DE69720606T2 - Verfahren zum betreiben eines schachtofens - Google Patents

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Yasuhiko Tokai City FUJIWARA
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Tadashi Kitakami City OBARA
Yasushi Kitakami City OBARA
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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schachtofens, der Roheisen mit einem hohen Wärmeausnutzungsgrad und bei einer geringen Material- und Brennstoffrate unabhängig von den Eigenschaften eines Festbrennstoffs unter Verwendung einer Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad und einer zweiten Eisenquelle, für die nur ein Schmelzvorgang erforderlich ist, wie beispielsweise Eisenschrott, kontinuierlich schmelzen kann.
  • Hintergrundtechnik
  • In der Vergangenheit sind verschiedene Verfahren zum Herstellen von Roheisen aus einem unreduziertem Erz entwickelt worden, und gegenwärtig wird hauptsächlich ein Hochofenverfahren verwendet. Gemäß dem Hochofenverfahren wird ein von der Oberseite des Ofens beschicktes Rohmaterial durch ein von unten nach oben strömendes Hochtemperaturgas ausreichend vorgewärmt, während das Rohmaterial herabfällt, und Eisenoxid wird durch Kohlenmonoxid (CO) in einem Verhältis von mindestens 60% indirekt reduziert. Um ein solches Indirektreduktionsverhältnis in einem Hochofenverfahren zu gewährleisten, ist vor einer Wind- oder Blasdüse ein Kanalraum vorgesehen und wird ein Reduktionsgas mit einem ηco-Wert (= CO2/(CO + CO2)) von 0 erzeugt. Um die Temperatur des als das vorstehend beschriebene Hochtemperaturgas dienenden Verbrennungsgases zu erhöhen, wird eine Windtemperatur auf einen Wert von nicht weniger als 1000°C eingestellt.
  • In einem Schmelzofen, in dem eine Eisenquelle, z. B. eisenhaltiger Staub und/oder Eisenschrott, als Hauptmaterial verwendet wird, ist es in geringerem Maße erforderlich, das Reduktionsgas am Blasdüsenabschnitt zu erzeugen. Daher wird vermutet, daß es effizient ist, die Verbrennung von Koks vor der Blasdüse als Maßnahme zum Bereitstellen der Wärmequelle zum Erwärmen der bei verschiedenen Temperaturen schmelzenden Eisenquellen zu verwenden.
  • Im Fall z. B. eines Kupolverfahrens, das hauptsächlich darauf ausgerichtet ist, die Eisenquelle, z. B. Eisenschrott, Gußschrott, Roheisen, usw. zu schmelzen, in dem jedoch keine Reduktionsfunktion erforderlich ist, werden das Rohmaterial und Brennstoffe im allgemeinen als Gemisch beschickt, und der Schmelzvorgang für die Eisenquelle findet im allgemeinen bei einem ηco-Wert (Gasausnutzungsgrad) von 40 bis 50% statt. Um eine solche Gaszusammensetzung zu erhalten, wird im Kupolverfahren ein Gießkoks mit einer Korngröße von 100 bis 150 mm verwendet und eine Lösungsverlustreaktion nach dem Verbrennen des Kokses verhindert. Weil das für Gießzwec ke vorgesehene Koks mit großer Korngröße teuer ist, ist es jedoch vermutlich effektiver, Koks mit einem kleinerer Korngröße zu verwenden, um die Brennstoffkosten zu senken. In diesem Fall wird jedoch die Lösungsverlustreaktionsrate als die endotherme Reaktion größer, und der Gasausnutzungsgrad ηco des Kokses nimmt ab, so daß die Schmelzwärme abnimmt und es schwierig wird, einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
  • Andererseits sind nicht viele Beispiele für den Betrieb eines Schachtofens bekannt, in denen ein selbstreduzierbares Stückerz und Eisenschrott als Hauptrohmaterialien verwendet werden und ein Reduktionsvorgang bis zum Schmelzen erforderlich ist. Anders als beim Hochofen ist in einem solchen Schachtofen kein Kanal vorgesehen, und der Be trieb erfolgt durch Einstellen der Windtemperatur auf einen Wert von nicht mehr als 600°C.
  • In Transactions of the American Foundrymen's Society, Bd. 85, AFS Des Plaines, III, (1977), Seiten 327–332 von Goksel et al. wird ein Experiment mit einem Heißwindkupolofen unter Verwendung von Pellets mit 5 Gew.-% Kohlenstoffanteil bei einer Windtemperatur von 450°C beschrieben, es wurden jedoch keine Literaturhinweise bezüglich des Stands der Technik gefunden, die den Betrieb eines Normaltemperaturkupolofens oder den Betrieb eines Schachtofens betreffen, wenn eine große Menge kohlenstoffhaltiger Pellets verwendet wird.
  • In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 1-501401 wird eine Roheisenerzeugungsvorrichtung beschrieben, die einen Hochofen mit einer sekundären Blasdüse und einen Herd mit einem Durchmesser aufweist, dessen Durchmesser größer ist als derjenige des Hochofens und der eine primäre Blasdüse aufweist. Bei diesem Ofen wird nur die Eisenquelle von der Ofenoberseite beschickt, und der Brennstoff wird direkt einem Brennstoffbett zugeführt, das sich an der Verbindungsstelle zwischen dem Hochofen und dem Herd befindet. Daher schreitet, weil im Inneren des Hochofens eine Erzschicht angeordnet ist, in der kein Brennstoff vorhanden ist, die Lösungsverlustreaktion aufgrund des Festbrennstoffs nicht fort, und es kann ein hocheffizienter Betrieb mit einer Abgaszusammensetzung mit einem hohen ηco-Wert (CO2/(CO + CO2)) erwartet werden. In diesem Ofen reagiert das selbstreduzierbare Erz als das Hauptmaterial mit dem Koks im Koksbett am Herd, und es tritt eine Schmelzreduktion als exotherme Reaktion auf. weil jedoch die durch die nachstehende Formel (2) dargestellte endotherme Reaktion am sekundären Blasdüsenabschnitt stattfindet, kann diese Wärme zum Vorwärmen, Wärmen oder Schmelzen der Eisenquelle und des Roheisens verwendet werden: CO + 1/2O2 → CO2 + 67590 kcal/kmol∙CO (2)
  • Weil von der Ofenoberseite des Hochofens kein Brennstoff, sondern lediglich Erz beschickt wird, wird der Koks im Inneren des Koksbettes im Verlauf des Betriebs durch Aufkohlen des Eisens unerwünscht verbraucht, wenn für eine lange Zeitdauer ein kontinuierlicher Betrieb ausgeführt wird. Wie aus dem Fe-C-O-Gleichgewichtdiagramm hervorgeht, schreitet die Gasreduktion von FeO zu Fe auch im kohlenstoffhaltigen, selbstreduzierbaren Erz nicht leicht fort, wenn eine Gaszusammensetzung einen hohen Oxidationsgrad ηco ≥ 30% hat und die Temperatur nicht niedriger ist als 1000°C. Dadurch wird die Schmelzreduktion am unteren Ofenabschnitt unvermeidbar, und es ist wahrscheinlich, daß ein erhöhter Koksverbrauch auftritt und die Ofenwärme abnimmt oder der Winddruck aufgrund der Erhöhung der Schmelzflüssigkeitsmenge zunimmt. Außerdem kommt das Erz, wenn es im Hochtemperaturbereich erweicht und geschmolzen ist, mit den Ofenwänden in Kontakt und haftet daran an, wodurch eine sogenannte "Verkrustung" (Shelving) auftritt.
  • Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Problemen wird die Ofenform kompliziert, so daß bei der Entwicklung eines größeren Ofenkörpers ein Kühlproblem auftritt. Infolgedessen ist ein großformatiger Ofen vermutlich schwierig implementierbar.
  • In der JP-A-56119710 ist ein Verfahren zum Vermeiden einer Blasdüsenstörung durch Messen des Gasausnutzungsgrades an der Ofenwand und Steuern des Erz/Koks-Verhältnisses der dem Wandbereich zuzuführenden Rohmaterialien dargestellt.
  • In der vorstehend erwähnten ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 1-501401 ist die Beziehung zwischen der Zufuhrposition, wenn der Brennstoff am Verbin dungsabschnitt zwischen dem Hochofen und dem Herd zugeführt wird, und der primären Blasdüse nicht konkret dargestellt. In der Darstellung ist die primäre Blasdüse zwischen benachbarten Brennstoffzufuhrpositionen angeordnet.
  • Wenn die primäre Blasdüse in einem Ofen mit einem mittleren Herddurchmesser D ≥ 1,00 m an der Mittenposition zwischen benachbarten Brennstoffzufuhrpositionen angeordnet ist, wie vorstehend beschrieben, wird die Ergänzung bzw. der Ersatz des am primären Blasdüsenabschnitt verbrannten Kokses durch die unmittelbar darüber angeordnete Charge beeinflußt. In diesem Fall ersetzt daher das vom oberen Teil des Ofens herabfallende Erz das verbrannte Koks, und der zugeführte Brennstoff senkt sich vermutlich nicht gleichmäßig herab, so daß die Wahrscheinlichkeit einer Unterbrechung des Betriebs groß ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im herkömmlichen Schmelzofenbetrieb für eine Eisenquelle war die Verwendung von teurem Koks mit großer Teilchen- bzw. Korngröße unvermeidbar. In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 1-501401 wird dagegen ein Schmelzofen mit einer komplizierten Ofenkörperstruktur dargestellt und eine Technik vorgeschlagen, die darauf ausgerichtet ist, einen hohen Gasausnutzungsgrad ηco zu erhalten und die Brennstoffrate zu reduzieren, wenn Koks mit kleiner Korngröße und große Mengen von selbstreduzierbarem Stückerz verwendet werden. Die Probleme, daß wahrscheinlich eine sogenannte "Verkrustung" (Shelving) auftritt und das Koksbett am unteren Teil des Ofens verbraucht wird, sind jedoch weiterhin nicht gelöst, und diese Probleme behindern eine langfristige stabile Operation des Ofens. Außerdem bleibt das Implementierungsproblem für den Fall, daß der Ofen größer ausgebildet wird, weiterhin ungelöst.
  • Wenn vorausgesetzt wird, daß große Mengen von Brennstoff mit kleiner Korngröße verwendet werden, ist vermutlich eine auf eine niedrige Brennstoffrate ausgerichtete langfristige stabile Operation durch herkömmliche Verfahren, gemäß denen das selbstreduzierbare Stückerz, Eisenschrott, usw. geschmolzen werden, schwierig erreichbar.
  • Es ist die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen effizienten Ofenbetrieb zu ermöglichen, ohne daß der Gasausnutzungsgrad ηco des Festbrennstoffs vermindert wird, wobei die sogenannte "Verkrustung" auch dann vermieden wird, wenn ein Festbrennstoff mit einer Teilchen- bzw. Korngröße verwendet wird, die kleiner ist als diejenige von Gießkoks. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Patentansprüchen gelöst.
  • In einem Betriebsverfahren, in dem mindestens eine Eisenquelle, die aus Eisenquellen ausgewählt wird, für die keine Reduktionsfunktion erforderlich ist, z. B. Stückerzstaub, selbstreduzierbares Stückerz (kohlenstoffhaltiges Stückerz), reduziertes Eisen mit einem niedrigen Metallisierungsgrad (einschließlich Eisenpulver), usw. und aus Eisenquellen, für die nur eine Schmelzfunktion erforderlich ist, z. B. HBI (hot briquetted iron bzw. heißbrikettiertes Eisen), DRI (direct reduced iron bzw. direkt reduziertes Eisen), Eisenschrott, Gußroheisen, Rücklaufschrott, usw., und ein Festbrennstoff in einen Schachtofen beschickt werden und durch das die Eisenquelle durch Einblasen eines sauerstoffhaltigen Gases mit einer Temperatur von einer Normaltemperatur bis zu einer Temperatur von nicht mehr als 600°C von einer an einer Wandfläche des Schachtofens angeordneten Blasdüse reduziert und geschmolzen wird, kann in der vorliegenden Erfindung ein Festbrennstoff mit einer kleinen Korngröße verwendet werden, der ηco-Wert (= CO2/(CO + CO2)) als ein Index der Reaktion und des Wärmeausnutzungsgrades im Inneren des Ofens gemäß der Art der Eisenquelle gesteuert werden und die Eisenquelle mit einer niedrigen Brennstoffrate effizient reduziert und geschmolzen werden.
