DE69513098T2

DE69513098T2 - Verfahren zur Nackverbrennung im Elektro-Lichtbogenofen

Info

Publication number: DE69513098T2
Application number: DE69513098T
Authority: DE
Inventors: Zhiyou Du; Pravin Chandra Mathur; Ronald Joseph Selines
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-07-21
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2015-07-21
Also published as: BR9503388A; KR100236485B1; ES2137417T3; CN1089429C; US5572544A; CA2154299A1; JPH08188817A; DE69513098D1; EP0693561B1; JP2951242B2; EP0693561A1; CN1120653A; CA2154299C

Description

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die einen Lichtbogenofen verwendende Stahlherstellung und genauer auf ein Verfahren zum Durchführen der Nachverbrennung in der Praxis der Lichtbogenofen- Stahlherstellung, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.

Stand der Technik

Das Schmelzen oder Raffinieren von Eisen oder Stahl ist insofern ein energieintensiver Prozess, als dass sehr hohe Temperaturen notwendig sind, um ein Schmelzmetallbad zu bewerkstelligen und aufrechtzuerhalten. Dementsprechend besteht in der Stahlherstellungsindustrie ein fortgesetztes Bemühen, die verfügbare Energie auf effizientere Weise zu verwenden. Eine derartige in der Stahlherstellung in breitem Einsatz verwendete Praxis ist die Nachverbrennung. In einem Stahlherstellungsschmelzmetallbad wird Sauerstoff mit Kohlenstoff zur Reaktion gebracht, um Kohlenmonoxid auszubilden, welches hoch- und aus dem Bad heraussprudelt. Die Nachverbrennung besteht in der Injektion von Sekundärsauerstoff in den Stahlherstellungsbehälter, damit dieser zur Ausbildung von Kohlendioxid mit dem erzeugten Kohlenmonoxid reagiert. Zusätzlich können ebenfalls Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe vorhanden sein oder ausgebildet werden, beispielsweise durch das Aufbrechen von mit Stahlschrott verbundenen Verunreinigungsstoffen oder durch die partielle Oxidation von Methangas oder Kohle, und ein solcher Wasserstoff und/oder derartige Kohlenwasserstoffe können in einer Nachverbrennungsreaktion mit Sekundärsauerstoff reagieren, um Wasser und Kohlendioxid auszubilden. Diese Reaktionen sind exotherm und ein großer Anteil der sich ergebenden freigesetzten Energie wird gewinnbringend als Hitze in dem Stahlherstellungsbehälter verwendet.
In den letzten Jahren erfolgten bedeutende Arbeiten hinsichtlich der Verbesserung der Nachverbrennungspraxis in der Stahlherstellung. In US-A-4 599 107, Masterson, ist ein Verfahren zum Durchführen der Nachverbrennung im unter der Oberfläche stattfindenden pneumatischen Stahlraffinieren offenbart, wobei Sekundärsauerstoff durch eine Lanze in den Kopfraum über der Badoberfläche injiziert wird. Die Lanzenhöhe über dem Bad und/oder die Geschwindigkeit des injizierten Sekundärsauerstoffs wird/werden zwecks Entsprechung einer festgelegten Beziehung eingestellt, um eine effiziente Praxis der Nachverbrennung zu ermöglichen.
US-A-5 065 985, Takahashi et al., zeigt ein verbessertes Verfahren für die Reduzierung des Schmelzvorgangs von Eisenerz, wobei Nachverbrennungssauerstoff in die Schlackelage injiziert wird, die ebenfalls stark durchgerührt wird, so dass die Nachverbrennung hauptsächlich innerhalb der Schlackelage auftritt. Das Arbeitspapier von Ibaraki et al. mit dem Titel "Development of Smelting Reduction Of Iron Ore - An Approach To Commercial Ironmaking", in: I&SM, 12, 1990, S. 30-37, zeigt eine ähnliche Nachverbrennungspraxis, wobei die Sauerstoffmoleküle so lange in dem Strahl bleiben; bis sie mit der schaumigen Schlacke zusammentreffen und in sie übertragen werden. Der Sauerstoff verbrennt das Kohlenmonoxid und den Wasserstoff in dem Schaum. Unterschiedliche Effekte werden durch das Ausmaß erreicht, mit welchem der Sekundärsauerstoffstrahl in die Schlacke eindringt oder sie verrührt.
