DE69020596T2

DE69020596T2 - Verfahren zur Schmelzreduktion von Nickelerzen.

Info

Publication number: DE69020596T2
Application number: DE69020596T
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: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: EP0384395B1; AU625723B2; EP0384395A2; CA2010357C; CA2010357A1; KR930001129B1; KR900013093A; AU4930990A; ATE124728T1; CN1045129A; EP0384395A3; CN1021347C; DE69020596D1; TW223661B; JPH02221336A; US5017220A; BR9000777A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur direkten Schmelzreduktion von Nickelerz in einem Schmelzreduktionsofen, bei dem kohlenstoffhaltiges Material als Brennstoff oder Reduktionsmittel eingesetzt wird.
Früher verwendete man zur Herstellung nicht-rostenden Stahls beim Schmelzen und Frischen Stoffe, wie Schrott, Eisenlegierungen, Elektrolytnickel und dergleichen. Diese Stoffe werden in einem elektrischen Ofen oder Konverter geschmolzen. Man gibt Chrom und Nickel, die grössere Bestandteile nicht-rostenden Stahls sind, in Form von Ferrochrom oder Ferronickel in den Elektroofen oder Konverter. Es ist erforderlich, das Chrom- oder Nickelerz zuvor in einem Elektroofen oder dergleichen zu reduzieren, um Ferrochrom oder Ferronickel herzustellen. Man muss teure elektrische Energie aufwenden, um das Chrom- und Nickelerz zu reduzieren. Dementsprechend ist ein Verfahren, in dem Ferrochrom und Ferronickel eingesetzt werden, nicht wirtschaftlich. Mit Hinsicht auf die oben beschriebenen Verhältnisse wurde ein Verfahren vorgeschlagen, in dem Chromerz als Chromquelle benutzt wird, um wirtschaftlich nicht-rostenden Stahl zu produzieren und bei dem man das Chromerz in einem Konverter oder anderen Schmelzofen schmilzt und reduziert.
Andererseits werden vier Verfahren, die kostengünstige Stoffe als Nickelquelle verwenden, angegeben und wie folgt beschrieben. Im ersten Verfahren setzt man das geschmolzene FeNi-Metall direkt im Elektroofen mit der Absicht ein, die Kosten zum Schmelzen von FeNi zu verringern. Dieses Verfahren ist in der Zeitschrift "Iron and Steel" [69 (1983) 7, Seite 59] erläutert. Das zweite Verfahren ist ein Verfahren zum Schmelzen und Reduzieren von Nickelrohstein in einem Konverter und ist in der JP-OS 104153/83 offenbart. Das dritte Verfahren ist in der JP-OS 36613/85 offenbart. In diesem Verfahren wird Nickeloxid mit kohlenstoffhaltigen Stoffen gemischt, das so erhaltene Gemisch erhitzt und vorreduziert und mit dem vorreduzierten Gemisch ein konverterartiges Reaktionsgefäss beschickt in dem es geschmolzen und reduziert wird. Das vierte Verfahren ist ein Verfahren, in dem Nickeloxid eingesetzt wird (JP-OS 291911/86)
In den oben zitierten Schriften schmilzt und reduziert man Nickelerz jedoch nicht direkt im Schmelzofen. Da Nickelerz nur einen niedrigen Gehalt von 2 bis 3 % Nickel hat und 80 % des Gewichts des Nickelerzes zu Schlacke umgesetzt werden, fällt eine grosse Schlackenmenge bei der Schmelzreduktion des Nickelerzes an. Falls man dementsprechend versucht, geschmolzenes Metall mit einer festgelegten Konzentration an Nickel zu erhalten, wird eine grosse Menge Schlacke produziert. Für den Fall eines geschmolzenen Metalls, das 8 Gew.% Nickel enthält, fallen z.B. 2 bis 3 Tonnen Schlacke pro Tonne geschmolzenen Metalls an. US-A-4 522 650 offenbart ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, geht jedoch das Problem des Schlackenauswurfs nicht an. Im Zusammenhang mit der Bildung grosser Schlackenmengen sind die folgenden Probleme zu bemerken.
