EP4461827A1 - Verfahren zum betreiben eines anlagenverbunds - Google Patents

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EP4461827A1
EP4461827A1 EP23172029.3A EP23172029A EP4461827A1 EP 4461827 A1 EP4461827 A1 EP 4461827A1 EP 23172029 A EP23172029 A EP 23172029A EP 4461827 A1 EP4461827 A1 EP 4461827A1
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EP
European Patent Office
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dra
akg
carburization
degree
plant
Prior art date
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Pending
Application number
EP23172029.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Caroline Biedermann
Matthias Jonas Fabry
Marius GROSSARTH
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
Priority to EP23172029.3A priority Critical patent/EP4461827A1/de
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    • 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
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    • 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
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4673—Measuring and sampling devices
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    • C21C2300/00—Process aspects
    • C21C2300/08—Particular sequence of the process steps

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.
  • the iron ore carrier is metallized into iron, typically with a degree of metallization of well over 80 percent.
  • the degree of metallization is the weight ratio of metallic iron to total iron in the sponge iron in percent.
  • the reduction gas When using natural gas with methane as the main component, which is mixed with a (top) gas coming from the direct reduction plant and reacts in a reformer to form hydrogen and carbon monoxide using catalytic tubes, known as the Midrex process, the reduction gas is then fed into the direct reduction plant, whereby the carbon monoxide in the reduction gas brings with it a carbon compound with carbon for carburizing the iron ore carriers to be reduced.
  • the Energiron process can also be used to produce sponge iron.
  • the future trend towards a higher hydrogen content in the reducing gas may require an additional gaseous and/or liquid carbon compound to be added to the direct reduction plant in order to enable carburization of the iron ore carriers to be reduced or preferably the sponge iron, cf. for example DE 10 2019 217 631 A1 , WO 2022/248914 A1 , WO 2022/248915 A1 .
  • the removed iron sponge After passing through the direct reduction plant, the removed iron sponge has a carbon content of AKG DRA and is fed into the melting furnace.
  • 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 at least one electric melting furnace arranged downstream of the direct reduction plant, i.e. one melting furnace or more than one, for example two melting furnaces.
  • the iron carrier only passes through one direct reduction plant, or they can be operated as a cascade, i.e. the iron ore carrier passes through the first direct reduction plant and then at least the second direct reduction plant.
  • the process can, for example, be designed as a process for producing pig iron or crude steel.
  • An essential idea of the present invention is that the operation of the plant network is considered as a whole, whereby the plant network comprises both the at least one direct reduction plant and the at least one melting furnace.
  • the plant network comprises both the at least one direct reduction plant and the at least one melting furnace.
  • 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.
  • At least one melting furnace arranged downstream of the at least one 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 produced 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 produced in the direct reduction plant takes place.
  • the direct reduction plant is a plant in which a heterogeneous gas-solid reaction takes place in which oxygen is removed from the iron ore carrier.
  • Carbon compounds or, in the recent past and expected to become increasingly common in the future, atomic or molecular hydrogen are used as the reducing gas.
  • the reaction takes place at a temperature below the melting point of the iron ore carrier, so that the external shape remains largely unchanged. If the carbon compound in the reducing gas is not sufficient for the (desired) carburization or if no carbon compound is present in the reducing gas, an additional liquid and/or gaseous carbon compound must be introduced.
  • the at least one direct reduction plant can be designed, for example, as a shaft furnace with at least one reduction zone through which the iron ore carriers pass in the opposite direction to the direction of the reduction gas.
  • the direct reduction plant can also be designed, for example, as a rotary kiln or fluidized bed through which the iron ore carriers are conveyed in the opposite direction to the flow of the reduction gas.
  • Direct reduction plants with shaft furnaces or rotary kilns are well known in practice.
  • the at least one electric melting furnace also referred to as an electroheating system for melting metal or heating liquid metal
  • EAF direct arc action
  • Possible designs are alternating current arc melting furnace (EAFac), direct current arc melting furnace (EAFdc) and ladle furnace (LF for short).
  • At least one melting furnace is used which is operated electrically.
  • Any type of electrically operated melting furnace can be considered, with a preferred possibility being a melting furnace operating 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 be designed, for example, as submerged electric arc furnaces (SAFs), 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).
  • SAFs submerged electric arc furnaces
  • SAFac alternating current arc reduction furnaces
  • SAFdc direct current arc reduction furnaces
  • Other designs are melting 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 (OSBF for short).
  • the melting furnace is particularly preferably designed as an arc reduction furnace (SAF).
  • SAF arc reduction furnace
  • the melting furnace is particularly preferably designed as an open slag bath furnace (OSBF).
  • OSBF open slag bath furnace
  • iron ore carriers pass through at least one direct reduction plant in a continuous operation of the plant network.
  • the iron ore carriers are reduced to sponge iron by means of reducing gas, in particular by means of hydrogen and/or by means of carbon compounds.
  • the process control and the process parameters for example the length of time the iron ore carriers remain in the direct reduction plant and the flow rate of reducing gas, which can contain carbon in the form of carbon compounds and/or wherein additional liquid and/or gaseous carbon compounds can be added, cause the iron ore carriers to be converted to sponge iron and the sponge iron to emerge from the direct reduction plant with a carburization degree AKG DRA .
  • the sponge iron which has the carburization degree AKG DRA , is fed into the melting furnace.
  • carburization takes place in the direct reduction plant, i.e. either via carbon compounds in the reducing gas or via additionally introduced gaseous and/or liquid carbon compounds or via a combination of carbon compounds in the reducing gas and additionally introduced gaseous and/or liquid carbon compounds.
