WO1997033134A1 - Verfahren zum einschmelzen von metallischen einsatzstoffen in einem schachtofen - Google Patents

Verfahren zum einschmelzen von metallischen einsatzstoffen in einem schachtofen Download PDF

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Albert Koperek
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    • 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 peculiar to furnaces of these types
    • F27B1/16—Arrangements of tuyeres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27B1/10—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B1/28—Arrangements of monitoring devices, of indicators, of alarm devices

Definitions

  • the invention relates to a process for melting metallic feedstocks in a shaft furnace, in which coke Metallic and non-metallic materials, such as iron and non-ferrous metals, basalt and diabase, are still melted in coke-heated shaft furnaces despite the development of electrical and flame-heated melting processes. About 60% of all iron materials are still produced in cupola furnaces today.
  • oxygen either by enriching the cupola furnace wind up to max. 25% or is injected into the cupola furnace by direct injection at subsonic speed. Due to the high operating costs, oxygen is only used intermittently, e.g. for quick start-up of the cold furnace or for a temporary increase in the iron temperature. The possibility of increasing performance, i.e. Continuous use of oxygen is only used in exceptional cases.
  • REPLACEMENT LEAF By linking the influencing variables, wind quantity, coke rate and combustion ratio with the target variables, melting capacity diagram Fig. 1 with curves of the same coke rate and the same wind quantity.
  • This melting performance diagram known as the Jungbluth diagram, must be determined empirically for each cupola furnace. A transfer to other cupola furnaces is not possible, since the operating behavior changes immediately under changed boundary conditions, such as coke lumpiness, coke reactivity, batch composition, wind speed, furnace pressure, temperature, etc.
  • the heat losses are lowest at the maximum temperature. If there is too much wind, ie high flow speed, the furnace will be overblown. If the air volume is too small, ie the flow speed is too low, the furnace is blown out. In both cases, the combustion temperature is reduced because, on the one hand, the additional N 2 ballast has to be heated and, on the other hand, heat is removed by the additional CO formation. In addition, the iron accompanying elements are more strongly oxidized during overblowing.
  • the cupola furnace produces a non-pourable iron.
  • the coke present in the middle of the furnace does not contribute to the reaction, since the combustion air cannot penetrate the bed in front of it due to the low impulse.
  • the reaction zone is in the immediate vicinity of the wind nozzle (Fig. 2a). The penetration depth will not increase significantly by the known enrichment of the furnace wind with oxygen or by blowing in the oxygen at subsonic speed. Due to the higher oxygen supply, the reaction zone is expanded upwards due to the pressure conditions (FIG. 2b).
  • the remaining amount of oxygen is regulated mixed with the wind in the wind ring (FIG. 4). This measure enables constant analysis.
  • the oxygen enrichment in the wind is controlled and regulated via the components CO, CO2, O2, in the blast furnace gas.
  • the reaction zone, which penetrated into the middle of the cupola by supersonic injection (Fig. 2c), is extended upwards
  • the furnace pressure is reduced and the amount of blast furnace gas is reduced by 20%. Due to the lower flow velocity in the furnace, the amount of dust is reduced proportionally to the amount of blast furnace gas.
  • the hot wind temperature rises by up to 30 ° C because the recuperator has to do less due to the reduced amount of wind.
  • the base quantities can be selected from the diagram OCI1.XLS.
  • the absolute amount of oxygen addition is determined by the desired iron temperature. The iron temperature rises when the temperature in the coke bed rises. The temperature in the coke bed rises when the cooling effect of the nitrogen accompanying the oxygen is absent.
  • the optimal ratio of the volume shares of CO to C02 in the gout'as is determined from the sum of the resulting operating costs. A more reducing atmosphere with higher proportions of CO results in savings in silicon and higher expenses for coke. The optimal setting therefore also depends on the respective market prices of the raw materials. There are times and countries when a more oxidizing mode of operation is economical. The most favorable ratio of CO to C02 must
  • REPLACEMENT LEAF therefore be checked from time to time and the appropriate amount of oxygen adjusted.