(1) Für den Schlackenauswurf ist eine Reaktion von Sauerstoff mit dem kohlenstoffhaltigen Material verantwortlich, mit dem der Schmelzreduktionsofen als Reduktionsmittel oder Wärmequelle beim Schmelzreduzieren beschickt wird. Es wird folglich schwierig, das Verfahren stabil zu führen; der Prozess wird daher instabil.
(2) Die Anlage wird durch den Schlackenauswurf stark beschädigt und
(3) durch den Schlackenauswurf nimmt die Nickelausbeute ab.
Mit Hinsicht auf die erwähnten Probleme beschickt man in den oben zitierten Schriften den Schmelzreduktionsofen nicht direkt mit dem Nickelerz als Nickelquelle, sondern man setzt ein Material ein, dessen Nickelgehalt prozentual dadurch erhöht wurde, dass man es einer Vorbehandlung unterzogen hat.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Schmelzreduktion von Nickelerz bereitzustellen, das eine stabile Verfahrensführung trotz des Anfalls grosser Schlackenmengen ermöglicht und Probleme wegen des Schlackenauswurfs, wie Schäden an Anlagen und Maschinen, und Sinken der Nickelausbeute überwindet.
Um das oben erwähnte Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Schmelzreduktion von Nickelerz vor, das umfasst:
Beschicken eines konverterartigen Schmelzreduktionsofens, der geschmolzenes Eisen enthält, mit Nickelerz, kohlenstoffhaltigem Material und Flussmittel; und
Einstellen des Nachverbrennungsquotienten [(H&sub2;O + CO&sub2;)/ (H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)] in besagtem Schmelzreduktionsofen auf 0,3 oder mehr, indem man in den besagten Schmelzreduktionsofen Sauerstoff von einer Sauerstoffaufblaslanze aus einbläst und Gas von einer Bodendüse aus, die im Boden des besagten Schmelzreduktionsofens angeordnet ist, einrührt. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen genauer ausgeführt.
Obige Ziele und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen offensichtlich.
FIG. 1 ist ein vertikaler Querschnitt eines Schmelzreduktionsofens, der für ein Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
FIG. 2 ist eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem Nachverbrennungsquotienten und der Häufigkeit des Vorkommens des Schlackenauswurfs gemäss der vorliegenden Erfindung anzeigt
FIG. 3 ist eine grafische Darstellung, in der das Verhältnis zwischen Kohlenstoffgehalt und relativem Gewicht der Schlacke gemäss der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit davon aufgetragen ist, ob ein Schlackenauswurf vorliegt oder nicht; und
FIG. 4 ist eine grafische Darstellung, die eine Veränderung der Verfahrensparameter bezüglich der Zeit gemäss dem Beispiel der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
Das Nickelerz, das man üblicherweise als Ausgangsstoff für Nickel einsetzt, enthält ungefähr 30 Gew.% Eisen- und Nickeloxide. Im Nickelerz sind 2 bis 3 Gew.% Nickel enthalten. Die Eisen- und Nickeloxide nicht miteingerechnet beträgt der Schlackenanteil 70 Gew.% des Nickelerzes. Die geschmolzene Schlacke im Schmelzreduktionsofen wird aus dem Schlackenanteil im Nickelerz und dem Schlackenanteil, der im kohlenstoffhaltigen Material, Flussmittel und dergleichen enthalten ist, gebildet. Die Menge an geschmolzener Schlacke entspricht ungefähr 90 % des Gewichts des Nickelerzes. Dementsprechend fallen bei der Gewinnung geschmolzenen Metalls, das ungefähr 8 % Nickel enthält, 2 bis 3 Tonnen Schlacke pro Tonne geschmolzenen Metalls an. Da die Schüttdichte der Schlacke, abhängig vom Gehalt an CO- oder CO&sub2;- Gas, bei 0,5 bis 1,5 liegt, wird das Volumen der Schlacke ungefähr 20 mal grösser als das des geschmolzenen Metalls. Wenn die Menge an produziertem CO oder CO&sub2; gross ist, kommt es zum Schlackenauswurf. Dies verhindert folglich eine stabile Verfahrensführung. Ausserdem können in Verbindung mit dem Schlackenauswurf die Unterbrechung des Verfahrens, Schäden an der Anlage und das Auslaufen geschmolzenen Metalls zu einer Verringerung der Nickelausbeute führen.
