DE4234974C2 - Verfahren zur Verstärkung der Stoffumsätze in metallurgischen Reaktionsgefäßen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verstärkung der Stoffumsätze in metallurgischen Reaktionsgefäßen, in denen sich eine Metallschmelze befindet, der die Reaktionspartner unterhalb und oberhalb der Metallbadoberfläche zugeführt und die aus dem Metallbad austretenden Gase im Raum über der Schmelze durch in diesen Gasraum eingeblasene oxidierende Gase nachverbrannt werden und die dabei entstehende Wärme an die Metallschmelze rückübertragen wird.

Die Entwicklung neuer metallurgischer Prozesse ist in den letzten Jahren darauf ausgerichtet, sowohl die Produktivität zu erhöhen als auch die Energie der eingebrachten Brennstoffe besser auszunutzen. Die Howe Memorial Lecture von 1987 mit dem Titel "Neue Konzepte und Methoden für die Eisen- und Stahlerzeugung" setzt sich für den Bereich der Eisenhüttenindustrie erstmals mit Begriffen der Energieübertragungsdichte und der Bedeutung der Nachverbrennung von Prozeßgasen und der Rückübertragung der dabei entstehenden Wärme auseinander. So sind hier Zahlen über den Kohleverbrauch zum Aufschmelzen von 1 t Schrott in Abhängigkeit vom Nachverbrennungsgrad ebenso zu finden, wie die Energieübertragungsdichte in MW/m³ für die bislang bekanntgewordenen Verfahren zur Roheisen- und Stahlerzeugung.

Der Ansatz, beim Stahlfrischen die Reaktionsgase, insbesondere CO und CO₂ nachzuverbrennen und die dabei entstehende Verbrennungswärme für die Erhöhung der Schrotteinschmelzkapazität zu nutzen, ist seit langem bekannt und auch in Schutzrechten beschrieben. Beispielsweise bezieht sich das deutsche (DD) Patent 1 01 916 auf die CO-Nachverbrennung im Elektrolichtbogenofen und im Stahlerzeugungskonverter. Als erfindungswesentlich wird die ungefähr waagerechte Einbaulage der Nachverbrennungsdüsen genannt und die Regelung der Sauerstoffzufuhr zu diesen Düsen in Relation zur Sauerstoffmenge, die über Bodendüsen in die Schmelze gelangt. Jedoch haben die Lehren dieses Schutzrechtes aus dem Jahre 1971 keinen Eingang in die Betriebspraxis gefunden.

Erst mit dem Verfahren gemäß der deutschen Patentschrift 27 55 165 ist es großtechnisch gelungen, im Mittel etwa 20% CO nachzuverbrennen und die gewonnene Wärme mit hohem Wirkungsgrad von ca. 80% bis 90% an die Schmelze rückzuübertragen. Es konnte auf diese Weise der Schrottsatz bei der Stahlerzeugung im kombiniert blasenden Konverter deutlich erhöht werden. Das wesentliche Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, etwa 20% bis 80% der gesamten Sauerstoffmenge von oben durch auf die Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen, die als in den Gasraum blasende Freistrahlen wirken, dem Frischprozeß zuzuführen. Eine weitere Schrottsatz­ steigerung bei der Strahlerzeugung ist durch die Zufuhr kohlenstoffhaltiger Brennstoffe an die Schmelze möglich, und zur Verbesserung des wärmetechnischen Wirkungsgrades dieser Brennstoffe dient ebenfalls die Nachverbrennung der Reaktionsgase, wie in dem deutschen Patent 28 38 983 beschrieben.

Bei der Erzeugung von Nichteisenmetallen, z. B. in der Blei- und Kupferindustrie, haben sich ähnliche Verfahren eingeführt, bei denen die Wärme aus der Nachverbrennung der Reaktionsgase genutzt wird.

Bei der Kohlevergasung im Eisenbad kann ebenfalls durch die teilweise Verbrennung des erzeugten Kohlegases das Energieeinbringen in den Vergasungsprozeß angehoben werden. Dieser Weg ist von besonderer Bedeutung bei der Vergasung von Kohlesorten mit hohen flüchtigen Anteilen, die andernfalls zu einer Abkühlung des Eisenbades führen. Darüber hinaus läßt sich auch die Energie aus der teilweisen Nachverbrennung des erzeugten Kohlegases im Eisenbadreaktor dazu ausnutzen, um beispielsweise Eisenerz zu reduzieren. Das GB-Patent 20 82 624 beschreibt ein solches Verfahren.

Bei den sich zur Zeit weltweit in der Entwicklung befindlichen Schmelzreduktionsverfahren für Eisenerze kann die Produktivität der Prozesse einmal durch die Kopplung des Einschmelzreaktors mit Vorreduktionsanlagen gesteigert werden, oder zum anderen ist auch bei diesen Verfahren eine Erhöhung der Nachverbrennungsrate zielführend. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen dieser beiden Entwicklungsrichtungen sind in der bislang nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 42 06 828 und in dem US Patent 50 51 127 beschrieben. Die Verbesserung der Produktivität in einem Verbundprozeß zur Schmelzreduktion von Eisenerz nach der genannten Anmeldeschrift ist dadurch gekennzeichnet, daß dieser Verbundprozeß aus mindestens drei Verfahrenseinheiten besteht und der Einschmelzreaktor eine Verfahrenseinheit bildet, während die Teilreduktion der Metallerze in mindestens zwei weiteren Verfahrenseinheiten durchgeführt wird, und daß in jeder dieser drei Verfahrenseinheiten ein unterschiedliches Abgas erzeugt wird. Die Verbesserung der Nachverbrennung gemäß dem US Patent erreicht man insbesondere dadurch, daß der oder die Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen mit einem Drall durch eine oder mehrere Düsen auf die Badoberfläche im Reaktionsgefäß geblasen werden.

