DE69625187T2 - Verfahren zur herstellung von metallen und metall-legierungen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von metallen und metall-legierungen

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Metallen und Metallegierungen, insbesondere jedoch nicht ausschließlich von Eisen und Eisenlegierungen, aus Metalloxiden, wie Erzen und teilweise reduzierten Erzen, in einem metallurgischen Gefäß, das ein Schmelzbad enthält.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze aus Eisenerz ist allgemein als HIsmelt-Prozess beschrieben und basiert auf der Erzeugung eines Bades aus einer Eisenschmelze und Schlacke in einem Schmelzreduktionsgefäß, welches umfaßt:
  • i. Bodendüsen zum Einsprühen von festem kohlenstoffhaltigem Material und Trägergas in das Schmelzbad;
  • ii. Aufblasdüsen zum Einsprühen von Eisenerz, das vorgewärmtes und/oder teilweise reduziertes Eisenerz sein kann, in das Schmelzbad von oberhalb der Oberfläche des Schmelzbades; und
  • iii. Aufblasdüsen zum Einsprühen von Luft in den Raum über der Oberfläche des Schmelzbades, um Reaktionsgase, wie CO und H&sub2;, die vom Schmelzbad abgegeben wurden, nachzuverbrennen oder nachzubrennen.
  • Gemäß dem HIsmelt-Prozess wirkt das kohlenstoffhaltige Material als Reduktionsmittel und Energiequelle.
  • Ein wichtiges Merkmal des HIsmelt-Prozesses besteht in der Bildung einer Übergangszone im Gasraum über der Oberfläche des Schmelzbades, in der Tropfen oder Spritzer von Metallschmelze und Schlacke aufsteigen und anschließend absinken, die sich mit Reaktionsgasen aus dem Schmelzbad, aufgeblasener Heißluft und den Reaktionsgasen von der Nachverbrennung vermischen. Der Zweck der Übergangszone besteht darin, die Übertragung der Wärme auf das Schmelzbad zu erleichtern, die durch die Nachverbrennung von Reaktionsgasen aus dem Schmelzbad freigesetzt wurde. Gemäß dem HIsmelt-Prozess wird die Übergangszone durch kräftiges Bodenblasen von kohlenstoffhaltigem Material und Trägergas in das Schmelzbad erzeugt, was dazu führt, daß Tropfen und Spritzer von Metallschmelze und Schlacke aus dem Schmelzbad ausgestoßen werden.
  • Eine neuere Entwicklung des HIsmelt-Prozesses ist in der australischen Patentanmeldung 48938/93 mit dem Titel "A Method for Intensifying the Reactions in Metallurgical Reaction Vessels" im Namen von Technological Resources Pty Limited beschrieben. Diese australische Patentanmeldung beansprucht das Prioritätsdatum 16. Oktober 1992 von der deutschen Patentanmeldung 4234974.
  • Die australische Patentanmeldung beschreibt, daß eine Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung des HIsmelt-Prozesses erreicht werden kann, wenn das Bodenblasen von kohlenstoffhaltigem Material und Trägergas so gesteuert wird, daß die Übergangszone durch eine "Fontäne" aus Spritzern und Tropfen der Eisenschmelze und der Schlacke definiert wird. Der die Seiten 5 und 6 dieser Patentbeschreibung verbindende Absatz dieser australischen Patentanmeldung beschreibt, daß:
  • "die Erfindung auch auf der Erkenntnis basiert, daß die Reaktionen in metallurgischen Reaktionsgefäßen verstärkt werden, wenn Teile der Schmelze durch die Gasmenge, die durch Düsen unter dem Bad eingeführt wird, wie eine Fontäne aus dem Bad ausgestoßen werden und sich diese Teile der Schmelze in Form von Tropfen, Spritzern und großen Partikeln der Schmelze auf ballistischen Bewegungsbahnen innerhalb des Gasraum bewegen, die nur unterbrochen werden, wenn die Teile der Schmelze auf die Gefäßwand oder die Schmelze selbst treffen, mit anderen Teilen der Schmelze kollidieren oder von den oxidierenden Gasen mitgerissen werden, die in Form von freien Strahlen auf das Bad geblasen werden."
