DE4343957A1 - Konverterverfahren zur Produktion von Eisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion von Eisen aus Eisenrohstoffen in einem Konverter, in dem sich eine Anfangseisen­ schmelze befindet, in die während der Produktionsphase mindestens Brenn­ stoffe, sauerstoffenthaltende Gase und Eisenrohstoffe eingeführt werden, und die Reaktionsgase oberhalb der Schmelze im Gasraum des Konverters mit oxidierenden Gasen nachverbrannt werden und die dabei entstehende Wärme an das Eisenbad übertragen wird, und nach der Produktionsphase eine Teilmenge der Eisenschmelze abgestochen wird und eine nächste Anfangseisenschmelze für die nächste Produktionsphase im Konverter verbleibt.

Die aktuellen Entwicklungen in der Eisen- und Stahlindustrie sind hinsichtlich der Eisenerzeugung bevorzugt auf eine koksfreie Metallurgie gerichtet. Bei den zukunftsorientierten Schmelzreduktionsverfahren, die zur Roheisenherstellung von Eisenerz ausgehen, kommt als Energieträger und Reduktionsmittel Kohle anstelle von Koks zum Einsatz. Ein anderer Weg, Eisen zu erschmelzen, besteht darin, eisenhaltige Rohstoffe, wie beispielsweise Schrott, zu verwenden und den gewünschten Kohlen­ stoffgehalt für den Abstich der Schmelze ebenfalls durch den Einsatz kohlenstoffhaltiger Brennstoffe einzustellen. Zu diesem letztgenannten Weg lassen sich auch die Maßnahmen zur Erhöhung der Schrottein­ schmelzkapazität bei der Stahlerzeugung rechnen.

Eine zusammenfassende Beschreibung der vorzugsweise im Pilot­ stadium befindlichen Schmelzreduktionsverfahren findet sich in der Ver­ öffentlichung "Entwicklungslinien der Schmelzreduktion", Stahl und Eisen 109 (1989), Nr. 16, Seiten 728 bis 742. Die Schmelzreduktionsverfahren arbeiten in der Regel mit einem Einschmelzvergaser, in dem der Eisen­ schmelze zum Ausgleich der Energiebilanz Kohle und Sauerstoff zugeführt wird, und die entstehenden Reaktionsgase CO und H₂ benutzt man dann in einer vorgeschalteten Erzreduktionsanlage, um die Eisenerze vollständig oder teilweise zu reduzieren. Dieses vorreduzierte Material wird an­ schließend in den meisten Fällen direkt dem Einschmelzvergaser zuge­ führt. Lediglich der HIsmelt-Prozeß arbeitet im freien Gasraum des Schmelzreduktionsgefäßes mit einer hohen Nachverbrennungsrate der Reaktionsgase und weist somit eine besonders günstige Energiebilanz ohne hohen Überschuß an energiereichem Abgas auf.

Der Artikel "Stand der Verfahrenstechnik für das Einschmelzen von Schrott mit fossiler Energie", Stahl und Eisen 110 (1990), Nr. 7, Seiten 109 bis 116, beschreibt die verschiedenen Möglichkeiten, durch Einsatz fossiler Energieträger die Einschmelzkapazität von Schrott bei der Stahlerzeugung zu erhöhen. Neben der Anwendung unterschiedlicher Brennersysteme und Schrottvorwärmmethoden, wird auch die Reaktionsgasnachverbrennung zur Verbesserung der Wärmebilanz in dieser Veröffentlichung dargelegt.

Die deutsche Patentschrift 36 07 777 bezieht sich auf ein Verfah­ ren zum Herstellen von Stahl aus Schrott in einem Frischgefäß, bei dem über Einleitungsdüsen unterhalb der Stahlbadoberfläche und Aufblasvor­ richtungen kohlenstoffhaltige Festbrennstoffe eingeblasen werden sowie sauerstoffhaltige Gase als Reaktionspartner zum Einsatz kommen, und der Heizwert der kohlenstoffhaltigen Festbrennstoffe im Wege einer Nachver­ brennung der gasförmigen Reaktionsprodukte weiter genutzt wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die austretenden, gasförmigen Reaktionsprodukte in an sich bekannter Weise mit vorgewärmter Luft nach­ verbrannt werden und der Nachverbrennungsgrad in der Schrotteinschmelz­ phase auf 60 bis 70% eingestellt wird. Bei dem Frischgefäß handelt es sich um ein Herdofengefäß, ähnlich einem Elektroofen. Die Patentschrift nennt in der Einschmelzphase Nachverbrennungsgrade von 60 bis 70% und in der Schmelzphase von 40 bis 60%. Die Rückübertragung der Wärme ge­ schieht mit einem Wirkungsgrad von ca. 80%, und daraus ergibt sich eine Temperaturüberhöhung des Abgases von ca. 200°C. Diese Steigerung der Abgastemperatur wird nicht als eine übermäßige Belastung der feuerfesten Ausmauerung im Frischgefäß angesehen.

Auch in älteren Patentanmeldungen, beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 27 23 857, werden Wege zur Erhöhung des Energie­ pegels der Schmelze bei der Stahlerzeugung beschrieben. Das Verfahren in der genannten Offenlegungsschrift ist dadurch gekennzeichnet, daß festes, kohlenstoffhaltiges Material in die Schmelze unter die Oberflä­ che derselben eingeleitet wird und daß ein oxidierendes Gas in das Gefäß geleitet wird, welches mit dem kohlenstoffhaltigen Material reagiert und Wärme freisetzt. Dieses Verfahren arbeitet ohne Nachverbrennung der Reaktionsgase. Es werden aber feste, eisenhaltige Stoffe kontinuierlich während des Frischvorganges zugesetzt.

