DE1932048A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von einsenhaltigem Schrott - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

Dlpl.-lng. El DEN EIER I 9 J äJJ 4-8

Dipl.-Chem. Dr. R U FF Dipl.-Ing. J. B EIE R

7 STUTTGART 1 Neckarstraße 5O Telefon 2945O7

23· Juni 1969 R/Lb

Anmelderin: Columbia Gas System
Service Corporation

1SO East 4-1st Street. ITew York, Ν·Υ. / USA

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Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von eisenhaltigem Schrott

Sie Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von oder Stahl und insbesondere auf die umwandlung von Eisen- und Stahl-Schrott in wieder verwendungsfShige Formen»

Es steht immer mehr Schrott zur Aufbereitung in Stahl zur Verfügung und die verwendeten Mengen halten nicht Schritt mit den Mengen» die zur Verfügung stehen· Dies liegt zum großen Seil an der Zunahme der Stahlherstellung mit Hilfe von Sauerstoff nach, dem "basischen Sauerstoffverfahren" (Basic Oxygen Process) und der Sauerstoffeinbringung in die of fene Feuerungsanlage mit Sauerstofflanzen» Der Hauptgrund hierfür

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ist, daß der Gebrauch von Sauerstoff sowohl im offenen Herd als auch im basischen Brennofen Si© Seit sux· Erzeugung der für den Stahl benötigten Hitze beteaelitlieh verringert hat ο Diese Verfahren stützen, sich auf die Verbrennung von aufgelösten Beimengungen wie Kohlenstoff, Silizium, Hangen usw. im heißen Hochofenmetall, um die nötige Hitze zu erzeugen· Daher verlegte man sieh mehr auf die Roheisen- und Hochofen-Herstellung und de® Gebrauch von Schrott, der gewöhnlich relativ arm an diesen oxydierbaren Beimengungen ist, wurde weniger Bedeutung zugemessen. Dies trifft besonders auf das basische Sauerstoff-Verfahren (BOF) zu, bei dem sich das Verhältnis von flüssigem Roheisen zu kaltem Schrottmaterial noraalerweise zwischen 75 zu 25 oder 70 zu 30 bewegt· Dies bedeutete, daß solche Stahlwerke zwar ihr selbst erzeugtes Schrottmaterial aber wenig zusätzlichen fremden Sehrott verwenden.

Bisher wurde mit verschiedenen Verfahrens die B enthaltende Gase in direktem Kontakt mit dem flüssigen Eisen verwenden, gearbeitet· Die ältesten waren die Bessemer- und Sßhomas-Eonverterj die Is2£t als Verbrennungsmittel benutzen« Im modernen StahlherstellungsverfahreiL haben jedoch die Bessemer- und Shomaa-^nvertenrerfahren infolge der StickstoffsprÖdigkeit des so hergestellten Stahls an Bedeutung verloren· Das Einblasen vom reinem Sauerstoff vom Boden oder von der Seite war in einem Bessemer- oder Shomas-Eonvert©? wegen der außerordentlich hohen Temperaturen an den Stellen, an denen Sauerstoff eingebracht wurde, nicht praktisch» Diese starken Hitzestauungen traten in dem Metallbad und in den Gebieten Wo&e dem Bad dort auf, wo Kohlenstoffmonosjd zu &bMensfef£äi©3iy& unter

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starker tföreefreigabe oxidiert. Sie Entwicklung des basischen Saiieratoffverfahxeins (BOP) oder ED-Verfahrens ergab eine erfolgreiche üechnik zur Einführung des reinen Sauerstoff es, indem pan ihn direkt auf die geschmolzene Hasse des Eigene aufbringt« Badurch wird außerordentlicher Verschleiß von feuerfestes Material vermieden, der bei Konvertern, in die vom Boden aus Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft eingeblasen wird, festgestellt wird· In ähnlicher Weise ist es nun üblich, reinen Sauerstoff in offene Herde eimrafühxen, indem man diesen von oben auf das Bad aufblast. Auch wird sauerstoffreiche luft in Kopf brennern dazu benutzt, um höhere Temperaturen zu erhalten und um die wärmeübertragung in das Stahlbad zu erhShen. Dies hat zu einer Texxingerung der Heizzeit in ■ den offenen Feuerungsanlagen geführt, aber es ermöglicht nicht einen vermehrten Gebrauch von Schrott im Vergleich zu» bisherigen Arbeiten alt offenem Herd mit einem typischen Anteil von 50 % Sehrott und 50 % Metall.

