DE69124350T2

DE69124350T2 - Verfahren zum Steuern der Metalloxyd-Rauchentwicklung während der sauerstoffinduzierten Aufteilung eines Körpers, der Metallbestandteile enthält

Info

Publication number: DE69124350T2
Application number: DE69124350T
Authority: DE
Inventors: Curtis Bermel; Creseda L Douglas
Original assignee: Air Liquide America Corp
Current assignee: Air Liquide America Corp
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: ES2099146T3; JPH059514A; AU8890991A; DE69124350D1; EP0490743A3; EP0490743A2; AU641575B2; EP0490743B1; CA2057457A1; US5196072A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Metalloxiddampferzeugung während der sauerstoffinduzierten Teilung eines metallische Anteile enthaltenden Körpers wie Schlacke und/oder Schrott.

Hintergrund:

Schlacke ist ein übliches Nebenprodukt beim Metallfrischen. Alle stahlerzeugenden Verfahren einschließlich des Siemens- Martin-Verfahrens, des Sauerstoff-Aufblas-Verfahrens, des Verfahrens im Lichtbogenofen, der Argon-Sauerstoff-Entkohlung (ASE) und anderer Verfahren produzieren Schlacke bei ihren jeweiligen Frischvorgängen. Auch Metallfrischverfahren wie Aluminiumschmelzen, Kupferschmelzen und die Gebläseofenverfahren produzieren Schlacke. Metallfrischen ist ein Mittel zum Trennen eines speziell gewünschten Metalls von dem unerwünschten oder Abfallprodukt (in Form von Schlacke).
Einer der inhärenten Nachteile beim Frischen ist, daß eine bestimmte Menge schon gefrischter Metallanteile beim Frischverfahren oxidiert wird und sich aus dem Schmelzbad in die Schlacke absetzt. Daher enthalten die meisten Metallfrischschlacken wiederverwertbare Metallanteile oder "Metallics". Metallfrischer haben die Möglichkeit, diese Metallics wiederzuverwerten; diese können dann als Teil einer umfassenden, vollständigen Metallbeschickung bei einem besonderen Frischvorgang verwendet werden.
Es gibt viele Mittel, Schlacke zu sammeln. Siemens-Martin- Hochöfen haben Spülöffnungen, wobei die Mitteltür des Hochofens die Tür zum Spülen ist. Eine Öffnung im Boden erlaubt der aus dem Hochofen austretenden Schlacke, direkt in ein unterhalb liegendes Sammelbecken zu strömen. Nach jedem Erhitzen wird dieses Sammelbecken von Schlacke befreit, indem sie z.B. mit einem Kübel eines Laufkrans ausgeschöpft wird. Die Schlacke wird dann mit mechanischen Mitteln in Schlackebehälter geladen und zu einem Schlackeaufbereitungsort gebracht. Ahnliches gilt für Aluminium- und Kupferschmelzvorgänge und ihre Schlackeabfälle.
Bei Sauerstoff-Aufblas-Öfen strömt Schlacke direkt in einen Schlackebehälter. An Schlackebehältern haftende Schlacke war lange Zeit eine Behinderung für Stahlerzeuger. Über die Jahre hat sich eine weit verbreitete Praxis entwickelt, einen Schlackebehälter zum Gewinnen von Schlacke durch das Schütten von Sand oder Hüttenschmutz oder beidem in den Bodenbereich jedes Behälters so vorzubereiten, daß die Schlacke bei Eintritt in den Behälter reduziert wird und dabei nicht schäumt. Dies hält die Schlacke ebenso davon ab, am tieferen Quadranten des Behälters zu haften. Bei einem im wesentlichen kegelförmigen Behälter ist die resultierende Form der verfestigten Schlacke ein kegelstumpfförmiger oder elliptischer Festkörper oder "Knopf".
Obwohl Ausführungen von Schlackebehältern variieren, sind ihre Formen im wesentlichen ähnlich. Lichtbogenhochofenschlackebehälter sind den Sauerstoff- Aufblas-Ofen-Schlackebehältern sehr ähnlich. Argon Sauerstoff-Entkohlungs-Schlackebehälter (abhängig von der Größe des Hochofens) sind gewöhnlich kleiner als die meisten Sauerstoff-Aufblas-Ofen-Schlackebehälter. Daher wird bei vielen Argon-Sauerstoff-Entkohlungs-Anlagen ein Silikonbelag auf die Wände der Schlackebehälter gesprüht, statt daß Sand in den Bodenbereich geschüttet wird. Die resultierende Form von ASE-Schlacke ist eher kegelförmig als die eines Knopfs. Aluminium- und Kupferschlacken werden von der Schmelze abgeschöpft und in einen Schlackekübel geleert. Zur Vereinfachung wird Schlacke in der weiteren Beschreibung der Erfindung als knopfförmig angesehen.
