EP4431620A1 - Verfahren zum betreiben eines anlagenverbunds umfassend einen elektrischen schmelzofen und eine direktreduktionsanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines anlagenverbunds umfassend einen elektrischen schmelzofen und eine direktreduktionsanlage Download PDF

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EP4431620A1
EP4431620A1 EP23162606.0A EP23162606A EP4431620A1 EP 4431620 A1 EP4431620 A1 EP 4431620A1 EP 23162606 A EP23162606 A EP 23162606A EP 4431620 A1 EP4431620 A1 EP 4431620A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
melting furnace
operating mode
sponge iron
plant
direct reduction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23162606.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Jonas Fabry
Marius GROSSARTH
Falco LISCHKE
Cem SAHIN
Daniel Schubert
Matthias Weinberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Priority to CN202480018026.0A priority patent/CN120813706A/zh
Priority to JP2025554232A priority patent/JP2026508958A/ja
Priority to PCT/EP2024/056406 priority patent/WO2024194064A1/de
Publication of EP4431620A1 publication Critical patent/EP4431620A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/12—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in electric furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
    • C21B13/143—Injection of partially reduced ore into a molten bath

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a plant network comprising an electric melting furnace and a direct reduction plant.
  • the invention is based on the object of providing improved coordination of the process steps of an electric steel route.
  • the invention is solved by a method having the features of claim 1.
  • a method for operating a plant network comprises at least one electric melting furnace and a direct reduction plant arranged upstream of the melting furnace.
  • the method is to be designed in particular as a method for producing pig iron.
  • a key idea of the invention presented is that the operation of the plant network is considered as a whole, whereby the plant network includes both the melting furnace and the direct reduction plant.
  • the plant network includes both the melting furnace and the direct reduction plant.
  • its components, in particular the melting furnace and the direct reduction plant are coupled to one another, for example via a common control device, for example a control center.
  • direct reduction plant arranged upstream of the melting furnace is to be understood as meaning that the melting furnace immediately follows the direct reduction plant in the process sequence, i.e. the product manufactured in the direct reduction plant is transported to the melting furnace and/or temporarily stored.
  • the direct reduction plant is a plant in which a solid-state reaction takes place in which oxygen is removed from the iron ore.
  • the reducing agent used for this purpose is, for example, coal or natural gas, in particular carbonaceous and/or hydrogenous and/or hydrocarbon-containing gases, or, in the recent past and expected to become increasingly common in the future, atomic or molecular hydrogen.
  • the reaction takes place at a temperature below the melting point of the iron ore, so that the external shape remains largely unchanged.
  • the direct reduction plant can be designed, for example, as a shaft furnace with a reduction zone through which the iron ore flows against the direction of the reducing gas.
  • the direct reduction plant can also be designed, for example, as a rotary kiln through which the iron ore is conveyed against the flow direction of the reducing gas. Direct reduction plants as such are well known from practice.
  • the electric melting furnace also known as an electric heating system for melting metal or heating liquid metal, can be, for example, an electric arc furnace (EAF), where arcs are formed between the electrode and the metal.
  • EAF electric arc furnace
  • Possible designs are alternating current arc melting furnace (EAFac), direct current arc melting furnace (EAFdc) and ladle furnace (LF).
  • the melting furnace used according to the invention is designed as a melting furnace with arc resistance heating.
  • a melting furnace works on the principle of forming arcs between the electrode and the charge and heating the charge or the slag, in particular by means of the Joule effect.
  • Melting furnaces with arc resistance heating can be designed, for example, as submerged electric arc furnaces ( acronym: SAF), in which the electrode is immersed in the charge or slag, as alternating current arc reduction furnaces (SAFac) or as direct current arc reduction furnaces (SAFdc).
  • SAFac alternating current arc reduction furnaces
  • SAFdc direct current arc reduction furnaces
  • Other designs are furnaces in which the electrode ends just above the slag. In this type of furnace, the slag is not shielded by the charge, at least in the area of the electrode. The slag is therefore open at the top and the brush-shaped arc that forms to form the slag can be seen from above.
  • This type of furnace is called
  • the melting furnace is particularly preferably designed as a submerged electric arc furnace ( SAF).
  • SAF submerged electric arc furnace
  • the melting furnace is particularly preferably designed as an open slag bath furnace (OBSF).
  • OBSF open slag bath furnace
  • pig iron is produced by melting directly reduced iron and/or scrap in a melting furnace, for example using arc resistance heating, to form a metallic melt, which forms a slag.
  • the slag is conditioned by adding slag formers, in particular the composition of the slag is controlled.
  • carbon carriers for example coal or coke, can also be provided.
  • the plant network which in the manner described above comprises at least the electric melting furnace and the direct reduction plant arranged upstream of the melting furnace, provides at least two operating modes, namely a regular operating mode of the plant network and a buffer operating mode.
  • sponge iron is melted in the melting furnace to form a metallic melt, in particular pig iron, and that metallic melt is removed from the melting furnace in discrete succession by tapping the melt.
  • the melt pool quantity is determined continuously or quasi-continuously, i.e. the melt pool quantity is determined continuously or at regular or irregular intervals, for example at intervals of a few minutes or a maximum of half an hour.
  • the height of the slag inside the melting furnace can be determined, for example, which can be determined optically.
  • the optical determination can be carried out using a thermal imaging camera, for example. Sensory determination, for example using radar sensors or ultrasonic sensors, can also be provided.
  • the melt pool quantity can generally be determined directly, for example by means of optical inspection; alternatively, the melt pool quantity can be determined indirectly, for example by continuously creating a mass balance of material added and removed. Another possible method of indirect determination is determination via electromagnetic properties of the melt, which can be determined, for example, via a current property, such as the electrical resistance, at an electrode in the melting furnace.
  • tapping takes place when a predetermined melt pool quantity limit is reached or exceeded.
  • this can mean that the predetermined melt pool quantity limit is below the maximum holding capacity of the melting furnace, for example in the range between 40 percent and 90 percent, preferably between 60 percent and 90 percent, of the holding capacity when considering the volume.
  • the predetermined melt pool quantity corresponds to the maximum holding capacity or that the predetermined melt pool quantity is a maximum of 10 percent, preferably a maximum of 5 percent, below the maximum holding capacity.
  • a check is carried out to determine whether the portable collecting container is present at the collecting position. This can be done, for example, by querying using an electronic switch at the parking position of the collecting container. However, manual detection after visual inspection by a factory worker can also be provided for checking whether the portable collecting container is present.
  • the system network is switched from the regular operating mode to a buffer operating mode.
  • the procedure described represents a control system that can be part of a control loop and is based on the regular recording of two parameters, namely the two parameters mentioned and explained above.
  • the result of the procedure described is that the regular operating state is maintained within the parameters considered as long as a sufficiently large supply of collection containers is ensured.
  • the procedure no longer takes place as in the regular operating state, in that a continuous conveying of produced sponge iron to the electric melting furnace takes place, and sponge iron that has arrived at the electric melting furnace is fed into the melting furnace is added, but instead the sponge iron is produced unchanged, but the portion of the sponge iron intended for the electric melting furnace is temporarily stored in an intermediate storage position.
  • the changeover from the transport of the sponge iron to the melting furnace and the introduction into the melting furnace there to a procedure in which the sponge iron is instead initially temporarily stored is the first modification step, particularly preferably for a maximum possible first period of time also the only modification step in which the buffer operating mode differs from the regular operating mode of the system network.
  • steps A), C) and D) carried out according to the invention are initially carried out unchanged, with only step B) being carried out in the modified manner described.
  • This procedure can advantageously ensure that during the first period of time, the transfer of the operating mode of the system network to its buffer operation allows the continued operation of the system network without major interventions in the individual components of the system network, in particular the melting furnace and the direct reduction plant.
  • an electrical operating power of the electric melting furnace is reduced with the advantageous consequence of saving electrical energy.
  • the operating power is particularly preferably reduced to a minimum operating power.
  • This advantageous development therefore provides for the modification of step C) compared to the regular operating mode.
  • the minimum Operating performance can, for example, be the operating performance that just keeps the melt still present in the melting furnace liquid and/or avoids irreversible damage due to the cooling of the melting furnace. Operating the melting furnace with lower energy consumption is accompanied by a considerable saving of electrical power and is particularly advantageous in cases where it has been foreseeable that the re-provision of a portable collecting container at the collecting position of the electric melting furnace will require a longer period of time.