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines alternativen Verfahrens zum Erzeugen einer fontänenartigen Übergangszone.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von Metallen und Metallegierungen aus Metalloxiden in einem metallurgischen Gefäß, das ein Schmelzbad enthält, bereitgestellt, wie es in den zugehörigen Ansprüchen beschrieben ist.
  • Der Begriff "Übergangszone" steht hier für eine Zone über dem Schmelzbad, in der es aufsteigende und danach absinkende Tropfen oder Spritzer der Metallschmelze gibt.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, die Übergangszone des HIsmelt-Prozesses ohne einen Leistungsverlust und mit technischen Vorteilen zu erzeugen, indem Trägergas und kohlenstoffhaltiges Material und/oder Metalloxide und/oder festes Material durch einen Abschnitt der Seite eines metallurgischen Gefäßes, die mit dem Schmelzbad in Kontakt steht, und/oder von oberhalb der Oberfläche des Schmelzbades in das Schmelzbad eingesprüht werden.
  • Dadurch ermöglicht es die vorliegende Erfindung, das Bodenblasen von kohlenstoffhaltigem Material und Trägergas für die Erzeugung der Übergangszone und die mit diesem Bodenblasen verbundenen technischen Schwierigkeiten zu vermeiden. Ein technisches Problem besteht darin, daß das metallurgische Gefäß bei der Verwendung von Bodendüsen um eine Achse rotierend befestigt werden muß, so daß die Bodendüsen beim Umstellen bzw. Verlangsamen ohne das Schmelzbad gedreht werden können. Wenn die Bodendüsen entfallen, ist zudem eine viel einfachere und robustere Konstruktion der Unterseite des Ofens möglich.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auch auf der Erkenntnis, daß beim Einsprühen von kohlenstoffhaltigem Material das vorgeschlagene Einsprühen durch eine Blasdüse von oben in das Schmelzbad eine wirksame Maßnahme darstellt, um die erwünschte Aufgabe zu lösen, daß das Eindringen des kohlenstoffhaltigen Materials in das Schmelzbad und insbesondere in die Metallschicht des Schmelzbades gesichert ist.
  • Es ist bevorzugt, daß das Einsprühen des Trägergases und des kohlenstoffhaltigen Materials in das Schmelzbad dazu führt, daß die Metallschmelze fontänenartig in den Raum über der Oberfläche des Schmelzbades ausgestoßen wird.
  • Das kohlenstoffhaltige Material kann irgendein kohlenstoffhaltiges Material in einer festen, flüssigen oder gasförmigen Form sein.
  • Die Metalloxide können in irgendeiner geeigneten Form vorliegen. Die Metalloxide können zum Beispiel in Form von Erzen und/oder teilweise reduzierten Erzen vorliegen. Der Vorreduktionsgrad der Erze kann von einem relativ geringen (zum Beispiel FeO) bis zu einem relativ hohen Wert (70-90% Metallisierung) reichen.
  • Die Metalloxide können vorgewärmt sein.
  • Das andere feste Material kann irgendein geeignetes Material, wie zum Beispiel Flußmittel oder schlackebildende Mittel, sein.
  • Das Trägergas kann irgendein geeignetes Trägergas sein.
  • Es ist bevorzugt, daß das Trägergas ein Gas mit Sauerstoffmangel ist.
  • Es ist bevorzugt, daß das Trägergas Stickstoff umfaßt.
  • Das Trägergas kann Abgas des Verfahrens sein, das aus dem Gefäß abgegeben wurde, das zum Beispiel dazu diente, die Metalloxide teilweise zu reduzieren, die anschließend in das Gefäß befördert werden.
  • Das sauerstoffhaltige Gas kann irgendein geeignetes Gas, wie Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt.
  • Es ist bevorzugt, daß das sauerstoffhaltige Gas Luft ist.