Unabhängig von der Form der verfestigten Schlacke enthält diese üblicherweise eine bedeutende Menge wertvoller Metallics. Beispielsweise ist es vernüftig, eisenhaltige Schlacke zu recyclen und nach ihrer Aufbereitung wieder als Beschickung einzusetzen.
Nachdem Schlacke in einen Schlackebehälter geladen wurde, wird sie üblicherweise aus dem Hochofengebäude in einen Schlackeaufbereitungsbereich gebracht. Dieser Bereich wird gewöhnlich "Schlackegrube" genannt. Die Schlackenknöpfe werden zu den Schlackegruben gebracht und gekippt. Im Fall von Hochofenschlacke wird die Schlacke zerbrochen, abgedeckt und entsprechend ihrem Metallgehalt magnetisch getrennt. Zur Eisenwiederverwertung wird Schlacke mit hohem Metallanteil zurück in den stahlerzeugenden Hochofen gefüllt. Das Hüttenkritenum für den Eisengehalt nicht erfüllende, verarbeitete Schlacke wird anschließend als Baustoffzuschlag verkauft. Knöpfe sind häufig zu dick, um mit einer Fallkugel zerbrochen zu werden. Um diesen großen Massenrückstand für den Zerkleinerer vorzubereiten, muß der Knopf mittels eines Brenngasschneidbrenners im noch warmen Zustand zerteilt werden. Gerade aus der Hütte kommende Knöpfe sind extrem heiß und gewöhnlich im Zentrum flüssig. Bei noch warmen Knöpfen wird vorzugsweise meist Schlackebrennen angewendet, da hierbei weniger Brennstoff benötigt wird, um den Knopf in Teile zu zerschneiden. Ein typischer Knopf kann eine Dicke zwischen 122 und 244 cm (4 bis 8 Fuß) und ein Gewicht bis zu 40 metrischen Tonnen haben.
Dieses Vorgehen ist charakteristisch für viele Schlackeaufbereitungsprozesse. Neben Stahlknöpfen werden ebenso Blöcke aus zurückkommendem Schrott oder Hüttenendprodukte mit Sauerstoff- und Brenngasschneidbrennern gebrannt. Der Schrott wird zur Beschickung des Lichtbogen- oder Sauerstoff-Aufblas- Hochofens mittels des Schneidbrenners in angemessene Längen geschnitten, üblicherweise in Längen zwischen 61 und 122 cm (2 bis 4 Fuß). Große Hüttenschneidbrenner wie der Schneidbrenner Victor HC-1500 C werden mit Erdgas oder Propan als Brenngas betrieben. Sauerstoff wird anschließend mit hohen Durchflußraten eingeleitet, um das Metall durch sich selbsterhaltende exotherme Reaktionen zu schneiden oder zu oxidieren. Sauerstoffdurchflußraten zwischen 79 und 127 nm3/h (50 bis 80 Standardkubikfuß pro Minute) mit einem Druck zwischen 620 und 1.240 kPa (45 bis 150 Pfund pro Quadratinch (gemessen)) sind bei Hüttenschneidbrennern üblich.
Aus der den naheliegendsten Stand der Technik darstellenden GB-A 2 050 223 ist es auch bekannt, einen Sauerstoffschneidbrenner zum Schneiden eines festen Metalls zu verwenden, wobei zum Sauberhalten der Schneidstelle Luft verwendet wird.
Ein inhärentes, mit diesen Schneidprozessen von Schlacke oder Schrott verbundenes Problem ist die Erzeugung von Metalloxiddämpfen. Es bilden sich große, in Schwaden aufsteigende Wolken aus Oxiddämpfen mit typischerweise oranger und brauner Farbe. Die Dämpfe sind nicht nur für den Bediener des Schneidbrenners schädlich, sondern sie stellen ein Umweltproblem für Hüttenstandorte dar. Diese Arbeiten werden im Freien durchgeführt, wo Wind zusätzliche Probleme aufwirft, da er die Oxidwolken über benachbarte Anwesen verteilt und die Oxide auf Autos und Gebäuden und manchmal in bewohnten Gebieten ablagert. Dies schafft eine bedenkliche Umweltbelastung mit durch Stech- oder Schneidarbeiten entstandenen Oxiddämpfen als potentieller Schadstoff.
Nach diesseitiger Meinung waren die bisherigen auf die Verringerung von Oxiddämpfen zielenden Anstrengungen auf die Verwendung von Kohlendioxid im Einsatzsauerstoff eines Sauerstoff-Acetylen-Schneidbrenners gerichtet, wobei Acetylen als Brenngas zum Schneiden von Schrott verwendet wird. Dies ist aus mehreren Gründen nicht zufriedenstellend. Dieser Lösungsweg erfordert, daß ein Brenngas mit hohen Betriebskosten und einer hohen Bedienungskomplexität verwendet wird. Zudem muß nicht nur die richtige Brenngas- Sauerstoff-Mischung zum Aufrechterhalten der Schneidverbrennung erhalten bleiben, sondern es muß irgendwie auch das Kohlendioxid-Sauerstoff-Gemisch die Schneidverbrennung aufrechterhalten, während man versucht, die Oxiddämpfe zu verringern.

