DE102022132960A1 - Verfahren zum Herstellen einer Eisenschmelze und Flüssigschlacke in einem elektrischen Einschmelzer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze (1) und Flüssigschlacke (2) in einem elektrischen Einschmelzer (10) mit mindestens zwei Elektroden (11).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze und Flüssigschlacke in einem elektrischen Einschmelzer.
- Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Eisenschmelzen und Flüssigschlacken in elektrischen Einschmelzern sind Stand der Technik, vgl. u.a.
US 3 385 494 . - Ein Verfahren zum Herstellen einer Eisenschmelze, welche während des Schmelzprozesses in einem elektrischen Einschmelzer mittels kohlenstoffhaltigen Stoffen aufgekohlt wird, ist beispielhaft in der
DE 10 2022 118 640.7 - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Verfahren derart weiterzuentwickeln, welches einfach umgesetzt werden kann und insbesondere eine optimale Schmelzleistung des elektrischen Einschmelzers gewährleisten kann.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterführende Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze und einer Flüssigschlacke in einem elektrischen Einschmelzer mit mindestens zwei Elektroden umfassend die Schritte: - Beschicken des Einschmelzers mit eisenhaltigen Stoffen, kohlenstoffhaltigen Stoffen und Schlackenbildnern über mehrere Beschickungsstellen; - Erschmelzen der eisenhaltigen Stoffe, kohlenstoffhaltigen Stoffe und Schlackenbildner zur Erzeugung einer Eisenschmelze und einer auf der Eisenschmelze angeordneten Flüssigschlacke; - Abstechen der Flüssigschlacke und der Eisenschmelze; wobei das Beschicken der kohlenstoffhaltigen Stoffe in mehreren Sequenzen und pro Sequenz nur über einen Teil der Beschickungsstellen erfolgt, wobei sich während des Beschickens Schüttkegel unterhalb der Beschickungsstellen ausbilden, so dass während des Erschmelzens der pro Sequenz beschickten kohlenstoffhaltigen Stoffe nicht alle Elektroden mit dem oder den Schüttkegeln in Kontakt gebracht werden.
- Zum Erschmelzen der beschickten Feststoffe verfügt der elektrische Einschmelzer über mindestens zwei Elektroden, welche mit elektrischem Strom beaufschlagt werden und damit die erforderliche Energie bereitgestellt wird, um die Feststoffe in Eisenschmelze und Flüssigschlacke zu überführen. Je nach Größe/Dimension des elektrischen Einschmelzers können auch mehrere Elektroden eingesetzt werden, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs.
- Wenn die Elektroden während des Erschmelzens bzw. Schmelzbetriebs in der Eisenschmelze oder Flüssigschlacke oder mit Abstand darüber, um einen Lichtbogen zu zünden, positioniert sind, können der Widerstand und damit auch der Wärmeeintrag erhöht werden. Ein hoher Wärmeeintrag ist zu bevorzugen, um eine optimale Schmelzleistung des elektrischen Einschmelzers zu erreichen. Die Erfinder haben festgestellt, dass diese Verfahrensweise nicht genügt, um eine optimale Aufkohlung der Eisenschmelze bei konventionellem Beschicken mit kohlenstoffhaltigen Stoffen zu bewirken.
- Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass mindestens eine Elektrode mit dem Schüttkegel, welcher kohlenstoffhaltige Stoffe enthält oder daraus besteht, in Kontakt steht respektive von diesem umgeben ist bzw. in diesen eingetaucht ist. Damit kann eine optimale Aufkohlung erfolgen, da sich der Kohlenstoff in den kohlenstoffhaltigen Stoffen des Schüttkegels oder im Schüttkegel direkt durch Kontakt mit der Elektrode bei hohen Temperaturen in der Eisenschmelze lösen können. Mindestens eine der übrigen Elektroden ist in der Eisenschmelze oder Flüssigschlacke eingetaucht oder bildet über der Flüssigschlacke einen Lichtbogen, wobei dadurch nicht alle Elektroden den(selben) Schüttkegel berühren (dürfen).
- Die Elektrode oder Elektroden, welche mit dem oder den Schüttkegeln in Kontakt steht oder stehen, wird oder werden gemäß einer Ausführungsform oberhalb der Eisenschmelze oder Flüssigschlacke positioniert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Energie, welche über die (jeweiligen) Elektrode(n) durch Strombeaufschlagung bereitgestellt wird, zum Schmelzen der kohlenstoffhaltigen Stoffe im oder in den Schüttkegel verwendet wird.