Die EP 04 18 627 A beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Schmelzreduktionsgefäßes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Schlackenmenge, bezogen auf die Badoberfläche, von mindestens 2000 kg/m² vorhanden sein muß. Der Prozeß arbeitet mit einer Sauerstoffaufblaslanze und Unterbaddüsen, durch die Rührgas der Metallschmelze zugeführt wird. Die Nachverbrennung der Reaktionsgase vollzieht sich in einer Schaumschlackenschicht auf dem Eisenbad. Nach der in dieser Anmeldeschrift genannten Formel zur Berechnung zur Rührleistung, sollte dieser Wert gemäß Anspruch 4 zwischen 1 bis 6 kW/t liegen. Die Durchflußraten für die Rührgasmenge, die der Schmelze durch die Unterbaddüsen zugeführt wird, betragen 70 bis 450 Nm³/h und Düse. Daraus errechnet sich bei einem genannten Schmelzgewicht von 70 bis 110 t und vier Unterbaddüsen ein spezifischer Wert von 0,05 bis 0,3 Nm³/t · min. Falls man die genannten Durchflußraten für das unterhalb der Badoberfläche eingeleitete Rührgas überschreitet, ergibt sich bei diesem Prozeß ein erhöhter Kontakt zwischen dem aufgeblasenen Sauerstoff und der Eisenschmelze. Dies wiederum führt zu einer Oxidation des Bades, und daraus resultiert eine Verringerung der Nachverbrennung.

Eine weitere veröffentlichte europäische Patentanmeldung mit der Nummer 03 08 925 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen und Reduzieren von Eisenerzen. Die kennzeichnenden Merkmale dieses Verfahrens bestehen darin, daß Sauerstoff über eine Aufblaslanze, die Düsen zur Entkohlung und zusätzlich zur Nachverbrennung aufweist, und Rührgas durch Seitendüsen und Bodendüsen in den Schmelzreduktionsofen geblasen werden. Die Einblasraten der inerten Rührgase betragen für die Bodendüsen 0,5 bis 3 Nm³/min, und für die Seitenwanddüsen liegen sie zwischen 0,3 bis 2 Nm³/min, bezogen auf 1 t Metallschmelze. Weiterhin leitet man der Metallschmelze Schlacken und Schlackenbildner von der Inbetriebnahme des Prozesses an in Raten von 30 bis 100 kg/t Metall zu.

Diesen erwähnten, bekannten Verfahren zur Erhöhung der Produktivität und zur Verbesserung der Energieausnutzung der eingebrachten Brennstoffe bei der Strahlerzeugung, der Kohlevergasung im Eisenbad und der Schmelzreduktion von Eisenerzen ist gemeinsam, daß sie nur im begrenzten Umfang Eingang in die Produktionspraxis gefunden haben und daß die tatsächlich betriebssicher erreichten Nachverbrennungsraten niedriger als erwartet liegen und nur in Ausnahmefällen Werte von bis zu 30% bei gleichzeitig hoher Wärmerückübertragung von ca. 70% erreichen. Zusätzlich macht sich in den Reaktionsgefäßen ein erhöhter Verschleiß der feuerfesten Ausmauerung im Gasraum der Gefäße mit zunehmendem Nachverbrennungsgrad bemerkbar.

Die Schmelzreduktionsverfahren mit der Sauerstoffaufblaslanze und dem Reaktionsmedium der Schaumschlackenschicht auf dem Eisenbad sind hinsichtlich ihrer Stoffumsätze begrenzt, da sich die Einblasraten der Reaktionspartner nicht ohne Nachteile für den Aufbau und den Erhalt dieser Schaumschlackenschicht steigern lassen.

In der DE-PS 30 08 145 wird ein Verfahren zum Herstellen von Stahl beschrieben, bei dem ebenfalls erzeugtes Gas mit Staub, Schlacken- und Stahltröpfchen verunreinigt ist. Eine Lehre dahingehend, daß Tröpfchen der Metallschmelze absichtlich in den Gasraum geschleudert werden, um dadurch eine Umsatzsteigerung bei einer in der Metallschmelze durchzuführenden Reaktion zu erreichen, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

In der DE-OS 39 03 705 ist eine sogenannte "Übergangszone" oberhalb einer Metallschmelze beschrieben. Es ist dieser Druckschrift jedoch ebenfalls nicht zu entnehmen, daß durch Herausschleudern von Teilchen der Metallschmelze über eine solche Übergangszone hinaus in den freien Gasraum eine wesentliche Umsatzsteigerung der Reaktion zu erzielen ist.

Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verstärkung der Stoffumsätze in metallurgischen Reaktionsgefäßen ohne Schaumschlackenschicht für die Stahlerzeugung, die Kohlevergasung im Eisenbad und die Schmelzreduktion von Metallerzen so zu gestalten, daß betriebssicher und reproduzierbar hohe Nachverbrennungsgrade von über 30%, bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad von größer 70% für die Übertragung der entstandenen Wärme an die Metallschmelze, und somit eine hohe Energieübertragungsdichte für den Prozeß zu erreichen sind, um damit die Stoffumsätze in dem metallurgischen Reaktionsgefäß bei gleichzeitig gutem Konzentrationsausgleich in der Schmelze zu verstärken und so die Produktivität zu steigern.