Es besteht ein Bedürfnis» durch eine wirtschaftlich durchführbare Methode Stahl aus Schrott herstellen zu können, und dadurch diesen großen nur teilweise verwerteten Hachachub von metallischem Eisen anzugehen· Verschiedene solche Methoden wurden vorgeschlagen. Eine dieser Methoden ist ein abgeändertes Konverterverfahren, genannt "Kaldo Sauerstoff Stahlherstelluxigs-Yerfahren", das den Vorteil hat, daß mit 50 % Schrott und 50 % lohmetall gearbeitet werden kann· Dieses Verfahren, hat jedoch gewisse Kachteile· Einer davon ist der hohe Verbrauch von feuerbeständigen Materialien in dem rotierenden Behälter, in dem das Verfahren ausgeführt wird· Eine andere vorgeschlagene Methode, um eine stärkere Verwendung van Schrott im basischen Sauerstoff of en zu erreichen, 1st alt dem Zusatz von relativ

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teuren Brennstoff additiven, wie Calciumcarbid, Ferrosilizium, Siliziumcarbid usw«, verbunden. Diese Abwandlung des BOP-Verfahrens wird (jedoch aufgrund der hohen Kosten dieser Zusätze nicht oft benutzt«

Eine andere Methode, einen höheren Anteil von Schrottmaterial, bezogen auf das Roheisen, zu erhalten, ist das sogenannte "Doppelschmelzraum-Verfahren" (dual hearth), bei dem der F Schmeizraum des offenen Herdes in zwei Sektionen geteilt ist. Die Sektionen werden abwechselnd befeuert· Während in der einen Sektion eine Stahlschmelze aufbereitet wird, werden die heißen Abgase über den Schrott in der anderen Sektion geleitet, schmelzen diesen und bereiten ihn zur Beimengung von Roheisen und zur Raffinierung vor· Der Zweck dieser Methode ist, die Verwendung von Schrott im offenen Herd zu steigern, ohne die längeren Heizperioden zu benotigen, die bei dem normalen offenen Herdverfahren mit Anteilen von 30 % Rohmetall und 50 % Schrott typisch ' sind·

. Versuche wurden auch gemacht, ein Stahlherstellungsverfahren " zu entwickeln, unter Vorheizen und Schmelzen von Sehrott in Schacht- oder Kupolofen* Zwar kann Schrott.in Schachtöfen oder ähnlichen Vorrichtungen vorgeheizt werden, doch kann gleichzeitig mit diesem Vorheizen eine Oxydation eintreten und nahe beim Schmelzpunkt sehr schnell werden· Dies verlangt den Gebrauch von Gasen, die stark reduzierend sind· Wegen dieses Problems der Oxydation, zusammen mit einer Brückenbildung und Verstopfung ia Schacht ist es gewöhnlich notwendig, entweder Koks oder Roheisen als feil der Xupol-Beschickung hinzuzufügen» Dies ergibt ein Metall, das einen hohen Anteil an Kohlenstoff hat und das deswegen anschließend in einem Konverterofen für die Stahlherstellung raffiniert werden muß. _t

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Seine der oben beschriebenen Methoden zur Verwendung von Schrott ist weit verbreitet, da mit jeder ein oder mehrere wichtige Nachteile verbunden sind· Bas anerkannte Verfahren, heute Stahl aus Schrott in weitem Umfang herzustellen, ist das traditionelle lichtbogenofen-Verfahren, Während das Idchtbogenofen-Verfahren ideal zur Herstellung von Legie- . rungen und Qualitätsstählen ist, kann es relativ teuer zur Herstellung von Kohlenstoffstahl sein. Weiterhin können die Kosten für Energie und Elektroden zu hoch sein, um die Einführung in kleinen oder mittelgroßen Stahlbetrieben zu rechtfertigen. Außerdem sind die Stromanforderungen des Lichtbogenverfahrene so, daß es nicht immer möglich ist₉ lichtbogenofen an Stromverteilungssystemen anzuschließen« Ein lichtbogenofen ist wegen der starken Schwankungen beim Betrieb kein erwünschter Stromverbraucher in einem Re t ζ syst em _t wenn dieses System nicht sehr groß ist· Sonst wäre es notwendig, einen Generator speziell für den Lichtbogenofen zu installieren.

