DE69802427T2 - Feuerfeste mauerstruktur sowie aus diese bestehendes metallurgisches gefäss und verfahren zur verwendung dieser feuerfesten mauerstruktur - Google Patents
Feuerfeste mauerstruktur sowie aus diese bestehendes metallurgisches gefäss und verfahren zur verwendung dieser feuerfesten mauerstrukturInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine feuerfeste Wandstruktur, die insbesondere für die Verwendung in einem metallurgischen Behälter zur kontinuierlichen Herstellung von Roheisen in einem Schmelzreduktionsprozeß bei einer äußerst hohen thermischen Belastung in einer in hohem Maße abrasiven Umgebung von geschmolzener Schlacke mit einem hohen FeO- Gehalt geeignet ist. Die Erfindung betrifft auch einen metallurgischen Behälter und ein Verfahren für eine kontinuierliche Herstellung von Roheisen, insbesondere für die Endreduktion eines Schmelzreduktionsprozesses mit einem Zyklon-Konverterofen (CCF).
- Nach dem Stand der Technik wird Roheisen in einem Blasofen hergestellt. In diesem Verfahren wird Eisenerz mit der Hilfe von Koks reduziert. Es sind unterschiedliche Prozesse für die Direktreduktion von Eisenerz entwickelt worden, die jedoch nicht industriell angewendet worden sind. Die am meisten versprechenden sind die sog. im-Bad- Schmelzreduktionsprozesse. Ein Schwachpunkt bei diesen Prozessen ist die Lebensdauer der feuerfesten Wandstruktur des metallurgischen Behälters, in dem die Reduktion zu Roheisen stattfindet. Dieser wird durch eine besonders hohe thermische Belastung und eine hoch abrasive Umgebung aufgrund des Vorhandenseins von FeO bei einem Temperaturniveau von etwa 1700ºC bestimmt. In dem Fall eines Blasofens, in dem dieselben Bedingungen in einer etwas weniger aggressiven Form auftreten und in dem eine thermische Belastung von 300000 W/m² auftreten kann, besteht die feuerfeste Wandstruktur an ihrer am meisten bedrohten Stelle von der Außenseite zu der Innenseite aus einer Armierungsplattierung und einer Verkleidung aus feuerfesten Steinen, beispielsweise Steinen, welche SiC enthalten, welche durch Kühlelemente gekühlt werden. Kühlelemente nach dem Stand der Technik sind entweder sog. Kühlplatten, die entfernbar in die Verkleidung reichen, wie es in der niederländischen Patentanmeldung NL-7312549A beschrieben ist, oder sog. Platten, die eine wassergekühlte Wand zwischen der Armierungsplattierung und der Verkleidung bilden. Derzeit ist es mit dieser Anordnung möglich, eine Lebensdauer in der Größenordnung von 10 Jahren zu erreichen. Die europäische Patentanmeldung EP 0 690 136 A1 beschreibt eine Vorrichtung, in welcher Eisenkomponenten in Partikelform in einer Gasatmosphäre geschmolzen werden. Die Hülle oder Armierungskonstruktion in dieser Vorrichtung ist wassergekühlt. Bei Schmelzreduktionsprozessen ist die thermische Belastung viel höher und kann sogar 2 Mio. W/m² lokal erreichen. Daher kann keine akzeptable Lebensdauer mit einer bekannten Wandstruktur für einen Blasofen erreicht werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wandstruktur für einen Direktreduktionsprozeß zu schaffen, die eine akzeptable Lebensdauer hat.
- Dies wird gemäß der Erfindung erreicht mit einer Wandstruktur, die von außen nach innen umfaßt
- (1) einen Stahlmantel;
- (2) eine wassergekühlte Kupferwand;
- (3) wassergekühlte Verstärkungsrippen, die sich nach innen erstrecken;
- (4) eine Auskleidung aus einem feuerfesten Material, die auf den Verstärkungsrippen lagert.
