DE69003124T2

DE69003124T2 - Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze, enthaltend Nickel und Chrom.

Info

Publication number: DE69003124T2
Application number: DE90103242T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Iwasaki; Masahiro Kawakami; Toshio Takaoka; Chihiro Taki; Haruyoshi Tanabe
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: EP0384397B1; KR910015711A; AU626016B2; KR930001125B1; CA2010356C; BR9000831A; EP0384397A1; TW217424B; CA2010356A1; DE69003124D1; US5039480A; AU4930790A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze, die Ni und Cr enthält, durch direktes Schmelzen und Reduzieren von Ni-Erz und Cr-Erz in einem Schmelz-Reduktions-Ofen, wobei kohlenstoffhaltiges Material als Brennstoff oder reduzierendes Material verwendet wird.
Materialien wie z.B. Schrott, Ferrolegierung, elektrolytisches Ni oder dgl. sind bereits früher in einem Verfahren zur Herstellung von nichtrostendem Stahl beim Schmelzen und der Veredelung verwendet worden. Jene Materialien werden in einem elektrischen Ofen oder einem Konverter geschmolzen. Cr und Ni, die die Hauotkomponenten von nichtrostendem Stahl sind, werden als Ferrochrom oder Ferronickel in den elektrischen Ofen oder den Konverter eingefüllt. Es ist erforderlich, daß Chromerz und Nickelerz vorher in dem elektrischen Ofen o.dgl. reduziert werden, um Ferrochrom und Ferronickel herzustellen. Zur Reduktion von Chromerz und Nickelerz wird teure elektrische Energie benutzt. Dementsprechend ist ein Verfahren, in dem Ferrochrom und Ferronickel als Materialien verwendet werden, nicht wirtschaftlich.
Andererseits werden vier Verfahren, welche im folgenden beschrieben werden, als Methoden unter Verwendung von preiswertem Material als Ni- Quelle dargestellt. Ein erstes Verfahren ist ein Verfahren, in dem direkt eine FeNi-Metallschmelze in einem elektrischen Ofen verwendet wird, um die Kosten des Schmelzens von FeNi zu reduzieren. Dieses Verfahren wird in der Zeitschrift "Iron and Steel" 69 (1983) 7, S. 59 beschrieben. Ein zweites Verfahren ist ein Verfahren, um Nickelstein in einem Konverter zu schmelzen und zu reduzieren, und ist in der JF-A-104153/83 offenbart. Ein drittes Verfahren ist in der JP-A-36613/85 offenbart. In diesem Verfahren wird Material, das durch Vermischen von Nickeloxid mit kohlenstoffhaltigem Material und Bilden eines Gemisches erhalten worden ist, erhitzt und vorreduziert und das vorreduzierte Material wird dann in ein Reaktionsgefäß des Konvertertyps gefüllt, in welchem es geschmolzen und reduziert wird. Ein viertes Verfahren ist ein Verfahren, in dem Nickeloxid verwendet wird (JP-A-291911/86).
Überdies sind einige Verfahren, in denen Chrom-Erz als Quelle für Chrom verwendet wird und Cr-Erz in einem Konverter oder in anderen Schmelzöfen geschmolzen und reduziert wird, vorgeschlagen worden. Es ist z.B. ein Verfahren bekannt, bei dem Cr-Erz durch Einblasen von Sauerstoff aus einer Sauerstoff-Aufblaslanze geschmolzen und reduziert wird und zur gleichen Zeit Sauerstoff aus Blasdüsen am Boden geblasen wird und Stickstoff aus seitlich angeordneten Blasdüsen geblasen wird. Ebenso ist ein Verfahren bekannt, bei dem Cr-Erz geschmolzen und reduziert wird, indem Sauerstoff aus Boden-Blasdüsen bzw. Sauerstoff und Stickstoff aus an den Seiten angeordneten Düsen eingeblasen wird. Als Beispiel für das letztgenannte Verfahren kann die JP-A-279608/86 angeführt werden.
Als nächstes werden die Probleme des Standes der Technik untersucht. In dem Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung von Ni-haltiger Metallschmelze wird Ni-Erz nicht geschmolzen und reduziert, indem direkt Ni-Erz in den Schmelzofen gefüllt ward. Da Ni-Erz einen niedrigen Gehalt von 2 bis 3 Gewichtsprozent Ni hat und etwa 80 Gewichtsprozent des Ni-Erzes in Schlacke umgewandelt werden, produziert Ni-Erz im Verlauf der Schmelzreduktion des Ni-Erzes eine große Menge Schlacke. Wenn versucht wird, eine vorher bestimmte Ni-Konzentration zu erhalten, wird eine große Menge Schlacke produziert. Wenn Metallschmelze mit einem Gehalt von 8 Gewichtsprozent Ni erhalten wird, werden 2 bis 3 t Schlacke pro Tonne Metallschmelze produziert. Im Zusammenhang mit der Produktion einer großen Menge Schlacke werden die folgenden Probleme beachtlich.
(1) Durch eine Reaktion von Sauerstoff mit Kohlenstoff-haltigem Material, mit dem der Schmelzreduktionsofen als reduzierendes Material oder als Hitzequelle im Schritt der Schmelzreduktion beschickt wird, tritt gerne ein Aufschwappen auf, als Folge davon wird ein stabiler Betrieb schwierig, wodurch der Betrieb instabil wird.
(2) Die Apparatur wird durch das Aufschwappen stark beschädigt; und
(3) Die Ni-Ausbeute wird durch das Aufschwappen erniedrigt.
In Anbetracht der vorerwähnten Probleme wird in den vorstehend genannten Verfahren Ni-Erz nicht direkt als Quelle für Ni in den Schmelz- Reduktions-Ofen eingefüllt, sondern es wird ein Material mit einem Gehalt an Ni, dessen Prozentgehalt in dem Material durch eine vorgeschaltete Behandlung erhöht wurde, verwendet.
Da Chromoxid als Cr-Quelle schwierig zu schmelzen ist und beträchtliche Energie erforderlich ist um Chromoxid zu reduzieren, ist andererseits die Reduktionsrate von Chromoxid in Schmelz-Reduktions- Verfahren des Standes der Technik klein und es viel Zeit erforderlich, um Chromoxid zu behandeln. Derartige Probleme stellen sich aus folgenden Gründen:
Eine Reduktion von Cr-Erz im Schmelz-Reduktions-Ofen geht unter der Reaktion von C in dem kohlenstoffhaltigen Material mit geschmolzenem Cr-Erz weiter, nachdem das Cr-Erz in der Schlacke geschmolzen worden ist. Die Reduktionsrate von Cr-Erz wird stark durch Schmelzrate von Cr-Erz beeinträchtigt. Daher wurde im Hinblick auf eine Verkürzung der Behandlungszeit größte technische Aufmerksamkeit auf die Bestimmung der Schlackenbestandteile oder dergleichen gerichtet. Allerdings ist Cr-Erz grundsätzlich schwer zu schmelzen und daher besteht eine Grenze bei der Steigerung der Reduktionsrate von Cr-Erz durch Förderung des Schmelzens des Cr-Erzes.
Ein Verfahren, bei dem CO-Gas in dem Schmelzofen nachverbrannt wird und die Nachverbrennungshitze zur Erhöhung der Schmelzrate von Cr-Erz in der Schlacke und zur Erhöhung einer Reaktionsrate des Cr-Erzes verwendet wird, ist vorstellbar. Ebenso wird bei dem Verfahren des Standes der Technik ein Verfahren angewendet, in dem Nachverbrennungssauerstoff aus einem oberen Teil der Wände des Schmelzofens eingeblasen wird. Obwohl die Temperatur der Abgase steigt, wenn ein Nachverbrennungsverhältnis erhöht wird, gibt es im Stand der Technik dennoch keine Technologie zur wirksamen Übertragung fühlbarer Hitze aus den Abgasen auf die Metallschmelze. Als Ergebnis davon sinkt die Hitzeübertragungswirksamkeit und Abgase hoher Temperatur treten aus. Damit tritt ein Problem auf, daß die Abgase hoher Temperatur schnell die Feuerfestigkeit einer Abgashaube verschleißen. Daher wurde im allgemeinen davon ausgegangen, daß das Nachverbrennungs-Verhältnis nicht zu hoch gesteigert werden kann.
