DE60128671T2

DE60128671T2 - Verfahren zur direkterschmelzung und entsprechende vorrichtung

Info

Publication number: DE60128671T2
Application number: DE60128671T
Authority: DE
Inventors: Rodney James City Beach Dry; Peter Damian Winthrop Burke
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: CZ302976B6; KR100764042B1; AU2001248156B2; US20040031355A1; CZ20023440A3; WO2001081637A1; CA2405966A1; MXPA02010219A; RU2258744C2; ZA200208389B; JP5112593B2; DE60128671D1; BR0110108B1; ES2286113T3; BR0110108A; AU4815601A; KR20020091214A; EP1276912B1; TW528805B; JP2003531294A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Metall (wobei dieser Begriff Metallegierungen einschließt), insbesondere jedoch nicht ausschließlich von Eisen aus einem eisenhaltigen Material, wie Erzen, teilweise reduzierten Erzen und metallhaltigen Abfallströmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einem Metallschmelzebad basierendes Direktschmelzverfahren zur Herstellung von geschmolzenem Metall aus einem eisenhaltigen Material.
Ein bekanntes, auf einem Schmelzbad basierendes Direktschmelzverfahren für die Herstellung von geschmolzenem eisenhaltigem Metall ist der DIOS-Prozeß. Der DIOS-Prozeß schließt eine Vorreduktionsstufe und eine Schmelzreduktionsstufe ein. Beim DIOS-Prozeß wird Erz (–8 mm) in Wirbelbetten vorgewärmt (750°C) und vorreduziert (10 bis 30 %), wobei Abgas aus einem Schmelzreduktionsgefäß ver wendet wird, das ein Schmelzbad von Metall und Schlacke enthält, wobei die Schlacke auf dem Metall eine tiefe Schicht bildet. Die feinen (–3 mm) und groben (–8mm) Komponenten des Erzes werden in der Vorreduktionsstufe des Verfahrens getrennt. Kohle und vorgewärmtes und vorreduziertes Erz werden (über zwei Beschickungsleitungen) kontinuierlich von der Oberseite des Ofens in den Schmelzreduktionsofen eingeführt. Das Erz löst sich und bildet in der tiefen Schlackeschicht FeO, und die Kohle zersetzt sich in der Schlackeschicht in verkohltes Material und flüchtiges Material. Sauerstoff wird durch eine speziell gestaltete Lanze geblasen, womit die sekundäre Verbrennung in der aufgeschäumten Schlacke verbessert wird. Sauerstoffstrahlen verbrennen Kohlenmonoxid, das bei den Schmelzreduktionsreaktionen gebildet worden ist, wodurch Wärme erzeugt wird, die auf die geschmolzene Schlacke übertragen wird. Das Feo wird an den Grenzflächen von Schlacke/Metall und Schlacke/verkohltem Material reduziert. Eine Bewegung hervorrufendes Gas, das vom Boden des Schmelzreduktionsgefäßes in das heiße Schmelzbad eingeführt wird, verbessert den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung und vergrößert die Grenzfläche von Schlacke/Metall für die Reduktion. Schlacke und Metall werden periodisch abgestochen.
Ein weiteres bekanntes Direktschmelzverfahren für die Herstellung von geschmolzenem eisenhaltigem Metall ist der AISI-Prozeß. Der AISI-Prozeß schließt ebenfalls eine Vorreduktionsstufe und eine Schmelzreduktionsstufe ein. Beim AISI-Prozeß werden vorgewärmte und teilweise reduzierte Eisenerzpellets, Kohle oder Koksgrus und Flußmittel von oben in einen unter Druck stehenden Schmelzreaktor gegeben, der ein Schmelzbad von Metall und Schlacke enthält. In der Schlackeschicht wird die Kohle von flüchtigen Bestandteilen befreit, und die Eisenerzpellets lösen sich in der Schlacke und werden dann von der Kohle (verkohltem 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 von oben durch eine mittlere, wassergekühlte Lanze eingeblasen, und Stickstoff wird durch Düsen am Boden des Reaktors eingeblasen, wodurch eine ausreichende Bewegung gesichert ist, so daß die Übertragung der Wärmeenergie der Nachverbrennung auf das Bad erleichtert wird. Das Abgas des Verfahrens wird in einem Heißzyklon vom Staub befreit, bevor es einem Ofen vom Schachttyp für das Vorwärmen und Vorreduzieren der Pellets zu FeO oder Wüstit zugeführt wird.
Ein anderes bekanntes Direktschmelzverfahren, das auf einer Metallschmelzeschicht als Reaktionsmedium beruht und allgemein als HIsmelt-Prozeß bezeichnet wird, ist in der Internationalen Anmeldung PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) im Namen dieses Anmelders beschrieben.
Der in dieser Internationalen Anmeldung beschriebene HIsmelt-Prozeß weist folgendes auf:

(a) das Erzeugen eines Bades aus geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke in einem Gefäß;
(b) in das Bad werden eingeblasen: (i) ein metallhaltiges Beschickungsmaterial, typischerweise Metalloxide; und (ii) ein festes kohlehaltiges Material, typischerweise Kohle, das als Reduktionsmittel der Metalloxide und Energiequelle wirkt; und
(c) Schmelzen des metallhaltigen Beschickungsmaterials in der Metallschicht zu Metall.

Der HIsmelt-Prozeß weist auch das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in einen Raum über dem Bad und die Nachverbrennung von Reaktionsgasen, wie CO und H₂, die aus dem Bad freigesetzt wurden, und die Übertragung der erzeugten Wärme auf das Bad auf, so daß zu der Wärmeenergie beigetragen wird, die für das Schmelzen der metallhaltigen Beschickungsmaterialien erforderlich ist.
Der HIsmelt-Prozeß umfaßt auch die Bildung einer Übergangszone in dem Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Bades, in der es eine vorteilhafte Masse aus aufsteigenden und danach absinkenden Tropfen oder Spritzern oder Strömen von geschmolzenen Material gibt, wodurch ein wirksames Medium bereitgestellt wird, um die durch die Nachverbrennung der Reaktionsgase über dem Bad erzeugte Wärmeenergie auf das Bad zu übertragen.
Der HIsmelt-Prozeß, wie er in dieser Internationalen Anmeldung beschrieben ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone erzeugt wird, indem ein Trägergas, metallhaltiges Beschickungsmaterial und festes kohlehaltiges Material durch einen Bereich der Seitenwand des Gefäßes, der mit dem Bad in Kontakt steht, und/oder von oberhalb des Bades in das Bad eingeblasen werden, so daß das Trägergas und das feste Material in das Bad eindringen und dazu führen, daß geschmolzenes Material in den Raum über der Oberfläche des Bades geschleudert wird.