Aus der Vielzahl der bekannten Schmelzreduktionsverfahren sei die deutsche Patentschrift 33 18 005 erwähnt. Dieses Verfahren zur Eisenher­ stellung aus Erz, bei dem diese Eisensauerstoffverbindung in einem Erz­ reduktionsgefäß im wesentlichen mit einem Reaktionsgas aus einem Ein­ schmelzgefäß reduziert und dann dieses vorreduzierte Erz dem Einschmelz­ gefäß zugeführt und unter Zugabe von kohlenstoffenthaltenden Brennstof­ fen und sauerstoffhaltigen Gasen aufgeschmolzen wird, und bei dem die Reaktionsgase auf dem Weg zum Erzreduktionsgefäß abgekühlt werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Eisenschmelze austretenden Reaktionsgase im Einschmelzgefäß teilweise nachverbrannt werden, wobei die dabei entstehende Wärme weitgehend an die Schmelze übertragen wird, und daß die Abkühlung der Reaktionsgase mit Reduktionsmitteln erfolgt, die die Reaktionsgase gleichzeitig reduzieren.

Für den Fachmann, der den gesamten Stand der Technik und insbeson­ dere die genannten Schriften in allen Einzelheiten vor Augen hat, ergibt sich ein Bild, das auch deutliche Nachteile zeigt. Dies gilt sowohl für die Schmelzreduktionsverfahren, die aus Eisenerz ohne Kokseinsatz Rohei­ sen erzeugen, als auch für das Einschmelzen alternativer Eisenrohstoffe, insbesondere Schrott. Die Mängel beziehen sich weniger auf die plau­ siblen metallurgischen Zusammenhänge als vielmehr auf die Wirtschaft­ lichkeit und die betriebssichere Anwendung dieser neuen bekannten Ver­ fahren zur Erzeugung von Eisen. Diese Zweifel an der Wirtschaftlichkeit und der Durchführbarkeit der Prozesse stützt auch die Tatsache, daß bis­ lang keines der neuen Verfahren Eingang in die industrielle Praxis ge­ funden hat.

Die genannten hohen Nachverbrennungsgrade von 60 bis 70%, mit einem Wirkungsgrad für die Rückübertragung der dabei entstehenden Wärme an die Schmelze von ca. 80% beim Einsatz vorgewärmter Luft, führen zu einer Temperaturerhöhung des Abgases von ca. 200°C. Aus einer Abgastemperaturerhöhung von 200°C über der Temperatur der Schmelze von ca. 1500°C bis 1600°C resultieren insbesondere bei längeren Laufzeiten ein voreilender Verschleiß der Ausmauerung im Konvertergasraum und damit gesteigerte Feuerfest-Kosten. Bei der Stahlproduktion im Konverter hat sich in der Betriebspraxis bislang nur ein Verfahren durchgesetzt, das Sauerstoff zur Nachverbrennung der Reaktionsgase nutzt und einen Nachverbrennungsgrad (CO zu CO₂) von ca. 20% erreicht, wie u. a. in der DE Patentschrift 28 38 983 erwähnt.

Bei der Erzeugung von Stahl aus Schrott sind dem Fachmann die Un­ sicherheiten der Energiebilanz, in der sogenannten Sumpfbildungsphase (wenn der Schrott aufschmilzt) bekannt. Es kommt in dieser Phase zu sehr starken Schwankungen im Energieverbrauch, die wahrscheinlich u. a. mit der unkontrollierbaren Oxidation der Eisenrohstoffe und sogenannten Durchbläsern (die Medien der Unterbaddüsen blasen unkontrolliert durch Schmelze/Sumpf) in Verbindung stehen. Die nicht genau genug kalkulierba­ ren bzw. reproduzierbaren Brennstoffverbrauchswerte in der Sumpfbil­ dungsphase haben schließlich wieder zum Einsatz von flüssigem Eisen geführt. Die Eisenrohstoffe werden wie bei einem Konverterprozeß zur Stahlerzeugung üblich, chargiert. Als erstes wird in den leeren Konverter eine Teilmenge Schrott chargiert, die vorteilhafterweise vorgeheizt wird, indem man die Bodendüsen eines OBM/KMS-Konverters als Brenner betreibt. Auf diese erste Schrottmenge folgt flüssiges Roheisen, entweder aus dem Hochofen oder im Konverter vorproduziertes Pseudoroheisen. Die Menge beträgt etwa 70% des Abstichgewichtes der Stahlcharge. In diese chargierte Eisenschmelze bläst man dann fossile Brennstoffe und Sauerstoff ein, um dem Bad Wärme zuzuführen. Die Gesamtschrottmenge zur Erzeugung einer Stahlschmelze wird in mindestens zwei Portionen der Schmelze zugegeben. Nach diesem bekannten Verfahrensweg arbeitet der KS/KMS-Prozeß, der aus Schrott Stahl erzeugt. Als fossiler Brennstoff kommen hauptsächlich Braunkohlenkoks oder Anthrazitkohle zum Einsatz, und zur Nachverbrennung der Reaktionsgase im Gasraum des Konverters strömt Sauerstoff über Düsen im Konverterhut in das Gefäß. Die erreichten Verbrauchszahlen liegen bei 225 kg Kohle und ca. 200 Nm³ Sauerstoff pro 1 t Schrott. Es wird ein mittlerer Nachverbrennungsgrad von ca. 20% bei einem Wirkungsgrad von ca. 85% für die Nachverbrennungswärmerückübertragung an die Schmelze erreicht.

Wie aus den vorangegangenen Darlegungen hervorgeht, sind die wesentlichen Teilschritte für die metallurgischen Verfahren der Schmelzreduktion und der Stahlerzeugung aus festen Einsatzstoffen be­ kannt. Jedoch ist es bislang nicht gelungen, daraus einen wirtschaftli­ chen vorteilhaften, betriebssicheren, d. h. großtechnisch einsetzbaren, Prozeß zu entwickeln. Auch die kontinuierliche Zugabe von Eisenträgern, wie vorreduziertes Erz, Eisenschwamm, Schrottstücke, kennt der Stand der Technik, insbesondere bei Verfahren zur kontinuierlichen Stahlerzeugung. Diese Eisenrohstoffe führt man jedoch der Schmelze nicht durch Räume zu, in denen hohe CO₂- und H₂O-Konzentrationen auftreten, wahrscheinlich, um die unerwünschte Oxidation des Eisens zu vermeiden.

