EP4438745A1 - Verfahren zum betreiben eines anlagenverbunds - Google Patents

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EP4438745A1
EP4438745A1 EP23164818.9A EP23164818A EP4438745A1 EP 4438745 A1 EP4438745 A1 EP 4438745A1 EP 23164818 A EP23164818 A EP 23164818A EP 4438745 A1 EP4438745 A1 EP 4438745A1
Authority
EP
European Patent Office
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dra
metallization
degree
plant
melting furnace
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
EP23164818.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Jonas Fabry
Marius GROSSARTH
Dr. Daniel SCHUBERT
Dr. Matthias Weinberg
Caroline Biedermann
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
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority to EP23164818.9A priority Critical patent/EP4438745A1/de
Priority to PCT/EP2024/056407 priority patent/WO2024199973A1/de
Priority to CN202480022704.0A priority patent/CN120917157A/zh
Priority to JP2025556703A priority patent/JP2026511244A/ja
Publication of EP4438745A1 publication Critical patent/EP4438745A1/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
    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
    • C21B13/143—Injection of partially reduced ore into a molten bath
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0073—Selection or treatment of the reducing gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2300/00—Process aspects
    • C21B2300/02—Particular sequence of the process steps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2300/00—Process aspects
    • C21B2300/04—Modeling of the process, e.g. for control purposes; CII

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a plant network, wherein the plant network comprises a direct reduction plant and an electric melting furnace arranged downstream of the direct reduction plant.
  • sponge iron is based on the principle of reducing iron ore by exposing it to reducing gas, whereby the Fe compounds present in the iron ore, in particular Fe-O compounds, are broken down by reduction and metallic iron remains as a result of this metallization.
  • the sponge iron leaves the direct reduction plant with a degree of metallization MG DRA , where the degree of metallization is defined as the quotient of the mass of elemental iron present Fe elemental and the mass of total iron present Fe total .
  • the degree of metallization is understood to be the weight ratio of metallic iron to total iron in percent. This means that after the iron sponge has passed through the direct reduction plant, a proportion of MG DRA of the Fe atoms present are present in metallic form.
  • the iron sponge which contains a proportion of MG DRA of the Fe atoms in metallic form and a proportion of 1-MG DRA of the Fe atoms in bound form, is fed into the melting furnace.
  • the Fe atoms not yet metallized during direct reduction are then largely metallized in the subsequent melting process, which takes place with the addition of carbon carriers in particular, to a degree of metallization of MG product .
  • the degree of metallization of the MG product is 100 percent or is only slightly below 100 percent, a maximum of 2 percent. This means that the iron contained in the total of the metallic melt and the slag formed has been at least almost completely metallized.
  • the invention is solved by a method having the features of claim 1.
  • the plant network comprises at least one direct reduction plant, i.e. one direct reduction plant or more than one, for example two, direct reduction plants and an electric melting furnace arranged downstream of the direct reduction plant.
  • the process can, for example, be designed as a process 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 direct reduction plant and the melting furnace, are coupled to one another, for example via a common control device, for example a control center.
  • melting furnace arranged downstream of the direct reduction plant 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, but no cleaning and/or other further processing of the product manufactured in the direct reduction plant takes place.
  • the direct reduction plant is a plant in which a solid reaction takes place in which oxygen is removed from the iron ore.
  • Coal or natural gas for example, or, in the recent past and expected to become increasingly common in the future, atomic or molecular hydrogen are used as reducing agents.
  • 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 in the opposite direction to 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 in the opposite direction to the flow of the reducing gas. Direct reduction plants as such are well known in 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).
  • a melting furnace is used that is operated electrically. Any type of electrically operated melting furnace can be considered, with a preferred possibility being a melting furnace that operates with arc resistance heating. Such 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, for example, be used 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.
  • 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 an open slag bath furnace (OBSF).
  • 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
  • iron ore passes through the direct reduction plant in continuous operation of the plant network.
  • the iron ore is reduced to sponge iron by means of reducing gas, in particular by means of molecular hydrogen and/or by means of natural gas.
  • the process control and the process parameters for example the length of time the iron ore stays in the direct reduction plant and the flow rate of reducing gas, cause the iron ore to be converted to sponge iron with a degree of metallization MG DRA .
  • the degree of metallization MG DRA is more than 80 percent, preferably more than 90 percent, particularly preferably more than 95 percent, at the location where the sponge iron exits the direct reduction plant.
  • the sponge iron which has the degree of metallization MG DRA , is fed into the melting furnace.
  • the iron sponge is melted with the addition of carbon carriers, optionally with additional addition of other iron-containing materials such as scrap and/or additives for conditioning the slag that is formed, to a melt bath of metallic melt with a product metallization degree MG product and the slag floating on the metallic melt.
  • the properties of the slag are preferably influenced in a targeted manner using additives such as lime, sand, bauxite and/or similar.
  • a tap is taken in discrete succession, i.e. metallic melt is drained from the melting furnace and placed in a portable collecting container that has previously been positioned in a predetermined collecting position.
  • a discharge opening on the underside or side wall of the melting furnace can be opened for a suitably long period of time, from which melt then flows.
  • a collecting container designed as a so-called collecting pan can be positioned below the discharge opening.
  • Collecting pans can, for example, be provided as part of a ladle trolley known to those skilled in the art.
  • a product property of products produced in the system network is determined continuously or quasi-continuously by means of a sensor.
  • the invention further provides for a change in the operation of the system network in order to set a predetermined degree of metallization MG DAA,target depending on the determined product property.
  • the invention is therefore based on the fundamental idea of reducing the overall reduction work to be achieved in the plant network during the production of a metallic melt, in particular of pig iron, i.e. the
  • the total amount of chemical-physical processes required to produce a melt with a product metallization level MG product is to be divided between two central systems in the system network, namely the process in the direct reduction system on the one hand and the process in the melting furnace on the other.
  • Dividing the reduction work between the two basic processes in the system network has the advantage that the overall process can be specifically adapted to the current conditions using a single parameter that can be set, controlled or regulated, namely the metallization level MG DRA .
  • the great advantage of this approach is that a large number of physical variables that can be measured directly on the system are directly linked to the metallization level MG DRA . Once corresponding system-specific empirical data on this coupling between the metallization level MG DRA and a respective physical variable have been obtained, this can be directly converted into a change in the metallization level MG DRA to suit the requirements.
  • This intended division of the reduction work between the processes taking place in the direct reduction plant on the one hand and the processes taking place in the melting furnace on the other hand is achieved in concrete implementation by setting a predetermined metallization level MG DAA,target , i.e.: If the metallization level MG DRA of the sponge iron on leaving the direct reduction plant corresponds to the predetermined metallization level MG DRA,target , the operation of the plant network is continued in an unchanged manner; if the metallization level MG DRA deviates from the predetermined metallization level MG DRA,target , the operation of the plant network is changed in such a way that the Degree of metallization MG DRA develops towards its target value MG DRA,target .
