EP2922977B1

EP2922977B1 - Blasverfahren und vorrichtung zur stahlherstellung unter nutzung von strahlen von heissluft

Info

Publication number: EP2922977B1
Application number: EP13799236.8A
Authority: EP
Inventors: Karl Brotzmann
Original assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: IN2015DN03809A; US20150292050A1; EP2922977A1; WO2014079907A1; CN105008553A; KR20150086363A

Description

Gebiet der Technik

Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren zur Stahlherstellung durch Frischen unter Nutzung von Strahlen von Heißluft in dafür geeigneten Konvertern.

Stand der Technik

Stahl kann bekanntlich aus unterschiedlichen Edukten hergestellt werden unter Anwendung unterschiedlicher Verfahren.
Bei den sogenannten Blasverfahren wird eine Roheisenschmelze mittels gasförmigem Sauerstoff oder Luft als frischendem Agens gefrischt. Dabei wird Wärme frei, die die Temperatur der Schmelze über ihrem Erstarrungspunkt hält., Es sind dem Fachmann mehrere unterschiedliche Blasverfahren bekannt, je nachdem, wie das frischende Agens in beziehungsweise auf die Roheisenschmelze zugeführt wird - beispielsweise Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren sowie Verfahren, bei denen sowohl aufgeblasen als auch bodengeblasen wird - genannt beispielsweise kombiniert blasende Verfahren. Die Roheisenschmelze kann dabei beispielsweise aus Roheisen und Schrott und/oder anderen festen Eisenträgern bestehen beziehungsweise gewonnen werden. Wärme zum Aufschmelzen fester Edukte wird meist in erster Linie durch die von Sauerstoff hervorgerufenen Oxidationsprozesse in der Schmelze geliefert.
Unter einem Konverter wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Gefäß zur Durchführung eines Blasverfahrens verstanden.
Neben Blasverfahren gibt es auch Herdfrischverfahren, bei denen nicht wie in Blasverfahren durch Zufuhr von Luft oder gasförmigem Sauerstoff als frischendem Agens gefrischt wird. Agens zur Oxidation von Begleitelementen in einer Roheisenschmelze wird aus zugesetztem Schrott und Erz geliefert wird. Mit der Bezeichnung Konverter sind im Rahmen dieser Anmeldung keine Gefäße zur Durchführung von Herdfrischverfahren gemeint; für derartige Gefäße existiert beispielsweise die Bezeichnung Herdofen.
Bei Elektrostahlverfahren wird ein Großteil der Wärme, die zum Schmelzen von festen Edukten erforderlich ist, mittels Lichtbogen oder Induktion eingebracht. Mit der Bezeichnung Konverter sind im Rahmen dieser Anmeldung keine Gefäße zur Durchführung von Elektrostahlverfahren gemeint; für derartige Gefäße existiert beispielsweise die Bezeichnung Elektroofen beziehrungsweise Elektrolichtbogenofen.
Bekanntlich kann bei einem bodenblasenden Konverter zusätzlich Energie in den Frischprozess eingebracht werden, wenn die Reaktionsgase - beispielsweise Kohlenmonoxid CO - durch auf das Bad gerichtete Heißluftstrahlen nachverbrannt werden. Der Schrottsatz kann damit von circa 230 kg/t Stahl auf 430 kg/t Stahl erhöht. Die bestehende Theorie geht davon aus, dass durch die Wirkung der Bodendüsen eine Vielzahl von Eisentröpfchen in den Gasraum oberhalb der Schmelze geschleudert wird, die dann die erforderliche Oberfläche für die Übertragung der hohen Energiemenge bilden. Diese Theorie besagt, dass durch die Bildung von kleinen Eisentröpfchen, die einen Durchmesser von etwa 0,1 mm aufweisen, die Oberfläche des Eisenbades um ungefähr einen Faktor 10 vergrößert wird und dadurch die beträchtliche Energie aus dem heißen Aufblasstrahl und der Nachverbrennung an das Eisenbad übertragen wird.
Diese Auffassung bezüglich Tröpfchen wird auch dadurch bestätigt, dass beim Aufblasen von Sauerstoff in einem üblichen Konverter ohne Bodendüsen, also ohne die Bildung von Eisentröpfchen durch das Bodenblasen, die Abgase nur um ca. 18% nachverbrannt werden, während beim sogenannten kombinierten Blasen, bei dem ein Teil des Sauerstoffes durch Bodendüsen eingeblasen wird, die Prozessgase zu ungefähr 25% verbrannt werden und die dabei gewonnene Energie an das Eisenbad übertragen wird. Es wurde wohl aufgrund solcher Erfahrungenbisher nicht in Erwägung gezogen, sich eine Nachverbrennung der Reaktionsgase und dadurch eine Erhöhung des Schrottsatzes in einem Sauerstoffaufblaskonverter, das heißt einen Konverter ohne Sauerstoffbodendüsen, vorzustellen.
Leider führt Nachverbrennung von Reaktionsgasen in Konvertern mittels Strahlen von Heißluft oft zu erheblichem Austrag von Eisen- und Schlackentröpfchen.
Bei Konvertern, bei denen auch Bodenblasen durchgeführt wird, ist eine bestimmte Bodenblasrate notwendig. Durch eine solche Bodenblasrate wird die Entstehung von Eisen- und Schlackentröpfchen gefördert, welche eine große Oberfläche zur Energieübertragung von der Nachverbrennung auf die Eisenschmelze bereitstellen. Abschätzungen ergeben, dass für eine hohe Energieübertragung auf die Eisenschmelze - auch Eisenbad genannt - eine etwa zehn- bis zwanzigfache Vergrößerung gegenüber einer ruhenden Flüssigkeitsoberfläche im Konverter stattfindet. Die Eisen- und Schlackentröpfchen werden jedoch leicht durch die Konvertermündung aus dem Konverter ausgetragen. Besonders bei Verwendung von Heißluftstrahlen zur Nachverbrennung im Konverter findet bedingt durch das große Gasvolumen und den hohen Impuls Austrag von Tröpfchen in großem Ausmaß statt. Die vorliegende Erfindung geht von der überraschenden Erkenntnis aus, dass in einem Konverter zum Sauerstoffaufblasen, also Blasen ohne Bodendüsen, durchaus Reaktionen ablaufen können, durch die die Übertragung von Energie an das Eisenbad aus der Nachverbrennung von Reaktionsgasen durch Heißluftstrahlen erklärt werden kann.
Es könnten sich dabei folgende Vorgänge abspielen. Es bestehen bekanntlich große Unterschiede zwischen dem Verhalten eines Sauerstoffstrahles und eines Heißluftstrahls beim Aufblasen auf ein Eisenbad. Ein Heißluftstrahl hat, bei gleicher Sauerstoffmenge, etwa den 10-fachen Impuls. Dies wirkt sich besonders beim Auftreffen des Heißluftstrahles auf die Badoberfläche aus. Dabei wird flüssiges Eisen zersprüht und über die Tröpfchen wird Energie auf das Bad übertragen. Damit wird auch bei einem Aufblaskonverter eine hohe Energieübertragung durch den Heißluftstrahl vorstellbar.
Allerdings ist auch dabei darauf zu achten, dass der Austrag von Tröpfchen aus der Konvertermündung nicht zu stark wird.
Insgesamt besteht also bei Nachverbrennung von Reaktionsgasen mittels Heißluft bei Blasverfahren in Konvertern das Problem, dass der Austrag von Tröpfchen eine praktische wirtschaftliche Durchführung deutlich erschwert.

