EP4667591A1 - Vorrichtung und verfahren zum herstellen von direktreduzierten eisenerzträgern und zum erschmelzen der direktreduzierten eisenträger - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum herstellen von direktreduzierten eisenerzträgern und zum erschmelzen der direktreduzierten eisenträger

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EP4667591A1
EP4667591A1 EP24183044.7A EP24183044A EP4667591A1 EP 4667591 A1 EP4667591 A1 EP 4667591A1 EP 24183044 A EP24183044 A EP 24183044A EP 4667591 A1 EP4667591 A1 EP 4667591A1
Authority
EP
European Patent Office
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area
gas
melting
directly reduced
reduced iron
Prior art date
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Pending
Application number
EP24183044.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martí López Freixes
Leander Reuter
Daniel Schubert
Matthias Jonas Fabry
Boris Kohnen
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 EP24183044.7A priority Critical patent/EP4667591A1/de
Priority to PCT/EP2025/066430 priority patent/WO2025261892A1/de
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0033—In fluidised bed furnaces or apparatus containing a dispersion of the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21B13/004—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in a continuous way by reduction from ores
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    • C21B13/02—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces
    • C21B13/023—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in shaft furnaces wherein iron or steel is obtained in a molten state
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/06—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in multi-storied furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/10—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B1/12—Shells or casings; Supports therefor

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for producing directly reduced iron ore carriers and for melting the directly reduced iron carriers.
  • the task is therefore to provide a device and a method for producing directly reduced iron ore carriers and for smelting the directly reduced iron carriers, which are in particular more cost-effective than a comparable new construction.
  • the invention relates to a device for producing directly reduced iron ore carriers and for melting the directly reduced iron carriers, in which a direct reduction area is arranged in an upper section of the device and a melting area is arranged in a lower section of the device, wherein a gas-permeable dome shape is arranged above the melting area, which forms the direct reduction area spatially separates from the melting area, the melting area being divided by a lower liquid area and an upper gas area above it.
  • the invention relates to a method for producing directly reduced iron ore carriers and for melting the directly reduced iron carriers, wherein a direct reduction area is arranged in an upper section of a device and a melting area is arranged in a lower section of the device, wherein the direct reduction area is spatially separated from the melting area by arranging a gas-permeable dome shape, wherein directly reduced iron carriers are discharged from the direct reduction area into the melting area via at least one discharge opening and/or discharge flap in the dome shape and/or at least one discharge opening and/or discharge flap in the device wall.
  • directly reduced iron ore carriers such as in direct reduction plants of known design, including shaft furnace direct reduction technology from Midrex or HYL, and for melting the directly reduced iron carriers, such as in electric furnaces of known design, including type EAF or SAF, and thus requiring at least two different units, can be replaced or substituted by one device, thereby providing in particular a more cost-effective alternative to a comparable new building.
  • the direct reduction section in the upper part of the device corresponds to a reactor in a substantially comparable direct reduction plant.
  • the division of the melting zone into a lower liquid zone and an upper gas zone above it creates an analogy to an electric furnace.
  • the gases generated in the melting zone in the lower part of the device during the melting of the directly reduced iron supports and additives, whether due to the process itself or through the additional supply of external gases, are preferably reducing and thus ideally suited to be passed as reducing gas through the direct reduction zone located in the upper part of the device and through the iron supports to be directly reduced.
  • the gas-permeable dome shape therefore allows gases from the melting zone to pass into the direct reduction zone. This gas-permeable dome shape can be seen as a kind of vault over the melting zone.
  • the device is a shaft furnace.
  • repurposing existing shaft furnaces is suitable, particularly repurposing blast furnaces, since these can be converted relatively easily to meet the requirements of the process according to the invention.
  • iron ores are continuously produced into liquid pig iron through reduction and smelting processes.
  • the continuously operating shaft furnace is based on the countercurrent principle. Burden and coke are fed alternately in layers across the furnace cross-section at the top opening of the shaft, the so-called top plate. Due to gravity, the fed material sinks downwards against the rising reduction gases.
  • the burden consists of iron ore carriers (such as lump ore and/or agglomerated ores in the form of sinter and/or pellets) and additives (such as gravel, dolomite, bauxite, and olivine).
  • the added coke serves as an energy carrier and reducing agent.
  • the reducing gas produced in the blast furnace process and partially consumed through redox reactions with the burden is drawn off as so-called top gas.
  • the hearth preheated air, possibly mixed with unheated air, steam, and/or oxygen, is supplied via tuyeres from hot blast stoves. This air provides the necessary oxygen for combustion and sensible heat.
  • the carbon reacts with the supplied oxygen to form carbon monoxide, which rises and reduces the iron ore by forming carbon dioxide.
  • the iron As the burden descends, the iron is reduced to metallic iron, carburized, and melted.
  • the iron impurities in the ore known as gangue, such as silicon dioxide, manganese oxide, and phosphorus oxide, are also reduced by the reducing gas and dissolved in the pig iron.
  • the products of the blast furnace include pig iron, slag, blast furnace gas, and blast furnace dust.
  • a classic blast furnace viewed from top to bottom, is divided into the top, the shaft (preheating zone, reduction zone, and coaling zone), the coal sack, the melting zone, and the hearth.
  • the transition from the solid phase to the liquid phase is described by the so-called cohesive zone, in which the melting and softening of the burden and (partially) reduced iron ore carrier occurs.
  • the location of the cohesive zone depends on the prevailing temperature ranges in the blast furnace and is therefore determined by the blast furnace's operating mode and design.
  • the cohesive zone consists of permeable, gas-permeable coke layers. which are permeated with viscous, molten burden materials and iron that oppose the gas flow.
  • the cohesive zone has a significant influence on the gas distribution in the lower part of the shaft.
  • the direct reduction zone is spatially separated from the melting zone, so that there is no continuous transition between the individual sections mentioned above during the blast furnace process.
  • a flow-optimized design of the dome to ensure the best possible gas permeation of the shaft, similar to a cohesive zone.
  • the dome provides the support structure for the burden column, which in the conventional blast furnace process is provided by the dead man's block (static coke bed). Therefore, when using hydrogen and/or hydrogen-containing gases, no water-gas shift reaction occurs, which reforms the water vapor produced during reduction into hydrogen at the cost of coke/carbon consumption.
  • additives/slag formers from the group consisting of MgO, SiO2 , Al2O3 , and CaO can be used to achieve favorable properties for both process engineering and cement production.
  • the conditioned slag from the reactor can be used as a substitute for blast furnace slag after appropriate granulation.
  • the slag and pig iron produced in the blast furnace according to the invention can be conveyed to existing processing units via existing means, such as existing tapping troughs for filling slag ladles with slag and torpedo ladles with pig iron.
  • the slag produced can be fed in liquid form to a known slag conditioning process as needed.
  • the slag can be wet- or dry-granulated using known methods.
  • the pig iron can also be subjected to known further processing stages, such as vacuum treatment, refining in a converter, and/or refining in an electric arc furnace, for example, of type EAF.
  • the existing charging equipment of the blast furnace including conveyor belts, bunker systems, and charging systems such as bell-less and/or bell-less charging systems (see https://www.paulwurth.com/wp-content/uploads/2020/08/Brochure-Bell-Less-Top-Charging-System-en.pdf or https://www.danieli-corus.com/ironmaking/top-charging-unit ), can also be used.
  • the existing blast furnace gas extraction and processing facilities i.e., raw gas pipelines and processing plants (such as exhaust gas traps, risers, and downstream processing plants for separating solids (blast furnace dust) and processing the blast furnace gas), can continue to be used.