  • the sponge iron is melted with the addition of feedstocks, with at least one addition of carbonaceous materials such as carbonaceous metallurgical products and/or coke and/or coal and optionally with the additional addition of other iron-containing materials such as scrap and/or additives for conditioning the slag that forms, to form a melt bath of metallic melt with a product carbonization degree KG product and the slag floating on the metallic melt.
  • carbonaceous materials such as carbonaceous metallurgical products and/or coke and/or coal
  • other iron-containing materials such as scrap and/or additives for conditioning the slag that forms, to form a melt bath of metallic melt with a product carbonization degree KG 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.
  • Tapping is carried out in discrete sequences, 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, for example.
  • Collecting pans can be provided, for example, as part of a ladle trolley known to those skilled in the art.
  • the slag is also tapped accordingly, either parallel to or at a different time to the tapping of the metallic melt, for example via the same tapping or a higher tapping.
  • 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 plant network to set a specified degree of carburization AKG DRA,target .
  • the invention is therefore based on the fundamental idea of dividing the total carburization work to be carried out in the plant network during the production of a metallic melt, in particular pig iron or crude steel, i.e. the total amount of chemical-physical processes to be used until the melt with product carburization degree KG product is available, between at least two central plants in the plant network, namely the process taking place in the at least one direct reduction plant on the one hand and the process taking place in the at least one melting furnace on the other.
  • Dividing the carburization work between the two basic processes taking place in the plant network has the advantage that, based on a single parameter that can be set or controlled or regulated, namely the carburization degree AKG DRA , the overall process can be specifically adapted to the general conditions prevailing at a given time.
  • the great advantage of this procedure is that a large number of physical variables that can be measured directly on the plant are directly linked to the carburization degree AKG DRA . Once corresponding plant-specific empirical data of this coupling between the carburization degree AKG DRA and a respective physical quantity have been obtained, this can be directly converted into the requirement-adapted change in the carburization degree AKG DRA .
  • This intended division of the carburizing 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 carburization degree AKG DRA,target , i.e.: if the carburization degree AKG DRA of the sponge iron on leaving the direct reduction plant corresponds to the predetermined carburization degree AKG DRA,target , the operation of the plant network is continued in an unchanged manner; if the carburization degree AKG DRA deviates from the predetermined carburization degree AKG DRA,target , the operation of the plant network is changed in such a way that the carburization degree AKG DRA develops towards its target value AKG DRA,target .
  • the change in the operation of the plant network to set the specified carburization degree AKG DRA,target is carried out on the basis of a value of a product property of the products produced in the plant network, which is determined continuously or quasi-continuously by means of a sensor.
  • Products This means that a product which is produced in the plant network and which has a correlation with the carburization degree AKG DRA is examined using sensors and then, based on the sensor results obtained, it is determined via the correlation of the product with the carburization degree AKG DRA , in particular via the correlation of the product property with the carburization degree AKG DRA , whether the operation of the plant network can be continued unchanged or whether a change in the operation of the plant network is necessary.
  • the correlation of the product with the carburization degree AKG DRA is preferably an injective function "carburization degree AKG DRA -> product property", particularly preferably a bijective function "carburization degree AKG DRA -> product property".
  • the correlation of the product property with the carburization degree AKG DRA can, for example, be an empirically found connection.
  • the carburization degree AKG DRA is determined continuously or quasi-continuously using an empirically determined assignment of the product property to the carburization degree AKG DRA .
  • the carburization degree AKG DRA can then be compared with the specified carburization degree AKG DRA,target , and if a deviation of the carburization degree AKG DRA from the specified carburization degree AKG DRA,target is determined, the operation of the system network can be changed to set the specified carburization degree AKG DRA,target .
  • the change in the operation of the plant network is initiated to set the specified carburization degree AKG DRA,soll , if a deviation of the carburization degree AKG DRA from the specified carburization degree AKG DRA,soll is determined, 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 carburization degree AKG DRA based on empirical data, the comparison with the specified carburization degree AKG DRA,soll , and - if necessary - the initiation of the change in the operation of the plant network can be controlled, for example, by a control device of the plant network, to which both the direct reduction plant and the melting furnace as well as the sensor are coupled.
  • an empirically determined allocation quantity from the product property to the carburization degree can be used, for example.
  • AKG DRA can be used, on the basis of which the setting of the change in the operation of the system network takes place, preferably by means of control, particularly preferably by means of regulation.
  • the required change in the product property is inferred, ie: the extent of the required change in the product properties is determined, so that the change in the operation of the system network is derived from a known deviation in the carburization degree AKG DRA to a change in the operation of the system network with the aim of 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.
  • the product property can be designed as a carbon mass balance of "input carbon compounds” to "output carbon compounds” or a carbon content measurement of the sponge iron.
  • a property determined from a product produced in the melting furnace can be used as a product property.
  • the product property can be designed, for example, as - a measurement of the melting rate, in particular determined from a ratio between electrical energy introduced and mass discharged, pig iron and slag, in the period of the discrete sequences between the withdrawals (tappings); or - an energy balance in the period of the discrete sequence between the withdrawals of the melt; or - a carbon mass balance of "carbon introduced” to "carbon discharged”; or - a slag property, for example a chemical composition of the slag or the viscosity of the slag, with constant introduction of additives; or - a carbon content measurement of the pig iron.
  • the senor can be a LIBS sensor (laser-induced decay spectroscopy) and can record the product properties of the carbon content in the sponge iron, in particular at the outlet from the direct reduction plant, and/or in the melt, in particular after tapping from the melting furnace.