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Metalloxiddampferzeugung während der sauerstoffinduzierten Teilung eines metallische Anteile enthaltenden Körpers in kleinere physikalische Einheiten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Verfahren nach Anspruch 1 zum Steuern der Metalloxiddampferzeugung während der sauerstoffinduzierten Teilung eines metallische Anteile enthaltenden Körpers in kleinere physikalische Einheiten bereit, mit den Schritten:
a. Bereitstellen eines metallische Anteile enthaltenden Körpers, und
b. Teilen des Körpers mit einer sich verbrauchenden, auch Lanze genannten Schneidspitze unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Gasgemischs.

Kurzbeschreibung der Zeichnung:

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Anreicherung von gasförmigem Sauerstoff mit Kohlendioxid;
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Anreicherung von gasförmigem Sauerstoff mit Kohlendioxid;
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Anreicherung von gasförmigem Sauerstoff mit Kohlendioxid und
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Anreicherung von gasförmigem Wasserstoff mit Kohlendioxid.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Das bevorzugte Verfahren umfaßt a) das Bereitstellen eines metallische Anteile enthaltenden Körpers und b) Teilen dieses Körpers mit einer sich verbrauchenden Schneidspitze unter Verwendung von gasförmigem Sauerstoff in einer kohlendioxidangereicherten Sauerstoffumgebung in Abwesenheit eines Brennstoffgases. Die bevorzugte Vorrichtung umfaßt Mittel zum Teilen des Körpers mit gasförmigem Sauerstoff in einer kohlendioxidangereicherten Sauerstoffumgebung in Abwesenheit eines Brennstoffgases, einschließlich einer sich verbrauchenden Schneidspitzeneinheit, die im Betrieb mit im wesentlichen Sauerstoff und Kohlendioxid umfassenden Gasquellenmitteln verbunden ist. Zudem kann das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung zur Erhöhung der Metalldampferzeugung während der sauerstoffinduzierten Teilung eines metallische Anteile umfassenden Körpers in kleinere physikalische Einheiten durch Ersetzen des Kohlendioxids durch Stickstoff oder ein Inertgas aus der VIII. Hauptgruppe des Periodensystems verwendet werden.
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung wird ein metallische Anteile umfassender Körper wie ein Schlackeknopf oder Schrott mittels Schneiden oder Stoßen mit einer sich verbrauchenden Schneidspitze unter Verwendung von gasförmigem Sauerstoff in einer kohlendioxidangereicherten Sauerstoffumgebung in Abwesenheit eines Brenngases zerteilt.
Die sich verbrauchende Schneidspitze ist eine Schneidspitze, die mit einem Auslaßrohr ausgestattet ist, das in einer stark exothermen Reaktion mit dem gasförmigen Sauerstoff verbraucht wird. Wünschenswerte, sich verbrauchende Materialien sind bei der Verwendung zusammen mit Körpern, die Eisen als primären erwünschten metallischen Anteil aufweisen, Eisen und Stahl, bevorzugt Stahl.
Überraschenderweise wurde diesseits festgestellt, daß die Verwendung von kohlendioxidangereichertem Sauerstoff mit einer sich verbrauchenden Schneidspitze zum Schneiden von Schlacke oder Schrott am vorteihaftesten zur Verringerung der Erzeugung sichtbarer Metalloxiddämpfe ist. Im Fall von eisenhaltigen Schlacken sind das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung befähigt, mehr als 80% dieser orange/roten Oxide zu unterdrücken; der Wert basiert auf visuellen Beobachtungen.
Schlackeknöpfe werden unter Verwendung von Sauerstoff mit Standardreinheit (99,5%) durch ein Rohr einer sich verbrauchenden Schneidspitze in "Scheiben" geschnitten. Die Knopfgröße und ihre Anzahl bestimmt üblicherweise die Größe und Durchflußrate der Schneidspitzenvorrichtung. Zum Knopfbrennen hat das Sauerstoffschneidspitzenrohr üblicherweise einen Durchmesser zwischen 0,95 und 3,2 cm (3/8 bis 1-1/4 Inch). Sauerstoffdurchflußraten zwischen 95 und 238 Nm³/hr (60 bis 150 Normkubikfuß pro Minute) bei einem Druck zwischen 930 und 1160 kPa (120 bis 150 Pfund pro Quadratinch (gemessen)) werden üblicherweise bei dieser Anwendung eingestellt. Wenn beispielsweise ein Sauerstoff-Aufblas- Hochofen Knöpfe mit einem Gewicht von 20 metrischen Tonnen und Ausmaßen von 2,4 x 1,2 Metern (8 x 4 Fuß) erzeugt, ist folgende Schneidspitzenvorrichtung typisch:
- ein sich verbrauchendes Schneidspitzenrohr mit 1,27 (1/2 Inch)Durchmesser
- Sauerstoffdurchfluß = 238 Nm³/h (150 Normkubikfuß pro Minute) bei einem Druck von 930 kPa (120 Pfund pro Quadratinch).