Zum Schmelzen von Metall wie z. B. Stahl zwecks nachfolgendem Raffinieren wird ein Lichtbogenofen verwendet. Ein Lichtbogenofen weist im allgemeinen eine relativ kurze und weite zylindrische Umhüllung mit einer relativ weiten und flachen Feuerstelle auf, in der das Metall geschmolzen wird. Er verfügt über eine oder mehrere Elektroden und im allgemeinen über drei Elektroden, die durch das Ofendach verlaufen und innerhalb des Ofens zentral angeordnet sind, um elektrische Energie zum Erhitzen und Schmelzen des Metalls bereitzustellen. Die Nachverbrennung ist ebenfalls in der Lichtbogenofenpraxis verwendet worden, wie z. B. in dem Europäischen Patent Nr. 257 450, Brotzmann et al., offenbart, wobei der von der Oberseite injizierte Sauerstoff in den oberen Bereich eines Lichtbogenofens durch eine Mehrzahl von Aufblasvorrichtungen injiziert wird, die derart ausgerichtet sind, um für die gleichmäßige Verbrennung von Kohlenmonoxid eine Bedeckung über den gesamten Ofen hinweg bereitzustellen. US- A-4 986 847, Knapp et al., zeigt die Bereitstellung von Sauerstoff in einem Bereich nahe des geschmolzenen Metalls innerhalb der Schlackelage.
Das Patent GB-A-2 192 446, welches dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt, offenbart einen Lichtbogenofen für die Stahlherstellung aus Schrott. Primärsauerstoff wird in den geschmolzenen Stahl von in dem Ofenbett, d. h. am Boden des geschmolzenen Stahls, angeordneten Gaseinblasvorrichtungen geblasen. Während des Schmelzens des Schrotts wird Sekundärsauerstoff in den Ofen von einer in der Seitenwand des Ofens angeordneten Hilfsverbrennungsanordnung geblasen. Sobald der Schrott geschmolzen ist, ist die Hilfsverbrennungsanordnung in ausreichender Höhe über dem Pegel des geschmolzenen Stahls und der Schlacke angeordnet, GB-A-2 192 446 weist nicht expressis verbis darauf hin, dass ein Auslass für innerhalb des Ofens erzeugte Abgase bereitgestellt ist.
GB-A-1 486 539 offenbart einen Lichtbogenofen zum Herstellen von Stahl der eine Blasdüse mit einer inneren, an einer kommerziell reinen Sauerstoffquelle verbundenen Düse und einer äußeren, an einer Schutzgasquelle verbundenen Düse aufweist. Die Blasdüse erstreckt sich horizontal und verläft im wesentlichen normal zu einer vertikalen feuerfesten Stirnseite. Die Blasdüse ist derart angeordnet, dass der Sauerstoff in dem Schlacketeil des Schmelzmetallbades bereitgestellt ist. GB-A-1 486 539 bezieht sich nicht auf einen Sekundärsauerstoff verwendenden Nachverbrennungsofen.
Die Verwendung von Lichtbogenöfen nimmt mit der steigenden Wiedergewinnung von Schrottmetall zu. Somit wäre jede Verbesserung im Betrieb von Lichtbogenöfen nützlich und erwünscht.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Verwendung einer Nachverbrennung in der Lichtbogenofenpraxis, welche das Betreiben der Lichtbogenöfen verbessert, indem sichergestellt wird, dass die Nachverbrennung auf effektivere Weise durchgeführt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann anhand der folgenden Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung bewerkstelligt, die ein Verfahren zum Durchführen der Nachverbrennung in einem Lichtbogenofen gemäß Anspruch 1 ist.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "zentrale Zone" auf das innere Volumen eines Lichtbogenofens, der die Elektroden oder den Ofen beinhaltet.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "Schmelzmetallbad" auf die Inhalte innerhalb eines Lichtbogenofens, die flüssiges Metall mit oder ohne Schlacke aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung in der Vertikalen einer Lichtbogenofenanordnung, die in der Praxis der Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 2 ist eine vereinfachte Aufsichtsdarstellung des in der Fig. 1 illustrierten Lichtbogenofens. Die Bezugsziffern sind in den Zeichnungen für die allgemeinen Elemente dieselben.