Der HIsmelt-Prozeß, wie er in dieser Internationalen Anmeldung beschrieben ist, stellt gegenüber früheren Formen des HIsmelt-Prozesses eine Verbesserung dar, die die Übergangszone durch Einblasen von Gas und/oder kohlehaltigem Material von unten in das Bad erzeugen, wodurch bewirkt wird, das Tropfen und Spritzer und Ströme von geschmolzenem Material aus dem Bad herausgeschleudert werden.
Der Anmelder hat extensive Untersuchungen und Arbeiten mit einer Pilotanlage bezüglich Direktschmelzverfahren durchgeführt und im Zusammenhang mit diesem Verfahren eine Reihe von signifikanten Erkenntnissen gewonnen.
Allgemein ausgedrückt gibt die vorliegende Erfindung ein Direktschmelzverfahren zur Herstellung von Metallen (wobei dieser Begriff Metallegierungen einschließt) aus einem eisenhaltigen Material an, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Erzeugen eines Bades aus geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke in einem metallurgischen Gefäß;
(b) Einblasen von Beschickungsmaterialien, die ein festes Material sind, und Trägergas in das Schmelzbad mit einer Geschwindigkeit von mindestens 40 m/s durch eine sich nach unten erstreckende Lanze zum Einblasen von Feststoffen, die ein Beschickungsrohr mit einem Innendurchmesser von 40 bis 200 mm aufweist, das so angeordnet ist, daß die Mittelachse des Auslaßendes der Lanze einen Winkel von 20 bis 90° zur waagerechten Achse hat, und Erzeugen einer Oberflächenströmung des Gases von mindestens 0,04 Nm³/s/m² im Schmelzbad (wobei m² die Fläche des waagerechten Querschnitts des Schmelzbades betrifft) zumindest teilweise durch Reaktionen des in das Bad eingeblasenen Materials, was dazu führt, daß geschmolzenes Material als Spritzer, Tropfen und Ströme nach oben geschleudert wird und eine erweiterte Schmelzbadzone bildet, wobei der Gasstrom und das nach oben geschleuderte geschmolzene Material zu einer wesentlichen Bewegung des Materials im Inneren des Schmelzbades und einer starken Vermischung des Schmelzbades führen, wobei die Beschickungsmaterialien so ausgewählt werden, daß die Reaktionen der Beschickungsmaterialien im Schmelzbad im umfassenden Sinne endotherm sind; und
(c) Einblasen eines sauerstoffhaltigen Gases in einen oberen Bereich des Gefäßes durch zumindest eine Lanze zum Einblasen Sauerstoffgas und Nachverbrennen der brennbaren Gase, die aus dem Schmelzbad freigesetzt wurden, wobei das aufsteigende und danach absinkende geschmolzene Material in der erweiterten Schmelzbadzone die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtert.

Die erweiterte Schmelzbadzone ist durch einen hohen, auf das Volumen bezogenen Anteil von Gashohlräumen innerhalb des geschmolzenen Materials gekennzeichnet.
Der Volumenanteil der Gashohlräume beträgt vorzugsweise mindestens 30 Vol.-% der erweiterten Schmelzbadzone.
Die Spritzer, Tropfen und Ströme von geschmolzenem Material werden durch den vorstehend beschriebenen Gasstrom innerhalb des Schmelzbades erzeugt. Obwohl der Anmelder nicht auf die folgenden Bemerkungen beschränkt sein möchte, nimmt er an, daß die Spritzer, Tropfen und Ströme durch den verwirbelnd-turbulenten Bereich bei geringeren Strömungsraten des Gases und durch einen Fontänenbereich bei höheren Strömungsraten des Gases erzeugt werden.
Der Gasstrom und das nach oben geschleuderte geschmolzene Material führen vorzugsweise zu einer wesentlichen Bewegung des Materials in das und aus dem Schmelzbad.
Das feste Material schließt vorzugsweise eisenhaltiges Material und/oder kohlehaltiges Material ein.
Die vorstehend beschriebene erweiterte Schmelzbadzone unterscheidet sich deutlich von der Schicht aus aufschäumender Schlacke, die im vorstehend beschriebenen AISI-Prozeß erzeugt wird.
Der Schritt (b) schließt vorzugsweise das Einblasen von Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad ein, so daß die Beschickungsmaterialien in einen unteren Bereich des Schmelzbades eindringen.
Die erweiterte Schmelzbadzone bildet sich vorzugsweise auf dem unteren Bereich des Schmelzbades.
Der Schritt (b) schließt vorzugsweise das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch die Lanze mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 80 bis 100 m/s in das Schmelzbad ein.
Der Schritt (b) schließt vorzugsweise das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch die Lanze bei einem Massedurchsatz von bis zu 2,0 t/m²/s in das Schmelzbad ein, wobei m² für die Querschnittsfläche des Beschickungsrohrs der Lanze steht.
Der Schritt (b) schließt vorzugsweise das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch die Lanze bei einem Verhältnis von Feststoffen/Gas von 10 bis 25 kg Feststoffe/Nm³ Gas in das Schmelzbad ein.
Stärker bevorzugt beträgt das Verhältnis zwischen Feststoffen und Gas 10 bis 18 kg Feststoffe/Nm³ Gas.
Der im Schritt (b) im Inneren des Schmelzbades erzeugte Gasstrom beträgt vorzugsweise mindestens 0,04 Nm³/s/m² an der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades.
Stärker bevorzugt hat der Gasstrom im Inneren des Schmelzbades eine Strömungsrate von mindestens 0,2 Nm³/s/m².
Stärker bevorzugt beträgt die Strömungsrate des Gases mindestens 0,3 Nm³/s/m².
Vorzugsweise beträgt die Strömungsrate des Gases weniger als 2 Nm³/s/m².
Der Gasstrom im Inneren des Schmelzbades kann teilweise als Folge davon erzeugt werden, daß ein Gas von unten und/oder über die Seitenwand in das Schmelzbad, vorzugsweise den unteren Bereich des Schmelzbades eingeblasen wird.
Das sauerstoffhaltige Gas ist vorzugsweise Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft.
