wird es schwieriger, die Verwirbelungsvorrichtung innerhalb dieser Lanzen zu kühlen, als Ergebnis neigen sie stärker zum Wegbrennen, besonders wenn mit Sauerstoff angereicherte vorgewärmte Luft verwendet wird. Es wird erwartet, daß es bei Lanzen mit einem Innendurchmesser von mehr als etwa 0,8 m unwahrscheinlich ist, daß sie eine solche Verwirbelungsvorrichtung während der erforderlichen Betriebszeit, d.h. mindestens 6 Monate und stärker erwünscht 12 Monate, tragen können. Die Verwendung von sehr gut wärmeleitenden Materialien, wie Kupfer, für die Verwirbelungsvorrichtung wird als nicht praktikabel angesehen, da die Tendenz besteht, daß vorgewärmte Luft kleine verschleißende Partikel mitreißt, die ein weiches Material, wie Kupfer, schnell abtragen.
Bei der Verwendung einer verwirbelnden Vorrichtung beträgt die Anzahl der verwendeten Lanzen vorzugsweise 3 bis 6, wohingegen ohne verwirbelnde Vorrichtung die Anzahl der Lanzen vorzugsweise 6 oder mehr beträgt.
Der Schritt (b) schließt das Zuführen von Beschickungsmaterialien durch Einblasen der Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad durch drei oder mehr sich nach unten erstreckende Lanzen zum Einblasen von Feststoffen ein, und dadurch wird ein Gasstrom erzeugt, der folgendes bewirkt:

(i) die Bildung einer erweiterten bzw. vergrößerten Schmelzbadzone; und
(ii) Spritzer, Tropfen und Ströme von geschmolzenem Material werden aus der erweiterten Schmelzbadzone nach oben herausgeschleudert.

Das Einblasen von Beschickungsmaterialien und der resultierende Gasstrom, der sich durch das Einblasen der Beschickungsmaterialien und die Reaktionen der Beschickungsmaterialien im Schmelzbad ergibt, führt zu einer wesentlichen Bewegung des Materials in die und aus der erweiterten Schmelzbadzone.
Das Verfahren schließt vorzugsweise den periodischen oder kontinuierlichen Abstich der geschmolzenen Schlacke aus dem Gefäß ein.
Das Verfahren schließt vorzugsweise auch den periodischen oder kontinuierlichen Abstich von geschmolzenem Eisen und/oder geschmolzenen Eisenlegierungen aus dem Gefäß ein.
Die eisenhaltigen Materialien können Eisenerze, andere Eisen enthaltende Erze, wie Chromiterze, teilweise reduzierte Erze und eisenhaltige Abfallströme, wie Stahlrücklaufmaterialien, einschließen. Es wird besonders erwähnt, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung von eisenhaltigem Material begrenzt ist, obwohl eisenhaltiges Material, d.h. ein Material, bei dem Eisen die grundsätzliche Komponente darstellt, das bevorzugte eisenhaltige Material darstellt.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Einblasen von mindestens 80 Gew.-% des Gesamtgewichts des festen Materials, das für die Durchführung des Verfahrens erforderlich ist, durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen ein.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Einblasen von Beschickungsmaterialien mit einer Geschwindigkeit von mindestens 40 m/s durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen in das Schmelzbad ein.
Die Geschwindigkeit liegt vorzugsweise im Bereich von 80 bis 100 m/s.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Einblasen von Beschickungsmaterialien bei einem Massedurchsatz von bis zu 2,0 t/m²/s durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen in das Schmelzbad ein, wobei m² für die Querschnittsfläche des Lanzenzuführungsrohrs steht.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Einblasen von Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad durch Lanzen zum Einblasen von Feststoffen bei einem Verhältnis von Feststoffen/Gas von 10 bis 18 kg/Nm³ ein.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung steht der Begriff "Schmelzen" hier für die thermische Verarbeitung, wobei chemische Reaktionen, die die Beschickungsmaterialien reduzieren, stattfinden, wodurch flüssiges Eisen und/oder flüssige Eisenlegierungen erzeugt werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung steht der Begriff "Lanze" hier für eine Vorrichtung zum Einblasen von Gas/Material, die bis zu einem gewissen Ausmaß in das Innere des Gefäßes ragt.