  • Die Grundlagen des Betriebsverfahren des Schachtofens, in dem mindestens eine Eisenquelle, die aus Eisenquellen ausgewählt wird, für die eine Reduktionsfunktion erforderlich ist, z. B. Stückerzstaub, selbstreduzierbares Stückerz (kohlenstoffhaltiges Stückerz), reduziertes Eisen mit einem niedrigen Metallisierungsgrad (einschließlich reduziertes Eisenpulver), usw. und aus Eisenquellen, für die nur eine Schmelzfunktion erforderlich ist, z. B. HBI (hot briquetted iron), DRI (direct reduced iron), Eisenschrott, Gußroheisen, Rücklaufschrott, usw. und ein Festbrennstoff in einen Schachtofen beschickt werden, sind nachstehend dargestellt.
  • Im Verfahren zum Steuern des Gasausnutzungsgrades ηco innerhalb des Ofens können die folgenden Schritte verwendet werden:
    Einstellen der Chargenhöhe (Bunkerstand) einer Charge, die die Eisenquelle und den Festbrennstoff im Inneren des Schachtofen enthält;
    Einstellen mindestens eines der folgenden Parameter: Höhe des Koksbettes, Windmenge bzw. -volumen, Blasdüsendurchmesser und Blasdüsenvorsprungposition gemäß der Korngröße des Festbrennstoffs; und
    Bereitstellen von zwei oder mehr Blasdüsenstufen in Richtung der Ofenhöhe und Einstellen der Einblasleistung bzw. des Windvolumens jeder in Richtung der Ofenhöhe angeordneten Blasdüse gemäß einem mittleren Metallisierungsgrad der Eisenquelle.
  • Im Beschickungsverfahren besteht ein Zyklus aus zwei oder mehr Chargen, wobei für jede Charge in jedem Zyklus das Eisenquelle-/Festbrennstoff-Gewichtsverhältnis und/oder die Art der Eisenquelle und/oder die Korngröße des Festbrenn stoffs verändert werden, und die gleiche Charge wird in jeder Zykluseinheit wiederholt, so daß der ηco-Wert auf einen Wert gesteuert wird, der zum Reduzieren/Schmelzen der vorstehend beschriebenen Eisenquelle am geeignetsten ist.
  • Wenn die Eisenquelle und der Festbrennstoff vom oberen Teil des Ofens in den Ofen beschickt werden, wird eine Eisenquelle mit einem hohen Metallisierungsgrad mit dem Festbrennstoff vermischt und dem Mittenabschnitt des Schachtofens zugeführt, während eine Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad mit dem Festbrennstoff vermischt und dem Umfangsabschnitt des Schachtofens zugeführt wird. In diesem Fall wird die Höhe des Koksbettes am unteren Teil des Schachtofens gemäß der Korngröße des Festbrennstoffs, der den dem Schachtofen zuzuführenden Koks aufweist, und gemäß der an der Blasdüse vorgegebenen Einblasbedingung eingestellt.
  • Außerdem ist die Partikel- bzw. Korngröße des dem Umfangsabschnitt des Schachtofens zuzuführenden Festbrennstoffs auf höchstens 60 mm begrenzt, während die Partikel- bzw. Korngröße des dem Ofenmittenabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs auf einen Wert festgelegt ist, der größer ist als die Korngröße des dem Umfangsabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs, d. h. vorzugsweise mindestens 60 mm beträgt. Außerdem ist, wenn der Festbrennstoff und die Eisenquelle vermischt und dem Mittenabschnitt des Schachtofens zugeführt werden, der Gewichtsanteil des im Festbrennstoff enthaltenen Kohlenstoffs (C) zum in der Eisenquelle enthaltenen Eisen (Fe) auf 0,01 bis 0,05 begrenzt.
  • Außerdem wird die Chargenhöhe bzw. der Bunkerstand der dem Umfangsabschnitt des Schachtofens zuzuführenden Charge, die die Eisenquelle und den Festbrennstoff aufweist, bezüglich des Bunkerstands des Ofenmittenabschnitts gemäß dem mittleren Metallisierungsgrad der Eisenquelle geändert.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1(a) zeigt eine Ansicht zum Darstellen eines Beispiels einer Reaktionsvorrichtung und einer Beschickungsvorrichtung;
  • 1(b) zeigt eine Beschickung in einen Ofenmittenabschnitt;
  • 1(c) zeigt eine Beschickung in einen Ofenumfangsabschnitt;
  • 2(a) zeigt ein Beschickungsverfahren bei einem großen mittleren Metallisierungsgrad;
  • 2(b) zeigt ein Beschickungsverfahren bei einem kleinen mittleren Metallisierungsgrad;
  • 2(c) zeigt eine erläuternde Ansicht zum Darstellen der Beziehungen in 2(a) am Mitten- und am Umfangsabschnitt;
  • 3 zeigt eine Ansicht zum Darstellen der Beziehung eines mittleren Metallisierungsgrades einer Eisenquelle und eines ηco-Wertes, bei dem die Eisenquelle problemlos reduziert und geschmolzen werden kann;
  • 4(a) zeigt eine Ansicht zum Darstellen der Beziehung zwischen einer Koksbetthöhe und ηco, wenn die Kokskorngröße bei einer Gasströmungsgeschwindigkeit von 0,35 m/s in einem Ofen variabel ist;
  • 4(b) zeigt die gleiche Beziehung für eine Kokskorngröße von 30 mm;
  • 4(c) zeigt die gleiche Beziehung für eine variable Gasströmungsgeschwindigkeit im Ofen;
  • 5 zeigt eine Ansicht zum Darstellen der Beziehung zwischen einem Bunkerstand und ηco;
  • 6(a) zeigt eine Ansicht zum Darstellen der Beziehung zwischen einer Ofentemperatur und ηco, wenn ein eisen haltiger Staub (selbstreduzierbares Stückerz) mit Koks gemischt ist;
  • 6(b) zeigt eine Ansicht zum Darstellen der Beziehung zwischen einer Ofentemperatur und dem Reduktionsgrad in Abhängigkeit vom Vorhandensein/Nichtvorhandensein von beigemischtem Koks;
  • 7(a)– (d) zeigen Ansichten zum Darstellen typischer Beispiele des Beschickungsverfahrens;
  • 8 zeigt ein Beispiel von Betriebsdaten; und 9 zeigt ein anderes Beispiel von Betriebsdaten.
  • Bestes Verfahren zum Ausführen der Erfindung
  • Die 1(a)– 1(c) zeigen die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung. Die 1(b) und 1(c) zeigen einen oberen Abschnitt der in 1(a) dargestellten Beschickungsvorrichtung. Die Beschickungsvorrichtung weist einen Schacht 1, eine Glocke 2, einen beweglichen Mantel 3 und eine Beschickungsführung 4 auf, und ein Gasauslaßrohr 6 ist am oberen Abschnitt eines Ofenkörpers 5 angeordnet, und an einem unteren Abschnitt ist eine Blasdüse 7 angeordnet. Eine Charge kann einem Mittenabschnitt 9 und einem Umfangsabschnitt 8 getrennt oder selektiv zugeführt werden. Außerdem kann am unteren Abschnitt ein Koksbett 10 gebildet werden, dessen Höhe einstellbar ist.
  • Die Reaktionsvorrichtung weist mindestens zwei Blasdüsenstufen in Richtung der Höhe auf, und eine Beschickungsmaschine, die in der Lage ist, eine getrennte Beschickung in radialer Richtung auszuführen, ist an der Ofenoberseite angeordnet (vergl. 1). Der Einblasvorgang ist ein Normaltemperatur-Einblasvorgang oder ein Heißtemperatur-Einblasvorgang bei einer Temperatur von nicht mehr als 600°C, und der Blasdüsendurchmesser wird so eingestellt, daß hinsichtlich einer Sauerstoffanreicherung kein Führungsweg gebildet wird. Die Vorsprungposition der sekundären Blasdüse wird gemäß den beschickten Rohmaterialien verändert.
  • Die Rohmaterialien sind im wesentlichen Eisenquellen mit einem hohen Metallisierungsgrad, z. B. Eisenschrott, Roheisen, Gußschrott, HBI (hot briquetted iron), DRI (direct reduced iron), usw., und Eisenquellen mit niedrigem Metallisierungsgrad, z. B. Stückerzstaub, selbstreduzierbares Stückerz, oxidiertes reduziertes stückiges Eisenerz, Pulvererz, usw., und der Brennstoff ist hauptsächlich ein Festbrennstoff, z. B. Koks, rauchloses Koks, usw.
  • Als Beschickungsverfahren werden ein normales Beschickungsverfahren, in dem der Koks derart beschickt wird, daß eine Koksbettschicht entsteht, und dann der Rohbrennstoff entweder vollständig oder als Gemisch oder in laminarer Form zugeführt wird, und ein neuartiges Beschickungsverfahren verwendet, das den Rohbrennstoff in der radialen Richtung getrennt oder selektiv zuführt.
  • 2(a) zeigt eine Beschickung, in der nur Eisenquellenarten im Mittenabschnitt 16a geschmolzen werden, Koks plus Staubarten dem Umfangsabschnitt 17a zugeführt werden, und die Höhen des Koksbettes 10 im Mittenabschnitt 16 durch 13a und im Umfangsabschnitt durch 14a bezeichnet sind. 2(b) zeigt eine Beschickung, bei der Koks, eine Eisenquelle und Staub im Mittenabschnitt 16 und Koks plus Staubarten im Umfangsabschnitt 17b angeordnet sind, und die Höhen des Koksbettes 10 sind im Mittenabschnitt durch 13b und im Umfangsabschnitt durch 14b bezeichnet. In diesen Figuren werden Gase, z. B. Sauerstoff, von der primären Blasdüse 11 und der sekundären Blasdüse 12 bereitgestellt, und im Ofen bildet sich eine Gasströmung 15, die das Rohmaterial reduziert/schmilzt.
  • 2(c) zeigt eine Beziehung zwischen dem Gasausnutzungsgrad ηco innerhalb eines Ofens und dem Abstand von der primären Blasdüse am Mittenabschnitt und am Umfangsabschnitt in 2(a) .
  • Das neue Beschickungsverfahren kann grob eingeteilt werden in ein Verfahren, das den Betrieb mit einem hohen Reaktionswirkungsgrad betrifft, und ein Verfahren, das die Verwendung großer Mengen feiner granulatförmiger Eisenquellen betrifft. Das erstgenannte Verfahren trennt die zu beschickenden Rohmaterialien gemäß dem mittleren Metallisierungsgrad, der durch einen gewichteten Mittelwert des Metallisierungsgrades jedes der beschickten Rohmaterialien erhalten wird, und führt Rohmaterialien mit einem hohen mittleren Metallisierungsgrad dem Ofenmittenabschnitt und Rohmaterialien mit einem niedrigen mittleren Metallisierungsgrad dem Ofenumfangsabschnitt zu, während sie mit feinem granulatförmigem Koks vermischt werden, um einen Betrieb mit einem hohen Reaktionswirkungsgrad zu ermöglichen. Dieses Verfahren ist in den 2(a) und 2(b) dargestellt. Im letztgenannten Verfahren wird eine aus feinem Granulat (–5 mm) bestehende Eisenquelle mit feinem granulatförmigem Festbrennstoff vermischt, und dieses Gemisch wird dem Umfangsabschnitt zugeführt, und eine großstückige Eisenquelle wird der Mittenseite zugeführt, um die Verwendung großer Mengen der feinen granulatförmigen Eisenquelle unter einer Bedingung zu ermöglichen, in der die Gasströmung stabilisiert ist.