  • LIBS sensor laser-induced decay spectroscopy
  • LIBS sensor laser-induced decay spectroscopy
  • the specified degree of carburization AKG DRA,target can be determined, for example, using an empirically determined first plant-specific characteristic value curve characteristic value DRA -AKG DRA , i.e.: characteristic value - DRA as a function of values AKG DRA of the direct reduction plant, and using an empirically determined second plant-specific characteristic value curve characteristic value SO -AKG DRA , i.e.: characteristic value melting furnace as a function of values AKG DRA of the direct reduction plant.
  • the plant-specific characteristic value curve can, for example, include as a characteristic value a measure of the weight of carburized sponge iron per unit of time, optionally limited to the maximum melted amount of carburized sponge iron per unit of time; or a measure of specific energy conversion; or a measure of specific CO 2 emissions; or a measure of specific total costs.
  • characteristic values can therefore be, for example, characteristic value DRA , where characteristic value DRA is a measure of the specific CO 2 emissions of the direct reduction plant that depends on the degree of carburization AKG DRA , and characteristic value SO , where characteristic value SO can be a measure of the specific CO 2 emissions of the melting furnace that depends on the degree of carburization KG Pro-duct .
  • the specified degree of carburization AKG DRA,Soll is defined as the degree of carburization for which Min[characteristic value DRA (AKG DRA ) + characteristic value SO (KG product -AKG DRA )] applies, where the symbol "Min" designates the determination of the minimum.
  • the described procedure for changing the operation of the system network is based on a determination of a deviation of a carburization degree AKG DRA determined indirectly or directly, namely via the product property, from a target value AKG DRA,Soll , where the target value is determined on the basis of two system-specific characteristic value curves, where each of the two characteristic value curves is dependent on the degree of carburization, and the characteristic values can be, for example, one of the values mentioned above; the determination of the target value AKG DRA,Soll is then carried out by determining the minimum of the sum of the two characteristic value 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-driven selection of the AKG DRA,Soll leads to the CO 2 emissions of the plant network being reduced by distributing the carburizing work between the direct reduction plant and the melting furnace.
  • changing the operation to increase the degree of carburization AKG DRA can, for example, comprise: - increasing the flow rate or reducing the iron ore carriers introduced while maintaining the flow rate of reducing gas containing carbon in the form of carbon compounds in the direct reduction plant and/or - increasing the flow rate or reducing the iron ore carriers introduced while maintaining the flow rate of additional liquid and/or gaseous carbon compounds in the direct reduction plant.
  • changing the operation to reduce the carburization degree AKG DRA can, for example, include: - reducing the flow rate of reducing gas, which contains carbon in the form of carbon compounds, in the direct reduction plant and/or - reducing the residence time of the iron ore carrier that becomes sponge iron in the direct reduction plant.
  • Shifting the carburizing work from the direct reduction plant to the melting furnace therefore leads to a reduction in the carburizing work in the direct reduction plant and an increase in the carburizing work in the melting furnace, or vice versa.
  • the depicted Figure 1 is a schematic diagram showing an exemplary embodiment of a method according to the invention for operating a plant network (1), comprising at least one direct reduction plant (2) and at least one electric melting furnace (3) arranged downstream of the direct reduction plant (2).
  • reducing gas which can contain carbon in the form of carbon compounds or wherein additional liquid and/or gaseous carbon compounds can be added or wherein a combination of reducing gas containing carbon compounds and additional liquid and/or gaseous carbon compounds can be introduced, to form sponge iron, which emerges from the lock (2') with a carburization degree AKG DRA and is then introduced into the melting furnace (3).
  • the sponge iron is melted with the addition of carbon-containing substances, for example (hard) coal and/or coke, with further components optionally being added.
  • additional components can be, for example, iron-containing substances such as scrap and/or additives for adjusting the composition of the slag that forms.
  • the metallic melt produced in the melting furnace (3) has a product carbon content of 0.01 to 2.06 wt.% carbon, for example if the melt is to be produced as crude steel, or 2.07 to 5.0 wt.% carbon, for example if the melt is to be produced as pig iron, and is removed from the melting furnace (3) in discrete succession by tapping the melt.
  • a product property expressed as the carbon content in the melt is determined using a LIBS sensor (4).
  • a product property of a product produced in the melting furnace (3) of the system network 1 is determined.
  • the detection of this product property 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 carburization degree AKG DRA linked to the measured product property at the current time or at a back-projected time, based on the determined product property.
  • the carburization degree AKG DRA is determined using available empirical data, namely an empirically determined assignment of the product property to the carburization degree AKG DRA . After the carburization degree AKG DRA has been determined, this is compared with the specified carburization degree AKG DRA,target .
  • the change in operation of the system network (1) is initiated, for example by the control device (5), to adjust the carburization degree AKG DRA to the specified carburization degree AKG DRA,target .
  • the operation of the plant network (1) is changed to set a predetermined degree of carburization AKG DRA,target .
  • the change in the operation of the plant network (1) for increasing the carburization degree AKG DRA can, for example, consist in increasing the flow rate of reducing gas, which contains carbon in the form of carbon compounds, in the direct reduction plant (2), which the control device causes via the control of the flow valve (6).
  • the flow rate of additional liquid and/or gaseous carbon compounds in the direct reduction plant 2 can be increased, 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 carbon content in the melting furnace (3) through the required increase in the flow rate of reducing gas in the direct reduction plant and/or increasing the flow rate of additional liquid and/or gaseous carbon compounds 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 carburization degree AKG 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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Anlagenverbunds (1), umfassend zumindest eine Direktreduktionsanlage (2) und zumindest einen elektrischen Schmelzofen (3) nach Anspruch 1.