Der im Schmelzbad erzeugte Gasstrom beträgt mindestens 4,35 Nm³/s/m² (wobei m² für die Fläche des waagerechten Querschnitts durch den Herd an seiner Mindestbreite steht).
Der im Schmelzbad erzeugte Gasstrom beträgt vorzugsweise mindestens 0,5 Nm³/s/m².
Die im Schmelzbad erzeugte Strömungsrate des Gases beträgt vorzugsweise weniger als 2 Nm³/s/m².
Der im Schmelzbad erzeugte Gasstrom kann teilweise als Ergebnis des Einblasens von Gas von unten und/oder über die Seitenwand in das Schmelzbad entstehen.
Das geschmolzene Material kann auf den Seitenwänden eine "feuchte" Schicht oder eine "trockene" Schicht bilden. Eine "feuchte" Schicht umfaßt eine erstarrte Schicht, die an den Seitenwänden haftet, eine halbfeste (breiige) Schicht und einen äußeren flüssigen Film. Eine "trockene" Schicht ist eine, bei der im wesentlichen die gesamte Schlacke erstarrt ist.
Die Erzeugung von Schlacke im Gefäß kann gesteuert werden, indem die Beschickungsraten von eisenhaltigem Material, kohlehaltigem Material und Flußmittel in das Gefäß und die Betriebsparameter, wie Einblasraten von sauerstoffhaltigem Gas, geändert werden.
Wenn das Verfahren die Erzeugung von Eisen betrifft, schließt das Verfahren vorzugsweise die Regelung der Menge von gelöstem Kohlenstoff im geschmolzenen Eisen bei mindestens 3 Gew.-% und das Halten der Schlacke in einem stark reduzierenden Zustand ein, was zu Eisenoxidmengen von weniger als 6 Gew.-%, stärker bevorzugt weniger als 5 Gew.-% führt (als Eisenmenge in den Eisenoxiden in der aus dem Gefäß abgestochenen Schlacke gemessen).
Das Einblasen von eisenhaltigem Material und kohlehaltigem Material kann durch die gleiche Lanze oder getrennte Lanzen erfolgen.
Der Nachverbrennungswert beträgt vorzugsweise mindestens 40 %, wobei die Nachverbrennung wie folgt definiert wird:
worin:
[CO₂] = Vol.-% von CO₂ im Abgas,
[H₂O] = Vol.-% von H₂O im Abgas,
[CO] = Vol.-% von CO im Abgas und
[H₂] = Vol.-% von H₂ im Abgas.
Die vorliegende Erfindung kann mit einer Vorrichtung für die Erzeugung von Eisen und/oder Eisenlegierungen durch ein Direktschmelzverfahren durchgeführt werden, wobei die Vorrichtung ein fixiertes, nicht schwenkbares metallurgisches Gefäß einschließt, das einen Herd, Seitenwände und ein Gewölbe und eine Mindestbreite von mindestens 4 m, vorzugsweise mindestens 6 m im Inneren des Herdes für die Aufnahme eines Schmelzbades aus Eisen und Schlacke aufweist, das eine metallreiche Zone und eine erweiterte Schmelzbadzone über der metallreichen Zone einschließt.
Insbesondere:

(a) wird der Herd von einem feuerfesten Material gebildet und weist eine Unterseite und Seiten auf, die mit dem geschmolzenen Metall in Kontakt stehen; und
(b) erstrecken sich die Seitenwände von den Seiten des Herdes nach oben und stehen mit der erweiterten Schmelzbadzone und dem durchgängigen Gasraum in Kontakt, wobei die Seitenwände, die mit dem durchgängigen Gasraum in Kontakt stehen, wassergekühlte Platten und auf den Platten eine Schicht aus geschmolzenem Material einschließen.