  • the intended optimal setting of CO to C02 fluctuates because it is caused by the spread of the charged amounts of carbon to iron. These short-term fluctuations can be compensated for by adjusting the addition of oxygen.
  • the Boudouard reaction is prompt because the temperature of the coke bed rises very quickly when oxygen is added.
  • the supply of the total amount of oxygen to 01 and 02 is therefore controlled so that the ratio of CO to C02 is kept at the most economical value. With this mode of operation, the least scatter in the analysis is then achieved.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Einschmelzen von metallischen Einsatzstoffen in einem Schachtofen vorgeschlagen, bei dem Koks mit vorgewärmter Luft und weitgehend reinem Sauerstoff verbrannt wird und die Rauchgase im Gegenstrom den metallischen Einsatz erwärmen und bei dem die Schmelze in dem Koksbett überhitzt und aufgekohlt wird, wobei zur besseren Durchgasung des Koksbettes eine feste Teilmenge des Sauerstoffes mit sehr hoher Geschwindigkeit soweit wie möglich in das Koksbett eingedüst wird und eine zweite variable Sauerstoffmenge in den Windring eingedüst wird.

Description

Verfahren zum Einschmelzen von metallischen Einsatzstoffen in einem Schachtofen
mit vorgewärmter Luft und weitgehend reinem Sauerstoff ver¬ brannt wird und die Rauchgase im Gegenstrom den metallischen Einsatz erwärmen und bei dem die Schmelze in dem Koksbett über¬ hitzt und aufgekohlt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschmelzen von metallischen Einsatzstoffen in einem Schachtofen, bei dem Koks Metallische und nichtmetallische Werkstoffe, wie Eisen und NE- Metalle, Basalt und Diabas, werden trotz der Entwicklung von elektrischen und flammbeheizten Schmelzverfahren nach wie vor in koksbeheizten Schachtöfen geschmolzen. So werden heute noch ca. 60 % aller Eisenwerkstoffe in Kupolöfen produziert.
Der Grund für diesen hohen Markanteil des Kupolofens liegt in der kontinuierliche Weiterentwicklung, wobei von der Vielzahl der bekannten Verfahrensmodifikationen die Entwicklung des Heisswindkupolofens und der Einsatz von Sauerstoff von Bedeu¬ tung sind.
ERSATZBLATT So wurden z.B. durch die Entwicklung des Heisswindkupolofens die verfahrenstechnischen und metallurgischen Nachteile des Kaltwindkupolofens, wie
niedrige Eisentemperaturen hoher Siliziumabbrand geringe Aufkohlung hoher Koksverbrauch hohe Schwefelaufnahme hoher Feuerfestverschluss
weitgehend kompensiert.
Ähnliche Verbesserungen werden durch den Einsatz von Sauerstoff erzielt, wobei der Sauerstoff entweder durch Anreicherung des Kupolofenwindes bis max. 25 % oder durch Direktinjektion mit Unterschallgeschwindigkeit in den Kupolofen eingeblasen wird. Aufgrund der hohen Betriebskosten wird Sauerstoff allerdings nur diskontinuierlich eingesetzt, z.B. zum schnellen Anfahren des kalten Ofens oder zur zeitlich befristeten Steigerung der Eisentemperatur. Die Möglichkeit der Leistungssteigerung, d.h. kontinuierlicher Einsatz von Sauerstoff, wird nur in Ausnahme¬ fällen genutzt.
Trotz der Einführung dieser Verfahrensmodifikationen kann
die Schmelzleistung die Eisentemperatur der Kokssatz
nach wie vor nur in einem sehr engen Bereich am optimalen Be¬ triebspunkt geändert werden.
Der Zusammenhang zwischen Schmelzleistung und Windmenge sowie Zusatzsauerstoffmenge wird durch die bekannte Jungbluth-Glei- chung beschrieben. Diese Gleichung resultiert aus eine Massen- und Energiebildung, wobei der Kokssatz und das Verbrennungsver¬ hältnis empirisch für jeden Kupolofen ermittelt werden muss.