  • the dome shape can be self-supporting.
  • the dome shape can be assembled using a tongue-and-groove system, designed to accommodate the pile of iron beams to be directly reduced in the direct reduction zone and, in particular, to withstand mechanical and thermal influences.
  • a connection to and/or contact with the device, or with the inner wall or the (standard) refractory material designed as the inner wall, can be provided in the area of the so-called rest if a blast furnace has been repurposed as a device.
  • the dome can be constructed with a substructure.
  • This substructure can fully or partially bear the load of the dome and the iron girders supporting the piling above it.
  • the dome shape and substructure are designed in such a way that they can withstand mechanical and thermal influences.
  • the material for the dome shape and the optional substructure can be made of a refractory material.
  • a composite material containing or consisting of steel and a refractory matrix would also be conceivable.
  • a wear-resistant material such as steel or a nickel-chromium superalloy like Inconel could be used.
  • the dome shape and the optional substructure can also be equipped with cooling channels.
  • the dome shape can be inverted with its apex pointing towards the melting zone.
  • This configuration must be connected to a suitable substructure within the device to ensure stable separation of the melting zone from the direct reduction zone.
  • the approach according to the invention discussed here is not a continuous direct reduction and melting process.
  • the iron carriers to be directly reduced located in the upper section of the apparatus within the direct reduction zone, are exposed to a reduction gas for a defined period of time. This gas is supplied from the melting zone via the substantially gas-permeable dome. If the directly reduced iron carriers exhibit predefined properties, such as a minimum metallization degree of 70%, in particular 75%, preferably 80%, preferably 85%, and most preferably 90%, they are transferred to the melting zone and melted in the lower liquid zone of the melting zone, together with the addition of additives, to produce pig iron and a slag floating on the pig iron.
  • the procedure is analogous to the individual units of direct reduction and electric arc furnace, but integrated into a single apparatus.
  • the tapping of pig iron and slag can take place in the lower liquid zone of the melting zone of the apparatus, analogous to the electric arc furnace.
  • the existing tapping areas can be adopted or suitable tapping equipment can be added, analogous to the electric furnace.
  • the degree of metallization corresponds to the ratio of pure iron to total iron in the directly reduced iron carrier.
  • the degree of metallization can be monitored during the process by measuring the FeO content. in the slag or the reduction agent consumption in the melting range and can be taken into account, for example, as control parameters.
  • the iron carriers to be directly reduced are provided, for example, in the form of pellets and/or lump ores and/or sinter and are introduced into the direct reduction area in the upper section of the device.
  • the directly reduced iron beams can be discharged from the direct reduction area into the melting area via at least one discharge opening and/or discharge flap in the dome shape and/or at least one discharge opening and/or discharge flap in the device wall.
  • At least one discharge opening and/or discharge flap can be arranged in the dome shape to remove the directly reduced iron ore carriers from the direct reduction area to the smelting area.
  • At least one discharge opening and/or discharge flap can be arranged in the device wall for the discharge of the directly reduced iron ore carriers from the direct reduction area into the smelting area.
  • At least one discharge opening and/or discharge flap can be arranged in the dome shape and at least one discharge opening and/or discharge flap in the device wall for discharging the directly reduced iron ore carriers from the direct reduction area into the smelting area.
  • electrodes are arranged in the melting zone according to a preferred embodiment.
  • these can be introduced through suitable openings in the apparatus/blast furnace wall, for example, through a portion of the existing wind tuyeres.
  • the openings are to be provided and/or adapted, for example, such that a preferably inclined or angled arrangement of the electrodes in the melting zone is possible. at an angle between 30 and 60° to the horizontal.
  • the electrodes can be made of graphite. Alternatively, they can also be Söderberg electrodes.
  • the electrodes are positioned in the upper gas zone of the melting zone through the openings in the furnace/blast furnace wall to prevent the unintentional escape of slag and, optionally, pig iron through these openings.
  • the electrodes can be positioned down to the lower liquid zone of the melting zone, allowing contact between the electrode tips and at least the slag. This means that the electrodes can extend into the slag in the liquid phase and/or into the bed before the solids (directly reduced iron carriers and additives) introduced into the melting zone are liquefied, and this may even be desirable depending on the operating mode.
  • Contact between the electrodes and the bed, or at least the slag is also known from a known electric arc furnace (electric reduction furnace) of the SAF type.
  • the electrode mass can be enhanced, for example, by the addition of metallic wires and/or braids, thereby increasing its strength and/or improving its thermal conductivity.
  • metallic wires and/or braids are state of the art. Additionally, alloying elements could be introduced into the melt by adding metallic wires.
  • ceramic components or ceramic fibers can also be included in the electrode mass to reinforce the electrodes and/or to adjust the wear characteristics.
  • At least one component from the group consisting of SiO2 , CaO, MgO, and Al2O3 can also be included as a ceramic component in the electrode mass. This allows, for example, a reduction in the amount of slag formers required to condition the slag to be produced in the melting zone of the device.
  • Slag components which contain components from the group SiO 2 , CaO, MgO, Al 2 O 3 , especially finely ground, may also be added, particularly preferably.
  • material feed openings are arranged in the melting area. Additives can be introduced through these openings.
  • the material can be introduced through suitable openings in the apparatus/blast furnace wall, for example via a part of the existing wind molds.
  • the additives are slag formers comprising or consisting of at least one component from the group consisting of SiO2 , CaO, MgO, and Al2O3 .
  • Slag formers are preferably added such that a basicity B4 in the processed slag is between 0.7 and 4.5.
  • B4 can be at least 0.8, preferably at least 0.9, and particularly at most 3.7, preferably at most 2.6, and preferably 1.8.
  • the basicity B4 corresponds to the ratio of CaO + MgO to SiO2 + Al2O3 , the determination of which characteristic values is generally known to those skilled in the art in solid-state slags.
  • the slag produced during melting can be conditioned by additives to replicate a blast furnace-like slag (such as OBF), which can be subjected to dry/wet granulation and thus, through rapid solidification, yields granulated blast furnace slag with latent hydraulic properties as a product.
  • a blast furnace-like slag such as OBF
  • the additives can optionally include carbon-containing materials.
  • Suitable carbon-containing materials include, in principle, all materials in gaseous, liquid, and/or solid form containing reducible free carbon that can be introduced into the melting range of the device.
  • solid materials include coke, coke dust, coke grit, coke slurry, coal, coal particles, biochar, recycled plastics, biomass, plastics, or mixtures thereof.
  • liquid materials include ethanol, methanol, and other (suitable) hydrocarbons or mixtures thereof.
  • gaseous materials include carbon-containing gases such as carbon dioxide, methane (natural gas), carbon monoxide, propane, butane, or mixtures thereof.
  • the optional carbon-containing feedstocks are introduced, for example, in an amount sufficient to achieve a defined carbon content in the pig iron to be produced, which may be between > 0, in particular > 0.50, preferably > 1.0, preferably > 2.0, particularly preferably > 3.0 and 4.8 wt.%.
  • the additives can include slag formers, optional carbon-containing feedstocks, and optional iron-containing blast furnace residues and/or recycled blast furnace materials.
  • iron-containing blast furnace residues and/or recycled blast furnace materials containing or consisting of oxygen compounds are present in oxide form. Examples include iron-containing agglomerates or oxides generated in a blast furnace complex.