- Die Elektrode oder Elektroden, welche nicht dem oder den Schüttkegeln in Kontakt steht oder stehen, wird oder werden gemäß einer Ausführungsform in der Eisenschmelze oder Flüssigschlacke oder weniger als 150 cm, insbesondere weniger als 120 cm, vorzugsweise weniger als 100 cm oberhalb der Eisenschmelze oder Flüssigschlacke positioniert. Hierdurch wird der notwendige Widerstand erzielt, um einen optimalen Schmelzbetrieb mit optimaler Schmelzleistung sicherstellen zu können. Ist die Strombeaufschlagung respektive der Stromfluss zu hoch und damit die Widerstandserwärmung zu gering, kann mindestens eine der Elektroden angehoben, welche beispielsweise in der Eisenschmelze oder in der Flüssigschlacke eingetaucht respektive positioniert ist, sodass sich ein Lichtbogen bildet. Je höher der Abstand zwischen Elektrode und Eisenschmelze oder Flüssigschlacke, welcher bis zu 150 cm, insbesondere bis zu 120 cm, vorzugsweise bis zu 100 cm betragen kann, desto höher ist der elektrische Widerstand. Der Fachmann weiß, wie er den Abstand optimal ermittelt respektive wählt, um einen stabilen Lichtbogen ausbilden zu können. Der Abstand kann beispielsweise beim Gleichstrombetrieb höher sein im Vergleich zum Wechselstrombetrieb gewählt werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Beschicken pro Sequenz derart durchgeführt, dass mindestens eine Schicht aus kohlenstoffhaltigen Stoffen und mindestens eine Schicht aus eisenhaltigen Stoffen auf der Flüssigschlacke oder Eisenschmelze als Schüttkegel aufgetragen werden. Damit kann eine optimale Aufkohlung erfolgen, da sich durch den direkten Kontakt mit der Elektrode und der resultierenden hohen Temperaturen der Kohlenstoff in den kohlenstoffhaltigen Stoffen direkt im geschmolzenen Eisen lösen kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Beschicken pro Sequenz und die Positionierung der Schüttkegel und/oder die Positionierung der Elektroden visuell mittels mindestens einer Kamera überwacht. Damit kann gewährleistet werden, dass die Elektrode oder Elektroden, welche mit den kohlenstoffhaltigen Stoffen in Kontakt steht oder stehen, richtig positioniert ist oder sind.
- Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform kann das Beschicken pro Sequenz und die Positionierung der Schüttkegel und/oder die Positionierung der Elektroden mittels mindestens eines Pyrometers überwacht werden. Das oder die Pyrometer erfassen die von dem Schüttkegel und/oder der Flüssigschlacke oder der Eisenschmelze abgestrahlte elektromagnetische Strahlung, welche zur Temperatur des Schüttkegels und/oder der Flüssigschlacke oder der Eisenschmelze proportional ist, was zur Regelung der Beschickung und /oder Positionierung beisteuern kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Elektroden individuell mittels Strom beaufschlagt werden. Das bedeutet, dass die Höhe des Stromflusses abhängig von der Positionierung der Elektroden, ob ein Kontakt mit dem Schüttkegel vorliegt oder in der Eisenschmelze oder Flüssigschlacke eingetaucht ist oder darüber (oberhalb) abgeordnet ist, bedarfsgerecht eingestellt werden kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wechselt das Beschicken der kohlenstoffhaltigen Stoffe pro Sequenz derart, dass abhängig von der Sequenz jede Elektrode temporär in Kontakt mit einem Schüttkegel steht oder in der Eisenschmelze oder Flüssigschlacke eingetaucht oder darüber (oberhalb) mit einem Abstand bis zu 150 cm, insbesondere bis zu 120 cm, vorzugsweise bis zu 100 cm positioniert ist. Dadurch wechselt lokal der Bereich zur Aufkohlung bei gleichzeitig stetig genügend hohem elektrischen Widerstand. Dadurch wird vorzugsweise eine homogene Aufkohlung innerhalb der Eisenschmelze generiert. Bevorzugt erfolgt das wechselnde Beschicken kurz vor dem Abstechen, wobei es eine Anhebung des Kohlenstoffgehaltes der Eisenschmelze in einen gewünschten Zielbereich ermöglicht. Durch die flexible Elektrodenführung kann zudem eine optimierte Badbewegung erzielt werden, die wiederrum eine verbesserte Durchmischung der Eisenschmelze bewirken kann.