  • a preferred development of the procedure in buffer operating mode provides that at least two intermediate storage positions are provided for the intermediate storage of the sponge iron, with a first intermediate storage position being filled with sponge iron that is still warm from step A) ( hot direct reduced iron, HDRI) as a priority.
  • a second intermediate storage position for longer-term storage cold direct reduced iron, CDRI is only filled after the capacity limit of the first intermediate storage position has been reached.
  • the two intermediate storage positions differ in particular in that, after a return to regular operating mode, sponge iron can be added from the intermediate storage facility as a priority from the first intermediate storage position, with the advantage that, due to the thermal energy still present in the HDRI if it has not been stored for too long, adding it to the electric melting furnace is energetically advantageous compared to an alternative method of adding CDRI. It is also conceivable that more than one bunker of each of the types mentioned is present.
  • the first intermediate storage position and the second intermediate storage position can, for example, be designed as two bunker housings which can be filled independently of one another and are each connected to the melting furnace, each having an openable and closable feed to the melting furnace and which are preferably positioned above the melt bath for gravity-driven feeding of the sponge iron into the melting furnace after the feed is opened.
  • the continuous operation of the direct reduction plant is switched to a throttle operation.
  • the buffer operating mode provides for a modified procedure for step A) of the regular operating mode compared to the regular operating mode.
  • the continuous operation of the direct reduction plant is switched to the throttle operation after reaching a capacity limit of the second intermediate storage position, but not before.
  • the buffer operating mode also provides a modified procedure in the inventive step A) of the regular operating mode.
  • the throttle operation can be characterized, for example, by the throughput of the production of sponge iron being reduced or, alternatively, being stopped completely.
  • the plant network comprises n melting furnaces, but at least two melting furnaces.
  • n denotes an integer greater than or equal to 2.
  • the switching of the direct reduction plant from continuous operation to throttle operation includes the direct reduction plant producing a reduced amount of sponge iron per unit of time in the buffer operating mode of the plant network and within this in the throttle operation of the direct reduction plant.
  • the throttle operation does not provide for the direct reduction plant to be shut down completely, but that it simply switches from the sponge iron produced per unit of time in the regular operating mode to the production of a smaller amount of sponge iron per unit of time, which can be achieved, for example, by means of a smaller supply of reactants and reaction gases.
  • the system network has n melting furnaces, but at least two melting furnaces.
  • the system network has the electric melting furnace described at the beginning as well as n-1 further, preferably electric, melting furnaces.
  • the n-1 further melting furnaces continue to operate unchanged, i.e. as in regular operation.
  • the other event-triggering events in particular: check for the presence of the transportable collecting container is negative and both the first and second intermediate storage positions have reached their absorption capacity limit
  • the amount of sponge iron produced in the direct reduction plant per unit of time is reduced, but the amount of Sponge iron is not reduced to 0.
  • the direct reduction plant is throttled, but its operation is not stopped. This means that there is a high probability that the direct reduction plant will continue to operate, which means that it will be operationally safe.
  • the reduction in the production of sponge iron in the throttle operation is carried out in such a way that the amount of sponge iron no longer produced in the throttle operation compared to the regular operating mode is adjusted to the amount, preferably: is adjusted to the amount that is less required by the melting furnace, which is operated in the buffer operating mode deviating from the regular operating mode, than would be the case in the regular operating mode, so it is reduced by the sponge iron throughput that is no longer required, that is: amount of sponge iron per unit of time.
  • the amount of sponge iron produced in the direct reduction plant in the throttle operation would correspond to the amount of sponge iron that is passed through in the n-1 other melting furnaces, but not in the melting furnace that is no longer conveyed.
  • the reduction of the amount of sponge iron per unit of time is dimensioned such that the reduction of the amount of sponge iron corresponds to the amount which the electric melting furnace which is operated in buffer operating mode with a reduced electrical operating power or, preferably, with a minimum operating power or - alternatively - is no longer filled with sponge iron, is no longer required, or corresponds to the amount which the electric melting furnace which is no longer supplied in buffer operating mode by adding the sponge iron which has reached the electric melting furnace into the melting furnace, no longer requires.
  • the throttle operation can also correspond to a standby mode in which no more sponge iron is produced.
  • Such an embodiment of the throttle operation is preferred, for example, if the system network has only one melting furnace; or if the system network has more than one melting furnace, but if all melting furnaces in the system network have a melting bath quantity above the specified melting bath quantity limit and the presence of a portable collecting container cannot be determined at any of the melting furnaces.
  • the direct reduction plant is switched to throttle operation, whereby the direct reduction plant in throttle operation produces a quantity of sponge iron per unit of time which is essentially reduced by the sponge iron requirement of the electric melting furnace in regular operation; the quantity of sponge iron actually produced in throttle operation therefore corresponds to the quantity produced by the further Melting furnace alone, i.e. the second melting furnace, for melting still feasible amount of sponge iron per unit of time.
  • the check for the presence of the collecting container at the collecting position is repeated in a quasi-continuous manner - for example in regular succession at intervals of no more than 5 minutes - and that as soon as the test for the first time again produces a positive result of the check for the presence of the portable collecting container at the collecting position, the tapping takes place and, if necessary with a predetermined latency time, the operating mode of the system network is switched from the buffer operating mode to the regular operating mode.
  • the amount of melt pool can be determined, for example, by means of optical inspection or by means of a mass balance, i.e. a balance of the masses of the reactants fed into the melting furnace on the one hand and the products or by-products discharged from the melting furnace on the other.
  • the plant network has at least one further direct reduction plant in addition to the direct reduction plant, wherein the operation of all direct reduction plants in the plant network is controlled via a common control device.
  • it can be provided in the buffer operation mode that after reaching a capacity limit of the intermediate storage position, the continuous operation of exactly one direct reduction plant of the direct reduction plants in the plant network is switched to a first throttle operation. in order to reduce the amount of sponge iron produced.
  • this reduction takes place to the extent that it is no longer required by the melting furnace in the buffer operating mode.
  • the amount of sponge iron produced in the first throttle operation can be reduced until the first direct reduction plant switches to its standby mode. Only after this switchover, if the demand for sponge iron continues to decrease, will another direct reduction plant in the plant network also switch to throttle operation.
  • the continuous operation of at least two, preferably all, direct reduction plants in the plant network is switched to throttle operation.
  • all direct reduction plants in the plant network are controlled with an essentially even distribution of the reduction in the production of sponge iron.
  • the amount of sponge iron produced is reduced, but this reduction is borne evenly by all direct reduction plants, either in the same total turnover or in the same proportion of the respective maximum turnover.
  • throttle operation is only expected to be required for a short time, this procedure has the advantage that all direct reduction plants can continue to operate without interruption and with only a slight deviation from normal operation.
  • FIG.1 is a schematic diagram showing an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • the plant network comprises a direct reduction plant and two electric melting furnaces, for example of the SAF type.
  • a control is carried out which is described using one of the two melting furnaces, whereas the other of the two melting furnaces is referred to as "another melting furnace” or second melting furnace.
  • the plant network is operated, preferably for as long as possible, in a regular operating mode, as shown in the flow chart, part A.
  • sponge iron is melted, optionally with the additional addition of other iron-containing materials such as scrap, to form a metallic melt, in particular pig iron.
  • iron ore is reduced to sponge iron by means of reducing gases, preferably hydrogen and/or natural gas.
  • Sponge iron that has been produced is continuously conveyed to the electric melting furnace and sponge iron that has reached the electric melting furnace is fed into the melting furnace.
  • the sponge iron is melted to form a molten bath of metallic melt and slag floating on the metallic melt.
  • This operation of the plant network is represented in regular operating mode by rectangle 1 within the flow chart.
  • the melt pool quantity is continuously or quasi-continuously determined, represented by branch 2.
  • a query can be made after reaching or exceeding a specified melt pool quantity limit.
  • the process described above continues in regular operating mode, see No branch.