Metallschmelze, die Ni und Cr enthält kann durch Schmelzen und Reduzieren von Ni-Erz und Cr-Erz erhalten werden. Die Metallschmelze, die Ni und Cr enthält, wird einer Entcarbonisierungsbehandlung unterworfen, um so rostfreien Stahl zu erhalten. Es ist erwünscht, daß die Entcarbonisierungsbehandlung kontinuierlich in demselben Ofen, in welchem die Schmelzreduktion durchgeführt wird, ausgeführt wird. Das Verfahren, bei dem eine Entcarbonisierungsbehandlung von Metallschmelze in dem gleichen Ofen nach der Schmelzreduktion von Ni-Erz und Cr-Erz durchgeführt wird, ist früher im wesentlichen noch nicht untersucht worden. Dies wird wie folgt erklärt:
(1) Wenn die Metallschmelze der Entcarbonisierungsbehandlung in einem Behälter des Convertertyps unterworfen wird, tritt das Problem auf, daß der Cr-Verlust durch Oxidation beachtlich ist. Selbst wenn die Schmelzreduktion von Ni-Erz und Cr-Erz praktisch in dem Behälter des Convertertyps durchgeführt wird, muß dann ein Vakuumverfahren wie z.B. ein RH-OB- Verfahren für die Entcarbonisierungsbehandlung eingeführt werden.
(2) Für die Entcarbonisierungsbehandlung ist eine große Menge Rührgas erforderlich. Bei der Schmelzreduktion nach dem Stand der Technik ist nicht daran gedacht, eine große Menge an Rührgas, die zur Durchführung einer Entcarbonisierungsbehandlung notwendig ist, zuzuführen. Selbst wenn der gleiche Behälter des Convertertyps bei der Schmelzreduktion und der Entcarbonisierungsbehandlung eingesetzt wird, müssen beide Öfen unterschiedlichen Aufbau aufweisen.
(3) Eine große Schlackemenge, die bei der Schmelzreduktion von Ni-Erz und Cr-Erz produziert wird, muß aus dem Ofen entnommen werden, um die Prozesse von der Schmelzreduktion zur Entcarbonisierung in dem gleichen Ofen durchzuführen. Allerdings weist ein elektrischer Ofen, der üblicherweise verwendet wird, keinen Aufbau auf, der das Entnehmen von Schlacke ermöglicht.
(4) Die Zeit für die Schmelzreduktion und Entcarbonisierung ist in dem Schmelzreduktionsverfahren und Entcarbonisierungsverfahren nach dem Stand der Technik lang. Wenn die Schmelzreduktion und die Entcarbonisierung in dem gleichen Ofen durchgeführt werden, nimmt es dementsprechend sehr viel Zeit in Anspruch, all diese Behandlungen durchzuführen. Folglich ist ein industrieller Betrieb aufgrund des Abfalls der Produktivität und eines großen Verschleißes der Feuerfestigkeit des Schmelzreduktionsofens kaum auszuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Metallschmelze, die Ni und Cr enthält, wobei ein stabiler Ablauf erfolgen kann und die Schmelz und Reduktionsrate von Ni-Erz und Cr-Erz erhöht werden kann.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metallschmelze, die Ni und Cr enthält, bereit, umfassend:
- ein Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz, wodurch eine Ni-haltige Metallschmelze hergestellt wird; und
- ein Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Cr-Erz, nachdem die Ni-haltige Metallschmelze hergestellt worden ist;
wobei das Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz folgende Schritte beinhaltet:
- Beschicken eines Schmelz-Reduktionsofens, der eine Sauerstoff- Aufblaslanze mit einer Entcarbonisierungsdüse sowie eine Nachverbrennungsdüse und Blasdüsen zum Einblasen von Rührgas aufweist, mit geschmolzenem Eisen;
- Einfüllen von Ni-Erz, kohlenstoffhaltigem Material und Flußmittel in den Schmelz-Reduktionsofen;
- Einblasen von Entcarbonisierungssauerstoff und Nachverbrennungssauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze in den Schmelzreduktionsofen;
- Einblasen von Rührgas aus den Blasdüsen zum Rühren der Metallschmelze und Schlacke im Inneren des Schmelzreduktionsofens; und
- Einstellen des Nach-Verbrennungs-Verhältnisses [(H&sub2;O + CO&sub2;)/(H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)) auf 0,3 oder mehr;
und wobei das Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Cr-Erz folgende Schritte beinhaltet:
- Einfüllen von Cr-Erz, kohlenstoffhaltigem Material und Flußmittel in den Schmelzreduktionsofen, der die Ni-haltige Metallschmelze, welche durch das Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz hergestellt worden ist, enthält;
- Einblasen von Entcarbonisierungssauerstoff und Nachverbrennungssauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze in den Schmelzreduktionsofen;
- Einblasen von Rührgas aus den Blasdüsen zum Rühren der Metallschmelze und Schlacke im Inneren des Schmelzreduktionsofens; und
- Einstellen des Nachverbrennungsverhältnisses t(H&sub2;O + CO&sub2;)/(H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)) auf 0,3 oder mehr.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 12 beschrieben.
Die genannten Aufgaben sowie andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erkennbar.
Fig. 1 ist die Ansicht eines vertikalen Schnitts, die einen Schmelz- Reduktions-Ofen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem vorbestimmten Nachverbrennungsverhältnis und einem gemessenen Nachverbrennungsverhältnis der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Nachverbrennungs-Verhältnis und der Häufigkeit des Auftretens von Aufschwappen bei der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Menge aus dem Boden blasenden Gases und der Häufigkeit des Auftretens von Aufschwappen bei der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt [C] in der Metallschmelze und dem spezifischen Gewicht von Schlacke relativ zum Aufschwappen angibt;
Fig. 6 (A) und Fig. 6 (B) sind jeweils eine graphische Darstellung, die das Fortschreiten von Vorgängen während der Schmelzreduktion von Ni-Erz bei der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 7 ist eine schematische Erläuterung, die den Ablauf des Einblasens von Rührgas aus dem Boden und der Seite in die Metallschmelze während der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz bei der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung von einer Verbrauchseinheit Koks pro Tonne Metallschmelze, der P-Komponente in der Metallschmelze und der S-Komponente in der Metallschmelze relativ zu einer Änderung der Nachverbrennung im Inneren des Schmelz-Reduktions-Ofens während der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die die Zeitdauer für die Schmelz-Reduktion von Cr-Erz nach der vorliegenden Erfindung angibt;
Fig. 10 (A) und Fig. 10 (B) sind eine schematische Erläuterung, die das Kontroll-Schmelz-Reduktions-Verfahren zeigt;
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, die die Zunahmerate für Cr in der Metallschmelze relativ zur Einfüllrate von reinem Cr gemäß der vorliegenden Erfindung angibt;
Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Menge des aus dem Boden geblasenen Gas und einem Cr-Verlust durch Oxidation bei der vorliegenden Erfindung angibt;
Fig. 13 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Cr-Veriust durch Oxidation und dem C-Gehalt in der Metallschmelze der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 14 (A) und Fag. 14 (B) sind eine graphische Darstellung, die eine Änderung von Parametern bei verschiedenen Vorgängen bei der Schmelzreduktion und der Entcarbonisierungsbehandlung, denen eine Cr-Quelle nach der Schmelzreduktion von Ni-Erz unterworfen wird, zeigt.
