DE69912003T2

DE69912003T2 - Prozessoptimierung eines hochofens

Info

Publication number: DE69912003T2
Application number: DE69912003T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Roth; Marc Solvi
Original assignee: Paul Wurth SA
Current assignee: Paul Wurth SA
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: WO2000038496A2; WO2000038496A3; LU90333B1; EP1154825B1; EP1154825A1; DE69912003D1; ATE251487T1; TW473546B; AU3043200A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessoptimierung eines Hochofens.
Schachtöfen werden seit langem für die Herstellung von Roheisen eingesetzt, und im Laufe der Zeit wurden sie modifiziert und verbessert, um ihre Produktivität zu steigern. Eine Reihe von Werken sind dadurch an die Grenze der Produktionskapazität ihrer Schachtöfen gestoßen, insbesondere weil die Belastungsgrenze der Gebläsemaschinen erreicht ist.
Eine Methode, die Produktivität dennoch zu erhöhen, besteht darin, einen Teil des Eisenerzes als vorreduziertes Eisen (DRI) an der Gicht aufzugeben. Die Nachteile dieser Lösung sind hohe Verarbeitungskosten und die Notwendigkeit, das DRI zu Pellets oder Briketts zu formen.
Eine andere Methode besteht darin, das Hochofengestell als "Smelter" zu verwenden und das feinkörnige DRI mit den Düsen einzublasen. Dabei ist jedoch der durch dieses Einblasen bewirkte zusätzliche Wärmebedarf zu berücksichtigen und es muss darauf geachtet werden, dass der Düsenraum nicht verstopft wird. Auf diese Weise kann dann die Roheisenerzeugung erhöht werden, wobei allerdings die Ofenparameter erheblich modifiziert werden müssen.
In der Druckschrift DE 312 935 C ist das Einschleusen von fein verteiltem vorreduzierten Eisenerz durch die Düsen in das Gestell des Hochofens beschrieben. Zur Trennung der Gangart wird Kalk entweder vorher mit dem vorreduzierten Erz gemischt oder in die Düsen eingeleitet. Schließlich kann dem Heißwind in den Düsen fein gemahlene Kohle zugesetzt werden. Das Einblasen von vorreduziertem Eisenerz mit Kohle durch die Düsen scheint günstig zu sein, um einen Teil der Wärme zu liefern, die zum Schmelzen des vorreduziertes Erzes erforderlich ist. Allerdings äußert sich die Anwendung der in der Druckschrift DE 312 935 C beschriebenen Maßnahmen in einer Verstopfung der Düsenräume und einer Temperatursenkung des schmelzflüssigen Metalls im Hochofengestell.
Die Druckschrift JP-A-62077412 offenbart ein Verfahren zum Einblasen von Pulvern in einem Hochofen. Dabei werden Eisenoxid oder reduziertes Eisen sowie Staubkohle in einen Mischer gefüllt, in dem ein gleichmäßiges Gemisch dieser beiden Pulver hergestellt wird. Das Gemisch wird dann vom Mischer zu einem Verteiler befördert, der das Gemisch zwecks Einleitung in den Hochofen unter den Düsen verteilt.
Die Druckschriften US-A-2 846 300 und EP-A-0 063 924 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Optimierung eines Schachtofens mit Düsen gemäß folgenden Schritten:

a) Herstellen feiner Teilchen aus vorreduziertem Eisen,
b) Mischen dieser feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen mit einem festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel in Pulverform,
c) Einblasen des Gemischs in den Schachtofen durch die Düsen,
d) Einschmelzen der feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen.

Es wäre vorteilhaft, über ein Verfahren zu verfügen, mit dem die Roheisenproduktion eines Schachtofens erhöht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Prozessoptimierung eines Schachtofens vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Prozessoptimierung eines Hochofens mit Düsen gelöst, das folgende Schritte umfasst:

a) Herstellen feiner Teilchen aus vorreduziertem Eisen,
b) Mischen der feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen mit einem festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel, wobei die feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen eine Korngröße kleiner als 2 mm haben und das feste, kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel eine Korngröße kleiner als 200 μm hat,
c) Einblasen der Gemischs in den Hochofen durch die Düsen,
d) Einschmelzen der feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen.

