EP4521048A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrischen einschmelzers - Google Patents

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EP4521048A1
EP4521048A1 EP23196140.0A EP23196140A EP4521048A1 EP 4521048 A1 EP4521048 A1 EP 4521048A1 EP 23196140 A EP23196140 A EP 23196140A EP 4521048 A1 EP4521048 A1 EP 4521048A1
Authority
EP
European Patent Office
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melter
iron
electrodes
electric
slag
Prior art date
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Pending
Application number
EP23196140.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Jonas Fabry
Dr. Boris Kohnen
Dr. Daniel SCHUBERT
Marcus Sommerfeld
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 EP23196140.0A priority Critical patent/EP4521048A1/de
Publication of EP4521048A1 publication Critical patent/EP4521048A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Electric arc furnaces ; Tank furnaces
    • F27B3/08—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Electric arc furnaces ; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat
    • F27B3/085—Arc furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0006—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes obtaining iron or steel in a molten state
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/56—Manufacture of steel by other methods
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • F27D11/08—Heating by electric discharge, e.g. arc discharge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/08—Heating by electric discharge, e.g. arc discharge
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    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
    • C21C5/5211—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace
    • C21C5/5217—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace equipped with burners or devices for injecting gas, i.e. oxygen, or pulverulent materials into the furnace

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electric melter.
  • the invention takes advantage of the fact that additional means are provided that provide additional energy to reduce or even prevent "cold spots" in the melter. These means, which can be controlled during operation, serve to locally heat the feed materials, meaning that the areas that are subjected to additional energy are not yet liquid. These areas can Optionally, energy can also be supplied until the feedstock melts, but this is not necessary if the heat transport from the electrodes is sufficient to convert the still solid areas into the liquid phase.
  • the means are gas lances through which an oxygen-containing or oxidative gas is passed, and the introduction is influenced in such a way that the reducing atmosphere in the melter is maintained.
  • an oxygen-containing or oxidative gas is introduced, which premixes with the gas in the atmosphere of the melter or mixes and ignites at the outlet of the gas lance, whereby the gas lance and thus the flame are directed at the cold spot to heat the feedstock and optionally melt it.
  • the atmosphere in the melter contains ignitable components, including carbon monoxide and hydrogen.
  • the gas lances are preferably directed or arranged at the "cold spots" during operation in order to achieve a faster, particularly temporary, temperature equilibrium between the liquid and solid phases.
  • the means can also be burners which are fed with a fuel gas and an oxygen-containing gas, for example air.
  • Fuel gas can, for example, Contains hydrogen, which can preferably be obtained from electrolysis using green energy (wind, water, solar).
  • the use of other gases, particularly combustible metallurgical gases, is also conceivable.
  • the air ratio for example, is set substoichiometrically to maintain a reducing atmosphere in the melter.
  • the means can be electrodes.
  • the additional electrodes are arranged in the regions where "cold spots" may occur during the driving process in order to more quickly achieve electrical, especially temporary, temperature equilibrium between the liquid and solid phases.
  • the iron-containing feedstocks used are preferably reduced iron ore in the form of sponge iron pieces and/or sponge iron pellets with a carbon content between 0 and 4.5 wt.%, in particular > 0 wt.%, and a degree of metallization of at least 70%, in particular up to 100% possible, preferably up to 98%.
  • the degree of metallization reflects the ratio of the metallic iron content to the total iron content in the sponge iron.
  • the carbon content also influences the liquidus temperature TL, so that this decreases with increasing carbon content, which is advantageous because the energy required for melting can also be reduced.
  • additives in particular metallurgical recycling materials and/or (metallurgical) dust, which may, for example, contain iron, can be added to the media.
  • the additives for example, iron-containing powder and/or dusts are blown into the gas stream of the oxygen-containing or oxidative gas.
  • sponge iron as an iron-containing feedstock also brings with it slag-forming components that are naturally present in iron ore and cannot be expelled in a prior reduction process, and are referred to as gangue. If the gangue provided by the sponge iron is insufficient, further slag-forming agents can be introduced as additives if required to produce a liquid slag that can be further processed.
  • slag-forming agents are preferably added so that a basicity B3 in the liquid slag of between 0.7 and 1.8 is achieved.
  • B3 can in particular be at least 1.0, preferably at least 1.1, and in particular a maximum of 1.7, preferably a maximum of 1.6.
  • the basicity B3 corresponds to the ratio (CaO+MgO) to (SiO2+Al2O3), whereby the determination of the characteristic quantities in the slag in the solid state is familiar to those skilled in the art.