  • a tapping is planned within the regular operating mode, but this is preceded by a check for the presence of a portable collecting container at the collecting position, for example a melt ladle, in branch 3 (see Yes branch). If the result of the check for the presence of the portable collecting container at the collecting position is positive, i.e. if, for example, a ladle is positioned at the collecting position, tapping 4 takes place. Otherwise, i.e. if the result of the check for the presence of the portable collecting container is negative, the system network along the No branch, starting from branch 3, is switched from regular operating mode to a buffer operating mode, which is represented by part B of the flow chart.
  • the electrical operating power of the electric melting furnace is reduced to save electrical energy, for example to the minimum permissible operating power for the present type of melting furnace.
  • the sponge iron which was intended to be added to the melting furnace and continues to be produced in undiminished quantities per unit of time is no longer introduced into the melting furnace, but instead is temporarily stored at an intermediate storage position.
  • the intermediate storage takes place by filling a first intermediate storage position with iron sponge (HDRI) that is still warm from step A), represented by branch 6, branch "No” and rectangle 7. Only after Filling the first interim storage position, specifically: after reaching a capacity limit of the first interim storage position, a second interim storage position for longer-term storage (CDRI) is filled, represented by branch 8, branch "No" and rectangle 9.
  • HDRI iron sponge
  • CDRI longer-term storage
  • the direct reduction plant is switched to throttled operation, see branch 8, branch "Yes".
  • the direct reduction plant then operates with reduced output, with the output essentially being dimensioned in such a way that the remaining output is adapted to the supply of the second electric melting furnace, which continues to operate unchanged, see rectangle 11.
  • the throttled operation of the direct reduction plant is therefore adapted to the capacity of the second melting furnace for sponge iron.
  • the throttle operation provides for a transition of the direct reduction plant to a standby mode in which no more sponge iron is produced.
  • the system network is therefore controlled, with the melt pool quantity and the presence of a collecting container being used as control variables.
  • the described sequence of checking the operating conditions and the measures taken achieves a high degree of stability and operational reliability.
  • a particular advantage of the described sequence of steps is that the continued operation of the direct reduction plant is ensured at a comparatively high level of utilization, which can be achieved, among other things, by intermediate storage of the sponge iron produced beforehand.
  • the use of more than one melting furnace makes it possible to avoid a complete shutdown of the system network with a high degree of probability.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds beschrieben, der einen elektrischen Schmelzofen und eine Direktreduktionsanlage aufweist.
Während des Betriebs des Anlagenverbunds wird die Schmelzbadmenge ermittelt.
Bei Erreichen oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Schmelzbadmengengrenze erfolgt ein Abstich.
Vor dem Abstich wird eine Prüfung auf das Vorhandensein eines Auffangbehältnisses für die Schmelze durchgeführt. Wenn kein transportables Auffangbehältnisses vorhanden ist, dann wird der Anlagenverbund von dem regulären Betriebsmodus in einen Pufferbetriebsmodus umgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds umfassend einen elektrischen Schmelzofen und eine Direktreduktionsanlage.
  • Im Zuge der Bestrebungen, den CO2-Ausstoß in Zusammenhang mit Stahlherstellung zu reduzieren, erfährt die Stahlerzeugung in einer sogenannten Elektrostahl-Route erhebliche Beachtung. Bei der Elektrostahl-Route wird als Ausgangsstoff direkt reduziertes Eisen (Eisenschwamm), teilweise in reduzierter Form und/oder Schrott, eingesetzt. Dieses Ausgangsmaterial wird in einem Lichtbogen-Schmelzofen (electric arc furnace, kurz: EAF) aufgeschmolzen und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt mittels Einblasens von Sauerstoff von Sauerstoffaffinen Bestandteilen befreit.
  • Aufgrund der erwarteten verstärkten Nutzung von Stahlherstellung mittels Elektrostahl-Route gewinnen Bemühungen an Bedeutung, die Effizienz einer solchen Stahlherstellung zu verbessern. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abstimmung der Prozessschritte einer Elektrostahl-Route bereitzustellen.
  • Die Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds vorgesehen. Der Anlagenverbund umfasst zumindest einen elektrischen Schmelzofen und eine stromaufwärts des Schmelzofens angeordnete Direktreduktionsanlage. Das Verfahren soll insbesondere als Verfahren zur Herstellung von Roheisen ausgebildet sein.
  • Ein wesentlicher Gedanke der vorgestellten Erfindung besteht also darin, dass der Betrieb des Anlagenverbunds insgesamt betrachtet wird, wobei der Anlagenverbund sowohl den Schmelzofen als auch die Direktreduktionsanlage umfasst. Für den aufeinander abgestimmten Betrieb des Anlagenverbunds sind seine Bestandteile, insbesondere der Schmelzofen und die Direktreduktionsanlage, miteinander gekoppelt, beispielsweise über eine gemeinsame Steuereinrichtung, beispielsweise einem Leitstand zur Steuerung.
  • Der Begriff der stromaufwärts des Schmelzofens angeordneten Direktreduktionsanlage ist dahingehend zu verstehen, dass der Schmelzofen im Verfahrensablauf unmittelbar auf die Direktreduktionsanlage folgt, das heißt: Das in der Direktreduktionsanlage hergestellte Erzeugnis wird zu dem Schmelzofen befördert und/oder zwischengelagert.
  • Die Direktreduktionsanlage ist eine Anlage, in welcher eine Feststoffreaktion stattfindet, bei der Sauerstoff aus dem Eisenerz entfernt wird. Als Reduktionsmittel hierfür werden beispielsweise Kohle oder Erdgas, insbesondere kohlenstoffhaltige und/oder wasserstoffhaltige und/oder kohlenwasserstoffhaltige Gase, oder, in jüngerer Vergangenheit und erwarteter Weise in der Zukunft verstärkt, atomarer beziehungsweise molekularer Wasserstoff als Reduktionsmittel genutzt. Die Reaktion findet bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Eisenerzes statt, sodass die äußere Form weitgehend unverändert bleibt.
  • Die Direktreduktionsanlage kann beispielsweise als Schachtofen ausgebildet sein mit einer Reduktionszone, die von dem Eisenerz entgegen der Reduktionsgasrichtung durchlaufen wird. In einer alternativen Ausführungsform kann die Direktreduktionsanlage auch beispielsweise als Drehrohrofen ausgebildet sein, durch welchen das Eisenerz entgegen der Strömungsrichtung des Reduktionsgases befördert wird. Direktreduktionsanlagen als solche sind aus der Praxis gut bekannt.
  • Bei dem elektrischen Schmelzofen, auch als Elektrowärmeanlage zum Aufschmelzen von Metall oder Erhitzen von flüssigem Metall bezeichnet, kann es sich beispielsweise um einen Schmelzofen mit direkter Lichtbogeneinwirkung (electric arc furnace, Akronym: EAF) handeln, wobei Lichtbögen zwischen der Elektrode und dem Metall gebildet werden. Mögliche Ausführungen sind Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFac), Gleichstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFdc) und Pfannenofen (Ladle furnace, Akronym: LF).
  • Bevorzugt ist der Schmelzofen, der erfindungsgemäß benutzt wird, aber als Schmelzofen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung ausgebildet. Ein solcher Schmelzofen funktioniert auf dem Prinzip, Lichtbögen zwischen der Elektrode und der Charge zu bilden und die Charge oder die Schlacke insbesondere mittels Joule-Effekts zu erwärmen. Schmelzöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung können beispielsweise als Lichtbogen-Reduktionsöfen (submerged electric arc furnace, Akronym: SAF), bei denen die Elektrode in die Charge oder Schlacke eingetaucht ist, als Wechselstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFac) oder als Gleichstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFdc) ausgebildet sein. Andere Ausführungen sind Öfen, bei denen die Elektrode knapp oberhalb der Schlacke endet. Bei diesem Ofentyp ist die Schlacke zumindest im Bereich der Elektrode nicht durch die Charge abgeschirmt. Die Schlacke ist also nach oben hin offen und der sich zur Schlacke ausbildende bürstenförmige Lichtbogen (brush arc) von oben einsehbar. Dieser Ofentyp wird als open slag bath furnace (OBSF) bezeichnet.
  • Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelzofen als Lichtbogen-Reduktionsofen (submerged electric arc furnace, SAF) ausgebildet.
  • Alternativ besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelzofen als open slag bath furnace (OBSF) ausgebildet.