[C] in einer Metallschmelze wird entfernt, indem es durch Entcarbonisierungssauerstoff in CO umgewandelt wird. Dieses CO-Gas wird in CO&sub3;-Gas umgewandelt, indem es durch Nachverbrennungs-Sauerstoff oxidiert wird. Die Reaktionswärme, die durch die Entcarbonisierung und Nachverbrennung produziert wird, ist eine Haupthitzequelle der Schmelzreduktion. Die Metallschmelze und die Schlacke werden stark gerührt, indem Blasgas vom Boden in die Metallschmelze eingeblasen wird, wodurch eine Oxidationsreaktion, bei der CO in CO&sub2; umgewandelt wird, gefördert wird. Wenn die Oxidationsreaktion durch das Einblasen von Rührgas in den Schmelz-Reduktions-Ofen gefördert wird, kann demnach das Nachverbrennungs- Verhältnis im Inneren des Schmelz-Reduktions-Ofens hoch gehalten werden. Dies ist zur Erhöhung der Schmelzrate oder der Reduktionsrate von Ni-Erz und Cr-Erz außerordentlich wirksam. Das Nachverbrennungsverhältnis wird durch [(H&sub2;O + CO&sub2;)/(H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)) dargestellt.
Die Verbrauchseinheit an kohlenstoffhaltigem Material pro Tonne Metallschmelze, die in den Schmelz-Reduktions-Ofen eingefüllt wird, kann durch die Steigerung des Nachverbrennungs-Verhältnisses bei der Schmelz- Reduktion von Ni-Erz gesenkt werden. Entsprechend kann die Menge an CO-Gas und CO&sub2;-Gas, die ein Grund für das Auftreten von Aufschwappen sind, vermindert werden. Folglich wird die Häufigkeit des Auftretens von Aufschwappen außerordentlich gesenkt. Wenn die Wirksamkeit der Hitzeübertragung erhöht wird, indem die Menge des aus dem Boden geblasenen Gases steigt, kann ein Effekt der Verminderung des Aufschwappens ähnlich jenem bei der Steigerung des Nachverbrennungs-Verhältnisses erreicht werden.
Nachdem Ni-Erz geschmolzen und reduziert worden ist, ist es erwünscht die Schlacke zu entnehmen und Phosphor aus der Metallschmelze zu entfernen. Nach der Entschwefelung der Metallschmelze, die auf die Entphosphorung folgt, wird Cr-Erz in den Schmelz-Reduktions-Ofen gefüllt. Diese Reihenfolge der Arbeitsgänge ist sehr wirksam, um einer Oxidation von Cr vorzubeugen und die Betriebsleistung zu erhöhen.
Bei der Schmelz-Reduktion von Cnromoxid, das ein schwer zu reduzierendes Oxid darstellt, ist es wünschenswert, Schlacke und Metallschmelze bei hoher Nachverbrennung stärker zu rühren als bei der Schmelz-Reduktion von Ni-Erz, um Chromoxid, das in einer niedrigeren Schlackenschicht zurückgeblieben ist, mittels C in der Metallschmeize zu reduzieren. Zu diesem Zweck ist ein Einblasen von Gas von der Seite her zusätzlich zu einem Einblasen von Gas vom Boden her wirksam. Bei der Schmelz-Reduktion von Ni-Erz kann das überschwappen vermindert werden, indem die Menge des aus dem Boden geblasenen Gases erhöht wird, ungeachtet der Tatsache ob ein seitliches Einblasen von Gas erfolgt oder nicht.
Sauerstoff wird ausschließlich durch eine Sauerstoff-Aufblaslanze bei einer Entcarbonisierungsbehandlung der Metallschmelze, die Ni und Cr enthält, in die Metallschmelze geblasen. In diesem Fall wird Sauerstoff, das mit einem Inertgas verdünnt ist, in die Metallschmelze geblasen, um den Partialdruck von Sauerstoff in dem Abschnitt, wo der Sauerstoffstrahl die Metallschmelze trifft (nachfolgend "fire spot" genannt), zu erniedrigen. Gleichzeitig wird die Metallschmelze durch Zuführen von Inertgas aus Boden- Blasdüsen stark gerührt. Durch die Verdünnung des Aufblas-Sauerstoffs und das starke Rühren des Bodenblas-Gases kann die Entcarbonisierung der Metallschmelze gefördert werden und der Cr-Verlust durch Oxidation begrenzt werden.
Im Stand der Technik ist ein Fall der Verwendung von Sauerstoff als Gas, das vom Boden eingeblasen wird, bekannt. In der vorliegenden Erfindung wird Sauerstoffgas allerdings nicht als ein Gas verwendet, das vom Boden eingeblasen wird. Wenn Sauerstoffgas als Gas, das vom Boden eingeblasen wird, eingesetzt wird, wird eine große Menge CO-Gas in der Metallschmelze produziert und die Metallschmelze wird extrem gerührt, wodurch Spritzer der Metallschmelze verbreitet werden. Spritzer der Metallschmelze reagieren mit dem Nachverbrennungssauerstoff. Dadurch wird eine Nachverbrennung von CO- Gas verhindert und das Nachverbrennungs-Verhältnis erniedrigt. Im Fall der Verwendung von Sauerstoff als Gas, das aus dem Boden eingeblasen wird, ist der Zusatz eines Kühlgases zu dem aus dem Boden eingeblasenen Gas notwendig, um zu verhindern, daß die Blasdüsen durch den Temperaturanstieg der Blasdüsen abgenützt werden. Die Verwendung des vorstehend erwähnten Kühlgases erhöht die Herstellungskosten der Metallschmelze und verstärkt darüber hinaus das Spritzen der Metallschmelze, indem das starke der Metallschmelze übermäßig gefördert wird.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung spezifisch beschrieben. Fig. 1 ist die Ansicht eines senkrechten Schnitts, die den Schmelz-Reduktions-Ofen 10 der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. In der Zeichnung gibt Bezugszeichen 21 eine Sauerstoff-Aufblaslanze, 22 eine Entcarbonisierungsdüse, 23 eine Nachverbrennungsdüse, 24 eine Boden-Blasdüse, 11 eine Schlacke-Schicht, 12 eine Metallschmelze und 26 einen Vorratsbehälter zum Einfüllen von Ni-Erz, Cr-Erz, kohlenstoffhaltigem Material und Flußmittel als Materialien in den Schmelz-Reduktions-Ofen an.
Nachfolgend wird ein Betrieb, unter dessen Einfluß das hohe Nachverbrennungs-Verhältnis bei der Schmelz-Reduktion von Ni-Erz und Cr-Erz in dem Schmelz-Reduktions-Ofen, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, erhalten werden kann, beschrieben.
Hitzeenergie zum Schmelzen von Ni-Erz und Cr-Erz wird durch Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Material mit Sauerstoff beschafft, nämlich durch Reaktion von C -> CO, CO -> CO&sub2;. Sauerstoff, der aus der Entcarbonisierungsdüse 22, die in der Sauerstoff-Aufblaslanze 21 angeordnet ist, eingeblesen wird, reagiert hauptsächlich mit Kohlenstoff [C] in der Metallschmelze und wandelt es in CO um. Sauerstoff, der aus der Nachverbrennungsdüse 23 eingeblasen wird, reagiert mit diesem CO und wandelt es in CO&sub2; um. Sauerstoff, das aus der Entcarbonisierungsdüse 22 geblasen wird, wird durch DC O&sub2; dargestellt. Sauerstoff, der aus der Nachverbrennungsdüse 23 geblasen wird, wird durch PC O&sub2; dargestellt. Das Nachverbrennungs-Verhältnis wird durch Anordnung der oben beschriebenen zwei Düsen 22 und 23 erhöht.
In der vorliegenden Erfindung wird eine hohe Nachverbrennung durch Bildung einer Nachverbrennungszone hauptsächlich in einer Schlackeschicht erreicht, und gleichzeitig kann eine hohe Hitzeübertragungsleistung erhalten werden. Entsprechend ist es wünschenswert den Nachverbrennungssauerstoff in die Schlacke zu blasen, so daß die Nachverbrennungszone hauptsächlich in der Schlacke gebildet werden kann. Dadurch kann das Nachverbrennungsverhältnis von 0,3 oder mehr sichergestellt werden und es kann eine hohe Reduktionsrate von Ni-Erz und Cr-Erz erhalten werden, während die Verbrauchseinheit an kohlenstoffhaltigem Material pro Tonne Metallschmelze während der Reduktion von Ni-Erz und Cr-Erz gesenkt wird.