  • Der Betrieb des Reaktionsofens wird durch Einstellen der Koksbetthöhe und des Bunkerstandes und durch Verwendung des getrennten Beschickungsverfahrens und Ändern der Vorsprungposition der sekundären Blasdüse gemäß der Art des verwendeten Rohmaterials und des Brennstoffs gesteuert. Die optimale Höhe des Koksbettes ändert sich in Abhängigkeit davon, ob der Betrieb hauptsächlich auf das Schmelzen der Eisenquelle oder auf die Reduktion der Eisenquelle ausgerich tet ist, und die obere Endposition des Koksbettes wird auf die dem ηco-Sollwert entsprechende Position eingestellt. Auf diese Weise schreiten die Verbrennungsreaktion des Kokses und die Lösungsverlustreaktion nach der Verbrennung im Inneren des Koksbettes fort, und die Reaktionsraten beider Reaktionen werden durch die Korngröße des Festbrennstoffs, die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Windtemperatur eingestellt.
  • Der Bunkerstand steht in Beziehung mit der Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit des Rohbrennstoffs und beeinflußt insbesondere die Lösungsverlustreaktionsrate des Festbrennstoffs. Daher wird der Bunkerstand als Steuerungsmittel verwendet, um eine Abnahme des Reaktionswirkungsgrades zu verhindern. Hinsichtlich des in der radialen Richtung getrennten Beschickungsverfahrens ist das Innere der Reaktionsvorrichtung in einen Abschnitt, in dem der Metallisierungsgrad hoch ist, und einen weiteren Abschnitt getrennt, in dem der Metallisierungsgrad niedrig ist. Der erstgenannte Abschnitt wird für einen Betrieb verwendet, der hauptsächlich auf das Schmelzen ausgerichtet ist, wobei der obere Grenzwert des Gasausnutzungsgrades ηco als Sollwert angestrebt wird. Der letztgenannte Abschnitt ist hauptsächlich auf die Reduktion ausgerichtet. Ein Betrieb mit dem höchsten Wirkungsgrad kann insgesamt erhalten werden durch Steuern des für die Reduktion erforderlichen Gasausnutzungsgrades gemäß dem mittleren Metallisierungsgrad der Rohmaterialien und dem Kohlenstoffanteil. Die sekundäre Blasdüse wird effektiv für den Abschnitt verwendet, in dem der Metallisierungsgrad hoch und der Schmelzprozeß wichtig ist, wobei durch den sekundären Einblasvorgang der obere Grenzwert des Gasausnutzungsgrades angestrebt wird. Wenn der Abschnitt, in dem ein Schmelzprozeß wichtig ist, im in der radialen Richtung getrennten Beschickungsverfahren näher zum Mittenabschnitt versetzt wird, kann die höchste Wirkung erhalten werden, indem die Vorsprungposition der sekundären Blasdüse an der Grenzposition zwischen dem Mitten- und dem Umfangsabschnitt des Ofens festgelegt wird.
  • Nachstehend wird das Verfahren zum Steuern des Gasaus nutzungsgrades ηco erläutert. Ein Beispiel des erfindungsgemäßen ηco-Steuerverfahrens weist die folgenden Schritte auf.
  • Nachstehend wird der Kern des erfindungsgemäßen ηco- Steuerungsablaufs in einem Ofen erläutert. Die erfindungsgemäße ηco-Steuerung kann durch die folgenden Schritte (1) bis (5) zusammengefaßt werden:
  • (1) Der mittlere Metallisierungsgrad (Mittelwert von metallischem Eisen (M.Fe)/gesamtes Eisen (T.Fe)) wird von den Komponenten und den Mischungsanteilen (verwendete Mengen) der beschickten Eisenquelle bestimmt.
  • Wenn ein effizienterer Betrieb erreicht werden soll, wird ein in der radialen Richtung getrenntes Beschickungsverfahren ausgeführt, und wenn dieses Beschickungsverfahren verwendet wird, wird ein mittlerer Metallisierungsgrad in der Eisenquelle berechnet, die einem Mittenabschnitt bzw. einem Umfangsabschnitt zugeführt wird.
  • (2) Der für den Betrieb geeignete ηco-Bereich wird vom mittleren Metallisierungsgrad (Mittelwert von M.Fe/T.Fe) der beschickten Eisenquelle und vom Kohlenstoffanteil der Eisenquelle gemäß Formel (1) (3) bestimmt:
  • Im Fall des getrennten Beschickungsverfahrens wird ein geeigneter ηco-Wert im Mittenabschnitt bzw. im Umfangsabschnitt berechnet durch 1,5 × C% ≤ ηco – 0,7 × (Mittelwert von M.Fe/T.Fe) ≤ 3,0 × C% (1) wobei:
    C: in einer Eisenquelle enthaltener Kohlenstoffanteil, 0% ≤ C% ≤ 20%,
    ηco: Gasausnutzungsgrad (%),
    (Mittelwert von M.Fe/T.Fe): mittlerer Metallisierungsgrad (%);
    Metallisierungsgrad: metallisches Eisen in der Eisenquelle (M.Fe)/gesamtes Eisen in der Eisenquelle (T.Fe);
    mittlerer Metallisierungsgrad: der durch gewichtete Mittelwertbildung mehrerer Eisenquellenarten erhaltene Metallisierungsgrad.
  • (3) Weil die mittlere Gasströmungsgeschwindigkeit (m/s) innerhalb des Ofens durch die Betriebsbedingungen (Kriterium der Abstichmenge) des Schmelzofens bestimmt wird, wird die Höhe des Koksbettes von der primären Blasdüse gemäß der Korngröße des verwendeten Festbrennstoffs basierend auf den in 4 dargestellten Daten bestimmt.
  • (4) Der Bunkerstand (Höhe der Chargenoberfläche von der primären Blasdüse) H (m) wird entsprechend dem ηco-Sollwert bestimmt und gemäß Formel (3) (5) gesetzt.
  • Der Näherungsausdruck (3) ist eine durch die Methode der kleinsten Quadrate erhaltene Näherungslinie und ändert sich vermutlich in geringem Maß in Abhängigkeit von der Eisenquellenart und dem Matallisierungsgrad. Der Bunkerstand H (m) wird jedoch auf der Basis des ηco-Sollwertes gesetzt. H = –0,02775 ηco + 4,755 (3)
  • Im Fall eines getrennten Beschickungsverfahrens wird der Bunkerstand vorzugsweise im Mittenabschnitt bzw. im Umfangsabschnitt bestimmt.
  • (5) Das Brennstoffverhältnis (kg/t) kann, wenn der vorstehend beschriebene ηco-Sollwert einmal bestimmt worden ist, zusätzlich zur Ofenkörperwärmestrahlung (kcal/h) als Eigenschaft des Ofens, zum Abstichmengen-Sollwert (t/d) und zu den Betriebsbedingungen, z. B. der Eisenquellenart, der Eisenqualität, usw., vom Heizmaterialgleichgewicht bestimmt werden. Schließlich wird der Betrieb so ausgeführt, daß der ηco-Sollwert durch Feineinstellen des sekundären Windvolumens und Feineinstellen des Bunkerstandes aufrechterhalten wird.
  • Im Fall eines getrennten Beschickungsverfahrens wird das Brennstoffverhältnis bestimmt, und der Brennstoff wird gemäß dem Brennstoffverhältnis dem Mittenabschnitt bzw. dem Umfangsabschnitt zugeführt.
  • Nachstehend wird der Grund erläutert, warum der ηco-Wert in einem Ofen gemäß einem mittleren Metallisierungsgrad (M.Fe/T.Fe) des in einer Eisenquelle enthaltenen Eisens eingestellt und gesteuert werden muß, wenn die Eisenquelle reduziert und geschmolzen wird.
  • Die Reduktionsfunktion ist in einem Schmelzbetrieb für Eisenquellen mit einem hohen Metallisierungsgrad von mindestens 90%, z. B. von Eisenschrott, Roheisen, Gußschrott, HBI, DRI, usw. nicht erforderlich. Daher ist die Bedingung der Bereitstellung eines hohen ηco-Wertes bevorzugt, um einen Betrieb bei einer niedrigen Brennstoffrate zu ermöglichen, wobei bei dieser Betriebsweise ein ηco-Wert von ηco > 80% angestrebt wird.
  • Wenn Eisenquellen mit einem niedrigen Metallisierungsgrad, z. B. Stückerzstaub, selbstreduzierbares Stückerz, teiloxidiertes reduziertes Eisen, reduziertes Eisenpulver, usw. reduziert und geschmolzen werden, ist es dagegen bevorzugt, eine Reduktion durch eine Feststoff-Gas-Reaktion zu ermöglichen, um große Mengen von festem Eisen herzustellen und es dann zu schmelzen, um den Betrieb zu stabilisieren und die Qualität des Roheisens zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine Gasbedingung von ηco < ca. 30% in einem Temperaturbereich von z. B. mindestens 1000°C als thermo dynamische Bedingung (gemäß der Gleichgewichtstheorie) zum Reduzieren von reinem Wüstit (FeO) zu Eisen erforderlich.
  • Die Eisenquellen, für die eine solche Bedingung erforderlich ist, sind Wüstit (FeO) mit einem Metallisierungsgrad von 0%, Sinter, Pellets oder Kugelsinter und Stückerze als Charge des Hochofens, usw.
  • Es wurde andererseits bestätigt, daß im Fall kohlenstoffhaltiger Stückerze, z. B. des erfindungsgemäß verwendeten kohlenstoffhaltigen, selbstreduzierbaren Stückerzes, oder des kohlenstoffhaltigen Stückerzstaubs, beispielsweise die Bedingung ηco < ca. 30% innerhalb des Stückerzes aufgrund des Vorhandenseins von Kohlenstoff im Inneren des Stückerzes erhalten werden kann, und die Reduktion zum reduzierten Eisen auch unter der Bedingung fortschreitet, daß die Gasatmosphäre außerhalb des Stückerzes ηco > ca. 30% beträgt, und die Reduktion von FeO zu Eisen gemäß dem Prinzip der Gleichgewichtstheorie nicht fortschreitet.
  • Bei Verwendung von 50% selbstreduzierbarem Stückerz, das 12% C und 50% Eisenschrott aufweist, schreitet die Verarbeitung z. B. auch unter der Gasbedingung eines ηco-Wertes von ca. 50% an der Ofenoberseite gleichmäßig fort, und dies läßt vermuten, daß die Reduktion innerhalb des Ofens geeignet fortschreitet.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann unter der Bedingung, daß große Mengen von Staub mit einem niedrigen Metallisierungsgrad verwendet werden, wie in dem Fall, wenn der Reduktionsprozeß der Eisenquelle wichtig ist, kein hoher ηco-Wert erwartet werden, wenn der Betrieb bei Verwendung von Eisenschrott hauptsächlich auf das Schmelzen der Eisenquelle ausgerichtet ist, oder wenn im Betrieb große Mengen von Eisenquellen mit einem hohen Metallisierungsgrad verwendet werden, oder wenn im Betrieb eine kleine Menge von Staub mit einem niedrigen Metallisierungsgrad verwendet wird, wird ein Betrieb bei einem hohem ηco-Wert möglich.
  • D. h., es ist bevorzugt, den ηco-Wert gemäß der Art der Eisenquelle und dem M.Fe/T.Fe-Verhältnis innerhalb eines Bereichs zu managen und zu steuern, in dem bei der Reduktionsreaktion kein Problem auftritt.
  • Nachstehend wird das Verfahren zum Steuern des ηco-Wertes beschrieben.
  • Als Verfahren zum Steuern des ηco-Wertes wird erfindungsgemäß vorgeschlagen (1) die Höhenposition der Charge (Bunkerstand) zu steuern, (2) die Höhe des Koksbettes zu steuern, usw., (3) eine Mehrstufen-Blasdüsenanordnung zu verwenden und (4) die Charge in einer radialen Richtung zu trennen. Nachstehend werden diese Verfahren nacheinander erläutert.
  • Zunächst wird erläutert, daß das Ändern der Höhe der Charge (Bunkerstand), die innerhalb des Ofens aus der Eisenquelle und dem Festbrennstoff besteht, zum Steuern des ηco-Wertes effektiv ist.