Mit Hinsicht auf die oben erwähnten Schwierigkeiten untersuchten die Erfinder Methoden, um den Schlackenauswurf zu verhindern oder sein Auftreten zu begrenzen. Im geschmolzenen Metall wird (C) bei der Decarbonisierung mit Sauerstoff zu CO umgesetzt. Bei der Nachverbrennung wird dieses CO-Gas mit Sauerstoff in CO&sub2; überführt. Die Reaktionswärme, die bei dieser Decarbonisierung und Nachverbrennung produziert wird, ist eine wichtige Wärmequelle für die Schmelzreduktion des Nickelerzes. Man verstärkt die Durchmischung von geschmolzenem Metall und Schlacke dadurch, dass man von der Unterseite aus Gas zum Rühren einbläst und fördert die besagte Oxidation von (C) und CO. Je höher der Oxidationsgrad des Abgases aus dem Schmelzreduktionsofen ist, desto grösser wird auch die Menge an erzeugter Wärme. In diesem Zusammenhang kann man die Menge an kohlenstoffhaltigem Material, mit dem man den Schmelzreduktionsofen beschickt, verringern. Da man dementsprechend auch die Menge an CO- und CO&sub2;-Gas, die eine der Gründe ist, die zum Schlackenauswurf führt, verringert, kann man davon ausgehen, dass auch die Häufigkeit, mit der es zum Schlackenauswurf kommt, stark reduziert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll mit Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Fig. 1 zeigt den Schmelzreduktionsofen (10) als bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In den Zeichnungen bezeichnet die Ziffer (21) eine Sauerstoffaufblaslanze, (22) eine Decarbonisierungsdüse, (23) eine Nachverbrennungsdüse, (24) eine Bodendüse, (11) geschmolzenes Metall, (12) eine Schlackenschicht, (25) einen Fülltrichter zum Beschicken des Schmelzreduktionsofens mit Nickelerz, kohlenstoffhaltigem Material oder Flussmittel und (26) ein Rohr zum Zuführen von Rührgas.
Es soll eine Methode beschrieben werden, bei der geschmolzenes Metall mit einer festgelegten Nickelkonzentration durch die Schmelzreduktion von Nickelerz und durch den Einsatz eines Schmelzreduktionsofens, der wie oben beschrieben beschaffen ist, gewonnen wird. Zuerst wird der Schmelzreduktionsofen mit geschmolzenem Metall beladen. Daraufhin beschickt man den Schmelzreduktionsofen mit kohlenstoffhaltigem Material. Dann wird von der Sauerstofflanze (21) aus Sauerstoff in den Ofen geblasen. Nachdem die Temperatur des geschmolzenen Metalls auf ungefähr 1500ºC gestiegen ist, beginnt man, den Ofen mit dem Nickelerz zu beladen. Rührgas wird von der Düse (24) eingeblasen, damit die Düse nicht verstopfen kann, da der Ofen mit geschmolzenem Metall beschickt wurde und, falls notwendig, verstärkt man den Zustrom des Rührgases. Das Nickelerz, mit dem der Ofen beschickt wurde, wird von (C) im geschmolzenen Metall reduziert. Die zum Schmelzen des Nickelerzes notwendige Wärmeenergie liefert die Verbrennung von Kohlenstoff mit Sauerstoff, nämlich die Reaktion C T CO, CO T CO&sub2;. Der Sauerstoff, der aus der Nachverbrennungsdüse (22) angeliefert wird, wird hauptsächlich durch die Reaktion mit (C) des geschmolzenen Metalls zu CO umgesetzt. Der Sauerstoff aus der Nachverbrennungsdüse (23) reagiert mit besagtem CO, das in CO&sub2; übergeht. Der Nachverbrennungsquotient [(H&sub2;O + CO&sub2;)/ (H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)] nimmt zu.