Das Verfahren schließt vorzugsweise folgendes ein: das Einblasen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft mit einer Temperatur von 800 bis 1400°C und einer Geschwindigkeit von 200 bis 600 m/s durch zumindest eine Lanze zum Einblasen von Sauerstoffgas in das Gefäß und das Wegdrängen der erweiterten Schmelzbadzone im Bereich des unteren Endes der Lanze von der Lanze und das Erzeugen eines "freien" Raums um das untere Ende der Lanze, der eine Konzentration des geschmolzenen Materials aufweist, die geringer als die Konzentration des geschmolzenen Materials in der erweiterten Schmelzbadzone ist; wobei die Lanze so angeordnet ist, daß: (i) die Mittelachse der Lanze einen Winkel von 20 bis 90° zur waagerechten Achse hat; (ii) sich die Lanze über eine Distanz in das Gefäß erstreckt, die zumindest der Außendurchmesser des unteren Endes der Lanze ist; und (iii) das untere Ende der Lanze zumindest mit dem 3-Fachen des Außendurchmessers des unteren Ende der Lanze über der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades ist.
Die Konzentration des geschmolzenen Materials im freien Raum um das untere Ende der Lanze beträgt vorzugsweise 5 % oder weniger, und zwar auf das Volumen des Raums bezogen.
Der freie Raum um das untere Ende der Lanze ist vorzugsweise ein halbkugelförmiges Volumen, das einen Durchmesser aufweist, der mindestens das 2-Fache des Außendurchmessers des unteren Endes der Lanze beträgt.
Der freie Raum um das untere Ende der Lanze beträgt vorzugsweise nicht mehr als das 4-Fache des Außendurchmessers des unteren Endes der Lanze.
Vorzugsweise werden mindestens 50 Vol.-%, stärker bevorzugt mindestens 60 Vol.-% des Sauerstoffs in der Luft oder in der mit Sauer stoff angereicherten Luft im freien Raum um das untere Ende der Lanze verbrannt.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Einblasen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in einer Wirbelbewegung in das Gefäß ein.
Der Begriff "Schmelzen" soll hier für eine thermische Verarbeitung stehen, bei der chemische Reaktionen stattfinden, die das eisenhaltige Beschickungsmaterial reduzieren, so daß flüssiges Metall erzeugt wird.
Der Begriff "ruhige Oberfläche" steht im Zusammenhang mit dem Schmelzbad für die Oberfläche des Schmelzbades bei Verfahrensbedingungen, bei denen kein Gas/keine Feststoffe eingeblasen werden und das Bad folglich nicht bewegt wird.
Das Verfahren schließt vorzugsweise die Beibehaltung eines hohen Schlackebestandes im Gefäß im Verhältnis zum geschmolzenen eisenhaltigen Metall im Gefäß ein.
Die Schlackemenge im Gefäß, d.h. der Schlackebestand, hat einen direkten Einfluß auf die Schlackemenge, die in der erweiterten Schmelzbadzone vorliegt.
Die relativ schlechten Wärmeübertragungseigenschaften der Schlacke im Vergleich mit dem Metall sind im Zusammenhang mit der Minimierung des Wärmeverlustes aus der erweiterten Schmelzbadzone auf die wassergekühlten Seitenwände und über die Seitenwände des Gefäßes aus dem Gefäß wichtig.
Durch geeignete Steuerung des Verfahrens kann die Schlacke in der erweiterten Schmelzbadzone eine Schicht oder Schichten auf den Seitenwänden bilden, die zum Widerstand gegenüber einem Wärmeverlust von den Seitenwänden beitragen.
Durch eine Änderung des Schlackebestandes ist es folglich möglich, die Schlackemenge in der erweiterten Schmelzbadzone und auf den Seitenwänden zu erhöhen oder zu verringern und folglich den Wärmeverlust über die Seitenwände des Gefäßes zu steuern.
Die Schlacke kann eine "feuchte" Schicht oder eine "trockene" Schicht auf den Seitenwänden bilden. Die "feuchte" Schicht umfaßt eine erstarrte Schicht, die an den Seitenwänden klebt, eine halbfeste (breiige) Schicht und einen äußeren flüssigen Film. Eine "trockene" Schicht ist eine, bei der im wesentlichen die gesamte Schlacke erstarrt ist.
Die Schlackemenge im Gefäß bietet auch die Möglichkeit, das Ausmaß der Nachverbrennung zu steuern.
Wenn der Schlackebestand insbesondere zu gering ist, liegt mehr freiliegendes Metall in der erweiterten Schmelzbadzone vor und somit gibt es eine stärkere Oxidation des Metalls und mehr gelösten Kohlenstoff im Metall und die Möglichkeit einer geringeren Nachverbrennung und folglich eine geringere Nachverbrennung – trotz des positiven Effektes, den das Metall in der erweiterten Schmelzbadzone auf die Wärmeübertragung auf die Metallschicht hat.
Wenn der Schlackebestand zu groß ist, werden zudem die eine oder mehr als eine Lanze/Düse zum Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in der erweiterten Schmelzbadzone versenkt, und das minimiert die Bewegung der Reaktionsgase des oberen Raums zum Ende der oder jeder Lanze/Düse, und als Folge nimmt die Möglichkeit der Nachverbrennung ab.
Die Schlackemenge im Gefäß, d.h. der Schlackebestand, kann durch die Abstichmengen von Metall und Schlacke gesteuert werden.
Die Schlackeerzeugung im Gefäß kann gesteuert werden, indem die Beschickungsraten des metallhaltigen Beschickungsmaterials, des kohlehaltigen Materials und der Flußmittel in das Gefäß und die Betriebsparameter, wie die Einblasraten des sauerstoffhaltigen Gases, geändert werden.
Das Verfahren schließt vorzugsweise eine Steuerung 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 FeO-Mengen von weniger als 6 Gew.-%, stärker bevorzugt weniger als 5 Gew.-% in der Schlacke führt.
Vorzugsweise wird das eisenhaltige Material zumindest vorwiegend im unteren Bereich des Schmelzbades zu Metall geschmolzen. Dieser Bereich des Gefäßes ist unveränderlich der, wo die höchste Metallkonzentration vorliegt.
In der Praxis gibt es einen Anteil des eisenhaltigen Materials, der in anderen Bereichen des Gefäßes zu Metall geschmolzen wird. Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens und ein wichtiger Unterschied zwischen diesem Verfahren und herkömmlichen Verfahren bestehen jedoch darin, daß das Schmelzen von eisenhaltigem Material im unteren Bereich des Schmelzbades auf einen Höchstwert gebracht wird.