  • Hinsichtlich des Bunkerstandes wird das Verhältnis H/D des Abstands bzw. der Höhe (H) der Blasdüse der unteren Stufe von der Chargenhöhe zum Blasdüsendurchmesser (D) im Kupolbetrieb zum Schmelzen des Eisenschrotts, des Gußschrotts, usw. z. B. unter Verwendung von Gießkoks mit großer Korngröße allgemein auf einen Wert von 4 bis 5 eingestellt. Hinsichtlich des Schachtofens, in dem Koks mit kleiner Korngröße verwendet wird, z. B. Hochofenkoks, und in dem die Reduktionsfunktion erforderlich ist, z. B. Staubreduktion, sind jedoch bisher keine Untersuchungsergebnisse bezüglich des Bunkerstandes gefunden worden. Daher wurde ein Bunkerstandänderungstest unter der Bedingung ausgeführt, daß große Mengen von Eisenschrott verwendet werden, und die Beziehung mit dem ηco-Wert des Abgases wurde bestimmt und ist in 5 dargestellt.
  • Das Ergebnis des Experiments unter Verwendung eines Schachtofens mit einem Herddurchmesser von D = 1,4 m zeigt, daß, wenn H/D auf einen kleinen Wert von H/D = 2,0 festgelegt wird, ein hoher ηco-Wert des Abgases von ηco > 70% aufrechterhalten werden kann, und der ηco-Wert des Abgases kann durch Erhöhen des Bunkerstandes vermindert werden.
  • Wenn der Bunkerstand vergrößert wird, wird die Wärmeübertragung vom Gas zum Rohmaterial und Brennstoff ausgezeichnet, und eine Vorerwärmung und Temperaturerhöhung des Festbrennstoffs schreiten von einem höheren Abschnitt ausgehend fort, so daß die Lösungsverlustreaktion gemäß Formel (4) sich bis zum oberen Ofenabschnitt erweitert. Dadurch wird die Verbrauchsmenge von Kohlenstoff groß, und der ηco-Wert nimmt ab. C + CO2 = 2CO (4)
  • Wie vorstehend beschrieben, spielt die Änderung des Bunkerstandes eine Rolle bei der Steuerung der Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit des Rohmaterials und des Brennstoffs im Inneren des Ofens und dient als Steuerungseinrichtung für den ηco-Wert des Abgases.
  • Nachstehend wird erläutert, daß die Änderung der Koksbetthöhe am unteren Abschnitt des Schachtofens und die Änderung des Windvolumens, des Blasdüsendurchmessers und der Vorsprungposition der Blasdüse zum Steuern des ηco-Wertes effektiv sind.
  • Die 4(a)– 4(c) zeigen experimentelle Ergebnisse eines Offline-Simulators zum Untersuchen der Koksbetthöhe von der Blasdüse und der Verschiebung des ηco-Wertes an diesem Abschnitt durch Ändern der Korngröße des Kokses und des Windvolumens (Gasströmungsgeschwindigkeit). Gemäß den 4(a)–4(c) werden Sauerstoff und angereicherter Sauerstoff in der von der Blasdüse eingeblasenen Luft mit dem Koks verbrannt und bilden CO2 und erreichen gemäß der folgenden Formel (5) eine vollständige Verbrennung an dem Abschnitt, an dem O2 verschwindet: C + O2 → CO2 (5)
  • Die Gastemperatur ist an diesem Abschnitt am höchsten, und die Lösungsverlustreaktion gemäß Formel (5) als die endotherme Reaktion schreitet über diesem Abschnitt fort, so daß der ηco-Wert und die Gastemperatur abnehmen.
  • Wenn die Korngröße des Kokses kleiner wird, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit gemäß Formel (5) größer. Dadurch wird der Abschnitt mit der höchsten Gastemperatur (O2 = 0 und ηco = 100%) näher an der Blasdüse angeordnet sein. Wenn das Windvolumen erhöht wird und die Gasströmungsgeschwindigkeit zunimmt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des von der Blasdüse eingeblasenen Sauerstoffs im Inneren des Ofens zu, und seine Kontaktzeit mit Kohlenstoff in der Nähe der Blasdüse wird kürzer. Dadurch erweitert sich die Verbrennungsreaktion gemäß Formel (5) zum oberen Teil des Ofens. Dadurch wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit bei der gleichen Korngröße des Kokses zunimmt, der ηco-Wert im Inneren des Ofens insgesamt größer als für den Fall, daß die Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist, wie gemäß den 4(a)– 4(c) ersichtlich ist. Die Anordnung, in der die primäre Blasdüse in den Ofen hervorstehen kann oder der Durchmesser der Blasdüse vermindert ist, um die Strömungsgeschwindigkeit an der Blasdüse zu erhöhen, entspricht einer Verkürzung der Kontaktzeit zwischen dem eingeblasenen Sauerstoff und Kohlenstoff und erzeugt einen ähnlichen Effekt bezüglich der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Ofens. Daher sind die Änderung der Koksbetthöhe im unteren Teil des Schachtofens und die Änderungen des Windvolumens, des Blasdüsendurchmessers und der Blasdüsenvorsprungpositon effektive Maßnahmen zum Steuern des ηco-Wertes im Inneren des Ofens.
  • Nachstehend werden die Gründe erläutert, warum das in der radialen Richtung getrennte Beschickungsverfahren eine effektive Maßnahme zum Steuern des ηco-Wertes ist, ohne daß der Verbrennungswirkungsgrad des Schachtofens abnimmt, auch wenn Festbrennstoff mit kleiner Korngröße verwendet wird, und warum die Positionierung mehrerer Blasdüsen in einer mehrstufigen Anordnung auf der Wand des Schaftabschnitts des Schachtofens in der Längsrichtung zum Steuern des ηco-Wertes effektiver ist.
  • Der Festbrennstoff verbrennt am primären Blasdüsenabschnitt gemäß der Reaktionsformel (5) und bildet dann das CO-Gas durch die Lösungsverlustreaktion gemäß Formel (4). Andererseits wird das von unten aufströmende CO-Gas durch die Reaktion gemäß Formel (2) am über dem primären Blasdüsenabschnitt angeordneten sekundären Blasdüsenabschnitt verbrannt. Die Eisenquelle wird durch Ausnutzen dieser exothermen Reaktion vorgewärmt, um einen hohen ηco-Wert zu erhalten und die Brennstoffrate zu reduzieren. Gemäß den Experimenten kann eine Verbesserung des ηco-Wertes von mehr als 15% unter der Bedingung erreicht werden, daß das Verhältnis des Windvolumens der sekundären Blasdüse zum Windvolumen der primären Blasdüse 1/4 beträgt, und das Einblasen an der oberen Stufe bei Verwendung der mehrstufigen Blasdüsenanordnung kann eine Maßnahme zum Steuern des ηco-Wertes im Inneren des Ofens sein.
  • Die durch Formel (4) dargestellte Lösungsverlustreaktion tritt jedoch auch am sekundären Blasdüsenabschnitt auf, und durch das in der radialen Richtung getrennte Beschic kungsverfahren wird der Anteil dieser Lösungsverlustreaktion so weit wie möglich reduziert und ein Ofenbetrieb ermöglicht, bei dem der Gasausnutzungsgrad des Schachtofens auch dann nicht abnimmt, wenn Festbrennstoff mit kleiner Korngröße verwendet wird.
  • Dieses Beschickungsverfahren ist ein Verfahren, gemäß dem die Beschickungsmengen der Eisenquelle und des Festbrennstoffs am Ofenmittenabschnitt und am Ofenumfangsabschnitt verschieden sind. Im Fall eines Verfahrens, gemäß dem z. B. das Gewichtsverhältnis der Eisenquelle zum Festbrennstoff an der Mitte des Ofens zunimmt, d. h. das Gewichtsverhältnis der Eisenquelle zum Festbrennstoff am Umfangsabschnitt des Ofens nimmt ab, und große Mengen von Festbrennstoff mit kleiner Korngröße am Umfangsabschnitt zugeführt werden, kann die Gasströmung zur Mitte gerichtet werden, weil Koks mit kleiner Korngröße, das einen großen Windwiderstand aufweist, an der Ofenumfangsseite verwendet wird, und die Lösungsverlustreaktionsrate des Kokses am Ofenumfangsabschnitt kann begrenzt werden, weil auch aufgrund der Einflüsse der Kühlwirkung durch auf den Ofenkörper gesprühtes Wasser die Temperatur niedriger ist als in der Ofenmitte. Die Gasmenge ist in der Ofenmitte groß, weil jedoch die Beschickungsmenge des Kokses klein ist, kann die Lösungsverlustreaktion gemäß Formel (4) stärker begrenzt sein als in einem normalen Mischbeschickungsverfahren oder in einem laminaren Beschickungsverfahren. Daher ist das in der radialen Richtung getrennte Beschickungsverfahren eine effektive Maßnahme zum Steuern des ηco-Wertes, ohne daß der Verbrennungswirkungsgrad des Schachtofens abnimmt, auch wenn Festbrennstoff mit kleiner Korngröße verwendet wird.
  • Nachstehend wird die Tatsache beschrieben, daß das Reduktions-/Schmelzverfahren für die Eisenquelle, die im in der radialen Richtung getrennten Beschickungsverfahren ver wendet wird, dazu geeignet ist, den Betrieb bei einer niedrigen Brennstoffrate zu stabilisieren, und unabhängig von der Art der Eisenquellen und ihren Teilchengrößen ein effizienter Betrieb erreicht werden kann, und ferner wird das den effizienten Betrieb betreffende Betriebsverfahren erläutert.
  • Das in der radialen Richtung getrennte Beschickungsverfahrens ist ein von der Art der Eisenquelle abhängiges Beschickungsverfahren. Ein Beispiel hierfür ist ein getrenntes Beschickungsverfahren, das einen effizienten Betrieb betrifft und vom Verhältnis M.Fe/T.Fe der Eisenquelle abhängt, und ein anderes ist ein von der Teilchengröße der Eisenquelle abhängiges, getrenntes Beschickungsverfahren.
  • Zunächst wird der Grund erläutert, warum das vom Metallisierungsgrad (M.Fe/T.Fe) der Eisenquelle abhängige getrennte Beschickungsverfahren zu einem stabilen Betrieb beiträgt und zu einem effizienten Betrieb führen kann.
  • Wenn die zum Reduzieren/Schmelzen verwendete Eisenquelle aus mehreren Arten von Eisenquellen besteht und gemäß dem Verhältnis M.Fe/T.Fe klassifizierbar ist, werden die Eisenquellen mit einem hohen Metallisierungsgrad, z. B. Roheisen (Gußroheisen), Eisenschrott, Gußschrott, reduziertes Eisen, HBI, DRI, usw. der Ofenmitte zugeführt, und Eisenquellen mit einem niedrigen Metallisierungsgrad (Stückerzstaub, selbstreduzierbares Erz, teiloxidiertes, reduziertes Eisen, Pellets, usw.) werden dem Ofenumfangsabschnitt zugeführt. Durch dieses Verfahren wird für den Ofenmittenabschnitt die Schmelzfunktion bereitgestellt, und für den Ofenumfangsabschnitt wird die Reduktionsfunktion bereitgestellt. Der Grund, warum die Eisenquelle mit einem hohen Metallisierungsgrad dem Ofenmittenabschnitt und die Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad dem Ofenumfangsabschnitt zugeführt wird, besteht darin, daß dadurch die Höhe des Koksbettes in der Ofenmitte leichter steuerbar ist, um die Mittengasströmung zu gewährleisten und einen Betrieb bei einer niedrigen Brennstoffrate zu ermöglichen.
  • Wenn ein solcher Betrieb beabsichtigt ist, hat die sekundäre Blasdüse eine Struktur, gemäß der das distale Ende der Blasdüse von der Ofenwand wesentlich in den Ofen hineinragt, und es ist grundsätzlich ideal, die Position des distalen Endes der sekundären Blasdüse an der Grenze zwischen dem Ofenmitten- und dem Ofenumfangsabschnitt festzulegen. Wenn die Gasströmung eine Mittenströmung ist und die Reduktionsfunktion der dem Ofenumfangsabschnitt zugeführten Eisenquelle wichtig ist, besteht der Festbrennstoff am Umfangsabschnitt vorzugsweise aus Brennstoff mit kleiner Korngröße, und der Festbrennstoff an der Ofenmitte besteht vorzugsweise aus Brennstoff mit großer Korngröße.