  • Metallurgical waste, especially dusts. Dusts are defined as substances with a diameter of less than 10 mm, particularly less than 6 mm. Dusts can originate from steelworks, sintering and pelletizing plants, direct reduction plants, electric arc furnaces, coking plants, and blast furnaces.
  • Other metallurgical residues can include scale (rolling scale), slag from secondary metallurgy, or desulfurization.
  • scrap metal can optionally be added as an additive in addition to the slag formers, optional carbon-containing feedstocks, and optional iron-containing metallurgical residues and/or recycled metallurgical materials.
  • This can be achieved, for example, by adding > 0 kg, in particular at least 20 kg, preferably at least 50 kg, preferably at least 80 kg up to 200 kg, in particular up to 150 kg, preferably up to 100 kg of scrap metal per ton of pig iron to be produced.
  • additional additive gas for example in the form of carbon monoxide, hydrogen, natural gas, or CO- and/or H2 -containing blast furnace gases, can be introduced into the upper gas zone of the melting zone.
  • additional additive gas for example in the form of carbon monoxide, hydrogen, natural gas, or CO- and/or H2 -containing blast furnace gases, can be introduced into the upper gas zone of the melting zone.
  • this can also be introduced through suitable openings in the device/blast furnace wall, for example, via a portion of the existing tuyeres.
  • the additionally introduced additive gas can already have a temperature between 200, particularly 300, preferably 400, more preferably 500, particularly preferably 600, and more preferably 700 and 1200 °C, which is either heated to temperature by suitable and known process gas heaters or drawn directly from the heat of the preceding process.
  • the process gas (blast furnace gas) drawn off in the upper section of the device, i.e., above the direct reduction zone, can be dehumidified using known methods, meaning the water (vapor) content is reduced, and unwanted components such as carbon dioxide, etc., are also removed from the process gas using known methods.
  • the dehumidified and/or purified process gas can optionally be reheated and returned to the device as gas, additive gas, or a portion thereof, thus maintaining a cycle.
  • the withdrawn process gas can be treated with unreacted gas. They contain proportions of carbon monoxide and/or hydrogen, which can be used again as a reducing gas or for other purposes.
  • FIG. 1 This document describes an exemplary embodiment of a device (1) and a method for producing directly reduced iron ore carriers (ri) and for melting the directly reduced iron carriers (ri).
  • the device (1) is a shaft furnace, preferably a converted blast furnace.
  • a direct reduction section (2) is arranged in an upper section (1.1) of the device (1), and a melting section (3) is arranged in a lower section (1.2) of the device (1).
  • a gas-permeable dome (4) is arranged above the melting section (3), spatially separating the direct reduction section (2) from the melting section (3).
  • the melting section (3) is subdivided by a lower liquid section (3.2) and an upper gas section (3.1) above it.
  • the dome (4) can be self-supporting or provided with a substructure not shown here.
  • the gas-permeable dome (4) is arranged in the area of the blast furnace's rest.
  • the exemplary design in Figure 2 shows in comparison to Figure 1 An arrangement of an inverted dome shape (4') with its apex pointing towards the melting area (3).
  • the inverted dome shape (4') can be provided with a corresponding substructure, not shown here.
  • Direct-reducible iron carriers (io) are preferably introduced in the form of pellets and/or sinter and/or lump ores into the upper section (1.1) of the device (1) to remain in the direct reduction zone (2) of the device (1) for a specific period of time. During this period, they are brought into contact with a reduction gas, thereby metallizing to form directly reduced iron carriers (ri) with a degree of metallization of at least 70%.
  • the gases generated in the melting zone (3) in the lower section (1.2) of the device (1) during the melting of the directly reduced iron supports (ri) together with additives, due to the process and/or by the additional supply of additive gases (7) from the outside, are preferably reducing and thus ideally suited to be passed as reducing gas through the direct reduction zone (2) arranged in the upper section (1.1) of the device (1) and the directly reduced iron support (io) located therein.
  • the gas-permeable dome shape (4, 4') therefore allows Gases from the melting zone (3) are passed through to the direct reduction zone (2).
  • pig iron (R) and a slag (S) floating on it are produced.
  • the directly reduced iron beams (ri) can be discharged from the direct reduction area into the melting area via at least one discharge opening and/or discharge flap (4.1) in the dome shape (4, 4 ⁇ ) and/or at least one discharge opening and/or discharge flap (1.4) in the device wall (1.3), see Figure 3 , which shows an exemplary top view of the dome shape (4) according to Figure 1 shows.
  • Figure 4 shows an exemplary top view of the gas section (3.1) of the melting section (3), which in a blast furnace can correspond to the plane of the former wind tuyeres, so that existing openings can be used and/or adapted to arrange electrodes (5) in the melting section (3), as well as material feed openings (6) through which slag formers, optional carbon-containing feedstocks, optional scrap, and optional iron-containing metallurgical residues and/or recycled metallurgical materials can be introduced.
  • Additional gases (7) which can serve as additives to the gases generated in the liquid section (3.2) during the process and are introduced as reducing gases for reducing the iron carriers (10) to be directly reduced in the direct reduction section (2) of the device (1), can also be supplied externally.
  • six electrodes (5), six inlets for the additional gas (7), and twelve material feed openings (6) for solids are provided. Naturally, the number (5) to (7) can be individually adapted to the device (1).
  • the process gas (blast furnace gas) drawn off in the upper section (1.2) of the device (1) can be dehumidified using known means (10), i.e., the water (vapor) content is reduced, and undesirable components such as carbon dioxide, etc., are also removed from the process gas using known means (11).
  • the dehumidified and/or purified process gas can optionally be reheated and returned to the device (1) as additive gas (7) to maintain a cycle. If required, the additional additive gas (7) supplied from the outside can be heated to a temperature between 200 and 1200°C by a known process gas heater (12).
  • a portion of the dehumidified and/or purified process gas can be used as fuel gas for the process gas heater, as shown in the dashed lines in the Figures 1 and 2
  • the recycled gas can also be combined with a fresh gas (FG), for example in the form of carbon monoxide, Hydrogen, natural gas, or blast furnace gases containing CO and/or H2 can be mixed.
  • FG fresh gas
  • only fresh gas (FG) with optional heating in a process gas heater (12) can be introduced as an additional additive gas (7) into the upper gas range (3.1) of the melting range (3), see example in the Figures 1 and 2 .
  • the invention essentially focuses on the integration of a combination of a direct reduction plant and an electric furnace into a restructured blast furnace, particularly since the existing periphery of the former blast furnace process can still be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern (ri) und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger (ri).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger.
  • Mit der voranschreitenden sogenannten Dekarbonisierung in der stahlherstellenden Industrie wird zukünftig die Roheisenherstellungsroute über Hochöfen sukzessive zurückgefahren, die bestehenden Hochöfen sukzessive abgeschaltet werden. Diese soll durch moderne und klimafreundlichere Direktreduktions-Technologie mit Wasserstoff und nachgeschalteter Elektroroheisenerzeugung abgelöst respektive ersetzt werden, vgl. beispielsweise EP 3 954 786 A1 . Ein Neubau der vorgenannten modernen Technologien ist sehr kostenintensiv.
  • In der DE 37 20 648 A1 ist eine Konzeptidee vorgeschlagen worden, bestehende Hochöfen zu Schmelzvergasern umzurüsten, um diese Hochöfen und ihre Weiterverwendung als Schmelzvergaser zur Vergasung von brikettiertem Hausmüll, hausmüllähnlichen Abfällen, Sondermüll und/oder landwirtschaftlichen Rohstoffen.
  • Es wäre daher wünschenswert, vergleichbare Technologien mit weniger Investitionskosten bereitstellen zu können.