Insbesondere schließt die Vorrichtung ferner folgendes ein:

(a) drei oder mehr Lanzen, die sich nach unten in das Gefäß erstrecken, zum Einblasen von Strahlen eines sauerstoffhaltigen Gases, das Luft oder mit bis zu 50 % Sauerstoff angereicherte Luft ist, in einen Bereich des Gefäßes oberhalb des Schmelzbades;
(b) eine Einrichtung zum Zuführen von Beschickungsmaterialien, die eisenhaltiges Material und/oder kohlehaltiges Material sind, und von Trägergas in das Schmelzbad; und
(c) eine Einrichtung zum Abstechen von geschmolzenem Metall und Schlacke aus dem Gefäß.

Insbesondere hat jede Lanze zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas ein Auslaßende mit einem Innendurchmesser von 0,6 m oder weniger, ragt zumindest über eine Distanz in das Gefäß, die ihrem Innendurchmesser äquivalent ist, und kann sauerstoffhaltiges Gas mit einer Geschwindigkeit von mindestens 150 m/s einblasen.
Die Geschwindigkeit beträgt vorzugsweise mindestens 200 m/s.
Jede Lanze zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas schließt vorzugsweise eine Einrichtung ein, um das Gas zu verwirbeln.
Der Bereich, in den sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen wird, ist vorzugsweise der mittlere Bereich des Gefäßes.
Die Auslaßenden der Lanzen zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas befinden sich vorzugsweise nicht mehr als 7 m über der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades.
Es ist sehr erwünscht, daß die Anordnung der Lanzen und die Länge, mit der sie in das Gefäß ragen, so ausgewählt werden, daß verhindert wird, daß die durch die Nachverbrennung erzeugte Flamme eine Spur entlang der Seitenwände oder des Gewölbes des Gefäßes zieht.
Die Einrichtung zum Zuführen von Beschickungsmaterialien schließt vorzugsweise mindestens drei Lanzen zum Einblasen von Feststoffen ein.
Die Anzahl der Lanzen zum Einblasen von Feststoffen und von sauerstoffhaltigem Gas und die relativen Positionen dieser Lanze und die Betriebsbedingungen des Verfahrens werden vorzugsweise so ausgewählt, daß:

(i) die erweiterte Schmelzbadzone einen erhöhten Bereich um den Bereich des Gefäßes, in sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen wird, zwischen diesem Bereich und den Seitenwänden einschließt;
(ii) Spritzer, Tropfen und Ströme von geschmolzenem Material aus diesem erhöhten Bereich nach oben geschleudert werden und um den Bereich, in den Sauerstoffgas eingeblasen wird, einen Vorhang zwischen diesem Bereich und den Seitenwänden bilden und die Seitenwände benetzen; und
(iii) sich um das untere Ende jeder Lanze zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas ein "freier" Raum bildet, wobei dieser freie Raum eine Konzentration von geschmolzenem Material aufweist, die geringer als die Konzentration des geschmolzenen Materials in der erweiterten Schmelzbadzone ist.

Die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen erstrecken sich vorzugsweise durch wassergekühlte Platten in den Seitenwänden des Gefäßes und nach unten und einwärts zum Herdbereich des Gefäßes.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben, die eine senkrechte Schnittansicht darstellt, die eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch erläutert.
Die folgende Beschreibung steht im Zusammenhang mit dem Schmelzen von Eisenerz, um geschmolzenes Eisen zu erzeugen, und es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Anwendungszweck begrenzt ist und beim Schmelzen irgendwelcher geeigneter Beschickungsmaterialien angewendet werden kann.