Ausführliche Beschreibung

Der Erfindung liegt allgemein die Erkenntnis zugrunde, dass innerhalb eines Lichtbogenofens aufgrund des relativen Standorts der Elektroden und eines Auslasses in dem oberen Teil des Ofens, der entfernt von den Elektroden liegt, das Kohlenmonoxid dazu tendiert, sich in einem bestimmten Bereich oder bestimmten Bereichen konzentriert. In der Nachverbrennungspraxis bestand bislang das Ziel darin, Kohlenmonoxid und andere Brennstoffe gleichmäßig durch den Ofen hinweg zu verbrennen, um dem Metall gleichmäßig Hitze bereitzustellen. Die Anmelder haben ermittelt, dass im spezifischen Fall der Nachverbrennungspraxis in einem Lichtbogenofen vorteilhafte Ergebnisse durch die Bereitstellung von Nachverbrennungssauerstoff für den Ofen bei einer spezifischen Stelle erreicht werden. Obwohl dies zu einer lokalisierten Hitzeerzeugung führt, weil der spezifische Standort eine disproportional große Menge des erzeugten Kohlenmonoxids enthält, wird die Nachverbrennung effizienter durchgeführt, und es wird im Vergleich zu der konventionellen Praxis ein viel höherer Hitzepegel freigesetzt und zu dem Schmelzbad übertragen. Darüber hinaus reduziert die festgelegte Zuführung von Nachverbrennungssauerstoff das Ausmaß, mit welchem ein derartiger Sekundärsauerstoff mit anderen Ofeninhalten zur Reaktion gebracht wird, wodurch die in der Praxis der Erfindung erreichbaren Vorteile noch erweitert werden.
Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 ist ein Lichtbogenofen 1 dargestellt, der zu schmelzendes Metall 2 enthält. Das Metall ist im allgemeinen Schrottstahl, obgleich auch andere geeignete Materialien wie Roheisen, direktreduziertes Eisen, heiß brikettiertes Eisen und heiße Metall- und Eisenoxide verschiedener Formen verwendet werden können. Mindestens eine Elektrode ist innerhalb einer zentralen Zone 15 angeordnet. Die Elektrode oder Elektroden können gesamt oder nur teilweise innerhalb der zentralen Zone liegen. In der in den Figuren illustrierten Ausführungsform sind drei solcher Elektroden 16 dargestellt.
Den Elektroden wird Elektrizität zugeführt, und Lichtbögen werden zwischen den Elektroden und/oder zwischen den Elektroden und dem Metall ausgebildet. Die sich ergebende Hitze dient zum Schmelzen des Metalls und bildet daher ein Schmelzmetallbad innerhalb des Lichtbogenofens. Das Schmelzmetallbad weist geschmolzenes oder flüssiges Metall 3 auf und kann ebenfalls Schlacke 4 aufweisen, die gelegentlich signifikante Mengen an Gas enthalten kann, wodurch ein Schlackeschaum erzeugt wird. Im allgemeinen liegt der Schlackeschaum während etwa ein Viertel der Zeit vor, in welcher der Schmelzofen in Betrieb ist. Die Schlacke weist im allgemeinen einen oder mehrere der folgende Stoffe auf: Kalziumoxid, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumdioxid und Eisenoxid.
Primärsauerstoff kann dem Schmelzmetallbad in gasförmiger Form durch eine Lanze 5 bereitgestellt werden. Dieser Haupt- oder Primärsauerstoff kann in der Form von Luft oder als ein Gemisch mit einer Sauerstoffkonzentration bereitgestellt werden, welche diejenige von Luft übertrifft. Vorzugsweise wird der Primärsauerstoff dem Schmelzmetallbad als ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 80 Mol.