- Mit dieser Grundstruktur ist es aufgrund eines maximalen thermischen Kontakts zwischen der Auskleidung und der wassergekühlten Kupferwand und den wassergekühlten Verstärkungsrippen möglich, eine feuerfeste Wandstruktur zu realisieren, mit der ein niedriger thermischer Widerstand erreicht wird. Als ein Ergebnis hiervon wird selbst unter einer hohen thermischen Belastung eine stabile Restdicke der Auskleidung erreicht, was zu einer hohen Lebensdauer führt. Der am meisten bedrohte Bereich des metallurgischen Behälters, in welchem die Reduktion in Eisenerz stattfindet, befindet sich dort, wo die geschmolzene Schlackeschicht, welche einen hohen Anteil an FeO enthält, auf dem Roheisenbad schwimmt. Dort nutzt sich die Verkleidung auf eine Restdicke ab, auf welcher sich eine Schlackschicht verfestigt, welche Schicht als eine Abnutzungs- und Isolationsschicht wirkt. Die verfestigte Schicht verhindert, daß die Auskleidung angegriffen wird, und die Struktur ist in der Lage, einem weiteren Angriff zu widerstehen. Die Kühlung durch die Verstärkungsrippen verbessert die Lebensdauer der feuerfesten Struktur.
- Vorzugsweise sind die Verstärkungsrippen in vertikaler Richtung bewegbar. Der Vorteil hiervon besteht darin, daß wenn die feuerfeste Wandstruktur kalt zusammengebaut wird, sie sich in der vertikalen Richtung unter der Wirkung ihres eigenen Gewichts setzen kann, so daß die horizontalen Verbindungen soweit wie möglich geschlossen werden.
- Vorzugsweise erstrecken sich die Verstärkungsrippen am oberen Ende aufwärts schräg nach innen, erstrecken sich die Verstärkungsrippen am Boden abwärts schräg nach innen, und sind die Verstärkungsrippen über die Höhe der Wand verteilt. Der Vorteil hiervon besteht darin, daß die Auskleidung bezüglich der wassergekühlten Kupferwand gesichert ist.
- Vorzugsweise besteht die wassergekühlte Kupferwand aus Paneelen. Dies erleichtert die Herstellung und den Zusammenbau der wassergekühlten Kupferwand.
- Vorzugsweise sind die Verstärkungsrippen über die Breite und/oder den Umfang höhenversetzt angeordnet. Dies erreicht die Wirkung, daß die Kanäle der Kühlwasserzuführ- und -abführrohre gleichmäßig über den Stahlmantel verteilt sind und Büschel von diesen vermieden werden.
- Vorzugsweise lagert die Auskleidung ohne Mörtel auf den Verstärkungsrippen und stützt sich die Auskleidung ohne Mörtel gegen die wassergekühlte Wand. Dies vermeidet hohe thermische Widerstände als eine Konsequenz von Mörtelverbindungen, und es ist möglich, eine hohe thermische Belastung zu erlauben.
- Vorzugsweise besteht die Auskleidung aus Graphitblöcken mit einem thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten im Bereich von 60 bis 150 W/mºK und/oder aus Halb- Graphitblöcken mit einem thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten im Bereich von 30 bis 60 W/mºK. Als Ergebnis des hohen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten wird ein niedriger thermischer Widerstand erreicht, aufgrund dessen es möglich ist, eine hohe thermische Belastung zu erlauben.
- In einer alternativen Ausführungsform besteht die Auskleidung aus feuerfesten Steinen, insbesondere aus Steinen von einer Art, die in Konvertern zur Stahlherstellung oder in elektrischen Öfen zur Stahlherstellung verwendet werden, und insbesondere bevorzugt sind die Steine Magnesit-Kohlenstoff-Steine. Steine dieser Art, welche für die Stahlproduktion bekannt sind, haben einen hohen Widerstand gegen Abrasion.
- Vorzugsweise besteht die Auskleidung von außen nach innen aus einer Graphitschicht, die sich gegen die Kupferwand stützt, und einer Schicht aus feuerfesten Steinen. Bei dieser Ausführungsform besteht die Verkleidung, wenn sich die im Gleichgewicht stehende Dicke eingestellt hat, aus abnutzungsresistenten feuerfesten Steinen und einer Graphitschicht mit einem niedrigen thermischen Widerstand.
- Vorzugsweise neigt sich die Wand vom Boden zum oberen Ende hin nach hinten. Zusätzlich erreicht diese sich erweiternde Form die Wirkung, daß sich das Niveau der Schlackeschicht in dem metallurgischen Behälter weniger ändert.
- Vorzugsweise bestehen die Kupferwand und/oder die Kupferverstärkungsrippen aus rotem Kupfer mit einem Cu-Anteil von ≥99% und einem thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten im Bereich von 250 bis 300 W/ºK. Dies erreicht einen akzeptierbar niedrigen thermischen Widerstand dieser Elemente.