Diese Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß sich im Gasraum dieser metallurgischen Reaktionsgefäße auf ballistischen Flugbahnen Anteile der Schmelze in Form von Tröpfchen, Spritzern und größeren Teilchen der Schmelze bewegen, die fontänenartig durch die über Unterbaddüsen eingeleitete Gasmenge aus der Schmelze herausgeschleudert werden. Bevorzugte weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 17 ausgeführt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verstärkung der Stoffumsätze in metallurgischen Reaktionsgefäßen, in denen sich eine Metallschmelze befindet, der die Reaktionspartner unterhalb und oberhalb der Metallbadoberfläche zugeführt und die aus dem Metallbad austretenden Reaktionsgase im Gasraum über der Schmelze, in dem sich Tropfen und Spritzer, bestehend aus Metall und/oder Schlacke befinden, durch in den Gasraum eingeblasene oxidierende Gase weitgehend nachverbrannt werden und die dabei entstehende Wärme mit hohem Wirkungsgrad an die Metallschmelze rückübertragen wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, die Stoffumsätze durch das Einblasen großer Gasmengen unterhalb der Badoberfläche der Schmelze im Reaktionsgefäß zu steigern.

Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, die Stoffumsätze in metallurgischen Reaktionsgefäßen dadurch zu steigern, daß über die eingeleitete Gasmenge durch die Unterbaddüsen Anteile der Schmelze fontänenartig aus dem Bad herausgeschleudert werden und sich diese Anteile der Schmelze in Form von Tröpfchen, Spritzern und größeren Teilchen der Schmelze im Gasraum auf ballistischen Flugbahnen bewegen, die erst durch das Auftreffen auf die Gefäßwand oder die Schmelze selbst, durch Kollision mit anderen Schmelzanteilen oder durch Ansaugen der in Form von Freistrahlen auf das Bad geblasenen oxidierenden Gase, abgebrochen werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat in nicht vorhersehbarer Weise zu einer deutlichen Verstärkung der Stoffumsätze in den metallurgischen Reaktionsgefäßen bei gleichzeitig hoher Nachverbrennungsrate von größer 30% und einer hervorragenden Wärmerückübertragung mit einem Wirkungsgrad von größer 70% an die Metallschmelze geführt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, bereits bei einer Badtiefe von ca. 0,5 m über den Unterbaddüsen Gasmengen von 0,2 Nm³/min bis 30 Nm³/min, bezogen auf 1 t Metallschmelze, einzuleiten und dadurch fontänenartig Anteile der Schmelze in Form von Tröpfchen, Spritzern und größeren Teilchen der Schmelze, in den schaumschlackefreien Gasraum des metallurgischen Reaktors zu schleudern. In diesem Gasraum bewegen sich die Schmelzanteile auf ballistischen Flugbahnen und tragen mit ihrer großen Oberfläche zu einer gesteigerten Rückübertragung der Wärme aus dem Gasraum an die Schmelze bei. Dieser gesteigerte Energietransport ist ein bedeutendes Merkmal der Erfindung und die Grundlage für die hohen Einleitraten von Gasen und Feststoffen oberhalb und unterhalb der Badoberfläche und die daraus resultierenden verstärkten Stoffumsätze in den metallurgischen Reaktionsgefäßen.

Die Vorstellungen und Überlegungen, wie der erfindungsgemäße Prozeß im metallurgischen Reaktor abläuft, lassen sich nach dem heutigen Kenntnisstand folgendermaßen darstellen. Durch die unterhalb der Badoberfläche eingeblasenen oder erzeugten Gase werden fontänenartig Anteile der Schmelze aus Metall und Schlacke mit nach oben gerichteter Geschwindigkeit aus der Schmelze bzw. der Übergangszone (transition zone) in den Gasraum der Gefäße geschleudert. Diese Tropfen oder ähnliche Konfigurationen der Schmelze bewegen sich auf ballistischen Flugbahnen gemäß den Newtonschen Axiomen. Die Schmelzanteile können auf andere Tropfen auftreffen, dabei zerplatzen oder verschmelzen und demgemäß ihre Flugbahn ändern, bis sie schließlich auf die feuerfeste Ausmauerung im Gasraum der Gefäße auftreffen oder in der Schmelze landen. In diesem Hochtemperaturgasraum werden die Bewegungen der Tropfen hauptsächlich durch ihre Austrittsgeschwindigkeit und den Einfluß der Schwerkraft bestimmt, da keine wesentlichen Strömungswiderstände zu überwinden sind und Schaumschlacke oder ähnliche Hindernisse in dieser Umgebung nicht existieren. Nur im Bereich der mit hoher Geschwindigkeit aufgeblasenen Nachverbrennungsgasstrahlen können die Tropfen ab Gasgeschwindigkeiten von größer ca. 50 m/sek, abhängig von ihrer Größe, mitgerissen bzw. die Flugbahnen der Tropfen beeinflußt werden. Dabei ist es auch möglich, daß die Tropfen in kleinere Partikel zerfallen, und durch die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche trägt dies zum gesteigerten Wärme- und Stofftransport bei.