Der Schritt (b) des Verfahrens kann das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch eine Vielzahl von Lanzen zum Einblasen von Feststoffen und das Erzeugen eines Gasstroms von mindestens 0/04 Nm³/s/m² innerhalb des Schmelzbades einschließen.
Das Einblasen von eisenhaltigem Material und kohlehaltigem Material kann durch die gleiche Lanze oder getrennte Lanzen erfolgen.
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise bewirkt, daß geschmolzenes Material über die erweiterte Schmelzbadzone hinausgeschleudert wird.
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 erweiterte Schmelzbadzone ist aus zwei Gründen wichtig.
Erstens stellt das aufsteigende und danach absinkende geschmolzene Material ein wirksames Mittel dar, um die durch die Nachverbrennung der Reaktionsgase erzeugte Wärme auf das Schmelzbad zu übertragen.
Zweitens stellt das geschmolzene Material und insbesondere die Schlacke in der erweiterten Schmelzbadzone eine wirksame Maßnahme dar, um den Wärmeverlust über die Seitenwände des Gefäßes zu minimieren.
Ein wichtiger Unterschied zwischen der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und herkömmlichen Verfahren besteht darin, daß bei der bevorzugten Ausführungsform der hauptsächliche Schmelzbereich der untere Bereich des Schmelzbades ist und sich der hauptsächliche Bereich der Oxidation (d.h. der der Wärmeerzeugung) oberhalb und in einem oberen Bereich der erweiterten Schmelzbadzone befindet und diese Bereiche räumlich gut getrennt sind und die Wärmeübertragung über die körperliche Bewegung von geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke zwischen diesen beiden Bereichen erfolgt.
Die Lanze zum Einblasen von Beschickungsmaterial ist vorzugsweise so angeordnet, daß sich das Auslaßende der Lanze 150 bis 1500 mm über der nominell ruhigen Oberfläche der Metallschicht des Schmelzbades befindet.
Die Lanze zum Einblasen von Beschickungsmaterialien schließt vorzugsweise folgendes ein: ein mittleres Kernrohr, durch das das feste partikelförmige Material strömen soll; einen ringförmigen Kühlmantel, der das mittlere Kernrohr über einen wesentlichen Teil seiner Länge umgibt, wobei der Mantel einen inneren länglichen ringförmigen Strömungsweg für Wasser, der sich um das Kernrohr herum befindet, einen äußeren länglichen ringförmigen Strömungsweg für Wasser, der sich um den inneren Strömungsweg für Wasser herum befindet, und einen ringförmigen Endströmungsweg definiert, der den inneren und den äußeren Strömungsweg für Wasser am vorderen Ende des Kühlmantels miteinander verbindet; Wassereinlaßeinrichtungen für den Einlaß von Wasser in den inneren ringförmigen Strömungsweg für Wasser des Mantels am hinteren Endbereich des Mantels; eine Wasserauslaßeinrichtung für den Auslaß von Wasser aus dem äußeren ringförmigen Strömungsweg für Wasser am hinteren Endbereich des Mantels, wodurch für den Strom des Kühlwassers in Vorwärtsrichtung entlang des inneren länglichen ringförmigen Strömungsweges zum vorderen Ende des Mantels, danach durch die Einrichtung in Form des Endströmungswegs und zurück durch den äußeren länglichen ringförmigen Strömungsweg für Wasser gesorgt wird, wobei sich der ringför mige Endströmungsweg gleichmäßig nach außen und zurück vom inneren länglichen ringförmigen Strömungsweg zum äußeren länglichen ringförmigen Strömungsweg krümmt und die effektive Querschnittsfläche für den Wasserstrom durch den Endströmungsweg kleiner als die Strömungsquerschnittsflächen von sowohl dem inneren als auch dem äußeren länglichen ringförmigen Strömungsweg für das Wasser ist.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen als Beispiel weiter beschrieben, welche zeigen:
1 einen senkrechten Querschnitt, der eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt;
2A und 2B sind an der Linie A-A verbunden, so daß ein Längsschnitt durch eine der in 1 gezeigten Lanzen zum Einblasen von Feststoffen entsteht;
3 einen vergrößerten Längsschnitt durch das hintere Ende der Lanze;
4 einen vergrößerten Querschnitt durch das vordere Ende der Lanze; und
5 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in 4.
Die folgende Beschreibung steht im Zusammenhang mit dem Schmelzen von Eisenerz, so daß geschmolzenes Eisen erzeugt wird, und es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Anwendungszweck begrenzt ist und bei irgendwelchen geeigneten -eisenhaltigen Erzen und/oder Konzentraten angewendet werden kann einschließlich teilweise reduzierten Metallerzen und Rücklaufmaterialien aus Abfällen.
Die in 1 gezeigte Direktschmelzvorrichtung schließt ein metallurgisches Gefäß ein, das allgemein mit 11 bezeichnet ist. Das Gefäß 11 weist folgendes auf: einen Herd, der eine Basis 12 und Seiten 13 aus feuerfesten Ziegeln aufweist; 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 aus wassergekühlten Platten (nicht gezeigt) und einen unteren Gefäßabschnitt aus wassergekühlten Platten (nicht gezeigt) aufweist, der eine Innenauskleidung aus feuerfesten Ziegeln aufweist; ein Gewölbe 17; einen Auslaß 18 für Abgase; einen Vorherd 19 für die kontinuierliche Abgabe von geschmolzenem Metall; und ein Abstichloch 21 für die Abgabe von geschmolzener Schlacke.
Bei Verwendung unter ruhigen Bedingungen enthält das Gefäß ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke, das eine Schicht 22 aus geschmolzenem Metall und eine Schicht 23 aus geschmolzener Schlacke auf der Metallschicht 22 aufweist.
Der Begriff "Metallschicht" soll hier für den Bereich des Bades stehen, der vorwiegend Metall ist.
Der Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades wird hier nachfolgend als "oberer Raum" bezeichnet.
Der Pfeil mit der Bezugsziffer 24 kennzeichnet die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Metallschicht 22, und der Pfeil mit der Bezugsziffer 25 gibt die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Schlackeschicht 23 (d.h. des Schmelzbades) an.
Der Begriff "ruhige Oberfläche" steht für die Oberfläche, wenn in das Gefäß weder Gas noch Feststoffe eingeblasen werden.