Dieser Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein wirt­ schaftlich vorteilhaftes Verfahren zur Erzeugung von Eisen aus Eisenroh­ stoffen in einem Konverter zu schaffen, das einerseits die Vorteile be­ kannter Verfahrensschritte synergetisch nutzt, ohne alle Nachteile die­ ser bekannten Prozesse in Kauf zu nehmen und weiter zu einem Eisenerzeu­ gungsprozeß führt, der betriebssicher ist und sich durch hohe detail­ genaue Reproduzierbarkeit auszeichnet, die es ermöglicht, ihn weitgehend rechnergesteuert ablaufen zu lassen, und daß dieses neue Verfahren in Hinblick auf seine Einsatzstoffe und Energieträger anpassungsfähig und flexibel zu gestalten ist. Weiterhin sollte dieser Eisenerzeugungsprozeß eine hervorragende Grundlage für die Stahlerzeugung bilden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Gewicht der An­ fangseisenschmelze zwischen 10% und 60% bezogen auf das Gewicht der im Konverter nach der Produktionsphase und vor dem Abstich der Teilmenge vorhandenen Eisenschmelze beträgt, und daß während der Produktionsphase durch den Gasraum des Konverters die Eisenrohstoffe kontinuierlich der Eisenschmelze zugeführt werden und gleichzeitig kontinuierlich sauerstoffenthaltende Gase, die höchstens 50% Sauerstoff enthalten, auf die Oberfläche der Schmelze geblasen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich in dem Kon­ verter zur Produktion von Eisen eine Anfangseisenschmelze befindet, in die unterhalb der Badoberfläche Gase, insbesondere Sauerstoff und inert wirkende Gase, wie Stickstoff und/oder Argon, u. a. als Trägergase für die Feststoffe, sowie fossile Brennstoffe eingeleitet werden, um eine ausreichende Badbewegung der Schmelze zu erzeugen, damit neben den Reak­ tionsgasen CO und H₂ auch Spritzer aus der Schmelze in den Gasraum des Konverters austreten. Gleichzeitig sind während der Produktionsphase die maximal 50% sauerstoffenthaltenden, vorgeheizten, oxidierenden Gase durch den Gasraum des Konverters kontinuierlich auf die Eisenschmelze zu blasen und ebenso kontinuierlich die stückigen Eisenrohstoffe der Schmelze im Konverter von oben zuzuführen.

Als Produktionsphase ist der Zeitraum zu verstehen, der mit der Einnahme der Blasstellung des Konverters beginnt und mit dem Zurückdre­ hen des Gefäßes aus der Blasstellung in die Warte- oder Abstichposition endet. Sobald der Konverter die Blasstellung eingenommen hat, strömen unterhalb der Badoberfläche Brennstoffe, z. B. Kohle, Sauerstoff und/oder Inertgase in die Schmelze, um neben ihrer Zuführung auch die nötige Bad­ bewegung als Voraussetzung für einen guten Wärmeübergang aus der Reaktionsgasnachverbrennung zu schaffen. Gleichzeitig mit der Medienzufuhr unterhalb der Badoberfläche setzt von oben das Aufblasen der oxidierenden Gase und die kontinuierliche Zugabe der Eisenrohstoffe ein. Dieser Betriebszustand wird während der gesamten Produktionsphase aufrechterhalten. Sobald der Konverter die Abstichposition für die erzeugte Eisencharge einnimmt, ist die Produktionsphase beendet. Selbstverständlich kann die Produktionsphase auch ein- oder mehrmals unterbrochen werden, beispielsweise um eine Probe der Eisenschmelze zu entnehmen. Dann dreht der Konverter in eine Warteposition, bei der die Mündungen der Unterbaddüsen normalerweise über der Schmelze im Konverter liegen.

Unter "Konverter" ist gemäß der Erfindung nicht nur ein übliches Stahlherstellungsgefäß, wie LD- oder OBM/KMS-Konverter, zu verstehen, sondern auch abgewandelte, ähnliche Frischgefäßtypen, die im Regelfall aber drehbar oder teildrehbar bzw. schwenkbar sind.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat sich als besonders stabil erwiesen, im Gasraum des Konverters einen hohen Nachverbrennungsgrad für die Reaktionsgase zwischen 50% bis 75%, vorzugsweise zwischen 60% bis 70%, betriebssicher über die gesamte Produktionsphase aufrechtzuerhalten. Normalerweise kann für die Produktionsphase im Mittel mit einem Nachverbrennungsgrad von 65% gerechnet werden, wobei die Wärmerückübertragung an die Eisenschmelze ca. 90% beträgt. Diese Werte lassen sich bei der Aufstellung einer Energiebilanz für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Produktion von Eisen zugrundelegen.