  • the slag former comprises at least one or more of the elements from the group (CaO, MgO, SiO2, Al2O3).
  • the slag formers can be injected into the oxygen-containing or oxidizing gas stream via gas lances, which are preferably present as additional means in the melter, either alternatively or additionally.
  • gas lances which are preferably present as additional means in the melter, either alternatively or additionally.
  • the electric melter has several electrodes that can be charged with an electric current, thus providing the energy required to convert the solids into a liquid phase comprising molten iron and liquid slag.
  • the electric melter has three, four, five, six, or more than six electrodes can be used.
  • the energy required for melting is preferably sourced from renewable energy sources (sun, The energy is provided at least partially from renewable sources (e.g., wind, water, biomass). This allows the electric smelter to be operated in a more environmentally friendly manner.
  • these additional electrodes used during operation can also be fed with regeneratively generated energy, at least in part from regenerative energy.
  • the temperature of the liquid phase captured in the top view therefore does not correspond to the molten iron but to the molten slag formed on it, which can deviate by up to 200 K (plus) from the actual temperature of the molten iron, particularly if the energy input in the smelter occurs via the molten slag.
  • the temperature profile can therefore be provided with a correction factor in the image processing software in the liquid phase region in order to be able to visually represent the approximate temperature of the molten iron in light/dark.
  • the invention relates to an electric melter comprising a plurality of electrodes with a melter wall surrounding a rectangular basic structure, wherein additional means are arranged in the region of the melter wall.
  • a rectangular (horizontal) basic structure is understood to mean the basic shape, in particular of the interior of the electric melter for heating and ultimately melting the feed materials and optional additives in a horizontal (cross-)section, whereby the corner areas of the interior do not necessarily have to have a right angle.
  • the electric melter (10) comprises several electrodes (11), for example, six arranged in series, see. Figures 1 and 2 which provide the energy required for melting in order to convert the feed materials (S) into a liquid phase (L) comprising the molten iron and the liquid slag arranged on the molten iron, wherein a reducing atmosphere is set and/or maintained in the melter (10) during operation.
  • the additional electrodes (E) can also be accommodated/integrated in the base of the melter (10).
  • burners not shown can also be used.
  • More than one electrode (E) can also be used per "cold spot", not shown here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Einschmelzers (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Einschmelzers.
  • Die mittels Elektroden bereitgestellte Energie wird zum Erschmelzen der in elektrischen Einschmelzern eingebrachten Einsatzstoffe verwendet. Dabei wird ein Großteil der (Gesamt-) Energie in thermische Energie umgewandelt, welche zum Erschmelzen der Einsatzstoffe führt, und ein weiterer Teil zur Erwärmung der Zustellung des Einschmelzers führt. Um die Zustellung vor thermischer Belastung zu schützen, wird die Einschmelzerwandung (aktiv) gekühlt. Dadurch geht ein Teil der eingebrachten Energie durch die Kühlung wieder verloren. Um einen elektrischen Einschmelzer wirtschaftlich zu betreiben, wird der Einschmelzprozess in der sogenannten und der Fachwelt bekannten Sumpf-Fahrweise umgesetzt. Das bedeutet, dass bei der Entleerung des elektrischen Einschmelzers die Flüssigschlacke und die darunter befindliche Eisenschmelze in unterschiedliche Behältnisse "abgestochen" werden und eine (bodendeckende) Resteisenschmelze mit einem darüberliegenden Schlackenschicht im Einschmelzer verbleibt, auf welche die neu zu erschmelzenden Einsatzstoffe eingebracht werden und der Prozess durch Beaufschlagung der Elektroden mit Energie kontinuierlich fortgeführt wird. Dadurch gehören die Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Eisenschmelzen in elektrischen Einschmelzern zum Stand der Technik.
  • Des Weiteren sind elektrische Einschmelzer, beispielsweise mit einer rechteckigen (horizontalen) Grundstruktur bekannt, s. beispielhaft EP 2 270 239 B1 und EP 3 542 595 B1 . Durch die bekannte Sumpf-Fahrweise ist auch bei einer rechteckigen horizontalen Grundstruktur der untere Teil des elektrischen Einschmelzers mit Resteisenschmelze und Schlacke bedeckt, während der Einschmelzer mit neuen Einsatzstoffen gefüllt wird. Zum Erschmelzen der Einsatzstoffe auf der gesamten rechteckigen horizontalen Grundstruktur ist ein hoher Energieeintrag über die Elektroden erforderlich, da der Abstand zur Einschmelzerwandung im Vergleich zu einem Einschmelzer mit einer kreisförmigen (horizontalen) Grundstruktur je nach Ausführung, Anzahl der Elektroden und Größe der Grundstruktur und dadurch bedingt der Energieeintrag höher ist, um eine vollständige Flüssigphase über die gesamte Fläche/Volumen des Einschmelzers zu erzeugen.
  • Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, Gaslanzen an/in elektrischen Lichtbogenöfen vorzusehen, über welche Sauerstoff eingeblasen werden, um entweder das in der Atmosphäre vorhandene Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid zu verbrennen, vgl. DE 197 44 151 C5 , oder um in Kombination mit einem kohlenstoffhaltigen Material ein bestimmtes Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis einzustellen, vgl. EP 4 029 954 B1 , wobei in beiden Fällen bereits eine vollständige Flüssigphase vorliegt. Es werden auch Sauerstofflanzen dazu verwendet, um mit Hilfe von unterstöchiometrischer Verbrennung CO Blasen zu erzeugen, um die Schlacke aufzuschäumen.
  • Durch Einbringung der elektrischen Energie können aufgrund von langsamem Wärmetransport lokal kalte Stellen, sogenannte "cold spots", im Einschmelzer entstehen. Dies führt zur einer Verringerung des effektiven Einschmelzervolumens, was eine Verminderung der Produktionsleistung bedeuten kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Verfahren und elektrische Einschmelzer derart weiterzuentwickeln, welches bzw. in welchen das Entstehen von "cold spots" im Wesentlichen reduziert oder verhindert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe durch einen elektrischen Einschmelzer mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weiterführende Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung betrifft gemäß einer ersten Lehre ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Einschmelzers, in welchem Eisenschmelze und Flüssigschlacke durch Einbringen und Erschmelzen von eisenhaltigen Einsatzstoffen erzeugt wird, wobei der elektrische Einschmelzer mehrere Elektroden umfasst, welche die zum Erschmelzen benötigte Energie bereitstellen, um die Einsatzstoffe in eine Flüssigphase umfassend die Eisenschmelze und die auf der Eisenschmelze angeordnete Flüssigschlacke zu überführen, wobei während des Betreibens im Einschmelzer eine reduzierende Atmosphäre eingestellt und/oder aufrechterhalten wird, wobei zusätzliche Mittel angeordnet sind, welche während des Betreibens angesteuert werden, um unterstützend die Einsatzstoffe lokal zu Erwärmen und optional in die Flüssigphase zu überführen.
  • Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass zusätzliche Mittel vorgesehen sind, welche zusätzliche Energie bereitstellen, um die "cold spots" im Einschmelzer zu reduzieren oder gar zu vermeiden. Dabei dienen die Mittel, welche während des Betreibens angesteuert werden können, zum lokalen Erwärmen der Einsatzstoffe, das heißt, dass die Bereiche, welche mit zusätzlicher Energie beaufschlagt werden noch nicht flüssig sind. Diese Bereiche können optional auch bis zum Erschmelzen der Einsatzstoffe mit Energie versorgt werden, ist aber nicht erforderlich, wenn der Wärmetransport von den Elektroden ausreichend ist, um auch die noch festen Bereiche in die Flüssigphase zu überführen.
  • Der Vorteil der zusätzlichen Mittel führt im Wesentlichen zu einer Verringerung des Temperaturgradienten zwischen fester und flüssiger Phase, zu einer Erhöhung des effektiven Einschmelzervolumens, zu einer Homogenisierung der Flüssigschlacken- und Eisenschmelzzusammensetzung, und somit letztendlich zu einer effektiven Produktionssteigerung. Die zusätzlichen Mittel werden insbesondere temporär und somit nach Bedarf angesteuert.