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung wird für die Zerteilung von Schlackeknöpfen beschrieben; das Verfahren und die Vorrichtung sind aber auch bei der Zerteilung von Schrott einsetzbar.
Eine Kohlendioxidanreicherung der gasförmigen Sauerstoffumgebung, in der die Zerteilung stattfindet, kann geschaffen werden durch
1) Spritzen von festem Kohlendioxid, vorzugsweise in zerkleinerter Form (wie Kohlendioxid-"Schnee"), auf den Knopf in, auf oder rings um die Schneid- oder Brennzone aus einem an eine von dem sich verbrauchenden Schneidspitzenrohr getrennte Versorgungsleitung angefügten Trichter (siehe Figur 1), oder
2) Spritzen von festem Kohlendioxid in, auf oder rings um die Schneid- oder Brennzone direkt aus einer von dem sich verbrauchenden Schneidspitzenrohr getrennten Versorgungsleitung auf den Knopf (siehe Figur 2), oder
3) Spritzen von gasförmigem Kohlendioxid in, auf oder rings um die Schneid- oder Brennzone auf den Knopf aus einer von dem sich verbrauchenden Schneidspitzenrohr getrennten Versorgungsleitung (siehe Figur 3), oder
4) Spritzen von gasförmigem Kohlendioxid in die Schneid- oder Brennzone auf den Knopf unter Koinjektion von Sauerstoff und Kohlendioxid in das sich verbrauchende Schneidspitzenrohr und Zuführen eines Gemisches dieser Gase zum Schneiden oder Brennen der Schlacke und gleichzeitigen Unterdrücken von Dämpfen (siehe Figur 4).
Wenn Sauerstoff mit einer Rate von etwa 238 Nm³/h (150 Normkubikfuß pro Minute) bei einem Druck von 860 kPa (110 Pfund pro Quadratinch (gemessen)) strömt, kann die Zugabe von Kohlendioxid, das mit 79 Nm³/h (50 Normkubikfuß pro Minute) bei einem Druck von 860 kPa (110 Pfund pro Quadratinch (gemessen)) strömt, nach visueller Beurteilung eine Reduzierung des orange/roten Sauerstoffdampfs um ungefähr 80% bewirken. Da jeder Schlackeknopf einzigartig ist, und zwei Knöpfe nie die gleiche chemische Zusammensetzung haben werden, kann die Durchflußrate und der Druck von Kohlendioxid (wie auch von Sauerstoff) abhängig von der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur des geschnittenen oder gerösteten, d.h. zerteilten Schlackeknopfes verändert werden. Nach der Erfindung führt die Veränderung der Kohlendioxidgehalte eine bestimmte Oxidwolkenverkleinerung herbei. Wenn beispielsweise die chemische Zusammensetzung eines Schlackeknopfes aus der Stahlproduktion relativ wenig Eisenanteil aufweist, wird weniger Kohlendioxid zur Verkleinerung der Oxidwolkengröße benötigt als bei einer Schlacke mit einem höheren Eisenanteil. Nach der Erfindung behindert ein Gemisch mit mehr als einem Volumenteil Kohlendioxid auf drei Volumenteile Sauerstoff den Schlackeröstprozeß genügend, daß ein Schneiden oder Brennen nicht ohne weiteres aufrechterhalten werden kann. Die Durchflußraten und Drücke für Sauerstoff und Kohlendioxid sind wie folgt:
Schlacke mit einem hohen Metallgehalt, in erster Linie FeO, kann mittels der Schneidspitze bis zu einem Kohlendioxidanteil von 25% in reiner Sauerstoffumgebung zerlegt werden. Da der Metallgehalt in kalkhaltigeren Schlacken geringer ist, muß der Bediener den CO&sub2;-Gehalt im Sauerstoff verringern. Jedoch verändert die Verringerung des Kohlendioxidanteils an der Schneidspitze nicht den Einfluß des Verfahrens auf die Dampfunterdrückung. Das Anlegen einer Spur für den Schneidbrenner bei strömendem Kohlendioxid behindert das Anlegen einer Brennspur. Dafür ist die beste Methode zum Erhalt einer ersten Brennspur die mit reinem gasförmigen Sauerstoff (d.h. Kohlendioxid ist abgestellt oder nicht vorhanden), um den Brennprozeß zu starten. Folglich wird vor dem Einleiten des Sauerstoff/Kohlendioxid-Gemischs ein Anfangsschlackebad unter alleiniger Verwendung von Sauerstoff hergestellt. Während ein Schlackebad aufgefüllt wird, ist der typische orange Dampf sichtbar. Innerhalb von ungefähr 30 Sekunden wird Kohlendioxid in einem bestimmten Verhältnis dem gasförmigen Sauerstoff beigegeben und auf die angemessene Durchflußrate und einen angemessenen Druck unter Berücksichtigung der Durchflußrate und des Drucks von Sauerstoff, der chemischen Zusammensetzung der Schlacke und der Knopftemperatur eingestellt. Der orange Rauch verschwindet schnell; an seine Stelle tritt ein klarer, leicht gelber Dampf. Der Schneidspitzenbediener setzt den Schneidvorgang fort, bis der Knopf zerteilt ist. Die gleiche Prozedur wird solange durchgeführt, bis der gesamte Knopf klein genug für eine Wiederbeschickung des Hochofens ist.
