DE69901460T2

DE69901460T2 - Verfahren zum einspeisen von feinkohlen oder pulvermaterial in einem lichtbogenofen

Info

Publication number: DE69901460T2
Application number: DE69901460T
Authority: DE
Inventors: Serge Devillet; Emile Lonardi; Jean-Luc Roth
Original assignee: Paul Wurth SA
Current assignee: Paul Wurth SA
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: WO2000020815A1; TW462991B; AU6331399A; EP1119734A1; ZA200102280B; US6452955B1; BR9914633A; EP1119734B1; ATE217414T1; DE69901460D1; LU90293B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschickung eines Lichtbogenofens mit Feinanileilen oder Granulaten, insbesondere zur Beschickung eines zur Herstellung von Stählen oder von Ferrolegierungen verwendeten Lichtbogenofens mit einem vorreduzierten Eisenerz in Form von Feinanteilen oder Granulaten.

Stand der Technik

Bei Lichtbogenöfen zur Herstellung von Stählen aus Schrott wird in einem bekannten Verfahren das aus Schrott bestehende Beschickungsmaterial teilweise durch vorreduzierte Eisenerze ersetzt. Hierzu wird der Ofen mit dem vorreduzierten Erz in Form von einfach durch eine Öffnung im Ofengewölbe ins Schmelzbad fallenden Pellets oder Briketts beschickt. Diese Pellets oder Briketts fallen durch die oberflächliche Schlacke des Stahlbads und schmelzen problemlos, sobald sie mit dem Flüssigstahl in Berührung kommen.
Da es heute Verfahren zur Herstellung von vorreduziertem Erz in Form von Feinanteilen (Korngröße in der Regel unter 3 mm) oder Granulaten (Korngröße in der Regel zwischen 3 mm und 20 mm) gibt und bei der Herstellung von Pellets oder Briketts ohnehin Feinanteile anfallen, könnte die Beschickung direkt mit in Form von Feinanteilen oder Granulaten verfügbarem vorreduziertem Erz einen interessanten Ansatz darstellen. Eine Beschickung mit Feinanteilen oder Granulaten wirft aber große Probleme auf. Zunächst wird ein Großteil der Feinanteile beim Eintrag in den Lichtbogenofen von den Rauchgasen fortgerissen. Außerdem neigen die in den Lichtbogenofen geschütteten Feinanteile oder Granulate dazu, auf einer oberflächlichen Schlackenschicht des Metallbades zu schwimmen, statt mit dem eigentlichen Metallbad in Berührung zu kommen und zu schmelzen. Folglich schmilzt das vorreduzierte Erz schlecht, zudem ist die Schaumschlackenbildung gestört, und der Wirkungsgrad des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen verschlechtert sich.
Um den Eintrag von Feinanteilen in das Metallbad zu erleichtern, wurde eine Einblaslanze vorgeschlagen, mit der die Feinanteile in einer Suspension mit einem Trägergas in das Schmelzbad in unmittelbare Nähe des Auftreffpunktes eines freien Lichtbogens (Plasmalichtbogen) auf die Metallschmelze eingespritzt werden können. Dadurch soll eine in diesem Bereich des Metallbads absteigende Strömung zum schnellen Mitreißen der Feinanteile ins Schmelzbadinnere ausgenutzt werden. Die auf diese Art und Weise einspritzbare Feinanteile-Eintragsrate ist jedoch gering (in der Größenordnung von 100 kg/min), das Einblasen könnte die Stabilität des Plasmalichtbogens beeinträchtigen und der Eintrag von Granulaten ist bei diesem Verfahren kaum denkbar.