Die in der Figur gezeigte Direktschmelzvorrichtung schließt ein metallurgisches Gefäß ein, das allgemein mit 11 bezeichnet wird. Das Gefäß 11 weist einen Herd, der eine Unterseite 12 und Seiten 13 aus feuerfesten Ziegeln einschließt; Seitenwände 14, die ein im allgemeinen zylindrisches Gefäß bilden, das sich von den Seiten 13 des Herdes nach oben erstreckt und das einen oberen Gefäßabschnitt 51 aus wassergekühlten Platten und einen unteren Gefäßabschnitt 53 aus wassergekühlten Platten mit einer inneren Auskleidung aus feuerfesten Ziegeln einschließt; ein Gewölbe 17; einen Auslaß 18 für Abgase; einen Vorherd 19 für die kontinuierliche Abgabe von geschmolzenem Eisen; und ein Abstichloch 21 für die Abgabe von geschmolzener Schlacke ein.
Der Herd und der obere Gefäßabschnitt 51 bilden zylindrische Bereiche im Inneren des Gefäßes. Der untere Gefäßabschnitt 53 bildet einen im allgemeinen kegelstumpfförmigen zylindrischen Bereich im Inneren des Gefäßes, der für einen Übergang zwischen dem Herd mit kleinerem Durchmesser und dem oberen Gefäßabschnitt 51 mit größerem Durchmesser sorgt. Bei einer kommerziellen Anlage, d.h. einer Anlage, die mindestens 500000 t/Jahr an geschmolzenem Eisen erzeugt, beträgt der Durchmesser des Herdes mindestens 4 m, stärker bevorzugt mindestens 6 m.
Bei Verwendung enthält das Gefäß ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke.
An das Gefäß sind drei sich nach unten erstreckende Lanzen 26 zum Einblasen von Heißluft angebracht, um Heißluftstrahlen in einen mittleren oberen Bereich 91 des Gefäßes einzuführen und die aus dem Schmelzbad freigesetzten Reaktionsgase nachzuverbrennen. Die Auslaßenden 39 der Lanzen 26 weisen einen Innendurchmesser D von 0,6 m oder weniger auf. Die Auslaßenden 39 befinden sich bei einer kommerziellen Anlage nicht mehr als 7 m über der ruhigen Oberfläche (nicht gezeigt) des Schmelzbades.
Der Begriff "ruhige Oberfläche" steht für die Oberfläche des Schmelzbades, wenn in das Gefäß kein Gas und keine Feststoffe eingeblasen werden.
An das Gefäß sind auch vier Lanzen 27 zum Einblasen von Feststoffen angebracht (in der Figur sind nur zwei davon gezeigt), die sich durch die Seitenwände 14 nach unten und einwärts und in einem Winkel von 20 bis 70° zur Waagerechten in das Schmelzbad erstrecken, um Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad einzublasen, die Eisenerz, festes kohlehaltiges Material und Flußmittel sind, die einem Trägergas mit Sauerstoffmangel mitgerissen werden.
Die Lanzen 27 sind so angeordnet, daß sich die Auslaßenden 39 der Lanzen 27 im gleichem Abstand zueinander um die mittlere senkrechte Achse des Gefäßes befinden. Außerdem sind die Lanzen 27 so angeordnet, daß die Linien, die von den Auslaßenden 39 senkrecht gezogen werden, die Unterseite 12 des Herdes an den Stellen 71 in einem Kreis schneiden, der einen Durchmesser in der Größenordnung von 2/3 des Durchmessers des Herdes hat.
Es wird betont, daß die Anordnung der Lanzen 27 im Zusammenhang mit der Position der Sauerstofflanzen 26 und der Aufgabe ausgewählt wird, zumindest im wesentlichen um die Lanzen 26 und zwischen den Seitenwänden 14 des Gefäßes und den Lanzen 26 einen Vorhang 72 aus geschmolzenem Material zu bilden, und daß eine andere Anordnung der Lanzen 27 besser geeignet sein kann, um diese Aufgabe bei einer anderen Konfiguration von Gefäß/Lanze 26 zu lösen. Insbeson dere wird betont, daß die vorliegende Erfindung nicht auf Anordnungen beschränkt ist, bei denen die Lanzen 26 mittig angeordnet sind.