Nach dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung und wie in Figur 1 dargestellt, kann ein Knopf 1 mittels einer sich verbrauchenden Sauerstoffschneidspitze 10 in kleinere Stücke geschnitten oder geröstet werden, deren Auslaßende 12 durch den zur Lieferung der notwendigen Wärmeenergie zum Schmelzen oder Brennen des Knopfs 1 durchströmenden Sauerstoff verbraucht wird. Die Schneidspitze 10 wird an ihrem Einlaßende 14 mit gasförmigem Sauerstoff aus einer geeigneten Quelle gespeist. Zur Kontrolle des benötigten Durchflusses dient ein Ventil 16.
Eine kohlendioxidangereicherte Sauerstoffumgebung kann geschaffen werden, indem feste Kohlendioxidteilchen oder Kohlendioxidschnee in die Zone, in der die Zerkleinerung (Schneiden, Schmelzen oder Brennen) stattfindet, eingebracht werden. Bei der Ausführungsform in Figur 1 ist eine Kohlendioxidschneeleitung 20 vorgesehen, deren Auslaßende 22 einen Trichter 23 umfaßt, aus dem der Kohlendioxidschnee in die Zerkleinerungszone eingebracht wird. Der Trichter 23 erleichtert die Verteilung des Kohlendioxids. Das Einlaßende 24 der Leitung 20 wird mit Kohlendioxidschnee aus einer geeigneten Quelle gespeist. Ein Ventil 26 dient zur Kontrolle des Kohlendioxidschneedurchflusses und im Bedarfsfall zum Stoppen dieses Flusses. Der Bediener kann durch ein geeignetes, zwischen dem Bediener und dem Auslaßende 12 der Schneidspitze 10 angeordnetes Schutzschild S geschützt werden.
In der folgenden Beschreibung alternativer Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung haben in den Figuren 2 bis 8 die entsprechenden Bauelemente die gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1. In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform nach der Erfindung wird Kohlendioxidschnee in das Einlaßende 24 der Kohlendioxidleitung 20 eingeleitet, mittels des Ventils 26 geregelt und über das Auslaßende 22 in der Zerkleinerungszone verteilt; dies alles wie bei der Ausführungsform aus Figur 1, ausgenommen, daß kein Trichter am Auslaßende 22 bereitgestellt ist.
Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform nach der Erfindung weist die gleichen Bauelemente wie die Ausführungsform aus Figur 2 auf, ausgenommen, daß die Kohlendioxidleitung 20 an ihrem Einlaßende 24 mit gasförmigem Kohlendioxid gespeist wird, und daß das gasförmige Kohlendioxid mittels des Ventils 26 geregelt wird und als gasförmiges Kohlendioxid über das Auslaßende 22 in der Zerkleinerungszone verteilt wird.
Bei der weiteren, in Figur 4 dargestellten Ausführungsform nach der Erfindung werden gasförmiger Sauerstoff und gasförmiges Kohlendioxid in die Einlaßenden 14 bzw. 24 geleitet und mittels der Ventile 16 bzw. 26 wie bei der Ausführungsform aus Figur 3 geregelt. Indessen gibt es bei der Ausführungsform in Figur 4 eine Mischkammer 30 zur Aufnahme und Mischung von gasförmigem Sauerstoff- und gasförmigem Kohlendioxidströmen und zum Bereitstellen eines kohlendioxidangereicherten Sauerstoffstroms an seinem Auslaß Der kohlendioxidangereicherte Sauerstoff strömt aus der Mischkammer 30 über einen Bestandteil 18 der sich verbrauchenden Schneidspitze zu einem Auslaßende 12' hinab.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform einer Mischkammer 30 zur Verwendung im Rahmen der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform umschließt eine Leitung 34 für das gasförmige Kohlendioxid eine Leitung 32 für gasförmigen Sauerstoff an deren Auslaßende 33 und ist koaxial zu dieser. Gasförmiger Sauerstoff tritt in das Einlaßende 33a der Sauerstoffleitung 33 ein und wird über das Innere der Mischkammer 30 über das Auslaßende 33 der Leitung 32 verteilt. Gasförmiges Kohlendioxid tritt in die Mischkammer 30 durch eine Einlaßleitung 36 ein, die sich von der Mischkammer 30 in radialer Richtung bezüglich der zentralen Längsachse der Kammer 30 und der Sauerstoff- und Kohlendioxidleitungen 32 bzw. 34 erstreckt. Das Auslaßende 33 der Sauerstoffleitung 32 ist stromab von dem Kohlendioxideinlaß 36 angeordnet, bezogen auf die Flußrichtung des Gases durch die Kammer.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Mischkammer zur Verwendung im Rahmen der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform bilden axial ausgerichtete Arme eines Y- förmigen Verbinders den Auslaß zur kohlendioxidangereicherten Umgebung 39, während die zentrale Längsachse des Kohlendioxideinlasses 40 die gemeinsame zentrale Längsachse des Sauerstoffeinlasses 38 und des Auslasses 39 zur kohlendioxidangereicherten Sauerstoffumgebung in einem spitzen Winkel schneidet.
Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform der Mischkammer 30 zur Verwendung im Rahmen der Erfindung schneidet die Längsachse des Kohlendioxideinlasses 40 die gemeinsame Längsachse des Sauerstoffeinlasses 38 und des Auslasses 39 zu der kohlendioxidangereicherten Umgebung radial, d.h. in einem rechten Winkel.
Figur 8 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines Mischungsmittels 50 zur Verwendung im Rahmen der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden Sauerstoff und Kohlendioxid aus jeweiligen Quellen (nicht dargestellt) einer Mischungskammer 70 vom Staudruckrohrtyp zugeführt. Die Sauerstoffgasversorgung ist mit dem Mischungsmittel 50 über ein Schnellverbinderstück 51 verbunden. Sauerstoff strömt dann durch ein Regelventil 53 zur Regelung seines Durchflusses und dann durch einen Druckregler 55 zur Einstellung seines Drucks. Nach der Einstellung wird der Sauerstoffdruck von einer Druckmeßeinheit 57 und dann die Durchflußrate von einem Durchflußmeter 59 angezeigt. Ein Absperrventil 61 erlaubt den vollständigen Stopp des Sauerstoffdurchflusses. Ein stromab angeordnetes Absperrventil 63 verhindert den Rückfluß von Gasen in die Sauerstoffleitungen.
Die Behandlung des Kohlendioxidgases ist ähnlich der von Sauerstoff. Die Kohlendioxidgasversorgung wird mit dem Mischmittel 50 über einen Verbinder 52 verbunden. Es strömt dann durch ein Regelventil 54 zur Regelung seines Durchflusses, und einen Druckregler 56 zur Einstellung seines Drucks. Dann wird der Kohlendioxidgasdruck von einer Druckmeßeinheit 58 und seine Durchflußrate von einem Durchflußmesser 60 angezeigt. Das stromab von dem Durchflußmesser 59 angeordnete Absperrventil 62 erlaubt einen vollständigen Stopp des Kohlendioxidgasdurchflusses. Das stromab von dem Absperrventil 62 angeordnete Absperrventil 64 verhindert den Rückfluß der Gase in die Kohlendioxidgasleitungen.
Kohlendioxidgas tritt in die Mischkammer 70 vom Staudruckrohrtyp über eine Düse 72 ein, die axial auf die zentrale Längsachse der Kammer 70 ausgerichtet ist. Dort vermischt es sich mit gasförmigem Sauerstoff, der aus einem axial ausgerichteten Einlaßrohr 74 eingetreten ist. Der Durchfluß aus der Mischkammer 70 zu einem Bestandteil der sich verbrauchenden Sauerstoffschneidspitze (nicht dargestellt) wird mittels eines Regelventils 76 geregelt.
Die Zufuhr von Sauerstoffgas und Kohlendioxidgas in das Mischungsmittel 50 sollte mit einem Druck von ungefähr 790 bis 1135 kPa (ungefähr 100 bis 150 Pfund pro Quadratinch (gemessen)) stattfinden. Die Druckregler 55 und 56 sollten diesen Druck auf 620 bis 790 kPa (ungefähr 75 bis 100 Pfund pro Quadratinch gemessen) verringern. Es ist empfehlenswert, einen Kohlendioxidgasdruck an dem Düsenauslaß 72 aufrechtzuerhalten, der gewöhnlich gleich dem Sauerstoffgasdruck an dem Einlaßrohr 74 ist, um einen Rückfluß von Sauerstoffgas in die Kohlendioxidleitung zu vermeiden.
Bei der üblichen Methode von Sauerstoffschneiden von Schlacke erzeugte Abgasemmisionsproben haben typischerweise folgende Zusammensetzung:
SO&sub2; = 5 ppm
NO < 1 ppm
NO&sub2; < 1 ppm
Die bei Anwendung von kohlendioxidangereichertem Sauerstoffschneiden von Schlacke erzeugten Emissionen haben typischerweise die folgende Zusammensetzung:
SO&sub2; < 1 ppm
NO < 1 ppm
NO&sub2; < 1 ppm
Die Analysen von einzelnen, durch übliches Schneiden von eisenhaltigen Schlacken erzeugten Proben zeigen, daß bei alleiniger Verwendung von Sauerstoff mehr FeO im Dampf vorliegt als bei Verwendung eines Kohlendioxid/Sauerstoff- Gemischs. Dies belegt, daß Kohlendioxid tatsächlich die Verdampfung von FeO bei dem Verfahren verringert. Ähnliche Schlüsse können für Aluminium-, Kupfer- oder andere auf ähnliche Weise behandelte metallische Schlacken gezogen werden.