  • Grundsätzlich erfolgt die Herstellung von Roheisen derart, dass direktreduziertes Eisen und/oder Schrott in einem Schmelzofen, beispielsweise mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung, zu einer metallischen Schmelze aufgeschmolzen wird, wobei sich eine Schlacke bildet. Die Schlacke wird durch die Zugabe von Schlackenbildnern konditioniert, insbesondere wird die Zusammensetzung der Schlacke gesteuert. Auch die Zugabe von Kohlenstoffträgern, beispielsweise Kohle oder Koks, kann vorgesehen sein.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Anlagenverbund, welcher in der oben beschriebenen Weise zumindest den elektrischen Schmelzofen und die stromaufwärts des Schmelzofens angeordnete Direktreduktionsanlage umfasst, wenigstens zwei Betriebsmodi vorsieht, nämlich einen regulären Betriebsmodus des Anlagenverbunds sowie einen Pufferbetriebsmodus.
  • Es ist vorgesehen, dass in dem regulären Betriebsmodus des Anlagenverbunds in dem Schmelzofen Eisenschwamm zu einer metallischen Schmelze, insbesondere Roheisen, aufgeschmolzen wird und in diskreter Folge eine Entnahme von metallischer Schmelze aus dem Schmelzofen mittels Abstichs der Schmelze erfolgt.
  • In dem regulären Betriebsmodus werden die nachfolgend genannten Schritte durchgeführt, wobei die Schritte bevorzugt alle parallel stattfinden:
    1. A) In kontinuierlichem Betrieb der Direktreduktionsanlage erfolgt das Reduzieren von Eisenerz mittels reduzierender Gase, insbesondere Wasserstoffs, besonders bevorzugt molekularen Wasserstoffs H2, und/oder mittels Erdgases und/oder weiterer Gase wie beispielsweise Kokereigase, zu Eisenschwamm. Besonders bevorzugt ist ein Reduzieren mit einem möglichst hohen Anteil molekularen Wasserstoffs, beispielsweise einem Anteil von > 90 Vol.-% molekularen Wasserstoffs an dem eingesetzten reduzierenden Gas.
    2. B) Hergestellter Eisenschwamm wird fortlaufend zu dem elektrischen Schmelzofen befördert und in den Schmelzofen hineingegeben. Das fortlaufende Befördern kann in kontinuierlicher Weise erfolgen, beispielsweise mit einem Förderband, oder alternativ auch in quasi-kontinuierlicher Weise, beispielsweise mit einem Auffüllen von Transportbehältnissen und einer Beförderung in dem jeweiligen Transportbehältnis nach Erreichen einer bestimmten Füllmenge in dem Transportbehältnis. Bei dem Transportbehältnis kann es sich beispielsweise um einen Eisenbahnwaggon handeln. Eine weitere denkbare Ausführung quasi-kontinuierlicher Beförderung ist der Transport über Rohre und/oder Bunker. Neben dem Eisenschwamm werden bevorzugt auch weitere Stoffe in den Schmelzofen eingegeben, besonders bevorzugt werden Zuschlagstoffe zu dem Schmelzofen befördert und in den Schmelzofen hineingegeben, optional zusätzlich Kohlenstoffträger wie Koks und/oder Kohle sowie optional alternativ oder zusätzlich eisenhaltige Stoffe wie beispielsweise Schrott.
    3. C) In dem Schmelzofen wird der hineingegebene Eisenschwamm, mit den bevorzugt ebenfalls eingegebenen Zuschlagstoffen, aufgeschmolzen, wobei sich ein Schmelzbad aus metallischer Schmelze bildet, auf dem eine sich ebenfalls bildende Schlacke schwimmt. Die Eigenschaften der Schlacke werden bevorzugt über Zuschläge wie beispielsweise Kalk, Sand, Bauxit und/oder ähnliche, gezielt beeinflusst.
    4. D) In diskreter Folge wird ein Abstich entnommen, das heißt: es wird metallische Schmelze aus dem Schmelzofen abgelassen und in ein transportables Auffangbehältnis gegeben, das zuvor einer vorgegebenen Auffangposition positioniert worden ist. Beispielsweise kann für einen geeignet langen Zeitraum eine Ausgabeöffnung an einer Unterseite oder Seitenwand des Schmelzofens geöffnet werden, aus welcher sodann Schmelze ausläuft. Unterhalb der Ausgabeöffnung kann beispielsweise ein als sogenannte Auffangpfanne ausgebildetes Auffangbehältnis positioniert werden. Auffangpfannen können beispielsweise als Bestandteil eines der Fachperson bekannten Pfannenwagens bereitgestellt werden.
  • Während des Betriebs des Anlagenverbunds wird eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Ermittlung der Schmelzbadmenge durchgeführt, das heißt: es wird in ununterbrochener Weise oder in sich in kurzer Folge regelmäßig oder unregelmäßig wiederholenden Zeitabständen, beispielsweise von höchstens wenigen Minuten oder maximal einer halben Stunde Abstand, die Schmelzbadmenge bestimmt. Als Maß für die Schmelzbadmenge kann beispielsweise ein Höhenniveau der Schlacke innerhalb des Schmelzofens ermittelt werden, welches beispielsweise optisch ermittelt werden kann. Die optische Ermittlung kann beispielsweise mit einer Wärmebildkamera erfolgen. Auch eine sensorische Ermittlung, beispielsweise mittels Radarsensoren oder Ultraschallsensoren kann vorgesehen sein. Die Ermittlung der Schmelzbadmenge kann grundsätzlich beispielsweise auf direktem Weg erfolgen, beispielsweise mittels optischer Inspektion; alternativ kann die Schmelzbadmenge auf indirektem Weg bestimmt werden, beispielsweise mittels fortgeführter Erstellung einer Massenbilanz aus hineingegebenem und entnommenem Material. Eine weitere mögliche Methode der indirekten Bestimmung ist die Ermittlung über elektromagnetische Eigenschaften der Schmelze, die beispielsweise über eine Stromeigenschaft, beispielsweise den elektrischen Widerstand, an einer Elektrode des Schmelzofens ermittelt werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Abstich bei Erreichen oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Schmelzbadmengengrenze erfolgt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dies bedeuten, dass die vorgegebene Schmelzbadmengengrenze unterhalb der maximalen Aufnahmekapazität des Schmelzofens liegt, beispielsweise im Bereich zwischen 40 Prozent und 90 Prozent, bevorzugt zwischen 60 Prozent und 90 Prozent, der Aufnahmekapazität bei Betrachtung des Volumens. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die vorgegebene Schmelzbadmenge der maximalen Aufnahmekapazität entspricht oder die vorgegebene Schmelzbadmenge maximal 10 Prozent, bevorzugt maximal 5 Prozent, unterhalb der maximalen Aufnahmekapazität liegt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt vor der tatsächlichen Entnahme des Abstichs als Bestandteil der Durchführung des Abstichs eine Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition. Dies kann beispielsweise durch Abfrage mittels eines elektronischen Schalters an der Parkposition des Auffangbehältnisses erfolgen. Aber auch eine manuelle Erfassung nach optischer Inspektion durch eine Werksarbeiterin oder einen Werksarbeiter kann für die Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses vorgesehen sein.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei positivem Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition der Abstich erfolgt, wohingegen bei negativem Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses der Anlagenverbund von dem regulären Betriebsmodus in einen Pufferbetriebsmodus umgestellt wird.
  • Insgesamt ist also vorgesehen, dass ein Anlagenverbund, umfassend wenigstens einen elektrischen Schmelzofen und eine stromaufwärts des Schmelzofens angeordnete Direktreduktionsanlage, gesamtheitlich betrachtet sowohl einen regulären Betriebszustand als auch einen Pufferbetriebszustand einnehmen kann. Der Eintritt in den Pufferbetriebszustand erfolgt in Abhängigkeit von der Einnahme zweier überwachter Parameter:
    1. 1. Der erste Parameter ist die kontinuierlich oder quasikontinuierlich erfasste Schmelzbadmenge, wobei bei Erreichen oder bei Überschreiten der vorgegebenen Schmelzbadmengengrenze eine notwendige Bedingung für den Eintritt in den Pufferbetriebsmodus gegeben ist.