Bei Verwendung werden festes kohlehaltiges Material (typischerweise Kohle) und Flußmittel (typischerweise Kalk und Magnesiumoxid), die in einem Trägergas (typischerweise N₂) mitgerissen werden, durch die Lanzen 27 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 40 m/s, vorzugsweise 80 bis 100 m/s, in das Schmelzbad eingeblasen. Der Impuls des festen Materials/Trägergases befördert das feste Material und das Gas in Richtung der Unterseite 12 des Herdes in Bereiche (die eingekreisten Bereiche, die mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet sind), die um die Mittelachse des Gefäßes herum beabstandet sind. Diese Bereich werden in der folgenden Beschreibung als Bereiche 24 mit hoher Konzentration von eingeblasenen Feststoffen/eingeblasenem Gas bezeichnet. Die Kohle wird von flüchtigen Bestandteilen befreit und erzeugt dadurch Gas. Kohlenstoff löst sich teilweise im Metall und bleibt teilweise als fester Kohlenstoff zurück. Das Eisenerz wird zu Metall geschmolzen und die Schmelzreaktion erzeugt gasförmiges Kohlenmonoxid. Die Gase, die in das Schmelzbad transportiert werden und durch das Entfernen von flüchtigen Bestandteilen und das Schmelzen erzeugt werden, rufen eine signifikante Auftriebsbewegung von geschmolzenem Material (einschließlich Metall und Schlacke) und fester Kohle aus dem Schmelzbad hervor.
Diese Auftriebsbewegung von geschmolzenem Material und fester Kohle führt zu einer wesentlichen Bewegung im Schmelzbad, insbesondere unmittelbar über den Bereichen 24 und davon in einem Abstand nach außen, die eine hohe Konzentration von eingeblasenen Feststoffen/eingeblasenem Gas aufweisen, mit dem Ergebnis, daß eine erweiterte Schmelzbadzone 28 entsteht, die die mit dem Pfeil 30 bezeichnete Oberfläche hat. Insbesondere bildet die Oberfläche der erweiterten Schmelzbadzone 28 einen ringförmigen erhöhten Bereich 70 zwischen dem mittleren Bereich 91 und den Seitenwänden 14 des Gefäßes. Das Ausmaß der Bewegung ist derart, daß es eine wesentliche Bewegung von geschmolzenem Material innerhalb der erweiterten Schmelzbadzone 28 und ein starkes Vermischen des geschmolzenen Materials innerhalb dieser Zone bis zu einem Ausmaß gibt, daß eine vernünftige gleichmäßige Temperatur – typischerweise 1450 bis 1550°C bei einer Temperaturschwankung in der Größenordnung von 30° – innerhalb dieser Zone vorliegt.
Trotz des starken Vermischens von geschmolzenem Material in der erweiterten Schmelzbadzone 28 setzt sich geschmolzenes Eisen allmählich in Richtung des unteren Teils des Herdes ab und bildet eine metallreiche Zone 23 und wird über den Vorherd 19 kontinuierlich entfernt.
Die Grenzfläche zwischen der erweiterten Schmelzbadzone 28 und der metallreichen Zone 23 wird weitestgehend von den Bereichen 24 mit einer hohen Konzentration von eingeblasenen Feststoffen/eingeblasenem Gas bestimmt. Die wesentliche Aufwärtsbewegung von geschmolzenem Material aus diesen Bereichen wird durch die kontinuierliche Zuführung von weiteren Beschickungsmaterialien durch die Lanzen 27 und die Abwärtsbewegung des bereits geschmolzenen Materials ausgeglichen.