Desweiteren zeigt die Analyse von durch übliches Schneiden von eisenhaltigen Schlacken erzeugten Partikeln, daß bei Verwendung von reinem Sauerstoff und entweder Stickstoff oder einem Edelgas aus der VIII. Hauptgruppe des Periodensystems oder einer Kombination dieser Gase mehr FeO in Gasform erzeugt wird, als bei alleiniger Verwendung von Sauerstoff. Dies belegt, daß Stickstoff, ein Edelgas aus der VIII. Hauptgruppe des Periodensystems oder eine Kombination dieser Gase hieraus tatsächlich die Verdampfung von FeO bei diesem Verfahren erhöht. Ähnliche Schlüsse können für Aluminium-, Kupfer- oder andere, auf ähnliche Weise behandelte Schlacken gezogen werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden ebenso beim Schneiden von Schrott übernommen. Während Brenngas und Sauerstoff verwendet werden, um ein Schmelzbad vor der Zugabe von Kohlendioxid zu entzünden, vollzieht sich das Schneiden ohne die Verwendung von Brenngas. Die Schneidfackel oder Schneidspitze ist mit zwei Sauerstoffleitungen ausgestattet. Der Sauerstoffleitung für Brenngas wird kein Kohlendioxid zugeführt. Einer großen Sauerstoffleitung zum Schneiden wird vorher Kohlendioxid zur Dampfunterdrückung zugeführt. Das Dampfmerkmal beim Schrottschneiden ist hauptsächlich ein dicker gelber Dampf. Durch Beigabe von Kohlendioxid in kleinen Mengen zu dem Schneidsauerstoff verschwindet der gelbe Rauch buchstäblich und wird von klarem, leicht weißem Dampf ersetzt.
Um den Einfluß von Sauerstoff und Kohlendioxid bei der Verdampfung von Metallen während des Brennens oder Zerschneidens mittels einer Schneidspitze und insbesondere bei der Verringerung der Metalloxiddampferzeugung zu verstehen, dürfte eine Untersuchung der Reaktionskinetik des Prozesses nach der Erfindung lehrreich sein. Zwei Typen von Mechanismen scheinen die Verdampfungsrate von Metallen zu bestimmen: ein chemischer Prozeß und ein Transportprozeß. Der chemische Prozeß schließt die Bildung von flüchtigen Metallverbindungen ein, und der Transportprozeß schließt die Reaktion des Metalls in der Dampfphase mit der Gasphase sehr nahe an der Metall (fest)/ Metall (Gas)-Grenzfläche ein, um eine scharf getrennte kondensierte Phase zu bilden.
Wenn Metall in einem Strom aus gasförmigem Sauerstoff verdampft, zeigt der Gegenfluß von Metalldampf und gasförmigem Sauerstoff, daß in einem geringen Abstand zu der Oberfläche des festen Metalls Eisendampf und gasförmiger Sauerstoff unter Bildung einer Metalloxidwolke reagieren. Im Fall von Eisen geschieht das nach folgender Gleichung:
2 Fe (Dampf) + O&sub2; (Gas) => 2FeO (fest oder flüssig).
Die Bildung eines Metalloxids, das in einem scharf getrennten Zustand in der Gasphase vorliegt, bildet eine Senke für den Metalldampf und den gasförmigen Sauerstoff, woraus der Gegenfluß dieser gasförmigen Spezien resultiert.
Wenn sich ein konstanter Gegenflußzustand unter diesen Bedingungen in einem isothermen System eingestellt hat, scheint die Konzentration von Metalldampf und des gasförmigen Sauerstoffs nahe an der Metalloberfläche grundsätzlich eine lineare Beziehung nach dem Fick'schen Gesetz zu sein.
Die Bildung einer Schicht aus einer Eisenoxidwolke steht nicht im Widerspruch zu dem vorgeschlagenen Mechanismus; in der Praxis liegt ausreichend erzwungene oder freie Konvektion zur Entfernung dieser Eisenoxidwolkenschicht vor.
Bei gegebener Temperatur und gegebenem Massentransferkoeffizienten steigt die Verdampfungsrate von Eisen linear mit dem Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks an. Eine Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks verringert den Abstand, über den der Eisendampf transportiert wird. Daher sind die zwei Schlüsselparameter für die Verdampfung:
1) Die maximale freie Verdampfungsrate kann nicht überschritten werden.
2) Für ein gegebenes Metall und eine gegebene Temperatur gibt es einen minimalen Sauerstoffpartialdruck, unter dem sich die Metalloxidwolke nicht bildet.