Deutliche Abweichungen von diesem mittleren Nachverbrennungsgrad im angegebenen Intervall sind in erster Näherung konverterspezifisch. Das heißt, wenn nach Inbetriebnahme des Konverters sich ein mittlerer Nachverbrennungsgrad über die Produktionsphase beispielsweise von 63% einstellt, ergibt sich dieser Wert auch mit nur relativ geringer Streubreite bei der nachfolgenden Eisenproduktion in diesem Konverter. Wahrscheinlich sind die Unterschiede im Nachverbrennungsgrad von Konverter zu Konverter, mit der Konvertergeometrie, insbesondere durch die Anordnung der Aufblasvorrichtungen außerhalb der Konvertermündung, zu erklären. Eine lange Laufstrecke der oxidierenden Nachverbrennungsgase fördert jedoch den Nachverbrennungsgrad und führt zu reproduzierbaren, betriebssicheren Ergebnissen. Die relativ lange Laufstrecke der Nachverbrennungsgase erreicht man durch die bevorzugte Anordnung der Aufblasvorrichtungen im Raum über der Konvertermündung, so daß die oxidierenden Gase durch die Konvertermündung unter Ausnutzung der Gesamthöhe des Konvertergasraumes auf die Schmelze im Konverter auftreffen. Als Aufblasgas zur Nachverbrennung der Reaktionsgase im Gasraum des Konverters hat sich Heißwind bewährt, d. h. vorgeheizte Luft, wie sie auch üblicherweise beim Hochofenofenprozeß Verwendung findet. Der Heißwind läßt sich zur Steigerung der Nachverbrennung mit Sauerstoff anreichern. Erfindungsgemäß können Sauerstoffkonzentrationen vom Luftsauerstoffgehalt mit ca. 21% bis maximal 50% mit Erfolg angewendet werden. Der Pebble Heater, gemäß DE Patent 38 41 708, der mit einem hervorragenden Wärmewirkungsgrad arbeitet und sich insbesondere bei hohen Vorheiztemperaturen bewährt hat, eignet sich für die Heißwinderzeugung besonders gut, z. B. konnte er bei Heißwind mit einer Vorheiztemperatur von ca. 1400°C und einer Sauerstoffanreicherung auf ca. 25% mit Erfolg bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden.

Die bevorzugte und vorteilhafte Einbauposition der Aufblasvorrichtungen liegt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nahe der Konvertermündung. Entweder sind diese Aufblasvorrichtungen außerhalb der Konvertermündung, d. h. über dem Konverter angeordnet, oder sie befinden sich im oberen Konverterraum nahe der Konvertermündung. Durch diese günstigen Einbaupositionen der Aufblasvorrichtungen, beispielsweise Düsen, Lanzen, Rohröffnungen oder aufwendig gestalteter Vorrichtungen, wie Dralldüsen, wird eine lange Laufstrecke der aufgeblasenen, oxidierenden Gase durch den gesamten Konvertergasraum unter ungefährer Ausnutzung seiner vorhandenen Höhe erreicht. Bei den Aufblasvorrichtungen innerhalb des Konverters kann es sich um fest montierte, die feuerfeste Ausmauerung des Konverters durchdringende Einrichtungen handeln, oder es kommen entsprechend verschiebbare bzw. einfahrbare Lanzen, einschließlich solcher Konstruktionen, die seitlich oder über einen Schwenkkreis in die Konvertermündung eindrehen, in Frage. Es können bekannte Konstruktionen oder neu gestaltete, dem Konverter angepaßte, vorteilhafte Lösungen eingesetzt werden. Verfahrenswichtig ist dabei ihre Einbauposition nahe der Konverteröffnung, um die Höhe des Konvertergasraumes als Laufstrecke für die Aufblasstrahlen möglichst vollständig zu nutzen.

Gemäß der Erfindung fallen die stückigen Eisenrohstoffe durch den gesamten Gasraum des Konverters, bis sie in das Eisenbad gelangen und dort aufschmelzen. Beim Durchdringen des Konvertergasraumes, in dem sich die Reaktionsgasnachverbrennung vollzieht und darüber hinaus viele Eisen- und Schlackenteilchen vom Staub, über Tropfen bis zu größeren Schmelzanteilen vorhanden sind, werden die Eisenrohstoffe an ihrer Oberfläche aufgeheizt und reißen Eisen- und Schlackenteilchen aus dem Konvertergasraum mit. Wahrscheinlich trägt das Zusammenwirken der Reaktionsgasnachverbrennung mit der Aufheizung und dem Mitreißen von Flugstaub und größeren Teilchen beim Durchqueren des Konvertergasraumes durch die Eisenrohstoffe zu dem überraschend hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung an die Eisenschmelze von ca. 90% bei. Das Einleiten der Eisenrohstoffe kann durch die Konvertermündung selbst oder durch eine entsprechende Zugabeöffnung in Nähe der Konvertermündung erfolgen. Der Transport der Eisenrohstoffe zu diesem Zugabeort, erfolgt mit üblichen Transporteinrichtungen, wie beispielweise Förderschnecken, Transportbändern oder Vibrationsrinnen.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hält man während der Eisenproduktionsphase in der Eisenschmelze im Konverter einen Kohlenstoffgehalt zwischen ca. 0,2% bis ca. 4,2%, vorzugsweise zwischen 2,5% bis 3,5%, aufrecht. Der Kohlenstoffgehalt für die Anfangseisenschmelze und für die abgestochene Teilmenge der Eisenschmelze aus dem Konverter liegt ungefähr im gleichen Bereich. Die Einstellung des gewünschten Kohlenstoffgehaltes in der Eisenschmelze erfolgt durch die Zugabe der fossilen Brennstoffe an das Bad unter Berücksichtigung der zugeführten Sauerstoffmenge für die Verbrennung dieser Heizmittel. Die Anwendung der fossilen Brennstoffe ist nicht auf besondere Materialien begrenzt. Es kommen insbesondere die verschiedenen Kohlesorten in Frage, ohne Einschränkung in Hinblick auf ihre Zusammensetzung oder ihren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen. Vom Anthrazit bis zur Gasflammkohle sind die unterschiedlichen Kohlesorten ebenso geeignet wie Raffinerierückstände, Graphit- und Kohlenstoffabfälle aus entsprechenden Produktionsbetrieben. Flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe können ebenfalls eingesetzt werden.