  • Die Aufgabe besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger bereitzustellen, welche insbesondere kostengünstiger zu einem vergleichbaren Neubau sind.
  • Gelöst wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und mit einem Verfahren nach Anspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • Gemäß einer ersten Lehre betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger, in welchem ein Direktreduktionsbereich in einem oberen Abschnitt der Vorrichtung und ein Schmelzbereich in einem unteren Abschnitt der Vorrichtung angeordnet sind, wobei über dem Schmelzbereich eine gasdurchlässige Kuppelform abgeordnet ist, welche den Direktreduktionsbereich räumlich vom Schmelzbereich trennt, wobei der Schmelzbereich durch einen unteren Flüssigbereich und einen darüberliegenden oberen Gasbereich unterteilt ist.
  • Gemäß einer zweiten Lehre betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger, wobei ein Direktreduktionsbereich in einem oberen Abschnitt einer Vorrichtung und ein Schmelzbereich in einem unteren Abschnitt der Vorrichtung angeordnet sind, wobei der Direktreduktionsbereich vom Schmelzbereich durch Anordnen einer gasdurchlässigen Kuppelform räumlich getrennt ist, wobei direktreduzierte Eisenträger aus dem Direktreduktionsbereich über mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Kuppelform und/oder mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Vorrichtungswandung in den Schmelzbereich abgeführt werden.
  • Die bisher bekannten Technologien zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern, wie zum Beispiel in Direktreduktionsanlagen in bekannter Ausführung, unter anderem Schachtofen-Direktreduktionstechnologie von Midrex oder HYL, und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger, wie zum Beispiel in Elektroöfen in bekannter Ausführung, unter anderem des Typs EAF oder SAF, und somit einem Vorliegen von mindestens zwei unterschiedlichen Aggregaten können durch eine Vorrichtung ersetzt respektive substituiert werden, wodurch insbesondere eine kostengünstigere Alternative zu einem vergleichbaren Neubau bereitgestellt werden kann.
  • Der Direktreduktionsbereich im oberen Abschnitt der Vorrichtung entspricht einem Reaktor einer im Wesentlichen vergleichbaren Direktreduktionsanlage. Durch die Unterteilung des Schmelzbereichs in einen unteren Flüssigbereich und einen darüberliegenden oberen Gasbereich ist eine Analogie zu einem Elektroofen zu erkennen. Die im Schmelzbereich im unteren Abschnitt der Vorrichtung beim Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger nebst Zuschlagstoffen erzeugten Gase, prozessbedingt und/oder durch zusätzliches Zuführen von Zusatzgasen von außen sind bevorzugt reduzierend und somit bestens geeignet, als Reduktionsgas durch den im oberen Abschnitt der Vorrichtung angeordneten Direktreduktionsbereich und den darin befindlichen direkt zu reduzierenden Eisenträger zu leiten. Durch die gasdurchlässige Kuppelform ist mithin ein Durchleiten von Gasen aus dem Schmelzbereich kommend in den Direktreduktionsbereich gegeben. Die gasdurchlässige Kuppelform ist als eine Art Gewölbe über dem Schmelzbereich zu sehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung ein Schachtofen. Wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, eignet sich ein Umfunktionieren bestehender Schachöfen, besonders bevorzugt ein Umfunktionieren von Hochöfen, da diese entsprechend den Anforderungen an den erfindungsgemäßen Prozess relativ unkompliziert umfunktioniert werden können. Im bekannten Hochofenprozess werden Eisenerze kontinuierlich durch Reduktions- und Schmelzprozesse zu flüssigem Roheisen erzeugt. Der kontinuierlich arbeitende Schachtofen basiert auf dem Gegenstromprinzip. Möller und Koks werden abwechselnd in Schichten über den Ofenquerschnitt an der oberen Öffnung des Schachtes, der sogenannten Gicht aufgegeben. Schwerkraftbedingt sinkt das aufgegebene Gut entgegen der aufsteigenden Reduktionsgase nach unten. Die Möllerung setzt sich aus Eisenerzträgern (wie Stückerz, und/oder agglomerierten Erzen in Form von Sinter und/oder Pellets) und Zuschlägen (wie beispielsweise Kies, Dolomit, Bauxit und Olivin) zusammen. Der zugeführte Koks dient als Energieträger und Reduktionsmittel. An der Gicht wird das im Hochofenprozess erzeugte und durch Redox-Reaktion mit dem Möller zu Teilen verbrauchte Reduktionsgas als sogenanntes Gichtgas abgezogen. Im unteren Teil des Hochofens, dem sogenannten Gestell, wird über sogenannte Windformen bzw. Blasformen von Winderhitzern vorgewärmte Luft unter möglicher Beimischung von Anteilen nicht vorgewärmter Luft, Dampf und/oder Sauerstoff zugeführt, welche den nötigen Sauerstoff für die Verbrennung und (fühlbare) Wärme liefert. Vor den Blasformen reagiert der Kohlenstoff mit dem zugeführten Sauerstoff unter Bildung von Kohlenmonoxid, welches aufsteigt und unter Bildung von Kohlendioxid das Eisenerz reduziert. Während des Absinkens des Möllers werden die Eisenträger zu metallischem Eisen reduziert, aufgekohlt und geschmolzen. Die Eisenbegleiter der Erze, die sogenannte Gangart, wie bspw. Siliziumoxid, Manganoxid und Phosphoroxid, werden ebenfalls mit dem Reduktionsgas reduziert und im Roheisen gelöst. Nicht reduzierte Gangartbestandteile bilden gemeinsam mit den Zuschlägen eine schmelzflüssige Schlacke. Diese bindet unerwünschte Begleitelemente ab und trägt diese aus dem Prozess aus. Flüssiges Roheisen und Schlacke werden sequenziell im unteren Bereich des Hochofens, dem Gestell, durch ein Stichloch aus dem Ofen abgelassen. Die Produkte des Hochofens umfassen Roheisen, Schlacke, Gichtgas und Gichtstaub, Unterteilt ist ein klassischer Hochofen, von oben nach unten betrachtet, in Gicht, Schacht (Vorwärmzone, Reduktionszone und Kohlungszone) Kohlesack und Rast (Schmelzzone) und Gestell. Dabei wird der Übergang der festen Phase hin zur flüssigen Phase durch die sogenannte kohäsive Zone beschrieben, in welcher das Schmelzen und Erweichen des Möllers und (teil-)reduzierten Eisenerzträgers auftritt. Die Lage der kohäsiven Zone ist abhängig von den vorherrschenden Temperaturbereichen im Hochofen und somit durch die Hochofenbetriebsweise und - auslegung bedingt. Die kohäsive Zone besteht aus permeablen, gasdurchlässigen Koksschichten, welche mit zähflüssigen, geschmolzenen Möllerstoffen und Eisen durchsetzt sind, die dem Gasstrom entgegenwirken. Daher nimmt die kohäsive Zone signifikanten Einfluss auf die Gasverteilung im unteren Bereich des Schachtes. Durch das Anordnen einer gasdurchlässigen Kuppelform wird der Direktreduktionsbereich vom Schmelzbereich räumlich getrennt ist, so dass kein kontinuierlicher Übergang zwischen den einzelnen vorgenannten Abschnitten beim Hochofenprozess gegeben ist. Weiter besteht die Möglichkeit einer strömungsoptimierten Auslegung der Kuppel zum bestmöglichen Durchgasen des Schachtes ähnlich einer kohäsiven Zone.