  • Der Grund, warum die sekundäre Blasdüse an der Grenze zwischen dem Mitten- und dem Umfangsabschnitt des Ofens positioniert wird, besteht darin, zu verhindern; daß der Windstrom der sekundären Blasdüse für die Verbrennung des am Umfangsabschnitt vorhandenen Festbrennstoffs verwendet wird, und der Windstrom der sekundäre Blasdüse ist der durch Formel (2) dargestellten CO-Gasverbrennung zugeordnet. Weil der Ofenmittenabschnitt hauptsächlich der Schmelzfunktion zugeordnet ist, ist es effizienter, den Betrieb in der Ofenmitte bei ηco > 90% auszuführen, und der Festbrennstoff in der Ofenmitte kann auf einen zum Aufkohlen mit der geringsten Brennstoffrate geeigneten Anteil reduziert werden. Daher kann eine drastische Änderung der Koksbetthöhe begrenzt werden, und darüber hinaus kann, weil der Koks, der seine Korngröße beibehält, als Koksbett verwendet wird, der Betrieb bei einer niedrigen Brennstoffrate ausgeführt werden, wodurch die Gas- und Flüssigkeitsdurchlässigkeit gewährleistet wird.
  • Bei dieser Betriebsweise wird eine geeignete Windmenge von der sekundären Blasdüse in Abhängigkeit von der Koksbetthöhe bestimmt. Wie vorstehend beschrieben, ändert sich die Koksbetthöhe in Abhängigkeit von der Korngröße des Kokses und der Gasströmungsgeschwindigkeit im Inneren des Ofens, usw., wobei jedoch, wenn das obere Ende des Koksbettes auf die optimale Position eingestellt wird (ηco > 90%), der sekundäre Blasvorgang unnötig wird. Wenn der ηco-Wert der oberen Endposition des Koksbettes nicht größer ist als 90%, kann ηco > 90% durch einen sekundären Blasvorgang eingestellt werden, und für den Ofenmittenabschnitt kann ein idealer Betrieb erreicht werden.
  • Hinsichtlich des Kokses in der Ofenmitte kann ein effizienter Betrieb im Prinzip erreicht werden, indem die Höhe des Koksbettes auf eine tiefere Position eingestellt wird als in dem Fall, wenn Koks mit großer Korngröße verwendet wird, oder indem das Windvolumen eingestellt wird, ohne daß der ηco-Wert geändert wird, auch wenn Koks mit kleiner Korngröße verwendet wird, wie in den 4(a) bis 4(c) dargestellt.
  • Weil die Eisenquelle an der oberen Endposition des Koksbettes geschmolzen wird, wird die optimale Position der Koksbetthöhe im Schmelzbetrieb für Eisenschrott, usw. vorzugsweise auf die Position eingestellt, bei der die Gastemperatur den höchsten Wert erreicht, d. h. auf eine Position in der Nähe von ηco = 100% bei O2 = 0%.
  • Im Probebetrieb des Schachtofens bei einem Verhältnis des Windvolumens der sekundären Blasdüse zum Windvolumen der primären Blasdüse von 1/4 kann durch den vorstehend beschriebenen Einblasvorgang eine Verbesserung des ηco-Wertes von mehr als 15% erreicht werden, und unter Anbetracht dieses experimentellen Ergebnisse ist es bevorzugt, das Koks bett auf eine Höhe einzustellen, gemäß der die Bedingung ηco > 65% mindestens an der oberen Endposition des Koksbettes erfüllt ist, wenn ein Betrieb bei ηco > 80% beabsichtigt ist.
  • Am Umfangsabschnitt, dem die Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad zugeführt wird, muß die Reduktion dagegen an einer Position erfolgen, die höher ist als der obere Endabschnitt des Koksbettes, wobei der ηco-Wert des oberen Endabschnitts des Koksbettes durch Einstellen des Abschnitts, an dem der ηco-Wert bei O2 = 0 100% beträgt, als untere Grenzposition gesteuert werden muß und die Koksbetthöhe gemäß der Art der Eisenquelle, dem Verhältnis M.Fe/T.Fe, usw. auf eine höhere Position gesetzt werden muß.
  • Die Höhe des Koksbettes wird im voraus, vor Beginn des Betriebs, auf eine vorgegebene Position eingestellt. Die Koksbetthöhe kann während der Operation durch Beschicken des Kokses von der Ofenoberseite in einer der Koksverbrauchsmenge im Inneren des Ofens entsprechenden Menge aufrechterhalten werden.
  • Wenn eine Operation bei ηco > 65% am oberen Endabschnitt des Koksbettes unter Verwendung von Koks mit einer großen Korngröße von 80 mm bei einer Gaströmungsgeschwindigkeit von 1 m/s im Inneren des Ofens beabsichtigt ist, liegt der geeignete Wert für die Höhe des Koksbettes innerhalb eines Abstandes von 60 bis 90 cm von der Blasdüse der unteren Stufe, wie gemäß den Figuren 4(a) bis 4(c) ersichtlich ist.
  • Wenn ein Betrieb bei ηco < 30% am oberen Endabschnitt des Koksbettes beabsichtigt ist, liegt ein geeigneter Wert für die Koksbetthöhe für Koks mit einer großen Korngröße von 80 mm innerhalb eines Abstands von mehr als 130 cm, und für Hochofenkoks mit einer Korngröße von 30 mm bei mehr als 120 cm von der Blasdüse der unteren Stufe.
  • Nachstehend werden die Gründe erläutert, warum das Beschickungsverfahren effizient ist, durch das die Eisenquelle mit dem Festbrennstoff gemischt wird, wenn eine Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad dem Ofenumfangsabschnitt zugeführt wird.
  • Wenn ein Betrieb mit einem hohen ηco-Wert erreicht wird, wird ein Betrieb bei einer niedrigen Kraftstoffrate möglich. Bei der Ausführung eines Experiments zum Reduzieren der Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad unter der Bedingung ηco > 30% hat sich gezeigt, daß, wenn die Eisenquelle nicht mit dem Koks gemischt ist, die Reduktionsreaktion von Wüstit in der Eisenquelle zu Eisen nicht fortschreitet, und der Schmelz-/Reduktionsvorgang, der einen nachteiligen Einfluß auf den Betrieb hat, am Hochtemperaturabschnitt auftritt. Das Untersuchungsergebnis am Offline-Simulator zeigt dagegen, daß auch im Fall einer Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad, wenn die Eisenquelle mit Koks vermischt und das Gemisch beschickt wird, im Vergleich zu dem Fall, wenn die Eisenquelle nicht mit Koks gemischt ist, eine Verbesserung des Reduktionsgrades von mindestens 20% erreicht werden kann, wie in 6(b) dargestellt ist.
  • Die vorstehend dargestellte Tatsache zeigt, daß beim Betrieb zum Beschicken einer Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad durch das Beschickungsverfahren, in dem die Eisenquelle mit dem Festbrennstoff (Koks) gemischt wird, eine höhere Reduktionswirkung bereitgestellt wird als bei einem Betriebsverfahren, in dem sie nicht mit dem Festbrennstoff (Koks) gemischt wird, wodurch der Schlackenschmelzanteil zum Zeitpunkt des Schmelzens reduziert und auch die sogenannte "Verkrustung" vermieden werden kann.
  • Als ein Verfahren zum Unterstützen der Reduktion der dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad und zum Verbessern des Reduktionsgrades der Eisenquelle vor dem Schmelzen ist es effektiv, dem eisenhaltigen Staub Kohlenstoff hinzuzufügen und den Kohlenstoffanteil zu erhöhen. Der obere Grenzwert des hinzuzufügenden Kohlenstoffanteils beträgt hinsichtlich der Einschränkung bezüglich der Festigkeit etwa 20%.
  • 3 zeigt ein Beispiel von Untersuchungsergebnissen der Beziehung zwischen dem mittleren Metallisierungsgrad der Eisenquelle und dem ηco-Wert, bei dem der Reduktions-/Schmelzvorgang der Eisenquelle gleichmäßig ausgeführt werden kann. Obwohl der ηco-Wert in Abhängigkeit vom dem eisenhaltigen Staub beigemischten Kohlenstoffanteil etwas variiert, kann der geeignete ηco-Wert gemäß dem Metallisierungsgrad der beschickten Eisenquelle bestimmt werden.
  • Als Festbrennstoff wird im allgemeinen Koks verwendet, es können jedoch auch Holzkohlematerialien, z. B. Anthrazitkohle, verwendet werden.
  • Die 7(a) bis 7(d) zeigen typische Beispiele von Beschickungsverfahren zum Beschicken von Stückerzstaub, selbstreduzierbarem Stückerz, reduziertem stückigem Eisen (HBI, DRI), Eisenschrott, Gußschrott, Roheisen (Gußroheisen), Erzen, Pellets, reduziertem Eisenpulver, usw. Gemäß den in den 7(a) und 7(b) dargestellten Verfahren wird die Eisenquelle mit einem hohen Metallisierungsgrad, d. h. Roheisen, Eisenschrott und reduziertes stückiges Eisen, und Koks mit großer Korngröße zum Ergänzen des Koksbettes und zum Aufkohlen dem Ofenmittenabschnitt zugeführt, und die Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad (Stückerzstaub, selbstreduzierbares Stückerz, teiloxidiertes reduziertes Eisen, Pellets), gemischt mit Koks mit kleiner Korngröße, wird dem Ofenumfangsabschnitt zugeführt. Es wird ein Betrieb mit einem hohen Verbrennungswirkungsgrad bei einer niedrigen Brennstoffrate erwartet, der am effizientesten ist. Das teiloxidierte reduzierte Stückerz kann dem Ofenmittenabschnitt zugeführt werden, wie in 7(c) dargestellt ist.
  • Wenn z. B. große Mengen von reduziertem Eisenpulver mit einer Teilchengröße von bis zu 5, mm von der Ofenoberseite beschickt wird, ist der Betrieb darauf ausgerichtet, das Eisenproduktionsverhältnis zu verbessern, wobei in einem gewissen Maße Abstriche beim Reaktionswirkungsgrad im Inneren des Ofens gemacht werden. Beispielsweise kann es möglich sein, reduziertes Eisenpulver und feinstückigen Festbrennstoff zu mischen und das Gemisch dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführen, und die Eisenquellen mit einem niedrigen Metallisierungsgrad, z. B. großstückiger Erzstaub, selbstreduzierbares Stückerz, usw. dem Ofenmittenabschnitt zuzuführen. In diesem Fall muß der für die Reduktion erforderliche Festbrennstoff dem Ofenmittenabschnitt zugeführt werden, wobei der Vorteil erhalten werden kann, daß große Mengen feinstückiger Eisenerzquellen verwendbar sind, obwohl die Reaktionsrate im Inneren des Ofens um ein gewisses Maß schlechter ist.
  • Auf diese Weise kann gemäß der Art und den Eigenschaften der im in der radialen Richtung getrennten Beschickungsverfahren verwendeten Eisenquellen ein Betrieb mit vielen Funktionen ausgeführt werden.
  • Nachstehend wird erläutert, warum die Änderung des Bunkerstands gemäß dem Beschickungsabschnitt des in der radialen Richtung des Schachtofens zu beschickenden Rohmaterials und Brennstoffs effektiv ist.
  • Wenn beispielsweise Eisenschrott, Roheisen, Gußschrott, usw., die nicht reduziert werden müssen, dem Ofenmittenabschnitt zugeführt werden, ist der ηco-Wert vorzugsweise so groß wie möglich. Wenn ein ηco-Sollwert > mindestens 70% verwendet wird, ist ein geeigneter spezifischer Bunkerstand (Chargenhöhe H bezüglich der primären Blasdüse)/Herddurchmesser D) < 2,0. Wenn Stückerzstaub, selbstreduzierbares Stückerz und reduziertes Eisen, für die eine Reduktion erforderlich ist, reduziert und geschmolzen werden, muß der ηco-Wert vermindert werden. Wenn in diesem Fall der ηco-Sollwert = 50% ist, kann der spezifische Bunkerstand H/D auf beispielsweise etwa 2,4 eingestellt werden. Auf diese Weise existiert in der radialen Richtung gemäß der beschickten Eisenquelle ein geeigneter Bunkerstandwert.