Zusammenfassung der Erfindung

Technische Aufgabe

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzustellen, durch dass der Austrag von Tröpfchen bei Nachverbrennung von Reaktionsgasen mittels Heißluft bei Blasverfahren in Konvertern auf ein akzeptables Ausmaß beschränkt wird. Es wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgestellt.

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein
Blasverfahren zur Stahlherstellung in Konvertern aus einer Roheisenschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Strahl von Heißluft in den Konverterraum über der Roheisenschmelze aus zumindest einer Düse zumindest einer Eindüsvorrichtung auf die Roheisenschmelze eingedüst wird,
wobei für die als Strahl austretende Heißluft eine Druckdifferenz von 0,05 - 0,1 MPa zwischen Eintritt in die Düse und Austritt aus der Düse besteht.
Um den Effekt der Wärmeübertragung an die Roheisenschmelze - aus der im Verlauf des Frischens ein Stahlbad wird - zu gewährleisten und das Austragen der Tröpfchen aus dem Konverter zu verhindern, wird die Heißluft unter bestimmten Bedingungen auf das rohe Eisenbad geblasen. Erfindungsgemäß ergeben sich gute Bedingungen, wenn für die als Strahl austretende Heißluft eine Druckdifferenz von 0,05 - 0,1 MPa zwischen Eintritt in die Düse und Austritt aus der Düse besteht. Dabei soll der Druck bei Eintritt in die Düse höher sein als beim Austritt. Wenn beispielsweise am Austritt der Düse Atmosphärendruck herrscht - beispielsweise im Konverterraum über der Roheisenschmelze -, dann soll die zur Düse gelieferte Heißluft beim Eintritt in die Düse einen Druck haben, der 0,05 bis 1 MPa höher liegt. Unter Düse ist ein Bauteil zu verstehen, das aus der zur Düse gelieferten Heißluft einen Strahl macht; das erfolgt durch eine Verengung des von der Heißluft durchströmten Kanals. Beispielsweise kann es sich um eine Venturidüse handeln.
Durch den Strahl von Heißluft wird auch gefrischt.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme bezüglich Druck werden Bedingungen geschaffen, die einen Austrag von Tröpfchen deutlich reduzieren.
Nach einer bevorzugten Variante [handelt es sich um ein
Blasverfahren zur Stahlherstellung in Konvertern aus einer Roheisenschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
mehrere Strahlen von Heißluft in den Konverterraum über der Roheisenschmelze aus mehreren Düsen zumindest einer Eindüsvorrichtung auf die Roheisenschmelze eingedüst werden,
wobei für die als Strahlen austretende Heißluft eine Druckdifferenz von 0,05 - 0,1 MPa zwischen Eintritt in die Düsen und Austritt aus den Düsen besteht.
Wenn mehrere Strahlen vorhanden sind, wird die Bildung von Tröpfchen durch die Strahlen über einen größeren Bereich verteilt, was die Abscheidung der Tröpfchen vor und damit die Unterbindung ihres Verlassens des Konverters erleichtert.
Bei üblichen Konvertergrößen ist es ratsam, die Heißluft in mehreren Strahlen einzudüsen.
Die mehreren Strahlen von Heißluft sind so anzuordnen, dass sie nicht durch gegenseitige Ansaugung ineinanderfließen, bevor sie die Roheisenschmelze erreichen.
Es kann beispielsweise mittels einer Lanze als Eindüsvorrichtung eingedüst werden, die eine oder mehrere Düsenöffnungen aufweist, aus der ein oder mehrere Strahlen austreten. Es können aber auch aus einer oder mehreren Seitendüsen in der Konvertermündung als Eindüsvorrichtungen ein oder mehrere Strahlen von Heißluft eingedüst werden. Oder mehrere Strahlen sowohl aus Lanze als auch Seitendüse.
Nach einer weiteren bevorzugten Variante handelt es sich um ein
Blasverfahren zur Stahlherstellung in Konvertern aus einer Roheisenschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
mehrere Strahlen von Heißluft in den Konverterraum über der Roheisenschmelze aus mehreren Düsen zumindest einer Eindüsvorrichtung auf die Roheisenschmelze eingedüst werden,
wobei für die als Strahlen austretende Heißluft eine Druckdifferenz von 0,05 - 0,1 MPa zwischen Eintritt in die Düsen und Austritt aus den Düsen besteht,