ERSATZBLATT Durch Verknüpfung der Einflussgrössen, Windmenge, Kokssatz und Verbrennungsverhältnis mit den Zielgrössen, Schmelzleistungs- schaubild Fig. 1 mit Kurven gleichen Kokssatzes und gleicher Windmenge.
Dieses als Jungbluth-Diagramm bekannte Schmelzleistungsschau¬ bild muss für jeden Kupolofen empirisch ermittelt werden. Eine Übertragung auf andere Kupolöfen ist nicht möglich, da das Be¬ triebsverhalten bei geänderten Randbedingungen, wie Koks- stückigkeit, Koksreaktivität, SatzZusammensetzung, Windge¬ schwindigkeit, Ofendruck, Temperatur, etc. sich sofort ändert.
Im Temperaturmaximum sind die Wärmeverluste am geringsten. Bei zu grossen Windmengen, d.h. hohe Strömungsgeschwindigkeit, wird der Ofen überblasen. Bei zu kleinen Luftmengen, d.h. zu geringe Strömungsgeschwindigkeit, wird der Ofen unterblasen. In beiden Fällen wird die Verbrennungstemperatur abgesenkt, da einerseits der zusätzliche N2-Ballast mit erhitzt werden muss und ander¬ seits durch die zusätzliche CO-Bildung Wärme entzogen wird. Zu¬ sätzlich werden beim Überblasen die Eisenbegleitelemente stär¬ ker oxidiert.
Durch Einsatz von Sauerstoff z.B. auf 24 Vol.% im Wind die Netzlinie nach rechts oben, d.h. zu höheren Temperaturen und zu höheren Eisendurchsätzen verschoben. Das Temperaturmaximum ver¬ flacht, der Ofen wird unempfindlich gegenüber Unter- oder Über¬ blasen.
Eine Reduzierung des Kokssatzes bei konstanten Eisendurchsätzen und reduzierter Windmenge ist auch bei kontinuierlicher Sauer¬ stoffirαgabe nicht möglich, da dann die Eisentemperatur abfällt und zusätzliche metallurgische und verfahrenstechnische Proble¬ me, wie
geringere Aufkohlung
Erhöhung des Si-Abbrands
Erhöhung des FeO-Gehaltes in der Schlacke
ERSATZBLATT Randgängigkeit des Ofens durch Reduzierung der Windgeschwin¬ digkeit
auftreten. Der Kupolofen produziert ein nicht vergiessbares Ei¬ sen.
Da aus verbrennungstechnischer Sicht der Koks mit hohem Über- schuss vorliegt, ist eine Koksmengenreduzierung bei konstanter Schmelzleistung aus Gründen der Wirtschaftlichkeit von grossem Interesse, denn die Herstellkosten von flüssigem Eisen werden im wesentlichen durch die Umschmelzkosten und die Einsatzstoff- kosten beeinflusst.
Darüber hinaus ist seit langem bekannt, dass insbesondere bei Kupolöfen mit grossen Gestelldurchmessern trotz Sauerstoffan¬ reicherung des Windes bzw. Sauerstoffdirektinjetion mit Unter¬ schallgeschwindigkeit in der Mitte des Ofens der sogenannte "Tote Mann" stehen bleibt. Die Reaktion zwischen dem eingebla¬ senen Sauerstoff und dem Kohlenstoff findet nur in einem be¬ grenzten Bereich in der Nähe der Winddüse statt, der Ofen ar¬ beitet randgängig.
Der in der Mitte des Ofens vorhandene Koks trägt nicht zur Re¬ aktion bei, da die Verbrennungluft aufgrund des geringen Impul¬ ses die davorliegende Schüttung nicht durchdringen kann. Die Reaktionszone befindet sich in unmittelbarer Nähe der Winddüse (Fig. 2a) . Durch das bekannte Anreichern des Ofenwindes mit Sauerstoff bzw. durch Einblasen des Sauerstoffes mit Unter¬ schallgeschwindigkeit wird die Eindringtiefe nicht wesentlich vergrössern. Durch das höhere Sauerstoffangebot wird die Reak¬ tionszone aufgrund der Druckverhältnisse nach oben erweitert (Fig. 2b) .