  • Einsatz der Technologie ist besonders sinnvoll, da die Kuppel das Stützgerüst für die aufliegende Möllersäule darstellt, welches im klassischen Hochofenprozess durch den toten Mann (ruhende Koksschüttung) gegeben ist. Es findet daher beim Einsatz von Wasserstoff und/oder wasserstoffhaltigen Gasen keine Wasser-Gas-Shift Reaktion, welche zu Kosten von Koks/- Kohlenstoffverbrauch den aus der Reduktion entstehenden Wasserdampf zu Wasserstoff reformiert.
  • Durch gezieltes Einblasen oder sonstiges Einbringen von Kohlenstoff/Kohlenstoffträgern direkt in die Schmelze findet eine effiziente Aufkohlung der Eisenschmelze statt. Gleichzeitig entsteht über der Eisenschmelze eine chemisch-reduzierende Atmosphäre. Diese chemisch-reduzierende Atmosphäre lässt sich auch dann einstellen, wenn auf Kohlenstoff vollständig verzichtet wird, da in dieser Konstruktion gezielt Wasserstoff/wasserstoffhaltige Gase direkt über der Schmelzoberfläche eingeblasen/eingeführt werden können, um so eine reduzierende Atmosphäre gezielt einstellen zu können.
  • Mit den oben genannten Verfahren ist es somit möglich, trotz Abwesenheit von Kohlenstoff in der Schmelze, Schlacken herzustellen, welche in einem Zementwerk verarbeitet werden können (niedrigen Eisenoxidgehalte).
  • Mit niedrigen Eisenoxidgehalten in der Schlacke ist es dem Fachmann geläufig, durch gezielte Zugabe von Zuschlagstoffen/Schlackenbildnern der Gruppe MgO, SiO2, Al2O3, CaO einzusetzen, um prozesstechnisch sowie zementtechnisch günstige Eigenschaften einzustellen. Somit kann die konditionierte Schlacke aus dem Reaktor durch eine entsprechende Granulierung als Hüttensandsubstitut eingesetzt werden.
  • Die in dem Hochofen nach der Erfindung erzeugte Schlacke und das erzeugte Roheisen können über die bestehenden Mittel den bisherigen Aggregaten zur Weiterverarbeitung zu geführt werden, so beispielsweise bestehende Abstichrinnen zum Füllen von beispielsweise Schlackenpfannen mit Schlacke und beispielsweise von Torpedopfannen mit Roheisen. Die erzeugte Schlacke kann je nach Bedarf flüssig einer weiteren bekannten Schlackenkonditionierung zugeführt werden. Die Schlacke kann nach bekannten Verfahren nass oder trocken granuliert werden. Auch das Roheisen kann bekannten Weiterverarbeitungsstufen zugeführt werden, wie zum Beispiel einer Vakuumbehandlung, einem Frischen in einem Konverter und/oder in einem Elektroofen, beispielsweise des Typs EAF. Ebenfalls können die vorhandenen Beschickungseinrichtungen des Hochofens beginnend von Bandanlagen, Bunkersystem sowie Chargiersystem wie beispielsweise Glocken- und/oder glockenlosen Begichtungssystem (vgl. https://www.paulwurth.com/wp-content/uploads/2020/08/Brochure-Bell-Less-Top-Charging-System-en.pdf bzw. https://www.danieli-corus.com/ironmaking/top-charging-unit) genutzt werden. Darüber hinaus können die vorhandenen Einrichtungen der Gichtgasabfuhr und - aufbereitung, also Rohgasleitungen und -aufbereitungsanlagen (wie bspw. Abgasableiter, Steigrohre und nachgeschaltete Aufbereitungsanlagen zur Abtrennung von Festkörpern (Gichtstaub) und Aufbereitung des Gichtgases) weiterhin benutzt werden. Somit wäre nur die Ertüchtigung/Umfunktionierung eines Hochofens zu einer modernen und umweltfreundlichen Vorrichtung zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger gemäß der Erfindung notwendig, wobei die gesamte Peripherie um den Hochofen mit all den bestehenden Aggregaten herum beibehalten werden könnten.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die Kuppelform selbsttragend ausgebildet sein. Hierzu kann die Kuppelform nach einer Art "Nut- und Federsystem" zusammengebaut sein, welche derart ausgelegt ist, die Schüttsäule der im Direktreduktionsbereich angeordneten direkt zu reduzierenden Eisenträger aufnehmen zu können und insbesondere den mechanischen sowie thermischen Einflüssen standhalten zu können. Ein Anliegen und/oder eine Verbindung mit der Vorrichtung respektive der Innenwandung beziehungsweise dem als Innenwandung ausgelegten (standardmäßigen) Feuerfestmaterial kann im Bereich der sogenannten Rast vorgesehen sein, wenn ein Hochofen als Vorrichtung umfunktioniert worden ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung, alternativ oder zusätrlich, kann die Kuppelform mit einer Unterkonstruktion ausgebildet sein. Diese Unterkonstruktion kann vollständig oder teilweise die Last der Kuppel und der darüberliegenden Schüttsäule der Eisenträger aufnehmen. Auch hier sind Kuppelform und Unterkonstruktion derart ausgelegt, dass den mechanischen sowie thermischen Einflüssen standgehalten werden kann.
  • Der Werkstoff für die Kuppelform und die optionale Unterkonstruktion können aus einem Feuerfestmaterial gebildet sein. Auch ein Verbundwerkstoff enthaltend oder bestehend aus Stahl und einer Feuerfestmatrix wäre denkbar. Alternativ käme auch ein verschleißbeständiger Werkstoff in Frage beispielsweise Stahl oder eine Nickel-Chrom-Superlegierung wie zum Beispiel "Inconel". Die Kuppelform und die optionale Unterkonstruktion können zusätzlich mit Kühlkanälen vorgesehen sein.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die Kuppelform invertiert mit einem Scheitelpunkt in Richtung Schmelzbereich angeordnet sein. Diese Art ist mit einer geeigneten Unterkonstruktion in der Vorrichtung zu verbinden, um eine stabile Trennung des Schmelzbereichs vom Direktreduktionsbereich in der Vorrichtung sicherstellen zu können.
  • Im Vergleich zum Hochofenprozess ist der hier in Rede stehende erfindungsgemäße Ansatz kein kontinuierlicher Direktreduktions- und Schmelzprozess. Die im Direktreduktionsbereich im oberen Abschnitt der Vorrichtung befindlichen direkt zu reduzierenden Eisenträger werden für eine beispielsweise definierte Zeit mit einem Reduktionsgas beaufschlagt, welches aus dem Schmelzbereich über die im Wesentlichen gasdurchlässige Kuppelform zugeführt wird. Weisen die direktreduzierten Eisenträger vordefinierte Eigenschaften auf, wie zum Beispiel einen Mindest-Metallisierungsgrad von 70 %, insbesondere von 75 %, vorzugsweise von 80 %, bevorzugt von 85 %, besonders bevorzugt von 90 %, auf, werden diese in den Schmelzbereich abgeführt und im unteren Flüssigbereich des Schmelzbereichs nebst Zugabe von Zuschlagstoffen zu Roheisen und einer auf dem Roheisen schwimmenden Schlacke geschmolzen. Die Verfahrensweise ist analog zu den einzelnen Aggregaten Direktreduktion und Elektroofen zu sehen, jedoch in einer Vorrichtung integriert. Das Abstechen von Roheisen und Schlacke kann analog zum Elektroofen an der Vorrichtung im unteren Flüssigbereich des Schmelzbereichs der Vorrichtung erfolgen. Im Falle einer Verwendung eines umfunktionierten Hochofens können die bestehenden Abstichbereiche übernommen werden respektive es geeignete Abstichmittel analog zum Elektroofen angebaut werden.