und wobei die Strahlen vom Verlassen der Eindüsvorrichtung bis zum Auftreffen auf die Roheisenschmelze eine Lauflänge zurücklegen, wobei die Strahlen beim Verlassen der Eindüsvorrichtung voneinander einen Abstand von zumindest dem 0,03 - 0,05- fachen der Lauflänge haben.
Der maximal realisierbare Abstand ist durch die Randbedingungen, unter denen das Verfahren durchgeführt wird, gegeben. Wird beispielsweise mittels einer Lanze als Eindüsvorrichtung eingedüst, dann sind die Dimensionen der Lanze begrenzend für den maximal realisierbaren Abstand.
Um den Effekt der Wärmeübertragung an die Roheisenschmelze - aus der im Verlauf des Frischens ein Stahlbad wird - zu gewährleisten und das Austragen der Tröpfchen aus dem Konverter zu verhindern beziehungsweise zu vermindern, wird die Heißluft also erfindungsgemäß unter bestimmten Bedingungen auf das rohe Eisenbad geblasen. Erfindungsgemäß ergeben sich optimale Bedingungen, wenn der Durchmesser für die Düsen der Eindüsvorrichtung - und damit der Durchmesser der Strahlen von Heißluft - bei den erfindungsgemäßen Druckbedingungen das 0,03- bis 0,05-fache der Lauflänge des Strahlen, also der Entfernung zwischen Düsenöffnung und Badoberfläche in Richtung der Bewegung des Strahles gemessen, beträgt.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Eine mögliche Erklärung für die durch erfindungsgemäße Maßnahmen erzielbaren positiven Effekte könnte durch folgende Überlegungen gegeben werden. Durch die im Vergleich zum Sauerstoffaufblasverfahren bei gleicher eingebrachter Sauerstoffmenge wesentlich höhere Gasmenge, welche auch mit einem höheren Impuls eingebracht werden kann, und der dadurch bedingten höheren Strömungsgeschwindigkeit der Abgase kann ein Austrag von Tröpfchen verhindert werden, wenn durch die Strömung im Gasraum Bedingungen geschaffen werden, die zu einer weitgehenden Abscheidung der Tröpfchen im Konverter führen.
Ein Strahl von Heißluft muss also so auf die Badoberfläche geblasen werden, dass eine Umlenkung der Strömung in Richtung Konverterwand erfolgt, wobei die Tröpfchen mitgerissen und bei der Umlenkung der Strömung an der Konverterwand durch die Zentrifugalkraft abgeschieden werden. Der Strahl soll nicht zu tief in das Bad von roher Eisenschmelze eindringen, weil sonst eine Rückströmung im Bad erfolgt, die stärker nach oben gerichtet ist und dadurch Eisentröpfchen mit der Strömung durch die Konvertermündung ausgetragen werden, also nicht genügend durch eine Umlenkung der Strömung an der Konverterwand abgeschieden werden.
Wenn der Strahl zu tief in die Roheisenschmelze eindringt, zerstäubt dabei mehr Eisen und die Rückströmung der heißen Gase wird ungünstig beeinflusst, indem die Gase beim Verlassen der vom Strahl der Heißluft in der Roheisenschmelze geschaffenen Eindellung eine nach oben gerichtete Strahlkomponente erhalten.
Wenn der Strahl die Tröpfchen parallel zur Oberfläche der Roheisenschmelze nicht hoch genug beschleunigt, um sie bei Änderung der Strömungsrichtung an der Seitenwand des Konverters weitgehend abzuscheiden, verbleibt noch ein Teil der Tröpfchen in der Gasströmung und wird mit dem heißen Gas ausgetragen.
Die Temperatur der Heißluft beträgt 800°C bis 1600°C. Unter Heißluft ist also 800 - 1600°C heiße Luft zu verstehen im Rahmen dieser Anmeldung; gegebenenfalls auf einen erhöhten Sauerstoffgehalt angereichert wie in der Folge angegeben. Für praktische Anwendungen ist ein Temperaturbereich von 800°C bis 1400°C vorteilhaft, besonders vorteilhaft ist ein Temperaturbereich von 1000°C bis 1400°C. Dieser Temperaturbereich ist technisch gut zu beherrschen und bringt einen hohen thermischen Wirkungsgrad.
Hohe Heißlufttemperatur bringt Vorteile:

Da der Wärmeinhalt der Heißluft mit hohem Wirkungsgrad genutzt wird, führt eine hohe Heißlufttemperatur auch zu einem entsprechend höheren Energieeinbringen.
Die Schallgeschwindigkeit der Luft hängt stark von der Temperatur ab. Sie beträgt bei 1200°C circa 900 m/s. Deshalb ist schon bei einem geringen Überdruck von 0,6 bar eine Strömungsgeschwindigkeit von 600 m/sec in der Düsenöffnung zu erzielen, was das angestrebte Strömungsprofil begünstigt.