An das Gefäß ist eine sich nach unten erstreckende Lanze 26 zum Einblasen von Heißluft angebracht, um Heißwind in einen oberen Bereich des Gefäßes einzuführen und aus dem Schmelzbad freigesetzte Reaktionsgase nachzuverbrennen. Die Lanze 26 weist am unteren Ende der Lanze einen Außendurchmesser D auf. Die Lanze 26 ist so angeordnet, daß:

(i) die Mittelachse der Lanze 26 einen Winkel von 20 bis 90° zur waagerechten Achse hat (die Lanze 26 ist in 1 in einem Winkel von 90° dargestellt);
(ii) sich die Lanze 26 über eine Distanz in das Gefäß erstreckt, die zumindest der Außendurchmesser D des unteren Endes der Lanze ist; und
(iii) sich das untere Ende der Lanze 26 zumindest mit dem 3-Fachen Außendurchmesser D des unteren Endes der Lanze über der ruhigen Oberfläche 25 des Schmelzbades befindet.

An das Gefäß sind auch Lanzen 27 zum Einblasen von Feststoffen angebracht (zwei sind dargestellt), die sich nach unten und einwärts durch die Seitenwände 14 und mit den Auslaßenden 82 der Lanzen 27 in einem Winkel von 20 bis 70° zur Waagerechten in das Schmelzbad erstrecken, um Eisenerz, festes kohlehaltiges Material und Flußmittel, die in einem Trägergas mit Sauerstoffmangel mitgerissen werden, in das Schmelzbad einzublasen. Die Position der Lanzen 27 wird so gewählt, daß sich deren Auslaßenden 82 über der ruhigen Oberfläche 24 der Metallschicht 22 befinden. Diese Position der Lanzen 27 vermindert die Gefahr der Beschädigung durch den Kontakt mit der Metallschmelze und ermöglicht es auch, die Lanzen 27 durch interne Küh lung mit Wasser zwangszukühlen, ohne daß die signifikante Gefahr besteht, daß Wasser mit der Metallschmelze im Gefäß in Kontakt kommt. Insbesondere wird die Position der Lanzen 27 so gewählt, daß sich die Auslaßenden 82 in einem Bereich von 150 bis 1500 mm über der ruhigen Oberfläche 24 der Metallschicht 22 befinden. In diesem Zusammenhang wird betont, daß die Auslaßenden der Lanzen 27 mit der Seitenwand 24 bündig sein können, obwohl die Lanzen 27 in 1 so dargestellt sind, daß sie sich in das Gefäß erstrecken. Die Lanzen 27 sind unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 ausführlicher beschrieben.
Bei Verwendung werden Eisenerz, 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 von festem Material/Trägergas bewirkt, daß festes Material und Gas in einen unteren Bereich des Schmelzbades eindringen. Die Kohle wird von flüchtigen Bestandteilen befreit, und dadurch wird im unteren Bereich des Bades ein Gas erzeugt. Der 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 den unteren Bereich des Bades transportiert worden sind und die durch Entfernen der flüchtigen Bestandteile und das Schmelzen erzeugt worden sind, rufen eine deutliche Auftriebsbewegung von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke (die als Folge des Einblasens von Feststoff/Gas in den unteren Bereich des Bades gezogen worden ist) aus dem unteren Bereich des Bades hervor, wodurch es zu einer Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke kommt, und diese Spritzer und Tropfen und Ströme reißen Schlacke mit sich, wenn sie sich durch den oberen Bereich des Schmelzbades bewegen. Der durch das vor stehend beschriebene Einblasen von Trägergas und die Reaktionen im Bad erzeugte Gasstrom beträgt mindestens 0,04 Nm³/s/m² der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades (d.h. der Oberfläche 25).
Die Auftriebsbewegung von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke führt zu einer wesentlichen Bewegung im Schmelzbad, als Folge wird das Volumen des Schmelzbades größer und es entsteht eine erweiterte Schmelzbadzone 28, die die Oberfläche aufweist, die mit dem Pfeil 30 angegeben ist. Das Ausmaß der Bewegung ist derart, daß es eine wesentliche Bewegung von geschmolzenem Material im Inneren des Schmelzbades (einschließlich der Bewegung des geschmolzenen Materials in den und aus dem unteren Bereich des Bades) und ein starkes Vermischen des Schmelzbades bis zu dem Ausmaß gibt, daß innerhalb des gesamten Schmelzbades eine vernünftige gleichmäßige Temperatur, typischerweise 1450 bis 1550°C bei einer Temperaturschwankung in der Größenordnung von 30° in jedem Bereich vorliegt.
Außerdem schleudert der nach oben gerichtete Gasstrom etwas geschmolzenes Material (vorwiegend Schlacke) über die erweiterte Schmelzbadzone 28 und auf den Teil des oberen Gefäßabschnittes der Seitenwände 14, der sich über der erweiterten Schmelzbadzone 28 befindet, und auf das Gewölbe 17.
Allgemein ausgedrückt ist die erweiterte Schmelzbadzone 28 ein durchgängiges Flüssigkeitsvolumen mit Gasblasen im Inneren.
Zusätzlich dazu wird bei Verwendung durch die Lanze 26 Heißluft mit einer Temperatur von 800 bis 1400°C mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 600 m/s abgegeben und dringt in den mittleren Bereich der erweiterten Schmelzbadzone 28 ein und bewirkt, daß sich um das Ende der Lanze 26 herum ein im wesentlichen von Metall/Schlacke freier Raum 29 bildet.
Der Heißwind durch die Lanze 26 verbrennt die Reaktionsgase CO und H₂ in der erweiterten Schmelzbadzone 28 und im freien Raum 29 um das Ende der Lanze 26 nach und erzeugt im Gasraum hohe Temperaturen in der Größenordnung von 2000°C oder darüber. Die Wärme wird in dem Bereich, in den Gas eingeblasen wird, auf die aufsteigenden und absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials übertragen, und die Wärme wird dann teilweise überall im Schmelzbad übertragen.
Der freie Raum 29 ist wichtig, um hohe Nachverbrennungswerte zu erreichen, da er das Mitreißen von Gasen im Raum über der erweiterten Schmelzbadzone 28 in den Endbereich der Lanze 26 ermöglicht und dadurch mehr verfügbare Reaktionsgase der Nachverbrennung ausgesetzt werden.
Dieser kombinierte Effekt aus Anordnung der Lanze 26, Strömungsrate des Gases durch die Lanze 26 und Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Material soll die erweiterte Schmelzbadzone 28 um den unteren Bereich der Lanze 26 formen. Dieser geformte Bereich sorgt für eine teilweise Sperre gegenüber der Wärmeübertragung durch Strahlen auf die Seitenwände 14.