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) und/oder Schrott eingesetzt. Dieser Ausgangsstoff 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, Eisenerzträger durch Beaufschlagung mit reduzierendem Gas zu reduzieren, wodurch die in den Eisenerzträger vorhandenen Fe-Verbindungen, insbesondere Fe-O-Verbindungen, durch Reduktion aufgebrochen werden und als Folge dieser Metallisierung metallisches Eisen zurückbleibt. Die Eisenerzträger werden mittels reduzierenden Gases, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthalten kann und/oder wobei zusätzliche flüssige und/oder gasförmige Kohlenstoffverbindungen hineingegeben werden können, zu Eisenschwamm hin mit einem Aufkohlungsgrad AKGDRA reduziert.
  • In der Direktreduktion wird der Eisenerzträger in Eisen metallisiert, mit typischerweise einem Metallisierungsgrad von deutlich oberhalb von 80 Prozent. Unter Metallisierungsgrad wird das Gewichtsverhältnis von metallischem Eisen zum Gesamteisen in Prozent im Eisenschwamm verstanden.
  • Bei Verwendung von bisher Erdgas mit Methan als Hauptbestandteil, welches insbesondere mit einem aus der Direktreduktionsanlage kommenden (Top-)Gas gemischt wird und in einem Reformer zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid mittels Katalytrohren reagiert, bekannt als Midrex-Prozess, wird anschließend das Reduktionsgas in die Direktreduktionsanlage eingespeist, wobei das Kohlenstoffmonoxid im Reduktionsgas eine Kohlenstoffverbindung mit Kohlenstoff zum Aufkohlen der zu reduzierenden Eisenerzträger mitbringt. Alternativ zu Midrex kann auch der Energiron-Prozess zur Eisenschwammherstellung zur Anwendung kommen.
  • Der zukünftige Trend hin zu mehr Wasserstoff-Anteil im Reduktionsgas, beispielsweise bis zu 100 % möglich, kann es erforderlich sein, eine zusätzliche gasförmige und/oder flüssige Kohlenstoffverbindung in die Direktreduktionsanlage hineinzugeben, um ein Aufkohlen der zu reduzierenden Eisenerzträger bzw. vorzugsweise des Eisenschwamms zu ermöglichen, vgl. beispielsweise DE 10 2019 217 631 A1 , WO 2022/248914 A1 , WO 2022/248915 A1 .
  • Nach Durchlaufen der Direktreduktionsanlage weist der entnommene Eisenschwamm einen Kohlenstoffanteil von AKGDRA auf und wird in den Schmelzofen gegeben. Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich unmittelbar, dass der Anteil des Aufkohlungsprozesses in der Direktreduktionsanlage und der Anteil des Aufkohlungsprozesses innerhalb des Schmelzofens unmittelbar miteinander verknüpft sein können. 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 zumindest einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage angeordneten elektrischen Schmelzofen, also ein Schmelzofen oder mehr als einen, beispielsweise zwei Schmelzöfen.
  • Bei zwei oder mehreren Direktreduktionsanlagen können diese parallel betrieben, d. h. der Eisenträger durchläuft nur eine Direktreduktionsanlage, oder als Kaskade betrieben werden, d. h. der Eisenerzträger durchläuft die erste Direktreduktionsanlage und im Anschluss die mindestens zweite Direktreduktionsanlage.
  • Das Verfahren kann beispielsweise als Verfahren zur Herstellung von Roheisen oder auch Rohstahl ausgebildet sein.
  • Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, dass der Betrieb des Anlagenverbunds insgesamt betrachtet wird, wobei der Anlagenverbund sowohl die mindestens eine Direktreduktionsanlage als auch den mindestens einen Schmelzofen 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 zumindest einen Direktreduktionsanlage angeordneten mindestens einen 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 heterogene Gas-Feststoffreaktion stattfindet, bei der Sauerstoff aus den Eisenerzträger entfernt wird. Als Reduktionsgas hierfür werden beispielsweise Kohlenstoffverbindungen oder, in jüngerer Vergangenheit und erwarteter Weise in der Zukunft verstärkt, atomarer beziehungsweise molekularer Wasserstoff als Reduktionsgas genutzt. Die Reaktion findet bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Eisenerzträger statt, sodass die äußere Form weitgehend unverändert bleibt. Reicht die Kohlenstoffverbindung im Reduktionsgas zum (gewünschten) Aufkohlen nicht aus bzw. ist keine Kohlenstoffverbindung im Reduktionsgas vorhanden, ist ein zusätzliches Einbringen einer flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenstoffverbindung erforderlich.
  • Die mindestens eine Direktreduktionsanlage kann beispielsweise als Schachtofen ausgebildet sein mit mindestens einer Reduktionszone, die von den Eisenerzträger entgegen der Reduktionsgasrichtung durchlaufen werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Direktreduktionsanlage auch beispielsweise als Drehrohrofen oder Wirbelschicht ausgebildet sein, durch welchen die Eisenerzträger entgegen der Strömungsrichtung des Reduktionsgases befördert werden. Direktreduktionsanlagen mit Schachtöfen oder Drehrohröfen sind aus der Praxis gut bekannt.
  • Bei dem mindestens einen 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 (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, kurz: LF).
  • Erfindungsgemäß wird mindestens 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, kurz: 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 Schmelzöfen, 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 (kurz: OSBF) bezeichnet.
  • Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelzofen als Lichtbogen-Reduktionsofen (SAF) ausgebildet.