Als Ansatz zur Lösung der oben erwähnten Nachteile wurde auch vorgeschlagen, mit Hilfe von Eintragsschnecken die Feinanteile in die Schlacke oder direkt in das Bad einzuführen. Dieser Lösungsansatz erfordert jedoch hohe Investitionen und ist wegen des Platzbedarfs am Ofen problematisch.
Aus der Patentanmeldung CH-A-653 201 ist das Einspritzen von Feinanteilen aus vorreduziertem Erz in einer Suspension mit einem Trägergas durch eine Hohlelektrode in einen Lichtofenbogen bekannt. Bisher ist dieser Lösungsansatz jedoch offenbar lediglich bei kleineren Öfen oder jedenfalls nur zur Beschickung mit Feinanteilen geringer Korngrößen und bei geringen Eintragsraten umgesetzt worden. Die zur Umsetzung dieses Verfahrens verwendeten Elektroden verbrauchen sich insbesondere aufgrund eines intensiven mechanischen Verschleißes durch den pneumatischen Durchgang offensichtlich auch sehr schnell. Darüber hinaus bleibt das Einblasen der Feinanteile durch die Elektrode nicht ohne Wirkung auf den durch die Elektrode gebildeten Plasmalichtbogen, weswegen die Einblasparameter gewissen Vorgaben unterworfen sein müssen.
Ein weiterer Beitrag zur Problemlösung wird in der Patentanmeldung DE-A-196 12 383 offenbart, wonach die Länge des elektrischen Lichtbogens in einem Plasmalichtbogenofen zur Stahlherstellung dadurch begrenzt wird, dass durch eine Hohlelektrode zugeführte Kohle oder Kalk in den Ofen eingetragen werden. Demnach können zusätzlich auch Problemstäube z. B. aus Industrieentstäubungsanlagen beigemischt werden. Die Zuführung dieser Zusatzstoffe in die Hohlelektrode erfolgt insbesondere durch Schnecken- und Bandförderer.
Aus der Patentanmeldung DE-A-25 36 083 ist die Benutzung einer vor Ort gebrannten Hohlelektrodeneinheit mit großem Durchmesser (der sog. Söderberg-Elektrode) bekannt, mit der mittels einer Turbine die Rauchgase aus einem zur Herstellung von Ferrolegierungen durch Reduktion von feinen oder granulierten Roherzen verwendeten Lichtbogenofen abgesaugt werden. Darin wird vorgeschlagen, das sich aus Eisenerz, Pellets, vorreduziertem Eisenerz, Kohle und Dolomit zusammensetzende Beschickungsmaterial durch die Elektrode fallen zu lassen, durch die gleichzeitig die Rauchgase aus dem Lichtbogenofen abgesaugt werden, so dass das Material in der Rauchgas- Gegenströmung erwärmt, entstäubt und teilweise vorreduziert wird.
Aus der US-A-4,146,390 ist ein Verfahren bekannt, nach dem Kohlenstoff- und Eisenerz-Feinanteile oder -Granulate im Freifall durch eine Graphit- Hohlelektrode in einen Lichtbogenofen eingetragen werden.
Aus der US-A-3,940,551 ist ein Verfahren bekannt, nach dem Eisenerz- Feinanteile oder -Granulate im Freifall durch ein in einer Graphit-Hohlelektrode gelagertes Rohr in einen Lichtbogenofen eingetragen werden. Dabei wird ein Gas in die ringförmige Kammer zwischen Rohr und Elektroden-Innenwand eingespritzt, um den Materialstrom am Rohraustritt einzuschließen.