Einer der Vorteile dieses Verfahrens besteht darin, dass das Arbeitsprinzip des Hochofens nicht gestört wird. Außerdem wird durch die Art des durch das vorliegende Verfahren vorgeschlagenen Gemischs die Roheisenproduktion rasch erhöht. Es wird nämlich eine Mischung von Teilchen aus vorreduziertem Eisen und kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel in den Hochofen eingeblasen, wo diese Teilchen reduziert und eingeschmolzen werden und das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel verbraucht wird. Die für das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel und die feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen gewählten Korngrößen ermöglichen es, ein Gemisch einzublasen, das vom Hochofen gut assimiliert wird. Es ist also wesentlich, nicht nur ein Gemisch aus dem vorreduzierten Eisen und dem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel herzustellen, sondern auch die Korngrößen der Gemischkomponenten zu wählen. Das Einblasen eines solchen Gemischs ermöglicht es, einen stabilen Betrieb der Düsen und der den Düsen gegenüberliegenden Koksräume zu gewährleisten. Da das Gemisch ein kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel enthält, kann der mit dem Einblasen verbundene zusätzliche Wärmebedarf durch die Energie gedeckt werden, die bei der Oxidation des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels freigesetzt wird.
Dabei wird vorteilhaft eine intensive Mischung von feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen und festem, kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel eingeblasen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Förderstrecke des Gemischs vor seinem Einblasen in den Hochofen durch die Düsen vorgesehen wird, die mindestens dem 25-fachen, vorzugsweise dem 50-fachen Durchmesser der Gemischausströmöffnung an der Düsennase entspricht. Eine intensive Mischung erleichtert das Einschmelzen des Gemischs im Hochofengestell.
Nach Stabilisierung der Einblasbedingungen kann der Kokssatz der Hochofenbeschickung angepasst werden. Dies ist ein weiterer Aspekt der Optimierung des Hochofens, da man sich das Einfüllen von Koks durch die Gicht ersparen kann.
Bei dem eingesetzten kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel handelt es sich normalerweise um Kohle.
Nach einer ersten Ausführungsart wird ein Gemisch mit 300 bis 600 kg Kohle pro Tonne feiner Teilchen aus vorreduziertem Eisen hergestellt. Bei bis zu 6% zusätzlicher Schmelzmasse, die durch Einschmelzen des vorreduzierten Eisens gewonnen wird, brauchen die Betriebsparameter des Hochofens nicht geändert zu werden. Bei 6 bis 20% zusätzlicher Schmelzmasse werden vorzugsweise zusätzlich etwa 100 m³ reiner Sauerstoff pro Tonne Teilchen aus vorreduziertem Eisen in den Hochofen eingeleitet. Mit dem vorgeschlagenen Gemisch kann somit bei begrenzter Änderung der Betriebsparameter die im Hochofen produzierte Roheisenmenge deutlich erhöht werden. Dabei ist zu beachten, dass das vorliegende Verfahren auf einer beliebigen Produktionsstätte mit einem Schachtofen, wie zum Beispiel einem Hochofen, eingesetzt werden kann. Es ist nicht notwendig, dass die Produktionsstätte einen Vorreduktionsofen besitzt, das Gemisch muss lediglich vor seiner Einleitung in den Heißwind der Düsen hergestellt werden.
Nach einer zweiten Ausführungsart ist vorgesehen, dass das Mischen und das Einblasen der feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen und des festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels warm erfolgen. Da das eingeblasene Gemisch warm ist, ist der mit dem Einblasen verbundene zusätzliche Wärmebedarf gering und kann mit der bei der Oxidation des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels freigesetzten Energie leicht gedeckt werden. Das warm erfolgende Mischen und Einblasen kann dann vorteilhaft durchgeführt werden, wenn ein Vorreduktionsofen, z. B. ein Mehretagenofen in der Nähe des Hochofens gelegen ist.
Vorzugsweise wird die in den Schachtofen eingeleitete Sauerstoffmenge angepasst. Das heißt, dass die in den Ofen eingeleitete Sauerstoffmenge so angepasst wird, dass genügend Sauerstoff für den herkömmlichen Hochofenprozess und für die Oxidation des dem vorreduzierten Eisenerz zugesetzten kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels vorhanden ist. Diese Anpassung, bei der in der Regel die in den Hochofen eingeleitete Sauerstoffmenge erhöht wird, ist von der Menge an eingeblasenem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel, aber auch von seiner Qualität abhängig. Diese zusätzliche Sauerstoffzufuhr kann dadurch erfolgen, dass entweder die Sauerstoffkonzentration im Heißwind erhöht wird oder die Heißwindmenge erhöht wird oder auch dadurch, dass reiner Sauerstoff warm oder kalt direkt an der Düsenebene eingeblasen wird.
Bei dem eingesetzten festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel handelt es sich normalerweise um Kohle. Durch das Mischen mit den Teilchen aus warmem vorreduzierten Eisen wird die Kohle vorteilhaft auf eine Temperatur erwärmt, bei der sie von ihrer flüchtigen Fraktion befreit wird.
Während dieses Mischens kann es nützlich sein, ein sauerstoffhaltiges Gas einzublasen, um die in der Kohle enthaltenen flüchtigen Bestandteile zu verbrennen. Die Wärme, die während der Verbrennung der flüchtigen Kohlebestandteile freigesetzt wird, kann im Schritt a) zur Herstellung feiner Teilchen aus vorreduziertem Eisen oder zur Erwärmung der Mischung von Teilchen aus vorreduziertem Eisen und Kohle genutzt werden.
Durch Einblasen eines warmen Gemischs ist es außerdem möglich, die Parameter des Hochofens zu ändern, um dessen Produktivität weiter zu erhöhen:

– dabei wird der gesamte Verbrennungsstoff, der Sauerstoff, für die Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels zum Einschmelzen der Teilchen aus vorreduziertem Eisen zugeführt,
– die Heißwindtemperatur wird herabgesetzt, um die Flammtemperatur konstant zu halten.

Die Wind-Sauerstoff-Einstellung führt zu einer Senkung des Koksverbrauchs für das "durchfließende" Roheisen, einer Verringerung der Windmenge und einer Anreicherung des Schachtofengases mit CO.
Dabei ist anzumerken, dass durch die Herabsetzung der Windtemperatur und die gleichzeitige Brennwerterhöhung des Gichtgases eine beträchtliche Einsparung an Heizkosten für den Wind und Wartungsarbeiten an den Cowpern realisiert werden kann, Einsparung, die zu der Koks-Einsparung noch hinzukommt. Außerdem wird durch die Verringerung der Windmenge wieder ein Produktivitätssteigerungspotential in Bezug auf die Belastungsgrenze der Gebläsemaschinen geschaffen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsart werden zusätzlich Schlackenbildner während des Schritts a) oder des Schritts b) zugesetzt. Diese Schlackenbildner werden vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Kalk, Kalkstein und Magnesia sowie ihrer Gemische gewählt.
Während des Schritts b) wird vorteilhaft eine ausreichende Kohlemenge eingesetzt, um die Teilchen aus vorreduziertem Eisen im Hochofen fertigzureduzieren und einzuschmelzen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart wird während des Schritts b) ein Kohleüberschuss eingesetzt, der ausreicht, um den Kohlebedarf des Ofens zu decken. Dadurch braucht Kohle nicht separat durch die Düsen eingeblasen zu werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung zweier vorteilhafter Ausführungsarten hervor, die nachstehend zur Erläuterung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung dargestellt werden. Es zeigt:
1 ein Prinzipschaltbild eines Vorreduktionsofens und eines Hochofens.
Bei seinem herkömmlichen Betrieb wird ein Schachtofen, wie z. B. ein Hochofen, von oben durch die Gicht mit Stückerz und Koks versorgt. Heiße Luft und in bestimmten Fällen Kohle werden unten in den Hochofen eingeblasen. Die eingeblasene Luft verbrennt einen Teil des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, um die erforderliche Wärme für die chemischen Reaktionen und das Schmelzen des Eisens im unteren Teil des Hochofens zu erzeugen, während der restliche kohlenstoffhaltige Brennstoff sowie ein Teil der Gase die Eisenoxide reduzieren. Im unteren Teil des Hochofens, dem Gestell, befinden sich das schmelzflüssige Roheisen und die Schlacke.
Über unmittelbar über dem Gestell angeordnete Düsen wird Luft in den Hochofen eingeblasen. Diese Luft ist vorher in "Cowpern", die den sog. "Heißwind" liefern, erhitzt worden. Cowper sind Regeneratoren aus feuerfesten Steinen, welche in einem mit einem Dom abgedeckten, runden Metallmantel angeordnet sind. Bevor die Luft in die Cowper eingeleitet wird, werden die feuerfesten Stoffe erwärmt, indem Hochofengase und ein Reichgas (zum Beispiel Erdgas) dort verbrannt werden.
Ein ordnungsgemäß betriebener Hochofen geht an die Grenzen seiner Produktivität. Er nutzt die maximale Windmenge für seine Gebläsemaschinen, wobei dieser Wind zur Minimierung des Koksverbrauchs auf die in den Cowpern maximal erreichbare Temperatur erhitzt wird, nämlich auf 1200 bis 1300°C. Als Gegenleistung muss eine kostenintensive Wartung der Cowper in Kauf genommen werden, die mit ihrem Feuerfestmaterial und Metallgerüst an den Grenzen der vom Stand der Technik zugelassenen Beanspruchungen liegen. Langfristig gesehen wird das Feuerfestmaterial durch die hochtemperaturigen Wärmezyklen zerstört und das Metallgerüst von Risskorrosion angegriffen. Schließlich muss zusätzlich zum Hochofengas ein Reichgas verwendet werden, um die notwendige Flammtemperatur zu erreichen.
Im vorliegenden Fall wird zur Prozessoptimierung des Hochofens und zur Erhöhung seiner Produktivität eine Mischung von feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen und Kohle durch die Düsen eingeblasen. Die feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen haben eine Korngröße kleiner als 2 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm, falls große Menge eingeblasen werden sollen. Bei dem festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel, der Kohle, handelt es sich vorzugsweise um "pulverisierte" Kohle mit einer Korngröße kleiner als 200 μm und einem mittleren Durchmesser kleiner als 100 μm.
Das Gemisch wird somit vorteilhaft oberhalb der Düse hergestellt und über eine Leitung zur Düsennase befördert, wo es durch eine Einblasöffnung in den Heißwind eingeleitet wird.
Dabei sollte auch darauf geachtet werden, dass eine intensive Mischung der Teilchen aus vorreduziertem Eisen und der Kohle eingeblasen wird, was eine stabile Arbeitsweise der Düsen und der den Düsen gegenüberliegenden Koksräumen ermöglicht. Dies wird dadurch gewährleistet, dass das Gemisch oberhalb des Einblasrohrs hergestellt und eine Förderstrecke für das Gemisch eingehalten wird, die mindestens dem 25-fachen (vorzugsweise 50-fachen) Durchmesser der Gemischausströmöffnung in den Heißwind an der Düsennase entspricht.
Bei unkontrolliertem Einblasen des vorreduzierten Erzes und der Kohle besteht die Gefahr, dass sich die Düsen verstopfen und/oder die Temperatur des Flüssigmetallbades im Hochofengestell absinkt. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung empfohlenen Einblasbedingungen sollten demnach für die verschiedenen, nachstehend dargestellten Ausführungsarten, nämlich das Einblasen des Gemischs auf kaltem und warmem Wege, vorteilhaft berücksichtigt werden.
1. Einblasen des Gemischs auf kaltem Wege
Eine erste Ausführungsart des vorliegenden Verfahrens schlägt das Mischen und Einblasen des Gemischs auf kaltem Wege vor. Das heißt, dass der Hochofen nicht mit einem Vorreduktionsreaktor gekoppelt ist.
Beim Einblasen des Gemischs auf kaltem Wege wird beispielhaft ein Hochofen mit folgenden Betriebsdaten eingesetzt:

– Kokssatz 270 kg/t_Roheisen
– Einblasen durch die Düsen von Fettkohle 200 kg/t_Roheisen
– Wind 1200°C, mit 25,6% Sauerstoff angereichert, was bei 850 m³ Wind/t_Roheisen einem Verbrauch von reinem Sauerstoff von 54 m³ O₂/t_Roheisen entspricht.