  • Alternativ besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelzofen als open slag bath furnace (OSBF) ausgebildet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchlaufen Eisenerzträger in einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds die mindestens eine Direktreduktionsanlage. Beim Durchlaufen der Direktreduktionsanlage werden die Eisenerzträger mittels reduzierenden Gases, insbesondere mittels Wasserstoff und/oder mittels Kohlenstoffverbindungen, zu Eisenschwamm reduziert. Die Verfahrensführung und die Prozessparameter, beispielsweise die Verbleibdauer der Eisenerzträger in der Direktreduktionsanlage und die Durchflussrate an reduzierendem Gas, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthalten kann und/oder wobei zusätzliche flüssige und/oder gasförmige Kohlenstoffverbindungen hineingegeben werden können, bewirken, dass die Eisenerzträger zu Eisenschwamm umgewandelt werden und der Eisenschwamm mit einem Aufkohlungsgrad AKGDRA aus der Direktreduktionsanlage heraustritt. Nach dem Austritt aus der Direktreduktionsanlage wird der Eisenschwamm, der den Aufkohlungsgrad AKGDRA aufweist, in den Schmelzofen hineingegeben.
  • Mithin findet in der Direktreduktionsanlage eine Aufkohlung statt, d.h. entweder über Kohlenstoffverbindungen im Reduktionsgas oder über zusätzlich eingebrachte gasförmige und/oder flüssige Kohlenstoffverbindungen oder über eine Kombination aus Kohlenstoffverbindungen im Reduktionsgas und zusätzlich eingebrachte gasförmige und/oder flüssige Kohlenstoffverbindungen.
  • In dem Schmelzofen erfolgt ein Aufschmelzen des Eisenschwamms unter Zugabe von Einsatzstoffen, mit mindestens einer Zugabe von kohlenstoffhaltigen Stoffen wie beispielsweise kohlenstoffhaltige Hüttenprodukte und/oder Koks und/oder Kohle und 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 Produkt-Kohlungsgrad KGProdukt und der auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke. Die Eigenschaften der Schlacke werden bevorzugt über Zuschlagsstoffe wie beispielsweise Kalk, Sand, Bauxit und/oder ähnliche, gezielt beeinflusst.
  • Mithin findet (auch) im Schmelzofen eine Zugabe von kohlenstoffhaltigen Stoffen statt.
  • In diskreter Folge wird ein Abstich vorgenommen, 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. Auch die Schlacke wird entsprechend abgestochen, entweder parallel oder zeitlich versetzt zum Abstich der metallischen Schmelze, beispielsweise über den gleichen Abstich oder einen höher liegenden Abstich.
  • 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 Aufkohlungsgrads AKGDRA,Soll durchgeführt.
  • Der Erfindung liegt also die grundlegende Überlegung zugrunde, die insgesamt in dem Anlagenverbund bei der Herstellung einer metallischen Schmelze, insbesondere von Roheisen oder Rohstahl, herbeizuführende Aufkohlungsarbeit, also der insgesamt bis zum Vorliegen der Schmelze mit Produkt-Kohlungsgrad KGProdukt aufzuwendende Gesamtmenge chemischphysikalischer Prozesse, gezielt auf mindestens zwei zentrale Anlagen des Anlagenverbunds aufzuteilen, nämlich auf den in der mindestens einen Direktreduktionsanlage ablaufenden Prozess einerseits sowie auf den in dem mindestens einen Schmelzofen ablaufenden Prozess andererseits. Das Aufteilen der Aufkohlungsarbeit 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA, eine gezielte Anpassung des insgesamt 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA gekoppelt ist. Sofern also entsprechende anlagenspezifische empirische Daten dieser Kopplung zwischen Aufkohlungsgrad AKGDRA und einer jeweiligen physikalischen Größe einmal gewonnen worden sind, kann diese direkt in die Erfordernis-angepasste Veränderung des Aufkohlungsgrads AKGDRA umgesetzt werden.
  • Dieses vorgesehene Aufteilen der Aufkohlungsarbeit 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll eingestellt wird, d. h.: wenn der Aufkohlungsgrad AKGDRA des Eisenschwamms bei Austritt aus der Direktreduktionsanlage dem vorgegebene Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll entspricht, wird der Betrieb des Anlagenverbunds in unveränderter Weise fortgesetzt; wenn der Aufkohlungsgrad AKGDRA von dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll abweicht, wird der Betrieb des Anlagenverbunds verändert und zwar derart, dass der Aufkohlungsgrad AKGDRA sich hin zu seinem Sollwert AKGDRA,Soll entwickelt.