  • Der Metallisierungsgrad entspricht dem Verhältnis reines Eisen zu Gesamteisen im direktreduzierten Eisenträger. Der Metallisierungsgrad kann im laufenden Prozess anhand des FeO-Gehaltes in der Schlacke oder des Reduktionsmittelverbrauches im Schmelzbereich bestimmt werden und beispielsweise als Regelungsparameter berücksichtigt werden.
  • Die direkt zu reduzierenden Eisenträger werden beispielhaft in Form von Pellets und/oder Stückerzen und/oder Sinter bereitgestellt und in den Direktreduktionsbereich im oberen Abschnitt der Vorrichtung eingebracht.
  • Die direktreduzierten Eisenträger können aus dem Direktreduktionsbereich über mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Kuppelform und/oder mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Vorrichtungswandung in den Schmelzbereich abgeführt werden.
  • So kann gemäß einer Ausgestaltung mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Kuppelform zum Abführen der direktreduzierten Eisenerzträger aus dem Direktreduktionsbereich in den Schmelzbereich angeordnet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Vorrichtungswandung zum Abführen der direktreduzierten Eisenerzträger aus dem Direktreduktionsbereich in den Schmelzbereich angeordnet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Kuppelform und mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe in der Vorrichtungswandung zum Abführen der direktreduzierten Eisenerzträger aus dem Direktreduktionsbereich in den Schmelzbereich angeordnet sein. Durch das Vorsehen der kombinierten Abführung durch Kuppelform und Vorrichtungswandung kann in vorteilhafterweise einem potentiellen vollständigen Verstopfen durch beispielsweise lokal auftretende Agglomeration der direktreduzierten Eisenträger vermieden oder entgegengewirkt werden.
  • Um das Prinzip eines Elektroofens umsetzen und ein Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger sicherstellen zu können, sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung Elektroden im Schmelzbereich angeordnet. Diese können im Falle einer Verwendung eines umfunktionierten Hochofens über geeignete Öffnungen in der Vorrichtungs-/Hochofenwandung eingebracht werden, beispielsweise über einen Teil der bestehenden Windformen. Die Öffnungen sind beispielsweise derart vorzusehen und/oder anzupassen, dass eine vorzugsweise schräge respektive winklige Anordnung der Elektroden in den Schmelzbereich möglich ist, vorzugsweise in einem Winkel zwischen 30 und 60 ° zur Waagerechten. Die Elektroden können als Graphitelektroden ausgeführt sein. Alternativ können diese auch als Söderbergelektroden ausgeführt sein. Die Durchführung der Elektroden durch die Öffnungen in der Vorrichtungs-/Hochofenwandung ist im oberen Gasbereich des Schmelzbereichs vorgesehen, um ein ungewolltes Austreten von Schlacke und optional Roheisen durch diese Öffnungen zu vermeiden. Die Elektroden können jedoch bis in den unteren Flüssigbereich des Schmelzbereichs angeordnet werden, so dass ein Kontakt der Spitzen der Elektroden und zumindest mit der Schlacke bestehen kann, somit quasi ein Hineinragen der Elektroden zumindest in die Schlacke in der Flüssigphase und/oder auch in die Schüttung vor der Verflüssigung der in den Schmelzbereich eingebrachten Feststoffe (direktreduzierte Eisenträger und Zuschlagstoffe) möglich ist beziehungsweise je nach Fahrweise auch erwünscht sein kann. Ein Kontakt der Elektroden mit der Schüttung respektive zumindest der Schlacke ist beispielhaft auch als Fahrweise aus einem bekannten Elektroofen (Elektroreduktionsofen) der Gattung SAF bekannt.
  • Im Falle von Söderbergelektroden kann die Elektrodenmasse beispielsweise durch zusätzliches Vorsehen von metallischen Drähten und/oder Geflechten zur Festigkeitssteigerung und/oder Verbesserung der Wärmeleitung beitragen. Die in-situ Herstellung respektive Bereitstellung von Söderbergelektroden ist Stand der Technik. Zusätzlich könnten durch zusätrliche metallische Drähte Legierungselemente der Schmelze zugefügt werden
  • Alternativ oder zusätzlich können auch Keramikbestandteile oder Keramikfasern in der Elektrodenmasse zur Verstärkung der Elektroden und/oder zur Einstellung der Abbrandeigenschaften berücksichtigt werden.
  • Bevorzugt kann auch mindestens ein Bestandteil aus der Gruppe SiO2, CaO, MgO, Al2O3 als Keramikbestandteil in der Elektrodenmasse berücksichtigt werden. Dadurch kann beispielsweise (auch) die Menge an zugegebenen Schlackenbildnern zum Konditionieren der zu erzeugenden Schlacke im Schmelzbereich der Vorrichtung reduziert werden.
  • Besonders bevorzugt können auch Schlackenkomponenten, welche Bestandteile aus der Gruppe SiO2, CaO, MgO, Al2O3 enthalten, insbesondere fein gemahlen, zugegeben werden.
  • Des Weiteren sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung Materialzufuhröffnungen im Schmelzbereich angeordnet sind. Durch diese sind Zuschlagstoffe einbringbar. Diese können im Falle einer Verwendung eines umfunktionierten Hochofens über geeignete Öffnungen in der Vorrichtungs-/Hochofenwandung eingebracht werden, beispielsweise über einen Teil der bestehenden Windformen.
  • Die Zuschlagstoffe sind Schlackenbildner umfassend oder bestehend aus mindestens einem Bestandteil aus der Gruppe SiO2, CaO, MgO, Al2O3. Bevorzugt werden Schlackenbildner zugegeben, dass sich eine Basizität B4 in der aufbereiteten Schlacke zwischen 0,7 und 4,5 einstellt. B4 kann insbesondere mindestens 0,8, vorzugsweise mindestens 0,9 und insbesondere maximal 3,7, vorzugsweise maximal 2,6, bevorzugt 1,8 betragen. Die Basizität B4 entspricht dem Verhältnis CaO + MgO zu SiO2 + Al2O3, wobei die Ermittlung der charakteristischen Größen generell in Schlacken im festen Zustand dem Fachmann geläufig sind. Dabei kann die beim Schmelzen entstehende Schlacke durch Zuschläge derart konditioniert werden, um eine hochofenähnliche Schlacke nachzubilden (wie OBF), welche einer Trocken-/Nassgranulation zugeführt werden kann und somit durch die rasche Erstarrung einen Hüttensand mit latent hydraulischen Eigenschaften als Produkt liefert.
  • Die Zuschlagstoffe können neben Schlackenbildner auch optional kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe sein. Als kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe eignen sich grundsätzlich alle Materialien in gasförmiger, flüssiger und/oder fester Form mit reduktionsfähigem freiem Kohlenstoff, welche in den Schmelzbereich der Vorrichtung einbringbar sind. In fester Form kommen beispielsweise Koks, Koksstaub, Koksgrus, Kokslösche, Kohle, Kohlepartikel, Biokohle, Altplastiken, Biomasse, Kunststoffe oder Mischungen daraus in Frage. In flüssiger Form kommen beispielsweise Ethanol, Methanol sowie andere (geeignete) Kohlenwasserstoffe oder Mischungen daraus in Frage. In gasförmiger Form kommen kohlenstoffhaltige Gase, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, Methan (Erdgas), Kohlenstoffmonoxid, Propan, Butan oder Mischungen daraus in Frage. Die optionale kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe werden beispielsweise in einer Menge eingebracht, um im zu erzeugenden Roheisen einen definierten Kohlenstoffgehalt, welcher zwischen > 0, insbesondere > 0,50, vorzugsweise > 1,0, bevorzugt > 2,0, besonders bevorzugt > 3,0 und 4,8 Gew.-% liegen kann, einstellen zu können.