- Vorzugsweise bildet der Stahlmantel einen Teil eines Druckbehälters und sind die Durchgänge durch den Stahlmantel zur Kühlwasserzufuhr und die Auslaßrohre der wassergekühlten Kupferwand sowie die wassergekühlten Kupferverstärkungsrippen entlang des Wandaufbaus nach dem Wandaufbau abgedichtet. Dies erreicht die Wirkung, daß der Prozeß unter Überdruck durchgeführt werden kann.
- Vorzugsweise ist die Wand resistent gegen eine thermische Belastung von mehr als 300000 W/m² und gegen Schlacke mit etwa 10 Gew.-% FeO bei einem Temperaturniveau von etwa 1700ºC, und hat die Wand eine Lebensdauer von wenigstens 6 Monaten bei kontinuierlicher Verwendung. Dies erlaubt es, daß die Wand unter Bedingungen einer hohen thermischen Belastung in einer hochabrasiven Umgebung mit einer akzeptablen Lebensdauer betrieben wird.
- Gemäß einem anderen Aspekt wird die Erfindung in einem metallurgischen Behälter insbesondere zur Verwendung in der Endreduktion eines Schmelzreduktionsprozesses mit einem Zyklon-Konverterafen (CCF) verkörpert, der eine feuerfeste Wandstruktur nach der Erfindung umfaßt.
- Nach einem noch anderen Aspekt wird die Erfindung verkörpert in einem Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Roheisen, insbesondere für die Endreduktion eines Schmelzreduktionsprozesses mit einem Zyklon-Konverterofen (CCF) in einem metallurgischen Behälter, in welchem eine feuerfeste Wandstruktur gemäß der Erfindung verwendet wird.
- Die Erfindung wird nun im nachfolgenden unter Bezugnahme auf nicht beschränkende Zeichnungen erläutert werden.
- Fig. 1 zeigt eine Anordnung der feuerfesten Wandstruktur in einem Vertikalschnitt.
- Fig. 2 zeigt eine Ansicht der feuerfesten Wandstruktur gemäß dem Pfeil I in Fig. 1.
- Fig. 3 zeigt eine Unteranordnung eines wassergekühlten Kupferwandpaneels und einer wassergekühlten Kupferverstärkungsrippe im nicht zusammengebauten Zustand.
- Fig. 4 zeigt eine Unteranordnung eines wassergekühlten Kupferwandpaneels und einer wassergekühlten Verstärkungsrippe in zusammengebautem Zustand.
- Fig. 5 zeigt ein Detail der Abdichtung eines Kanals eines Kühlwasserzuführ- oder -abführrohrs in dem Stahlmantel.
- Die Zeichnung zeigt die Erfindung in einer Ausführungsform, die für einen metallurgischen Behälter entwickelt ist, in welchem die Reduktion zu Roheisen durch einen Schmelzreduktionsprozeß in einem Zyklonkonverterofen (CCF) stattfindet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt und ist auch für Anwendungen in anderen Prozessen zur Reduzierung von Roheisenerz mit einer hohen thermischen Belastung und/oder einer hochabrasiven Umgebung aufgrund von FeO geeignet.
- Die Fig. 1 zeigt eine feuerfeste Wandstruktur (1) gemäß der Erfindung, die einen Teil eines metallurgischen Behälters bildet. (2) deutet das Niveau der Schlackeschicht an, die in dem metallurgischen Behälter auf einem Roheisenbad (3) schwimmt, wobei (4) und (5) das minimale und das maximale Niveau der Schlackeschicht jeweils anzeigen.
- Die feuerfeste Wandstruktur umfaßt einen Stahlmantel (6), eine wassergekühlte Kupferwand (7), wassergekühlte Verstärkungsrippen (8) und eine Auskleidung (9), die in dem Fall der Fig. 1 aus Graphitblöcken (10) und feuerfesten Steinen (11) besteht.
- Es ist gezeigt, daß in dem Fall der Fig. 1 sich die feuerfeste Wandstruktur bezüglich der Vertikalen V vom Boden zum oberen Ende hin nach hinten neigt. In der Richtung ihrer Höhe besteht die wassergekühlte Kupferwand (7) aus zwei Paneelen (12, 13). Jedes Paneel ist mit vier Verstärkungsrippen (8) versehen. Zwischen jeweils zwei Verstärkungsrippen sind sechs Graphitblöcke plaziert. Vor diesen Graphitblöcken ist eine gleiche Anzahl von feuerfesten Steinen in jedem Fall plaziert. Der Stahlmantel (6) geht nach oben und nach unten über die feuerfeste Wandstruktur hinaus und ist an der Innenseite des metallurgischen Behälters auch mit einer feuerfesten Struktur (14, 15) versehen, deren Natur gemäß dieser Anmeldung irrelevant ist.
