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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.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einem Metallschmelzebad
basierendes Direktschmelzverfahren zur Herstellung von geschmolzenem
Eisen und/oder Eisenlegierungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung konzentriert sich auf die Nachverbrennung
von Reaktionsgasen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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;
wobei
das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Volumen des Gases des
oberen Raums in die Strahlen des sauerstoffhaltigen Gases, die in
das Gefäß eingeblasen
werden, mitgerissen wird, das das 2- bis 6-Fache des Volumens des
eingeblasenen Gases beträgt.
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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.
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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.
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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.
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Die
Geschwindigkeit beträgt
vorzugsweise mindestens 200 m/s.
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Die
Auslaßenden
der Lanzen zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas befinden sich
vorzugsweise nicht mehr als 7 m über
der ruhigen Oberfläche des
Schmelzbades.
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Das
Verfahren schließt
vorzugsweise das Vorwärmen
des sauerstoffhaltigen Gases auf eine Temperatur von 800 bis 1400°C ein.
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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.
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Das
Verfahren schließt
vorzugsweise das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in einer Wirbelbewegung
in das Gefäß ein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Verfahren schließt
vorzugsweise den periodischen oder kontinuierlichen Abstich der
geschmolzenen Schlacke aus dem Gefäß ein.
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Das
Verfahren schließt
vorzugsweise auch den periodischen oder kontinuierlichen Abstich
von geschmolzenem Eisen und/oder geschmolzenen Eisenlegierungen
aus dem Gefäß ein.
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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.
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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.
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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.
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Die
Geschwindigkeit liegt vorzugsweise im Bereich von 80 bis 100 m/s.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Der
im Schmelzbad erzeugte Gasstrom beträgt vorzugsweise mindestens
0,5 Nm3/s/m2.
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Die
im Schmelzbad erzeugte Strömungsrate des
Gases beträgt
vorzugsweise weniger als 2 Nm3/s/m2.
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Der
im Schmelzbad erzeugte Gasstrom kann teilweise als Ergebnis des
Einblasens von Gas von unten und/oder über die Seitenwand in das Schmelzbad
entstehen.
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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.
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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.
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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).
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Das
Einblasen von eisenhaltigem Material und kohlehaltigem Material
kann durch die gleiche Lanze oder getrennte Lanzen erfolgen.
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Der
Nachverbrennungswert beträgt
vorzugsweise mindestens 40 %, wobei die Nachverbrennung wie folgt
definiert wird:
worin:
[CO
2]
= Vol.-% von CO
2 im Abgas,
[H
2O] = Vol.-% von H
2O
im Abgas,
[CO] = Vol.-% von CO im Abgas und
[H
2] = Vol.-% von H
2 im
Abgas.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Geschwindigkeit beträgt
vorzugsweise mindestens 200 m/s.
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Jede
Lanze zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas schließt vorzugsweise
eine Einrichtung ein, um das Gas zu verwirbeln.
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Der
Bereich, in den sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen wird, ist vorzugsweise
der mittlere Bereich des Gefäßes.
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Die
Auslaßenden
der Lanzen zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas befinden sich
vorzugsweise nicht mehr als 7 m über
der ruhigen Oberfläche des
Schmelzbades.
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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.
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Die
Einrichtung zum Zuführen
von Beschickungsmaterialien schließt vorzugsweise mindestens
drei Lanzen zum Einblasen von Feststoffen ein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
Verwendung enthält
das Gefäß ein Schmelzbad
aus Eisen und Schlacke.
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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.
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Der
Begriff "ruhige
Oberfläche" steht für die Oberfläche des
Schmelzbades, wenn in das Gefäß kein Gas
und keine Feststoffe eingeblasen werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Allgemein
ausgedrückt
ist die erweiterte Schmelzbadzone 28 ein durchgängiges Flüssigkeitsvolumen
mit Gasblasen im Inneren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Vorhang 72 ist ebenfalls bei der Schaffung einer partiellen
Sperre gegenüber
der Strahlungsenergie vom Nachverbrennungsstrahl auf die Seitenwände 14 wichtig.
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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.