  • Es ist besonders bevorzugt, daß die Luft vorgewärmt ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird als Beispiel anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:
  • Fig. 1: ein senkrechter Schnitt durch ein metallurgisches Gefäß für die Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist und
  • Fig. 2: ein senkrechter Schnitt durch ein anderes metallurgisches Gefäß für die Durchführung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
  • Die folgende Beschreibung steht mit dem Schmelzen von Eisenerz im Zusammenhang, um eine Eisenschmelze zu erzeugen, und es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung begrenzt ist und sich bei irgendwelchen geeigneten Metallerzen und/oder Konzentraten anwenden läßt.
  • Die Figuren zeigen die vorliegende Erfindung, wenn auch in vereinfachter, schematischer Form.
  • Unter Bezugnahme auf diese Figuren umfaßt jede Vorrichtung ein metallurgisches Gefäß 3 mit einem Metallmantel und einer Auskleidung aus einem feuerfesten Material, die dazu dient, ein Bad 9 aus einer Metallschmelze und Schlacke aufzunehmen. Jedes Gefäß 3 umfaßt einen Boden 4, eine zylindrische Seitenwand 6, eine Abdeckung 20 und einen Gasauslaß 8.
  • Die Vorrichtung in Fig. 1 umfaßt eine einzelne Blasdüse 5 in der Seitenwand 6 des Gefäßes 3, die so angeordnet ist, daß sie sich bei der Verwendung bis zu einer Position in das Gefäß 3 erstreckt, an der sich das offene Ende der Blasdüse 5 in einem geringen Abstand über der Oberfläche des Schmelzbades 9 befindet. Die Vorrichtung in Fig. 2 umfaßt zwei diametral entgegengesetzte Blasdüsen 5 in der Seitenwand 6 des Gefäßes 3. Bei dieser Ausführungsform sind die offenen Enden der Blasdüsen 5 im wesentlichen bündig mit der Innenoberfläche der Seitenwand 6. Wie bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung befinden sich die offenen Enden der Blasdüsen in einem geringen Abstand über der Oberfläche des Schmelzbades 9. Es ist selbstverständlich, daß das kein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt und die offenen Enden in das Schmelzbad 9 getaucht sein können.
  • In beiden Ausführungsformen zeigen die Blasdüsen 5 in einem Winkel nach unten zur Oberfläche des Schmelzbades 9.
  • Wie in den Figuren zudem gezeigt ist, umfaßt jede Vorrichtung außerdem eine Blasdüse 10, die sich durch die Abdeckung 20 im allgemeinen senkrecht in das Gefäß 3 erstreckt.
  • Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Betriebsbedingungen so ausgewählt, daß Kohle und Erz in einem geeigneten Trägergas, wie Stickstoff, enthalten sind und durch die Blasdüse(n) 5 mit einem ausreichenden Drehmoment in das Schmelzbad 9 gesprüht werden, das die Eisenschmelze und Schlacke enthält, so daß sie in das Schmelzbad 9 eindringen und dazu führen, daß Spritzer und Tropfen der Eisenschmelze und der Schlacke aus der Oberfläche des Schmelzbades 9 fontänenartig ausgestoßen werden, so daß in dem Raum 14 im Gefäß 3 über der Oberfläche des Schmelzbades eine Übergangszone 11 erzeugt wird.
  • Außerdem wird durch die Aufblasdüse 10 ein geeignetes sauerstoffhaltiges Gas, wie Heißluft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, in das Gefäß 3 geblasen, um die Reaktionsgase, wie CO und H&sub2;, nachzuverbrennen, die aus dem Schmelzbad 9 in den Raum 14 abgegeben werden und sonst durch den Gasauslaß 8 aus dem Gefäß 3 abgegeben würden.
  • Es gibt eine Anzahl von Faktoren, die die Bildung der Übergangszone 11 beeinflussen, und diese umfassen zum Beispiel:
  • i. den Durchmesser der Blasdüse(n) 5;
  • ii. die Position (einschließlich des Winkels) der Blasdüse(n) 5 im Verhältnis zur Oberfläche des Schmelzbades 9;
  • iii. das Drehmoment des Stroms aus Kohle/Erz/Trägergas/anderem festem Material, der durch die Blasdüse(n) 5 eingesprüht wird und
  • iv. die Anzahl der Blasdüse(n) 5 und die Größe des Gefäßes 3.