  • Gemäß einer Ausgestaltung sind die zusätzlichen Mittel im Bereich der Einschmelzerwandung angeordnet und werden derart angesteuert, dass sich eine Temperatur der Einsatzstoffe einstellt, welche mindestens 200 K unterhalb der Liquidus-Temperatur TL der Einsatzstoffe beträgt. Es ist nicht zwingend erforderlich, die Mittel anzusteuern, so dass die Einsatzstoffe unbedingt Liquidus-Temperatur TL erreichen müssen. Die Temperatur der Einsatzstoffe kann insbesondere auf mindestens 150 K, vorzugsweise auf mindestens 100 K, bevorzugt auf mindestens 50 K unterhalb der Liquidus-Temperatur TL angesteuert werden. Alternativ können auch selbstverständlich die Mittel derart angesteuert werden, das die Einsatzstoffe eine Temperatur gleich oder über der Liquidus-Temperatur TL erreichen, somit quasi erschmolzen werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung sind die Mittel Gaslanzen, durch welche ein sauerstoffhaltiges oder oxidativ wirkendes Gas geleitet und das Einleiten derart beeinflusst wird, dass die reduzierende Atmosphäre im Einschmelzer aufrechterhalten wird. In vorteilhafterweise wird ein sauerstoffhaltiges oder oxidativ wirkendes Gas eingeleitet, welches sich mit dem Gas in der Atmosphäre des Einschmelzers vormischt oder am Austritt der Gaslanze mischt und entzündet, wobei die Gaslanze und damit die Flamme auf die kalte Stelle gerichtet wird, um den Einsatzstoff zu erwärmen und optional zu erschmelzen. Die Atmosphäre im Einschmelzer enthält zündfähige Komponenten, u.a. Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Die Gaslanzen werden bevorzugt auf die "cold spots" während des Betreibens gerichtet oder angeordnet, um thermisch insbesondere temporär, schneller einen Temperaturausgleich zwischen der flüssigen und festen Phase zu erzielen.
  • Alternativ oder zusätzlich können die Mittel auch Brenner sein, welche mit einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise Luft, gespeist werden. Brenngas kann beispielsweise Anteile von Wasserstoff enthalten, welcher bevorzugt aus einer Elektrolyse mit grüner Energie (Wind, Wasser, Sonne) gewonnen werden kann. Auch die Verwendung von anderen Gasen, insbesondere brennbare Hüttengase sind denkbar. Die Luftzahl wird beispielsweise unterstöchiometrisch eingestellt, um eine reduzierende Atmosphäre im Einschmelzer aufrechtzuerhalten.
  • Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung können die Mittel Elektroden sein. Die zusätzlichen Elektroden sind in den Bereichen angeordnet, in welchen "cold spots" während des Beitreibens entstehen (können), um elektrisch, insbesondere temporär, schneller einen Temperaturausgleich zwischen der flüssigen und festen Phase zu erzielen.
  • Das Erfassen der "cold spots" kann entweder durch Vorversuche oder bei Auslegung des Einschmelzers simulativ ermittelt werden, so dass dem Fachmann bekannt ist, in welchem oder in welchen Bereichen die zusätzlichen Mittel vorzusehen bzw. anzuordnen sind.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kommen als eisenhaltige Einsatzstoffe bevorzugt reduziertes Eisenerz in Form von Eisenschwamm-Stücken und/oder Eisenschwamm-Pellets mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 4,5 Gew.-%, insbesondere > 0 Gew.-%, und einem Metallisierungsgrad von mindestens 70 % zur Anwendung, insbesondere bis zu 100 % möglich, vorzugsweise bis zu 98 %. Der Metallisierungsgrad spiegelt das Verhältnis des metallischen Eisenanteils bezogen auf den gesamten Eisengehalt im Eisenschwamm wieder. Der Kohlenstoffgehalt hat auch einen Einfluss auf die Liquidus-Temperatur TL, so dass diese mit Zunahme des Kohlenstoffgehalts sinkt, was von Vorteil ist, da die erforderliche Energie zum Erschmelzen ebenfalls gesenkt werden kann. Falls die Eisenschmelze einen definierten Kohlenstoffgehalt, welcher zwischen 0, insbesondere > 0, und 4,5 Gew.-% liegen kann, nicht über die eisenhaltigen Einsatzstoffe bereitgestellt werden kann, sind kohlenstoffhaltige Zusatzstoffe in der Menge zu berücksichtigen, dass der gewünschte Kohlenstoffgehalt in der Eisenschmelze erreicht werden kann.
  • Der Einsatz der Erfindung ist beispielsweise auch bei elektrischen Einschmelzern denkbar, welche mit Schrott und/oder Rohstahl als eisenhaltige Einsatzstoffe betrieben werden.
  • Zusätzlich können im Bereich der Mittel Zusatzstoffe, insbesondere Hüttenkreislaufstoffe und/oder (Hütten-)Stäube, welche beispielsweise eisenhaltig sein können, zugegeben werden. Im Falle der Gaslanzen als Mittel können die Zusatzstoffe, beispielhaft eisenhaltiges Pulver und/oder Stäube, im Gasstrom des sauerstoffhaltigen oder oxidativ wirkenden Gases mit eingeblasen werden.