Die Strahlen sollen als einzelne Strahlen auf das Bad der Roheisenschmelze treffen, und sich nicht vorher vereinigen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform gibt es zumindest 3 Strahlen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlen voneinander weg gerichtet, wobei die Richtungen der Strahlen miteinander einen Winkel von mindestens 6° einschließen.
Die Strahlen sind beim Verlassen der Eindüsvorrichtung gerichtet, das heißt, sie weisen eine durch einen Vektor darstellbare Hauptbewegungsrichtung auf. Der Winkel besteht zwischen diesen Vektoren zweier Strahlen.
Dadurch, dass die Strahlen voneinander weg gerichtet sind, wird vermieden, dass sie ineinanderfließen bevor sie die Roheisenschmelze erreichen.
Die Obergrenze für den Winkel ist dadurch gegeben, dass die Strahlen von Heißluft nicht auf die Ausmauerung am Rand der Konverters treffen sollen, sondern auf das Bad im Konverter - und noch genügend Platz verbleibt, um die Richtung des Strahles in Richtung Rand auszubilden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Strahlen beim Verlassen der Eindüsvorrichtung das 0,01 - 0,05 fache der Lauflänge.
Dadurch wird ein Beitrag zur Vermeidung eines Ineinanderfließens vor Erreichen der Roheisenschmelze geleistet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand mehrerer Strahlen voneinander beim Verlassen der Eindüsvorrichtung mindestens ihrem Durchmesser beim Verlassen der Eindüsvorrichtung.
Dadurch wird ein Beitrag zur Vermeidung eines Ineinanderfließens vor Erreichen der Roheisenschmelze geleistet.
Mit Verlassen der Eindüsvorrichtung ist Verlassen der jeweiligen Düse der Eindüsvorrichtung gemeint.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlen so gerichtet, dass die Richtungen der Strahlen mit der Vertikalen einen Winkel von mindestens 6° einschließen. Dadurch wird ein Beitrag zur Vermeidung eines Ineinanderfließens vor Erreichen der Roheisenschmelze geleistet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zentraler Strahl vorhanden, der senkrecht auf die Roheisenschmelze gerichtet ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind zusätzlich zu dem zentralen Strahl periphere Strahlen vorhanden, wobei die Richtungen der peripheren Strahlen mit der Richtung des zentralen Strahls einen Winkel von zumindest 6°, und bevorzugt zumindest 8°, einschließen. Die Obergrenze für den Winkel ist dadurch gegeben, dass die peripheren Strahlen von Heißluft nicht auf die Ausmauerung am Rand der Konverters treffen sollen, sondern auf das Bad im Konverter - und noch genügend Platz verbleibt, um die Richtung des Strahles in Richtung Rand auszubilden..
Vorteilhafterweise wird dadurch erreicht, dass der zentrale Strahl mehr Tröpfchen erzeugt als die peripheren Strahlen - und diese Tröpfchen dann mittels der peripheren Strahlen auf die Roheisenschmelze gedrückt werden.
Bevorzugt sind die peripheren Strahlen symmetrisch um den zentralen Strahl herum angeordnet.
Bevorzugt beträgt der Durchmesser des zentralen Strahles beim Austritt aus der Eindüsvorrichtung mindestens dem Durchmesser eines peripheren Strahles von Heißluft. Er kann auch größer sein, also ein stärkerer Strahl sein.
Überraschenderweise ist eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der Nachverbrennung möglich, wenn zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Anordnung und Aufteilung der Düsen eine weitere Düse im Zentrum der erfindungsgemäßen Anordnung angebracht wird, die senkrecht auf die Badoberfläche bläst. Diese Düse sollte mindestens so groß sein wie die erfindungsgemäßen peripheren Düsen, die dann jedoch mindestens um 8° nach außen gerichtet sein müssen. Die Wirkung der vorteilhaften Düsenkombination lässt sich wahrscheinlich so erklären, dass durch den zentralen Heißluftstrahl eine zusätzliche Tröpfchenbildung erfolgt, die dann die Wirkungsweise der peripheren Düsen verstärkt.
Als ungefähre Näherung ergibt sich hieraus, dass bei einem 100-t-Konverter bei einer Blasrate von 30.000 Nm³ Heißluft/Std. die Heißluft durch drei Düsen mit einem Durchmesser von etwa 12 cm und bei einem 250-t-Konverter bei einer Blasrate von 80.000 Nm³ Heißluft/Std. durch fünf Düsen mit einem Durchmesser von etwa 15cm eingeblasen wird. Die Düsen müssen, wenn sie in einem einzigen Düsensystem einer Eindüsvorrichtung angebracht sind, einen solchen Abstand aufweisen, dass die Strahlen von Heißluft als getrennte Strahlen bestehen bleiben, das heißt sich nicht wieder zu einem Strahl zusammenziehen, bevor sie auf die Roheisenschmelze treffen. Diese Bedingung wird im Allgemeinen erfüllt, wenn der Abstand zwischen den Düsen mindestens dem Düsendurchmesser - und damit der Abstand der Strahlen voneinander beim Verlassen der Eindüsvorrichtung mindestens ihrem Durchmesser beim Verlassen der Eindüsvorrichtung - entspricht und die Strahlen um mindestens 6° gegenüber einem geraden, auf das Bad gerichteten Strahl nach außen, geneigt sind.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird zumindest einem Strahl Brennstoff zugeführt.