Es ist somit offensichtlich, daß hier ein wirklicher Bedarf für ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Schrott zu Stahl oder anderen verwendungsfähigen Formen besteht· Der Gebrauch von Stahlschrott entweder allein oder mit einer kleinen Menge an Boheisen bietet eine potentielle wertvolle Eisenquelle für die Stahlherstellung.

Das Verfahren nach der Erfindung bietet eine verbesserte Methode zur Umwandlung oder Raffinierung von Eisen- oder Stahlschrott ohne Bücksicht auf seinen Kohlenstoff gehalt und zur Umwandlung in gebrauchsfähigen Stahl mit dem gewünschten Kohlenstoffgehalt. Das Verfahren ist billig, schnell und weist eine Flexibilität der Arbeitsweise auf. die Variationen und eine genaue Kontrolle der erhaltenen Stahlzusammensetzung und folglich der Eigenschaften des hergestellten Stahls aufweist·

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Die Erfindung kann vorteilhafterweise in Verbindung mit einem pneumatischen StahlherstelXuiigsverfahren in einer integrierten Stahlanlage, die nicht durch das Verhältnis von Schrott au Roheisen in der Eisenbesehickung begrenzt ist, angewendet werden·

Das Stahlherstellungsverfahren nach der Erfindung ist auch besonders gut geeignet zur Verwendung in kleinen nichtintegrierten Anlagen zur Herstellung von Stahl mit einem w niedrigen oder mittleren Kohlenstoffgehalt aus Schrott·

Die Erfindung umfaßt in weitem Sinne die Behandlung von eisenhaltigen Metallen, Eisen oder Stahl, indem man ein Oxydationsmittel mit einem Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, unter der Oberfläche eines geschmolzenen Eisenmetalls umsetzt. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Stahl aus Schrott und in einem Stahlwerk als eine Abwandlung des bekannten stoff verfahr ens (BOP), das sdt Sauerstofflanzen sioeiteibesonders nützlich«

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung von Ausfuhrungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und den Ansprüchen.

In den Zeichnungen zeigen:

Pig, 1 Einen ZSngsschnitt eines Of ens zur Aus^ führung des erfindmigsgemäBen Verfahrens, wobei Sauerstoff von der Oberfläche in die Schmelze und deir Brennstoff unter der Schmelze eingeführt wirdf

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Hg. 2 eine schematische Sarstellung eines gesamten BjBtGmB mit zusätzlichen Einrichtungen zur StronniDgskonfcrolle der verschiedenen Flüssigkeiten!

lüg· 3 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungeform eines Ofens zur Ausführung des erfindungsgeisaßen Verfahrens* bei der sowohl der Sauerstoff als auch der Brennstoff unterhalb der Schmelze eingeführt werden;

Jig· 4- einen Querschnitt des Bodenteils des Ofens

nach Fig. 3 entlang der Linie 4-4 der Fig. 3$

Fig. 5 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungefora eines Ofens zur Ausführung des erfindungs· gemäßen Verfahrens, bei der sowohl der Sauerstoff als auch der Brennstoff an der Oberfläche der Schmelze eingeführt werden;

Hg· 6 einen Querschnitt des Mittelteile des Ofens nach Fig. 5 entlang der linie 6-6 der Fig. 5·

Figur 1 seigt eine Äusführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung und diese Figur wird nachstehend dazu benützt, das Verfahren nach der Erfindung zu beschreiben· Ein Ofen 10, der zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignet ist, weist eine senkrechte Wand 11 auf, die durch ein geeignetes hitzebeständigee Futter 12 geschützt wird· Die Ofenwand weist weiterhin einen ausgebuchteten Seil 13 auf, der mit einem hitzebeständigen Material 14 ausgefüttert ist· Sie Ausbuchtung