  • Das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA aufweist, sensorisch untersucht wird, und daraufhin anhand der erhaltenen Sensorergebnisse über die Korrelation des Produkts mit dem Aufkohlungsgrad AKGDRA, insbesondere über die Korrelation der Produkteigenschaft mit dem Aufkohlungsgrad AKGDRA, 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA ist bevorzugt eine injektive Funktion "Aufkohlungsgrad AKGDRA -> Produkteigenschaft", besonders bevorzugt eine bijektive Funktion "Aufkohlungsgrad AKGDRA -> Produkteigenschaft". Die Korrelation der Produkteigenschaft mit dem Aufkohlungsgrad AKGDRA 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA der Aufkohlungsgrad AKGDRA bestimmt wird. Das bedeutet, dass durch die gemessene Produkteigenschaft, anhand empirisch ermittelter und dadurch bekannter Daten, auf den Aufkohlungsgrad AKGDRA rückgeschlossen wird. Der Aufkohlungsgrad AKGDRA kann sodann mit dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll verglichen werden, und bei Feststellen einer Abweichung des Aufkohlungsgrads AKGDRA von dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll kann das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Aufkohlungsgrads AKGDRA,Soll initiiert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Aufkohlungsgrads AKGDRA,Soll initiiert, eine Abweichung des Aufkohlungsgrads AKGDRA von dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll festgestellt ist, deren Betrag größer ist als eine Mindestabweichung, womit ein Vorteil einer größeren Prozessstabilität einhergeht. Die vorstehend beschriebene Auswertung des Aufkohlungsgrads AKGDRA anhand empirischer Daten, der Abgleich mit dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll, 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 Aufkohlungsgrads AKGDRA hin zu dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll kann beispielsweise auf eine empirisch ermittelte Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Aufkohlungsgrad AKGDRA 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 Aufkohlungsgrads AKGDRA von dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll 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 Aufkohlungsgrads AKGDRA 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 eine Kohlenstoffmassenstoffbilanz aus "hineingegebenen Kohlenstoffverbindungen" zu "ausgegebenen Kohlenstoffverbindungen" oder eine Kohlenstoff-Gehaltsmessung 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 - eine Messung der Aufschmelzgeschwindigkeit, insbesondere ermittelt aus einem Verhältnis zwischen eingebrachter elektrischer Energie zu ausgegebener Masse, Roheisen und Schlacke, im Zeitraum der diskreten Folgen zwischen den Entnahmen (Abstichen); oder - eine Energiebilanz im Zeitraum der diskreten Folge zwischen den Entnahmen der Schmelze; oder - eine Kohlenstoffmassenbilanz aus "hineingegebenem Kohlenstoff" zu "ausgegebenem Kohlenstoff"; oder - eine Schlackeneigenschaft, beispielsweise eine chemische Zusammensetzung der Schlacke oder die Viskosität der Schlacke, bei konstantem Einbringen von Zuschlagstoffen; oder - eine Kohlenstoff-Gehaltsmessung des Roheisens.
  • 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 LIBS-Sensor sein (laserinduzierte Zerfallsspektroskopie) und die Produkteigenschaft der Kohlenstoff-Gehalte im Eisenschwamm, insbesondere am Austritt aus der Direktreduktionsanlage, und/oder in der Schmelze, insbesondere nach dem Abstich aus dem Schmelzofen, erfassen. Somit lässt sich unmittelbar aus dem Eisenschwamm der Aufkohlungsgrad AKGDRA und aus der Schmelze der Produkt-Kohlungsgrad KGProdukt ermitteln. Ausgehend von diesem bestimmten Aufkohlungsgrad AKGDRA und/oder Produkt-Kohlungsgrad KGProdukt kann sodann ein Vergleich mit dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll durchgeführt werden und - je nach Ergebnis dieses Vergleichs - das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds für die Wiederherstellung des vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,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 ermittelnde 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll kann beispielsweise anhand einer empirisch ermittelten ersten anlagenspezifischen Kennwertekurve KennwertDRA-AKGDRA, also: Kennwert-DRA in Abhängigkeiten von Werten AKGDRA der Direktreduktionsanlage und anhand einer empirisch ermittelten zweiten anlagenspezifischen Kennwertekurve KennwertSO-AKGDRA, also: Kennwert Schmelzofen in Abhängigkeit von Werten AKGDRA der Direktreduktionsanlage ermittelt werden. Die anlagenspezifische Kennwertekurve kann beispielsweise als Kennwert ein Maß für das Gewicht aufgekohltem Eisenschwamms pro Zeiteinheit, optional begrenzt auf die maximale Einschmelzmenge an aufgekohltem Eisenschwamm 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 KennwertSO für den Schmelzofen.
  • Die Kennwerte können also beispielsweise KennwertDRA sein, wobei der KennwertDRA ein vom Aufkohlungsgrad AKGDRA abhängiges Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß der Direktreduktionsanlage ist, und KennwertSO sein, wobei KennwertSO ein vom Produkt-Kohlungsgrad KGPro-dukt abhängiges Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß des Schmelzofens sein kann.
  • In einer speziellen Ausführungsform wird der vorgegebene Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll festgelegt als der Aufkohlungsgrad, für den gilt Min[KennwertDRA(AKGDRA) + KennwertSO(KGProdukt-AKGDRA)], wobei das Formelzeichen "Min" die Bestimmung des Minimums bezeichnet. Das bedeutet, dass die beschriebene Vorgehensweise zum Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds ausgeht von einer Bestimmung einer Abweichung eines indirekt oder direkt, nämlich über die Produkteigenschaft, ermittelten Aufkohlungsgrad AKGDRA von einem Sollwert AKGDRA,Soll, wobei der Sollwert ausgehend von zwei anlagenspezifischen Kennwertekurven ermittelt wird, wobei jede der beiden Kennwertkurven von dem Kohlungsgrad abhängig ist, und es sich bei den Kennwerten beispielsweise um eine der oben genannten Werte handeln kann; die Bestimmung des Sollwerts AKGDRA,Soll erfolgt sodann mittels Bestimmung des Minimums der Summe der beiden Kennwertekurven, so wie oben in der Gleichung angegeben. Es versteht sich von selbst, dass der Begriff der Kennwertekurve 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 beispielsweise der Kennwert ein Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß ist, führt die beschriebene Umsetzung mittels entsprechender Kennwert-getriebener Wahl des AKGDRA,Soll dazu, dass durch Verteilung der Aufkohlungsarbeit zwischen der Direktreduktionsanlage und dem Schmelzofen der CO2-Ausstoß des Anlagenverbunds reduziert wird.
  • Wenn sich bei Auswertung der ermittelten Produkteigenschaft herausstellt, dass der Aufkohlungsgrad AKGDRA erhöht werden muss, also eine Verlagerung eines Anteils der Aufkohlungsarbeit von dem Schmelzofen in die Direktreduktionsanlage erfolgen soll, kann das Verändern des Betriebs zum Erhöhen des Aufkohlungsgrads AKGDRA beispielsweise umfassen: - Erhöhen der Durchflussrate oder Reduzierung der eingebrachten Eisenerzträger bei unveränderter Durchflussrate an reduzierendem Gas, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthält, in der Direktreduktionsanlage und/oder - Erhöhen der Durchflussrate oder Reduzierung der eingebrachten Eisenerzträger bei unveränderter Durchflussrate an zusätzlichen flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenstoffverbindungen in der Direktreduktionsanlage.