% zugeführt. Der Primärsauerstoff kann dem Bad ebenfalls in fester Form wie z. B. als Eisenoxid zugeführt werden. Der Primärsauerstoff wird mit Kohlenstoff in dem Schmelzmetallbad zur Reaktion gebracht, um Kohlenmonoxid zu erzeugen. Der Kohlenstoff in dem Schmelzmetallbad kann von einer oder mehreren Quellen stammen, wie z. B. aus mit dem Metall verbundenen Kohlenstoff, aus einer direkten Kohlenstoffzufuhr zu dem Schmelzmetallbad, oder aus einer Kohlenwasserstoffhinzufügung zu dem Schmelzmetallbad zusammen mit oder in der Nähe von Primärsauerstoff. Die Reaktion von Sauerstoff mit Kohlenstoff in dem Schmelzmetallbad zur Ausbildung von Kohlenmonoxid stellt dem Ofen zusätzliche Hitze bereit, gestattet das Durchrühren des Bads und schäumt die Schlacke auf, um eine effizientere Wärmeübertragung von den Lichtbögen zu dem Bad zu ermöglichen.
Ein Auslass 9, der im allgemeinen in dem Dach des Ofens 1 angeordnet ist, steht mit einer Auslassrohrleitung 10 in Verbindung, die zum Abführen der Ofengase aus dem Ofen dient. Der Auslass ist außerhalb der zentralen Zone des Ofens angeordnet. Dieser Teil ist in der Fig. 2 mit 14 bezeichnet. Der Herausfluss der Ofengase durch den Auslass 9 und die Rohrleitung 10 verursacht die Ausbildung eines Gasstroms innerhalb des Lichtbogenofens. Der Gasstrom kann von dem Schrott zu dem Auslass geleitet werden, oder, falls ein Bad vorhanden ist, von der Schlacke auf der Oberseite des geschmolzenen Metalls zu dem Auslass. Das heißt, dass der Gasstrom von der schaumigen Schlacke ausgehen kann. Dieser Gasstrom ist in den Zeichnungen mit 12 bezeichnet.
Der Gasstrom 12 setzt sich aus Ofengasen innerhalb des Lichtbogenofens zusammen. Zusätzlich zu einem oder mehreren Brennstoffen, d. h. Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe, können die Ofengase Kohlendioxid, Wasserdampf, Stickstoff und/oder Sauerstoff aufweisen. Kohlenmonoxid, welches in dem Schrott ausgebildet worden ist, von dem Schmelzmetallbad herausgesprudelt ist oder sich immer noch in der Schlacke befindet, wird vorzugsweise in den Gasstrom hineingezogen, anstatt zu anderen Ofenteilen zu fließen. Somit fungiert der Flussdynamikvorgang des Gasstroms zur Konzentrierung des Kohlenmonoxids sowie anderer in dem Gasstrom befindlicher Brennstoffe wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe, wenn der Gasstrom von der Oberfläche des geschmolzenen Metalls zu dem Auslass fließt.
Sekundär- oder Nachverbrennungssauerstoff 13 wird dem Gasstrom 12 mittels einer Lanze 6 bereitgestellt. Der Sekundärsauerstoff kann in der Form von Luft oder als ein Gemisch mit einer Sauerstoffkonzentration vorliegen, die diejenige von Luft übertrifft. Vorzugsweise wird der Sekundärsauerstoff dem Gasstrom als ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 80 Mol.% bereitgestellt. Der Sekundärsauerstoff kann während der gesamten Zeit oder nur einem Teil der Zeit zugeführt werden, in welcher der Ofen in Betrieb ist. Der Sekundärsauerstoff kann in den Gasstrom über dem geschmolzenen Metall zugeführt werden. Wenn eine Schlacke vorliegt, wird der Sekundärsauerstoff vorzugsweise innerhalb der Schlacke bereitgestellt. Der Sekundärsauerstoff kann ebenfalls innerhalb des Schrotts zugeführt werden. Vorzugsweise wird der Sekundärsauerstoff so tief wie möglich bereitgestellt, d. h. nahe einem oder mehrerer Punkte der Ausbildung des zu dem Auslass fließenden Gasstroms, um die Verweildauer des Sekundärsauerstoffs innerhalb des Gasstroms zu erhöhen und damit das Ausmaß an Nachver brennung und die Übertragung der freigesetzten Hitze zu dem Schrott und/oder zu dem Schmelzmetallbad zu verbessern.