  • Changing the operation of the system network to set the specified degree of metallization is carried out on the basis of a value of a product property of products produced in the system network, which is determined continuously or quasi-continuously by means of a sensor.
  • a product which is produced in the system network and which has a correlation with the degree of metallization MG DRA is examined using sensors, and then, based on the sensor results obtained, it is determined via the correlation of the product with the degree of metallization MG DRA , in particular via the correlation of the product property with the degree of metallization MG DRA , whether the operation of the system network can be continued unchanged or whether a change in the operation of the system network is necessary.
  • the correlation of the product with the degree of metallization MG DRA is preferably an injective function "degree of metallization MG DRA ⁇ product property", particularly preferably a bijective function "degree of metallization MG DRA ⁇ product property".
  • the correlation of the product property with the degree of metallization MG DRA can, for example, be an empirically found relationship.
  • the degree of metallization MG DRA is determined continuously or quasi-continuously using an empirically determined assignment of the product property to the degree of metallization MG DRA .
  • the degree of metallization can then be compared with the specified degree of metallization MG DRA,target , and in the case of If a deviation of the degree of metallization MG DRA from the specified degree of metallization MG DRA,target is detected, the change in the operation of the system network can be initiated to set the specified degree of metallization MG DRA,target .
  • the change in the operation of the system network to set the specified degree of metallization MG DRA,target is initiated if a deviation of the degree of metallization MG DRA from the specified degree of metallization MG DRA,target is detected, the amount of which is greater than a minimum deviation, which is accompanied by the advantage of greater process stability.
  • the above-described evaluation of the degree of metallization based on empirical data, the comparison with the specified degree of metallization, and - if necessary - the initiation of the change in the operation of the system network can be controlled, for example, by a control device of the system network to which both the direct reduction plant and the melting furnace as well as the sensor are coupled.
  • target for example, an empirically determined allocation set of the product property to the metallization level MG DRA can be used, on the basis of which the setting of the change in the operation of the system network is made, preferably by means of control, particularly preferably by means of regulation.
  • the required change in the product property is inferred, ie: the degree of the required change in the product properties is determined so that the change in the operation of the system network based on a known deviation in the degree of metallization, a change in the operation of the system network is derived with the aim of achieving a desired change in the product property.
  • a property that is determined from a product produced in the direct reduction plant can be used as a product property.
  • a property determined from a product produced in the melting furnace can be used as a product property.
  • the above examples of product properties have the common advantage that they each involve physical parameters that can be directly measured using a suitable sensor.
  • the sensor is therefore designed, for example, as a sensor that senses the directly measurable physical parameter.
  • the senor can be a CO sensor and the product property can be the CO content in the melting furnace exhaust gas or the ratio of the volume flows CO/CO 2 in the melting furnace exhaust gas.
  • the product property can be the CO content in the melting furnace exhaust gas or the ratio of the volume flows CO/CO 2 in the melting furnace exhaust gas.
  • CO carbon monoxide
  • a preferably bijective dependence of the CO content in the melting furnace exhaust gas on the degree of metallization MG DRA can be empirically determined; once such an empirical determination has been carried out for a specific plant, The degree of metallization MG DRA is determined based on the empirically determined assignment of the product property to the degree of metallization MG DRA .
  • a comparison can then be made with the specified degree of metallization MG DRA, target and - depending on the result of this comparison - the operation of the system network can be changed to restore the specified degree of metallization MG DRA, target .
  • the characteristic values can therefore be, for example, characteristic value DRA , where the characteristic value DRA is a measure of the specific CO 2 emissions of the direct reduction plant that depends on the degree of metallization MG DRA , and characteristic value melting furnace , where characteristic value melting furnace can be a measure of the specific CO 2 emissions of the melting furnace that depends on the degree of metallization MG product .
  • the specified degree of metallization MG DRA,target is defined as the degree of metallization for which Min[parameter DRA (MG DRA ) + parameter melting furnace (1-MG DRA )] applies, where the formula symbol "Min" denotes the determination of the minimum.
  • Min parameter DRA
  • MG product 1-MG DRA
  • the proportion of iron that has not yet been metallized is typically well below 5 percent, mostly below 2 percent, usually in the order of 1 percent. whereby the majority of this non-metallized iron is in turn a component of the slag.
  • the described procedure for changing the operation of the plant network is based on a determination of a deviation of a degree of metallization MG DRA , determined indirectly, namely via the product property, from a target value MG DRA,target , whereby the target value is determined on the basis of two plant-specific characteristic curves, whereby each of the two characteristic curves depends on the degree of metallization of the iron, and the characteristic values can, for example, be one of the values mentioned above; the determination of the target value MG DRA,target is then carried out by determining the minimum of the sum of the two characteristic curves, as stated in the equation above.
  • characteristic curve does not necessarily imply that the characteristic curve must be present as a closed analytical function;
  • Each of the two characteristic curves can be a list of points, for example in two-dimensional space, whereby finding the minimum does not necessarily have to be done analytically, but in a numerical way, which is of course possible for the expert without any problems.
  • the characteristic value is a measure of the specific CO 2 emissions
  • the described implementation by means of a corresponding characteristic value-driven selection of the MG DRA,Target leads to the CO 2 emissions of the plant network being reduced by distributing the reduction work between the direct reduction plant and the melting furnace.
  • Shifting the reduction work from the direct reduction plant to the melting furnace therefore leads to a reduction in the reduction work in the direct reduction plant and an increase in the reduction work in the melting furnace, or vice versa.
  • Figs. 1a )-c) the basic starting point of the procedure according to the invention is shown schematically.
  • Fig. 1a) and Fig. 1b ) empirically determined plant-specific characteristic curves can be found.
  • the in Fig. 1a ) represents the first plant-specific characteristic curve characteristic DRA -MG DRA of the direct reduction plant and the Fig. 1b ) represents the second plant-specific characteristic curve characteristic value melting furnace -MG product of the melting furnace.
  • it can be an allocation of a specific CO 2 emission specified in kilograms/(ton of pig iron produced), i.e. a measure of the specific CO 2 emission of the respective plant depending on the degree of metallization.
  • the characteristic value is plant-specific and was obtained empirically, for example through appropriate test operation or through data obtained during regular operation.
  • the specified degree of metallization MG DRA,target is determined from the two characteristic curves, for example on the basis of a determination, whereby the specified degree of metallization MG DRA,target is determined as the degree of metallization for which the sum curve of the considered characteristic value DRA (MG DRA ) and the considered characteristic value melting furnace (1-MG DRA ), shown in Fig. 1c ), becomes minimal.