Vergleichbar mit der Brennstoffzugabe lassen sich auch die Schlackenbildner und Schlackenflußmittel unterhalb der Eisenbadoberfläche mit einem Trägergas, wie beispielsweise Stickstoff, in die Eisenschmelze einblasen. Die Schlackenzusammensetzung stellt man wie in der Eisenmetallurgie üblich ein, um die Schrottbegleitstoffe und die Gangart der Eisenerze abzubinden. Hauptsächlich wird der Schmelze Feinkalk als Schlackenbildner zugeführt, um eine Basizität, definiert als das CaO/SiO₂-Verhältnis in der Schlacke, zwischen etwa 1,4 bis etwa 1,9 aufrechtzuerhalten. Diese Schlacken verhalten sich gegenüber der üblichen Konverterausmauerung aus Magnesitsteinen günstiger als beispielsweise Schlacken mit geringerer Basizität, wie sie bei der Schmelzreduktion entstehen. Diese Möglichkeit, reaktionsträge Schlacken problemlos im Konverter einzustellen, trägt ebenfalls zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei.

Durch das kurzzeitige Einblasen von Feinkalk während der Eisenproduktionsphase läßt sich, neben der gewünschten Schlackenbasizität, auch eine sehr effektive Entschwefelung und Entphosphorung der Eisenschmelze erreichen. Besonders der Einsatz von Weichbranntkalk mit einer Korngröße unter 0,03 mm ist bei diesem metallurgischen Verfahrensschritt sehr effektiv.

Es liegt im Sinne der Erfindung, im gleichen Konverter das erzeugte, flüssige Eisen zu Stahl zu frischen und danach aus dem Konverter die fertige Stahlcharge abzustechen. Bei dieser Verfahrensvariante handelt es sich jedoch um einen Sonderfall, der beispielsweise im Produktionsrahmen eines Hüttenwerkes sinnvoll sein kann. Diese Möglichkeit belegt die hohe Anpassungsfähigkeit und die Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gegenüber diesem Sonderfall hat die erfindungsgemäße Stahlerzeugung in einem zweiten Konverter erhebliche Bedeutung und stellt einen betriebssicheren, kostengünstigen Prozeß dar. In einer ersten erfindungsgemäßen Variante der Zweikonvertertechnik führt man die aus dem Eisenproduktionskonverter abgestochene Teilmenge direkt einem zweiten Konverter oder Elektrolichtbogenofen zu und stellt in einer Hitze in bekannter Weise Stahl her. Die zweite erfindungsgemäße Verfahrensvariante besteht darin, das im Eisenproduktionskonverter erzeugte Eisen abzukühlen und auf üblichem Weg Festroheisen in Form von Masseln oder Granulat zu erzeugen. Dieses Festroheisen kann dann beliebig transportiert und zwischengelagert werden, um es schließlich nach jedem beliebigen und bekannten Stahlerzeugungsverfahren, wie beispielsweise Konverterprozeß oder Elektrolichtbogenofen, zu Stahl zu verarbeiten. Die Erzeugung von Festroheisen hat insbesondere Bedeutung für die Produktion am Fundort der Eisenerze, an deren Standort auch häufig günstige fossile Brennstoffe zur Verfügung stehen. An einem solchen Standort großtechnisch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Roheisen zu erzeugen und dann das Festroheisen an entfernt gelegene Stahlproduktionsstätten zu transportieren, ist wirtschaftlich sinnvoll, da neben günstigeren Produktionskosten für das Festroheisen auch verringerte Transportkosten anfallen. Das Einschmelzen des Festroheisens kann dann am Bestimmungsort nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, reduziertes Eisenerz mit einem Metallisierungsgrad von ca. 90%, meistens aus einem Schacht- oder Drehrohrofenprozeß, an einem Herstellungsort, an dem auch kostengünstig Brennstoffe zur Verfügung stehen, in festes Roheisen umzuwandeln und in einem zweiten Konverter nach den Lehren der Erfindung aufzuschmelzen und auf übliche Weise zu Stahl zu frischen. Mit der beim Aufschmelzen des Festroheisens in Form von Roheisengranulat oder Masseln benötigten, geringen Menge fossiler Brennstoffe, wirkt sich deren Asche- und/oder Schwefelgehalt nicht mehr ungünstig bei der Stahlerzeugung oder einer anschließenden metallurgischen Behandlung aus. So sind für das Einschmelzen dieses Festroheisens mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 4% bei einer Vorerwärmung auf ca. 800°C nur noch zwischen 10 bis 20 kg Kohle pro t Eisen erforderlich. Die hohe Vorwärmtemperatur von 800°C ist bei diesem gleichmäßigen Material hinsichtlich Abmessung und Zusammensetzung relativ einfach durchzuführen. Aus dem geringen Energiebedarf für das Aufschmelzen des Festroheisens ergeben sich weitere Vorteile. Der Zeitbedarf für diesen Aufschmelzvorgang des Festroheisens und seine metallurgische Behandlung ist ungefähr vergleichbar mit der Zeit, die heute ein üblicher Frischprozeß benötigt, um aus flüssigem Roheisen im Konverter Stahl zu erzeugen. Dies bedeutet für ein Konverterstahlwerk, daß bei einer Umstellung auf das erfindungsgemäße Verfahren problemlos die normale Taktzeit, beispielsweise vorgegeben durch den Stranggußbetrieb, eingehalten werden kann. So erlaubt das Verfahren nach der Erfindung mit dieser Zweikonvertertechnik zum erstenmal, in vorteilhafter Weise und mit verbesserter Wirtschaftlichkeit Eisenerz an einem Standort zu reduzieren, wo beispielsweise billiges Erdgas zur Verfügung steht, und wie beschrieben Festroheisen zu erzeugen und die Stahlherstellung ohne das Hochofenverfahren in bestehenden Konverterstahlwerken mit festem Roheisen als Einsatzmaterial durchzuführen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht an bestimmte Eisenrohstoffe gebunden. Vielmehr ist es in dieser Hinsicht besonders flexibel, und es läßt sich vorteilhaft an den Einsatz der verschiedenen Eisenrohstoffe anpassen. So können zum Beispiel Eisenerz, vorreduziertes Eisenerz, Eisenschwamm, Eisenpellets, Schredderschrott, Schrott verschiedener Sorten und Abmessungen und selbstverständlich die verschiedenen Mischungen dieser genannten Eisenrohstoffe kontinuierlich durch den Gasraum des Konverters der Eisenschmelze im Konverter zugeführt werden. Es hat sich beispielsweise gegenüber anderen Einschmelzaggregaten als vorteilhaft herausgestellt, Eisenschwamm, also das hochmetallisierte Produkt aus den Direktreduktionsanlagen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuschmelzen. Dieser aus den Direktreduktionsaggregaten gewonnene Eisenrohstoff besteht normalerweise aus etwa 90% metallischem Eisen, ca. 5% oxidischem Eisen und ca. 5% weiteren oxidischen Bestandteilen, die aus der Gangart des Eisenerzes resultieren. Für das Einschmelzen dieses Produktes sind im Elektrolichtbogenofen ca. 700 kWh aufzuwenden, und dieser Wert liegt etwa 30% über dem Energiebedarf für das Schmelzen von handelsüblichem Schrott. Weiterhin wirkt sich der schlechte Wärmeübergang beim Einschmelzen von Eisenschwamm im Elektrolichtbogenofen nachteilig auf die Schmelzleistung aus.