Der Sekundärsauerstoff wird mit Kohlenmonoxid innerhalb des Gasstroms zur Reaktion gebracht, bevor er den Auslass erreicht, und er bildet in einer exothermen Reaktion innerhalb des Lichtbogenofens Kohlendioxid aus. Der Sekundärsauerstoff reagiert ebenfalls mit anderen brennbaren Stoffen, die in dem Gasstrom vorhanden sein könnten. Die anderen brennbaren Stoffe wie z. B. Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffgas können innerhalb des Ofens durch das Aufbrechen von mit dem Schrott verbundenen Verunreinigungsstoffen ausgebildet werden, oder auf andere Weise, wie z. B. durch die partielle Oxidation von Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen. Anschließend wird die sich ergebende Hitze zweckdienlich zum Erhitzen und/oder Schmelzen des Metalls verwendet. Obwohl die Nachverbrennungsreaktion in einem lokalisierten Bereich des Ofens stattfindet, schreitet die Nachverbrennungsreaktion mit hoher Effizienz fort und erzeugt eine große Hitze, da die Reagenzien, namentlich Sauerstoff, Kohlenmonoxid und andere Brennstoffe, in diesem Bereich konzentriert sind, was bessere Resultate bewerkstelligt, als wenn die Nachverbrennung gleichmäßig durch den Ofen hinweg durchgeführt werden würde. Zugleich werden die Ausrüstungskosten gesenkt, da nur eine Nachverbrennungslanze oder allenfalls eine kleine Anzahl von Lanzen zur Durchführung der Erfindung im Vergleich zu der konventionellen Praxis notwendig sind. Der Sekundärsauerstoff kann mittels einer Lanze bereitgestellt werden, die von derjenigen für den Primärsauerstoff getrennt ist, wie in den Figuren dargestellt, oder er kann durch eine Zweileitungslanze zugeführt werden, die zugleich den Primärsauerstoff durch eine getrennte Sauerstoffleitung in den Ofen einspeist.
Das folgende Beispiel wird aus illustrativen Gründen angegeben und beabsichtigt keine Eingrenzung der Erfindung. Die Erfindung wurde in einem 60 ton-Lichtbogenofen ähnlich zu demjenigen durchgeführt, welcher in den Fig. 1 und 2 illustriert ist. Der Ofen wurde mit Stahlschrott beschickt und das Schmelzen begonnen. Der Nachverbrennungssauerstoff wurde in den zu dem Auslass fließenden Ofengasstrom geführt, und zwar zunächst innerhalb des Schrottstapels und später als sich eine schaumige Schlacke ausgebildet hatte, innerhalb der schaumigen Schlacke. Kohlenmonoxid und andere brennbaren Stoffe wurden in dem Ofengasstrom innerhalb der sich in dem Ofen freisetzenden Hitze verbrannt, was das Schmelzen des Schrotts unterstützte. Zu Vergleichszwecken wurde dieser Vorgang mit der Ausnahme wiederholt, dass kein Nachverbrennungssauerstoff verwendet wurde. Der Unterschied im elektrischen Energieverbrauch betrug zwischen der konventionellen Lichtbogenofenpraxis und der Praxis der Erfindung 40 Kwh/ton. Dies entspricht einer Wärmeübertragungsrate von 4,75 Kwh/NM³ an Sauerstoff, die 81% der gesamten Rate der Nachverbrennungshitzefreisetzung ausmacht, was die durch die Praxis der Erfindung erreichbaren vorteilhaften Ergebnisse klar widerspiegelt.
Die Erfindung bezieht sich spezifisch auf die Lichtbogenofenpraxis, da die zentral angeordnete Elektrode oder Elektroden die Bedingungen erzeugt, d. h. den nicht zentral angeordneten Auslass der Erfindung ermöglicht, durch welchen sich der Gasstrom innerhalb des Ofens ausbildet.