  • Nachstehend wird ein Steuerverfahren zum Aufrechterhalten der Koksbetthöhe beschrieben.
  • Die Gründe, warum es schwierig ist, die Höhe des Koksbettes zu steuern, sind folgende. Erstens befindet sich das Koksbett am unteren Mittenabschnitt des Ofens. Wenn die Koksrate nicht geeignet ist, wird der unreduzierte FeO-Anteil am unteren Teil des Ofens geschmolzen und reduziert, wobei das Koksbett verbraucht wird und ein abnormaler Verbrauch des Koksbettes auftritt. Wenn ein solcher abnormaler Verbrauch des Koksbettes insbesondere am unteren Mittenabschnitt des Ofens auftritt, tritt ein Problem beim Schmelzen der Eisenquelle auf, und es besteht die Möglichkeit, daß der Betrieb aufgrund der Verfestigung der Schlacke oder aus ähnlichen Gründen unterbrochen wird.
  • Daher wird dem Ofenmittenabschnitt hauptsächlich die Eisenquelle mit einem hohen Metallisierungsgrad, d. h. Gußroheisen, Eisenschrott, Gußschrott, usw. zugeführt, wie vorstehend beschrieben, so daß der Betrieb, bei dem Schmelz-/Reduktionsprobleme auftreten, im Ofenmittenabschnitt ausgeführt wird, und ein abnormaler Verbrauch des Koksbettes im Ofenmittenabschnitt begrenzt wird.
  • Um die Lösungsverlustreaktion des Kokses möglichst weitgehend zu reduzieren, wird der dem Ofenmittenabschnitt zuzuführende Festbrennstoff von dem dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Festbrennstoff unterschieden bzw. getrennt, und es wird Koks mit großer Korngröße verwendet. Dadurch kann ein abnormaler Verbrauch des Koksbettes am Ofenmittenabschnitt begrenzt werden, und es kann ein Betrieb mit einem hohen Gasausnutzungsgrad ηco am unteren Ofenabschnitt ausgeführt werden.
  • Die Einbauposition der Blasdüse der oberen Stufe wird gemäß verschiedenen Parametern, z. B. der Korngröße des Kokses, dem Windvolumen, usw. geeignet ausgewählt, grundsätzlich ist jedoch ein ηco-Wert von 65% < ηco < 90% am sekundären Blasdüsenabschnitt ein geeigneter Bereich.
  • Der obere Endabschnitt des Koksbettes ändert sich gemäß der Art der beschickten Eisenquelle, und hinsichtlich des Beschickungsabschnitts der Eisenquelle, für die keine Reduktionsfunktion erforderlich ist, wird die obere Endposition so gesteuert, daß sie sich unter der sekundären Blasdüse befindet, so daß der Koksverbrauch möglichst weitgehend reduziert wird. Am Beschickungsabschnitt der Eisenquelle, für die die Reduktionsfunktion erforderlich ist, befindet sich dagegen die obere Endposition des Koksbettes vorzugsweise über der sekundären Blasdüse. Der ηco-Wert an der oberen Endposition des Koksbettes muß gemäß dem Verhältnis M.Fe/T.Fe der Eisenquelle gesteuert werden.
  • Ein einfaches Verfahren zum Steuern oder Überwachen der Koksbetthöhe besteht in einer Sichtprüfung des sekundären Blasdüsenabschnitts und einer Beurteilung basierend auf einem Druckverlust im Inneren des Ofens. Durch die Sichtprüfung am sekundären Blasdüsenabschnitt kann zumindest festgestellt werden, ob der Schmelzabschnitt sich über oder unter der sekundären Blasdüse befindet. Die obere Endposition des Koksbettes kann durch Erfassen des Druckverlusts zwischen der primären Blasdüse und der sekundären Blasdüse beurteilt werden. Gemäß den Betriebsbeispielen kann der Druckverlust zwischen der primären Blasdüse und der sekundären Blasdüse geeignet erfaßt werden, wenn der obere Endabschnitt des Koksbettes sich unter der sekundären Blasdüse befindet. Wenn der Schmelzabschnitt vorhanden ist, nimmt der Druckverlustwert zu.
  • Die Höhe des Koksbettes kann durch Messen des Absenkverhaltens einer Vertikalsonde oder eines Eisendrahtes gemessen werden, die/der vom oberen Teil des Ofens eingeführt wird. Im Fall einer Vertikalsonde entspricht der Abschnitt, an dem die Ofeninnentemperatur drastisch ansteigt und mindestens 1200°C erreicht, dem oberen Endabschnitt des Koksbettes, und im Fall des Eisendrahtes entspricht der Abschnitt, an dem die Absinkgeschwindigkeit stoppt, dem oberen Endabschnitt des Koksbettes.
  • Nachstehend werden die Gründe erläutert, warum das Beschicken der Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad als Gemisch mit dem Festbrennstoff in den Ofenumfangsabschnitt, die Verwendung von Koks mit einer Korngröße, die kleiner ist als diejenige des dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Kokses, und das Beschickungsverfahren, in dem das Eisenquelle/Festbrennstoff-Verhältnis in der radialen Richtung geändert wird, zum Vermeiden der sogenannten "Verkrustung" effektiv sind.
  • Im allgemeinen lagert sich, wenn große Mengen von eisenhaltigem Staub verwendet werden, wahrscheinlich Material an der Ofenwand an. Beispielsweise wird die Reduktionsreaktion langsam, und dadurch werden Schlacken erzeugt, die große Mengen FeO enthalten. Die Schlacken werden dann durch einen Schmelz-/Reduktionsvorgang als endotherme Reaktion gekühlt und haften an der Ofenwand an. In einem anderen Fall treten große Mengen von FeO-haltigen Schlacken am unteren Ofenabschnitt in den Verflüssigungszustand ein und werden nach oben geblasen und haften an der Ofenwand an. In einem noch anderen Fall wird das unreduzierte FeO am oberen Ofenabschnitt durch aufsteigendes Hochtemperaturgas geschmolzen und verbindet sich oder verschmilzt mit der benachbarten Eisenquelle und haftet an der Ofenwand an. In all diesen Fällen werden große Mengen von Schlacke-Schmelzlösungen in der Nähe der Ofenwand erzeugt und haften an der Ofenwand an, wodurch eine sogenannte "Verkrustung" entsteht.
  • Um diese "Verkrustung" zu vermeiden, muß daher der geschmolzene Materialgemischanteil am Ofenumfangsabschnitt vermindert und weitestgehend verhindert werden, daß die benachbarten Eisenquellen miteinander in Kontakt kommen.
  • Um den geschmolzenen Materialgemischanteil am Ofenumfangsabschnitt zu vermindern, muß der Reduktionsgrad der Eisenquelle verbessert werden, und zu diesem Zweck ist es effektiv, die dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführende Eisenquelle mit Festbrennstoff zu mischen und das Gemisch zuzuführen. Die Korngröße des Festbrennstoffs ist zu diesem Zeitpunkt vorzugsweise klein. Wenn das gleiche Koksgewicht zugeführt wird, ist die Anzahl zugeführter Teilchen des Festbrennstoffs mit einer kleineren Korngröße größer, und der wechselseitige Kontakt der Eisenquelle kann ausreichend vermieden werden. Der hierin verwendete Ausdruck "Festbrennstoff mit kleiner Korngröße" bezeichnet z. B. Koks für einen Hochofen (mit einer Korngröße von nicht mehr als 60 mm) und kleinen Stückkoks für einen Hochofen mit einer Korngröße von etwa 30 mm.
  • Es ist außerdem effektiv, dem Ofenumfangsabschnitt ein größeres Gewicht des Festbrennstoffs zuzuführen als dem Ofenmittenabschnitt. Um dies zu ermöglichen, wird das Gewichtsverhältnis (Eisenquelle/Festbrennstoff) zwischen dem Ofenmittenabschnitt und dem Ofenumfangsabschnitt geändert, wobei die Eisenquelle mit einem hohen Metallisierungsgrad dem Ofenmittenabschnitt zugeführt wird, um das dem Ofenmittenabschnitt zuzuführende Koksgewicht zu vermindern, und die Menge des dem Umfangsabschnitt zuzuführenden Kokses wird so weit wie möglich erhöht.
  • Der Anteil des dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs ändert sich in Abhängigkeit vom Metallisierungsgrad der zuzuführenden Eisenquelle, z. B. des Stückerzstaubs, des selbstreduzierenden Stückerzes, des reduzierten Eisens, usw. Wenn z. B. 75% des selbstreduzierbaren Stückerzes mit 12% C, 15% reduziertem Eisen und 10% Eisenschrott verwendet werden, hat sich durch den Probebetrieb gezeigt, daß eine "Verkrustung" unter der Bedingung vermeidbar ist, daß das Verhältnis der von Eisenschrott, der nicht reduziert werden muß, verschiedenen Eisenquelle zum Festbrennstoff, d. h. (selbstreduzierbares Stückerz + reduziertes Eisen)/Festbrennstoff, nicht größer ist als 5.
  • Diese Bedingung entspricht dem Fall (M.Fe (Metallgewicht) in der zugeführten Eisenquelle)/Festbrennstoff < 1,24.
  • Wenn eine Eisenquelle mit einem niedrigeren Metallisierungsgrad verwendet wird, muß die Menge des dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs weiter erhöht werden. Wenn eine Eisenquelle mit einem hohen Metallisierungsgrad verwendet wird, kann die Menge des dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs dagegen vermindert werden.
  • Nachstehend wird der Grund, warum das Gewichtsverhältnis zwischen dem im dem Ofenmittenabschnitt zuzuführenden Festbrennstoff enthaltenen Kohlenstoff und dem in der Eisenquelle enthaltenen Eisen auf 0,01 ≤ C/Fe ≤ 0,05 effektiv ist, erläutert, wenn die Eisenquelle mit einem niedrigen Metallisierungsgrad, z. B. reduziertes Eisen, selbstreduzierba res Stückerz, Stückerzstaub, usw. und Festbrennstoff, z. B. Festbrennstoff mit kleiner Korngröße, dem Ofenumfangsabschnitt zugeführt werden, während die Eisenquelle mit einem hohen Metallisierungsgrad, z. B. Eisenschrott, Gußschrott, Roheisen, usw. und Festbrennstoff dem Ofenmittenabschnitt zugeführt werden.
  • Wenn die dem Ofenmittenabschnitt zugeführte Eisenquelle Eisenschrott, Gußschrott oder Roheisen aufweist, enthalten die von Eisenschrott verschiedenen Eisenquellen Kohlenstoff. Daher wird der für die Aufkohlung erforderliche Kohlenstoffanteil nur für Eisenschrott ersetzt oder ergänzt, und außerdem kann der Festbrennstoff in einer Menge ergänzt werden, die der durch die Verbrennung des Koksbettes teilweise verbrauchten Menge entspricht. Die für die Aufkohlung erforderlich Kohlenstoffmenge bezüglich des Eisenschrotts im Inneren des Ofens beträgt 2 bis 4 Gew.-% des Eisenschrotts. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß die Verbrauchsmenge des Koksbettes im Ofenmittenabschnitt etwa 10 kg/t beträgt (entspricht hinsichtlich des Anteils etwa 0,01).