  • Die Zuschlagstoffe können neben Schlackenbildner, optionalen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen auch optionale eisenhaltige Hüttenrest- und/oder Hüttenkreislaufstoffe sein. Vorzugsweise liegen eisenhaltige Hüttenrest- und/oder Hüttenkreislaufstoffe, welche Sauerstoffverbindungen enthalten oder daraus bestehen, in oxidischer Form vor. Hierzu zählen beispielsweise eisenhaltige Agglomerate oder beispielsweise in einem Hüttenverbund anfallende oxidische Hüttenkreislaufstoffe, insbesondere Stäube. Als Stäube werden Stoffe mit einem Durchmesser kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 6 mm verstanden. Stäube können aus Stahlwerken, Sinter- und Pelletieranlagen, Direktreduktionsanlagen, Elektroöfen, Kokereien, Hochöfen stammen. Weitere Hüttenreststoffe können Zunder (Walzzunder), Schlacken aus einer Sekundärmetallurgie oder einer Entschwefelung sein.
  • Um die Recyclingrate zu verbessern bzw. erhöhen, kann optional auch Schrott zusätzlich zu den Schlackenbildner, optionalen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen und optionalen eisenhaltigen Hüttenrest- und/oder Hüttenkreislaufstoffen als Zuschlagsstoff eingebracht 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, insbesondere bis zu 150 kg, vorzugsweise bis zu 100 kg Schrott pro zu erzeugender Tonne Roheisen eingebracht werden kann.
  • Wird nicht ausreichend Gas im Schmelzbereich erzeugt, welches sich im oberen Gasbereich des Schmelzbereichs der Vorrichtung ansammelt und anschließend als Reduktionsgas durch den Direktreduktionbereich der Vorrichtung geleitet wird, kann zusätzliches Zusatzgas, beispielsweise in Form von Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Erdgas oder CO- und/oder H2-haltige Hüttengase, in den oberen Gasbereich des Schmelzbereichs eingeleitet werden. Auch diese können im Falle einer Verwendung eines umfunktionierten Hochofens über geeignete Öffnungen in der Vorrichtungs-/Hochofenwandung eingebracht werden, beispielsweise über einen Teil der bestehenden Windformen. Das zusätzlich eingebrachte Zusatzgas kann bereits eine Temperatur zwischen 200, insbesondere 300, vorzugsweise 400, bevorzugt 500, besonders bevorzugt 600, weiter bevorzugt 700 und 1200 °C aufweisen, welches entweder über geeignete und bekannte Prozessgaserhitzer auf Temperatur erwärmt oder direkt aus der Hitze des vorangegangenen Prozesses abgezogen wird.
  • Das im oberen Abschnitt der Vorrichtung, also oberhalb des Direktreduktionsbereichs, abgezogene Prozessgas (Gichtgas) kann mit bekannten Mitteln entfeuchtet werden, sprich der Wasser(dampf)gehalt wird abgesenkt, und auch darin enthaltene unerwünschte Bestandteile wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid etc. aus dem Prozessgas mit bekannten Mitteln entfernt werden. Das entfeuchtete und/oder gereinigte Prozessgas kann optional wieder erwärmt werden und als Gas respektive Zusatzgas oder ein Teil davon in die Vorrichtung rückgeführt werden, um somit einen Kreislauf aufrecht zu erhalten. Das abgezogene Prozessgas kann unreagierte Anteile an Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff enthalten, welche wieder als Reduktionsgas oder aber auch für andere Zwecke nutzbar sein können.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt anhand einer beispielhaften Ausführung eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern (ri) und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger (ri). Die Vorrichtung (1) ist ein Schachtofen, besonders bevorzugt ein umfunktionierter Hochofen. In einem oberen Abschnitt (1.1) der Vorrichtung (1) ist ein Direktreduktionsbereich (2) und in einem unteren Abschnitt (1.2) der Vorrichtung (1) ist ein Schmelzbereich (3) angeordnet. Über dem Schmelzbereich (3) ist eine gasdurchlässige Kuppelform (4) abgeordnet ist, welche den Direktreduktionsbereich (2) räumlich vom Schmelzbereich (3) trennt. Der Schmelzbereich (3) ist durch einen unteren Flüssigbereich (3.2) und einen darüberliegenden oberen Gasbereich (3.1) unterteilt. Die Kuppelform (4) kann selbsttragend ausgebildet sein oder mit einer hier nicht dargestellten Unterkonstruktion versehen sein. Beispielsweise ist die gasdurchlässige Kuppelform (4) im Bereich der Rast des Hochofens angeordnet.
  • Die beispielhafte Ausführung in Figur 2 zeigt im Vergleich zu Figur 1 eine Anordnung einer invertierter Kuppelform (4`) mit einem Scheitelpunkt in Richtung Schmelzbereich (3). Die invertierte Kuppelform (4`) kann mit einer entsprechenden Unterkonstruktion versehen sein, hier nicht dargestellt.
  • Direkt zu reduzierende Eisenträger (io) werden bevorzugt in Form von Pellets und/oder Sinter und/oder Stückerzen im oberen Abschnitt (1.1) der Vorrichtung (1) eingebracht, um für eine bestimmte Zeit im Direktreduktionsbereich (2) der Vorrichtung (1) zu verweilen. Während der Verweilzeit werden sie mit einem Reduktionsgas in Kontakt gebracht, dabei Metallisieren sie zu direktreduzierten Eisenträgern (ri) mit einem Metallisierungsgrad von mindestens 70 %.
  • Die im Schmelzbereich (3) im unteren Abschnitt (1.2) der Vorrichtung (1) beim Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger (ri) nebst Zuschlagstoffen erzeugten Gase, prozessbedingt und/oder durch zusätzliches Zuführen von Zusatzgasen (7) von außen sind bevorzugt reduzierend und somit bestens geeignet, als Reduktionsgas durch den im oberen Abschnitt (1.1) der Vorrichtung (1) angeordneten Direktreduktionsbereich (2) und den darin befindlichen direkt zu reduzierenden Eisenträger (io) zu leiten. Durch die gasdurchlässige Kuppelform (4, 4`) ist mithin ein Durchleiten von Gasen aus dem Schmelzbereich (3) kommend in den Direktreduktionsbereich (2) gegeben. Im Flüssigbereich (3.2) des Schmelzbereichs (3) wird Roheisen (R) und eine darauf schwimmende Schlacke (S) erzeugt.
  • Die direktreduzierten Eisenträger (ri) können aus dem Direktreduktionsbereich über mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe (4.1) in der Kuppelform (4, 4`) und/oder mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe (1.4) in der Vorrichtungswandung (1.3) in den Schmelzbereich abgeführt werden, siehe Figur 3 , welche eine beispielhafte Draufsicht auf die Kuppelform (4) zeigt gemäß Figur 1 zeigt.