  • Wenn sich bei Auswertung der ermittelten Produkteigenschaft herausstellt, dass der Aufkohlungsgrad AKGDRA reduziert werden muss, also eine Verlagerung eines Anteils der Aufkohlungsarbeit von der Direktreduktionsanlage in den Schmelzofen erfolgen soll, kann das Verändern des Betriebs zum Reduzieren des Aufkohlungsgrads AKGDRA beispielsweise umfassen: - Verringern der Durchflussrate an reduzierendem Gas, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthält, in der Direktreduktionsanlage und/oder - Verringern der Verbleibdauer des zu Eisenschwamm werdenden Eisenerzträger in der Direktreduktionsanlage.
  • Das Verlagern der Aufkohlungsarbeit von der Direktreduktionsanlage in den Schmelzofen führt also spiegelbildlich zu einer Verringerung der Aufkohlungsarbeit in der Direktreduktionsanlage sowie einer Erhöhung der Aufkohlungsarbeit in dem Schmelzofen oder umgekehrt.
  • Der dargestellten Figur 1 ist eine Prinzipskizze zu entnehmen, welche ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Anlagenverbunds (1) zeigt, umfassend zumindest eine Direktreduktionsanlage (2) und zumindest einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage (2) angeordneten elektrischen Schmelzofen (3). In einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds (1) durchlaufen Eisenerzträger die Direktreduktionsanlage (2) und werden dort mittels reduzierenden Gases, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthalten kann oder wobei zusätzliche flüssige und/oder gasförmige Kohlenstoffverbindungen hineingegeben werden können oder wobei eine Kombination aus Kohlenstoffverbindungen enthaltendes reduzierendes Gas und zusätzlich flüssige und/oder gasförmige Kohlenstoffverbindungen eingebracht werden können, zu Eisenschwamm reduziert, der mit einem Aufkohlungsgrad AKGDRA aus der Schleuse (2') heraustritt und sodann in den Schmelzofen (3) hineingegeben wird. Innerhalb des Schmelzofens (3) wird der Eisenschwamm unter Zugabe von kohlenstoffhaltigen Stoffen, beispielsweise (Stein-)Kohle und/oder Koks, aufgeschmolzen, wobei optional weitere Bestandteile zugegeben werden. Solche weiteren Bestandteile können beispielsweise eisenhaltige Stoffe wie Schrott sein und/oder Zuschlagstoffe zur Einstellung der Zusammensetzung der sich bildenden Schlacke. Die in dem Schmelzofen (3) erzeugte metallische Schmelze weist einen Produkt-Kohlungsgrad von 0,01 bis 2,06 Gew.-% Kohlenstoff, wenn zum Beispiel die Schmelze als Rohstahl erzeugt werden soll, oder 2,07 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, wenn zum Beispiel die Schmelze als Roheisen erzeugt werden soll, auf, und wird in diskreter Folge mittels Abstichs der Schmelze aus dem Schmelzofen (3) entnommen.
  • Kontinuierlich oder quasikontinuierlich, das heißt: in kurzen Abständen wiederholt, wird mittels eines LIBS-Sensors (4) eine als Kohlenstoff-Gehalt in der Schmelze ausgebildete Produkteigenschaft ermittelt. Im vorliegenden Beispiel wird also eine Produkteigenschaft eines im Schmelzofen (3) des Anlagenverbunds 1 erzeugten Produkts. Die Erfassung dieser Produkteigenschaft 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA zu bestimmen. Die Bestimmung des Aufkohlungsgrads AKGDRA erfolgt anhand vorliegender empirischer Daten, nämlich einer empirisch ermittelten Zuordnung von der Produkteigenschaft zu dem Aufkohlungsgrad AKGDRA. Nach der erfolgten Bestimmung des Aufkohlungsgrads AKGDRA wird dieser mit dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll verglichen. Sollte sich herausstellen, dass eine Abweichung ΔAKGDRA des Aufkohlungsgrads AKGDRA von dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll vorliegt, wird, beispielsweise von der Steuereinrichtung (5), das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds (1) zur Einstellung des Aufkohlungsgrads AKGDRA hin zu dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll initiiert. Es wird also in Abhängigkeit von der ermittelten Produkteigenschaft ein Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds (1) zur Einstellung eines vorgegebenen Aufkohlungsgrads AKGDRA,Soll durchgeführt.