  • Die größte Beschickungsmenge des Kokses ist erforderlich, wenn die dem Ofenmittenabschnitt zuzuführende Eisenquelle nur aus Eisenschrott besteht. In diesem Fall beträgt, weil für die Aufkohlung ein C/Fe-Gewichtsverhältnis von 0,02 bis 0,04 erforderlich ist, 0,03 ≤ C/Fe ≤ 0,05, wenn auch der Verbrauch des Koksbettes berücksichtigt wird. Die Beschickungsmenge des Kokses wird minimal, wenn Gußschrott oder Roheisen, jedoch kein Eisenschrott, als dem Ofenmittenabschnitt zuzuführende Eisenquelle verwendet werden. In diesem Fall ist der für die Aufkohlung erforderliche Koks nicht erforderlich, und der Festbrennstoff kann in einem der Verbrauchsmenge des Koksbettes im Ofenmittenabschnitt entsprechenden Verhältnis von C/Fe = 0,01 zugeführt werden. Daher kann der Beschickungsanteil des Festbrennstoffs und der Ei senquelle festgelegt werden, indem das Gewichtsverhältnis von C und Fe, die im dem Ofenmittenabschnitt zuzuführenden Festbrennstoff enthalten sind, auf 0,01 ≤ C/Fe ≤ 0,05 festgelegt wird.
  • Hinsichtlich des Beschickungsverfahrens wurde bestätigt, daß eine vorgegebene Beschickung unter Verwendung eines Mantels in einer glockenförmigen Beschickungsvorrichtung ausgeführt werden kann, wobei z. B. das Eisenquelle/Festbrennstoff-Gewichtsverhältnis für jede Beschickung geändert wird, um die erste Charge dem Ofenmittenabschnitt und die zweite Charge dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführen. Wenn eine offene Beschickungsvorrichtung an der Ofenoberseite verwendet wird, was häufig bei Schmelzöfen, z. B. bei einem Kupolofen vorgesehen ist, besteht ein effektives Verfahren darin, die Chargen dem Ofenmittenabschnitt durch die in den 1(a) –(c) dargestellte Beschickungsvorrichtung getrennt zuzuführen.
  • Als ein Verfahren zum Vermeiden der sogenannten "Verkrustung" unabhängig vom Metallisierungsgrad der Eisenquelle ist ein Verfahren bekannt, gemäß dem nur der Festbrennstoff in der Nähe der Ofenwand zugeführt wird und die Eisenquelle und der Festbrennstoff als Gemisch der Innenseite zugeführt wird, wenn eine Beschickung zum Ofenumfangsabschnitt erfolgt, wie in 7(d) dargestellt, obwohl das Beschickungsverfahren etwas kompliziert wird. D. h., ein Beschickungszyklus weist das Beschicken von drei Chargen auf: in der ersten Charge wird nur der Festbrennstoff in der Nähe der Wand des Ofenumfangsabschnitts zugeführt, in der zweiten Charge wird das Gemisch aus Eisenschrott und Festbrennstoff dem Ofenmittenabschnitt zugeführt, und in der dritten Charge wird das Gemisch aus der Eisenquelle und dem Festbrennstoff zugeführt. Auf diese Weise wird ein vorgegebener Beschickungsvorgang ermöglicht.
  • Die Grenzposition zwischen dem Ofenmittenabschnitt und dem Ofenumfangsabschnitt verschiebt sich erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Metallisierungsgrad der Eisenquelle, der Korngröße des Kokses und dem Anteil des verwendeten eisenhaltigen Staubs ein wenig in radialer Richtung.
  • Wenn die Anteile der jedem Abschnitt zuzuführenden Eisenquelle und des Festbrennstoffs einmal bestimmt worden sind, kann die Grenzposition ri zwischen dem Ofenmittenabschnitt und dem Ofenumfangsabschnitt gemäß folgender Formel (6) bestimmt werden:
    Figure 00370001
    wobei
    ri: Radius der dimensionslosen Grenze zwischen dem Mittenabschnitt und dem Umfangsabschnitt (-);
    Wm(c): Gewicht der dem Ofenmittenabschnitt zuzuführenden Eisenquelle (kg/Charge);
    Wc(c): Gewicht des dem Ofenmittenabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs (kg/Charge); Wm(p): Gewicht der dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Eisenquelle (kg/Charge); Wc(p): Gewicht des dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs (kg/Charge); ρm(c): Fülldichte der dem Ofenmittenabschnitt zuzuführenden Eisenquelle (kg/m3); ρc(c): Fülldichte des dem Ofenmittenabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs (kg/m3); ρm(c): Fülldichte der dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Eisenquelle (kg/m3); ρc(c): Fülldichte des dem Ofenumfangsabschnitt zuzuführenden Festbrennstoffs (kg/m3).
  • ri ist ein dimensionsloser Radius und bezeichnet die Grenzposition, wenn die Absinkgeschwindigkeit der Charge am Ofenmittenabschnitt und am Ofenumfangsabschnitt konstant ist.
  • Als Beschickungsverfahren sind verschiedenartige Verfahren zum Einstellen der durch diesen ri-Wert dargestellten Grenzposition möglich. Wenn die glockenförmige Beschickungsvorrichtung verwendet wird, kann die vorgegebene Grenzposition ebenfalls unter Verwendung des Mantels und durch alternierendes und wiederholtes Ausführen des Beschickungsvorgangs zum Ofenmittenabschnitt und zum Ofenumfangsabschnitt für jede Charge eingestellt werden, obwohl teilweise eine Mischschicht gebildet wird.
  • Beispiele
  • Nachstehend werden die Merkmale der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Beispiele ausführlicher erläutert.
  • In den folgenden Beispielen wurde ein oben offener Schachtofen mit einer beweglichen zweistufigen Blasdüsenstruktur verwendet, wobei ein Herddurchmesser 1,4 m, die Anzahl primärer Blasdüsen 6, die Anzahl sekundärer Blasdüsen 6 betrugen und die obere Grenzposition des Bunkerstandes sich 5,0 m über der primären Blasdüse befand. Die Beschickungsvorrichtung war derart angeordnet, daß die Beschickungsposition in der radialen Richtung des Ofens veränderbar war.
  • Die Abgaszusammensetzung an der Ofenoberseite war durch folgende Formel definiert: ηco(TOP) = (CO2 (TOP)/(CO(TOP) + CO2 (TOP)).
  • Unter den Betriebsparametern wurde der Windfeuchtigkeitsgehalt auf 15 g/m3 als atmosphärischer Feuchtigkeitsgehalt eingestellt, und die Menge des von der Ofenoberseite zugeführten Kalksteins wurde so eingestellt, daß eine Schlackenbasizität von 1,0 als Sollwert erhalten wird.
  • Die zu beschickenden Eisenquellen waren selbstreduzierbares Stückerz mit 4–20% Kohlenstoff (der durch Mischen von Sekundärasche eines Hochofens und Kokspulver zu reduziertem Eisenpulver mit einer Größe von nicht mehr als 3 mm zu einem Gemisch mit einer Partikelgröße von 40 mm × 20 mm × 30 mm erzeugt wurde), Stückerzstaub, der durch Mischen der Sekundärasche eines Hochofens als Hauptkomponente und eines Staubs im Inneren einer Eisenmühle und durch Klumpenbildung des Gemischs erhalten wurde, kommerziell erhältlicher Eisenschrott und reduziertes Eisenpulver mit einer Teilchengröße von 3 bis 5 mm und 5 mm oder mehr.
  • Kleiner stückiger Koks für einen Hochofen mit einer Korngröße von etwa 30 mm wurde als Festbrennstoff für den Ofenumfangsabschnitt verwendet, während großer stückiger Koks mit einer Korngröße von etwa 80 mm zum Ergänzen des durch die Aufkohlung verbrauchten Kokses im Ofenmittenabschnitt verwendet wurde.
  • Tabelle 1 zeigt Details der Untersuchungsergebnisse.
  • Beispiele 1(a) und 1(b) und Vergleichsbeispiel 1 stellen Betriebsweisen dar, wenn gilt: selbstreduzierbares Stückerz (T.Fe = 59,5, M.Fe/T.Fe = 0,19, 4% C): Stückerzstaub (T.Fe = 50,81%, M.Fe/T.Fe = 0,057): Autoschredder-Eisenschrott (T.Fe = 90%, M.Fe/T.Fe = 0,99): reduziertes stückiges Eisenerz (T.Fe = 87%, M.Fe/T.Fe = 0,80) = 50 : 10 : 30 : 10 (bezüglich Gew.-%). Der mittlere Metallisierungsgrad der zugeführten Eisenquellen betrug 56%. In den Beispielen 1(a) und 1(b) wurden das selbstreduzierbare stückige Eisenerz, der Stückerzstaub, das selbstreduzierbare stückige Eisenerz und der Koks mit kleiner Korngröße gemischt und dem Umfangsabschnitt zugeführt, und der Autoschredder-Eisenschrott und der Stückkoks mit großer Korngröße für die Aufkohlung wurden dem Mittenabschnitt zugeführt. Im Vergleichsbeispiel 1 wurden die vorstehend beschriebene Eisenquelle und der Festbrennstoff vollständig gemischt und zugeführt. Der Gasausnutzungsgrad im Inneren des Ofens war auf einen niedrigen Wert von ηco = 20% eingestellt, und die heiße Metalltemperatur war niedrig und der Schlackenabstich war schwierig. In den Beispielen 1(a) und 1(b), in denen das getrennte Beschickungsverfahren verwendet wird, wurde der Gasausnutzungsgrad ηco im Inneren des Ofens hoch, stieg die heiße Metalltemperatur auf etwa 1500°C an und wurde ein stabiler Betrieb möglich. Im Vergleich mit Beispiel 1(a) stellt Beispiel 1(b) den Fall dar, in dem der dem Mittenabschnitt zugeführte Koks mit großer Korngröße teilweise durch Koks mit kleiner Korngröße ersetzt war, und es konnte ein Betrieb mit höherem Wirkungsgrad ausgeführt werden, indem die Koksbetthöhe zu einer Position in der Nähe der Position geändert wurde, bei der die Gasverbrennungstemperatur den höchsten Wert erreicht, d.h. zu einer Position 40 cm von der Blasdüse der unteren Stufe entfernt.
  • Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2 stellen Reduktions-/Schmelztestbeispiele dar, in denen 20 Gew.-% stückiges Eisenerz und 80 Gew.% Autoschredder-Eisenschrott verwendet wurden. Während in Vergleichsbeispiel 2 der Rohbrennstoff vollständig vermischt und zugeführt wurde, wurde in Beispiel 2 der Bunkerstand eingestellt. Beispiele 2(b) bis 2(d) stellen einen Fall dar, in dem 20 Gew.-% Stückerzstaub und Koks mit kleiner Korngröße gemischt und dem Umfangsabschnitt zugeführt wurden und 80 Gew.-% Autoschredder-Eisenschrott und Koks mit großer Korngröße für eine Aufkohlung dem Mittenabschnitt zugeführt wurden. Wenn der Koks mit großer Korngröße in Beispiel 2(b) durch Koks mit kleiner Korngröße ersetzt wird, wird Beispiel 2(c) erhalten, wobei die Blasdüse der unteren Stufe um 20 cm in den Ofen hervorstand und der Blasdüsendurchmesser von 50 mm auf 40 mm verändert war, und Beispiel 2(d), wobei die Einblasleistung erhöht wurde, um die Gasströmungsgeschwindigkeit im Inneren des Ofens auf 0,8 m/s zu erhöhen. Im Vergleich zum Vergleichsbeispiel konnte in den erfindungsgemäßen Beispielen eine größere Menge von Koks mit kleiner Korngröße verwendet und ein effizienterer Betrieb ausgeführt werden. Diese Beispiele zeigen, daß Änderungen des Bunkerstandes und der Blasdüsenstruktur und eine Optimierung der Gasströmungsgeschwindigkeit im Inneren des Ofens effektiv waren.
  • Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 3 stellen Betriebszustände dar, in denen gilt: selbstreduzierbares Stückerz (12% C): Stückerzstaub (4% C): Autoschredder-Eisenschrott: reduziertes Eisenpulver (T.Fe = 87%, M.Fe/T.Fe = 0,80) = 50 : 10 : 30 : 10. Das selbstreduzierbare Stückerz, der Stückerzstaub, das reduzierte Eisenpulver und der Koks mit kleiner Korngröße wurden gemischt und dem Umfangsabschnitt zugeführt, und der Autoschredder-Eisenschrott und der Koks mit großer Korngröße für die Aufkohlung wurden dem Mittenabschnitt zugeführt. Der mittlere Metallisierungsgrad der zugeführten Eisenquellen betrug 56%, und der mittlere Metallisierungsgrad der dem Umfangsabschnitt zugeführten Eisenquellen betrug 29,6%.