Der Erfindung zugrunde liegende Probleme

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur gezielten Beschickung eines Lichtbogenofens mit größeren Feinanteil- bzw. Granulatmengen vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung verwendet zur Beschickung mit Feinanteilen oder Granulaten bzw. mit einem Gemisch aus beiden eine Hohlelektrodeneinheit mit einem zentralen Zuführungskanal. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die Feinanteile oder Granulate derart in den zentralen Zuführungskanal eingetragen, dass darin eine Materialsäule aufrechterhalten bleibt. In anderen Worten, die Elektrodeneinheit wird als « Speisetrichter » verwendet, der sich unter der Schwerkraft in unmittelbarer Nähe des Metallbads entleert.
Durch den Druck des Eigengewichts der Materialsäule wird deren unteres Ende aus mittlerweile unter Hitzeeinwirkung zusammengebackenen Feinanteilen oder Granulaten in das Metallbad geschoben. Da dieses untere Ende der Materialsäule zunächst am Kanalaustritt mittig zum umgebenden Lichtbogen oder zu den umgebenden Lichtbögen erwärmt und anschließend in das flüssige Metallbad eingetaucht wird, setzt sich dessen Schmelzvorgang schnell in Gang. Mit fortschreitender Schmelze des unteren Endes rutscht die Materialsäule immer weiter im Zuführungskanal der Elektrodeneinheit. Dieses Hinabrutschen wird wahrscheinlich durch Einsetzen einer Oberflächenschmelze der Materialsäule begünstigt, welche insbesondere durch innerhalb der Materialsäule auftretende Strömungen angestoßen wird.
Als besonders günstig erweist sich im erfindungsgemäßen Verfahren die Tatsache, dass ein zur Herstellung von Stählen oder von Ferrolegierungen verwendeter Lichtbogenofen mit größeren Mengen eines vorreduzierten Eisenerzes in Form von Feinanteilen oder Granulaten gezielt beschickt werden kann. Bei diesem Verfahren werden nämlich zum einen weder die Bildung einer Schaumschlackenschicht noch die Eigenschaften des elektrischen Lichtbogens beeinträchtigt und zum anderen ist eine wirkungsvolle Vorwärmung des vorreduzierten Erzes vor seiner Einführung in das Metallbad und somit eine vergrößerte Schmelzoberfläche im Metallbad selbst sichergestellt.
Im Zuführungskanal wird bevorzugt eine Materialsäule aufrechterhalten, deren Höhe für eine Tiefeneinführung des unteren Endes in das Metallbad ausreicht. Eine solche Eindringtiefe ist zum Beispiel sichergestellt, wenn die Materialsäulenhöhe annähernd
hb * (ρflüs/ρtest)
entspricht, wobei
hb = Höhe des Flüssigbads unterhalb der Elektrodeneinheit,
ρflüs = durchschnittliches Raumgewicht der Flüssigphase im Metallbad unterhalb der Elektrodeneinheit,
ρtest = durchschnittliches Raumgewicht der Festphase in der Säule.
Normalerweise rutscht die Materialsäule mit einer Geschwindigkeit von 0,5-5 m/min in der Hohlelektrode hinab. Der Durchmesser des Durchgangsquerschnittes auf der gesamten Länge des Zuführungskanals ist größer als 100 mm und entspricht vorzugsweise mindestens dem 0,25-fachen des Elektroden-Außendurchmessers. In Hinblick auf die Stabilität der Elektrodeneinheit soll der Durchmesser des Durchgangsquerschnitts in der Regel nicht das 0,50-fache des Elektrodendurchmessers übersteigen.
Verwendet werden kann eine Elektrode aus massivem Graphit mit einem Zuführungskanal, wobei der Durchmesser dessen Durchgangsquerschnitts vorzugsweise zwischen 150 und 300 mm liegt. In diesem Falle ist Arbeiten mit einem sog. Plasmalichtbogen (auch "freien Lichtbogen" genannt) in einem gleichzeitig mit Schrott und einem vorreduzierten Eisenerz in Form von Feinanteilen oder Granulaten beschickten Lichtbogenofen möglich.
Eine Hohlelektrode kann aber auch vor Ort um den Zuführungskanal gebrannt werden. Hierzu wird eine Elektrodenpaste in eine ringförmige Kammer zwischen einem metallischen Außenmantel und einem metallischen Innenmantel eingespritzt. Die Paste erstarrt in dieser ringförmigen Kammer zu einer vor Ort gebrannten Elektrode ringförmigen Querschnitts. Bei einer derartigen Elektrode übersteigt der Durchmesser des Durchgangsquerschnitts in der Regel 300 mm. Eine derartige Elektrode wird normalerweise zur Erzeugung von elektrischen, zum größten Teil in eine Schaumschlackenschicht auf der Metallbadoberfläche eingetauchten Lichtbögen verwendet.

Beschreibung anhand der Figuren

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ableiten, die anhand der beigefügten Zeichnung vorgenommen wird.