Im Fall von Eisen auf einer Temperatur über 1400º C wird die Oberfläche des Metallfestkörpers von einer Schicht aus flüssigem Eisenoxid überzogen, wenn dieser kritische Wert erreicht ist. Bei 1600 ºC verringert sich der Dampfdruck von Eisen um einen Faktor von etwa 10³, wenn das Oxid im Gleichgewicht mit reinem gasförmigem Sauerstoff ist. Folglich wird bei Sauerstoffdrücken in dem Gasstrom oberhalb des kritischen Wertes die Eisenoberfläche von einer Eisenoxidschicht überzogen und die Verdampfungsrate immer kleiner.
Abhängig von dem Sauerstoffpotential der gebildeten Oxidwolke gibt es einen minmalen, kritischen Sauerstoffpartialdruck, unter dem eine Oxidwolke nicht gebildet werden kann.
Für Fe / FeO ist der minimale kritische Wert
pO2 = 4,13 X 10&supmin;&sup6; mm.
Für Cu / Cu&sub2;O ist der minimale kritische Wert
PO2 = 1,65 X 10&supmin;² mm.
Abhängig von dem Sauerstoffpotential der gebildeten Metalloxidwolke scheint es einen minimalen kritischen Sauerstoffpartialdruck zu geben, unter dem eine Metalloxidwolke nicht gebildet werden kann. Diesseits wird angenommen, daß die Zugabe von Kohlendioxid nach der Erfindung den gewünschten Partialdruckeffekt, was Sauerstoff betrifft, erzeugt, wobei die Dampfreaktion von Eisen zu Eisenoxid begrenzt ist. Zusammenfassend verringert der Prozeß nach der Erfindung die Verteilung von Metalloxiden in der Atmosphäre anscheinend durch Verringerung des Verdampfungspotentials von Eisenoxid und anderen metallischen Oxiden während des Zerstoßens von Schlacke oder Schrott. Eine weitergehende Erläuterung dieser möglichen Arbeitsweise findet sich in Turkdogan, E.T. et al., Enhancement of Diffusion-Limited Rates of Vaporization of Metals, Iron And Steel Society, Vol 67, 1647-1654, (1963). Die dortige Offenbarung ist als Bestandteil der vorliegenden Schrift anzusehen.
Während man vorzugsweise die Erzeugung von Metalloxiddämpfen verringert, kann es unter bestimmten Umständen wünschenswert sein, die Metalloxiddampferzeugung zu erhöhen. Diesseits wurde gefunden, daß bei Verwenden von Stickstoff oder eines aus der VIII. Hauptgruppe des Periodensystems ausgewählten Inertgases statt Kohlendioxid sich die Metalloxiddampferzeugung vergrößert. Dies ist besonders überraschend, da es ein im Widerspruch zum Fick'schen Gesetz stehendes Ergebnis ist.
Während das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung insbesondere und vorzugsweise anhand der Zerkleinerung von Eisen-Metallanteile enthaltenden Körpern beschrieben wurde, ist das Verfahren und die Vorrichtung ebenso für die Zerkleinerung von Körpern, die andere Metallanteile wie Kupfer oder Aluminium enthalten, geeignet.

Claims

1. Verfahren zum Verringern oder Steuern der Metalloxiddampferzeugung während der sauerstoff induzierten Teilung eines metallische Anteile enthaltenden Körpers in kleinere physikalische Einheiten, umfassend die Schritte:

a. Bereitstellen eines metallische Anteile enthaltenden Körpers, und

b. Teilen des Körpers mit einer sich verbrauchenden Schneidspitze unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Gasgemischs, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gasgemisch gasförmiger Sauerstoff in einer mit Kohlendioxid angereicherten Sauerstoffumgebung ohne Brenngas ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kohlendioxid in fester Form vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Kohlendioxid mittels einer Verteileranordnung verteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kohlendioxid gasförmig vorliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Kohlendioxid der Umgebung durch eine von der sich verbrauchenden Schneidspitze getrennte Leitung zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Kohlendioxidgas und gasförmiger Sauerstoff der sich verbrauchenden Schneidspitze als Gemisch aus Sauerstoff und Kohlendioxid zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung geringer ist als der zur Erzeugung wesentlicher, sichtbarer Metalloxiddümpfe benotigte Sauerstoffpartialdruck.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dein die metallischen Anteile Eisen und/oder Aluminium und/oder Kupfer umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Sauerstoff mit einer Rate zwischen 111 bis 238 Nm³/h (etwa 70 bis etwa 150 Normkubikfuß pro Minute) und das Kohlendioxid mit einer Rate zwischen 24 bis 95 Nm³/h (etwa 15 bis etwa 60 Normkubikfuß pro Minute) strämen und bei dem der Sauerstoffdruck zwischen etwa 515 bis etwa 1480 kPa (etwa 60 bis etwa 200 Pfund pro Quadratinch (gemessen)) und der Kohlendioxiddruck zwischen etwa 515 bis etwa 1480 kPa (etwa 60 bis etwa 200 Pfund pro Quadratinch (gemessen)) liegen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Sauerstoff-Kohlendioxid-Volumenverhältnis zumindest 3:1 beträgt.