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, in der das Verhältnis von Nachverbrennungsquotienten und Häufigkeit, mit der es im Schmelzreduktionsofen zum Schlackenauswurf kommt, aufgetragen ist. Die Testbedingungen hierfür sind 6 Tonnen geschmolzenen Metalls im Schmelzreduktionsofen, ein Kohlenstoffgehalt von 3 bis 4 % im geschmolzenen Metall, eine Gesamtmenge von 2500 Nm³/Stunde an Sauerstoff, der zur Decarbonisierung und zur Nachverbrennung eingesetzt wird, und ein relatives Gewicht der Schlacke von 1 Tonne/Tonnen geschmolzenen Metalls. Als relatives Gewicht der Schlacke bezeichnet man das Verhältnis aus Masse an gebildeter Schlacke in Tonnen zur Masse an geschmolzenem Metall in Tonnen.
Das relative Gewicht der Schlacke wird hier als S bezeichnet und die entsprechende Einheit in T/Tonnen geschmolzenen Metalls ausgedrückt. Wie in Fig. 2 dargestellt, nimmt die Häufigkeit, mit der es zum Schlackenauswurf kommt, um ungefähr 50 % zu, wenn der Nachverbrennungsquotient 0,15 ist. Wird der Nachverbrennungsquotient auf mehr als 0,15 angehoben, nimmt auch die Häufigkeit des Schlackenauswurfs ab. Man steigert den Nachverbrennungskoeffizient, indem man die Position von der der Nachverbrennungssauerstoff eingeblasen wird, durch das Anheben der Lanzenposition erniedrigt. Umgekehrt verringert man, wenn man die Position der Lanze erniedriegt, den Nachverbrennungsquotient. Wenn, dadurch dass man die Menge an zugeführtem Sauerstoff konstant hält, der Gehalt an decarbonisierendem Sauerstoff abnimmt und der Gehalt an nachverbrennendem Sauerstoff zunimmt, steigt der Nachverbrennungskoeffizient. Der Nachverbrennungsquotient nimmt ab, wenn man den Gehalt an decarbonisierendem Sauerstoff steigert und der Gehalt an nachverbrennendem Sauerstoff verringert. Das heisst, wenn man den Gehalt an nachverbrennendem Sauerstoff relativ zum Gehalt an decarbonisierendem Sauerstoff steigert, nimmt der Nachverbrennungsquotient zu. Ist der Nachverbrennungsquotient 0,3 oder grösser, beobachtet man keinen wesentlichen Schlackenauswurf mehr. Ein Nachverbrennungsquotient von 0,35 oder grösser ist wünschenswert. Da mit zunehmendem Nachverbrennungsquotienten mehr Wärme gebildet wird und in diesem Zusammenhang die Menge an kohlenstoffhaltigem Material abnimmt, führt dies zu einer Verringerung des CO-Gehalts. Die damit zusammenhängende Menge an durch Nachverbrennung (CO + O&sub2; T CO) gebildeter Wärme ist ungefähr 2,5 mal grösser als die Wärmemenge, die bei der Decarbonisierung (C + O T CO) entsteht. Fig. 2 zeigt das Ergebnis eines Tests, der bei einem relativen Gewicht der Schlacke von 1 Tonne/Tonnen geschmolzenen Metalls durchgeführt wurde. Fig. 3 stellt das Ergebnis von Studien dar, die davon ausgingen, dass das Auftreten des Schlackenauswurfs in Verbindung steht mit dem Kohlenstoffgehalt (C) im Stahl für den Fall, dass das relative Gewicht der Schlacke zunimmt. Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, in der das Verhältnis von Kohlenstoffgehalt (C) zu relativem Gewicht der Schlacke in Abhängigkeit davon aufgetragen ist, ob ein Schlackenauswurf auftritt oder nicht. Der Nachverbrennungsquotient beträgt hierbei 0,3 oder mehr. In der Grafik zeigt an, dass das Verfahren stabil ohne jeden Schlackenauswurf geführt wurde, und X bezeichnet ein instabiles Verfahren mit Auswurf. Der Bereich, in dem bei der Schmelzreduktion von Nickelerz kein Schlackenauswurf auftrat, wird durch eine gestrichelte Grenzlinie angezeigt. In der Grafik der Fig. 3 wird besagte Grenzlinie durch folgende Beziehung von S zu (C) ausdrückt
(C) (%) = S (T/Tonnen geschmolzenen Metalls)/3
Dementsprechend lässt sich der stabile Verfahrensbereich, in dem es nicht zum Schlackenauswurf kommt, wie folgt beschreiben:

(C) (%) ≥ S (T/Tonnen geschmolzenen Metalls)/3

Man erkennt, dass man das Verfahren selbst im Bereich von (C) (%) ≥ S (T/Tonnen geschmolzenen Metalls)/3 und (C) (%) ≤ 3 stabil führen kann. Man versteht auch, dass eine stabile Verfahrensführung im Bereich (C) (%) ≥ S (T/Tonnen geschmolzenen Metalls)/3 und (C) (%) ≤ 2 möglich ist.
Dadurch dass man gemäss der vorliegenden Erfindung den Nachverbrennungsquotienten auf 0,3 oder mehr einstellt, indem man Sauerstoff zur Decarbonisierung und Nachverbrennung in den Schmelzreduktionsofen, der mit geschmolzenem Metall, Nickelerz, kohlenstoffhaltigem Material und dergleichen beschickt wurde, einbläst, lässt sich das Verfahren stabil führen, ohne dass es zum Auftreten von Schlackenauswurf kommt, bei gleichzeitiger Sicherung einer Nickelausbeute von 90 % oder mehr.

BEISPIEL

Ein spezifisches Beispiel einer günstigen Verfahrensführung soll mit Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben werden. Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die (1) die Folge der Verfahrensschritte, (2) die Temperatur des geschmolzenen Metalls, (3) den Gesamtgehalt an zugeführtem Sauerstoff, (4) und (5) den jeweiligen Gehalt an Nickelerz und Kohle, das als kohlenstoffhaltiges Material dient, (6) das relative Gewicht der Schlacke S und das Gewicht an geschmolzenem Metall (die Werte auf der Ordinate werden in T/Tonnen geschmolzenen Metalls und Tonnen dargestellt) und (7) den Nickelanteil im geschmolzenen Metall in Abhängigkeit von der Zeit zeigt. Die Zahlen (1) bis (7) entsprechen den Nummern in Fig. 4. "Schmelzen" 1 bis 3 im Feld Verfahrensschritte zeigt an, dass man den Schritt der Schmelzreduktion dreimal ausgeführt. (I) bezeichnet die Beladung mit geschmolzenem Metall, (II) bis (IV) die Entnahme von Schlacke, die man dreimal ausführt. Der Nachverbrennungsquotient beträgt 0,3 oder mehr und der Prozentsatz an (C) im geschmolzenen Metall liegt konstant bei 3 bis 4 %.
Bei den Verfahrensschritten (1) beschickt man den Schmelzreduktionsofen zuerst mit 3,1 Tonnen geschmolzenen Eisens und dann führt man Schmelzreduktion des Nickelerzes und Schlackenentnahme dreimal nacheinander durch. Man erhöht die Temperatur (2) des geschmolzenen Metalls, indem man den Schmelzreduktionsofen mit Kohle beschickt und Sauerstoff direkt nach der Beladung mit geschmolzenem Metall zuführt. Wenn die Temperatur des geschmolzenen Metalls 1500ºC übersteigt beschickt man den Schmelzreduktionsofen mit dem Nickelerz.
Die flachen Bereiche der Diagramme, die die Menge zugeführten Sauerstoffs (3), die Beladung mit Nickelerz (4) und die Beladung mit beschickter Kohle (5) darstellen, betragen 2900 Nm³/Stunde, 120 kg/min bzw. 50 kg/min.
Das relative Gewicht der Schlacke S beträgt im Maximum 0,8 bis 1,1 T/Tonnen geschmolzenen Metalls, wie in Fig. 4 dargestellt, wobei das relative Gewicht der Schlacke natürlich jedesmal bei der Entnahme von Schlacke abnimmt. Der Gehalt an geschmolzenem Metall im Schmelzreduktionsofen nimmt von anfänglich 1,3 Tonnen auf 5,9 Tonnen gegen Ende zu, da durch das Schmelzen und Reduzieren des Nickelerzes Ni oder Fe zum geschmolzenen Metall hinzukommt. Mit Hinsicht auf den Nickelanteil (7) im geschmolzenen Metall, gewinnt man bei der ersten Schlackenentnahme geschmolzenes Metall mit einem hohen Gehalt von 4,5 % Nickel und erhöht den Nickelanteil dann auf 8,15 % durch die dritte Beschickung des Schmelzreduktionsofens mit Nickelerz.