Demgegenüber weist das erfindungsgemäße Verfahren deutliche Vorteile auf. Besonders günstige Verbrauchswerte für das Einschmelzen der Eisenrohstoffe ergeben sich beim Einstellen ungefähr folgender Medienversorgungsraten. Unterhalb der Badoberfläche ist der Schmelze eine Gesamtgasmenge zwischen 10 Nm³/h bis 100 Nm³/h, insbesondere zwischen 20 Nm³/h bis 40 Nm³/h, bezogen auf 1 t Eisen zuzuführen. Die von der Konvertermündung aus aufgeblasene Heißwindmenge liegt bei ca. 500 Nm³/h und t Eisen. Ein vorteilhaft niedriger Kohleverbrauch kann mit einer möglichst hohen Heißwindtemperatur und geringfügiger Sauerstoffanreicherung erreicht werden. So ließen sich für das Einschmelzen von 1 t Eisenschwamm Verbrauchswerte von 90 kg Kohle bei einer Heißwindtemperatur von 1400°C und einer Sauerstoffanreicherung auf 25% erreichen. Zusätzlich zu dieser genannten Kohlerate ist eine Kohlemenge für das Aufkohlen der Eisenschmelze einzuleiten. Bei Kohlesorten mit hohen flüchtigen Anteilen von beispielsweise 20 bis 35% sind unterhalb der Badoberfläche neben dem Fördergas keine weiteren oder nur sehr geringe Mengen von Inertgas und Sauerstoff einzuleiten.

Gemäß der Erfindung sind für die betriebssichere Einstellung des hohen Nachverbrennungsgrades im Konvertergasraum die relativ lange Laufstrecke der Aufblasstrahlen und die Verwendung von erhitzter Luft, mit oder ohne Sauerstoffanreicherung, eine wichtige Voraussetzung. Darüber hinaus ist auf eine genügend hohe Austrittsgeschwindigkeit des Heißwindes aus der Aufblasvorrichtung zu achten. Es sind Strömungsgeschwindigkeiten an den Heißwindaustrittsöffnungen zwischen 300 bis 700 m/sek, vorzugsweise zwischen 300 bis 500 m/sek, anzustreben. In der Praxis hat sich ein Wert von ca. 400 m/sek als günstig herausgestellt. Der Aufblasstrahl ist ungefähr auf das Zentrum der Eisenbadoberfläche gerichtet und trifft dort mit einer Geschwindigkeit zwischen 50 bis 150 m/sek auf. Es gelten die Gesetzmäßigkeiten für einen Freistrahl. Für einen Konverter mit einer Einschmelzkapazität von etwa 100 t Eisenschwamm/h beträgt die Heißluftmenge ca. 50 000 Nm³/h. Diese Heißwindmenge kann über zwei Aufblasrohre mit einem lichten Durchmesser von ca. 30 cm mit einer Heißwindaustrittsgeschwindigkeit von 400 m/sek in den Konverter geblasen werden. Die vorteilhafte Auftreffgeschwindigkeit und Auftrefffläche im Konverter, die ungefähr der halben Schmelzbadoberfläche entspricht, erreicht man bei einer Freistrahllauflänge von etwa 6 m. Für die üblichen Konverterabmessungen bedeutet es, daß die Windaustrittsöffnungen der Aufblasvorrichtungen ca. 1 m oberhalb der Konvertermündung anzuordnen sind. Neben den günstigen strömungstechnischen Bedingungen für den Freistrahl, ergeben sich bei dieser Anordnung der Aufblasrohre soweit oberhalb der Konvertermündung, keine Einschränkungen bei der Drehbeweglichkeit des Konverters. Ebenso ist die Konstruktion der Aufblasvorrichtungen im Abgassystem des Konverters dadurch einfacher.

Es bestehen keine grundsätzlichen Einschränkungen bei der Auswahl und bei der Konstruktion der Aufblasvorrichtungen für den Heißwind. Es kann sowohl eine Dralldüse, wie sie das DE Patent 39 03 705 beschreibt, zum Einsatz kommen als auch übliche Rohre. Dabei können die Austrittsquerschnitte auch unter Berücksichtigung der Einbauverhältnisse beliebige Gestalt annehmen, vom Kreis, Rechteck, Quadrat, Parallelogramm, Vieleck bis hin zu elyptischen Formen. Ebenso liegt die Aufteilung des für die Durchsatzmenge erforderlichen Blasquerschnittes in zwei oder mehrere Aufblasöffnungen im Sinne der Erfindung.