- Der elektrische Einschmelzer ist bevorzugt ein Ofen der Gattung OSBF (Open Slag Bath Furnace). Hierzu zählen Elektroreduktionsöfen, vor allem SAF (Submerged Electric Arc Furnace), welche Schmelzöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung sind, die Lichtbögen zwischen der Elektrode und der Feststoff und/oder der Schlacke bilden oder welche den Feststoff und/oder die Schlacke mittels Joule-Effekt erwärmen. Beim SAF ist die Elektrode (bzw. sind die Elektroden, wenn mehrere vorhanden sind) in den Feststoffen und/oder Flüssigschlacke eingetaucht. Je nach Funktionsprinzip/Betriebsweise können die Elektroreduktionsöfen als Wechselstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFac) oder Gleichstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFdc) ausgeführt sein. Alternativ können auch Schmelzöfen mit direkter Lichtbogeneinwirkung, welche vom oben beschriebenen Funktionsprinzip/Betriebsweise abweichen, sogenannte EAF (Electric Arc Furnace) zum Einsatz kommen, welche Lichtbögen zwischen der Elektrode und dem Metall bilden. Dies umfasst den Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFac), den Gleichstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFdc) und den Pfannenofen LF (Ladle Furnace).
- Besonders bevorzugt wird das Verfahren in einer reduzierenden Atmosphäre betrieben.
- Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.
- In
1 wird die Erfindung am Beispiel eines elektrischen Einschmelzers (10) mit mindestens zwei Elektroden (11) in einer schematischen Seitenaufsicht erläutert. Der elektrische Einschmelzer (10) umfasst ein Gefäß (15), in welches eisenhaltige Stoffe, kohlenstoffhaltige Stoffe und Schlackenbildner über mehrere Beschickungsstellen (12) beschickt wird. Es erfolgt ein Erschmelzen der eisenhaltigen Stoffe, kohlenstoffhaltige Stoffe und Schlackenbildner zur Erzeugung einer Eisenschmelze (1) und einer auf der Eisenschmelze (1) angeordneten Flüssigschlacke (2). Das Beschicken der kohlenstoffhaltigen Stoffe erfolgt in mehreren Sequenzen und pro Sequenz nur über einen Teil der Beschickungsstellen (12). Über diese Art der Beschickung der kohlenstoffhaltigen Stoffe wird erreicht, dass während des Erschmelzens der pro Sequenz beschickten kohlenstoffhaltigen Stoffe nicht alle Elektroden (11) mit den kohlenstoffhaltigen Stoffen in Kontakt gebracht werden. In der1 ist gut zu erkennen, dass in diesem Beispiel nur eine der Elektroden (11), die rechte Elektrode (11), welche mit den pro Sequenz beschickten kohlenstoffhaltigen Stoffen in Kontakt steht, innerhalb des Schüttkegels (17) oder derart oberhalb der Flüssigschlacke (2) positioniert wird, dass sich der Schüttkegel (17) während des Beschickens um die Elektrode (11) anhäuft. Die anderen beiden Elektroden (11) sind weniger als 150 cm oberhalb der Flüssigschlacke (2), mittlere Elektrode (11) in1 , und in der Flüssigschlacke (2), linke Elektrode (11) in1 , positioniert. Es ist auch denkbar, die beiden Elektroden (11), welche nicht mit den pro Sequenz beschickten kohlenstoffhaltigen Stoffen in Kontakt stehen, entweder in der Flüssigschlacke (2) oder weniger als 150 cm oberhalb der Flüssigschlacke (2) zu positionieren. - Mindestens zwei, in diesem Ausführungsbeispiel sind es drei Elektroden (11), liefern die erforderliche Energie zum Erschmelzen. Dabei kann die Positionierung der Elektrode (11) vertikal eingestellt werden, s. Doppelpfeile. Wesentlich ist, um eine zuverlässige Aufkohlung der Eisenschmelze (1) über das Beschicken der kohlenstoffhaltigen Stoffe zu erhalten, dass während des Erschmelzens der pro Sequenz beschickten kohlenstoffhaltigen Stoffe nicht alle Elektroden (11) mit den kohlenstoffhaltigen Stoffen im Schüttkegel (17) in Kontakt gebracht werden. Nicht dargestellt ist, dass das Beschicken pro Sequenz und die Positionierung der Schüttkegel (17) und/oder der Elektroden (11) mittels mindestens eines nicht dargestellten Pyrometers und/oder visuell mittels mindestens einer nicht dargestellten Kamera überwacht wird. Das Beschicken pro Sequenz kann insbesondere derart durchgeführt wird, dass mindestens eine Schicht (17.1) aus kohlenstoffhaltigen Stoffen und mindestens eine Schicht (17.2) aus eisenhaltigen Stoffen auf der Flüssigschlacke (2) oder Eisenschmelze (1) als Schüttkegel (17) aufgetragen werden. Alternativ können die eisenhaltigen und kohlenstoffhaltigen Stoffe gemischt, quasi als Mischung, auf der Flüssigschlacke (2) oder Eisenschmelze (1) als Schüttkegel (17) aufgetragen werden.