Claims

Verfahren zum Ausführen einer Nachverbrennung mittels Injizieren von Sauerstoff in einen Lichtbogenofen, der mindestens eine innerhalb der zentralen Zone des Ofens angeordnete Elektrode und einen außerhalb der zentralen Zone des Ofens angeordneten Auslass aufweist, wobei im Zuge des Verfahrens:

(A) ein Schmelzmetallbad innerhalb des Lichtbogenofens gebildet wird, welches geschmolzenes Metall und Kohlenstoff aufweist;

(B) Primärsauerstoff in das geschmolzene Metall eingebracht wird und Primärsauerstoff mit Kohlenstoff innerhalb des Schmelzmetallbads zur Reaktion gebracht wird, um Kohlenmonoxid innerhalb des Ofens zu erzeugen, um dem Ofen Wärme zuzuführen und das Bad durchzuführen;

(C) innerhalb des Ofens ein auf den Auslaß gerichteter Gasstrom gebildet wird, von welchem der Primärsauerstoff in das geschmolzene Metall eingebracht wird, und innerhalb des Ofens erzeugtes Kohlenmonoxid innerhalb des Gasstroms zu dem Auslaß geleitet wird;

(D) Sekundärsauerstoff oberhalb des geschmolzenen Metalls in den Gasstrom eingebracht wird; und

(E) der Sekundärsauerstoff mit dem Kohlenmonoxid innerhalb des Gasstroms stromauf des Auslasses zur Reaktion gebracht wird und Kohlendioxid in einer exothermen Reaktion innerhalb des Lichtbogenofens gebildet wird;

dadurch gekennzeichnet, dass

(F) in Schritt (B) der Primärsauerstoff durch den oberen Teil des geschmolzenen Metalls hindurch zugeführt wird; und

(G) in Schritt (D) der Sekundärsauerstoff dem Gasstrom nahe einer Bildungsstelle des Gasstroms zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall Stahl ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall Eisen ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoff in den Gasstrom als Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 80 Mol.% eingebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoff oberhalb des Schmelzmetallbads in den Gasstrom eingebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schmelzmetallbad eine Schlacke umfasst und der Sekundärsauerstoff innerhalb der Schlacke in den Gasstrom eingebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lichtbogenofen Schrott enthält und der Sauerstoff innerhalb des Schrotts in den Gasstrom eingebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gasstrom zusätzlich Wasserstoff umfasst und ferner Sekundärsauerstoff mit dem Wasserstoff innerhalb des Gasstroms zur Reaktion gebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gasstrom zusätzlich Kohlenwasserstoffgas umfasst und ferner Sekundärsauerstoff mit dem Wasserstoffgas innerhalb des Gasstroms zur Reaktion gebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Primärsauerstoff in gasförmiger Form in das geschmolzene Metall eingebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Primärsauerstoff in fester Form in das geschmolzene Metall eingebracht wird.