Die unterhalb der Badoberfläche eingeleiteten Reaktionspartner bewirken, daß kontinuierlich Tröpfchen und Spritzer der Schmelze wie aus einer Quelle fontänenartig in den Gasraum eingeblasen werden und eine Art disperser Metalltropfen-Phase erzeugen. Diese disperse Metalltröpfchen- Phase weist eine enorm vergrößerte Oberfläche auf und kann damit zu einem gesteigerten, direkten Energietransport der Nachverbrennungswärme an das Metallbad beitragen. Um die Verstärkung der Stoffumsätze nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erreichen, ist diese Vergrößerung der Oberfläche durch die Vielzahl der Tropfen im Gasraum erwünscht, denn damit kommt es zu dem hohen Wärmeaustausch zwischen Gasraum und Schmelze, der wiederum die hohen Einblasraten oberhalb und unterhalb der Badoberfläche erlaubt. Grobe Abschätzungen über die Menge der Metalltropfen, die sich im Gasraum befinden, haben Anhaltswerte von mindestens 10 kg pro 1 t Schmelze bei Tropfendurchmessern von ca. 0,1 bis ca. 25 mm ergeben. Es liegt in der Natur derartiger Abschätzungen, daß sich diese Werte um ganzzahlige Faktoren je nach Betriebsbedingungen ändern können.

Als weiteres, vorteilhaftes Merkmal dieser relativ hohen Gaseinblasraten unterhalb der Metallbadoberfläche und den dadurch erzeugten Strömungsbildern in der Schmelze, ist die Badoberfläche über dem Einblaskegel jeder einzelnen Bodendüse nahezu schlackenfrei, und daher werden bevorzugt Metalltropfen in den Gasraum eingeblasen. Darüber hinaus bewirkt die annähernd schlackenfreie Zone eine höhere Rückübertragung der Wärme aus der Reaktionsgasnachverbrennung an die Metallschmelze. Wahrscheinlich ist damit auch der geringe Einfluß der Schlackenmenge bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erklären. Es läßt sich der Prozeß auch ohne Schlacke auf der Metallbadoberfläche ohne erkennbaren Nachteil durchführen.

Als ein besonders bedeutungsvolles Merkmal der Erfindung ist die disperse Verteilung der Metalltröpfchen im Gasraum der Reaktorgefäße zu sehen, um damit eine erheblich vergrößerte Metallbadoberfläche zu bewirken, die für den verstärkten Energie- und Stofftransport durch die gesteigerten Einblasraten unterhalb und oberhalb der Badoberfläche benötigt wird.

Gegenüber diesen vorteilhaften Merkmalen der hohen Gaseinblasraten unterhalb der Badoberfläche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wirken sich bei den bekannten Prozessen, die mit einer Schaumschlacke oberhalb der Metallschmelze arbeiten, den sogenannten Deep-Slag-Processes, die hohen Rührgasmengen, die unterhalb der Metallbadoberfläche zuzuführen sind, nachteilig für das Verfahren aus. Da die Nachverbrennung der Reaktionsgase aus der Metallschmelze in einer Schaumschlackenschicht stattfindet, ist eine intensive Mischung von Schlacke und Metallbad erforderlich, um die Nachverbrennungsenergie aus der Schaumschlackenschicht an die Metallschmelze zu übertragen. Andernfalls kommt es zu einer sehr starken Überhitzung der Schaumschlacke, verbunden mit einer Reoxidation der Schlacke, und beides führt u. a. zu einem erhöhten Verschleiß der Konverterausmauerung.

Die Bewegung der Metalltröpfchen in der Schaumschlacke, und damit der Stoffumsatz und der Wärmeaustausch, sind begrenzt durch die turbulente Strömung, die Schlackendichte und ihre Viskosität. Somit lassen sich bei diesen bekannten Deep-Slag-Processes die Lehren des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verstärkung der Stoffumsätze, einschließlich Nachverbrennung der Reaktionsgase und der hohen Wärmerückübertragung an die Metallschmelze, nicht anwenden.

Gemäß der Erfindung werden unter dem Begriff Reaktionsgase alle Gase verstanden, die sich im Reaktionsgefäß an den dort ablaufenden Reaktionen zwischen den Gasen, der Metall- und Schlackenschmelze, sowie den Feststoffen beteiligen oder aus den Feststoffen bei der Badtemperatur freigesetzt werden, einschließlich der sich bildenden Crackprodukte. Es sind normalerweise damit alle zugeführten Gase gemeint, außer den inert wirkenden bzw. Inertgasen, wie Stickstoff und Argon, die hauptsächlich als Fördergase für die Feststoffe zum Einsatz kommen. Die Gruppe der Reaktionsgase umfaßt beispielsweise Sauerstoff. Luft, mit Sauerstoff angereichterte Luft, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Erdgas, Propan, Butan. Selbstverständlich können diese genannten Gase auch in beliebigen Mischungen oder es können vorhandene Produktgase bzw. gereinigte Abgase aus dem erfindungsgemäßen Verfahren oder anderen metallurgischen Prozessen durch die Unterbaddüsen in die Schmelze geleitet werden.