  • this can be used to distribute the total reduction work carried out in the plant network for the metallization of the iron contained in the iron ore when operating the plant network.
  • FIG. 2 An embodiment of a method according to the invention for operating a plant network 1 comprising a direct reduction plant 2 and an electric melting furnace 3 arranged downstream of the direct reduction plant 2 is shown in the schematic representation of the Fig. 2
  • iron ore or iron ore carriers pass through the direct reduction plant 2 and are reduced there by means of reducing gas, in particular by means of molecular hydrogen and/or using natural gas, to form sponge iron, which exits the lock 2' with a degree of metallization MG DRA and is then fed into the melting furnace 3.
  • the sponge iron is melted with the addition of carbon carriers, for example hard coal and/or coke, with other components optionally being added to the melt.
  • Such other components can be, for example, iron-containing materials such as scrap or additives for adjusting the composition of the slag that is formed.
  • the metallic melt produced in the melt bath 3, which together with the slag that is formed has a total degree of product metallization of, for example, more than 98 percent, can be removed from the melting furnace 3 in discrete succession by tapping the melt.
  • a product property formed as the CO content in the melt bath exhaust gas is determined by means of a CO sensor 4.
  • a product property of a product produced in the melting furnace 3 of the system network 1, or more precisely: a byproduct is considered.
  • the detection of this product property, i.e. the CO content, preferably the ratio of the volume flows CO/CO 2 in the melting furnace exhaust gas, and its evaluation is implemented by the control device 5, which can be, for example, a control station or a control unit coupled to the control station.
  • the determined product property is used to continuously or quasi-continuously determine the degree of metallization MG DRA linked to the measured product property at the current time or at a back-projected time, based on the determined product property. determine, see reference number 6.
  • the degree of metallization MG DRA is determined on the basis of available empirical data, namely an empirically determined assignment of the product property to the degree of metallization MG DRA .
  • the change in the operation of the system network 1 is initiated, for example by the control device 5, to set the degree of metallization MG DRA to the specified degree of metallization MG DRA,target .
  • the operation of the system network 1 is therefore changed to set a specified degree of metallization MG DRA,target depending on the determined product property.
  • the change in the operation of the system network 1 for increasing the degree of metallization MG DRA can, for example, consist in the flow rate of reducing gas in the direct reduction system 2 being increased, which the control device initiates by controlling the flow valve 8.
  • the length of time the iron ore to be reduced to sponge iron remains in the direct reduction plant 2 can be extended, whereby for each of the two measures or for both measures in combination, the extent of the required effect of changing the operation on the product property, i.e.
  • the quantitative degree of change in the CO content in the melting furnace 3 through the required increase in the flow rate of reducing gas in the direct reduction plant and/or the extension of the length of time the iron ore to be reduced to sponge iron remains in the direct reduction plant 2 is taken from previously stored quantitative data, which is an example of the empirically determined allocation quantity of the product property to the degree of metallization MG DRA already explained above.
  • the choice of the degree of changing the operation on the product property itself can be made by setting on the basis of empirical values, i.e. empirically stored secondary control data, by controlling or by regulating.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds (1) beschrieben, umfassend eine Direktreduktionsanlage (2) mit einer Schleuse (2`) und einen elektrischen Schmelzofen (3). Bei dem Verfahren wird mittels eines Sensors (4) eine Produkteigenschaft ermittelt und in Abhängigkeit von dieser der Metallisierungsgrad des Eisenschwamms in der Direktreduktionsanlage (2) eingestellt.
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine
Steuereinrichtung (5) verwendet werden, um beispielsweise über eine Zuordnungsmenge (7) mittels des mit Bezugszeichen (6) gezeigten Rückschlusses die Ansteuerung eines
Durchflussventils (8) vorzunehmen, um über die Einstellung der Durchflussrate an reduzierendem Gas den Metallisierungsgrad zu verändern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds, wobei der Anlagenverbund eine Direktreduktionsanlage und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage angeordneten elektrischen Schmelzofen aufweist.
  • 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 elektrisch betriebenen Schmelzofen aufgeschmolzen, bei dem es sich beispielsweise um einen Lichtbogen-Schmelzofen handeln kann (electric arc furnace, kurz: EAF), und es wird gegebenenfalls in einem weiteren Schritt mittels Einblasens von Sauerstoff von Sauerstoffaffinen Bestandteilen befreit. Die Herstellung des Eisenschwamms erfolgt zuvor in einer Direktreduktionsanlage. Die Herstellung von Eisenschwamm basiert dabei auf dem Prinzip, Eisenerz durch Beaufschlagung mit reduzierendem Gas zu reduzieren, wodurch die in dem Eisenerz vorhandenen Fe-Verbindungen, insbesondere Fe-O-Verbindungen, durch Reduktion aufgebrochen werden und als Folge dieser Metallisierung metallisches Eisen zurückbleibt. Der Eisenschwamm verlässt die Direktreduktionsanlage mit einem Metallisierungsgrad MGDRA, wobei der Metallisierungsgrad definiert ist als der Quotient aus der Masse elementar vorliegenden Eisens Feelementar und der Masse insgesamt vorliegenden Eisens Fetotal.
  • In dem ersten erfolgenden Schritt der Direktreduktion wird der größte Anteil des im Eisenerz enthaltenen Eisens metallisiert, und typischerweise ist dies für einen als Metallisierungsgrad bezeichneten Anteil MGDRA von deutlich oberhalb von 80 Prozent der vorhandenen Atome der Fall. Unter Metallisierungsgrad wird das Gewichtsverhältnis von metallischem Eisen zum Gesamteisen in Prozent verstanden. Das heißt, dass nach durchlaufen der Direktreduktionsanlage der entnommene Eisenschwamm ein Anteil von MGDRA der vorhandenen Fe-Atome in metallischer Form vorliegen. Der Eisenschwamm, der einen Anteil von MGDRA der Fe-Atome in metallischer Form und einen Anteil von 1-MGDRA der Fe-Atome in gebundener Form enthält, wird in den Schmelzofen gegeben. Die noch nicht während der Direktreduktion metallisierten Fe-Atome werden sodann zu einem großen Teil in dem nachfolgenden Prozess des Aufschmelzens, welches unter Zugabe insbesondere von Kohlenstoffträgern erfolgt, bis zu einem Metallisierungsgrad von MGProdukt metallisiert. Der Metallisierungsgrad MGProdukt beträgt 100 Prozent oder liegt nur geringfügig, maximal 2 Prozent, unterhalb von 100 Prozent. Das heißt, dass das in der Gesamtheit aus metallischer Schmelze und gebildeter Schlacke enthaltene Eisen zumindest nahezu vollständig metallisiert wurde.
  • Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich unmittelbar, dass der Anteil der Metallisierungsprozesse in der Direktreduktionsanlage und der Anteil der Metallisierungsprozesse innerhalb des Schmelzofens unmittelbar miteinander verknüpft sind. Darauf aufbauend lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Verbesserung des Betriebs des Anlagenverbunds aus Direktreduktionsanlage und Schmelzofen 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 eine Direktreduktionsanlage, also eine Direktreduktionsanlage oder mehr als eine, beispielsweise zwei, Direktreduktionsanlagen und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage angeordneten elektrischen Schmelzofen.
  • Das Verfahren kann beispielsweise 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 die Direktreduktionsanlage und der Schmelzofen, miteinander gekoppelt, beispielsweise über eine gemeinsame Steuereinrichtung, beispielsweise einem Leitstand zur Steuerung.
  • Der Begriff des stromabwärts der Direktreduktionsanlage angeordneten Schmelzofens 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, es findet hingegen keine Reinigung und/oder anderweitige Weiterveredelung des in der Direktreduktionsanlage hergestellten Erzeugnisses statt.
  • 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 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).
  • Erfindungsgemäß wird ein Schmelzofen genutzt, der elektrisch betrieben wird. Dabei kommt jede Art eines elektrisch betriebenen Schmelzofens in Betracht, wobei eine bevorzugte Möglichkeit ein mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung arbeitender Schmelzofen ist. 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.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchläuft in einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds Eisenerz die Direktreduktionsanlage. Beim Durchlaufen der Direktreduktionsanlage wird das Eisenerz mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels molekularen Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases, zu Eisenschwamm reduziert. Die Verfahrensführung und die Prozessparameter, beispielsweise die Verbleibdauer des Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage und die Durchflussrate an reduzierendem Gas, bewirken, dass das Eisenerz zu Eisenschwamm umgewandelt wird mit einem Metallisierungsgrad MGDRA. Der Metallisierungsgrad MGDRA beträgt mehr als 80 Prozent, bevorzugt mehr als 90 Prozent, besonders bevorzugt mehr als 95 Prozent, am Ort des Austritts des Eisenschwamms aus der Direktreduktionsanlage heraus. Nach dem Austritt aus der Direktreduktionsanlage wird der Eisenschwamm, der den Metallisierungsgrad MGDRA aufweist, in den Schmelzofen hineingegeben.
  • In dem Schmelzofen erfolgt ein Aufschmelzen des Eisenschwamms unter Zugabe von Kohlenstoffträgern, optional mit zusätzlicher Zugabe weiterer eisenhaltiger Stoffe wie beispielsweise Schrott und/oder von Zuschlagstoffen für Konditionierung der sich bildenden Schlacke, zu einem Schmelzbad aus metallischer Schmelze mit einem Produktmetallisierungsgrad MGProdukt und der auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke. Die Eigenschaften der Schlacke werden bevorzugt über Zuschläge wie beispielsweise Kalk, Sand, Bauxit und/oder ähnliche, gezielt beeinflusst.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass kontinuierlich oder quasikontinuierlich mittels eines Sensors ein Ermitteln einer Produkteigenschaft von im Anlagenverbund erzeugten Produkten erfolgt.
  • Aufbauend auf dem Vorliegen der ermittelten Produkteigenschaft wird weiterhin erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der ermittelten Produkteigenschaft ein Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung eines vorgegebenen Metallisierungsgrads MGDAA,Soll durchgeführt.
  • Der Erfindung liegt also die grundlegende Überlegung zugrunde, die insgesamt in dem Anlagenverbund bei der Herstellung einer metallischen Schmelze, insbesondere von Roheisen, herbeizuführende Reduktionsarbeit, also der insgesamt bis zum Vorliegen der Schmelze mit Produktmetallisierungsgrad MGProdukt aufzuwendende Gesamtmenge chemisch-physikalischer Prozesse, gezielt auf zwei zentrale Anlagen des Anlagenverbunds aufzuteilen, nämlich auf den in der Direktreduktionsanlage ablaufenden Prozess einerseits sowie auf den in dem Schmelzofen ablaufenden Prozess andererseits. Das Aufteilen der Reduktionsarbeit auf die zwei grundlegenden in dem Anlagenverbund ablaufenden Prozesse hat den Vorteil, dass anhand eines einzigen einzustellenden oder zu steuernden oder zu regelnden Parameters, nämlich dem Metallisierungsgrad MGDRA, eine gezielte Anpassung des ingesamt ablaufenden Prozesses auf zu einem gegenwärtigen Zeitpunkt herrschende Rahmenbedingungen erfolgen kann. Hierzu kommt der große Vorteil dieser Vorgehensweise, dass eine Vielzahl von direkt an der Anlage messbaren physikalischen Größen unmittelbar mit dem Metallisierungsgrad MGDRA gekoppelt ist. Sofern also entsprechende anlagenspezifische empirische Daten dieser Kopplung zwischen Metallisierungsgrad MGDRA und einer jeweiligen physikalischen Größe einmal gewonnen worden sind, kann diese direkt in die erfordernisangepasste Veränderung des Metallisierungsgrads MGDRA umgesetzt werden.
  • Dieses vorgesehene Aufteilen der Reduktionsarbeit auf die in der Direktreduktionsanlage ablaufenden Prozesse einerseits und die in dem Schmelzofen ablaufenden Prozesse andererseits wird in der konkreten Umsetzung erreicht, indem ein vorgegebener Metallisierungsgrad MGDAA,Soll eingestellt wird, d. h.: Wenn der Metallisierungsgrad MGDRA des Eisenschwamms bei Austritt aus der Direktreduktionsanlage dem vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll entspricht, wird der Betrieb des Anlagenverbunds in unveränderter Weise fortgesetzt; wenn der Metallisierungsgrad MGDRA von dem vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll abweicht, wird der Betrieb des Anlagenverbunds verändert und zwar derart, dass der Metallisierungsgrad MGDRA sich hin zu seinem Sollwert MGDRA,Soll entwickelt.
  • Das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads erfolgt auf Basis eines kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich mittels eines Sensors ermittelten Wertes einer Produkteigenschaft von im Anlagenverbund erzeugten Produkten. Das bedeutet, dass ein Produkt, das im Anlagenverbund erzeugt wird, und welches eine Korrelation mit dem Metallisierungsgrad MGDRA aufweist, sensorisch untersucht wird, und daraufhin anhand der erhaltenen Sensorergebnisse über die Korrelation des Produkts mit dem Metallisierungsgrad MGDRA, insbesondere über die Korrelation der Produkteigenschaft mit dem Metallisierungsgrad MGDRA, ermittelt wird, ob der Betrieb des Anlagenverbunds unverändert weiterverfolgt werden kann, oder ob eine Veränderung des Betriebs des Anlagenverbunds erforderlich ist. Die Korrelation des Produkts mit dem Metallisierungsgrad MGDRA ist bevorzugt eine injektive Funktion "Metallisierungsgrad MGDRA → Produkteigenschaft", besonders bevorzugt eine bijektive Funktion "Metallisierungsgrad MGDRA → Produkteigenschaft". Die Korrelation der Produkteigenschaft mit dem Metallisierungsgrad MGDRA kann beispielsweise ein empirisch gefundener Zusammenhang sein.
  • Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ausgehend von der ermittelten Produkteigenschaft kontinuierlich oder quasikontinuierlich anhand einer empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA der Metallisierungsgrad MGDRA bestimmt wird. Das bedeutet, dass durch die gemessene Produkteigenschaft, anhand empirisch ermittelter und dadurch bekannter Daten, auf den Metallisierungsgrad MGDRA rückgeschlossen wird. Der Metallisierungsgrad kann sodann mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll verglichen werden, und bei Feststellen einer Abweichung des Metallisierungsgrads MGDRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll kann das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MGDRA,Soll initiiert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MGDRA,Soll initiiert, eine Abweichung des Metallisierungsgrads MGDRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll festgestellt ist, deren Betrag größer ist als eine Mindestabweichung, womit ein Vorteil einer größeren Prozessstabilität einhergeht. Die vorstehend beschriebene Auswertung des Metallisierungsgrads anhand empirischer Daten, der Abgleich mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad, und das - soweit erforderlich - Initiieren des Veränderns des Betriebs des Anlagenverbunds, können beispielsweise durch eine Steuereinrichtung des Anlagenverbunds, mit dem sowohl die Direktreduktionsanlage als auch der Schmelzofen als auch der Sensor gekoppelt sind, gesteuert werden.
  • Für das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des Metallisierungsgrads hin zu dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll kann beispielsweise auf eine empirisch ermittelte Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA zurückgegriffen werden, auf deren Grundlage die Einstellung des Veränderns des Betriebs des Anlagenverbunds erfolgt, bevorzugt mittels Steuerns, besonders bevorzugt mittels Regelns. Das bedeutet, dass in Abhängigkeit von dem Maß der Abweichung des Metallisierungsgrads von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad auf die erforderliche Veränderung der Produkteigenschaft rückgeschlossen wird, d. h.: das Maß der erforderlichen Veränderung der Produkteigenschaften ermittelt wird, sodass das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds ausgehend von einer bekannten Abweichung des Metallisierungsgrads auf eine Veränderung des Betriebs des Anlagenverbunds mit dem Ziel einer gewünschten Veränderung der Produkteigenschaft abgeleitet wird.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung kann als Produkteigenschaft eine Eigenschaft genutzt werden, die an einem in der Direktreduktionsanlage erzeugten Produkt ermittelt wird.
  • Beispielsweise kann die Produkteigenschaft ausgebildet sein
    • als ein H2 Volumenstrom im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein H2-Sensor genutzt werden; oder
    • als ein Verhältnis der Volumenströme H2/H2O im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein H2-Sensor und als weiterer Sensor ein H2O-Sensor verwendet werden; oder
    • als ein CO-Volumenstrom im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor genutzt werden; oder
    • als ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO2 im Gichtgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor und als weiterer Sensor ein CO2-Sensor verwendet werden; oder
    • als ein direkt gemessener Metallisierungsgrad des Eisenschwamms, oder
    • als eine Sauerstoffmassenbilanz aus "Sauerstoff in den hineingegebenen Gasen" zu "Sauerstoff im Gichtgas", oder
    • als eine Austrittstemperatur des Eisenschwamms.
  • Alternativ kann als Produkteigenschaft eine Eigenschaft genutzt werden, die an einem in dem Schmelzofen erzeugten Produkt ermittelt wird.
  • In diesem Fall kann die Produkteigenschaft beispielsweise ausgebildet sein
    • als der CO-Gehalt im Schmelzofen-Abgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor genutzt werden; oder
    • als ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO2 im Schmelzofen-Abgas, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein CO-Sensor und als weiterer Sensor ein CO2-Sensor verwendet werden;
    • als eine Temperatur der Schmelze bei konstantem Energieeintrag, in diesem Fall kann beispielsweise als Sensor ein Thermometer verwendet werden; oder
    • als eine Sauerstoffaktivität in der Schmelze, oder
    • als eine Sauerstoffaktivität in der Schlacke ist, oder
    • eine Gesamtsauerstoffaktivität in der Schmelze und der Schlacke, oder
    • als eine Schlackeneigenschaft, insbesondere: Emissionskoeffizient oder Viskosität oder CaO-Gehalt oder SiO2-Gehalt oder CaO- sowie SiO2-Gehalt, oder
    • als ein Elementanteil an dem Roheisen, oder
    • als eine spezifische Schlackenmenge.
  • Die genannten Beispiele für eine Produkteigenschaft haben den gemeinsamen Vorteil, dass es sich jeweils um mit geeignetem Sensor direkt messbare physikalische Parameter handelt der Sensor ist also beispielsweise jeweils als den direkt messbaren physikalischen Parameter sensierender Sensor ausgebildet.
  • Beispielsweise kann der Sensor ein CO-Sensor sein und die Produkteigenschaft der CO-Gehalt im Schmelzofen-Abgas oder Verhältnis der Volumenströme CO/CO2 im Schmelzofen-Abgas. Beispielsweise lässt sich aufgrund der Bildung von Kohlenmonoxid, also CO, und der Abhängigkeit dessen Anteils an dem Abgas des Schmelzofens von dem Metallisierungsgrad MGDRA des Eisenschwamms und damit des noch in den Schmelzofen gelangenden Sauerstoff eine bevorzugt bijektive Abhängigkeit des CO-Gehalts im Schmelzofenabgas von dem Metallisierungsgrad MGDRA empirisch ermitteln; sobald eine solche empirische Ermittlung einmal anlagenspezifisch vorgenommen wurde, kann anhand der empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA der Metallisierungsgrad MGDRA bestimmt werden. Ausgehend von diesem bestimmten Metallisierungsgrad MGDRA kann sodann ein Vergleich mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll durchgeführt werden und - je nach Ergebnis dieses Vergleichs - das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds für die Wiederherstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll initiiert werden.
  • Es versteht sich von selbst, dass bei Umsetzung der Entwicklung durch die Fachperson bei Auswertung der Produkteigenschaft der Materialdurchfluss durch die Direktreduktionsanlage und den Schmelzofen sowie - je nach Art des verwendeten Sensors - eine eventuell vorhandene zusätzliche Latenz bei der Umsetzung des Veränderns des Betriebs des Anlagenverbunds berücksichtigt werden müssen. Dies beeinträchtigt nicht die Funktionsfähigkeit der oben beschriebenen Verfahren und ihrer Weiterbildungen, sondern führt zu je nach Art der Umsetzung abweichender Trägheit der Verfahrensführung, und ist beispielsweise im Falle einer Umsetzung als Regelung eine Frage der Trägheit eines Regelkreises. Die Wahl einer geeigneten Produkteigenschaft und einer diese ermittelnden Sensorik ist somit fachmännisch zu treffen und kann beispielsweise unter ökonomischen Gesichtspunkten oder unter Betrachtung der Anforderungen an die Trägheit einer Veränderung, einer Steuerung oder einer Regelung getroffen werden.