Außerdem stellen die aufsteigenden und absinkenden Tropfen, Spritzer und Ströme des geschmolzenen Materials eine wirksame Maßnahme dar, um Wärme aus der erweiterten Schmelzbadzone 28 mit dem Ergebnis auf das Schmelzbad zu übertragen, daß die Temperatur der Zone 28 im Bereich der Seitenwände 14 in der Größenordnung von 1450 bis 1550°C liegt.
Der Aufbau der Lanzen zum Einblasen von Feststoffen ist den 2 bis 5 dargestellt.
Wie in diesen Figuren gezeigt, weist jede Lanze 27 ein mittleres Kernrohr 31, durch das Feststoffmaterial geliefert werden soll, und einen ringförmigen Kühlmantel 32 auf, der das mittlere Kernrohr 31 über einen wesentlichen Teil seiner Länge durchweg umgibt. Das mittlere Kernrohr 31 ist entlang des größten Teils seiner Länge aus einer Leitung 33 aus Kohlenstoff-/Legierungsstahl hergestellt, ein Abschnitt 34 aus rostfreiem Stahl an seinem vorderen Ende ragt jedoch als Düse aus dem vorderen Ende des Kühlmantels 32. Das vordere Endteil 34 des Kernrohrs 31 ist mit dem Abschnitt 33 aus Kohlenstoff-/Legierungsstahl des Kernrohrs über einen kurzen Adapter- bzw. Verbindungsabschnitt 35 aus Stahl verbunden, der mit dem Abschnitt 34 aus rostfreiem Stahl verschweißt und durch eine Schraubverbindung 36 mit dem Abschnitt aus Kohlenstoff-/Legierungsstahl verbunden ist.
Das mittlere Kernrohr 31 ist im Inneren bis zum vorderen Endteil 34 mit einer dünnen Keramikschicht 37 ausgekleidet, die von einer Reihe von gegossenen Keramikrohren gebildet wird. Das hintere Ende des mittleren Kernrohrs 31 ist durch eine Kopplung 38 mit einem T-Stück 39 verbunden, durch das partikelförmiges Feststoffmaterial in einem unter Druck stehenden, verwirbelnden Gasträger, z.B. Stickstoff, zugeführt wird.
Der ringförmige Kühlmantel 32 umfaßt eine lange hohle ringförmige Struktur 41, die aus äußeren und inneren Rohren 42, 43 besteht, die durch ein Verbindungsstück 44 für die vorderen Enden miteinander verbunden sind, und eine längliche rohrförmige Struktur 45, die sich im Inneren der hohlen ringförmigen Struktur 41 befindet, so daß das Innere der Struktur 41 in einen inneren länglichen ringförmigen Strömungsweg 46 für Wasser und einen äußeren länglichen ringförmigen Strömungsweg 47 für Wasser unterteilt wird. Die längliche rohrförmige Struktur 45 wird von einem langen Rohr 48 aus Kohlenstoffstahl gebildet, das mit einem maschinell bearbeiteten vorderen Endstück 49 aus Kohlenstoffstahl verschweißt ist, das im Inneren des Verbindungsstück 44 für die vorderen Enden der hohlen rohrförmigen Struktur 41 sitzt, so daß ein ringförmiger Endströmungsweg 51 gebildet wird, der die vorderen Enden des inneren und des äußeren Strömungsweges 46, 47 für Wasser miteinander verbindet.
Das hintere Ende des ringförmigen Kühlmantels 32 ist mit einem Wassereinlaß 52, durch den der Kühlwasserstrom in den inneren ringförmigen Strömungsweg 46 für Wasser gerichtet werden kann, und einem Wasserauslaß 53 versehen, aus dem Wasser vom äußeren ringförmigen Strömungsweg 47 am hinteren Ende der Lanze abgegeben wird. Bei Verwendung der Lanze fließt folglich Kühlwasser vorwärts die Lanze hinunter durch den inneren ringförmigen Strömungsweg 46 für Wasser, danach nach außen und zurück entlang des vorderen ringförmigen Endströmungsweg 51 in den äußeren ringförmigen Strömungsweg 47, durch den es entlang der Lanze wieder zurück und durch den Auslaß 53 nach außen fließt. Dadurch ist gesichert, daß das kälteste Wasser in einem Wärmeübertragungsverhältnis zum ankommenden Feststoffmaterial steht, so daß gesichert wird, daß dieses Material nicht schmilzt oder verbrennt, bevor es aus dem vorderen Ende der Lanze abgegeben wird, und dadurch wird eine wirksame Kühlung von sowohl dem Feststoffmaterial, das durch den mittleren Kern der Lanze eingeblasen wird, als auch des vorderen Endes der Außenseiten der Lanze möglich.
Die Außenseiten des Rohrs 42 und des vorderen Endstücks 44 der hohlen ringförmigen Struktur 41 sind durch maschinelle Bearbeitung mit einem regelmäßigen Muster aus rechteckigen vorstehenden Vorsprüngen 54 versehen worden, die jeweils einen unterschnittenen oder schwalbenschwanzförmigen Querschnitt haben, so daß die Vorsprünge einen nach außen divergierende Form haben und als Schlüsselformen für das Festwerden von Schlacke auf den Außenseiten der Lanze dienen. Das Festwerden von Schlacke auf der Lanze unterstützt die Mini mierung der Temperaturen in den Metallkomponenten der Lanze. Bei der Verwendung ist festgestellt worden, daß die auf dem vorderen Ende oder der Spitze der Lanze erstarrende Schlacke als Basis für die Bildung eines verlängerten Rohrs aus festem Material dient, das als Verlängerung der Lanze dient, was die Metallkomponenten der Lanze zusätzlich vor dem Einfluß der harten Verfahrensbedingungen in dem Gefäß schützt.