Das eingeblasene, vorreduzierte Eisenerz besitzt die Eigenschaften eines Eisenerzes in Handelsgüte, d. h. 5 bis 8% Gangart, Metallisierung 90 bis 95% und 0 bis 2% Kohlenstoff.
Unter diesen Bedingungen ergibt 1 Tonne vorreduziertes Eisenerz 0,9 bis 0,95 Tonne Roheisen.
Ein Arbeitsvorgang zum Einblasen eines Gemischs aus vorreduziertem Eisenerz und Kohle, der es dem Hochofen ermöglicht, dieses eingeblasene Gemisch bei minimaler Modifizierung der Grundparameter aufzunehmen, ist der folgende:
Pro Tonne eingeblasenes Eisenerz 300 kg Kohle vorsehen (sogar bis zu 600 kg je nach verwendeter Erz- und Kohlequalität) und dabei die Heißwindmenge und -temperatur weitgehend beibehalten. Nach erfolgter Einstellung der Einblasbedingungen den Kokssatz anpassen, indem die Menge Kohle, die mit dem DRI eingeblasen wird, um etwa 60% reduziert wird (Beispiel: bläst man eine Menge vorreduziertes Eisenerz ein, die 10% zusätzliches Roheisen ergibt, kann der Kokssatz mit der durchfließenden Beschickung um (300 × 10 × 0,60)/100 = 18 kg Koks/t_{durchfließendes Roheisen} verringert werden.
Ab 6% zusätzlicher Schmelze und bis zu 20% zusätzlicher Schmelze, die aus vorreduziertem Eisenerz gewonnen wird, werden zum Halten der Flammtemperatur, oberhalb der 6% zusätzliche Schmelze ergebenden Menge, durch die Düsen etwa 100 m³ reiner Sauerstoff pro Tonne Eisenerz zugegeben. Dadurch wird der Heißwind angereichert:

– bei 6% zusätzlicher Schmelze wird kein Sauerstoff zugegeben, d. h. die Sauerstoffkonzentration beträgt 25,6%,
– bei 12% zusätzlicher Schmelze werden 12 m³ reiner Sauerstoff/t_{durchfließendes} _Roheisen zugegeben, d. h. die Sauerstoffkonzentration beträgt 26.6%;
– bei 18% zusätzlicher Schmelze werden 25 m³ reiner Sauerstoff/t_{durchfließendes} _Roheisen zugegeben, d. h. 27,6% O₂.