  • Die bevorzugte Verwendung von Eisenschwamm als eisenhaltiger Einsatzstoff bringt auch schlackenbildende Bestandteile mit sich, welche im Eisenerz naturgemäß enthalten sind und nicht in einem vorausgegangenen Reduktionsprozess ausgetrieben werden können, und als Gangart bezeichnet werden. Ist die über den Eisenschwamm bereitgestellte Gangart nicht ausreichend, können bei Bedarf weitere Schlackenbildner als Zusatzstoffe eingebracht werden, um eine weiterverarbeitungsfähige Flüssigschlacke zu erzeugen. So werden gemäß einer Ausgestaltung bevorzugt Schlackenbildner zugegeben, dass sich eine Basizität B3 in der Flüssigschlacke zwischen 0,7 und 1,8 einstellt. B3 kann insbesondere mindestens 1,0, vorzugsweise mindestens 1,1 und insbesondere maximal 1,7, vorzugsweise maximal 1,6 betragen. Die Basizität B3 entspricht dem Verhältnis (CaO+MgO) zu (Si02+AI203), wobei die Ermittlung der charakteristischen Größen in der Schlacke im festen Zustand dem Fachmann geläufig sind. Der Schlackenbildner umfasst mindestens eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe (CaO, MgO, SiO2, Al2O3).
  • Um eine Erhöhung der Reaktivität im Einschmelzer zu bewirken, können die Schlackenbildner alternativ oder zusätzlich über die Gaslanzen, welche bevorzugt als zusätzliche Mittel im Einschmelzer vorhanden sind, im Gasstrom des sauerstoffhaltigen oder oxidativ wirkenden Gases mit eingeblasen werden. Vorteil wäre beispielsweise ein beschleunigtes Erwärmen und damit instantane Verflüssigen der eingebrachten Schlackenbildner.
  • Um die Recyclingrate zu verbessern bzw. erhöhen, kann Schrott zusätzlich zu den eisenhaltigen Einsatzstoffen, bevorzugt zu den Eisenschwamm-Stücken und/oder Eisenschwamm-Pellets zugegeben werden. Dies kann beispielsweise in der Art erfolgen, dass > 0 kg, insbesondere mindestens 20 kg, vorzugsweise mindestens 50 kg, bevorzugt mindestens 80 kg bis zu 200 kg Schrott pro erzeugter Tonne Eisenschmelze zugegeben werden kann.
  • Zum Erschmelzen der eisenhaltigen Feststoffe verfügt der elektrische Einschmelzer über mehrere Elektroden, welche mit elektrischem Strom beaufschlagbar sind und damit die erforderliche Energie bereitstellen, um die Feststoffe in eine Flüssigphase umfassend eine Eisenschmelze und eine Flüssigschlacke zu überführen. Je nach Größe/Dimension des elektrischen Einschmelzers können drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs Elektroden verwendet werden. Die zum Erschmelzen benötigte Energie wird bevorzugt aus regenerativer Energie (Sonne, Wind, Wasser, Biomasse) bereitgestellt, zumindest zum Teil aus regenerativer Energie. Dadurch kann der elektrische Einschmelzer umweltfreundlicher betrieben werden.
  • Im Falle, dass zusätzliche Elektroden als Mittel zur Reduzierung oder Vermeidung von "cold spots" zum Einsatz kommen, können auch diese während des Betreibens zum Einsatz kommenden zusätzlichen Elektroden mit regenerativ erzeugter Energie gespeist werden, zumindest zum Teil aus regenerativer Energie.
  • Im Falle, dass zusätzliche Gaslanzen als Mittel zur Reduzierung oder Vermeidung von "cold spots" zum Einsatz kommen, kann vorzugsweise Sauerstoff als Gas gespeist werden, welches bevorzugt aus einer regenerativ betriebenen Elektrolyse oder Luftzerlegung stammt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Grundstruktur des elektrischen Einschmelzers im Wesentlichen rechteckig mit je zwei gleich langen gegenüberliegenden Seiten der Einschmelzerwandung ausgeführt, wobei die Elektroden, beispielsweise vier oder mehr, vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind.
  • Die Elektroden werden derart angesteuert, dass sich um die Elektroden herum eine Flüssigphase mit einer Temperatur von mehr als TL, beispielsweise von mindestens TL + 30 K, insbesondere mindestens TL + 50 K einstellt. Die Liquidus-Temperatur von reinem Eisen liegt theoretisch bei ca. 1538 °C. Die Temperatur bezieht sich im Wesentlichen auf die Temperatur der Eisenschmelze, welche mit bekannten Mitteln erfasst werden kann. Bekannte Messmittel sind beispielsweise direkt in die Eisenschmelze einzutauchende Thermoelemente oder kontaktlose Pyrometer. Auch kann es durchaus üblich sein, qualifizierte Annahmen zu treffen, die Rückschlüsse auf die Temperatur im Einschmelzer zulassen, wie zum Beispiel ein optisches Verfolgen des Schmelzbades und Feststellen von unterschiedlich starker Strahlung, anderem Fließverhalten der Flüssigschlacke/Eisenschmelze, Änderungen der Morphologie sowie Erschmelzen von der Einsatzstoffe oder Messen der Temperatur(en) der Einschmelzerwandung. Das Ermitteln/Erfassen der Temperatur ist dem Fachmann geläufig.