Erfindungsgemäß kann weitere Energie in den Stahlherstellungsprozess eingebracht werden, wenn dem Strahl von Heißluft - bevorzugt kohlenwasserstoffhaltiger, besonders bevorzugt Erdgas - Brennstoff zugesetzt wird. Schon geringe Zusätze, zum Beispiel 1 % Erdgas bezogen auf die Menge der Heißluft führen bereits zu merklichen Effekten. Optimale Werte werden erreicht, wenn so viel Erdgas zugesetzt wird, dass etwa 20 - 40 % des im Strahl der Heißluft enthaltenen Sauerstoffs für die Verbrennung von Erdgas verwendet wird. Dieser Wert ist auf Vollverbrennung von Erdgas bezogen, das heißt, es werden erfindungsgemäß circa 5 Nm³ Erdgas pro 100 Nm³ nicht sauerstoffangereicherter Heißluft, zugesetzt.
Der Brennstoff kann auch beispielsweise Kohlestaub sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heißluft mit Sauerstoff angereichert, bevorzugt bis 40 %.
Bei mehr Anreicherung würde würde Verschleiß der Eindüsvorrichtung verstärkt auftreten.
Eine besonders wichtige Anwendung der Erfindung betrifft die Erhöhung des Wärmeeinbringens in den Stahlherstellungsprozess bei gleichzeitiger Erhöhung des Heizwertes des Abgases. Bei der üblichen Nachverbrennung von Konverterprozessgasen mit Heißluft entsteht ein Abgas mit so geringem Heizwert, dass es in konventionellen Abgasreinigungsanlagen, die ohne Vollverbrennung betrieben werden, nicht mehr behandelt werden kann. Es muss deshalb im heißen Zustand nach dem Verlassen des Konverters mit Luft vollständig verbrannt werden, wodurch sich die Abgasmenge wesentlich erhöht. Bei der Umstellung von konventionellen Konvertern auf einen Prozess mit Heißluftnachverbrennung begrenzt die Kapazität der vorhandenen Abgasbehandlungsanlagen dann die Umstellung eines bestehenden Konverters auf das neue Verfahren.
Bei einer Anreicherung der Heißluft auf etwa 30 % Sauerstoffgehalt, was einen niedrigen Nachverbrennungsgrad bewirkt, wird eine Verringerung des Nachverbrennungsgrades annähernd vollständig kompensiert, wenn erfindungsgemäß dem Heißluftstrahl Erdgas zugesetzt wird. Optimale Werte werden erreicht, wenn 30 - 50 % des in der Heißluft enthaltenen Sauerstoffes mit Erdgas verbrannt werden.
Bei einer Anreicherung der Heißluft auf 30 % Sauerstoffgehalt wurde mit einem Zusatz von 4 Vol.-% Erdgas, bezogen auf die Heißluftmenge, im Mittel ein Nachverbrennungsgrad von 55 % erreicht. Dabei braucht das Erdgas nicht, wie bei einem Brenner, mit der Heißluft gemischt zu werden. Es genügt vielmehr, den Brennstoff durch ein Rohr oder mehrere Rohre in den Strahl von Heißluft in der Nähe seines Austritts aus der Eindüsvorrichtung zu blasen.
In beiden Fällen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Sauerstoffanreicherung der Heißluft wieder ein hoher Nachverbrennungsgrad erreicht. Dabei vergrößert sich auch das spezifische Energieeinbringen und es wird gleichzeitig ein energiereiches Abgas erhalten, das in der üblichen Weise in bestehenden Abgasanlagen erfasst und verwendet werden kann.
Nach einer Ausführungsform ist das Blasverfahren ein Aufblasverfahren, wobei
in einer ersten Phase des Frischprozesses die mehreren Strahlen von Heißluft in den Konverterraum über der Roheisenschmelze aus zumindest einer Eindüsvorrichtung auf die Roheisenschmelze eingedüst werden, und
nach Beendigung der ersten Phase in einer zweiten Phase mit Sauerstoff zu Ende gefrischt wird ohne Eindüsung der Strahlen von Heißluft.
Die zumindest eine Eindüsvorrichtung ist im oberen Bereich des Konverters angeordnet; sie umfasst Heißluftdüsen, durch die die Heißluft in Strahlen eingedüst wird; beispielsweise handelt es sich um eine Heißluftlanze, die nach der ersten Phase entfernt wird. Die Strahlen von Heißluft sind auf das im Konverter befindliche Bad von roher Eisenschmelze gerichtet. In der zweiten Phase wird mit einer Sauerstoffaufblaslanze gefrischt.
Die zeitliche Aufteilung auf die beiden Phasen hängt davon ab, wie viel Energie zusätzlich in den Konverterprozess eingebracht werden soll. Soll zum Beispiel beim Frischen von Roheisen der Schrottsatz nur um 5%-Punkte, also beispielsweise von 230 kg Schrott/t Stahl auf 280 kg Schrott/t Stahl erhöht werden, so genügt es, wenn 20% der erforderlichen Sauerstoffmenge durch Strahlen von Heißluft aufgeblasen werden.