Die angegebenen Badhöhen über den Unterbaddüsen beziehen sich auf die theoretisch angenommene ruhende Badoberfläche. Im Betriebszustand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Metallbadoberfläche natürlich nicht als eine Ebene vorhanden, sondern es besteht eine Übergangszone (transition zone), die sich aus einer Mischung von Metall-, Schlackenschmelze und Gasblasen, bis hin zu großen Gastrichtern, zusammensetzt, und in dieser Zone hat die Metall/Schlackenschmelze sich praktisch in Tropfen, Spritzern und eruptionsartig aufsteigenden und herausgeschleuderten Anteilen der Schmelze aufgelöst. Überlagerungen durch Wellen- und schwappende Bewegungen der Schmelze können ebenfalls auftreten. Diese Misch- oder Übergangszone stellt sich als Übergangsschicht zwischen dem Metall/Schlackenbad über den Unterbaddüsen und dem eigentlichen Gasraum oberhalb der Mischzone ein.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, die Gasdurchflußraten durch die Unterbaddüsen auf Werte zu steigern, daß die Schmelze fontänenartig in den Gasraum und von dort teilweise bis an die Ausmauerungsoberfläche des Reaktionsgefäßes geschleudert wird. Diesen erfindungsgemäßen Bewegungszustand in der Schmelze, in der Mischzone und im darüberliegenden Gasraum, führt man durch die über die Unterbaddüsen in die Schmelze geleitete Gasmenge herbei. Hier haben sich Durchflußraten zwischen 0,2 Nm³/min bis 30 Nm³/min pro t Metallschmelze als günstiger Bereich ergeben. Besonders vorteilhaft läuft jedoch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei Eisenschmelzen im Bereich von 0,5 Nm³/min · t bis zu 10 Nm³/min · t Metallschmelze ab. Dabei ergibt sich die untere Grenze der Reaktionsgasdurchflußraten durch eine zu geringe Badbewegung der Schmelze, bei der die hohen Stoffumsätze, verbunden mit einer hohen Energieübertragungsdichte, gemäß der Erfindung nicht mehr möglich sind.

Das Maximum der Reaktionsgasdurchflußrate wird im wesentlichen dadurch begrenzt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine sogenannten Durchbläser auftreten dürfen. Mit Durchbläsern charakterisiert man einen Betriebszustand, bei dem Gas und/oder Feststoffe, die man der Schmelze durch Bodendüsen zuführt ohne vollständig reagiert zu haben, aus dem Bad wieder austreten. Diese Durchbläser können durch eine Mindestbadhöhe und kleinere Düsendurchmesser vermieden werden.

Erfindungsgemäß hat es sich als ausreichend erwiesen, wenn die Badtiefe oberhalb der Düsen dividiert durch den inneren Durchmesser der Unterbaddüsen, wobei Badtiefe und Durchmesser selbstverständlich die gleiche Dimension haben, beispielsweise [m], Werte von gleich oder größer 20 erreichen. Aus dieser Beziehung folgt, daß bei gleicher Badhöhe viele Düsen mit kleinem Durchmesser weniger zu Durchbläsern neigen als eine geringere Anzahl von Düsen mit größerem Durchmesser. Gemäß der Erfindung ist eine Mindestbadhöhe von ca. 0,5 m über den Mündungen der Unterbaddüsen aufrechtzuerhalten, um bei den zuvor definierten hohen Gaseinblasraten den beschriebenen, erfindungsgemäßen Betriebszustand der Schmelze mit Mischzone und daraus fontänenartig aufsteigenden Teilmengen im metallurgischen Reaktionsgefäß einzustellen.

Gemäß der Erfindung ist beim Einregeln der Reaktionsgasgesamtmenge, die man der Metallschmelze unterhalb der Badoberfläche zuführt, auch der in den Feststoffen chemisch gebundene Gasanteil, der bei der Temperatur der Schmelze freigesetzt wird, zu berücksichtigen. Es können bei den unterhalb der Badoberfläche eingeblasenen Feststoffen, beispielsweise bei den verwendeten Kohlesorten, sehr unterschiedliche Gasmengen auftreten, wie beispielsweise die Analysen von Gasflammkohle und Anthrazit zeigen.

Weiterhin ist der Sauerstoffgehalt des unterhalb der Badoberfläche zugeführten Erzes in die Reaktionsgasmenge mit einzubeziehen.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist seine hohe Rührleistung im Vergleich zu den bekannten Prozessen. Diese Rührleistung wird im wesentlichen von den Reaktionsgasdurchflußraten bestimmt. Die hohe Misch- oder Rührleistung ist eine weitere Voraussetzung für die verstärkten Stoffumsätze bei diesem Prozeß. Die Mischleistung E in [W] ist nach einer, gegenüber der in der EP 04 18 627 A genannten weiterentwickelten Formel berechnet.

Q = Gasdurchflußrate [Nm³/s]
R = Gaskonstante
T₁ = Badtemperatur [°K]
ρ₁ = Dichte der Schmelze [kg/m³]
g = Erdbeschleunigung [m/s²]
h_b = Badtiefe [m]
P₂ = Druck an der Badoberfläche [Pa]

Die nach dieser Formel ermittelte und auf die Tonne Metallschmelze bezogene Rührleistung sollte für den erfindungsgemäßen Prozeß über 6 kW/t betragen. Insgesamt liegt die Rührleistung für das erfindungsgemäße Verfahren im Bereich von 6 kW/t bis 40 kW/t, und der bevorzugte Bereich stellt sich etwa zwischen 10 kW/t bis 25 kW/t ein.

Bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung in modernen metallurgischen Reaktionsgefäßen, beispielsweise in einem Konverter zur Stahlherstellung, der über Sauerstoffeinleitungsdüsen im Boden und Sauerstoffaufblasvorrichtungen verfügt, sowie die Zufuhr von Feststoffen über die Bodendüsen erlaubt, können die Stoffumsätze gegenüber den bekannten Verfahren deutlich verstärkt werden. Die Durchflußraten für die Reaktionsgase liegen zwischen 1 bis 8 Nm³/min · t Roheisen. Dabei führt man der Eisenschmelze über die Bodendüsen im Konverter als Reaktionsgas hauptsächlich Sauerstoff, Erdgas als Düsenschutzmedium und die in der eingeleiteten Anthrazit-Kohle chemisch gebundenen Gase, insbesondere O₂ und H₂ zu. Die aus der Schmelze entweichenden Gase, vorzugsweise CO und H₂, werden im Gasraum des Konverters durch den aufgeblasenen Sauerstoff zu CO₂ und H₂O nachverbrannt. Dabei betragen die Nachverbrennungsraten ca. 32% und liegen somit deutlich über den ca. 20%, die sich mit den bekannten Stahlfrischverfahren erreichen lassen. Der Wirkungsgrad für die Rückübertragung der bei der Nachverbrennung erzeugten Wärme an die Schmelze beträgt 85% und wird wesentlich durch die fontänenartig aus der Schmelze austretenden Spritzer und Tropfen, die sich auf ballistischen Flugbahnen im Konvertergasraum bewegen, gefördert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren strebt man, im Gegensatz zum Anschwellen und Aufschäumen des Bades bei den bekannten Prozessen, die turbulente, spritzende, mit fontänenartig austretenden Schmelzanteilen gekennzeichnete Misch- und Übergangszone an. Falls sich in dem Strahlerzeugungskonverter Anzeichen für eine Schaumschlackenbildung ergeben, kann diese unerwünschte Schaumschlacke durch Zugabe von feinkörnigen, kohlenstoffenthaltenden, festen Brennstoffen und/oder Schlackenbildnern, beispielsweise Kohle und CaO, über die Bodendüsen, sofort ausgeschaltet werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Strahlerzeugung und der Herstellung von Ferrolegierungen, hat man Heißwind mit einer Temperatur von ca. 1300°C zur Nachverbrennung der Reaktionsgase im Konvertergasraum eingesetzt. Es ließen sich damit hohe Nachverbrennungsraten von ca. 50% und bei der Anwendung von speziell entwickelten Aufblasdüsen, wie beispielsweise in der deutschen Patentschrift 39 03 705 beschrieben, von über 60% erreichen. Dieses hohe Nachverbrennungsniveau kann betriebssicher und reproduzierbar eingestellt werden, und durch die gute Wärmerückübertragung an das Metallbad von mindestens 80% eröffnen sich neue Möglichkeiten bei der wirtschaftlichen Herstellung von Stahl und Ferrolegierungen. Es können beispielsweise Schrott unterschiedlicher Qualität und Stückigkeit, vorreduzierte Erze mit geringem Metallisierungsgrad von nur ca. 30% oder insbesondere mit hohem Metallisierungsgrad von 90 bis 100% und Festroheisen unterschiedlicher Zusammensetzung kostengünstig mit geringem Fremdenergieeinsatz, beispielsweise kohlenstoffenthaltenden Brennstoffen, eingeschmolzen werden. Es lassen sich, abhängig von der eingesetzten Kohlesorte, Verbrauchswerte von größenordnungsmäßig unter 100 kg pro t Einsatzstoff verwirklichen. Die Einsatzstoffe lassen sich in den Konverter wie üblich portionsweise chargieren, oder man kann sie kontinuierlich unterhalb und/oder oberhalb der Badoberfläche der Metallschmelze zuführen. Beispielsweise kann man granuliertes Festroheisen unterhalb der Badoberfläche kontinuierlich einblasen und Schrott entsprechender Größe, wie beispielsweise Schredder-Schrott, über entsprechende Aufgabevorrichtungen kontinuierlich von oben der Schmelze im Konverter zuführen.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich bei der Schmelzreduktion von Metallerzen, insbesondere Eisen- und eisenenthaltenden Erzen, zur Erzeugung von Roheisen und Ferrolegierungen. Es hat sich für diese Anwendung beispielsweise ein liegendes zylindrisches Reaktionsgefäß als vorteilhaft erwiesen. Bei dieser Gefäßform können einige wichtige Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens in sehr günstiger Weise realisiert werden. Die angestrebte starke Turbulenz der Übergangs- und Mischzone und die fontänenartig austretenden Spritzer und Schmelzanteile, die sich auf ballistischen Flugbahnen im Gasraum bewegen, lassen sich durch eine Vielzahl von Einblastrichtern, gebildet vom Einblasfreistrahl über der Düsenmündung, verwirklichen. Dieser Betriebszustand kann durch eine Vielzahl von Düsen mit kleinem Durchmesser und bei relativ geringer Badtiefe, jedoch größer als 0,5 m, über den Düsen herbeigeführt werden. Auch die Gefäßhöhe von ca. 1,5 m in diesem Schmelzreduktionsgefäß trägt zur gewünschten und für das erfindungsgemäße Verfahren günstigen Gefäßgeometrie bei. In diesem Reaktionsgefäß ließen sich Durchflußraten für die Reaktionsgase von 1 bis 10 Nm³/min · t Metallschmelze problemlos einstellen. Als Reaktionsgas hat man hauptsächlich Sauerstoff, das Düsenschutzmedium Methan und die chemisch gebundenen Gase im Eisenerz und der zugeführten Kohle mit hohen flüchtigen Anteilen in die Metallschmelze geleitet. Der Schmelzreduktionsprozeß beginnt ohne Schlackenschicht auf dem Metallbad, und im Laufe der Prozeßzeit baut sich eine Schlackenschmelze auf, deren Basizität in diesem Fall durch Zugabe von Kalk über die Bodendüsen bei ca. 1,4 liegt.