2. Einblasen des Gemischs auf warmem Wege
Bei der zweiten Ausführungsart wird ein Gemisch aus warmem vorreduzierten Eisenerz und Kohle unmittelbar nach dem Austritt aus dem Vorreduktionsofen durch die Düsen des Hochofens in das Hochofengestell eingeblasen. Die Kopplung eines Hochofens mit einem Vorreduktionsofen, wie zum Beispiel einem Etagenofen, ist deshalb besonders interessant, weil dadurch der Betrieb beider Reaktoren verbessert werden kann.
Es wird hier ein herkömmlicher Etagenofen eingesetzt, so wie er zum Beispiel im Patent US-2,089,782 beschrieben ist, in welchem das Eisenerz mit einem festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel reduziert wird. Es handelt sich um einen Ofen mit mehreren Ofenherden, wobei die Ofenherde ringförmig ausgebildet und vertikal voneinander beanbstandet sind. Die Herde zum Laden und Entladen sind abwechselnd angeordnet. Erstere besitzen einen offenen, runden, mittleren Bereich, während letztere eine Reihe von beabstandeten Öffnungen längs des Herdumfangs besitzen. Der Ofen weist in seinem mittleren Bereich außerdem eine vertikale Rotationswelle auf, an der Rührarme befestigt sind, die sich über den gesamten Radius der Ofenherde erstrecken. Das Eisenerz wird über den oberen Teil des Ofens eingefüllt und fällt auf den ersten Ladeherd. Die von der vertikalen Rotationswelle angetriebenen Rührarme verteilen das Eisenerz und führen es zur zentralen Öffnung zurück, durch die es auf den darunter liegenden Entladeherd fällt. Die Rührarme führen danach das Eisenerz zu den umfangsseitigen Öffnungen, durch die es auf den darunter liegenden Ladeherd fällt. Diese Schritte wiederholen sich so lange, bis das Eisenerz die unterste Etage erreicht. Das Erz wird abgezogen und man spricht dann von vorreduziertem Eisenerz. Das Reduktionsmaterial, die Kohle, kann im Bereich der ersten Ladeherdes, aber auch darunter eingeschleust werden. Während das Eisenerz im Ofen nach unten wandert, steigen die durch die Reduktionsvorgänge erzeugten Gase nach oben auf: es handelt sich hier um einen Gegenstromreaktor. Die Reduktionsgase werden durch Einblasen von Luft oder Sauerstoff im oberen Teil des Ofens verbrannt. Die hohen Temperaturen, die im Innern des Ofens herrschen, werden mit zusätzlicher Energie wie z. B. Erdgas erreicht. Die Rührarme ermöglichen durch ihr ständiges Rühren eine intensive Mischung des Eisenerzes und der Kohle. Dabei sind die Winkel und die Geschwindigkeit der Arme so berechnet, dass das Erz weder zerdrückt noch zusammengeballt wird.
Selbstverständlich kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder beliebige Reaktor eingesetzt werden, der geeignet ist, aus Eisenerz vorreduziertes Eisen herzustellen.
In 1 ist der Ablauf des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung anhand eines Prinzipschemas dargestellt.