Bei Aufblasvorrichtungen mit kreisförmigem Querschnitt der Austrittsöffnungen können lichte Durchmesser zwischen 10 bis 40 cm vorteilhaft eingesetzt werden. Besonders günstig ist ein Durchmesser von etwa 20 cm.

Bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Einschmelzen von Schrott hat sich kleinstückiger Schrott, insbesondere Schredderschrott unterschiedlicher Herkunft, als besonders vorteilhaft erwiesen. Schrottbrocken bis zu einer Abmessung von ca. 20 cm in der Richtung ihrer größten Ausdehnung können problemlos durch die Konvertermündung chargiert werden und durch den Gasraum in die Schmelze fallen. Die Schredderschrottstücke, einschließlich ihrer Verunreinigungen, verhalten sich aufgrund ihres Gewicht/Oberflächenverhältnisses günstig beim Einschmelzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Zusätzlich verbrennen die Verunreinigungen vollständig, und die entstehenden Gase werden im heißen Gasraum des Konverters umgesetzt und stellen somit keine Belastung für die Umwelt dar. Durch die kontinuierliche Zugabe des Schrottes entstehen auch keine Abgase und Rauchentwicklungen, wie sie z. B. beim üblichen Schrottchargieren in einem Konverterstahlwerk nicht restlos zu vermeiden sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit auch besonders umweltfreundlich.

Beim Einschmelzen von Schredderschrott lassen sich unter den vorteilhaften Bedingungen, wie sie für das Einschmelzen von Eisenschwamm genannt worden sind, vergleichbar günstige Verbrauchszahlen erzielen. Es ist im Mittel ein Nachverbrennungsgrad von 65% mit einem thermischen Wirkungsgrad von 90% zu erreichen, und damit genügen ca. 100 kg Kohle, um 1 t Eisen einzuschmelzen.

Die Erfindung wird nun anhand einer schematischen Zeichnung und an nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch einen Konverter, einschließlich der Unterbaddüsen und der Aufblasvorrichtungen, in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Konverter zu erkennen mit dem äußeren Stahlblechmantel 1 und der inneren feuerfesten Ausmauerung 2. In diesem Konverter befindet sich die Eisenschmelze 3 mit der Schlackenschicht 4. Über die Bodendüsen 5 führt man der Schmelze die Medien und gemahlenen, festen Einsatzstoffe zu. Es handelt sich um übliche OBM-Düsen aus zwei konzentrischen Rohren, wobei das Zentralrohr dem Stofftransport dient und durch den Ringspalt zum Schutz der Düsen gegen vorzeitiges Zurückbrennen gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe strömen.

Über die Aufblasvorrichtungen 6 werden die maximal 50% sauerstoffenthaltenden, vorgeheizten, oxidierenden Gase durch den Konvertergasraum 7 auf die Badoberfläche der Schmelze geblasen. Die Öffnung 8 nahe der Konvertermündung 10 dient für die Zugabe der stückigen Eisenrohstoffe 11, die mit der Transporteinrichtung 9 zu dem Einlaufstutzen mit der Öffnung 8 gelangen.

Wie bereits zuvor beschrieben, besteht für die Aufblasvorrichtungen 6 ein erheblicher Gestaltungsspielraum. Sowohl hinsichtlich der Anzahl als auch bei der geometrischen Form und der Anordnung. In Fig. 1 sind zwei Aufblasvorrichtungen mit unterschiedlichem Neigungswinkel gezeigt, die mit dem Zentralkegel ihrer Aufblasstrahlen auf das Zentrum der Badoberfläche treffen und ungefähr eine Fläche, die mindestens der halben lichten Querschnittsfläche des Konverters entspricht, bestreichen. Selbstverständlich kann die Aufblasgasmenge auch auf mehr als zwei, beispielsweise vier, Aufblasvorrichtungen aufgeteilt werden. Diese können zum Beispiel auf einem Kreisringsegment der Konvertermündung 10 liegen und einen Abstand zum Mündungsrand aufweisen. Zum Beispiel für einen Konverter mit 60 t Abstichgewicht weisen vier Aufblasvorrichtungen einen lichten Durchmesser von 15 cm auf, sind 30 cm vom Rand der Konvertermündung entfernt auf einem Kreisringsegment gleichmäßig angeordnet und haben untereinander einen Abstand von 40 cm.

Im Gasraum 7 des Konverters wirken die Aufblasstrahlen des Heißwindes aus den Aufblasvorrichtungen 6. Durch diese Aufblasstrahlkegel fallen die Eisenrohstoffe 11, und zusätzlich sind noch Spritzer der Schmelze, angedeutet durch die Punkte 12, im Gasraum des Konverters. Das Zusammenwirken der verschiedenen Feststoff- und Medienzugabetechniken gemäß der Erfindung, mit den Spritz- und Gasströmungsphänomenen im Konvertergasraum, ergibt schließlich den stabilen hohen Nachverbrennungsgrad von im Mittel 65% und den hohen Wärmeübertragungsgrad von 90% an die Schmelze. Insbesondere durch den günstigen Wärmeübertragungsgrad stellt sich nur ein geringer Temperaturanstieg des Abgases ein, das über die Konverteröffnung 10 den Gasraum des Konverters verläßt und durch den Kamin 13 in die Gasreinigungsanlage gelangt. Die Abgastemperaturerhöhung liegt in der Größenordnung von 100°C und führt zu keinem voreilenden Verschleiß der Konverterausmauerung 2 im Gasraum bzw. oberen Konus des Gefäßes.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einschmelzen von feinstückigem Schrott, beispielsweise Schredderschrott, beträgt das Gewicht der Anfangseisenschmelze 20 t, und dieses Gewicht erhöht sich während der Produktionsphase auf 80 t, von dem dann eine Teilmenge von 60 t nach der Produktionsphase aus dem Konverter abgestochen wird. Der Eisenschmelze führt man über zwei Bodendüsen 5 mit einem Innendurchmesser des Zentralrohres von 18 mm, 6 t Kohle/h zu. Die aufgeblasene Heißwindmenge beträgt 40 000 Nm³/h. Dafür ist bei einer Aufblasvorrichtung der lichte Durchmesser 35 cm. Die sich daraus ergebende Querschnittsfläche läßt sich selbstverständlich auch auf mehrere Heißwindzugabevorrichtungen aufteilen, wie zuvor beschrieben. Der Heißwind weist eine mittlere Tempratur von 1300°C auf, die ungefähr zwischen 1200 bis 1400°C schwankt.