Als Vorbedingung der angestrebten Reduzierung der Verbrennungs- koksmenge ist die gleichmässige Verbrennung über den Ofenquer¬ schnitt, d.h. die gleichmässige Verteilung des Sauerstoffange- botes anzustreben. Zu diesem Zweck muss der Impuls, d.h. die Geschwindigkeit der Luft bzw. Sauerstoffstrahlen über bislang
ERSATZBLATT als Stand der Technik zu bezeichnende gezielte Werte gesteigert werden.
In der Patentanmeldung GB 2 018 295 wird ein System beschrie¬ ben, mit dem der Sauerstoff mit zentrisch in die Winddüsen ein¬ gebauten Lavaldüsen, d.h. mit Überschallgeschwindigkeit einge¬ blasen wird, um den Verschleiss der feuerfesten Ausmauerung zu minimieren. Der Kökssatz konnte nicht reduziert werden.
Versuche mit zentrisch in die Winddüsen eingebaute Überschall- düsen haben dagegen überraschenderweise gezeigt, dass der Ver¬ brennungskoks um 20 bis 30 kg/t Fe reduziert werden kann, ohne negative Beeinflussung des Ofenganges und der Eisenmetallurgie, wenn gleichzeitig die spezifische Ofenwindmenge von 500 bis 600 m3 (i.D.)/t Fe auf 400 bis 480 m3 (i.N.)/t Fe reduziert wird und in Abhängigkeit vom Ofendurchmesser Sauerstoff zusätzlich eingeblasen wird (Fig. 3) . Der spezifischen Sauerstoffbedarf muss gemäss Fig. 3 verändert werden. Bei einem Heisswindkupol- ofen (500 bis 600°C Heisswindtemperatur) und einem Ofendurch¬ messer von 1 m werden ca. 15 bis 22 m3 (i.N.) Sauerstoff pro Tonne Eisen, bei einem Ofendurchmesser von 4 m 40 bis 61 m3 (i.N.) Sauerstoff pro Tonne Eisen benötigt. In Abhängigkeit vom Ofendurchmesser muss eine Düsenaustrittsmachzahl der Sauer¬ stoffstrahlen von 1,1 < M < 3 eingestellt werden. Entgegen der bislang bekannten Kupolofentheorie wird gleichzeitig die Rin- neneisentemperatur um bis zu 30°C erhöht. Dadurch wird der Si¬ liziumabbrand um 10 % reduziert und die Aufkohlung um 0,2 % verbessert. Die besten Ergebnisse hinsichtlich Kokseinsparung werden erzielt, wenn ein fester Teil der Sauerstoffmenge durch Überschallinjektion in den Kupolofen eingetragen wird, da dann eine gleichmässigere Sauerstoffverteilung über den Kupolofen¬ querschnitt vorliegt. Die restliche Sauerstoffmenge wird gere¬ gelt dem Wind im Windring beigemischt (Fig. 4) . Durch diese Massnahme wird eine konstante Analysenführung möglich. Die Sau¬ erstoffanreicherung im Wind wird über die Komponenten CO, CO2, O2, im Gichtgas gesteuert und geregelt. Die Reaktionszone, die durch die Überschallinjektion in die Mitte des Kupolofens zun- genförmig vorgedrungen ist (Fig. 2c) wird nach oben erweitert
ERSATZBLATT und vergleichmässigt, da infolge das Ansaugvermögen des Über- schallstrahles zusätzlich mit O2 angereicherte Verbrennungsluft in die Ofenmitte transportiert wird. (Fig. 2d)
Durch die Reduzierung des Ofenwindes wird der Ofendruck redu¬ ziert und die Gichtgasmenge um 20 % vermindert. Aufgrund der kleineren Strömungsgeschwindigkeit im Ofen wird die Staubmenge proportional zur Gichtgasmenge zusätzlich reduziert. Die Heiss- windtemperatur steigt um bis zu 30 °C, da der Rekuperator durch die verringerte Windmenge weniger leisten muss.