Es zeigt:

Figur1: einen Schnitt durch eine Anlage zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in sehr vereinfachter Darstellung.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Beschickung eines Gleichstrom- Elektroofens 10 zur Herstellung von Stählen und Ferrolegierungen mit einem vorreduzierten Eisenerz in Form von Feinanteilen oder Granulaten 12 gezeigt. Vom Ofen 10 sind insbesondere der Schacht 14 und der Deckel 15 zu sehen. Bezugszeichen 16 zeigt auf ein Metallbad (d. h. ein geschmolzenes Metall in der Flüssigphase) im Schacht 14. Auf der Oberfläche dieses Metallbads 16 schwimmt eine Schaumschlackenschicht 18.
Der Schacht 14 (beziehungsweise eine nicht gezeigte Sohlenelektrode) ist mit einem Pluspol 20 einer Stromversorgung (nicht gezeigt) verbunden. Ein Minuspol 22 dieser Stromversorgung ist mit einer insgesamt mit Bezugszeichen 24 gezeigten Hohlelektrodeneinheit verbunden. Diese Hohlelektrodeneinheit 24 sticht senkrecht durch eine Öffnung 26 durch den Deckel 15, so dass das untere Ende 26 sich in der Schaumschlackenschicht 18 in der Nähe des Metallbads 16 befindet. Elektrische Bögen 28 entstehen dann in der Schaumschlackenschicht 18 zwischen dem unteren ringförmigen Ende 27 der ein Minuspotential aufweisenden Elektrodeneinheit 24 und dem ein Pluspotential aufweisenden Metallbad 16.
Die dargestellte Hohlelektrodeneinheit 24 ist eine sogenannte Söderberg- Elektrodeneinheit. Sie wird durch Einspritzen einer selbsterhärtenden Elektrodenpaste 30 am oberen Ende der Elektrodeneinheit 24 in eine zwischen einem metallischen Außenmantel 34 und einem metallischen Innenmantel 36 ausgebildete ringförmige Kammer 32 hergestellt. Diese Elektrodenpaste 30 erhärtet sich in der ringförmigen Kammer 32 unter Hitzeeinwirkung und es entsteht eine vor Ort gebrannte Graphithohlelektrode 39 mit einem Zentralkanal 38 größeren Durchmessers. Der Verbrauch der Graphitelektrode 39 am unteren Ende 27 wird laufend am oberen Ende ausgeglichen, wobei die Höhe oberhalb des Metallbads 16 angepasst wird. Es sei noch erwähnt, dass der Kanal 38 an seinem oberen Ende durch den metallischen Innenmantel 36 und an seinem unteren Ende von der erhärteten Elektrodenpaste begrenzt wird.
In der dargestellten Anlage werden die Feinanteile oder Granulate 12 von einer Fördereinrichtung 40 in den Zentralkanal 38 der Elektrodeneinheit 24 eingetragen. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Durchgangsrate der in den Zuführungskanal 38 eingetragenen Feinanteile oder Granulate 12 derart eingestellt, dass darin eine ausreichend hohe Materialsäule 42 aufrechterhalten bleibt, so dass deren unteres, aus unter Hitzeeinwirkung zusammengebackenen Feinanteilen oder Granulaten bestehendes Ende 44 in das Metallbad 16 eintauchen kann. Bei fortschreitender Schmelze des unteren Endes 44 rutscht die Materialsäule 42 immer weiter im Zuführungskanal 38 der Elektrodeneinheit. Dieses Hinabrutschen wird auch durch Einsetzen einer Oberflächenschmelze der Materialsäule 42 begünstigt, welche insbesondere durch innerhalb der Materialsäule auftretende Strömungen angestoßen wird.
Die Anlage ist mit einem Fühler 46 zur Ermittlung des oberen Höhe der Materialsäule 42 im Zuführungskanal 38 versehen. Der Fühler 46 ist mit einem Regler 48 zur Regelung der Durchgangsrate in der Fördereinrichtung 40 zur Beibehaltung einer vorgeschriebenen Materialhöhe im Zuführungskanal 38 verbunden. Als besonders günstig erweist sich die Möglichkeit, die im Flüssigbad zu schmelzen beginnende Feinanteile- oder Granulatbeschickungsmenge durch Einstellung der Materialhöhe 42 im Zuführungskanal 38 zu verändern.