  • Figur 4 zeigt eine beispielhafte Draufsicht auf den Gasbereich (3.1) des Schmelzbereichs (3), welche bei einem Hochofen der Ebene der ehemaligen Windformen entsprechen kann, so dass vorhandene Öffnungen genutzt und /oder angepasst werden können, um Elektroden (5) im Schmelzbereich (3) anordnen zu können, aber auch Materialzufuhröffnungen (6), über welche Schlackenbildner, optionale kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe, optional Schrott, optional eisenhaltige Hüttenrest- und/oder Hüttenkreislaufstoffe eingebracht werden können. Auch weitere Zusatzgase (7), welche als Beimischung zu den prozessbedingt im Flüssigbereich (3.2) erzeugten Gasen dienen können und als Reduktionsgas zum Reduzieren der direkt zu reduzierenden Eisenträger (io) im Direktreduktionsbereich (2) der Vorrichtung (1) eingeleitet werden, können von außen zugeführt werden. In diesem Beispiel sind sechs Elektroden (5), sechs Einleitungen für das Zusatzgas (7) und zwölf Materialzuführöffnungen (6) für Feststoffe vorgesehen. Selbstverständlich ist die Anzahl (5) bis (7) individuell an die Vorrichtung (1) anpassbar.
  • Das im oberen Abschnitt (1.2) der Vorrichtung (1) abgezogene Prozessgas (Gichtgas) kann mit bekannten Mitteln (10) entfeuchtet werden, sprich der Wasser(dampf)gehalt wird abgesenkt, und auch darin enthaltene unerwünschte Bestandteile wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid etc. aus dem Prozessgas mit bekannten Mitteln (11) entfernt werden. Das entfeuchtete und/oder gereinigte Prozessgas kann optional wieder erwärmt werden und als Zusatzgas (7) in die Vorrichtung (1) rückgeführt werden, um somit einen Kreislauf aufrecht zu erhalten. Bei Bedarf kann das zusätzlich von außen zugeführte Zusatzgas (7) durch einen bekannten Prozessgaserhitzer (12) auf eine Temperatur zwischen 200 und 1200°C erwärmt werden. Beispielsweise kann ein Teil des entfeuchteten und/oder gereinigten Prozessgases als Brenngas für den Prozessgaserhitzer verwendet werden, strichliniert in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Das rezyklierte Gas kann auch mit einem Frischgas (FG), beispielsweise in Form von Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Erdgas oder CO- und/oder H2-haltige Hüttengase, gemischt werden. Wird das abgezogene Prozessgas nicht im Kreislauf geführt, sondern für andere Zwecke verwendet, kann nur Frischgas (FG) mit optionaler Erwärmung in einem Prozessgaserhitzer (12) als zusätzliches Zusatzgas (7) in den oberen Gasbereich (3.1) des Schmelzbereichs (3) eingeleitet werden, vergleiche beispielhaft in den Figuren 1 und 2.
  • In Figur 5 ist beispielhaft ein Längsschnitt durch eine mögliche Anordnung einer Elektrode (5), beispielsweise einer Graphitelektrode oder bevorzugt einer Söderbergelektrode gezeigt. Bevorzugt liegt eine winklige Anordnung der Elektroden (5) in einem Winkel zwischen 30 und 60 ° zur Waagerechten in den Schmelzbereich (3) vor. Die Elektroden (5) können bis in den unteren Flüssigbereich (3.2) des Schmelzbereichs (3) angeordnet werden, so dass ein Kontakt der Spitzen der Elektroden (5) und zumindest mit der Schlacke (S) bestehen kann. Die Elektrodenmasse (5.1) kann beispielsweise durch zusätzliches Vorsehen von metallischen Drähten und/oder Geflechten (5.2) zur Festigkeitssteigerung und/oder Verbesserung der Wärmeleitung beitragen. Das Backen von Söderbergelektroden (5) erfolgt über bekannte Mittel (5.3).
  • Im Wesentlichen steht erfindungsgemäß eine Integration einer Kombination aus einer Direktreduktionsanlage und einem Elektroofen in einem umstrukturierten Hochofen im Vordergrund, insbesondere da die bestehende Peripherie des ehemaligen Hochofenprozesses weiterhin genutzt werden kann.

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern (ri) und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger (ri), in welchem ein Direktreduktionsbereich (2) in einem oberen Abschnitt (1.1) der Vorrichtung (1) und ein Schmelzbereich (3) in einem unteren Abschnitt (1.2) der Vorrichtung (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Schmelzbereich (3) eine gasdurchlässige Kuppelform (4, 4`) abgeordnet ist, welche den Direktreduktionsbereich (2) räumlich vom Schmelzbereich (3) trennt, wobei der Schmelzbereich (3) durch einen unteren Flüssigbereich (3.2) und einen darüberliegenden oberen Gasbereich (3.1) unterteilt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (1) ein Schachtofen, insbesondere ein umfunktionierter Hochofen ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Kuppelform (4) selbsttragend ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Kuppelform (4) mit einer Unterkonstruktion versehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Kuppelform (4') invertiert mit einem Scheitelpunkt in Richtung Schmelzbereich (3) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe (4.1) in der Kuppelform (4, 4`) zum Abführen der direktreduzierten Eisenerzträger (ri) aus dem Direktreduktionsbereich (2) in den Schmelzbereich (3) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe (1.4) in der Vorrichtungswandung (1.3) zum Abführen der direktreduzierten Eisenerzträger (ri) aus dem Direktreduktionsbereich (2) in den Schmelzbereich (3) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei Elektroden (5) im Schmelzbereich (3) angeordnet sind.
  9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei Materialzufuhröffnungen (6) im Schmelzbereich (3) angeordnet sind.
  10. Verfahren zum Herstellen von direktreduzierten Eisenerzträgern (ri) und zum Erschmelzen der direktreduzierten Eisenträger (ri), wobei ein Direktreduktionsbereich (2) in einem oberen Abschnitt (1.1) einer Vorrichtung (1) und ein Schmelzbereich (3) in einem unteren Abschnitt (1.2) der Vorrichtung (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktreduktionsbereich (2) vom Schmelzbereich (3) durch Anordnen einer gasdurchlässigen Kuppelform (4, 4`) räumlich getrennt ist, wobei direktreduzierte Eisenträger (ri) aus dem Direktreduktionsbereich (2) über mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe (4.1) in der Kuppelform (4, 4`) und/oder mindestens eine Abfuhröffnung und/oder Abfuhrklappe (1.4) in der Vorrichtungswandung (1.3) in den Schmelzbereich (3) abgeführt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schmelzbereich (3) durch einen unteren Flüssigbereich (3.2) und einen darüberliegenden oberen Gasbereich (3.1) unterteilt ist, wobei in den Gasbereich (3.1) zusätzlich ein Zusatzgas (7) eingeleitet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Zusatzgas (7) eine Temperatur zwischen 200 und 1200 °C aufweist, beispielsweise in Form von Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff oder CO- und/oder H2-haltige Hüttengas eingeleitet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei in den Gasbereich (3.1) Schlackenbildner als Zuschlagstoff umfassend oder bestehend aus mindestens einem Bestandteil aus der Gruppe SiO2, CaO, MgO, Al2O3 eingebracht werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in den Gasbereich (3.1) kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe neben Schlackenbildner als Zuschlagsstoff eingebracht werden, um im zu erzeugenden Roheisen (R) einen definierten Kohlenstoffgehalt, welcher zwischen > 0 und 4,8 Gew.-% liegen kann, einzustellen.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei in den Gasbereich (3.1) Schrott neben Schlackenbildner und optional kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen als Zuschlagsstoff eingebracht werden, mit > 0 kg bis zu 200 kg Schrott pro zu erzeugender Tonne Roheisen (R).
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