Für die Aufteilung der Sauerstoffzugäbe je in den Windring und in die Düsen gelten folgende Grundsätze:
Die Basismengen können aus dem Diagramm OCI1.XLS gewählt wer¬ den. Die absolute Menge der Sauerstoffzugäbe wird durch die ge¬ wünschte Eisentemperatur bestimmt. Die Eisentemperatur steigt, wenn die Temperatur im Koksbett steigt. Die Temperatur im Koks- bett steigt, wenn die Kühlwirkung des den Sauerstoff begleiten¬ den Stickstoffs fehlt.
Es soll umso mehr Sauerstoff mit Ueberschall durch die Lanzen zugegeben werden, umso grösser der Ofen ist. Das optimale Ver¬ hältnis von der Sauerstoffmenge, die durch Lanzen zugegeben wird = 01 zu der Sauerstoffmenge die als Anreicherung dem Wind zugegeben wird = 02, wird bei der Inbetriebnahme durch die Mes¬ sung der Eisentemperatur gesucht und dann dem Regler vorgege¬ ben.
Das optimale Verhältnis der Volumenanteile von CO zu C02 im Gicht'as wird aus der Summe der resultierenden Betriebskosten ermittelt. Eine stärker reduzierende Atmosphäre mit höheren Anteilen von CO ergibt Ersparnisse an Silizium und höhere Aufwendungen für Koks. Die optimale Einstellung hängt daher auch von den jeweiligen Marktpreisen der Rohstoffe ab. Es gibt Zeiten und Länder, in denen eine mehr oxidierende Betriebsweise ökonomisch ist. Das günstigste Verhältnis von CO zu C02 muss
ERSATZBLATT daher von Zeit zu Zeit überprüft werden und die dazu passende Menge des Sauerstoffs eingestellt werden.
Die beabsichtigte optimale Einstellung von CO zu C02 schwankt, weil sie durch die Streuung der chargierten Mengen von Kohlenstoff zu Eisen hervorgerufen wird. Diese kurzfristigen Schwankungen können durch eine Anpassung der Zugabe von Sauerstoff ausgeglichen werden. Die Boudouard-Reaktion ist prompt, weil die Temperatur des Koksbettes bei Zugabe von Sauerstoff sehr schnell steigt. Die Zufuhr der Gesamtmenge von Sauerstoff zu 01 und zu 02 wird daher so gesteuert, dass das Verhältnis von CO zu C02 auf dem wirtschaftlichsten Wert gehalten wird. Bei dieser Fahrweise wird dann auch die geringste Streuung der Analyse erreicht.
ERSATZBLATT

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e2868/GGG
1. Verfahren zum Einschmelzen von metallischen Einsatzstoffen in einem Schachtofen, bei dem Koks mit vorgewärmter Luft und weitgehend reinem Sauerstoff verbrannt wird und die Rauch¬ gase im Gegenstrom den metallischen Einsatz erwärmen und bei dem die Schmelze in dem Koksbett überhitzt und aufgekohlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur besseren Durchgasung des Koksbettes eine feste Teilmenge des Sauerstoffes mit sehr hoher Geschwindigkeit soweit wie möglich in das Koks- bett eingedüst wird und eine zweite variable Sauerstoffmenge in den Windring eingedüst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Teilmenge so gewählt wird, dass sich eine möglichst hohe Eisentemperatur einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Abbrände des Ofens optimale CO/CO2 Gehalt des Gicht¬ gases eingestellt werden kann.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine optimale Eisentemperatur durch einen Regelkreis konstant gehalten wird.
ERSATZBLATT
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine optimale Ofenathmosphäre durch einen Regelkreis konstant gehalten werden kann.
ERSATZBLATT
PCT/CH1997/000080 1996-03-03 1997-03-03 Verfahren zum einschmelzen von metallischen einsatzstoffen in einem schachtofen WO1997033134A1 (de)

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