Das Verfahren nach der Erfindung kann mit Erfolg in den Schmelzreduktionsgefäßen der in jüngster Zeit angemeldeten weiterentwickelten Prozesse gemäß DE 42 06 828 A1 ebenso angewendet werden, wie bei den Verfahren auf diesem Gebiet, die in den Patenten DE 36 07 774 und DE 36 07 776 beschrieben sind. Das erfindungsgemäße Verfahren führt bei diesen genannten Schmelzreduktionsprozessen zu einer weiteren Intensivierung der Stoffumsätze und damit zu höheren Einblasraten unterhalb und oberhalb der Metallbadoberfläche, die sich in einer weiteren Steigerung der Produktivität dieser Verfahren zeigen.

Diese vorteilhaften Wirkungen ergeben sich selbstverständlich genau bei ähnlichen und hier nicht besonders genannten Schmelzreduktionsverfahren, die ohne Schaumschlacke im Gasraum arbeiten, und es liegt im Sinne der Erfindung, ihre Lehren auch zur Verbesserung bekannter Prozesse zu nutzen und ggf. entsprechend anzupassen. Es hat sich insbesondere gezeigt, daß bei jeder beliebigen Vorreduktionsstufe der für die Schmelzreduktion eingesetzten Metallerze bis hin zu vollmetallisierten Erzen, beispielsweise Eisenschwamm oder Eisenpellets, sich das erfindungsgemäße Verfahren erfolgreich zur Verstärkung der Stoffumsätze und damit zur Produktionserhöhung anwenden läßt. So können beispielsweise Metallerze ohne Vorreduktion oder mit geringer Vorreduktion bis etwa zur Wüstitstufe bei Eisenerzen, oder Metallerze mit gesteigerter Metallisierung von z. B. 30% bis 50% aufwärts bis hin zu den hochmetallisierten Produkten mit 90% bis 100% Metallisierung zum Einsatz kommen.

Die Erfindung wird anschließend an einer Zeichnung und einem Beispiel näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch ein trommelförmiges Reaktionsgefäß für die Schmelzreduktion von Eisen- und eisenenthaltenden Erzen zur Erzeugung von Roheisen und Ferrolegierungen.

Das zylindrische Reaktionsgefäß besteht aus einem Blechmantel 1, der mit einer feuerfesten Ausmauerung 2 ausgekleidet ist. In dieser feuerfesten Ausmauerung 2 ist ein auswechselbarer Bodenteil 3 eingebaut, der über Flansche 4 mit dem Reaktionsgefäß verbunden ist. Im Bodenteil 3 sind die Unterbaddüsen 5 mit ihren Versorgungsanschlüssen 6 eingebaut. In dem Reaktionsgefäß befindet sich die Metallschmelze 7 mit der Schlackenschicht 8. Über den Mündungen der Düsen 5 sind die Einblastrichter 9 zu erkennen. Die Schmelze oberhalb der Düsen ist in die Übergangs-/Mischzone 10 und den darüberliegenden Gasraum 11 aufgelöst, in den sich fontänenartig 12 und in Form von Tropfen und Spritzern 13 Schmelze ergießt. Über die Heißwindleitung 14 wird die Heißwinddüse 15 mit vorgewärmter Luft im Temperaturbereich zwischen 1100 bis 1500°C versorgt, und der Nachverbrennungsjet 16 verbrennt die aus der Schmelze austretenden Gase CO und H₂ zu CO₂ und H₂O. Die dabei entstehende Wärme wird unter Mitwirkung der fontänenartig herausgeschleuderten Schmelzteile 12 und der Tropfen und Spritzer 13 an die Schmelze 7 rückübertragen. Das nachverbrannte Abgas, beladen mit Staub, verläßt das Reaktionsgefäß durch die Abgasöffnung 17, wie durch die Pfeile 18 angedeutet. Weiterhin ist in der Darstellung noch die Gefäßöffnung 19, durch die heißes, vorreduziertes Erz in das Reaktionsgefäß gelangt, zu erkennen. Das Abstichloch 20 dient dazu, Metall und Schlacke aus dem Schmelzreduktionsgefäß abzustechen. Der Pfeil 21 deutet die Benetzung der feuerfesten Mauerungsoberfläche durch Schmelze an.

In einem nichteinschränkenden Beispiel wird das Verfahren zur Verstärkung der Stoffumsätze in metallurgischen Reaktionsgefäßen für die Schmelzreduktion von Eisenerz in einem liegenden Trommelkonverter, ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten, näher erläutert.

In einem Pilot-Konverter, entsprechend Abb. 1 befindet sich eine Eisenschmelze von 8 t Gewicht, mit einem Kohlenstoffgehalt von 3%. Bei dem Prozeß gemäß der Erfindung mit hoher Intensität der Stoffumsätze bläst man ca. 98 kg/min Hamersley-Feinerz und 46 kg/min Braunkohlenkoks, sowie ca. 60 Nm³/h Methan zum Düsenschutz über die Unterbaddüsen in die Schmelze ein. Es ergibt sich aus diesen Werten eine Reaktionsgaseinblasrate von ca. 8 Nm³/min und t Metallschmelze.