  • Der vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll kann beispielsweise anhand einer empirisch ermittelten ersten anlagenspezifischen Kennwertkurve KennwertDRA-MGDRA, also: KennwertDRA in Abhängigkeiten von Werten MGDRA, der Direktreduktionsanlage und anhand einer empirisch ermittelten zweiten anlagenspezifischen Kennwertkurve KennwertSchmelzofen-MGProdukt, also: KennwertSchmelzofen in Abhängigkeit von Werten MGProdukt, des Schmelzofens ermittelt werden. Die anlagenspezifische Kennwertekurve kann beispielsweise als Kennwerte
    • ein Maß für das Gewicht metallisierten Eisens pro Zeiteinheit, oder
    • ein Maß für spezifischen Energieumsatz, oder
    • ein Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß, oder
    • ein Maß für die spezifischen Gesamtkosten umfassen.
  • Soweit im vorigen Absatz von einem spezifischen Wert die Rede ist, ist dies bevorzugt zu verstehen als auf die Tonne produzierten Roheisens bezogen. Die genannten Kennwerte gelten dann jeweils als KennwertDRA für die Direktreduktionsanlage und als KennwertSchmelzofen für den Schmelzofen.
  • Die Kennwerte können also beispielsweise KennwertDRA sein, wobei der KennwertDRA ein vom Metallisierungsgrad MGDRA abhängiges Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß der Direktreduktionsanlage ist, und KennwertSchmelzofen sein, wobei KennwertSchmelzofen ein vom Metallisierungsgrad MGProdukt abhängiges Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß des Schmelzofens sein kann.
  • In einer speziellen Ausführungsform wird der vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll festgelegt als der Metallisierungsgrad, für den gilt Min[KennwertDRA (MGDRA) + KennwertSchmelzofen(1-MGDRA)], wobei das Formelzeichen "Min" die Bestimmung des Minimums bezeichnet. Das bedeutet zum ersten, dass vereinfacht davon ausgegangen wird, dass MGProdukt=1-MGDRA, was in der betrieblichen Umsetzung in vielen Fällen eine ausreichend genaue Abschätzung ist, da nach Durchlaufen von sowohl der Direktreduktionsanlage als auch dem Schmelzofen der Anteil des noch nicht metallisierten Eisens typischerweise deutlich unterhalb von 5 Prozent liegt, meistens unterhalb von 2 Prozent, in der Regel in der Größenordnung von 1 Prozent, wobei wiederum der größte Teil dieses nicht metallisierten Eisens Bestandteil der Schlacke ist. Zum Zweiten bedeutet dies, dass die beschriebene Vorgehensweise zum Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds ausgeht von einer Bestimmung einer Abweichung eines indirekt, nämlich über die Produkteigenschaft, ermittelten Metallisierungsgrads MGDRA von einem Sollwert MGDRA,Soll, wobei der Sollwert ausgehend von zwei anlagenspezifischen Kennwertkurven ermittelt wird, wobei jede der beiden Kennwertkurven von dem Metallisierungsgrad des Eisens abhängig ist, und es sich bei den Kennwerten beispielsweise um eine der oben genannten Werte handeln kann; die Bestimmung des Sollwerts MGDRA,Soll erfolgt sodann mittels Bestimmung des Minimums der Summe der beiden Kennwertkurven, so wie oben in der Gleichung angegeben. Es versteht sich von selbst, dass der Begriff der Kennwertkurve nicht zwangsläufig implizieren muss, dass die Kennwertkurve als geschlossene analytische Funktion vorliegen muss; es kann sich bei jeder der beiden Kennwertekurven um eine Liste von Punkten, beispielsweise im zweidimensionalen Raum, handeln, wobei das Finden des Minimums dann ebenfalls nicht zwangsläufig analytisch erfolgen muss, sondern in numerischer Weise, was selbstredend für die Fachperson unproblematisch möglich ist.
  • Wenn also beispielsweise der Kennwert ein Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß ist, führt die beschriebene Umsetzung mittels entsprechender Kennwert-getriebener Wahl des MGDRA,Soll dazu, dass durch Verteilung der Reduktionsarbeit zwischen der Direktreduktionsanlage und dem Schmelzofen der CO2-Ausstoß des Anlagenverbunds reduziert wird.
  • Wenn sich bei Auswertung der ermittelten Produkteigenschaft herausstellt, dass der Metallisierungsgrad MGDRA erhöht werden muss, also eine Verlagerung eines Anteils der Reduktionsarbeit von dem Schmelzofen in die Direktreduktionsanlage erfolgen soll, kann das Verändern des Betriebs zum Erhöhen des Metallisierungsgrads MGDRA beispielsweise umfassen:
    • Erhöhen der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage und/oder
    • Erhöhen der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes beziehungsweise der Eisenerzträger in der Direktreduktionsanlage,
    • Erhöhen der Gastemperatur des Reduktionsgases in einem Bereich zwischen 560 und 1150 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 900 und 1150 Grad Celsius.
  • Wenn sich bei Auswertung der ermittelten Produkteigenschaft herausstellt, dass der Metallisierungsgrad MGDRA reduziert werden muss, also eine Verlagerung eines Anteils der Reduktionsarbeit von der Direktreduktionsanlage in den Schmelzofen erfolgen soll, kann das Verändern des Betriebs zum Reduzieren des Metallisierungsgrads MGDRA beispielsweise umfassen:
    • Verringern der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage und/oder
    • Verringern der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage.
  • Das Verlagern der Reduktionsarbeit von der Direktreduktionsanlage in den Schmelzofen führt also spiegelbildlich zu einer Verringerung der Reduktionsarbeit in der Direktreduktionsanlage sowie einer Erhöhung der Reduktionsarbeit in dem Schmelzofen oder umgekehrt.