Es ist festgestellt worden, daß es sehr wichtig ist, die Spitze der Lanze zu kühlen, um eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Wassers entlang des ringförmigen Endströmungswegs 51 aufrechtzuerhalten. Insbesondere ist es besonders erwünscht, eine Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in diesem Bereich in der Größenordnung von 10 m/s aufrechtzuerhalten, um eine maximale Wärmeübertragung zu erreichen. Um die Strömungsrate in diesem Bereich auf einen Höchstwert zu bringen, wird der effektive Querschnitt für den Wasserstrom durch den Strömungsweg 51 deutlich unter den effektiven Querschnitt von sowohl dem inneren ringförmigen Strömungsweg 46 für das Wasser als auch dem äußeren Strömungsweg 47 für das Wasser verringert. Das vordere Endstück 49 der inneren rohrförmigen Struktur 45 ist so geformt und angeordnet, daß das aus dem vorderen Ende des inneren ringförmigen Strömungswegs 46 strömende Wasser durch den nach innen kleiner werdenden oder in Form einer konischen Düse vorliegenden Strömungswegabschnitt 61 fließt, so daß Wirbel und Verluste vermieden werden, bevor es in den Endströmungsweg 51 fließt. Der Endströmungsweg 51 verringert auch die effektive Strömungsfläche in Richtung des Wasserstroms, so daß die höhere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers entlang der Biegung im Strömungsweg und zurück zum äußeren ringförmigen Strömungsweg 47 für das Wasser erhalten bleibt. Auf diese Weise können die erforderlichen hohen Strömungsraten des Wassers im Bereich der Spitze des Kühlmantels ohne übermäßigen Druckabfall und ohne die Gefahr von Verstopfungen in anderen Teilen der Lanze erreicht werden.
Um die geeignete Geschwindigkeit des Kühlwassers entlang des Endströmungswegs 51 der Spitze aufrechtzuerhalten und Schwankungen der Wärmeübertragung zu minimieren, ist es von kritischer Bedeutung, einen konstanten geregelten Abstand zwischen dem vorderen Endstück 49 der rohrförmigen Struktur 45 und dem Endstück 44 der hohlen ringförmigen Struktur 41 beizubehalten. Das stellt ein Problem dar, da das Ausdehnen und Zusammenziehen aufgrund von Wärme bei den Komponenten der Lanze unterschiedlich ist. Insbesondere wird der äußere Rohrteil 42 der hohlen ringförmigen Struktur 41 viel höheren Temperaturen ausgesetzt als der innere Rohrteil 43 dieser Struktur, und das vordere Ende dieser Struktur neigt folglich dazu, in der Art und Weise nach vorn zu rollen, wie es in 4 mit der unterbrochenen Linie 62 dargestellt ist. Dadurch entsteht die Tendenz, daß sich der Spalt zwischen den Komponenten 44, 49, der den Strömungsweg 51 definiert, öffnet, wenn die Lanze den Verfahrensbedingungen im Inneren des Schmelzgefäßes ausgesetzt wird. Umgekehrt kann der Strömungsweg zum Verschließen neigen, wenn es während des Verfahrens einen Temperaturabfall gibt. Um dieses Problem zu lösen, wird das hintere Ende des inneren Rohrs 43 der hohlen ringförmigen Struktur 41 in einer gleitenden Befestigung 63 gehalten, so daß es sich im Verhältnis zum äußeren Rohr 42 dieser Struktur axial bewegen kann, das hintere Ende der inneren rohrförmigen Struktur 45 ist ebenfalls in einer gleitenden Befestigung 64 montiert und durch eine Reihe von entlang des Umfangs beabstandeten Verbindungsklemmen 65 mit dem inneren Rohr 43 der Struktur 41 verbunden, so daß sich die Rohre 43 und 45 miteinander axial bewegen können. Außerdem sind die Endstücke 44, 49 der hohlen ringförmigen Struktur 41 und der rohrförmigen Struktur 45 durch eine Reihe von entlang des Umfangs beabstandeten Stiften 70 starr miteinander verbunden, so daß bei Bewegungen sowohl durch das Ausdehnen als auch das Zusammenziehen des Mantels der Lanze aufgrund von Wärme der geeignete Abstand erhalten bleibt.
Die Gleitbefestigung 64 für das innere Ende der rohrförmigen Struktur 45 wird von einem Ring 66 gebildet, der an einer Verteilerstruktur 68 für den Wasserstrom angebracht ist, die den Wassereinlaß 53 und -auslaß 53 bildet und mit einer Runddichtung 69 abgedichtet ist. Die Gleitbefestigung 63 für das hintere Ende des inneren Rohrs 43 der Struktur 41 wird in ähnlicher Weise von einem Ringflansch 71 gebildet, der an die Verteilerstruktur 68 für das Wasser angebracht und mit einer Runddichtung 72 abgedichtet ist. Ein ringförmiger Kolben 73 ist im Inneren des Ringflansches 71 angeordnet und ist durch eine Schraubverbindung 80 mit dem hinteren Ende des inneren Rohrs 43 der Struktur 41 verbunden, so daß die Verteilerkammer 74 für den Wassereinlaß verschlossen wird, die den ankommenden Kühlstrom aus dem Einlaß 52 aufnimmt. Der Kolben 73 gleitet innerhalb der gehärteten Oberflächen auf dem Ringflansch 71, und an ihm sind Runddichtungen 81, 82 angebracht. Die gleitende Abdichtung, die vom Kolben 73 gebildet wird, erlaubt nicht nur Bewegungen des inneren Rohrs 43 aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Struktur 41 sondern ermöglicht auch eine Bewegung des Rohrs 43, um irgendeine Bewegung der Struktur 41 auszugleichen, die durch einen übermäßigen Wasserdruck im Kühlmantel erzeugt wird. Wenn der Druck des Kühlwasserstroms aus irgendeinem Grund zu stark wird, wird das äußere Rohr der Struktur 41 nach außen gedrückt, und der Kolben 73 ermöglicht es, daß sich das innere Rohr entsprechend bewegt, so daß der aufgebaute Druck entspannt wird. Der Innenraum 75 zwischen dem Kolben 73 und dem Ringflansch 71 wird durch ein Entlüftungsloch 76 entlüftet, so daß die Bewegung des Kolbens und das Entweichen von Wasser möglich werden, das am Kolben vorbeidringt.
Der hintere Teil des ringförmigen Kühlmantels 32 ist entlang eines Teils der Lanze nach unten mit einem äußeren Versteifungsrohr 83 versehen und womit eine ringförmiger Strömungsweg 84 für Kühlwasser gebildet wird, durch den mittels eines Wassereinlasses 85 und eines Wasserauslasses 86 ein separater Kühlwasserstrom geleitet wird.