- Das Gewicht der feuerfesten Wandstruktur (1) wird zumindest teilweise durch die feuerfeste Struktur (15), die unter ihr liegt, aufgenommen. Die Paneele (12, 13) sind innenseitig mit Kühlwasserleitungen (16) mit Kupplungen (17, 18) für die Zufuhr und die Abfuhr von Kühlwasser, das durch den Stahlmantel (6) zur Außenseite des metallurgischen Behälters transportiert wird, versehen. Die Verstärkungsrippen (8) sind auch innenseitig mit einer Kühlwasserleitung (19) und einer Kühlwasserkupplung (20) zur Außenseite des metallurgischen Behälters versehen. Gezeigt ist, daß die Verstärkungsrippen (8) an der Oberseite nach oben schräg nach innen laufen und an dem Boden nach unten schräg nach innen laufen. Im Gegensatz zu der Wandstruktur, wie sie für einen Blasofen bekannt ist, bei dem die Auskleidung aus feuerfesten Steinen mit Mörtel verbunden ist, ruht die Auskleidung (9) auf den Verstärkungsrippen (8) ohne Mörtel und stützt sich ohne Mörtel gegen die wassergekühlte Wand (7) ab. Die wassergekühlte Wand (7) und die Verstärkungsrippen (8) sind aus Rotkupfer mit einem Cu-Gehalt ≥99% hergestellt. Die Graphitblöcke (10) haben einen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten in dem Bereich von 60 bis 150 W/mºK. Die feuerfesten Steine (11) sind Magnesit-Kohlenstoff-Steine.
- Die Fig. 2 zeigt einen Teil des Umfangs der feuerfesten Wandstruktur, wobei die Auskleidung (9) weggelassen ist. Der Teil umfaßt vier Paneele (12A, 12B, 13A, 13B), von denen jedes etwa 2,4 m hoch und 1 m breit ist. Die Verstärkungsrippen (8) sind in der Richtung des Umfangs versetzt in der Höhe angeordnet.
- Bezüglich der Anzahl von Kühlwasserzuführ- und -abführleitungen (17, 18) zeigt das Paneel (21) von Fig. 3 vier innere Kühlleitungen. Dort ist gezeigt, daß für die Kühlwasserzuführ- und -abführleitungen (20) der Verstärkungsrippe (8) Aussparungen (22) in dem Kühlpaneel (21) vorgesehen sind, von denen nur ein Satz in Fig. 3 gezeigt ist (in Fig. 1 sind vier Verstärkungsrippen (8) pro Paneel vorgesehen).
- Die Fig. 4 zeigt ein Kühlpaneel (21) und eine Verstärkungsrippe (8) im zusammengebauten Zustand.
- Die Fig. 5 zeigt den Durchgang eines Kühlwasserrohrs (20) einer Verstärkungsrippe (8) durch ein Paneel (21) und den Stahlmantel (6), wobei im Anschluß an den Kaltzusammenbau der feuerfesten Wandstruktur eine Abdichtung der Hilfe einer Platte (24) stattfindet, die an dem Rohr (20) und dem Stahlmantel (6) festgeschweißt ist. Eine Betonauskleidung kann zwischen dem Paneel (21) und dem Stahlmantel (6) plaziert sein. Der verbleibende Raum (25) in dem losen Spalt zwischen auf einerseits dem Rohr (20) und dem Paneel (21) und andererseits dem Beton (23) und dem Mantel (6) ist mit Mörtel oder Filz gefüllt.
- Eine feuerfeste Wandstruktur gemäß der Erfindung ist gegen eine thermische Belastung von über 300000 W/m² und eine Schlacke mit etwa 10% FeO bei einem Temperaturniveau von 1700ºC mit einer Lebensdauer von wenigstens 6 Monaten resistent.
- Auf diese Weise wird die Wirkung erzielt, daß der metallurgische Behälter oder wenigstens seine Schlackzone häufig ausgewechselt oder repariert zu werden braucht, sondern daß eine Lebensdauer vergleichbar zu der eines modernen Blasofens erreicht wird.