  • Mittels bildgebenden Mitteln, beispielsweise mittels Kamera oder Kameras, kann der Einschmelzprozess (-zyklus) überwacht werden, beispielsweise in Form eines Temperaturprofil in Draufsicht. So können beispielsweise helle Bereiche, heiße und flüssige Phasen und dunkle, etwas kühlere, Mischphasen oder feste Phasen kennzeichnen, aber auch "cold spots". Da sich während des Erschmelzens und Überführens der Einsatzstoffe und optionalen Zusatzstoffe in eine Flüssigphase, welche die Eisenschmelze und die Flüssigschlacke umfasst, bildet sich die Flüssigschlacke aufgrund der geringeren Dichte im Vergleich zur Eisenschmelze auf der Eisenschmelze aus. Die Temperatur der in Draufsicht erfassten Flüssigphase entspricht somit nicht der Eisenschmelze sondern der darauf ausgebildeten Flüssigschlacke, welche mit bis zu 200 K (plus) von der tatsächlichen Temperatur der Eisenschmelze abweichen kann, insbesondere dann, wenn in dem Einschmelzer der Energieeintrag über die Flüssigschlacke erfolgt. Das Temperaturprofil kann daher im Bereich der Flüssigphase mit einem Korrekturfaktor in der bildbearbeitenden Software versehen werden, um die ungefähre Temperatur der Eisenschmelze bildhaft in hell/dunkel darstellen zu können.
  • Die Erfindung betrifft gemäß einer zweiten Lehre einen elektrischer Einschmelzer umfassend mehrere Elektroden mit einer eine rechteckige Grundstruktur umgebende Einschmelzerwandung, wobei zusätzliche Mittel im Bereich der Einschmelzerwandung angeordnet sind.
  • Unter rechteckiger (horizontaler) Grundstruktur ist die grundlegende Form insbesondere des Innenraums des elektrischen Einschmelzers zum Erwärmen und letztendlich zum Erschmelzen der Einsatzstoffe und optionalen Zusatzstoffe im horizontalen (Quer-)Schnitt zu verstehen, wobei die Eckbereiche des Innenraums nicht unbedingt einen rechten Winkel aufweisen müssen.
  • Der elektrische Einschmelzer kann bevorzugt ein Ofen der Gattung OSBF (Open Slag Bath Furnace) sein. Hierzu zählen Elektroreduktionsöfen, vor allem SAF (Submerged Electric Arc Furnace), welche Schmelzöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung sind, die Lichtbögen zwischen der Elektrode und dem Einsatzstoff und/oder der Flüssigphase bilden oder welche den Einsatzstoff und/oder die Flüssigphase mittels Joule-Effekt erwärmen. Beim SAF sind die Elektroden in den Einsatzstoff und/oder die Flüssigphase, insbesondere in die Flüssigschlacke eingetaucht. Je nach Funktionsprinzip/Betriebsweise können die Elektroreduktionsöfen als Wechselstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFac) oder Gleichstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFdc) ausgeführt sein.
  • Alternativ können auch Schmelzöfen mit direkter Lichtbogeneinwirkung, welche vom oben beschriebenen Funktionsprinzip/Betriebsweise abweichen, sogenannte EAF (Electric Arc Furnace) zum Einsatz kommen, welche Lichtbögen zwischen der Elektrode und der Flüssigphase bilden. Dies umfasst den Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFac), den Gleichstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFdc) und den Pfannenofen LF (Ladle Furnace).
  • Voraussetzung ist jedoch eine Einstellung und/oder Aufrechterhaltung einer reduzieren Atmosphäre im elektrischen Einschmelzer, quasi im Innenraum des elektrischen Einschmelzers. Sollte dies bei Einschmelzern mit direkter Lichtbogeneinwirkung (EAF) nicht möglich sein, kommen bevorzugt Elektroreduktionsöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung (SAF) zur Anwendung.