Um die Erhöhung des Schrottsatzes optimal zu nutzen, werden etwa 80% des Sauerstoffes durch Heißluft und die restlichen 20% ausschließlich durch Sauerstoff am Ende des Frischprozesses aufgeblasen. Hierzu werden die Heißluftdüsen herausgefahren und die Schmelze mit Sauerstoff in der üblichen Weise zu Ende gefrischt. Bei diesem Beispiel wird z.B. eine Steigerung des Schrottsatzes von 230 kg/t Stahl auf 390 kg/t Stahl erreicht. Das Aufblasen von Sauerstoff am Ende des Prozesses ist nötig, um die nötige Stahlqualität zu erreichen.
In einem Sauerstoffauflbaskonverter wird zusätzlich Energie zur Erhöhung des Schrottsatzes eingebracht, indem in einer ersten Phase des Frischprozesses nur Heißluft und in einer zweiten Phase des Frischporzesses nur Sauerstoff aufgeblasen wird. Das Energieeinbringen wird beträchtlich erhöht, indem dem Strahl von Heißluft beispielsweise Erdgas zugesetzt wird.
An zwei Beispielen soll die Anwendung der Erfindung für Sauerstoffaufblasverfahren näher erläutert werden:
Das erste Beispiel betrifft die Erzeugung von Stahl aus Roheisen und Schrott in einem Sauerstoffaufblaskonverter mit einer Schmelzkapazität von 100 t, der gemäß der vorliegenden Erfindung zu Beginn des Frischprozesses mit Heißluftstrahlen betrieben wird. Vor der Umstellung wurden für die Erzeugung einer Tonne Stahl 900 kg Roheisen und 180 kg Schrott in den Konverter chargiert. Durch die Heißluftnachverbrennung des Konvertergases wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schrottsatz auf 350 kg/t Stahl erhöht. Der Nachverbrennungsgrad beträgt 55 %. In der bestehenden Abgaserfassungsanlage können maximal 35.000 Nm³/h erfasst werden. Durch die Verwendung von Heißluft anstelle von Sauerstoff verlängert sich durch die gegebene Begrenzung der Abgasmenge die Schmelzzeit von 20 min. auf 25 min., außerdem kann das Abgas nicht verwertet werden.
Wird der Heißluft 4 Nm³ Erdgas/100 Nm³ Heißluft zugesetzt und der Sauerstoffgehalt der Heißluft auf 30 % angereichert, so beträgt bei einer Heißluftblasrate von 32.000 Nm³/h die Blasezeit 18 min. Die einschmelzbare Schrottmenge erhöht sich auf 400 kg/t Stahl, wobei 14 min. lang mit Heißluft und die restlichen 4 min. mit Sauerstoff-aufblasen gefrischt wurde. Der Nachverbrennungsgrad ist wieder 60 %, es entsteht jetzt jedoch ein Gas, das im Heizwert so hoch liegt, dass es in üblichen Konverterabgasanlagen erfasst werden kann.
Bei beiden Anwendungen wird das Aufblasen von Heißluft nach 80 % der Schmelzzeit beendet und die Schmelze mit Hilfe der Sauerstoffaufblaslanze zu Ende gefrischt.
Nach einer Ausführungsform ist das Blasverfahren ein Bodenblasverfahren.
Bei einem Bodenblasverfahren liegt die Öffnung für die Reaktionsgase beziehungsweise Abgase oberhalb der durch bodenblasende Düsen gebildeten Spritzzone. Die Heißluft wird zur Nachverbrennung der Reaktionsgase verwendet. Die Strahlen von Heißluft werden bevorzugt durch Düsen eingeblasen, deren Durchmesser das 0,01 bis 0,03 fache der Lauflänge der Strahlen von Heißluft beträgt. Bei mehreren Düsen ist der Abstand zwischen den Düsenöffnungen mindestens so groß wie der Düsendurchmesser. Bei mehreren Düsen in einem Düsenkopf ist es bevorzugt, wenn die einzelnen Düsen mindestens um 8° nach außen gerichtet sind. Vorzugsweise liegt die Öffnung für die Strahlen von Heißluft innerhalb der Konvertermündung.
An zwei Beispielen soll die Anwendung der Erfindung für Bodenblasverfahren näher erläutert werden:
In einem ersten Beispiel dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem bodenblasenden Konverter eingesetzt. In den entstehenden Prozessgasen ist eine beträchtliche Menge Energie vorhanden, die durch Nachverbrennung mit Heißluft den im Konverter ablaufenden Prozessen, beispielsweise Schmelzprozess, zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise der Schrottsatz, der bei bodenblasenden Konvertern, die ohne Nachverbrennung betrieben werden, bei etwa 200 kg/t Stahl liegt, um etwa 200 kg/t Stahl erhöht werden.
Bei der beispielhaften Anwendung werden in einen 60t Konverter circa 700 kg/Roheisen/t Stahl und 400 kg Schrott/t Stahl chargiert. Über Bodendüsen wird in der üblichen Weise mit Sauerstoff mit einer Blasrate von 6000 Nm3/h gefrischt und gleichzeitig durch eine in die Konvertermündung eingefahrene Heißluftlanze mit einer Blasrate von 30000 Nm3/h Heißluft, die auf einen Sauerstoffgehalt von 30% angereichert ist, aufgeblasen. Die Lauflänge der Strahlen von Heißluft ist 3,5 m. Die Strahlen von Heißluft treten aus drei Düsenöffnungen mit jeweils 13 cm Durchmesser, die mit einem Abstand von 15 cm in der Heißluftlanze angeordnet sind, aus. Die Strahlen sind gegenüber der Senkrechten um mindestens 8° nach außen geneigt. Wenn der Kohlenstoffgehalt im Bad den Bereich von 1% erreicht hat, wird das Aufblasen von Heißluft beendet, die Heißluftlanze herausgefahren und die Charge in der üblichen Weise durch Bodendüsen zu Ende gefrischt.