  • Im Hinblick auf den Punkt (ii) kann (können) im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 die Blasdüse(n) 5 in der Seitenwand 6 des Gefäßes 3 an irgendeiner Position oberhalb oder unterhalb einer geeigneten Bezugsoberfläche des Metallschmelzbades 9 angeordnet sein, vorausgesetzt, daß der Einsprühwinkel und die anderen vorstehend aufgeführten Faktoren derart sind, daß bei der Verwendung der (die) durch die Blasdüse(n) 5 eingesprühte(n) Strom (Ströme) aus Kohle/Erz/Trägergas wie gefordert in das Schmelzbad eindringen kann (können), so daß es dazu kommt, daß Spritzer und Tropfen der Eisenschmelze und der Schlacke aus dem Schmelzbad 9 ausgestoßen werden, so daß sie eine Fontäne bilden, wodurch die Übergangszone 11 erzeugt wird. Eine geeignete Bezugsoberfläche kann das Ruheniveau des Schmelzbades 9, das heißt das Niveau des Schmelzbades vor dem Einsprühen der Materialien in das Gefäß 3, sein. Obwohl wir nicht an irgendwelche bestimmten Abmessungen gebunden sein möchten, kann (können) das (die) offene Ende(n) der seitlichen Blasdüse(n) 5 typischerweise im Bereich von 0,5 m über bis 0,5 m unter der Bezugsoberfläche des Schmelzbades 9 liegen.
  • Im Hinblick auf den Punkt (iii) hängt das Drehmoment des durch die Blasdüse(n) 5 eingesprühten Stroms aus Kohle/Erz/Trägergas von einer Anzahl von Faktoren ab, die die Geschwindigkeit des Stroms, die Feststoffbeladung des Stroms und die geforderte Größe der Übergangszone 11 einschließen, jedoch nicht darauf begrenzt sind.
  • In jedem gegebenen Fall läßt sich angesichts der vorstehenden (und anderer relevanter) Faktoren ein optimaler Satz für die Betriebsbedingungen bestimmen.
  • Wie vorstehend erläutert, nimmt der Anmelder an, daß es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich wird, die mit Schmelzbadverfahren verbundene Technik zu vereinfachen, bei denen die Nachverbrennung im Gasraum über dem Schmelzbad erreicht wird, zum Beispiel bei einem HIsmelt-Prozess.
  • Außerdem nimmt der Anmelder an, daß es das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, Blasdüsen 5 mit einem relativ weiten Durchmesser zu verwenden, die einen zusätzlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung bieten würden, indem die Verstopfungsgefahr minimiert und es möglich wird, durch die Blasdüsen 5 Kohle und/oder Erz mit einem weiteren Größenbereich einzusprühen.
  • Bei diesen Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung, die vorstehend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben wurden, können viele Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die zugehörigen Ansprüche definiert wird.
  • Obwohl die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ein zylindrisches Gefäß 3 einschließen, ist es zum Beispiel selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt ist und irgendeine geeignete Form eines Druckgefäßes oder drucklosen Gefäßes sein kann.
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen auf der Verwendung von Kohle/Erz/Trägergas basieren, um ein ausreichendes Drehmoment zu liefern, ist die Erfindung außerdem nicht darauf begrenzt und erstreckt sich auf die getrennte Verwendung von Kohle oder Erz mit einem geeigneten Trägergas.
  • Obwohl die Blasdüsen 5 der bevorzugten Ausführungsformen so angeordnet sind, daß sich die offenen Enden der Blasdüsen 5 über der Oberfläche des Schmelzbades, befinden, wie es vorstehend angegeben ist, ist die vorliegende Erfindung zudem nicht darauf begrenzt und erstreckt sich auf Anordnungen, bei denen die offenen Enden der Blasdüsen 5 in das Schmelzbad 9 getaucht sind.
  • Obwohl die Blasdüsen 5 in den bevorzugten Ausführungsformen in den Seiten 6 des Gefäßes angeordnet sind, erstreckt sich die vorliegende Erfindung außerdem auf Anordnungen, bei denen die Blasdüsen 5 so angeordnet sind, daß sie durch die Abdeckung 20 in das Gefäß ragen.