  • Gemäß einer Ausgestaltung sind die zusätzlichen Mittel bei einer rechteckigen Grundstruktur im Bereich der Ecken der Grundstruktur angeordnet. Da der Abstand zur Einschmelzerwandung von den im Mittenbereich zentral angeordneten Elektroden zum Erwärmen und Erschmelzen der Einsatzstoffe unterschiedlich ist, sind die Ecken oder Eckbereiche typische "cold spots", die thermisch und/oder elektrisch, insbesondere temporär, durch die entsprechenden Mittel mit Energie beaufschlagbar sind, um die vorgenannten Vorteile und damit verbunden auch eine Erhöhung der Produktionsleistung erzielen zu können.
  • Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.
  • Die Erfindung wird mit Hilfe der Figuren 1 und 2 am Beispiel eines elektrischen Einschmelzers (10) mit einer rechteckigen (horizontalen) Grundstruktur näher erläutert. Zwar zeigen die Figuren 1 und 2 skizzenhaft ein Beispiel mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundstruktur, denkbar ist aber auch eine hier nicht dargestellte quadratische oder kreisförmige oder elliptische Grundstruktur in einem elektrischen Einschmelzer zu berücksichtigen.
  • Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Einschmelzers (10) mit vorzugsweise einer eine rechteckige Grundstruktur umgebende Einschmelzerwandung (12) vor, in welchem Eisenschmelze und Flüssigschlacke durch Einbringen und Erschmelzen von eisenhaltigen Einsatzstoffen (S) erzeugt wird. Über nicht dargestellte Mittel können die erforderlichen Einsatzstoffe zugeführt werden. Die eisenhaltigen Einsatzstoffe umfassen oder bestehen bevorzugt aus Eisenschwamm-Stücken und/oder -Pellets. Zusätzlich können auch weitere eisenhaltige Einsatzstoffe, wie zum Beispiel eisenhaltiger Schrott, um die Recyclingrate zu erhöhen, zugeführt werden. Weitere Zusatzstoffe, wie zum Beispiel Schlackenbildner wie Kalk, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid können zusätzlich eingebracht werden, insbesondere wenn die sogenannte Gangart des vorzugsweise eingesetzten Eisenschwamms nicht ausreicht, um in Abhängigkeit davon, die gewünschte Basizität B3 der abzustechenden Flüssigschlacke einstellen zu können. Die Einstellung der gewünschten Basizität durch entsprechende Mischung/Zugabe ist dem Fachmann geläufig. Die eingebrachte Menge an eisenhaltigen Einsatzstoffen bemisst sich an der gewünschten Ausbringung der Eisenschmelze. Der elektrische Einschmelzer (10) umfasst mehrere Elektroden (11), beispielsweise sechs in Reihe angeordnet, vgl. Figuren 1 und 2, welche die zum Erschmelzen benötigte Energie bereitstellen, um die Einsatzstoffe (S) in eine Flüssigphase (L) umfassend die Eisenschmelze und die auf der Eisenschmelze angeordnete Flüssigschlacke zu überführen, wobei während des Betreibens im Einschmelzer (10) eine reduzierende Atmosphäre eingestellt und/oder aufrechterhalten wird.
  • Die zum Erschmelzen benötigte elektrische Energie kann vorzugsweise aus regenerativer Energie (Sonne, Wind, Wasser) erzeugt worden sein.
  • Um das Entstehen von "cold spots" im Wesentlichen zu reduzieren oder gar zu verhindern, sind zusätzliche Mittel (E, O) angeordnet, welche während des Betreibens angesteuert werden, um unterstützend die Einsatzstoffe (S) zu Erwärmen und optional in die Flüssigphase (L) zu überführen. Die zusätzlichen Mittel (E, O) sind im Bereich der Einschmelzerwandung (12), vorzugsweise im Bereich der Ecken der Grundstruktur, angeordnet und werden derart angesteuert werden, dass sich eine Temperatur der Einsatzstoffe (S) einstellt, welche mindestens 200 K unterhalb der Liquidus-Temperatur TL der Einsatzstoffe (S) beträgt.
  • Der Unterschied in zwischen den Figuren 1 und 2 ist, dass in Figur 1 als Mittel (O) Gaslanzen vorgesehen sind, durch welche ein sauerstoffhaltiges Gas geleitet und das Einleiten derart beeinflusst wird, dass die reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird. Symbolisiert sind helle Bereich in den Ecken, welche das Ausrichten der Gaslanzen (O) auf die Einsatzstoffe (S) darstellen sollen. In Figur 2 sind insbesondere alternativ zusätzliche Elektroden als Mittel (E) vorgesehen, welche durch im beispielsweise kleinere vom Umfang her im Vergleich zu den (Haupt-)Elektroden (11) Elektroden (E) in den Ecken dargestellt sind. Die zusätzlichen Elektroden (E) können von oben, insbesondere zustellbar sein, über welche entweder die Einsatzstoffe (S) mittels Lichtbogen-Widerstandserwärmung oder direkter Lichtbogeneinwirkung eine Erwärmung erzielt wird. Alternativ oder zusätzlich können die zusätzlichen Elektroden (E) auch im Boden des Einschmelzers (10) aufgenommen/integriert sein. Alternativ oder zusätzlich können auch nicht dargestellte Brenner zur Anwendung kommen. Es können auch mehr als nur eine Elektrode (E) je "cold spot" zur Anwendung kommen, hier nicht dargestellt.