In der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Sauerstoff als Rührgas nicht erwünscht. Wenn Sauerstoff als Rührgas verwendet wird, wird eine große Menge CO-Gas in der Metallschmelze produziert und Metallschmelze wird stark gerührt, wodurch PC O&sub2; mit C in der Metallschmelze reagiert und die Nachverbrennung verhindert wird. Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die einen Vergleich des Falls der Verwendung von N&sub2;-Gas als Rührgas mit dem Fall der Verwendung von Sauerstoff als Rührgas zeigt. Der Fall der Verwendung von N&sub2; als Rührgas ist mit A in Fig. 2 gekennzeichnet und der Fall der Verwendung von Sauerstoff mit B in Fig. 2. Auf der Abszissenachse ist das vorbestimmte Nachverbrennungsverhältnis [(PC O&sub2; /(DC O&sub2; + O&sub2; im Erz)] aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist das gemessene Nachverbrennungsverhältnis [(H&sub2;O + CO&sub2;) / (H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)] aufgetragen. OD ist eine Abkürzung für das Nachverbrennungs-Verhältnis. Wenn Sauerstoffgas als Rührgas verwendet wird, ist das gemessene Nachverbrennungs-Verhältnis niedriger als das vorbestimmte Nachverbrennungsverhältnis. Daher ist es verständlich, daß die Nachverbrennung durch ein Einblasen von O&sub2; aus dem Boden verhindert wird.
Dieses vorbestimmte Nachverbrennungs-Verhältnis ist ein Nachverbrennungs-Verhältnis, das auf der Annahme basiert, daß alles PC O&sub2; für die Nachverbrennung verbraucht worden ist, und alles (DC O&sub2; + O&sub2; im Erz) zur Oxidierung von Kohlenstoff in der Metallschmelze verbraucht worden ist. Je näher das gemessene Nachverbrennungs-Verhältnis dem vorbestimmten Nachverbrennungs-Verhältnis kommt, um so besser ist dementsprechend das Nachverbrennungs-Verhältnis von PC O&sub2;.
Inertgase wie z.B. CO, N&sub2; oder Ar, welche das Rührgas darstellen, können entweder als einzelnes Gas oder miteinander vermischt verwendet werden.
Als nächstes wird ein Verfahren der Schmelz-Reduktion von Ni-Erz unter Verwendung des Schmelz-Reduktions-Ofens 10 beschrieben, bei dem ein hohes Nachverbrennungs-Verhältnis erhalten werden kann. Erstens wird der Schmelz-Reduktionsofen mit Metallschmelze beschickt. Zweitens, nachdem die Temperatur der Metallschmelze auf etwa 1500ºC erhöht worden ist, indem kohlenstoffhaltiges Material in den Schmelz-Reduktions-Ofen gefüllt wurde und Sauerstoff durch die Sauerstoff-Aufblaslanze 21 zugeführt wurde, wird damit begonnen, Ni-Harz in den Schmelz-Reduktions-Ofen zu füllen. Von dem Augenblick an wo die Metallschmelze in den Schmelz-Reduktions-Ofen eingefüllt wird, wird Rührgas aus der Boden-Blasdüse 24 und der Seiten- Blasdüse 25 in den Schmelz-Reduktions-Ofen geblasen, so daß die Blasdüsen nicht blockiert werden können und die Einblasmenge, wenn erforderlich, erhöht werden kann. Allerdings ist es nicht notwendig, daß das Rührgas aktiv aus der Seiten-Blasdüse 25 während der Schmelz-Reduktion von Ni-Erz eingeblasen wird. Aus der Seiten-Blasduse 25 kann das Rührgas in einer solchen Menge eingeblasen werden, daß die Düse nicht blockiert werden kann. Der Grund dafür ist, daß die Rührwirkung durch das Seiten-Blasgas nicht stark bemerkt wird.
Der Metallgehalt von im allgemeinen verwendetem Ni-Erz ist etwa 20%. Von dem Metallgehalt ist der Ni-Gehait etwa 2 bis 3%. Die übrigen 80% des Metallgehaltes ist Schlacke. Etwa 90 Gewichtsprozent des Ni-Erzes werden in Schlacke umgewandelt, wobei andere Schlackekomponenten als die Schlackekomponenten in Ni-Erz zu der oben erwähnten Schlacke als Flußmittel zugesetzt werden. 2 bis 3 Tonnen Schlacke werden demnach produziert, um eine Metallschmelze mit 8 Gewichtsprozent Ni zu erhalten. Da die scheinbare Dichte von Sohlacke aufgrund des in der Schlacke eingesohlossenen CO-Gases oder CO&sub2;-Gases etwa 0,5 bis 1,0 ist, ist das Volumen der Schlacke etwa 10 bis 20 mal größer als jenes der Metallschmelze. Wenn große Mengen an CO-Gas oder CO&sub2;-Gas produziert werden, tritt ein Verschwappen auf. Dies verhindert einen stabilen Ablauf und es kann eine Unterbrechung im Ablauf auftreten und es können Schäden an Apparatur und Maschinerie auftreten.
Unter diesem Gesichtspunkt untersuchten die Erfinder der vorliegenden Erfindung die für das Aufschwappen verantwortlichen Faktoren. Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen einem Nachverbrennungs-Verhältnis im Inneren eines Schmelz-Reduktions-Ofens und der Häufigkeit des Auftretens des Aufschwappens zeigt. Die Versuchsbedingungen waren folgende: Kapazität des Sohmelz-Reduktions-Ofens betrug 7 Tonnen; der Kohlenstoffgehalt (C) betrug 1 bis 2%; die Gesamtmenge an Sauerstoff, die zur Entcarbonisierung und Nachverbrennung zugeführt wurde, war 2500 Nm³/Hr; und das spezifische Gewicht S von Schlacke war 1T/HMT. Nm³ bedeutet ein Gasvolumen in dem Standardzustand von 1 Atmosphäre und 0ºC. Das spezifische Gewicht S von Schlacke ist definiert als das Verhältnis von produzierter Schlacke in Tonnen zu Metallschmelze in Tonnen und wird durch T/HMT dargestellt. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, ist die Häufigkeit des Auftretens von Aufschwappen bei einem Nachverbrennungs- Verhältnis von 0,15 etwa 50%. Dies war eine hohe Häufigkeit. Wenn das Nachverbrennungs-Verhältnis sukzessive gesteigert wurde, indem entweder die Höhe der Lanze verändert wurde oder die aus der Nachverbrennungsdüse zugeführte Gasmenge relativ erhöht wurde, wurde die Häufigkeit des Auftretens von Aufschwappen verringert. Wenn das Nachverbrennungsverhältnis 0,3 oder mehr betrug wurde das Auftreten von Aufschwappen im wesentlichen nicht mehr beobachtet.
Da die produzierte Energie zunahm, wenn das Nachverbrennungsverhältnis erhöht wurde, wurde in diesem Zusammenhang die Einfüllmenge an kohlenstoffhaltigem Material erniedrigt und die produzierte Menge CO-Gas vermindert, so daß kein Aufschwappen mehr auftrat. Die durch die Nachverbrennung erzeugte Hitze (CO + O -> CO&sub2;) war etwa 2,5 mal so groß wie die durch die Entcarbonisierung (C + O -> CO) erzeugte Hitze. In Fig. 4 gibt die Abszissenachse den Durchfluß von Boden-Blasgas pro Tonne Metallschmelze an. Wenn die Menge an Boden-Blasgas erhöht ist, ist die Häufigkeit des Auftretens von Aufschwappen erniedrigt. Die Häufigkeit des Auftretens von Aufschwappen wird vermindert, da diese Hitze wirksam auf die Metallschmelze übertragen wurde, indem die Menge des Boden-Blasgases erhöht wurde, und eine größere Wirkung des Ansteigens des Nachverbrennungs- Verhältnisses demonstriert wurde. Die Menge an Boden-Blasgas sollte bei 0,4 Nm³/min pro Tonne Metallsohmelze liegen. Die Testbedingungen von Fig. 4 sind die gleichen wie jene von Fig. 3.
Die Fig. 3 und 4 sind graphische Darstellungen, die Testergebnisse zeigen, die unter der Bedingung eines spezifischen Gewichtes der Schlacke von 1T/HMT erhalten wurden. Es wurde erwartet, daß im Fall eines erhöhten spezifizierten Gewichtes S der Schlacke in diesem Versuch das Auftreten des Aufschwappens in Relation zum Kohlenstoffgehalt [C] in der Metallschmelze stand. Die bei einer entsprechenden Untersuchung erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Kohlenstoffgehalt [C] in der Metallsohmelze und dem spezifischen Gewicht von Schlacke relativ zum Aufschwappen angibt. Das Nachverbrennungs-Verhältnis zu dieser Zeit betrug 3 oder mehr. Symbol zeigt, daß kein Aufschwappen auftrat und stabiler Betrieb durchgeführt wurde. Symbol X zeigt, daß Aufschwappen auftrat und ein instabiler Betrieb durchgeführt wurde. Eine Zone stabilen Betriebs, wo kein Aufschwappen auftrat, ist mit einer Begrenzungslinie, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt wird, gezeigt. In der graphischen Darstellung von Fig. 5 kann diese Begrenzungslinie durch den folgenden relationalen Ausdruck dargestellt werden:
S(T/HMT) = 3 [C] (%).
Entsprechend kann eine Zone mit stabilem Betriebsablauf, wo kein Aufschwappen auftritt, durch den folgenden relationalen Ausdruck dargesteiit werden:
S (T/HMT) ≤ 3 [C] (%)
Nach Beendigung der Schmelz-Reduktion von Ni-Erz, wie sie oben beschrieben wurde, wird die Schlacke aus dem Schmelz-Reduktions-Ofen entnommen. Dann wird die Metallschmelze entphosphort und entschwefelt. 5,9 Tonnen Metallschmelze wurde entphosphort, indem 507 kg Kalk, 70 kg Fluorit, 70 kg Sinter und 206 kg Koks in den Schmelz-Reduktions-Ofen gefüllt wurden und Sauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze in die Metallschmelze geleitet wurden. 0,45 Gewichtsprozent Phosphor [P] in der Metallschmelze wurden auf 0,005 Gewichtsprozent reduziert.
Anschließend wurde die Schlacke aus dem Schmelz-Reduktions-Ofen entnommen und die Metallschmelze entschwefelt. 5,9 Tonnen Metallschmelze wurden entschwefelt, indem 15,2 kg Kalk, 10 kg Fluorit, 10 kg Siliciumdioxid und 526 kg Koks in den Schmelz-Reduktionsofen geführt wurden und Sauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze zugeführt wurden. Durch diese Entschwefelung wurde 0,6 Gewichtsprozent Schwefel (S) in der Metallschmelze auf 0,04 Gewichtsprozent reduziert.
Fig. 6 (A) in Fig. 6 (B) zeigen speziell ein Beispiel des Verfahrens der Schmelzreduktion von Ni-Erz auf der Basis der oben beschriebenen Ergebnisse. In diesem Beispiel betrug das Nachverbrennungs-Verhältnis 0,3 oder mehr und [C] in der Metallschmelze wurde auf einem konstanten Wert von 1 bis 2 Gewichtsprozent gehalten. Fig. 6 (A) zeigt eine Änderung der Verfahrensschritte, der Temperaturen der Metallschmelze, der Gesamtmenge an zugeführtem Sauerstoff, des Oxidationsgrades der Abgase aus dem Schmelz-Reduktions-Ofen, welcher dem Nachverbrennungs-Verhältnis entspricht, der Menge des eingefüllten Ni-Erzes und der Menge an eingefülltem Koks, im Verlauf der Zeit. Die Zahlen bis entsprechen den Nummern 1 bis 8 in Fig. 5. Im Verfahrensschritt wurden zu Beginn 3,1 Tonnen geschmolzenes Eisen in den Schmelz-Reduktions-Ofen gefüllt (Charge geschmolzenes Eisen I). Dann wurden die Schmelzreduktion in den Schritten 1 bis 3 sowie die Entladung von Schlacke in II bis IV wiederholt durchgeführt. Danach wurden die Entphosphorisierung von Schritt 4 und die Entschwefelung von Schritt 5 ausgeführt. Die Temperatur der Metallschmelze wurde durch das Einfüllen von Koks erhöht, bis die Temperatur der Metallschmelze stieg und 1500ºC überschritt. Die flachen Abschnitte in den graphischen Darstellungen der Mengen an zugeführtem Sauerstoff , die Menge an eingefülltem Ni-Erz und die Menge an eingefülltem Koks stellen 2900 Nm³/Std 120 kg/min bzw. 59 kg/min dar.
Die Schlackenmenge wurde natürlich jedesmal, wenn Schlacke entnommen wurde, erniedrigt. Ein Höchststand der Schlackemenge betrug 4,8 bis 6,2 Tonnen (T), wie in Fig. 6B dargestellt ist. Eine anfängliche Menge von 3,1 Tonnen Metallschmelze in dem Schmelz-Reduktions-Ofen wurde schließlich auf 5,9 Tonnen erhöht, indem Ni-Erz geschmolzen und reduziert wurde und Ni oder Fe zu der Metallschmelze gegeben wurden. In Bezug auf den Gehalt an Ni in der Metallschmelze gilt, daß ein hoher Gehalt von 4,5 Gewichtsprozent Ni bei der ersten Entnahme von Schlacke erhalten wurde und daß der Ni-Gehalt in der Metallschmelze 8,15 Gewichtsprozent betrug, nachdem Ni-Erz dreimal in den Schmelz-Reduktions-Ofen gefüllt worden war.
Das Verfahren der Schmelzreduktion von Cr-Erz, das nach Beendigung der Schmelzreduktion, Entsphosphorung und Entschwefelung von Ni-Erz wie oben beschrieben durchgeführt wird, wird nun näher beschrieben. Cr-Erz, kohlenstoffhaltiges Material und Flußmittel werden in die Metallschmelze in dem Schmelz-Reduktions-Ofen gegeben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Cr-Erz als Cr-Material beschränkt, aber hier wird der Fall der Verwendung von Cr-Erz als Cr-Quelle beschrieben. Wie im Fall der Schmelzreduktion von Ni-Erz wird Sauerstoff aus der Sauerstoff- Aufblaslanze und der Nachverbrennungs-Düse in den Schmelz-Reduktions-Ofen geblasen, und Rührgas wird aus der Boden-Blasdüse 24 vom ersten Schritt bis zum letzten Schritt der Schmelz-Reduktionsbehandlungen von Cr-Erz eingeblasen. Während der Schmelzreduktion von Cr-Erz wird das Rührgas aus der Seitenblasdüse 25 zusätzlich zu dem Einblasen des Rührgases aus der Boden-Blasdüse 24 geblasen.
Die Verwendung von Sauerstoff als Rührgas, das aus der Seiten- Blasdüse 25 eingeblasen wird, ist wie im Fall des Boden-Blasgases nicht erwünscht. Wenn Sauerstoff als das Seiten-Blasgas verwendet wird, reagiert C in der Metallschmelze, welche durch das Rührgas mit Schlacke vermischt worden ist, mit Sauerstoff und dies verhindert die Reduktion von Cr-Erz. Darüber hinaus tritt wie im Fall der Boden-Blasdüse das Problem von Schäden bei der Feuerfestigkeit auf.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens der Schmelzreduktion von Cr-Erz unter Verwendung des Schmelz-Reduktions-Ofens, der in Fig. 1 gezeigt ist. Da Chromoxid ein schwer zu schmelzendes Chromerz ist, wird ein Anwachsen der Reduktionsrate von Cr nicht erwartet, wenn Chromoxid reduziert wird, nachdem Cr-Erz geschmolzen worden ist. Um die Reduktion von Cr-Erz mittels C in der Metallschmelze aktiv zu fördern, wird Rührgas aus der Seiten-Blasdüse 25 in den unteren Abschnitt der Schlackeschicht 11, wo Cr-Erz suspendiert ist, eingeblasen. Cr-Erz wird mit der Metallschmelze vermischt. Die Metallschmelze wird durch ein Zusammenwirken von eingeblasenem Gas aus der Boden-Blasdüse 24 und eingeblasenem Gas aus der Seitenblasdüse 25 mit Schlacke vermischt. Die Reduktionsrate steigt schnell an. In diesem Verfahren wird ein aufgeblähter Teil der Metallschmelze, der in Fig. 7 mit A gekennzeichnet ist, durch Rührgas gebildet, das aus der Boden-Blasdüse 24 zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird Rührgas so zugeführt, daß mindestens ein Teil des Gasflußes aus der Seiten-Blasdüse 25 diesen aufgeblähten Teil (A) treffen kann. Die Metallschmelze in dem aufgeblähten Teil (A) wird durch das Seiten-Blasgas in die Schlacke gespritzt. Die scheinbare Dichte von Schlacke ist normalerweise 0,5 bis 1,0. Dementsprechend ist das meiste Cr-Erz in der Schlacke suspendiert, wobei es in dem unteren Abschnitt der Schlackeschicht konzentriert wird. Wenn der aufgeblähte Teil der Metallschmelze (A) durch das Seiten-Blasgas wie oben beschrieben verspritzt wird, wird diese verspritzte Metallschmelze mit dem Cr-Erz in dem unteren Abschnitt der Schlackeschicht 11 vermischt und C reduziert Chromoxid in der verspritzten Metallschmelze mit einer hohen Reduktionsrate.