In einem zweiten Beispiel für ein Bodenblasverfahren wird unter den gleichen Bedingungen wie im ersten Beispiel für ein Bodenblasverfahren in einem 250t Konverter Stahl hergestellt. Die Lauflänge der Strahlen von Heißluft beträgt 5 m. Die Heißluftblasrate beträgt 80000 Nm3/h. In der Heißluftlanze sind fünf Düsenöffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 15 cm angebracht. Der Abstand zwischen den Düsen beträgt 17 cm. Die Düsen sind kreisförmig in der Lanze angeordnet, wobei die Düsen einen Abstand von 20 cm zum Mittelpunkt der Lanze und jeweils 20 cm zwischen den Düsen aufweisen. Die Richtung der Strahlen ist jeweils um mindestens 8° nach außen gerichtet. Die Heißluftlanze hat einen Durchmesser von etwa 70 cm.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine Eindüsvorrichtung geeignet zur Eindüsung von Strahlen von Heißluft in einen Konverterraum oberhalb einer Roheisenschmelze im Konverter wobei die Strahlen von Heißluft die Eindüsvorrichtung durch Düsen verlassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen der Düsen einen Abstand voneinander haben, der mindestens das 0,03 - 0,05 fache der Lauflänge beträgt.
Die Heißluft tritt durch die Düsenöffnungen der Düsen aus.
Bei geringerem Abstand würden aus den Düsenöffnungen austretende Strahlen von Heißluft in einen Strahl zusammenfließen, da jeder Strahl Gas aus seiner Umgebung ansaugt. Die einzelnen Strahlen müssen also einen Mindestabstand aufweisen, um nicht zusammenzufließen. Die Strahlen treffen dann als diskrete Strahlen auf das Bad von roher Eisenschmelze auf.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform gibt es zumindest 3 Düsenöffnungen. Auf diese Weise wird eine gegebene Menge Heißluft beim Eindüsen gut verteilt, was eine bessere Nachverbrennung von Reaktionsgase bewirkt. Außerdem wird Tröpfenbildung auf mehrere Orte verteilt, was es leichter macht, den Austrag von Tröpfchen zu vermeiden.
Bezüglich der Anzahl von Düsenöffnungen müssen natürlich die Bedingungen bezüglich Abstand der Düsenöffnungen gegeben sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform schließen die Längsachsen der Düsen miteinander einen Winkel von mindestens 6° ein.
Die Düsen haben Längsachsen, die miteinander einen Winkel von mindestens 6° einschließen. Dadurch wird die Gefahr, dass mehrere Strahlen zusammenfließen, vermindert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand der Düsenöffnungen voneinander mindestens so groß wie der Durchmesser der Düsenöffnungen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zentrale Düse vorhanden. Aus dieser kann ein Strahl von Heißluft senkrecht auf die Roheisenschmelze gerichtet werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind zusätzlich zur zentralen Düse periphere Düsen vorhanden, wobei die Längsachsen der peripheren Düsen mit der Längsachse der zentralen Düse einen Winkel von zumindest 6°, und bevorzugt zumindest 8°, einschließen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Eindüsvorrichtung eine Heißluftlanze, also eine Lanze geeignet zur Eindüsung von Heißluft.
Bevorzugt ist die Eindüsvorrichtung im Betrieb so positioniert, dass beim Vorhandensein meherer Strahlen die Strahlen von Heißluft in der Konvertermündung aus ihr austreten - also nicht außerhalb des Konverters. Wenn nur ein Strahl vorhanden ist, der beispielsweise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einer Heißluftlanze in Richtung der Verlängerung ihrer Längsachse auf die Roheisenschmelze gerichtet ist, kann er auch außerhalb der Konvertermündung - also außerhalb des Konverters - aus ihr austreten.
Die Düsenöffnungen sind die Enden der Düsen, aus denen Strahlen von Heißluft austreten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand schematischer beispielhafter Darstellungen von Ausführungsformen erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Aufblasverfahren in der ersten Phase.
Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Bodenblasverfahren.
Figur 3 zeigt eine Anordnung von Düsen in einem Düsenkopf.
Figur 4 zeigt eine andere Anordnung von Düsen in einem Düsenkopf.
Figur 5 zeigt ein Blasverfahren mit einem zentralen Strahl von Heißluft.