    2. 2. Der zweite Parameter ist das Ergebnis der Abfrage des Vorhandenseins des Auffangbehältnisses an der Auffangposition. Das Nichtvorhandensein des Auffangbehältnisses an der Auffangposition ist die hinreichende Bedingung für den Eintritt des Anlagenverbunds in den Pufferbetriebsmodus, welche gemeinsam mit der unter 1. beschriebenen notwendigen Bedingung für den Eintritt in den Pufferbetriebsmodus gegeben sein muss.
  • Die beschriebene Vorgehensweise stellt eine Steuerung dar, die Bestandteil eines Regelkreises sein kann, und die auf der regelmäßigen Erfassung zweier Parameter beruht, nämlich der beiden oben genannten und erläuterten Parametern. Die beschriebene Vorgehensweise hat zum Resultat, dass im Rahmen der betrachteten Parameter der reguläre Betriebszustand beibehalten wird, solange eine ausreichend zahlreiche Versorgung mit Auffangbehältnissen sichergestellt ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in dem Pufferbetriebsmodus nicht mehr wie im regulären Betriebszustand dahingehend vorgegangen wird, dass ein fortlaufendes Befördern von hergestelltem Eisenschwamms zu dem elektrischen Schmelzofen erfolgt, und am elektrischen Schmelzofen angelangter Eisenschwamm in den Schmelzofen hineingegeben wird, sondern stattdessen der Eisenschwamm zwar unverändert hergestellt wird, aber der für den elektrischen Schmelzofen vorgesehene Anteil des Eisenschwamms jedoch an einer Zwischenlagerposition zwischengelagert wird. Bevorzugt ist das Umstellen von der Beförderung des Eisenschwamms zu dem Schmelzofen und der dortigen Hineingabe in den Schmelzofen hinein hin zu einer Verfahrensweise, bei welcher der Eisenschwamm stattdessen zunächst eine Zwischenlagerung erfährt, der erste Abwandlungsschritt, besonders bevorzugt für einen maximal möglichen ersten Zeitraum auch der einzige Abwandlungsschritt, in welchem der Pufferbetriebsmodus sich von dem regulären Betriebsmodus des Anlagenverbunds unterscheidet. Diese beschriebene Weiterbildung sieht also vor, dass in dem Pufferbetriebsmodus die erfindungsgemäß durchgeführten Schritte A), C) und D) zunächst unverändert durchgeführt werden, dabei lediglich Schritt B) in der beschriebenen abgewandelten Weise durchgeführt wird. Durch diese Vorgehensweise kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass während des ersten Zeitraums das Überleiten des Betriebsmodus des Anlagenverbunds in seinen Pufferbetrieb der Weiterbetrieb des Anlagenverbunds ohne größere Eingriffe in die einzelnen Bestandteile des Anlagenverbunds, insbesondere den Schmelzofen und die Direktreduktionsanlage, möglich ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass in dem Pufferbetriebsmodus eine elektrische Betriebsleistung des elektrischen Schmelzofens verringert wird mit der vorteilhaften Folge einer Ersparnis von elektrischer Energie. Besonders bevorzugt wird die Betriebsleistung auf eine minimale Betriebsleistung verringert. Diese vorteilhafte Weiterbildung sieht also gegenüber dem regulären Betriebsmodus die Abwandlung des Schritts C) vor. Die minimale Betriebsleistung kann beispielsweise diejenige Betriebsleistung sein, welche gerade noch die Flüssighaltung der noch in dem Schmelzofen vorhandenen Schmelze gewährleistet und/oder die Vermeidung von irreversiblen Schäden aufgrund der Abkühlung des Schmelzofens vermeidet. Das Betreiben des Schmelzofens mit geringerer Energieaufnahme geht mit einer beträchtlichen Ersparnis elektrischen Stroms einher und ist insbesondere in solchen Fällen vorteilhaft, in denen sich als absehbar erwiesen hat, dass das erneute Bereitstellen eines transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition des elektrischen Schmelzofens noch eine längere Zeitdauer erfordert.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Vorgehensweise im Pufferbetriebsmodus sieht vor, dass für das Zwischenlagern des Eisenschwamms wenigstens zwei Zwischenlagerpositionen vorgesehen sind, wobei prioritär eine erste Zwischenlagerposition mit aus dem Schritt A) noch warmen Eisenschwamm (hot direct reduced iron, HDRI) aufgefüllt wird. Besonders bevorzugt wird erst nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der ersten Zwischenlagerposition eine zweite Zwischenlagerposition für längerfristige Lagerhaltung (cold direct redduced iron, CDRI) aufgefüllt. Die zwei Zwischenlagerpositionen unterscheiden sich insbesondere auch dahingehend, dass nach einer Rückkehr in den regulären Betriebsmodus ein Hineingeben von Eisenschwamm aus dem Zwischenlager prioritär aus der ersten Zwischenlagerposition heraus erfolgen kann mit dem Vorteil, dass aufgrund der in dem HDRI bei nicht zu langer Lagerung noch vorhandenen Wärmeenergie das Hineingeben in den elektrischen Schmelzofen gegenüber einer alternativen Hineingabe von CDRI energetisch vorteilhaft ist. Es ist auch denkbar, dass mehr als ein Bunker jedes der genannten Arten vorhanden ist.
  • Die erste Zwischenlagerposition und die zweite Zwischenlagerposition können beispielsweise als zwei unabhängig voneinander befüllbare und jeweils mit dem Schmelzofen verbundene Bunkergehäuse ausgebildet sein, die jeweils eine öffen- und schließbare Zuführung zu dem Schmelzofen aufweisen und die bevorzugt oberhalb des Schmelzbads positioniert sind zum schwerkraftgetriebenen Hineingeben des Eisenschwamms in den Schmelzofen nach Öffnung der Zuführung.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Verfahrensweise in dem Pufferbetriebsmodus wird der kontinuierliche Betrieb der Direktreduktionsanlage in einen Drosselbetrieb umgeschaltet. Das bedeutet, dass in der vorteilhaften Weiterbildung als weitere Maßnahme der Pufferbetriebsmodus eine gegenüber dem regulären Betriebsmodus abgewandelte Vorgehensweise des Schritts A) des regulären Betriebsmodus vorsieht.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Verfahrensweise in dem Pufferbetriebsmodus wird der kontinuierliche Betrieb der Direktreduktionsanlage nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der zweiten Zwischenlagerposition, nicht jedoch vorher, in den Drosselbetrieb umgeschaltet. Das bedeutet, dass als weitere Maßnahme der Pufferbetriebsmodus auch eine abgewandelte Vorgehensweise in dem erfindungsgemäßen Schritt A) des regulären Betriebsmodus vorsieht. Der Drosselbetrieb kann beispielsweise dadurch charakterisiert sein, dass der Durchsatz der Herstellung von Eisenschwamm reduziert wird oder alternativ vollständig eingestellt wird.
  • Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante des Drosselbetriebs wird nachfolgend beschrieben.
  • In der besonders bevorzugten Verfahrensvariante des Drosselbetriebs ist vorgesehen, dass der Anlagenverbund n Schmelzöfen, aber wenigstens zwei Schmelzöfen, umfasst. n bezeichnet dabei eine ganze Zahl größer oder gleich 2. In dieser Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Umschalten der Direktreduktionsanlage von dem kontinuierlichen Betrieb auf den Drosselbetrieb umfasst, dass in dem Pufferbetriebsmodus des Anlagenverbunds und innerhalb dieses in dem Drosselbetrieb der Direktreduktionsanlage die Direktreduktionsanlage eine verringerte Menge an Eisenschwamm pro Zeiteinheit herstellt. Das bedeutet insbesondere, dass der Drosselbetrieb nicht vorsieht, dass die Direktreduktionsanlage vollständig stillgelegt wird, sondern dass lediglich von dem pro Zeiteinheit hergestellten Eisenschwamm im regulären Betriebsmodus umgeschaltet wird zu der Herstellung einer geringeren Menge von Eisenschwamm pro Zeiteinheit, was beispielsweise erreicht werden kann mittels geringerer Zufuhr von Edukten sowie von Reaktionsgasen.