Claims

1. Verfahren zur Schmelzreduktion von Nickelerz, das umfasst:

das Beschicken eines konverterartigen Schmelzreduktionsofens (10), der geschmolzenes Eisen (11) beinhaltet, mit Nickelerz, kohlenstoffhaltigem Material und Flussmittel und

das Einblasen von Sauerstoff von einer Sauerstoffaufblaslanze (21) aus und das Einrühren von Gas von einer Bodendüse (24), die im Boden des besagten Schmelzreduktionsofens angeordnet ist, aus in besagten Schmelzreduktionsofen

dadurch gekennzeichnet, dass man den Nachverbrennungsquotienten [(H&sub2;O + CO&sub2;) / (H&sub2; + H&sub2;O + CO + CO&sub2;)] in besagtem Schmelzreduktionsofen auf 0,3 oder mehr einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Einstellen des Verhältnisses aus dem Kohlenstoffgehalt im geschmolzenen Metall [(C) (%)] und aus dem Quotienten aus Tonnen gebildeter Schlacke pro Tonne geschmolzenen Metalls [S (T/Tonnen geschmolzenen Metalls)] derart beinhaltet, dass die folgende Gleichung erfüllt wird:

(C) (%) ≥ S (T/Tonnen geschmolzenen Metalls)/3

worin bedeuten:

C Kohlenstoff,

S den Quotienten aus gebildeter Schlacke in Tonnen (T) pro Tonnen geschmolzenen Metalls (Tonnen geschmolzenen Metalls)

T Tonne.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblasen von Sauerstoff von einer Sauerstoffaufblaslanze aus das Einblasen von Sauerstoff aus einer Decarbonisierungsdüse (22) und aus einer Nachverbrennungsdüse (23) , die am Ende besagter Aufblaslanze angebracht sind, beinhaltet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Menge an Sauerstoff, die von der Decarbonisierungsdüse aus eingeblasen wird, und die Menge an Sauerstoff, die von der Nachverbrennungsdüse aus eingeblasen wird, relativ zueinander ändert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Schmelzreduktionsofen mit Nickelerz beschickt, nachdem man durch Einblasen von Sauerstoff von einer Sauerstoffaufblaslanze aus die Temperatur des geschmolzenen Eisens im Schmelzreduktionsofen auf 1500ºC oder mehr erhöht hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man besagten Nachverbrennungsquotienten durch die Höhe der Aufblaslanze einstellt.