  • Vergleichsbeispiel 3 stellt einen Fall dar, in dem der Bunkerstand für einen normalen Betrieb eingestellt ist, d.h., einen Fall, in dem der Bunkerstand auf eine Position von 4,2 m über der primären Blasdüse eingestellt war. Beispiel 3(a) stellt einen Fall dar, in dem der Bunkerstand auf 3,2 m eingestellt war, um einen ηco-Wert von 55% gemäß Formel (1) und 3 zu erhalten, Beispiel 3(b) stellt einen Fall dar, in dem der Bunkerstand gemäß dem Metallisierungsgrad für den Mitten- bzw. den Umfangsabschnitt gemäß Formel (1) und 3 geändert wurde, Beispiel 3(c) stellt einen Fall dar, in dem die Heißwindtemperatur an der primären Blasdüse 200°C und die Sauerstoffanreicherung 0% betrugen, Beispiel 3(d) stellt einen Fall dar, in dem eine einstufige Blasdüsenstruktur verwendet wurde und die Heißwindtemperatur 550°C betrug; Beispiel 3(e) stellt einen Fall dar, in dem eine Eisenquelle mit 20% C als selbstreduzierbares Stückerz verwendet wurde und die Einblasbedingung verändert wurde, und Beispiel 3(f) stellt einen Fall dar, in dem der ηco-Wert gemäß Formel (1) und 3 geändert wurde, während die Art des beschickten Eisens verändert wurde. Im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel war in allen Beispielen ein zufriedenstellender Betrieb möglich, und es zeigte sich, daß ein höherer Betriebswirkungsgrad erreicht werden kann, wenn der Bunkerstand gemäß der Eisenquelle in der radialen Richtung gesteuert und die Windtemperatur geändert wird.
  • Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 4 stellen Fälle dar, in denen 80 Gew.-% Autoschredder-Eisenschrott und 20 Gew.-% Gußeisenschrott mit Koks mit großer Korngröße dem Mittenabschnitt zugeführt wurden, während Koks mit kleiner Korngröße dem Umfangsabschnitt zugeführt wurde. Das Vergleichsbeispiel stellt einen Fall dar, in dem der Bunkerstand auf 4,2 m eingestellt war, und das Beispiel stellt einen Fall dar, in dem durch Ändern des Bunkerstandes ein hocheffizienter Betrieb erreicht werden konnte.
  • Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 5 stellen einen Fall dar, in dem 80 Gew.% Autoschredder-Eisenschrott und Koks mit großer Korngröße dem Mittenabschnitt zugeführt wurden, während 20 Gew.-% Stückerzstaub und Koks mit kleiner Korngröße dem Umfangsabschnitt zugeführt wurden. Der Bunkerstand wurde im Vergleichsbeispiel 5 auf 4,2 m eingestellt, während in Beispiel 5 durch Ändern des Bunkerstandes ein hocheffizienter Betrieb erreicht werden konnte.
  • Beispiel 5(b) stellt einen Fall dar, in dem 100 Gew.-% Autoschredder-Eisenschrott und Koks mit großer Korngröße dem Mittenabschnitt zugeführt wurden, während Koks mit kleiner Korngröße dem Umfangsabschnitt zugeführt wurde. Bevor Beispiel 6(b) ausgeführt wurde, wurden die Eisenquelle und der Koks durch ein dem normalen Kupolbetrieb ähnliches Verfahren vollständig gemischt, woraufhin das Gemisch beschickt wurde, und der Betrieb wurde ausgeführt, indem die Koksbetthöhe auf etwa 1 m über der primären Blasdüse und der Bunkerstand wie im Normalbetrieb (Vergleichsbeispiel 6) auf 4,2 m eingestellt wurde. Obwohl das vollständige Gemisch beschickt wurde, wurde der Betrieb ausgeführt, indem die Koksbetthöhe auf 60 cm über der primären Blasdüse und der Bunkerstand auf 3,0 m eingestellt wurde, um an der oberen Endposition des Koksbettes hinsichtlich der Tatsache, daß die mittlere Gasströmungsgeschwindigkeit im Inneren des Ofens 0,7 m/s betrug (Beispiel 6(a)), einen ηco-Wert von 80 bis 90% zu erhalten. In Vergleichsbeispiel 6 konnte der Betrieb nur bei einem unteren ηco-Wert von etwa 20% ausgeführt werden, weil der Koksanteil unvermeidbar erhöht werden mußte. Im Fall von Beispiel 6(a) konnte der Betrieb dagegen bei einem ηco-Wert von 50% ausgeführt werden, obwohl große Mengen von Koks mit kleiner Korngröße verwendet wurden. Dadurch ist bestätigt worden, daß die Steuerung des Koksbettes sowie des Bunkerstandes effektiv waren. In Beispiel 6(b) konnte ein höherer ηco-Wert (> 90%) durch getrenntes Beschicken in der radialen Richtung erreicht werden, und es ist bestätigt worden, daß ein Betrieb mit dem höchsten Wirkungsgrad ausgeführt werden konnte (vgl. 8).
  • Beispiel 7 stellt einen Fall dar, in dem kein Eisenschrott, sondern große Mengen von reduziertem feinstückigen Eisenpulver verwendet wurden.
  • Um die Gasdurchlässigkeit im Inneren des Ofens für den Fall zu gewährleisten, wenn 50% eines eisenhaltigen Stückerzstaubs, der 7% C enthält, und 50% reduziertes Eisenpulver mit einer Teilchengröße von 3 bis 5 mm als Eisenquelle beschickt wurden, wurde der kohlenstoffhaltige Stückerzstaub mit dem feinstückigen Koks gemischt und dem Ofenmittenabschnitt zugeführt, während das reduzierte Eisenpulver ebenfalls mit dem feinstückigen Koks mit einer Korngröße von 30 mm gemischt und dem Umfangsabschnitt zugeführt wurde. Sowohl der kohlenstoffhaltige Stückerzstaub als auch das reduzierte Eisenpulver wiesen einen Metallisierungsgrad (M.Fe/T.Fe) von 60% auf. Um einen Betrieb mit einem ηco-Sollwert von 50% zu erreichen, wurde das Koksbett auf eine Position von 1,0 m über der primären Blasdüse eingestellt, und der Bunkerstand wurde auf eine Position von 3,0 m über der primären Blasdüse eingestellt.
  • Bevor Beispiel 7 gestartet wurde, wurden der kohlenstoffhaltige Stückerzstaub und das reduzierte Eisenpulver vollständig gemischt, und der Betrieb wurde als solcher gemäß Vergleichsbeispiel 7 ausgeführt, ohne daß das Koksbett und der Bunkerstand gesteuert wurden. In diesem Vergleichsbeispiel 7 überschritt der Innendruck des Ofens 2500 mmAq, und die Fortsetzung des Betriebs wurde schwierig. In Beispiel 7 verschob sich der Innendruck dagegen auf einen Wert von etwa 1800 mmAq, und der Betrieb konnte bei einem anfänglichen ηco-Sollwert von etwa 50% stabil ausgeführt werden (9).
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Im Betriebsverfahren, in dem das neuartige Rohbrennstoffbeschickungsverfahren im Roheisenherstellungsverfahren unter Verwendung von eisenhaltigem Staub und/oder Eisenschrott als Hauptrohmaterial verwendet wird, wird erfindungsgemäß ein Betriebsverfahren mit einem höheren Wirkungsgrad bereitgestellt, und aufgrund der Entwicklung dieses Verfahrens kann ein kontinuierlicher Betrieb ausgeführt werden, wird der Verbrennungswirkungsgrad höher und können wirtschaftliche Festbrennstoffe mit einer kleineren Teilchen- oder Korngröße verwendet werden. Daher kann der Betrieb mit höherer Produktivität und bei geringeren Brennstoffkosten ausgeführt werden.
  • Figure 00460001
  • Figure 00470001
  • Figure 00480001
  • Figure 00490001

Claims (5)

  1. Betriebsverfahren für einen Schachtofen mit einer in einer Wandfläche des Schachtofens angeordneten Blasdüse, mit den Schritten: Berechnen eines mittleren Metallisierungsgrades (metallisches Eisen/gesamtes Eisen) von Eisenquellen, die eine erste Eisenquelle aufweisen, für die eine Reduktion erforderlich ist, wobei die erste Eisenquelle Stückerzstaub, selbstreduzierbares Stückerz einschließlich kohlenstoffhaltigem Stückerz und/oder reduziertes Eisen mit einem niedrigen Metallisierungsgrad einschließlich reduziertem Eisenpulver umfaßt, und die eine zweite Eisenquelle aufweisen, für die lediglich ein Schmelzvorgang erforderlich ist, wobei die zweite Eisenquelle mindestens eine der folgenden Eisenquellen umfaßt: HBI (hot briquetted iron), DRI (direct reduced iron), Eisenschrott, Gußroheisen und Rücklaufschrott; Setzen eines Gasausnutzungsgrad-Sollwertes ηco für die Reduktion/Schmelzung basierend auf dem mittleren Metallisierungsgrad der Eisenquellen; und Bestimmen einer Höhe eines Koksofenbettes, einer Position einer Chargenhöhe und/oder einer Blasdüsenvorsprungposition basierend auf dem ηco-Sollwert; Beschicken der Eisenquellen und des Festbrennstoffs in den Schachtofen nach dem Bestimmungsschritt gemäß der Bestimmung; und Reduzieren und Schmelzen der Eisenquellen durch Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas von der Blasdüse bei einer Temperatur zwischen einer Umgebungstemperatur und einer Temperatur von nicht mehr als 600°C; wobei eine Höhe des Koksbettes, eine Position der Chargenhöhe einer die Eisenquellen und einen Festbrennstoff aufweisenden Charge und/oder eine Blasdüsenvorsprungposition gemäß einer Teilchengröße des Festbrennstoffs eingestellt wird.
  2. Betriebsverfahren eines Schachtofens nach Anspruch 1, wobei der ηco-Sollwert durch die Formel 1,5 × C% ≤ ηco – 0,7 × (Mittelwert von M.Fe/T.Fe) ≤ 3,0 × C% berechnet wird, wobei: C%: prozentualer Kohlenstoffanteil in der Eisenquelle; 0% ≤ C% ≤ 20%, ηco: Gasausnutzungsgrad (%), (Mittelwert von M.Fe/T.Fe): mittlerer Metallisierungsgrad in %.
  3. Betriebsverfahren eines Schachtofens nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens zwei Blasdüsenstufen in Richtung der Ofenhöhe vorgesehen sind und ein Blasverhältnis jeder der in Richtung der Höhe angeordneten Blasdüsen gemäß einer Teilchengröße des Festbrennstoffs und einem mittleren Metallisierungsgrad der Eisenquelle eingestellt wird.
  4. Betriebsverfahren eines Schachtofens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wenn die Eisenquelle und der Festbrennstoff in einen Schachtofen beschickt werden, wobei ein Zyklus aus mindestens zwei Chargen besteht, wobei der gleiche Beschickungsvorgang in einer Zykluseinheit wiederholt wird, indem für jeden Beschickungsvorgang in jedem Zyklus ein Eisenquelle/Festbrennstoff-Gewichtsverhältnis, die Art der Eisenquelle, die Art des Festbrennstoffs und/oder die Teilchengröße des Festbrennstoffs eingestellt wird.
  5. Betriebsverfahren eines Schachtofens nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eisenquellen mit einem hohen Metallisierungsgrad und der Festbrennstoff gemischt werden und das erhaltene Gemisch einem Mittenabschnitt des Schachtofens zugeführt wird, und wobei die Eisenquellen mit einem niedrigen Metallisierungsgrad und der Festbrennstoff gemischt werden und das erhaltene Gemisch einem Umfangsabschnitt des Schachtofens zugeführt wird.
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