Zu Beginn der Schmelzreduktion befindet sich keine Schlacke auf dem Eisenbad. Aufgrund der sauren Kohleaschen leitet man zur Verbesserung der Schlackenbasizität Kalk mit einer Blasrate von ca. 3,5 kg/min ebenfalls über die Bodendüsen in die Schmelze und stellt damit ungefähr eine Schlackenbasizität von 1,4 ein. Die Badhöhe h_b über den Düsenmündungen beträgt 0,47 m, bezogen auf die ruhende Badoberfläche, und die Gefäßhöhe h_r, von der gleichen Ebene aus gemessen, ergibt sich zu 1,4 m. Die Unterbaddüsen weisen einen inneren Durchmesser von 12 mm auf, und davon sind fünf Düsen in diesem Pilot-Konverter angeordnet.

Die Rührleistung errechnet sich zu 23 kW/t Metallschmelze. Über eine Aufblasdüse oberhalb des Bodendüsenbereiches wird zur Nachverbrennung der Reaktionsgase aus der Schmelze Heißwind mit einer Temperatur von ca. 1200°C in einer Menge von 6000 Nm³/h plus 1200 Nm³/h O₂-Anreicherung mit einem Drall auf die Schmelze geblasen. Der erzielte Nachverbrennungsgrad beträgt 58% bei einer hohen Wärmerückübertragung mit einem Wirkungsgrad von 85% an die Metallschmelze.

Nach einer Betriebszeit dieser Pilot-Anlage zur Schmelzreduktion von ca. zwei Stunden konnte man 7,2 t Roheisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 3% und einer Temperatur von 1450°C abstechen. Die anschließend abgestochene Schlackenmenge beträgt 1600 kg.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat sich bei der Stahlerzeugung sowie bei der Herstellung von Ferrolegierungen im kombiniert blasenden Sauerstoffkonverter, bei der Kohlevergasung im Eisenbad und bei der Schmelzreduktion von eisenhaltigen Erzen ebenso bewährt wie für die Erzeugung und Raffinierung von nichteisenhaltigen Metallen, insbesondere bei der Kupfer- und Bleiproduktion.

Claims (13)

1. Verfahren zur Verstärkung der Stoffumsätze in metallurgischen Reaktionsgefäßen, in denen sich eine Metallschmelze befindet, der die Reaktionspartner unterhalb und oberhalb der Badoberfläche zugeführt und die aus dem Metallbad austretenden Gase im Raum über der Schmelze durch in diesen Gasraum eingeblasene oxidierende Gase nachverbrannt werden und die dabei entstehende Wärme an die Metallschmelze übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Gasraum dieser metallurgischen Reaktionsgefäße auf ballistischen Flugbahnen Anteile der Schmelze in Form von Tröpfchen, Spritzern und größeren Teilchen der Schmelze bewegen, die fontänenartig durch die über Unterbaddüsen eingeleitete Gasmenge aus der Schmelze herausgeschleudert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ballistischen Flugbahnen der Schmelzanteile im Gasraum der metallurgischen Reaktionsgefäße durch Auftreffen auf die Gefäßwand oder auf die Schmelze selbst, Kollision mit anderen Schmelzanteilen und Ansaugen durch die auf das Bad geblasenen oxidierenden Gase geändert oder abgebrochen werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Unterbaddüsen Reaktionsgase und/oder Intergase in die Schmelze eingeleitet werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu den durch die Unterbaddüsen eingeleiteten Gasmengen auch die in den eingeblasenen Feststoffen chemisch gebundenen und bei der Badtemperatur freiwerdenden Gase mitgerechnet werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Unterbaddüsen zugeführten Gasmengen unabhängig von einer vorhandenen Schlackenschicht und der Schlackenmenge auf der Metallschmelze eingeleitet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einleiten der Gasmenge unterhalb der Badoberfläche eine unerwünschte Schaumschlackenbildung auf dem Metallbad durch das Einblasen unterhalb der Badoberfläche von feinkörnigen Schlackenbildnern und/oder festen kohlenstoffenthaltenden Brennstoffen vermieden wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Unterbaddüsen eingeleitete Gasmenge mit Durchflußraten zwischen 0,2 Nm³/min bis 30 Nm³/min, bezogen auf 1 t Metallschmelze, dieser Metallschmelze im Reaktionsgefäß zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrate der über die Unterbaddüsen eingeleiteten Gasmenge in Relation zu der Badtiefe der Metallschmelze oberhalb dieser Düsen eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmender Badtiefe über den Unterbaddüsen die Durchflußrate der eingeleiteten Gase vergrößert wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbaddüsen, durch die die Gase in die Metallschmelze eingeblasen werden, einen Innendurchmesser d aufweisen und in bezug auf die Badtiefe h_b gemäß der Beziehung h_b/d auf Werte größer 20 ausgelegt werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührleistung E [W/t] auf Werte zwischen 6 kW/t bis 40 kW/t eingestellt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührleistung E auf Werte zwischen 10 kW/t bis 25 kW/t eingestellt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschmelze zur Metallerzeugung im metallurgischen Reaktionsgefäß portionsweise und/oder kontinuierlich entsprechende Rohstoffe oberhalb und/oder unterhalb der Metallbadoberfläche zugeführt wird.