Cr-Erz wird mit einem Nachverbrennungs-Verhältnis von 0,3 oder mehr bei der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz reduziert. Darüber hinaus kann eine hohe Hitzeübertragungsleistung durch das Zusammenwirken des Boden- Einblasens und des Seiten-Einblasens erhalten werden. Daher kann die Verbrauchseinheit an kohlenstoffhaltigem Material pro Tonne Metallschmelze niedrig begrenzt werden. Da der größte Teil der P-Komponente in der Metallschmelze durch kohlenstoffhaltiges Material in die Metallschmelze eingebracht wird, wird die P-Komponente in der Metallschmelze vermindert, wenn die Menge an eingefülltem kohlenstoffhaltigem Material auf einem niedrigen Niveau gehalten wird. Unter diesem Gesichtspunkt ist das Nachverbrennungs-Verhältnis auf 0,3 oder mehr festgelegt. Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Verbrauchseinheit Koks, der F-Komponenten und der S- Komponenten in der Metallschmelze relativ zur Änderung des Nachverbrennungs-Verhältnisses im Inneren des Schmelz-Reduktions-Ofens. Die Verbrauchseinheit für Koks und P und S in der Metallschmelze wird gesenkt, indem das Nachverbrennungs-Verhältnis auf 0,3 oder mehr eingestellt wird.
Fig. 9 zeigt einen Vergleich der Behandlungszeit der Schmelz- Reduktion bei der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz in der vorliegenden Erfindung mit einer Behandlungszeit, die der in Fig. 10 dargestellten Kontrolle entspricht. Die Behandlungszeit ist die Zeit vom Beginn bis zum Ende der Reduktion. Gemäß einem Kontrollverfahren (1), das in Fig. 10 (A) dargestellt ist, wird feine Kohle und Sauerstoff aus der Aufblaslanze geblasen, und Rührgas wird aus der Boden-Blasdüse eingeblasen. In Fig. 10 (B) ist ein Kontrollverfahren (2) dargestellt, bei dem Sauerstoff aus der Aufblaslanze auf die Schlacke geblasen wird und gleichzeitig Sauerstoff oder Stickstoff aus der Seiten-Blasdüse sowie Stickstoff aus der Boden- Blasdüse eingeblasen wird. Die speziellen Arbeitsbedingungen sind wie folgt: Kontrolle Aufblas-Sauerstoff Boden-Blasstickstoff geschmolzenes Eisen Cr-Erz kohlenstoffhaltiges Material seitlich eingeblasener Stickstoff (bei Beendigung der Reduktion) (aus einer Lanze injiziert) (in den Schmelz-Reduktions-Ofen geschüttet)
Gemäß Fig. 9 betrug die Konzentration von Cr in der Kontrolle (2) nur 6 bis 7 Gewichtsprozent. In der Kontrolle (1) erreichte die Cr- Konzentration 18 Gewichtsprozent, allerdings war eine Behandlungszeit des Cr-Erzes von 120 Minuten notwendig. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelz-Reduktion von Cr erreichte die Cr-Konzentration 18 Gewichtsprozent bei einer Behandlungsdauer von 60 Minuten, was die Hälfte der Behandlungszeit von Kontrolle (1) ist. Dies zeigt eine extrem gute Tauglichkeit der vorliegenden Erfindung bei der Behandlung von Cr-Erz. Fig. 11 zeigt das Ergebnis von Untersuchungen über die Steigerungsrate der Cr- Komponente in der Metallschmelze relativ zur Einfüllrate an reinem Cr in dem erfindungsgemäßen Beispiel. Die Einfüllrate für reines Cr ist eine Einfüllrate für Cr-Erz, welche auf die Menge an reinem Cr umgerechnet ist. In dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz konnte eine hohe Steigerungsrate für Cr im Vergleich zu der Steigerungsrate für Cr in den Kontrollen (1) und (2) erhalten werden. und Δ in Fig. 11 zeigen Werte an, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz erhalten wurden. zeigt einen Wert an, der unter Verwendung von Cr-Erz-Kügelchen mit einer Teilohengröße von 10 mm als Cr-Material erhalten wurden. Δ zeigt einen Wert an, der bei Verwendung von Cr-Erz mit einem Teilchendurchmesser von 1 mm oder weniger erhalten wurde.
Nachdem Cr-Erz wie oben beschrieben reduziert worden ist, wird Schlacke entnommen und die Metallschmelze, die Cr und Ni enthält, wird sukzessiv einer Entcarbonisierungsbehandlung in dem gleichen Ofen unterworfen. Die Entcarbonisierungsbehandlung wird durch Einblasen von Sauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze und gleichzeitiges Einblasen von Rührgas aus den im Schmelz-Reduktions-Ofen angebrachten Düsen in den Schmelz-Reduktions-Ofen durchgeführt. In diesem Fall wird vorzugsweise nicht reiner Sauerstoff sondern mit einem Inertgas verdünnter Sauerstoff eingeblasen. Diese Entcarbonisierungsbehandlung wird bei Atmosphärendruck unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Sauerstoff wird ausschließlich aus der Aufblaslanze 21, aber nicht aus der Boden-Blasdüse eingeblasen.
Nicht reiner Sauerstoff sondern durch Inertgas verdünnter Sauerstoff wird durch die Aufblaslanze 21 zugeführt.
Die Metallschmelze wird durch Einblasen von Inertgas aus der Boden-Blasdüse 24 stark gerührt.
Die Gründe für die oben beschriebenen Bedingungen bis werden nun beschrieben. In der ADD-Methode, die vorher bekannt war, wird ein Verfahren angewendet, bei dem Sauerstoff aus einer Düse am Boden des Ofens eingeblasen wird. Nach den Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß der vom Boden eingeblasene Sauerstoff ein Grund für den Anstieg des Cr-Verlustes durch Sauerstoff ist. D.h., da der statische Druck von geschmolzendem Stahl durch den vom Boden eingeblasenen Sauerstoff erhöht wird und der Partialdruck von CO erhöht wird, wird eine Entcarbonisierungsreaktion verhindert. Folglich wird kein vom Boden eingeblasener Sauerstoff nach der vorliegenden Erfindung aus der Aufblaslanze 21 zugeführt.
Es wurde allerdings eingesehen, daß der Verlust an Cr durch Oxidation nicht durch das alleinige Einblasen von Sauerstoff aus der Aufblasdüse in geeigneter Weise verhindert werden kann. Als Grund dafür wird folgendes angenommen. Eine Entcarbonisierungsreaktion erfolgt am heftigsten am "fire spot", der durch aus der Aufblaslanze zugeführten Sauerstoff entsteht. Der Partialdruck von CO in diesem Abschnitt steigt sehr stark an, wenn nur Sauerstoff zugeführt wird. Als Ergebnis wird die Entcarbonisierungsreaktion verhindert und Cr durch Sauerstoff oxidiert. Daher wird in der vorliegenden Erfindung Sauerstoff, der mit einem Inertgas (N&sub2;, Ar oder dergleichen) verdünnt ist aus der Aufblaslanze geblasen und die Entcarbonisierungsreaktion wird durch eine Erniedrigung des Partialdruokes von CO am "fire spot" gefördert. Um die Zeit der Entcarbonisierungsbehandlung zu verkürzen wird vorteilhafterweise eine große Gasmenge aus der Aufblaslanze eingeblasen. In der vorliegenden Erfindung wird Inertgas aus der Boden-Blasdüse 24 eingeblasen, um die Metallschmelze zu rühren und so ein Vermischen der Metallschmelze mit dem aus der Aufblaslanze eingeblasenen Sauerstoff zu fördern. Eine wirksame Entcarbonisierungsbehandlung mit einer Begrenzung des Cr-Verlustes durch Oxidation kann durch eine Kombination von starkem Rühren mittels Inertgas aus der Boden-Blasdüse und dem Aufblasen von Sauerstoff, der mit Inertgas verdünnt ist, aus der Aufblaslanze realisiert werden.
Eine große Menge Inertgas ist erforderlich, um die Metallschmelze in dem Schmelzreduktionsofen stark zu rühren. Zur Begrenzung des Cr-Verlustes durch Oxidation auf 1% oder weniger ist es erforderlich, Inertgas mit 0,5 Nm³/min oder mehr pro Tonne Metallschmelze einzublasen. Um den Cr-Verlust durch Oxidation auf 0,5% oder weniger zu begrenzen ist es erforderlich Inertgas bei Nm³/min oder mehr pro Tonne Metallschmelze einzublasen. Wenn allerdings eine überschüssige Menge an Gas eingeblasen wird, kann die Metallschmelze spritzen. Daher wird in der vorliegenden Erfindung Boden- Blasgas bei 0,5 bis 5 Nm³/min, vorzugsweise bei 1 bis 3 Nm³/min pro Tonne Metallschmelze eingeblasen.
Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Menge Boden-Blasgas und dem Verlust an Cr durch Oxidation in dem erfindungsgemäßen Entcarbonisierungsverfahren. Sauerstoff wird wirksam eingesetzt indem eine große Gasmenge aus der Boden-Blasdüse geblasen wird und damit wird der Verlust an Cr durch Oxidation in geeigneter Weise begrenzt.
Zum Vergleich wird die Beziehung zwischen der Menge an Boden-Blasgas und dem Cr-Verlust durch Oxidation in dem Entcarbonisierungsverfahren des Standes der Technik gezeigt. In einer Methode wie z.B. der AOD-Methode oder dergleichen ist z.B. das Verhältnis Cr-Verlustes durch Oxidation zu der Menge Boden-Blasgas sehr groß.
Es ist sehr wirksam, die Menge an zugeführtem Sauerstoff mit einer Verminderung von Kohlenstoff [C] in der Metallschmelze bei dem oben beschriebenen Entcarbonisierungsverfahren zu verringern, um so den Cr- Verlust durch Oxidation in noch geeigneterer Weise zu verhindern. Allerdings ist eine Verminderung der Menge an zugeführtem Sauerstoff durch die gleiche Düse bei der Zufuhr von Sauerstoff unter Verwendung der Aufblaslanze im Hinblick auf einen Abfall des Blasdruckes begrenzt. Daher kann die zugeführte Sauerstoffmenge nur auf die Hälfte der maximalen Gaszufuhrmenge verringert werden. In Anbetracht des oben beschriebenen Problems wird vorzugsweise der Anteil an Inertgas zur Verdünnung von Sauerstoff in dem Aufblasgas im Verlauf des Einblasens und mit fortschreitender Entcarbonisierung sukzessive erhöht, wodurch die zugeführte Sauerstoffmenge verringert werden kann, ohne des Blasdruck übermäßig zu erniedrigen. Die Erhöhung der Inertgasmenge und die Verminderung von zugeführtem Sauerstoff kann sukzessive oder Schritt für Schritt erfolgen. Ein spezielles Verfahren für dieses Einblasen von Gas wird nun beschrieben. Mit Inertgas verdünnter Sauerstoff wird aus der Aufblaslanze eingeblasen. Die aus der Aufblaslanze eingeblasene Gasmenge wird bei 3 Nm³/min pro Tonne Metallschmelze konstant gehalten. Die zugeführte Sauerstoffmenge wird in Übereinstimmung mit dem Kohlenstoffgehalt in der Metallschmelze verändert.
C: 3% oder mehr 3 Nm³/min pro Tonne Metallschmelze
C: von weniger als 3% bis 2% 2 bis Nm³/min pro Tonne Metallschmelze
C: weniger als 2% bis 0,5% 1 bis Nm³/min pro Tonne Metallschmelze
C: weniger als 0,5% 1 Nm³/min pro Tonne Metallschmelze
Der Kohlenstoffgehalt in der Metallschmelze, die der Entcarbonisierungsbehandlung unterworfen wird, kann durch die Annahme, die auf einer akkumulierten Menge Blassauerstoff basiert, oder durch die Messung der Erstarrungstemperatur der Metallschmelze, von der während der Entcarbonisierungsbehandlung Proben entnommen wurden, herausgefunden werden. In einem speziellen Beispiel, das den Cr-Verlust durch Oxidation während der Entcarbonisierungsbehandlung trifft, indem die gleichen Betriebsbedingungen wie in den Schritten der in Fig. 14 gezeigten Betriebsverläufe angewendet wurden, und welches später beschrieben wird, verminderte sich der Kohlenstoffgehalt [C] in der Metallschmelze von 6,7% auf 0,038% für etwa 40 Minuten, indem die Metallschmelze der Entcarbonisierungsbehandlung unterworfen wurde. Obwohl die Metallschmelze auf einen niedrigen Kohlenstoffgehalt entoarbonisiert worden war, war der Cr-Verlust durch Oxidation etwa 0,5%. Dieser Wert war sehr niedrig. Die Metallschmelze wurde unter den oben beschriebenen Bedingungen entcarbonisiert, indem der Entcarbonisierungs-Level verändert wurde und die Beziehung des Entcarbonisierungslevels zu dem Cr-Verlust durch Oxidation studiert wurde. Fig. 13 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse mit den Kontrollen (die AOD-Methode und die LD-OB-Methode).
Aus dem erfindungsgemäßen Beispiel geht hervor, daß der Cr-Verlust durch Oxidation selbst bei niedrigem Kohlenstoffgehalt auf ein ausreichend niedriges Niveau begrenzt wurde.
Fig. 14 (A) und Fig. 14 (B) zeigen spezielle Beispiele für günstige Abläufe des Verfahrens der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz und den Entcarbonisierungsprozeß, welche nach der Schmelz-Reduktion von Ni-Erz ausgeführt wurden. Diese Figuren zeigen die Prozesse, welche im Anschluß an die Entphosphorung und Entschwefelung in den Verfahrensschritten im Verfahren der Schmelz-Reduktion von Cr-Erz, die in den Figuren 6 (A) und 6 (B) gezeigt sind, folgen. Fig. 14 (A) zeigt die Änderung der Verfahrensschritte, des Gehalts an Kohlenstoff und Cr in der Metallschmelze und der Metallschmelze im Laufe der Zeit. Fig. 14 (B) zeigt die Änderung der Verfahrensschritte, der Menge an Sauerstoff und Inertgas, die aus der Lanze eingeblasen werden, der Höhe der Lanze, der Menge an Boden-Blasgas, der Menge an Seiten-Blasgas, der Menge an eingefülltem Cr-Erz und der Menge an eingefülltem Koks. Die Nummern bis entsprechen den Nummern 1 bis 9 von Fig. 14 (A) und Fig. 14 (B).
Im Verfahrensschritt wird die Herstellung von Schlacke und die Erhöhung der Temperaturen, nach der Entnahme von Schlacke (1) wird die Schmelz-Reduktion von Cr-Erz in Schritt 2 und die End-Reduktion in Schritt 3 durchgeführt. Außer der in Schritt 1 bis 3 aus der Lanze eingeblasenen Sauerstoffmenge ist die Menge an Nachverbrennungs-Sauerstoff mit schrägen Linien und die Menge Entcarbonisierungssauerstoff mit einem freien Abschnitt dargestellt. Die Entcarbonisierung in Schritt 4, welcher der Entnahme von Sohlacke (11) folgt, wird sukzessive durchgeführt. Die Menge an Sauerstoff und N&sub2;, die während der Entcarbonisierung aus der Lanze geblasen werden, sind mit einem freien Abschnitt bzw. gestrichelten Linien dargestellt.
Nachfolgend wird der Gesamteffekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Da Sauerstoff zur Entcarbonisierung und Nachverbrennung in einen Schmelz-Reduktions-Ofen geblasen wird, in welchem geschmolzenes Eisen, Ni-Erz, kohlenstoffhaltiges Material und dergleichen geführt sind, und Rührgas aus dem Boden des Schmelz-Reduktions-Ofens geblasen wird, wodurch ein Nachverbrennungs-Verhältnis von 0,3 oder mehr hergestellt wird, tritt kein Aufschwappen auf. Daher kann ein stabiler Ablauf erfolgen und die Ni-Ausbeute von 90% oder mehr kann gesichert werden. Danach wird Cr- Material geschmolzen und reduziert, indem Rührgas aus Blasdüsen, die in den Schmelz-Reduktions-Ofen eingebaut sind, in den Schmelz-Reduktions-Ofen eingeblasen wird und die Metallschmelze rührt. Daher kann die Reduktionsrate für das Cr-Material stark erhöht werden und die Schmelz Reduktion des Cr-Materials kann in kurzer Zeit wirksam durchgeführt werden. Da Sauerstoff aus der Aufblaslanze in den Schmelz-Reduktionsofen geblasen wird und gleichzeitig Rührgas bei einer Entcarbonisierungsbehandlung der Metallschmelze eingeblasen wird, ist der Cr-Verlust durch Oxidation vermindert. Da die beschriebenen Schritte von der Schmelz-Reduktion zu der Entcarbonisierung in dem gleichen Schmelz-Reduktions-Ofen durchgeführt werden, kann darüber hinaus die Herstellung von rostfreiem Stahl durch die Verwendung von Ni-Erz und Cr-Erz als Materialien mit einer einfachen Ausstattung und einer Kurzzeitbehandlung bei hoher Produktivität und niedrigen Kosten durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Metallschmelze, die Ni und Cr enthält, umfassend