  • Nicht dargestellt sind entsprechende Öffnungen in der Einschmelzerwandung (12) vorgesehen, durch die Flüssigschlacke und die Eisenschmelze abgestochen/abgelassen werden können.
  • Der elektrische Einschmelzer (10) mit seiner vorzugsweise rechteckigen Grundstruktur ist feststehend und nicht schwenkbar ausgeführt. Das Betreiben von elektrischen Einschmelzern (10) ist dem Fachmann geläufig.
  • Ebenfalls nicht dargestellt ist, wie die Eisenschmelze entnommen und einem Weiterverarbeitungs-schritt zugeführt wird. Bevorzugt wird die Eisenschmelze einem Behandeln zugeführt, um den Kohlenstoff in der Eisenschmelze auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren. Dies erfolgt beispielsweise mittels Sauerstoff in einem sogenannten Sauerstoffblasprozess, besonders bevorzugt in einem Konverter. Auch die abgestochene Flüssigschlacke wird vorzugsweise einer Granulation zugeführt, um Schlacke insbesondere für die Bauindustrie zu erzeugen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Einschmelzers (10), in welchem Eisenschmelze und Flüssigschlacke durch Einbringen und Erschmelzen von eisenhaltigen Einsatzstoffen (S) erzeugt wird, wobei der elektrische Einschmelzer (10) mehrere Elektroden (11) umfasst, welche die zum Erschmelzen benötigte Energie bereitstellen, um die Einsatzstoffe (S) in eine Flüssigphase (L) umfassend die Eisenschmelze und die auf der Eisenschmelze angeordnete Flüssigschlacke zu überführen, wobei während des Betreibens im Einschmelzer (10) eine reduzierende Atmosphäre eingestellt und/oder aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Mittel (E, O) angeordnet sind, welche während des Betreibens angesteuert werden, um unterstützend die Einsatzstoffe (S) zu Erwärmen und optional in die Flüssigphase (L) zu überführen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zusätzlichen Mittel (E, O) im Bereich der Einschmelzerwandung (12) angeordnet sind und derart angesteuert werden, dass sich eine Temperatur der Einsatzstoffe (S) einstellt, welche mindestens 200 K unterhalb der Liquidus-Temperatur TL der Einsatzstoffe (S) beträgt.
  3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Mittel (O) Gaslanzen sind, durch welche ein sauerstoffhaltiges Gas geleitet und das Einleiten derart beeinflusst wird, dass die reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird.
  4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Mittel (E) Elektroden sind.
  5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei als eisenhaltige Einsatzstoffe reduziertes Eisenerz in Form von Eisenschwamm-Stücken und/oder Eisenschwamm-Pellets mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 4,5 Gew.-% und einem Metallisierungsgrad von mindestens 70 % zur Anwendung kommen.
  6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei Schlackenbildner zugegeben werden, welche mindestens eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe (CaO, MgO, SiO2, Al2O3) umfassen, dass sich eine Basizität B3 in der Flüssigschlacke zwischen 0,7 und 1,8 einstellt.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die zum Erschmelzen benötigte Energie zumindest zum Teil aus regenerativer Energie bereitgestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Grundstruktur des elektrischen Einschmelzers (10) rechteckig mit je zwei gleich langen gegenüberliegenden Seiten der Einschmelzerwandung (12) ausgeführt ist, wobei die Elektroden (11), vier oder mehr, vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind.
  9. Elektrischer Einschmelzer (10) umfassend mehrere Elektroden (11) mit einer insbesondere eine rechteckige Grundstruktur umgebende Einschmelzerwandung (12), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Mittel (E, O) im Bereich der Einschmelzerwandung (12) angeordnet sind.
  10. Elektrischer Einschmelzer (10) nach Anspruch 9, wobei die zusätzlichen Mittel (E, O) bei einer rechteckigen Grundstruktur im Bereich der Ecken der Grundstruktur angeordnet sind.
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