  • Für die Veränderung des Aufkohlungsgrads AKGDRA hin zu dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll greift die Steuereinrichtung (5) auf eine empirisch ermittelte Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Aufkohlungsgrad AKGDRA zurück, um anhand der bekannten Differenz ΔAKGDRA=AKGDRA,Soll-AKGDRA durch Abgleich mit der Zuordnungsmenge rückzuschließen, in welchem Ausmaß das Verändern des Betriebs erfolgen soll. Wenn beispielsweise eine als Erhöhung des Aufkohlungsgrads AKGDRA ausgebildete Veränderung des Aufkohlungsgrads AKGDRA als erforderlich bewertet wird, kann beispielsweise die Veränderung des Betriebs des Anlagenverbunds (1) für das Erhöhen des Aufkohlungsgrads AKGDRA darin bestehen, dass die Durchflussrate an reduzierendem Gas, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthält, in der Direktreduktionsanlage (2) erhöht wird, was die Steuereinrichtung über die Ansteuerung des Durchflussventils (6) veranlasst. Als alternative oder zusätzliche Maßnahme kann das Erhöhen der Durchflussrate an zusätzlichen flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenstoffverbindungen 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 Kohlenstoff-Gehalts im Schmelzofen (3) durch die erforderlichen Erhöhung der Durchflussrate an reduzierendem Gas in der Direktreduktionsanlage und/oder das Erhöhen der Durchflussrate an zusätzlichen flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenstoffverbindungen 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 Aufkohlungsgrad AKGDRA 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 zumindest einen stromabwärts der Direktreduktionsanlage (2) angeordneten elektrischen Schmelzofen (3), wobei in einem kontinuierlichen Betrieb des Anlagenverbunds (1) Eisenerzträger die Direktreduktionsanlage (2) durchlaufen, wobei beim Durchlaufen der Direktreduktionsanlage (2) die Eisenerzträger mittels reduzierenden Gases, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthalten kann und/oder wobei zusätzliche flüssige und/oder gasförmige Kohlenstoffverbindungen hineingegeben werden können, zu Eisenschwamm hin mit einem Aufkohlungsgrad AKGDRA reduziert wird, und nach dem Durchlaufen der Eisenschwamm in den Schmelzofen (3) hineingegeben wird, wobei in dem Schmelzofen (3) ein Aufschmelzen des Eisenschwamms unter Zugabe von Einsatzstoffen zu einem Schmelzbad aus metallischer Schmelze mit einem Produkt-Kohlungsgrad KGProdukt und einer auf der metallischen Schmelze schwimmenden Schlacke erfolgt, und in diskreter Folge eine Entnahme von metallischer Schmelze und Schlacke aus dem Schmelzofen (3) mittels Abstichs der Schmelze und Schlacke 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 Aufkohlungsgrads AKGDRA,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 Aufkohlungsgrad AKGDRA der Aufkohlungsgrad AKGDRA bestimmt wird, und bei Feststellen einer Abweichung des Aufkohlungsgrads AKGDRA von dem vorgegebenen Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds zur Einstellung des vorgegebenen Aufkohlungsgrads AKGDRA,Soll erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei das Verändern des Betriebs des Anlagenverbunds (1) zur Einstellung des vorgegebenen Aufkohlungsgrads AKGDRA,Soll anhand einer empirisch ermittelten Zuordnungsmenge von der Produkteigenschaft zu dem Aufkohlungsgrad AKGDRA 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
    - eine Kohlenstoffmassenstoffbilanz aus "hineingegebenen Kohlenstoffverbindungen" zu "ausgegebenen Kohlenstoffverbindungen" ist, oder
    - eine Kohlenstoff-Gehaltsmessung 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
    - eine Messung der Aufschmelzgeschwindigkeit, insbesondere ermittelt aus einem Verhältnis zwischen eingebrachter elektrischer Energie zu ausgegebener Masse, Roheisen und Schlacke, im Zeitraum der diskreten Folgen zwischen den Entnahmen ist, oder
    - eine Energiebilanz im Zeitraum der diskreten Folge zwischen den Entnahmen der Schmelze ist, oder
    - eine Kohlenstoffmassenbilanz aus "hineingegebenem Kohlenstoff" zu "ausgegebenem Kohlenstoff", oder
    - eine Schlackeneigenschaft, beispielsweise eine chemische Zusammensetzung der Schlacke oder die Viskosität der Schlacke, bei konstantem Einbringen von Zuschlagstoffen ist, oder
    - eine Kohlenstoff-Gehaltsmessung des Roheisens ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand einer empirisch ermittelten ersten anlagenspezifischen Kennwertekurve KennwertDRA-AKGDRA der Direktreduktionsanlage (2) und anhand einer empirisch ermittelten zweiten anlagenspezifischen Kennwertekurve KennwertSO-AKGDRA des Schmelzofens (3) der vorgegebene Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll festgelegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kennwert
    - ein Maß für das Gewicht aufgekohltem Eisenschwamms pro Zeiteinheit ist, optional begrenzt auf die maximale Einschmelzmenge an aufgekohltem Eisenschwamm pro Zeiteinheit, oder
    - ein Maß für spezifischen Energieumsatz ist, oder
    - ein Maß für den spezifischen CO2-Ausstoß ist, oder
    - ein Maß für die spezifischen Gesamtkosten ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 9, wobei der vorgegebene Aufkohlungsgrad AKGDRA,Soll festgelegt wird als der Aufkohlungsgrad, für den gilt Min[KennwertDRA(AKGDRA) + KennwertSO(KGProdukt-AKGDRA)].
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verändern des Betriebs zum Erhöhen des Aufkohlungsgrads AKGDRA umfasst:
    - Erhöhen der Durchflussrate oder Reduzierung der eingebrachten Eisenerzträger bei unveränderter Durchflussrate an reduzierendem Gas, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthält, in der Direktreduktionsanlage (2) und/oder
    - Erhöhen der Durchflussrate oder Reduzierung der eingebrachten Eisenerzträger bei unveränderter Durchflussrate an zusätzlichen flüssigen und/oder gasförmigen Kohlenstoffverbindungen in der Direktreduktionsanlage (2).
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verändern des Betriebs zum Reduzieren des Aufkohlungsgrads AKGDRA umfasst:
    - Verringern der Durchflussrate an reduzierendem Gas, welches Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffverbindungen enthält, in der Direktreduktionsanlage (2) und/oder
    - Verringern der Verbleibdauer des zu Eisenschwamm werdenden Eisenerzträger in der Direktreduktionsanlage (2).
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