- ein Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz, wodurch eine Nihaltige Metallschmelze (12) hergestellt wird, und

- ein Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Cr-Erz, nachdem die Ni- haltige Metallschmelze hergestellt worden ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz folgende Schritte beinhaltet:

- Beschicken eines Schmelz-Reduktions-Ofens (10), der eine Sauerstoff- Aufblaslanze (21) mit einer Entcarbonisierungsdüse (22) sowie eine Nachverbrennungsdüse (23) und Blasdüsen zum Einblasen von Rührgas aufweist, mit geschmolzenem Eisen;

- Einfüllen von Ni-Erz, kohlenstoffhaltigem Material und Flußmittel in den Schmelz-Reduktions-Ofen;

- Einblasen von Entcarbonisierungssauerstoff und Nachverbrennungssauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze in den Schmelz-Reduktionsofen;

- Einblasen von Rührgas aus den Blasdüsen zum Rühren der Metallschmelze und Schlacke im Inneren des Schmelz-Reduktionsofens; und

- Einstellen des Nach-Verbrennungs-Verhältnisses ((H&sub2;O + CO&sub2;)/(H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)) auf 0,3 oder mehr;

das Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Cr-Erz folgende Schritte beinhaltet:

- Einfüllen von Cr-Erz, kohlenstoffhaltigem Material und Flußmittel in den Schmelz-Reduktionsofen, der die Ni-haltige Metallschmelze, welche durch das Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz hergestellt worden ist, enthält;

- Einblasen von Entcarbonsierungssauerstoff und Nachverbrennungssauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze in den Schmelz-Reduktionsofen;

- Einstellen des Nach-Verbrennungs-Verhältnisses [(H&sub2;O + CO&sub2;)/(H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)] auf 0,3 oder mehr.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz außerdem den Schritt der Steuerung der Relation zwischen Kohlenstoffgehalt [(C) (%)] in der Metallschmelze und dem Verhältnis produzierte Schlacke, in Tonnen, zu Metallschmelze, in Tonnen, (S(T/HMT)], so daß folgende Gleichung erfüllt ist: S(T/HMT ≤ 3(C) (%)

worin C Kohlenstoff darstellt,

S das Verhältnis produzierte Schlacke in Tonnen (T) zu Metallschmelze in Tonnen (HMT) darstellt,

T Schlacke in Tonnen darstellt,

HMT Metallschmelze in Tonnen darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührgas in dem Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz aus einer Boden- Blasdüse (24), die im Boden des Schmelz-Reduktionsofens angeordnet ist, eingeblasen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührgas mit 0,4 Nm³/min oder mehr pro Tonne Metallschmelze eingeblasen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff-Aufblaslanze im Verfahren des Sohmelzens und Reduzierens von Ni- Erz so gesteuert wird, daß ein Ende der Sauerstofflanze in einer Schlackeschicht (11) sein kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff-Aufblaslanze in dem Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Cr-Erz so gesteuert wird, daß das Ende der Sauerstofflanze in einer Schlackeschicht (11) sein kann.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührgas in dem Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Cr-Erz so eingeblasen wird, daß mindestens ein Teil des Rührgases einen aufgeblähten Teil der Metallschmelze, der durch Rührgas aus einer vom Boden Blasdüse (24) produziert wird, trifft.

8. Vefahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührgas mit 0,5 bis 5 Nm³/min pro Tonne Metallschmelze aus der Boden-Blasdüse geblasen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrgas mit 1 bis 3 Nm³/min aus der vom Boden blasenden Blasdüse geblasen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührgas in dem Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Ni-Erz mindestens ein aus der aus CO, N&sub2; und Ar bestehenden Gruppe ausgewähltes Gas ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührgas in dem Verfahren des Schmelzens und Reduzierens von Cr-Erz mindestens ein aus der aus CO, N&sub2; und Ar bestehenden Gruppe ausgewähltes Gas ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem einen Entphosphorungsprozeß und einen Entschwefelungsprozeß beinhaltet, wobei der Entphosphorungsprozeß

- eine Entnahme von Schlacke nach der Herstellung von Ni-haltiger Metallschmelze im Verfahren der Schmelzreduktion von Ni-Erz;

- ein Einfüllen von Kalk, Fluorit, Sinter und kohlenstoffhaltigem Material in den Schmelz-Reduktionsofen; und

- Einblasen von Sauerstoff aus der Sauerstoffaufblaslanze umfaßt; der Entschwefelungsprozeß

- eine Entnahme von Schlacke und Einfüllen von Kalk, Fluorit, Sinter und kohlenstoffhaltigem Material in den Schmelz-Reduktionsofen; und

- Einblasen von Sauerstoff aus der Sauerstoff-Aufblaslanze umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner einen Prozeß zum Entcarbonisieren einer Metallschmelze, die Ni und Cr enthält, beinhaltet, wobei der Entcarbonisierungsprozeß

- Einblasen von mit Inertgas verdünntem Sauerstoff aus der Sauerstoff- Aufblaslanze und

- Einblasen von Rührgas zum Rühren von Metallschmelze und Schlacke im Inneren des Schmelz-Reduktionsofens aus den Blasdüsen, umfaßt.