Ausführungsbeispiel 1:

Im Falle eines Ofens mit einem Fassungsvermögen von 5 t und einem Baddurchmesser von 2,5 m wird eine Elektrode mit einem einen 30-cm- Durchmesser aufweisenden Zuführungskanal für einen Eintrag von vorreduziertem Erz in Form von Feinanteilen oder Granulaten verwendet, welcher 6 t/h entspricht. Hierbei rutscht die Materialsäule 42 mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/min hinab.

Ausführungsbeispiel 2:

Im Falle eines Ofens mit einem Fassungsvermögen von 50 t und einem Baddurchmesser von 4,5 m wird eine Elektrode mit einem einen 50-cm- Durchmesser aufweisenden Zuführungskanal für einen Eintrag von vorreduziertem Erz in Form von Feinanteilen oder Granulaten verwendet, welcher 60 t/h entspricht. Hierbei rutscht die Materialsäule 42 mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/min hinab.

Claims

1. Verfahren zur Beschickung eines Lichtbogenofens (10) mit Feinanteilen oder Granulaten, bei dem eine Hohlelektrodeneinheit (24) mit einem zentralen Zuführungskanal (38) zur Beschickung mit Feinanteilen oder Granulaten (12) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinanteile oder Granulate (12) derart in den zentralen Zuführungskanal (38) eingetragen werden, dass darin eine Materialsäule (42) aufrechterhalten bleibt, deren Eigengewicht das untere Ende, bestehend aus unter Hitzeeinwirkung zusammengebackenen Feinanteilen oder Granulaten in das Metallbad Eindrückt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Feinanteile oder Granulate (12) überwiegend aus einem vorreduzierten Eisenerz bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuführungskanal (38) eine Materialsäule (42) aufrechterhalten wird, deren Höhe annähernd

hb * (ρflüs/ρtest)

entspricht, wobei

hb = Höhe des Metallbads (16) unterhalb der Elektrodeneinheit (24),

ρflüs = durchschnittliches Raumgewicht der Flüssigphase im Metallbad (16) unterhalb der Elektrodeneinheit (24),

ρfest = durchschnittliches Raumgewicht der Festphase in der Materialsäule (42).

4. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialsäule (42) mit einer Geschwindigkeit von 0,5-5 m/min in der Hohlelektrode (24) hinabrutscht.

5. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchgangsquerschnittes auf der gesamten Länge des besagten Zuführungskanals (38) größer als 100 mm ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchgangsquerschnittes dem 0,25-fachen bis 0,50- fachen des Elektroden-Außendurchmessers entspricht.

7. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlelektrode eine Elektrode aus massivem Graphit mit einem einen vorzugsweise zwischen 150 und 300 mm liegenden Durchmesser des Durchgangsquerschnitts aufweisenden Zuführungskanal ist.

8. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlelektrode vor Ort um den besagten Zuführungskanal (38) gebrannt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennen der Hohlelektroden, folgende Schritte umfasst.

das Einspritzen einer Elektrodenpaste (30) in eine zwischen einem metallischen Außenmantel (34) und einem metallischen Innenmantel (36) ausgebildete ringförmige Kammer (32) sowie das Erstarren der besagten Paste (30) in der besagten ringförmigen Kammer (32) zu einer vor Ort gebrannten Elektrode ringförmigen Querschnitts (39).

10. Verfahren nach Anspruch 13 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem durch die besagte, vor Ort gebrannte Elektrode (30) gebildeten Zuführungskanal der Durchmesser des Durchgangsquerschnitts 300 mm übersteigt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte, vor Ort gebrannte Elektrode elektrische, zum größten Teil in eine Schaumschlackenschicht (18) auf der Oberfläche des Metallbads (16) eingetauchten Lichtbögen erzeugt.