  • Den dargestellten Fig. 1 und Fig. 2 sind Prinzipskizzen zu entnehmen, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
  • In den Figs. 1a)-c) ist schematisch die grundlegende Ausgangsbasis der erfindungsgemäßen Vorgehensweise dargestellt. Fig. 1a) und Fig. 1b) sind jeweils empirisch ermittelte anlagenspezifische Kennwertkurven zu entnehmen. Die in Fig. 1a) gezeigte Kurve repräsentiert die erste anlagenspezifische Kennwertkurve KennwertDRA-MGDRA der Direktreduktionsanlage und die in Fig. 1b) gezeigte Kurve repräsentiert die zweite anlagenspezifische Kennwertkurve KennwertSchmelzofen-MGProdukt des Schmelzofens. Es kann sich beispielsweise um eine Zuordnung eines in Kilogramm/(Tonne erzeugten Roheisen) angegebenen spezifischen CO2-Ausstoßes handeln, also um ein Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß, der jeweiligen Anlage in Abhängigkeit von dem Metallisierungsgrad. Der Kennwert ist anlagenspezifisch und wurde empirisch gewonnen, beispielsweise durch entsprechenden Versuchsbetrieb oder durch im regulären Betrieb gewonnene Daten. Aus den beiden Kennwertkurven wird der vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll festgelegt, beispielsweise auf Basis einer Ermittlung, wobei der vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll festgelegt wird als der Metallisierungsgrad, für den gilt, dass die Summenkurve aus betrachtetem KennwertDRA(MGDRA) und betrachtetem KennwertSchmelzofen(1-MGDRA), dargestellt in Fig. 1c), minimal wird.
  • Sobald ein vorgegebener Metallisierungsgrad MGDRA,Soll festgelegt ist, kann dieser dazu dienen, bei dem Betreiben des Anlagenverbunds zur Verteilung der insgesamt in dem Anlagenverbund erfolgenden Reduktionsarbeit zur Metallisierung des im Eisenerz enthaltenen Eisens herangezogen zu werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Anlagenverbunds 1, umfassend eine Direktreduktionsanlage 2 und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage 2 angeordneten elektrischen Schmelzofen 3, ist der schematischen Darstellung der Fig. 2 zu entnehmen. In einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds 1 durchläuft Eisenerz beziehungsweise die Eisenerzträger die Direktreduktionsanlage 2 und wird dort mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels molekularen Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases, zu Eisenschwamm reduziert, der mit einem Metallisierungsgrad MGDRA aus der Schleuse 2' heraustritt und sodann in den Schmelzofen 3 hineingegeben wird. Innerhalb des Schmelzofens wird der Eisenschwamm unter Zugabe von Kohlenstoffträgern, beispielsweise Steinkohle und/oder Koks, aufgeschmolzen, wobei optional weitere Bestandteile in die Schmelze zugegeben werden. Solche weiteren Bestandteile können beispielsweise eisenhaltige Stoffe wie Schrott sein oder Zuschlagstoffe zur Einstellung der Zusammensetzung der sich bildenden Schlacke. Die in dem Schmelzbad 3 erzeugte metallische Schmelze, die gemeinsam mit der sich bildenden Schlacke einen Produktmetallisierungsgrad von insgesamt beispielsweise mehr als 98 Prozent aufweist, kann in diskreter Folge mittels Abstichs der Schmelze aus dem Schmelzofen 3 entnommen werden.
  • Kontinuierlich oder quasikontinuierlich, das heißt: in kurzen Abständen wiederholt, wird mittels eines CO-Sensors 4 eine als CO-Gehalt in dem Schmelzbadabgas ausgebildete Produkteigenschaft ermittelt. Im vorliegenden Beispiel wird also eine Produkteigenschaft eines im Schmelzofen 3 des Anlagenverbunds 1 erzeugten Produkts, genauer: Begleitprodukts, betrachtet. Die Erfassung dieser Produkteigenschaft, also des CO-Gehalts, bevorzugt des Verhältnisses der Volumenströme CO/CO2 im Schmelzofen-Abgas, sowie deren Auswertung wird von der Steuereinrichtung 5 umgesetzt, bei der es sich beispielsweise um einen Leitstand oder eine mit dem Leitstand gekoppelte Steuereinheit handeln kann.
  • Die ermittelte Produkteigenschaft wird genutzt, ausgehend von der ermittelten Produkteigenschaft kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich den, jeweils zum aktuellen Zeitpunkt oder zu einem rückprojizierten Zeitpunkt, mit der gemessenen Produkteigenschaft verknüpften Metallisierungsgrad MGDRA zu bestimmen, siehe Bezugszeichen 6. Die Bestimmung des Metallisierungsgrads MGDRA erfolgt anhand vorliegender empirischer Daten, nämlich einer empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA. Dabei versteht sich von selbst, dass der Zeitraum, welcher für den Transport des Eisenschwamms innerhalb der Direktreduktionsanlage 2 sowie von dieser aus zu dem Schmelzofen 3, sowie für die dortige Beeinflussung der Produkteigenschaft, beispielsweise des CO-Gehalts, zwangsläufig vergehen muss, je nach betrachteter Produkteigenschaft von der durchführenden Fachperson, welche die Erfindung in der Praxis umsetzt, mitberücksichtigt wird, insbesondere als Trägheit einer Einstellung oder einer Steuerung oder einer Regelung. Nach der, beispielsweise wie vorstehend beschrieben, erfolgten Bestimmung des Metallisierungsgrads MGDRA wird dieser mit dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll verglichen. Sollte sich herausstellen, dass eine Abweichung ΔMGDRA des Metallisierungsgrads MGDRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll vorliegt, wird, beispielsweise von der Steuereinrichtung 5, das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds 1 zur Einstellung des Metallisierungsgrads MGDRA hin zu dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll initiiert. Es wird also in Abhängigkeit von der ermittelten Produkteigenschaft ein Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds 1 zur Einstellung eines vorgegebenen Metallisierungsgrads MGDRA,Soll durchgeführt.