Oben an einem Etagenofen 10 wird Eisenerz in Form von Staub eingefüllt. Der Pfeil 12 verdeutlicht die stufenweise erfolgende Reduktion des Eisenerzes, das die Etagen des Etagenofens 10 nach unten durchwandert. Der Pfeil 13 symbolisiert die aufsteigenden Reduktionsgase. Feine Körnungen des Eisenerzes und der Kohle ermöglichen gute Wärmeaustausche und begünstigen die chemischen Reaktionen. Dabei ist zu beachten, dass die Reduktionskohle auf dem oberen Ofenherd oder in einem tiefer liegenden Teil des Etagenofens 10 eingebracht werden kann. In den Etagenofen werden vorzugsweise auch bindungsfördernde Mittel und Schlackenbildner eingeblasen, die aus der Gruppe bestehend aus Kalk, Kalkstein und Magnesia sowie ihrer Gemische gewählt werden. Diese Mittel werden gleichzeitig mit dem Eisenerz oder an den unteren Ofenherden in geeigneten Proportionen eingeblasen, um eine Schlacke mit der beim Hochofen angestrebten Basizität zu erhalten.
Am Ende der Vorreduktion hat das Eisenerz eine Temperatur von etwa 1000°C. Es wird ihm dann eine zu seinem Schmelzen im Hochofen erforderliche Kohlemenge zugesetzt. Das Mischen von Schmelzkohle und vorreduziertem Eisenerz kann entweder in der letzten Zone des Etagenofens 10 oder in einem separaten Gebäude erfolgen. In beiden Fällen bewirkt das Mischen einen Temperaturanstieg der Kohle, deren flüchtige Bestandteile in die Gasphase übergehen; die Temperatur des Gemischs beträgt dabei etwa 500°C. Durch Zugabe von Luft oder Sauerstoff ist es möglich, einen Teil dieser flüchtigen Bestandteile zu verbrennen, die Temperatur des Gemischs dadurch auf 600°C zu erhöhen und die Entflüchtigung der Kohle zu vervollständigen. Der Rest der flüchtigen Gase wird dem Etagenofen 10 zugeführt und dort verbrannt, wodurch eine partielle Einsparung der zusätzlichen Energie realisiert wird. Zu beachten ist weiters, dass dadurch, dass das Eisenerz und seine Schmelzkohle in der letzten Zone des Etagenofens 10 oder in einem separaten Gebäude gemischt werden, die flüchtigen Bestandteile der Kohle im Vorreduktionsreaktor genutzt werden können, während man sie in einem Hochofen nicht gut zu nutzen weiß.
Beim nächsten Schritt wird das entgaste Gemisch in einen Hochofen 14 übergeleitet, was pneumatisch erfolgen kann. Das Gemisch wird dann durch die Düsen in das Gestell des Hochofens 14 eingeblasen. Letzterer wird seinerseits in herkömmlicher Weise mit Stückerz und Koks versorgt. Der Weg des Stückerzes durch den Hochofen ist durch den Pfeil 16 dargestellt, der Pfeil 18 symbolisiert den Weg der Hochofengase, die durch die Gicht entweichen. Die Cowper, die Heißwind erzeugen, sind mit dem Referenzzeichen 20 bezeichnet.
Beim Schmelzprozess des Schachtofens wird letzten Endes Roheisen aus dem Einschmelzen des Stückerzes sowie Roheisen aus dem Einschmelzen des Feinerzes gewonnen.
Um das Einblasen des Gemischs zur Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Effizienz des Hochofens zu nutzen, müssen einige Einstellungen vorgenommen werden. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Veränderungen der Betriebsparameter des Hochofens bei optimiertem Einblasen von vorreduziertem Feinerz (85% Metallisierung), bei dem 10% zusätzliches Roheisen erzeugt werden.
Für 250 t/h durchfließendes Roheisen beträgt die gewünschte Mehrproduktion 25 t/h, d. h. eine Gesamtproduktion von 275 t/h Roheisen. Dazu werden durch die Düsen 29 t/h vorreduziertes Feinerz gemischt mit 12 t/h magere Schmelzkohle eingeblasen. Die Temperatur des in den Düsen enthaltenen Gemischs liegt zwischen 400 und 600°C. Die Parameter des Schachtofens wurden geändert:

– dabei wird der gesamte Verbrennungsstoff, der Sauerstoff, für die Verbrennung der Kohle zum Einschmelzen des vorreduzierten Feinerzes eingebracht,
– die Heißwindtemperatur wird herabgesetzt, um die Flammtemperatur konstant zu halten.

Die in den Ofen eingebrachte Sauerstoffmenge wird also so angepasst, dass genügend Sauerstoff für den herkömmlichen Hochofenprozess und für die Oxidation des dem vorreduzierten Eisenerz zugesetzten kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels vorhanden ist. In diesem Beispiel besteht die Anpassung der Sauerstoffmenge in einer 2,7%igen Erhöhung der Sauerstoffkonzentration im Heißwind. Alternativ könnte auch die Heißwindmenge erhöht oder auch warmer oder kalter Sauerstoff direkt durch die Düsen eingeblasen werden. 2,7% zusätzlicher Sauerstoff entsprechen 12 t/h eingespritzte Magerkohle. Dieser Anteil variiert natürlich in Abhängigkeit von der Menge und der Qualität des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels.
Die Wind-Sauerstoff-Einstellung führt zu einer Senkung des Koksverbrauchs für das "durchfließende" Roheisen, einer Verringerung der Windmenge und einer Anreicherung des Schachtofengases mit CO.
Dabei ist zu beachten, dass durch die Absenkung der Windtemperatur und die gleichzeitige Brennwerterhöhung des Schachtofengases eine beträchtliche Einsparung an Heizkosten für den Wind und Wartungsarbeiten an den Cowpern realisiert werden kann, Einsparung, die zu der Koks-Einsparung noch hinzukommt. Außerdem wird durch die Verringerung der Windmenge wieder ein Produktivitätssteigerungspotential in Bezug auf die Belastungsgrenze der Gebläsemaschinen geschaffen.
Mit dem vorliegenden Verfahren ist es somit möglich, die Gesamtproduktion des Hochofens zu erhöhen. Aufgrund seines Gegenstrombetriebs ist der Etagenofen deswegen besonders interessant bei diesem Verfahren, weil er eine bessere energetische Nutzung der flüchtigen Kohlebestandteile ermöglicht.
3. Anmerkungen
Wie weiter oben erwähnt, wird beim herkömmlichen Einsatz des Hochofens eine bestimmte zusätzliche Menge Kohle durch die Düsen eingeblasen. Diese zusätzliche Kohle kann separat eingeblasen werden, sie kann aber auch gleichzeitig mit der Schmelzkohle dem vorreduzierten Eisenerz beigemischt werden. Weiterhin ist es möglich, einen Teil der Schmelzkohle und/oder die zusätzliche Kohle gleichzeitig mit der Reduktionskohle in den Etagenofen einzublasen, was die Reduktionsreaktionen keineswegs beeinträchtigt.
Es ist anzumerken, dass die Mischung, die hier eingeblasen wird (vorreduziertes Eisenerz, Schmelzkohle, bindungsfördernde Mittel) eine sehr interessante Eigenschaft besitzt: sie ist selbstschmelzend. Sie enthält nämlich das Reduktionsmittel, den Brennstoff und den Schmelzzuschlag, die für ihr Schmelzen im Hochofengestell erforderlich sind.
Es ist abschließend anzumerken, dass der Hochofen dann, wenn man kein vorreduziertes Eisenerz mehr hat, zum Beispiel nach einer Panne des Vorreduktionsofens, wieder schnell in die herkömmliche Betriebsart umgeschaltet werden kann.