Außerdem schleudert der nach oben gerichtete Gasstrom aus den Bereichen 24 mit einer hohen Konzentration von eingeblasenen Feststoffen/eingeblasenem Gas etwas geschmolzenes Material (vorwiegend Schlacke) als Spritzer, Tropfen und Ströme über den erhöhten Bereich 70 der erweiterten Schmelzbadzone 28 hinaus und bildet den vorstehend beschriebenen Vorhang 72. Das geschmolzene Material im Vorhang 72 kommt mit dem oberen Gefäßabschnitt 51 der Seitenwände 14, der sich über der erweiterten Schmelzbadzone 28 befindet, und dem Gewölbe 17 in Kontakt.
Allgemein ausgedrückt ist die erweiterte Schmelzbadzone 28 ein durchgängiges Flüssigkeitsvolumen mit Gasblasen im Inneren.
Die vorstehend beschriebene Bewegung von geschmolzenem Material kann als Reihe von Fontänen erkannt werden, die den Bereichen mit einer hohen Konzentration von eingeblasenen Feststoffenleingeblasenem Gas entspringen, wodurch der erhöhte Bereich 70 der erweiterten Schmelzbadzone 28 und der Vorhang 72 aus geschmolzenem Material gebildet werden.
Zusätzlich dazu wird bei Verwendung durch die Lanzen 26 Heißluft mit einer Temperatur von 800 bis 1400°C mit einer Geschwindigkeit von mindestens 150 m/s in den mittleren Bereich 91 des Gefäßes eingeblasen. Die Heißluftstrahlen lenken nach oben geschleudertes geschmolzenes Material in diesem Bereich ab und bewirken, daß sich um das Ende der Lanze 26 ein im wesentlichen von Metall/Schlacke freier Raum 29 bildet. Die nach unten gerichteten Heißluftstrahlen tragen dazu bei, daß das geschmolzene Material zu dem vorstehend beschriebenen Vorhang 72 geformt wird.
Die durch die Lanzen 26 eingeblasene Heißluft verbrennt die Reaktionsgase CO und H₂ im freien Raum 29 um die Auslaßenden der Lanzen 26 und im umgebenden geschmolzenen Material nach und erzeugt hohe Temperaturen in der Größenordnung von 2000°C oder darüber. Die Wärme wird in dem Bereich, in den Gas eingeblasen wird, auf das geschmolzene Material übertragen, und die Wärme wird dann durch das geschmolzene Material teilweise auf die metallreiche Zone 23 übertragen.
Der freie Raum 29 ist wichtig, um hohe Nachverbrennungswerte zu erreichen, da er es ermöglicht, daß Gas im Raum über der erweiterten Schmelzbadzone 28 in den freien Raum 29 um die Auslaßenden 39 der Lanzen 26 strömt, und durch diesen Gasstrom werden die verfügbaren Reaktionsgase stärker einer Nachverbrennung ausgesetzt.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung und die vorstehend beschriebenen Verfahrensbedingungen ermöglichen es, das Mitreißen eines Gasvolumens des oberen Raums in die eingeblasene Heißluft zu erzielen, das das 2- bis 6-Fache des Volumens der Heißluft beträgt. Der Anmelder hat festgestellt, daß es dieser Bereich der Mitreißverhältnisse ermöglicht, eine gute Nachverbrennung und Wärmeübertragung auf das Schmelzbad ohne inakzeptable Werte für die erneute Oxidation des geschmolzenen Metalls zu erreichen.
Der Vorhang 72 ist ebenfalls bei der Schaffung einer partiellen Sperre gegenüber der Strahlungsenergie vom Nachverbrennungsstrahl auf die Seitenwände 14 wichtig.
Die aufsteigenden und absinkenden Tropfen, Spritzer und Ströme von geschmolzenem Material innerhalb des Vorhangs 72 stellen ferner eine wirksame Maßnahme für die Übertragung der durch die Nachverbrennung erzeugten Wärme auf das Schmelzbad dar.