  • Für die Veränderung des Metallisierungsgrads MGDRA hin zu dem vorgegebenen Metallisierungsgrad MGDRA,Soll greift die Steuereinrichtung 5 auf eine empirisch ermittelte Zuordnungsmenge 7 von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA zurück, um anhand der bekannten Differenz ΔMGDRA=MGDRA,Soll-MGDRA durch Abgleich mit der Zuordnungsmenge rückzuschließen, in welchem Ausmaß das Verändern des Betriebs erfolgen soll. Wenn beispielsweise, wie im vorliegenden Beispiel, eine als Erhöhung des Metallisierungsgrads MGDRA ausgebildete Veränderung des Metallisierungsgrads MGDRA als erforderlich bewertet wird, kann beispielsweise die Veränderung des Betriebs des Anlagenverbunds 1 für das Erhöhen des Metallisierungsgrads MGDRA darin bestehen, dass die Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage 2 erhöht wird, was die Steuereinrichtung über die Ansteuerung des Durchflussventils 8 veranlasst. Als alternative oder zusätzliche Maßnahme kann das Ausweiten der Zeitdauer des Verbleibs des zu Eisenschwamm zu reduzierenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage 2 ergriffen werden, wobei für jede der beiden Maßnahmen oder für beide Maßnahmen in kombinierter Weise der Umfang der erforderlichen Wirkung des Veränderns des Betriebs auf die Produkteigenschaft, also beispielsweise das quantitative Maß an Veränderung des CO-Gehalts im Schmelzofen 3 durch die erforderlichen Erhöhung der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage und/oder das Ausweiten der Zeitdauer des Verbleibs des zu Eisenschwamm zu reduzierenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage 2 zuvor hinterlegten quantitativen Daten entnommen wird, bei denen es sich um ein Beispiel für die zuvor bereits erläuterte empirisch ermittelte Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA handelt. Die Wahl des Maßes des Veränderns des Betriebs auf die Produkteigenschaft selbst kann durch Einstellen auf Basis von Erfahrungswerten, also empirisch hinterlegten sekundärer Steuerdaten, durch Steuern, oder durch Regeln erfolgen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds (1), umfassend zumindest eine Direktreduktionsanlage (2) und einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage (2) angeordneten elektrischen Schmelzofen (3),
    wobei in einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds (1)
    Eisenerz die Direktreduktionsanlage (2) durchläuft, wobei beim Durchlaufen der Direktreduktionsanlage (2) das Eisenerz mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels molekularen Wasserstoffs und/oder mittels Erdgases und/oder anderen flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen, zu Eisenschwamm hin zu einem Metallisierungsgrad MGDRA reduziert wird, und nach dem Durchlaufen der Eisenschwamm, der den Metallisierungsgrad MGDRA aufweist, in den Schmelzofen (3) hineingegeben wird, wobei
    in dem Schmelzofen (3) ein Aufschmelzen des Eisenschwamms unter Zugabe von Kohlenstoffträgern, optional mit zusätzlicher Zugabe weiterer eisenhaltiger Stoffe wie beispielsweise Schrott, zu einem Schmelzbad aus metallischer Schmelze mit einem Produktmetallisierungsgrad MGProdukt und einer auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke erfolgt, und in diskreter Folge eine Entnahme von metallischer Schmelze aus dem Schmelzofen (3) mittels Abstichs der Schmelze vorgenommen wird,
    wobei
    - kontinuierlich oder quasikontinuierlich mittels eines Sensors (4) ein Ermitteln einer Produkteigenschaft von im Anlagenverbund (1) erzeugtem Produkt erfolgt, und
    - in Abhängigkeit von der ermittelten Produkteigenschaft ein Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds (1) zur Einstellung eines vorgegebenen Metallisierungsgrads MGDRA,Soll durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei ausgehend von der ermittelten Produkteigenschaft kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich anhand einer empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA der Metallisierungsgrad MGDRA bestimmt wird, und bei Feststellen einer Abweichung des Metallisierungsgrads MGDRA von dem vorgegebenen Metallisierungsgrad das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MGDRA,Soll erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2,
    wobei das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds (1) zur Einstellung des vorgegebenen Metallisierungsgrads MGDRA,Soll anhand einer empirisch ermittelten Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Metallisierungsgrad MGDRA verändert wird, bevorzugt gesteuert wird, besonders bevorzugt geregelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Produkteigenschaft von in der Direktreduktionsanlage (2) erzeugtem Produkt ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Produkteigenschaft
    - ein H2 Volumenstrom im Gichtgas ist, oder
    - ein Verhältnis der Volumenströme H2/H2O im Gichtgas ist, oder
    - ein CO-Volumenstrom im Gichtgas ist, oder
    - ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO2 im Gichtgas ist, oder
    - ein direkt gemessener Metallisierungsgrad des Eisenschwamms ist, oder
    - eine Sauerstoffmassenbilanz aus "Sauerstoff in den hineingegebenen Gasen" zu "Sauerstoff im Gichtgas" ist, oder
    - eine Austrittstemperatur des Eisenschwamms ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Produkteigenschaft von in dem Schmelzofen (3) erzeugtem Produkt ermittelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Produkteigenschaft
    - der CO-Gehalt im Schmelzofen-Abgas ist, oder
    - ein Verhältnis der Volumenströme CO/CO2 im Schmelzofen-Abgas ist, oder
    - eine Temperatur der Schmelze bei konstantem Energieeintrag ist, oder
    - eine Sauerstoffaktivität in der Schmelze ist, oder
    - eine Sauerstoffaktivität in der Schlacke ist, oder
    - eine Gesamtsauerstoffaktivität in der Schmelze und der Schlacke ist, oder
    - eine Schlackeneigenschaft, beispielsweise eine chemische Zusammensetzung der Schlacke oder die Viskosität der Schlacke, ist, oder
    - ein Elementanteil an dem Roheisen ist, oder
    - eine spezifische Schlackenmenge ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand einer empirisch ermittelten ersten anlagenspezifischen Kennwertkurve KennwertDRA-MGDRA der Direktreduktionsanlage (2) und anhand einer empirisch ermittelten zweiten anlagenspezifischen Kennwertkurve KennwertSchmelzofen-MGProdukt des Schmelzofens (3) der vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll festgelegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
    - der Kennwert ein Maß für das Gewicht metallisierten Eisens pro Zeiteinheit ist, optional begrenzt auf die maximale Einschmelzmenge an metallisiertem Eisen pro Zeiteinheit, oder
    - der Kennwert ein Maß für spezifischen Energieumsatz ist, oder
    - der Kennwert ein Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß ist, oder
    - der Kennwert ein Maß für die spezifischen Gesamtkosten ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 9, wobei der vorgegebene Metallisierungsgrad MGDRA,Soll festgelegt wird als der Metallisierungsgrad, für den gilt Min[KennwertDRA(MGDRA) + KennwertSchmelzofen(1-MGDRA)].
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    das Verändern des Betriebs zum Erhöhen des Metallisierungsgrads MGDRA umfasst:
    - Erhöhen der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage (2) und/oder
    - Erhöhen der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage (2)
    - Erhöhen der Gastemperatur des Reduktionsgases in einem Bereich zwischen 560 und 1150 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 900 und 1150 Grad Celsius.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
    das Verändern des Betriebs zum Reduzieren des Metallisierungsgrads MGDRA umfasst:
    - Verringern der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage (2) und/oder
    - Verringern der Verbleibdauer des zum Eisenschwamm werdenden Eisenerzes in der Direktreduktionsanlage (2).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1160338A1 (de) * 2000-05-31 2001-12-05 DANIELI & C. OFFICINE MECCANICHE S.p.A. Verfahren zur Vorwärmung und Reduzierung von direkt-reduziertem Eisen (DRI) vor dessen Beschickung in einen Elektroofen
DE102020116425A1 (de) * 2020-06-22 2021-12-23 Salzgitter Flachstahl Gmbh Verfahren zur Herstellung von Rohstahl mit niedrigem N-Gehalt

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