Wie aus dieser Beschreibung der Erfindung zu ersehen, zeichnet sich das Verfahren durch hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit aus. Es ist betriebssicher und aufgrund seiner guten Reproduzierbarkeit für eine rechnergesteuerte Durchführung geeignet. Durch das erfindungsgemäße Konverterverfahren zur Produktion von Eisen ist es in sehr vorteilhafter Weise und wirtschaftlich gelungen, Festroheisen an einem dafür besonders geeigneten Ort zu produzieren und aus diesem Festroheisen in vorhandenen, bekannten Stahlwerken kostengünstig Stahl zu erzeugen. Es liegt im Sinne der Erfindung, unter Zugrundelegung seiner wesentlichen Merkmale, den Prozeß der Eisen- und Stahlherstellung den Bedingungen in den verschiedenen Werken auf günstige Weise anzupassen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Produktion von Eisen aus Eisenrohstoffen in einem Konverter, in dem sich eine Anfangseisenschmelze befindet, in die während der Produktionsphase mindestens Brennstoffe, sauerstoffenthaltende Gase und Eisenrohstoffe eingeführt werden, und die Reaktionsgase oberhalb der Schmelze im Gasraum des Konverters mit oxidierenden Gasen nachverbrannt werden und die dabei entstehende Wärme an das Eisenbad übertragen wird, und nach der Produktionsphase eine Teilmenge der Eisenschmelze abgestochen wird und eine nächste Anfangseisenschmelze für die nächste Produktionsphase im Konverter verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der Anfangseisenschmelze zwischen 10% und 60% bezogen auf das Gewicht der im Konverter nach der Produktionsphase und vor dem Abstich der Teilmenge vorhandenen Eisenschmelze beträgt, und daß während der Produktionsphase durch den Gasraum des Konverters die Eisenrohstoffe kontinuierlich der Eisenschmelze zugeführt werden und gleichzeitig kontinuierlich sauerstoffenthaltende Gase, die höchstens 50% Sauerstoff enthalten, auf die Oberfläche der Schmelze geblasen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anfangseisenschmelze für die anschließende Produktionsphase 10% bis 60% des Gewichtes der Eisenschmelze nach der Produktionsphase im Konverter verbleiben und der andere Teil der Eisenschmelze zwischen 40% bis 90% aus dem Konverter abgestochen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Produktionsphase von Eisen im Konvertergasraum ein Nachverbrennungsgrad für die Reaktionsgase zwischen 50% bis 75%, vorzugsweise zwischen 60% bis 70% und insbesondere im Mittel von 65%, und ein Wirkungsgrad für die Wärmeübertragung an die Eisenschmelze von ca. 90% eingestellt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Heißwind mit oder ohne Sauerstoffanreicherung durch den Gasraum des Konverters auf die Badoberfläche der Schmelze im Konverter geblasen wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Heißwind mit einer Temperatur von ca. 1400°C und einer Sauerstoffanreicherung von ca. 25% durch die Konvertermündung auf die Badoberfläche der Eisenschmelze im Konverter geblasen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Nachverbrennung der Reaktionsgase die stückigen Eisenrohstoffe den Gasraum des Konverters durchdringen und auf diese Weise der Eisenschmelze im Konverter zu­ geführt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase durch Aufblasvorrichtungen nahe der Konvertermündung von innerhalb des Konverters und/oder durch die Konverteröffnung von außerhalb des Konverters angeordneten Aufblasvorrichtungen auf die Schmelze im Konverter geblasen werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Konverter flüssiges Eisen mit einem Koh­ lenstoffgehalt von ca. 0,2 bis ca. 4,2%, vorzugsweise zwischen 2,5% bis 3,5%, erzeugt und portionsweise aus dem Konverter abgestochen wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Badoberfläche in die Eisenschmelze Schlackenbildner, hauptsächlich Feinkalk, mit einem Trägergas eingeleitet werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte flüssige Eisen entweder mit Zwischenabkühlung zu Fest-Roheisen in den üblichen Handelsformen oder in gleicher Hitze flüssig in einem anderen Konverter zu Stahl gefrischt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenrohstoffe kontinuierlich durch den Gasraum des Konverters fallen und auf diese Weise Eisenerz, vorredu­ ziertes Eisenerz, Eisenschwamm, Eisenpellets, Schredderschrott, verschiedene Sorten und Abmessungen von Schrott, entweder einzeln oder beliebige Mischungen dieser genannten Eisenrohstoffe der Schmelze im Konverter zugeführt werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die unterhalb der Eisenbadoberfläche einge­ leitete Gasrate zwischen 10 bis 100 Nm³/h, vorzugsweise 20 bis 40 Nm³/h, bezogen auf 1 t Eisen, eingestellt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierenden Gase mit einer Geschwindig­ keit von 300 bis 700 m/sek, vorzugsweise 300 bis 500 m/sek, in den Konverter geblasen werden und ungefähr mit einer Zentralgeschwindigkeit des Aufblasstrahles von 50 bis 150 m/sek auf die Badoberfläche im Konverter auftreffen.