  • Besonders bevorzugt weist also der Anlagenverbund n Schmelzöfen auf, aber wenigstens zwei Schmelzöfen. Dies ist dahingehend zu verstehen, dass der Anlagenverbund den eingangs beschriebenen elektrischen Schmelzofen aufweist sowie n-1 weitere, bevorzugt elektrische, Schmelzöfen. In dieser bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem Pufferbetriebsmodus die n-1 weiteren Schmelzöfen unverändert, also wie im regulären Betrieb auch, weiterbetrieben werden. Dies führt zu einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens, in welcher in dem Pufferbetriebsmodus, soweit die übrigen ereignisauslösenden Ereignisse eintreffen (insbesondere: Prüfung auf Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses ist negativ und sowohl erste als auch zweite Zwischenlagerposition haben ihre Aufnahmekapazitätsgrenze erreicht) die in der Direktreduktionsanlage pro Zeiteinheit hergestellte Menge an Eisenschwamm reduziert wird, aber die in der Direktreduktionsanlage pro Zeiteinheit hergestellte Menge an Eisenschwamm nicht auf 0 heruntergefahren wird. Das bedeutet, dass die Direktreduktionsanlage zwar gedrosselt wird, ihr Betrieb jedoch nicht eingestellt wird. Dies bedeutet im Ergebnis, dass ein kontinuierlicher Betrieb der Direktreduktionsanlage mit hoher Wahrscheinlichkeit gewährleistet ist, womit eine entsprechende Betriebssicherheit einhergeht.
  • Besonders bevorzugt erfolgt das Verringern der Herstellung von Eisenschwamm in dem Drosselbetrieb so, dass die in dem Drosselbetrieb gegenüber dem regulären Betriebsmodus nicht mehr hergestellte Menge des Eisenschwamms an die Menge angepasst eingestellt wird, bevorzugt: der Menge entsprechend eingestellt wird, die von dem Schmelzofen, welcher in dem Pufferbetriebsmodus abweichend von dem regulären Betriebsmodus betrieben wird, weniger benötigt wird als es im regulären Betriebsmodus der Fall wäre, sie wird also um den nicht mehr angeforderten Eisenschwammdurchsatz, das heißt: Eisenschwammmenge pro Zeiteinheit, reduziert. In einem beispielhaften Fall, in dem das fortlaufende Befördern von hergestelltem Eisenschwamm zu dem elektrischen Schmelzofen eingestellt und das Hineingeben des am elektrischen Schmelzofen angelangten Eisenschwamms in den Schmelzofen hinein eingestellt wird mittels Zwischenlagerns des hergestellten Eisenschwamms an einer Zwischenlagerposition, würde im Drosselbetrieb die Menge des in der Direktreduktionsanlage erzeugten Eisenschwamms derjenigen Menge an Eisenschwamm entsprechen, welche in den n-1 weiteren Schmelzöfen, nicht aber in dem nicht mehr beförderten Schmelzofen, durchgesetzt wird.
  • Mit anderen Worten: Bevorzugt wird im Drosselbetrieb der Direktreduktionsanlage die Reduktion der Menge an Eisenschwamm pro Zeiteinheit derart dimensioniert, die Reduktion der Menge an Eisenschwamm derjenigen Menge entspricht, welche der elektrische Schmelzofen, der im Pufferbetriebsmodus mit einer verringerten elektrischen Betriebsleistung betrieben wird oder, bevorzugt, mit einer minimalen Betriebsleistung betrieben wird, oder - alternativ - nicht mehr mit Eisenschwamm befüllt wird, nicht mehr benötigt, beziehungsweise derjenigen Menge entspricht, welche der elektrische Schmelzofen, der im Pufferbetriebsmodus nicht mehr mittels Hineingebens des am elektrischen Schmelzofen angelangten Eisenschwamms in den Schmelzofen hinein versorgt wird, nicht mehr benötigt.
  • Alternativ kann der Drosselbetrieb aber auch einem Bereitschaftsmodus entsprechen, in welchem kein Eisenschwamm mehr hergestellt wird. Eine solche Ausführung des Drosselbetriebs ist beispielsweise dann bevorzugt, wenn der Anlagenverbund nur einen Schmelzofen aufweist; oder wenn der Anlagenverbund zwar mehr als einen Schmelzofen aufweist, aber wenn alle Schmelzöfen des Anlagenverbunds eine Schmelzbadmenge oberhalb der vorgegebenen Schmelzbadmengengrenze aufweisen und an keinem der Schmelzöfen das Vorhandensein eines transportablen Auffangbehältnisses festgestellt werden kann.
  • Beispielsweise wird in einem Fall, in welchem der Anlagenverbund zwei elektrische Schmelzöfen aufweist, nämlich den elektrischen Schmelzofen sowie einen weiteren elektrischen Schmelzofen, nach dem Erreichen der Aufnahmekapazitätsgrenze der ersten Zwischenlagerposition sowie dem Erreichen der Aufnahmekapazitätsgrenze der zweiten Zwischenlagerposition die Direktreduktionsanlage in den Drosselbetrieb umgeschaltet, wobei die Direktreduktionsanlage in dem Drosselbetrieb eine Menge an Eisenschwamm pro Zeiteinheit produziert, welche im Wesentlichen um den Eisenschwammbedarf des elektrischen Schmelzofens im regulären Betrieb reduziert ist; die im Drosselbetrieb also tatsächlich noch produzierte Menge an Eisenschwamms entspricht folglich der nur von dem weiteren Schmelzofen allein, also dem zweiten Schmelzofen, für ein Einschmelzen noch durchsetzbaren Menge an Eisenschwamm pro Zeiteinheit.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem Pufferbetriebsmodus die Prüfung auf das Vorhandensein des Auffangbehältnisses an der Auffangposition in quasikontinuierlicher Weise wiederholt wird - beispielsweise in regelmäßiger Folge im Abstand von maximal 5 Minuten -, und dass, sobald die Prüfung erstmals wieder ein positives Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition ergibt, der Abstich erfolgt und, gegebenenfalls mit einer vorgegebenen Latenzzeit, eine Umstellung des Betriebsmodus des Anlagenverbunds von dem Pufferbetriebsmodus in den regulären Betriebsmodus erfolgt.
  • Die Ermittlung der Schmelzbadmenge kann beispielsweise mittels optischer Inspektion erfolgen oder mittels Massenbilanzaufstellung durchgeführt werden, also einer Bilanzierung der Massen der in den Schmelzofen hinein gegebenen Edukte einerseits wie auch der aus dem Schmelzofen abgelassenen Produkte beziehungsweise Beiprodukte.
  • In einer optionalen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder seiner Weiterbildungen kann vorgesehen sein, dass der Anlagenverbund zusätzlich zu der Direktreduktionsanlage wenigstens eine weitere Direktreduktionsanlage aufweist, wobei die Betriebsführung aller Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds über eine gemeinsame Steuereinrichtung gesteuert wird. In diesem Fall kann in dem Pufferbetriebsmodus vorgesehen sein, dass nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der Zwischenlagerposition der kontinuierliche Betrieb genau einer Direktreduktionsanlage der Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds in einen ersten Drosselbetrieb umgeschaltet wird, um die Menge des hergestellten Eisenschwamms zu reduzieren. Bevorzugt erfolgt diese Reduktion in dem Umfang, wie er in dem Pufferbetriebsmodus des Schmelzofens von diesem nicht mehr angefordert wird. Bei zunehmend sinkender Anforderung von Eisenschwamm durch den Schmelzofen oder die Menge mehrerer Schmelzöfen kann die Menge in dem ersten Drosselbetrieb hergestellten Eisenschwamms reduziert werden solange, bis eine Umschaltung der ersten Direktreduktionsanlage in ihren Bereitschaftsmodus erfolgt. Erst nach diesem Umschalten wird, sofern die Anforderung von Eisenschwamm noch weiter sinkt, eine weitere Direktreduktionsanlage des Anlagenverbunds ebenfalls in einen Drosselbetrieb umgeschaltet.