Das Kühlwasser wird typischerweise mit einer Strömungsrate von 100 m³/h bei einem maximalen Betriebsdruck von 800 kPa durch den Kühlmantel geleitet, so daß im Spitzenbereich des Mantels Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers von 10 m/min erzeugt werden. Der innere und der äußere Teil des Kühlmantels können Temperaturunterschieden in der Größenordnung von 200°C unterliegen, und die Bewegung der Rohre 42 und 45 im Inneren der Gleitbefestigungen 63, 64 kann während des Betriebs der Lanze beträchtlich sein, die effektive Strömungsquerschnittsfläche des Endströmungsweges 51 wird jedoch bei allen Verfahrensbedingungen durchweg im wesentlichen konstant gehalten.
Es ist selbstverständlich, daß diese Erfindung keineswegs auf die Einzelheiten des erläuterten Aufbaus begrenzt ist und daß viele Modifikationen und Abänderungen innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, wie er in den zugehörigen Ansprüchen definiert ist.
In diesem Zusammenhang wird betont, daß die Lanze zum Einblasen von Sauerstoffgas mit dem oberen Körper der Lanze zum Einblasen von Feststoffen einstückig sein kann und einen Teil davon bilden kann.

Claims

Direktschmelzverfahren zur Herstellung von Metallen (wobei dieser Begriff Metallegierungen einschließt) aus einem eisenhaltigen Material, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Erzeugen eines Bades aus geschmolzenem Metall und geschmolzener Schlacke in einem metallurgischen Gefäß; (b) Einblasen von Beschickungsmaterialien, die ein festes Material sind, und Trägergas in das Schmelzbad mit einer Geschwindigkeit von mindestens 40 m/s durch eine sich nach unten erstreckende Lanze zum Einblasen von Feststoffen, die ein Beschickungsrohr mit einem Innendurchmesser von 40 bis 200 mm aufweist, das so angeordnet ist, daß die Mittelachse des Auslaßendes der Lanze einen Winkel von 20 bis 90° zur waagerechten Achse hat, und Erzeugen einer Oberflächenströmung des Gases von mindestens 0,04 Nm³/s/m² im Schmelzbad (wobei m² für die Fläche des waagerechten Querschnitts durch das Schmelzbad steht) zumindest teilweise durch Reaktionen des in das Bad eingeblasenen Materials, was dazu führt, daß geschmolzenes Material als Spritzer, Tropfen und Ströme nach oben geschleudert wird und eine erweiterte Schmelzbadzone bildet, wobei der Gasstrom und das nach oben geschleuderte geschmolzene Material zu einer wesentlichen Bewegung des Materials im Inneren des Schmelzbades und einer starken Vermischung des Schmelzbades führen, wobei die Beschickungsmaterialien so ausgewählt sind, daß die Reaktionen der Beschickungsmaterialien im Schmelzbad im umfassenden Sinne endotherm sind; und (c) Einblasen eines sauerstoffhaltigen Gases in einen oberen Bereich des Gefäßes durch zumindest eine Lanze zum Einblasen Sauerstoffgas und Nachverbrennen der brennbaren Gase, die aus dem Schmelzbad freigesetzt wurden, wobei das aufsteigende und danach absinkende geschmolzene Material in der erweiterten Schmelzbadzone die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (b) das Einblasen von Beschickungsmaterialien in das Schmelzbad einschließt, so daß die Beschickungsmaterialien in einen unteren Bereich des Schmelzbades eindringen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Schritt (b) das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch die Lanze mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 80 bis 100 m/s in das Schmelzbad einschließt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt (b) das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch die Lanze bei einem Massedurchsatz von bis zu 2,0 t/m²/s in das Schmelzbad einschließt, wobei m² für die Querschnittsfläche des Beschickungsrohrs der Lanze steht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt (b) das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch die Lanze bei einem Verhältnis von Feststoffen/Gas von 10 bis 25 kg Feststoffe/Nm³ Gas in das Schmelzbad einschließt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis von Feststoffen/Gas 10 bis 18 kg Feststoffe/Nm³ Gas beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt (b) das Einblasen von Beschickungsmaterialien durch eine Vielzahl von Lanzen zum Einblasen von Feststoffen und das Erzeugen des Gasstroms mit mindestens 0,04 Nm³/s/m² im Schmelzbad einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom im Schmelzbad, der im Schritt (b) erzeugt wird, an der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades mindestens 0,04 Nm³/s/m² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Gasstrom im Schmelzbad eine Strömungsrate von mindestens 0,2 Nm³/s/m² hat.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Strömungsrate des Gases mindestens 0,3 Nm³/s/m² beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom im Schmelzbad, der im Schritt (b) erzeugt wird, weniger als 2 Nm³/s/m² beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das im Schritt (c) in das Schmelzbad eingeblasene sauerstoffhaltige Gas Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt (c) folgendes einschließt: Einblasen der Luft oder der mit Sauerstoff angereicherten Luft mit einer Temperatur von 800 bis 1400°C und einer Geschwindigkeit von 200 bis 600 m/s durch zumindest eine Lanze zum Einblasen von Sauerstoffgas in das Gefäß und Wegdrängen der erweiterten Schmelzbadzone im Bereich des unteren Endes der Lanze von der Lanze und Erzeugen eines "freien" Raums um das untere Ende der Lanze, der eine Konzentration des geschmolzenen Materials aufweist, die geringer als die Konzentration des geschmolzenen Materials in der erweiterten Schmelzbadzone ist; wobei die Lanze so angeordnet ist, daß: (i) die Mittelachse der Lanze einen Winkel von 20 bis 90° zur waagerechten Achse hat; (ii) sich die Lanze über eine Distanz in das Gefäß erstreckt, die zumindest der Außendurchmesser des unteren Endes der Lanze ist; und (iii) das untere Ende der Lanze zumindest mit dem 3-Fachen des Außendurchmessers des unteren Ende der Lanze über der ruhigen Oberfläche des Schmelzbades ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt (c) das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in das Gefäß in einer Wirbelbewegung einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das eine Steuerung der Menge des gelösten Kohlenstoffs im Schmelzbad bei mindestens 3 Gew.-% und die Beibehaltung der Schlacke in einem stark reduzierenden Zustand einschließt, was zu FeO-Mengen in der Schlacke von weniger als 6 Gew.-%, stärker bevorzugt weniger als 5 Gew.-% führt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das folgendes einschließt: es wird bewirkt, daß geschmolzenes Material in einen oberen Raum über der erweiterten Schmelzbadzone geschleudert wird.
Verfahren nach einem der vorstehende Ansprüche, wobei der Schritt (c) die Nachverbrennung von brennbaren Gasen einschließt, so daß der Nachverbrennungswert mindestens 40 % beträgt, 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.