Claims

Verfahren zur Prozessoptimierung eines Hochofens mit Düsen, umfassend folgende Schritte: a) Herstellen feiner Teilchen aus vorreduziertem Eisen, b) Mischen der feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen mit einem festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel, wobei die feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen eine Korngröße kleiner als 2 mm haben und das feste, kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel eine Korngröße kleiner als 200 μm hat, c) Einblasen der Gemischs in den Hochofen durch die Düsen d) Einschmelzen der feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine intensive Mischung von feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen und festem, kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderstrecke des Gemischs vor seinem Einblasen in den Hochofen durch die Düsen mindestens dem 25-fachen, vorzugsweise dem 50-fachen Durchmesser der Gemischausströmöffnung an der Düsennase entspricht.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kokssatz der Hochofenbeschickung nach Einstellung der Einblasbedingungen angepasst wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feste, kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel Kohle ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch mit 300 bis 600 kg Kohle pro Tonne feiner Teilchen aus vorreduziertem Eisen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei 6 bis 20% zusätzlicher Schmelzmasse, die durch Einschmelzen der Teilchen aus vorreduziertem Eisen gewonnen wird, zusätzlich etwa 100 m³ reiner Sauerstoff pro Tonne Teilchen aus vorreduziertem Eisen in den Hochofen eingeleitet werden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen und das Einblasen der feinen Teilchen aus vorreduziertem Eisen und des festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels warm erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Hochofen eingeleitete Sauerstoffmenge angepasst wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Schritt b) auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das feste, kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel von seiner flüchtigen Fraktion befreit wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Mischens des festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels und des warmen, vorreduzierten Eisens ein sauerstoffhaltiges Gas eingeblasen wird, um die flüchtigen Bestandteile des festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels zu verbrennen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme, die während der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile des festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels freigesetzt wird, im Schritt a) zur Herstellung feiner Teilchen aus vorreduziertem Eisen genutzt wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Schlackenbildner während des Schritts a) oder des Schritts b) zugesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlackenbildner aus der Gruppe bestehend aus Kalk, Kalkstein und Magnesia sowie ihrer Gemische gewählt werden.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts b) eine ausreichende Menge an festem, kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel eingesetzt wird, um die Teilchen aus vorreduzierten Eisen fertigzureduzieren und einzuschmelzen.
Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts b) ein Überschuss an festem, kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschuss an festem, kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel ausreichend ist, um den Bedarf an festem, kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel des Hochofens zu decken.