Claims

Direktschmelzverfahren zur Herstellung von Eisen und/oder Eisenlegierungen, das in kommerziellem Umfang in einem metallurgischen Gefäß durchgeführt wird, das einen Herd, Seitenwände und ein Gewölbe und eine Mindestbreite der Innenseite des Herdes von mindestens 4 m aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte einschließt: (a) Erzeugen eines Schmelzbades, das geschmolzenes Metall und geschmolzene Schlacke enthält; (b) Einführen von Beschickungsmaterialien, die eisenhaltiges Material, kohlehaltiges Material und Flußmittel sind, in das Gefäß, durch Einblasen der Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad durch drei oder mehr sich nach unten erstreckende Lanzen zum Einblasen von Feststoffen und somit Erzeugen eines Gasstroms von mindestens 0,35 Nm³/s/m² im Schmelzbad (wobei m² für die Fläche des waagerechten Querschnitts durch den Herd an seiner Mindestbreite steht), was zur Bildung einer erweiterten Schmelzbadzone und dazu führt, daß Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials aus der erweiterten Schmelzbadzone nach oben geschleudert werden; (c) Schmelzen von eisenhaltigem Beschickungsmaterial im Schmelzbad zu geschmolzenem Metall und Erzeugen von Gasen im Bad; (d) Einblasen von Strahlen von sauerstoffhaltigem Gas, das Luft oder Luft mit bis zu 50 % Sauerstoff ist, mit einer Geschwindigkeit von mindestens 150 m/s durch drei oder mehr Lanzen, die Auslaßenden mit einem Innendurchmesser von 0,8 m oder weniger aufweisen, in den Raum über der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades (den "oberen Raum") und Verbrennen der im Verfahren erzeugten Gase; und (e) Erzeugen einer Aufwärtsbewegung von geschmolzenem Material aus dem Schmelzbad in den oberen Raum, wodurch die Wärmeübertragung auf das Bad erleichtert und der Wärmeverlust aus dem Gefäß minimiert wird; und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Volumen des Gases des oberen Raums in die Strahlen des sauerstoffhaltigen Gases mitgerissen wird, die in das Gefäß eingeblasen werden, das das 2- bis 6-Fache des Volumen des eingeblasenen Gases beträgt, und daß Wärme von der Nachverbrennung der im Bad erzeugten Gase im oberen Raum in dem Bereich auf das geschmolzene Material übertragen wird, in dem das Gas eingeblasen wird, und die Lanzen zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas so angeordnet werden, daß sich die Auslaßenden der Lanze nicht mehr als 7 m über der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades befinden und daß die Anordnung der Lanzen und die Länge, mit der sie in das Gefäß ragen, so ausgewählt sind, daß verhindert wird, daß die durch die Nachverbrennung erzeugte Flamme eine Bahn entlang der Seitenwände oder des Gewölbes des Gefäßes zieht.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas durch die Lanzen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 200 m/s einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Vorwärmen des sauerstoffhaltigen Gases auf eine Temperatur von 800 bis 1400°C einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in das Gefäß in einer Wirbelbewegung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Einblasen von mindestens 80 Gew.-% des Gesamtgewichts des festen Materials, das für die Durchführung des Verfahrens erforderlich ist, durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, das das Einblasen von Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad mit einer Geschwindigkeit von mindestens 40 m/s durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, das das Einblasen von Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 80 bis 100 m/s durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einblasen von Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen bei einem Massedurchsatz von bis zu 2,0 t·m²/s einschließt, wobei m² für die Querschnittsfläche des Lanzenzuführungsrohrs steht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einblasen von Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad durch die Lanzen zum Einblasen von Feststoffen bei einem Verhältnis von Feststoffen/Gas von 10 bis 18 kg/Nm³ einschließt.