  • In einer alternativen Betriebsführung der Menge mehrerer Direktreduktionsanlagen wird im Gegensatz zu der oben beschriebenen Vorgehensweise der kontinuierliche Betrieb wenigstens zweier, bevorzugt aller, Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds in einen Drosselbetrieb umgeschaltet. Bevorzugt werden alle Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung des Verringerns der Herstellung von Eisenschwamm angesteuert. Das heißt, dass ähnlich wie bei der ersten Alternative die Menge an hergestelltem Eisenschwamm reduziert wird, diese Reduktion aber von allen Direktreduktionsanlagen gleichmäßig, entweder im gleichen Gesamtumsatz oder im gleichen Anteil des jeweiligen Maximalumsatzes, getragen wird. Insbesondere bei absehbar nur kurzzeitigem Erfordernis eines Drosselbetriebs weist diese Vorgehensweise den Vorteil auf, dass alle Direktreduktionsanlagen unterbrechungslos und nur mit geringer Abweichung vom Normalbetrieb weiterbetrieben werden können.
  • Der dargestellten Fig. 1 ist eine Prinzipskizze zu entnehmen, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
  • Der Anlagenverbund umfasst in einer beispielhaften Ausführungsform eine Direktreduktionsanlage sowie zwei elektrische Schmelzöfen, beispielsweise vom Typ SAF. Es erfolgt eine Regelung, die anhand eines der beiden Schmelzöfen beschrieben wird, wohingegen auf den anderen der beiden Schmelzöfen als "weiterer Schmelzofen" oder zweiter Schmelzofen Bezug genommen wird.
  • Der Anlagenverbund wird betrieben, und zwar vorzugsweise solange, wie möglich, in einem regulären Betriebsmodus, wie es in dem Flussdiagramm, Teil A, dargestellt ist. In beiden Schmelzöfen wird Eisenschwamm, optional mit zusätzlicher Zugabe weiterer eisenhaltiger Stoffe wie beispielsweise Schrott, zu einer metallischen Schmelze, insbesondere Roheisen, aufgeschmolzen. In kontinuierlichem Betrieb der Direktreduktionsanlage wird Eisenerz mittels reduzierender Gase, bevorzugt mittels Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases, zu Eisenschwamm reduziert. Fortlaufend wird hergestellter Eisenschwamm zu dem elektrischen Schmelzofen befördert und am elektrischen Schmelzofen angelangter Eisenschwamm in den Schmelzofen hineingegeben. In dem Schmelzofen wird der Eisenschwamm unter Bildung eines Schmelzbads aus metallischer Schmelze und einer auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke aufgeschmolzen. Dieser Betrieb des Anlagenverbunds wird im regulären Betriebsmodus innerhalb des Flussdiagramms von dem Rechteck 1 repräsentiert.
  • Während des Betriebs des Anlagenverbunds erfolgt eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Ermittlung der Schmelzbadmenge, repräsentiert durch Verzweigung 2. Es kann beispielsweise eine Abfrage nach Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Schmelzbadmengengrenze erfolgen. Solange die Bedingung nicht erfüllt ist, läuft der oben beschriebene Prozess in regulärem Betriebsmodus weiter, siehe Nein-Abzweigung. Sobald die Bedingung erfüllt ist, wird innerhalb des regulären Betriebsmodus ein Abstich vorgesehen, dem jedoch eine - siehe Ja-Abzweigung - eine Prüfung auf das Vorhandensein eines transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition, beispielsweise einer Schmelzenpfanne, vorangestellt ist, und zwar in Verzweigung 3. Nach positivem Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition, also dann, wenn beispielsweise eine Pfanne an der Auffangposition positioniert ist, erfolgt der Abstich 4. Anderenfalls, also bei negativem Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses, wird der Anlagenverbund entlang der Nein-Abzweigung ausgehend von Verzweigung 3 von dem regulären Betriebsmodus in einen Pufferbetriebsmodus umgestellt, der von Teil B des Flussdiagramms repräsentiert wird.
  • Repräsentiert durch Rechteck 5: In dem Pufferbetriebsmodus wird gemäß einer Ausführungsform die elektrische Betriebsleistung des elektrischen Schmelzofens zum Einsparen von elektrischer Energie verringert, beispielsweise auf die für den vorliegenden Typ des Schmelzofens minimale zulässige Betriebsleistung. Zudem wird der Eisenschwamm, der zur Zugabe in den Schmelzofen vorgesehen gewesen ist, und weiterhin in unverminderter Menge pro Zeiteinheit hergestellt wird, nicht mehr in den Schmelzofen eingeführt, sondern stattdessen an einer Zwischenlagerposition zwischengelagert.
  • Das Zwischenlagern erfolgt in der dargestellten beispielhaften Variante, indem prioritär eine erste Zwischenlagerposition mit aus dem Schritt A) noch warmem Eisenschwamm (HDRI) aufgefüllt wird, repräsentiert durch Verzweigung 6, Abzweigung "Nein" sowie Rechteck 7. Erst nach Auffüllen der ersten Zwischenlagerposition, konkret: nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der ersten Zwischenlagerposition, wird eine zweite Zwischenlagerposition für längerfristige Lagerhaltung (CDRI) aufgefüllt, repräsentiert durch Verzweigung 8, Abzweigung "Nein" sowie Rechteck 9.
  • In dem Pufferbetriebsmodus erfolgt in quasikontinuierlicher Weise eine erneute Prüfung auf das Vorhandensein des Auffangbehältnisses an der Auffangposition, repräsentiert durch Kreis 10. Sobald die Prüfung erstmals wieder ein positives Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition ergibt, erfolgt der Abstich und die Rückkehr des Betriebsmodus des Anlagenverbunds von dem Pufferbetriebsmodus in den regulären Betriebsmodus.
  • Sobald die Aufnahmekapazitätsgrenze der zweiten Zwischenlagerposition erreicht wurde, wird die Direktreduktionsanlage in einen Drosselbetrieb umgeschaltet, siehe Verzweigung 8, Abzweigung "Ja". Der Betrieb der Direktreduktionsanlage erfolgt hiernach mit vermindertem Ausstoß, wobei der Ausstoß im Wesentlichen derart dimensioniert wird, dass der verbleibende Ausstoß an die Versorgung des unverändert betriebenen zweiten elektrischen Schmelzofens angepasst ist, siehe Rechteck 11. Der gedrosselte Betrieb der Direktreduktionsanlage wird also an die Aufnahmekapazität des zweiten Schmelzofens für Eisenschwamm angepasst.
  • Auch alternative Ausführungsformen des Verfahrens sind möglich. In einer Alternative, in welcher der Anlagenverbund nicht zwei, sondern nur einen Schmelzofen aufweist, sieht der Drosselbetrieb einen Übergang der Direktreduktionsanlage in einen Bereitschaftsbetriebsmodus vor, in welchem keine Herstellung von Eisenschwamm mehr erfolgt.