- Der elektrische Einschmelzer (10) kann einen Deckel (16) umfassen, welcher das Gefäß (15) nach oben verschließen kann und somit innerhalb des elektrischen Einschmelzers (10) eine definierte bzw. gezielte, vorzugsweise reduzierende Atmosphäre eingestellt werden kann. Der Deckel (16) kann im Wesentlichen vertikal verfahrbar angeordnet sein, s. Doppelpfeil. Ist ein Deckel (16) vorhanden, so sind die Beschickungsstellen (12) Öffnungen in dem Deckel (16) mit entsprechenden Zufuhrleitungen. Über nicht dargestellte Mittel können die erforderlichen eisenhaltigen Stoffe, kohlenstoffhaltigen Stoffe und Schlackenbildner zugeführt werden. Im Gefäß (15) ergeben sich nach dem Beschicken unterhalb der Beschickungsstellen (12) sogenannte Schüttkegel (17). Die eisenhaltigen Stoffe bestehen oder umfassen vorzugsweise Eisenschwamm. Zusätzlich können auch weitere eisenhaltige Stoffe, wie zum Beispiel eisenhaltiger Schrott, um beispielsweise die Recyclingrate zu erhöhen, zugeführt werden. Die Schlackenbildner, beispielsweise Kalk, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid werden zugemischt, insbesondere wenn die sogenannte Gangart des vorzugsweise eingesetzten Eisenschwamms nicht ausreicht, um in Abhängigkeit davon, die gewünschte Basizität der abzustechenden Flüssigschlacke (2) einstellen zu können. Die Einstellung der gewünschten Basizität durch entsprechende Mischung/Zugabe an Schlackenbildner ist dem Fachmann geläufig. Die eingebrachte Menge an Feststoffen bemisst sich nach der gewünschten Ausbringung der Eisenschmelze.
- Der elektrische Einschmelzer (10) ist vorzugsweise ein OSBF, welcher zum Erschmelzen elektrische Energie benötigt, welche vorzugsweise aus regenerativer Energie (Sonne, Wind, Wasser) erzeugt werden kann, um beispielsweise die CO2-Bilanz des Schmelzprozesses senken zu können. Sind die beschickten Feststoffe vollständig erschmolzen und insbesondere die Vorgaben an die Eisenschmelze (1) und Flüssigschlacke (2) erfüllt, sind in dem Gefäß Eisenschmelze (1) und auf der Eisenschmelze (1) Flüssigschlacke (2) angeordnet und bereit zum Abstechen.
- Ein Abstechen der Flüssigschlacke (2) erfolgt über beispielsweise eine Abstichstelle (13) und ein Abstechen der Eisenschmelze (1) über eine Abstichstelle (14) im Gefäß (15).