Claims (22)
1. Feuerfeste Wandstruktur (1), insbesondere geeignet
zur Verwendung in einem metallurgischen Behälter zur
kontinuierlichen Herstellung von Roheisen in einem
Schmelzreduktionsprozeß bei einer äußerst hohen
thermischen Belastung in einer im hohen Maße
abrasiven Umgebung von geschmolzener Schlacke mit einem
hohen FeO-Gehalt, die, von außen nach innen, umfaßt:
(1) einen Stahlmantel (6);
(2) eine wassergekühlte Kupferwand (7);
(3) wassergekühlte Verstärkungsrippen (8), die sich
nach innen erstrecken;
(4) eine Auskleidung (9) aus einem feuerfesten
Material, die auf den Verstärkungsrippen (8) lagert.
2. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstärkungsrippen (8)
vertikal an dem Wandaufbau bewegt werden können.
3. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die
Verstärkungsrippen (8) am oberen Ende aufwärts schräg nach innen
erstreckt.
4. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die
Verstärkungsrippen (8) am Boden abwärts schräg nach
innen erstrecken.
5. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verstärkungsrippen (8) über die Höhe der Wand verteilt
sind.
6. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
wassergekühlte Kupferwand (7) aus Paneelen (21) aufgebaut
ist.
7. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verstärkungsrippen (8) über die Breite und/oder den Umfang
höhenversetzt angeordnet sind.
8. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung
(9) ohne Mörtel auf den Verstärkungsrippen (8)
lagert.
9. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die
Auskleidung (9) ohne Mörtel gegen die wassergekühlte
Wand (7) stützt.
10. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung
(9) Graphitblöcke (10) mit einem thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten
im Bereich von 60 bis 150
W/mºK umfaßt.
11. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung
(9) Halb-Graphitblöcke mit einem thermischen
Leitfähigkeitskoeffizienten im Bereich von 30 bis 60 W/mºK
umfaßt.
12. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung
(9) feuerfeste Steine umfaßt.
13. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Steinen
(11) um Steine handelt, die in Konvertern zur
Stahlherstellung oder in elektrischen Öfen zur
Stahlherstellung verwendet werden.
14. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach Anspruch 12 oder
13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den
Steinen (11) um Magnesit-Kohlenstoff-Steine handelt.
15. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auskleidung von außen nach innen eine Graphitschicht (10),
die sich gegen die Kupferwand (7) stützt, und eine
Schicht aus feuerfesten Steinen (11) umfaßt.
16. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich diese vom
Boden zum oberen Ende nach hinten neigt.
17. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferwand
(7) und/oder die Kupferverstärkungsrippen (8) rotes
Kupfer mit einem Cu-Gehalt ≥99% und einem
thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten im Bereich von 250
bis 300 W/mºK umfaßt.
18. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der
Stahlmantel (16) einen Teil eines Druckbehälters bildet,
wobei die Durchgänge (17, 18, 20) durch den
Stahlmantel (16) zur Kühlwasserzufuhr und die Auslaßrohre
der wassergekühlten Kupferwand (7) und die
wassergekühlten Kupferverstärkungsrippen (8) nach dem
Wandaufbau abgedichtet sind.
19. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie gegen eine
thermische Belastung von mehr als 300.000 W/m² und
gegen Schlacke mit etwa 10 Gewichtsprozent FeO bei
einem Temperaturniveau von etwa 1.700ºC resistent
ist.
20. Feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine
Lebensdauer
von wenigstens 6 Monaten bei
kontinuierlicher Verwendung aufweist.
21. Metallurgischer Behälter, insbesondere zur
Verwendung in der letzten Reduktion eines
Schmelzreduktionsprozesses mit einem Zyklon-Konverterofen (CCF),
dadurch gekennzeichnet, daß er eine feuerfeste
Wandstruktur (1) umfaßt, welche wiederum von außen nach
innen nach einem der Ansprüche 1 bis 20 aufweist:
(1) einen Stahlmantel (6);
(2) eine wassergekühlte Kupferwand (7);
(3) wassergekühlte Verstärkungsrippen (8), die sich
nach innen erstrecken;
(4) eine Auskleidung (9) aus einem feuerfesten
Material, die auf den Verstärkungsrippen (8) lagert.
22. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von
Roheisen, insbesondere zur Verwendung in der letzten
Reduktion eines Schmelzreduktionsprozesses mit einem
Zyklon-Konverterofen (CCF) in einem metallurgischen
Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß dieser im
Innern eine feuerfeste Wandstruktur (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 20 aufweist.
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