  • Es erfolgt also eine Regelung des Anlagenverbunds, wobei als Regelgrößen die Schmelzbadmenge und das Vorhandensein eines Auffangbehältnisses genutzt werden. Durch die beschriebene vorgesehene Reihenfolge der Prüfung der Betriebszustände und der getroffenen Maßnahmen wird ein hohes Maß an Stabilität und Betriebssicherheit erreicht. Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Schrittfolge ist, dass der Weiterbetrieb der Direktreduktionsanlage bei vergleichsweise hoher Auslastung sichergestellt ist, was unter anderem durch vorangestelltes Zwischenlagern von hergestelltem Eisenschwamm erreicht werden kann. Weiterhin ergibt sich aus der gemäß einigen Weiterbildungen vorgesehenen Nutzung von mehr als einem Schmelzofen die Möglichkeit, eine vollständige Stilllegung des Anlagenverbunds mit hoher Wahrscheinlichkeit vermeiden zu können.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds umfassend einen elektrischen Schmelzofen und eine stromaufwärts des Schmelzofens angeordnete Direktreduktionsanlage, insbesondere zur Herstellung von Roheisen,
    wobei in einem regulären Betriebsmodus des Anlagenverbunds in dem Schmelzofen Eisenschwamm - optional mit zusätzlicher Zugabe weiterer Stoffe wie beispielsweise Schrott, Kohlenstoffträgern und/oder Schlackenbildnern - zu einer metallischen Schmelze, insbesondere Roheisen, aufgeschmolzen wird und in diskreter Folge eine Entnahme von metallischer Schmelze und/oder Schlacke aus dem Schmelzofen mittels Abstichs der Schmelze erfolgt, indem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
    A) In kontinuierlichem Betrieb der Direktreduktionsanlage Reduzieren von Eisenerz mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases, zu Eisenschwamm;
    B) fortlaufendes Befördern von hergestelltem Eisenschwamm zu dem elektrischen Schmelzofen und Hineingeben des am elektrischen Schmelzofen angelangten Eisenschwamms in den Schmelzofen hinein;
    C) Aufschmelzen des in den Schmelzofen hineingegebenen Eisenschwamms unter Bildung eines Schmelzbads aus metallischer Schmelze und einer auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke;
    D) in diskreter Folge Entnahme eines Abstichs, das heißt: Ablassen von metallischer Schmelze aus dem Schmelzofen in ein transportables Auffangbehältnis, das an einer vorgegebenen Auffangposition positioniert ist,
    wobei
    während des Betriebs des Anlagenverbunds eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Ermittlung der Schmelzbadmenge durchgeführt wird, wobei
    der Abstich erfolgt bei Erreichen oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Schmelzbadmengengrenze,
    wobei vor dem Abstich eine Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition durchgeführt wird, wobei bei positivem Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition der Abstich erfolgt und bei negativem Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses der Anlagenverbund von dem regulären Betriebsmodus in einen Pufferbetriebsmodus umgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pufferbetriebsmodus
    eine elektrische Betriebsleistung des elektrischen Schmelzofens verringert wird zum Einsparen von elektrischer Energie,
    bevorzugt verringert auf eine minimale Betriebsleistung.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pufferbetriebsmodus
    das fortlaufende Befördern von hergestelltem Eisenschwamm zu dem elektrischen Schmelzofen eingestellt und Hineingeben des am elektrischen Schmelzofen angelangten Eisenschwamms in den Schmelzofen hinein eingestellt wird mittels Zwischenlagerns des hergestellten Eisenschwamms an einer Zwischenlagerposition.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pufferbetriebsmodus
    nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der Zwischenlagerposition der kontinuierliche Betrieb der Direktreduktionsanlage in einen Drosselbetrieb umgeschaltet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pufferbetriebsmodus
    eine erste Zwischenlagerposition mit aus dem Schritt A) noch warmen Eisenschwamm (HDRI) aufgefüllt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pufferbetriebsmodus die erste Zwischenlagerposition und eine zweite Zwischenlagerposition mit im Schritt A) hergestelltem Eisenschwamm aufgefüllt wird,
    bevorzugt zuerst die erste Zwischenlagerposition mit aus dem Schritt A) noch warmen Eisenschwamm (HDRI) aufgefüllt wird, und nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der ersten Zwischenlagerposition eine zweite Zwischenlagerposition für längerfristige Lagerhaltung (CDRI) aufgefüllt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenlagerposition und die zweite Zwischenlagerposition zwei unabhängig voneinander befüllbare und jeweils mit dem Schmelzofen gekoppelte Bunkergehäuse sind, wobei wenigstens die erste Zwischenlagerposition mit dem Schmelzofen verbunden ist, eine öffen- und schließbare Zuführung zu dem Schmelzofen aufweist und bevorzugt oberhalb des Schmelzbads positioniert ist zum schwerkraftgetriebenen Hineingeben des Eisenschwamms in den Schmelzofen, bevorzugt beide Zwischenlagerpositionen mit dem Schmelzofen verbunden sind, jeweils eine öffen- und schließbare Zuführung zu dem Schmelzofen aufweisen und bevorzugt oberhalb des Schmelzbads positioniert sind zum schwerkraftgetriebenen Hineingeben des Eisenschwamms in den Schmelzofen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pufferbetriebsmodus
    nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der zweiten Zwischenlagerposition der kontinuierliche Betrieb der Direktreduktionsanlage in einen Drosselbetrieb umgeschaltet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagenverbund n Schmelzöfen, aber wenigstens zwei Schmelzöfen, umfasst, wobei in dem Pufferbetriebsmodus die Direktreduktionsanlage zum Verringern der Menge des hergestellten Eisenschwamms in den Drosselbetrieb umgeschaltet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Direktreduktionsanlage zum Verringern der Herstellung von Eisenschwamm in den Drosselbetrieb umgeschaltet wird, bevorzugt zum Verringern um den in dem Pufferbetriebsmodus nicht mehr angeforderten Eisenschwammdurchsatz des Schmelzofens, der in dem Pufferbetriebsmodus abweichend von dem regulären Betriebsmodus betrieben wird, insbesondere betrieben wird nach einem der Ansprüche 2 oder 3.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagenverbund n Schmelzöfen, aber wenigstens zwei Schmelzöfen, umfasst, das heißt: den elektrischen Schmelzofen und n-1 weitere Schmelzöfen, wobei in dem Pufferbetriebsmodus die n-1 weiteren Schmelzöfen wie im regulären Betrieb weiterbetrieben werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass, sobald alle Schmelzöfen eine Schmelzbadmenge oberhalb der vorgegebenen Schmelzbadmengengrenze aufweisen und an keinem der Schmelzöfen das Vorhandensein eines transportablen Auffangbehältnisses festgestellt werden kann, die Direktreduktionsanlage in einen als Bereitschaftsmodus ausgebildeten Drosselbetrieb umgeschaltet wird, in welchem die Herstellung von Eisenschwamm gestoppt ist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pufferbetriebsmodus die Prüfung auf das Vorhandensein des Auffangbehältnisses an der Auffangposition in quasikontinuierlicher Weise wiederholt wird, und dass, sobald die Prüfung erstmals wieder ein positives Ergebnis der Prüfung auf das Vorhandensein des transportablen Auffangbehältnisses an der Auffangposition ergibt, der Abstich erfolgt und eine Umstellung des Betriebsmodus des Anlagenverbunds von dem Pufferbetriebsmodus in den regulären Betriebsmodus erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Ermittlung der Schmelzbadmenge mittels optischer Inspektion erfolgt, oder
    - die Ermittlung der Schmelzbadmenge mittels Massenbilanzaufstellung erfolgt, oder
    - die Ermittlung der Schmelzbadmenge taktil erfolgt, oder
    - die Ermittlung der Schmelzbadmenge mittels Radarsensoren oder mittels Ultraschallsensoren erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagenverbund zusätzlich zu der Direktreduktionsanlage wenigstens eine weitere Direktreduktionsanlage aufweist, wobei die Betriebsführung aller Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds über eine gemeinsame Steuereinrichtung gesteuert wird, wobei in dem Pufferbetriebsmodus nach dem Erreichen einer Aufnahmekapazitätsgrenze der Zwischenlagerposition
    - der kontinuierliche Betrieb genau einer Direktreduktionsanlage der Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds in einen ersten Drosselbetrieb umgeschaltet wird zum Verringern der Herstellung von Eisenschwamm, bevorzugt zum Verringern um den in dem Pufferbetriebsmodus nicht mehr angeforderten Eisenschwammdurchsatz des Schmelzofens, der in dem Pufferbetriebsmodus abweichend von dem regulären Betriebsmodus betrieben wird, insbesondere betrieben wird nach einem der Ansprüche 2 oder 3, und eine weitere Direktreduktionsanlage des Anlagenverbunds der Direktreduktionsanlagen erst dann ebenfalls in einen Drosselbetrieb umgeschaltet wird, nachdem die in den ersten Drosselbetrieb umgeschaltete Direktreduktionsanlage in einen als Bereitschaftsmodus ausgebildeten Drosselbetrieb umgeschaltet worden ist, in welchem die Herstellung von Eisenschwamm gestoppt ist, oder
    - der kontinuierliche Betrieb wenigstens zweier, bevorzugt aller, Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds in einen Drosselbetrieb umgeschaltet wird zum Verringern der Herstellung von Eisenschwamm in den Drosselbetrieb, bevorzugt zum Verringern um den in dem Pufferbetriebsmodus nicht mehr angeforderten Eisenschwammdurchsatz des Schmelzofens, der in dem Pufferbetriebsmodus abweichend von dem regulären Betriebsmodus betrieben wird, insbesondere betrieben wird nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei bevorzugt alle Direktreduktionsanlagen des Anlagenverbunds mit einer im Wesentlichen gleichmäßig verteilten Verringerung der Herstellung von Eisenschwamm angesteuert werden.
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