  • Obwohl sich die Blasdüse 10 für das Einsprühen des sauerstoffhaltigen Gases, die in den Figuren gezeigt ist, im allgemeinen senkrecht durch die Abdeckung 20 erstreckt, ist schließlich die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt und die Blasdüse 10 kann an irgendeiner geeigneten Stelle anordnet sein, um die Reaktionsgase wirksam nachzuverbrennen, die aus dem Schmelzbad 9 abgegeben werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von Metallen und Metallegierungen aus Metalloxiden in einem metallurgischen Gefäß, das ein Schmelzbad enthält, wobei das Gefäß eine Seitenwand und eine Abdeckung umfaßt, wobei das Schmelzbad eine Metallschicht und eine Schlackeschicht auf der Metallschicht umfaßt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Bewirken, daß die Metallschmelze und die Schlacke in den Raum über der Oberfläche des Schmelzbades ausgestoßen werden, wodurch eine Übergangszone erzeugt wird, und Einsprühen von sauerstoffhaltigem Gas in den Raum über der Oberfläche des Schmelzbades und Nachverbrennen der Reaktionsgase, die aus dem Schmelzbad in die Übergangszone freigesetzt werden;
wobei das Verfahren durch den Schritt der Erzeugung der Übergangszone gekennzeichnet ist, bei dem festes Material, das festes, kohlenstoffhaltiges Material ist, mit einem Trägergas von oberhalb durch eine oder mehr als eine Blasdüse in das Schmelzbad gesprüht wird, wobei jede Blasdüse, die festes Material einsprüht, in einem Winkel nach unten ausgerichtet ist und das eingesprühte feste Material/Trägergas ein ausreichendes Drehmoment hat, so daß das feste Material und das Trägergas in das Schmelzbad eindringen und dazu führen, daß die Metallschmelze und die Schlacke in den Raum über der Oberfläche des Schmelzbades ausgestoßen werden, wodurch die Übergangszone erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Blasdüse, die festes Material einsprüht, durch die Seitenwand des Gefäßes verläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das das Einsprühen von festem Material und Trägergas mit einem ausreichenden Drehmoment umfaßt, so daß die Metallschmelze fontänenartig in den Raum über der Oberfläche des Schmelzbades ausgestoßen wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metalloxide in Form von Erzen und/oder teilweise reduzierten Erzen vorliegen.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metalloxide vorgewärmt sind.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einsprühen eines anderen festen Materials mit dem Trägergas umfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das andere feste Material ein oder mehrere Flußmittel oder Schlacke bildende Mittel umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Trägergas Stickstoff umfaßt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Trägergas Abgas eines Verfahrens ist, das aus einem Gefäß abgegeben wurde, das zum Beispiel dazu diente, die Metalloxide teilweise zu reduzieren, die anschließend in das Gefäß befördert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sauerstoffhaltige Gas Luft ist.
11. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Luft vorgewärmt ist.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einsprühen von festem Material und Trägergas mit einem ausreichenden Drehmoment umfaßt, so daß sie in die Metallschicht eindringen und dazu führen, daß die Metallschmelze und Schlacke in den Raum über der Oberfläche des Schmelzbades ausgestoßen werden, wodurch die Übergangszone erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einsprühen von kohlenstoffhaltigem Material und Metalloxiden durch die gleiche Blasdüse oder die gleichen Blasdüsen umfaßt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das das Einsprühen von kohlenstoffhaltigem Material und Metalloxiden durch getrennte Blasdüsen umfaßt.
15. Verfahren nach Anspruch 1, das das Einsprühen von kohlenstoffhaltigem Material und Metalloxiden mit dem Trägergas durch eine oder mehr als eine Blasdüse umfaßt, die so angeordnet sind, daß sich die Auslaßseite jeder Blasdüse über dem Bad befindet.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einsprühen des festen Materials und des Trägergases durch eine oder mehr als eine Blasdüse umfaßt, die so angeordnet sind, daß die Auslaßseite jeder Blasdüse in das Bad getaucht ist.
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