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2 zeigt eine schematische Aufsicht auf den elektrischen Einschmelzer (10) respektive Deckel (16) am Beispiel der Ausführung in1 . Die drei Elektroden (11) sind relativ zentral angeordnet und die Beschickungsstellen (12) verteilen sich lokal im radialen Abstand zu den Elektroden (11). Beispielhaft sind sechs Beschickungsstellen (12) in 60°-Abschnitten kreisförmig um die Elektroden (11) angeordnet. - Nicht dargestellt, können im Gefäß (15) Düsen, insbesondere im Boden des Gefäßes (15), zur Beeinflussung der Bewegung der Eisenschmelze (1) angeordnet sein. Der elektrische Einschmelzer (10) kann auch schwenkbar gelagert sein, um ein Kippen und somit ein Abstechen von Flüssigschlacke (2) in die eine und Eisenschmelze (1) in die andere Richtung zu ermöglichen. Das Betreiben von elektrischen Einschmelzern (10) ist dem Fachmann ebenfalls geläufig.
- Ebenfalls nicht dargestellt ist, wie die Eisenschmelze (1) entnommen und einem Weiterverarbeitungsschritt zugeführt wird. Bevorzugt wird die Eisenschmelze (1) einem Behandeln zugeführt, um den Kohlenstoff in der Eisenschmelze (1) auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren. Dies erfolgt beispielsweise mittels Sauerstoff in einem sogenannten Sauerstoffblasprozess, besonders bevorzugt in einem Konverter. Auch die abgestochene Flüssigschmelze (2) wird vorzugsweise einer Granulation zugeführt, um Schlacke insbesondere für die Bauindustrie zu erzeugen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 3385494 [0002]
- DE 1020221186407 [0003]
Claims (8)
- Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze (1) und einer Flüssigschlacke (2) in einem elektrischen Einschmelzer (10) mit mindestens zwei Elektroden (11) umfassend die Schritte: - Beschicken des Einschmelzers (10) mit eisenhaltigen Stoffen, kohlenstoffhaltigen Stoffen und Schlackenbildnern über mehrere Beschickungsstellen (12); - Erschmelzen der eisenhaltigen Stoffe, kohlenstoffhaltigen Stoffe und Schlackenbildner zur Erzeugung einer Eisenschmelze (1) und einer auf der Eisenschmelze (1) angeordneten Flüssigschlacke (2); - Abstechen der Flüssigschlacke (2) und der Eisenschmelze (1); dadurch gekennzeichnet, dass das Beschicken der kohlenstoffhaltigen Stoffe in mehreren Sequenzen und pro Sequenz nur über einen Teil der Beschickungsstellen (12) erfolgt, wobei sich während des Beschickens Schüttkegel (17) unterhalb der Beschickungsstellen (12) ausbilden, so dass während des Erschmelzens der pro Sequenz beschickten kohlenstoffhaltigen Stoffe nicht alle Elektroden (11) mit dem oder den Schüttkegeln (17) in Kontakt gebracht werden.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , wobei die Elektrode (11) oder Elektroden (11), welche mit dem oder den Schüttkegeln (17) in Kontakt steht oder stehen, oberhalb der Eisenschmelze (1) oder Flüssigschlacke (2) positioniert wird oder werden. - Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Elektrode (11) oder Elektroden (11), welche nicht dem oder den Schüttkegeln (17) in Kontakt steht oder stehen, in der Eisenschmelze (1) oder Flüssigschlacke (2) positioniert wird oder werden oder weniger als 150 cm oberhalb der Eisenschmelze (1) oder Flüssigschlacke (2) positioniert wird oder werden.
- Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Beschicken pro Sequenz derart durchgeführt wird, dass mindestens eine Schicht (17.1) aus kohlenstoffhaltigen Stoffen und mindestens eine Schicht (17.2) aus eisenhaltigen Stoffen auf der Flüssigschlacke (2) oder Eisenschmelze (1) als Schüttkegel (17) aufgetragen werden.
- Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Beschicken pro Sequenz und die Positionierung der Schüttkegel (17) und/oder der Elektroden (11) visuell mittels mindestens einer Kamera überwacht wird.
- Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Beschicken pro Sequenz und die Positionierung der Schüttkegel (17) und/oder der Elektroden (11) mittels mindestens eines Pyrometers überwacht wird.
- Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei können die Elektroden (11) individuell mittels Strom beaufschlagt werden.
- Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Beschicken der kohlenstoffhaltigen Stoffe pro Sequenz derart wechselt, dass abhängig von der Sequenz jede Elektrode (11) temporär in Kontakt mit einem Schüttkegel (17) steht oder in der Eisenschmelze (1) oder Flüssigschlacke (2) eingetaucht oder darüber mit einem Abstand bis zu 150 cm positioniert ist.
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