Beschreibung der Ausführungsformen

Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Aufblasverfahren in der ersten Phase des Frischprozesses. Mehrere Strahlen von Heißluft dargestellt durch gewellte Pfeile werden aus einer Heißluftlanze 1 in den Konverterraum 2 über der Roheisenschmelze 3 eingedüst . Die Roheisenschmelze 3 befindet sich im Konverter 4.
Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Bodenblasverfahren. Mehrere Strahlen von Heißluft dargestellt durch gewellte Pfeile werden aus einer Heißluftlanze 5 in den Konverterraum 6 über der Roheisenschmelze 7 eingedüst . Die Roheisenschmelze 7 befindet sich im Konverter 8. Über Bodendüsen 9 wird Sauerstoff zum Frischen in die Roheisenschmelze 7 eingebracht.
In Figur 3 ist gezeigt, wie bei einer Eindüsvorrichtung Heißluftlanze in einem Düsenkopf mit 3 Düsen die Düsen zueinander angeordnet sind. Der Winkel zwischen den sich schneidenden, strichliert dargestellten Längsachsen der Düsen beträgt 8°.
In Figur 4 ist eine Anordnung bei einer Eindüsvorrichtung Heißluftlanze gezeigt, bei der im Düsenkopf eine zentrale Düse und 3 periphere Düsen vorhanden sind. Die Längsachsen der peripheren Düsen schließen mit der Längsachse der zentralen Düse einen Winkel von 8° ein, dargestellt anhand einer peripheren Düse und der zentralen Düse mit strichliert dargestellten Längsachsen.
In Figur 1 und Figur 2 treten mehrere Strahlen von Heißluft in der Konvertermündung aus der Eindüsvorrichtung aus. In Figur 5 ist dargestellt, wie ein Strahl dargestellt durch einen gewellten Pfeil in Richtung Verlängerung der Längsachse der Heißluftlanze 10 außerhalb des Konverters 11 aus der Heißluftlanze 10 austritt. Die Heißluftlanze hat eine senkrechte Längsachse, also tritt der Strahl von Heißluft senkrecht aus. Figur 5 ist für ein Aufblasverfahren oder ein Bodenblasverfahren passend.
Selbstverständlich ändert sich die Zusammensetzung einer Metallschmelze im Konverter im Verlauf der Verfahren. Mit dem Begriff Roheisenschmelze ist gemeint die Metallschmelze im Konverter während des gesamten Verlaufs des Frischens.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Liste der Bezugszeichen:

1: Heißluftlanze
2: Konverterraum über der Roheisenschmelze
3: Roheisenschmelze
4: Konverter
5: Heißluftlanze
6: Konverterraum über der Roheisenschmelze
7: Roheisenschmelze
8: Konverter
9: Bodendüse
10: Heißluftlanze
11: Konverter

Claims

Blasverfahren zur Stahlherstellung in Konvertern aus einer Roheisenschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strahl von Heißluft in den Konverterraum über der Roheisenschmelze aus zumindest einer Düse zumindest einer Eindüsvorrichtung auf die Roheisenschmelze eingedüst wird, wobei für die als Strahl austretende Heißluft eine Druckdifferenz von 0,05 - 0,1 MPa zwischen Eintritt in die Düse und Austritt aus der Düse besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlen von Heißluft in den Konverterraum über der Roheisenschmelze aus mehreren Düsen zumindest einer Eindüsvorrichtung auf die Roheisenschmelze eingedüst werden,
wobei für die als Strahlen austretende Heißluft eine Druckdifferenz von 0,05 - 0,1 MPa zwischen Eintritt in die Düsen und Austritt aus den Düsen besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
wobei die Strahlen vom Verlassen der Eindüsvorrichtung bis zum Auftreffen auf die Roheisenschmelze eine Lauflänge zurücklegen,
wobei die Strahlen beim Verlassen der Eindüsvorrichtung voneinander einen Abstand von zumindest dem 0,03 - 0,05- fachen der Lauflänge haben.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest 3 Strahlen gibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen voneinander weg gerichtet sind, wobei die Richtungen der Strahlen miteinander einen Winkel von mindestens 6° einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Strahlen beim Verlassen der Eindüsvorrichtung das 0,01 - 0,05 fache der Lauflänge beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Strahlen voneinander beim Verlassen der Eindüsvorrichtung mindestens ihrem Durchmesser beim Verlassen der Eindüsvorrichtung beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen so gerichtet sind, dass die Richtungen der Strahlen mit der Vertikalen einen Winkel von mindestens 6° einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zentraler Strahl vorhanden ist, der senkrecht auf die Roheisenschmelze gerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem zentralen Strahl periphere Strahlen vorhanden sind, wobei die Richtungen der peripheren Strahlen mit der Richtung des zentralen Strahls einen Winkel von zumindest 6°, und bevorzugt zumindest 8°, einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Strahl Brennstoff zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißluft mit Sauerstoff angereichert ist, bevorzugt bis 40 %.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Blasverfahren ein Aufblasverfahren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Blasverfahren ein Bodenblasverfahren ist.
Vorrichtung zur Durchführung Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend eine Eindüsvorrichtung geeignet zur Eindüsung von Strahlen von Heißluft in einen Konverterraum oberhalb einer Roheisenschmelze im Konverter, wobei die Strahlen von Heißluft die Eindüsvorrichtung durch Düsen verlassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen der Düsen einen Abstand voneinander haben, der mindestens das 0,03 - 0,05 fache der Lauflänge beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest 3 Düsenöffnungen gibt.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Düsen miteinander einen Winkel von mindestens 6° einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Düsenöffnungen voneinander mindestens so groß ist wie der Durchmesser der Düsenöffnungen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Düse vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur zentralen Düse periphere Düsen vorhanden sind, wobei die Längsachsen der peripheren Düsen mit der Längsachse der zentralen Düse einen Winkel von zumindest 6°, und bevorzugt zumindest 8°, einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsvorrichtung eine Heißluftlanze ist.