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bildet innerhalb des Ofengehäuses eine Senkung 15t ein so großes Volumen hat, daß sie, wenn der Ofen um ca. 90° in Ffeilrichtung gedreht wird» in der lege ißt, die Menge des beim Start im Ofen enthaltenen geschmolzenen Materials aufzunehmen· Der Ofen hat eine Abdeckung mit einem hitzebeständigen Futter 19 und ein Bodenteil 20, mit einem hitzebeständigen Futter 21· Im Boden des Ofens sind eine Anzahl von Einblasdüsen 23 vorgesehen« die eine StrSmungsverbindung zwischen dem Ofen und einem entfernbaren Brennstoffeinlaßsystem ermöglichen· Die Blasdüsen sind von herkömmlicher Bauart, so wie sie in bekannter Weise im Bessemer-Sonverterverfahren verwendet werden und sind deshalb nicht näher beschrieben· Das Brennstoffeinlaßsystem besteht aus einem Gehäuse 24, das eine Anfullkammer begrenzt« die ihrerseits durch einen MnlaBVftnal 26 in Fließverbindung mit einer Brennstoffquelle steht·

Zm Ofenraum 29 ist ein geschmolzenes Metall 30- gezeigt» in. dem Schrott 31 suspendiert ist und auf dessen Oberfläche sich eine Schicht geschmolzener Schlacke £2 befindet» Bs wird angenommen, daß sich diese geschmolzene Schlacken·« schicht möglicherweise mit dem Metallbad während des Verfahrensablaufs wegen der !Turbulenz in dem Bad vermischt, die durch die hohe Einströmungegeschwindigkeit des Sauerstoffes« die EinstrSmungsgeschwindigkeit des Brennstoffes und die stattfindende exotherme Reaktion verursacht wird und ein Verspritzen der Schlacke und eines Teile des geschmolzenen Metalls in dem Ofenraum 29 bewirkt· Der innige Eontakt der Schlacke mit dem geschmolzenen Metall schafft ein wirksames Mittel zur Schlackenreinigung des Schrotts, da es die Abscheidung von oxydierten Beimengungen ζζ·Β· Siliziumosyd, Mangan, Zink und feuerfeste Metalle, usw«)

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von der Schmelze in die Schlacke ermöglicht. Der Ofen kann so gebaut sein, daß es möglich ist« den Ofenraum 29 unter Druck zu setzen, um starkes Sieden oder Bewegung in der Schmelze zu reduzieren, wenn es wünschenswert ist·

In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform wird reiner Sauerstoff oder ein anderes Oxydationsmittel durch das obere Ende des Behälters eingeführt, wo es sich sofort in dem geschmolzenen Eisenmetall auflast, oder mit gelösten Beimengungen oder Eisen unter Wärmeentwicklung und Bildung von Oxyden umsetzt, welche ihrerseits in dem geschmolzenen Metall oder der Schlacke suspendiert oder gelöst werden« Dies kann erreicht werden, indem man den Sauerstoff durch Sauerstoff lanzen 34- und 35 einführt, gemäß der bekannten Verfahrensweise, die im basischen Sauerstoff of en angewendet wird. Diese Lanzen sind gewöhnlich wassergekühlt und werden, soweit sie nicht von herkömmlicher Bauweise sind, näher beschrieben» Der Brennstoff wird mit Hilfe der Einblasdüsen unterhalb der Schmelze in die Schmelze eingeführt» Der Brennstoff reagiert mit dem aufgelösten Sauerstoff und setzt ebenfalls Wärme zum Schmelzen des Schrotts frei« In der Schmelze enthaltenes Eisenoxyd wird durch die Brennstoffgase zu geschmolzenem Eisen reduziert· Die Gesamt- öder End-Heaktion in der Schmelze ist die teilweise Verbrennung des Brennstoffes mit Sauerstoff· Wenn mehr Sauerstoff eingeführt wird als mit dem Brennstoff reagieren kann, ergibt sich eine Endproduktion von Eisenoxyd. Dieses überschüssige Eisenoxyd kann chemisch zu Eisen reduziert werden, indem die Sauerstoffzufuhr vermindert oder das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff auf andere Weise verändert wird, um Eisenoxyd chemisch zu Eisen zu reduzieren«

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Ein Gasauslaß 37 ist dafür vorgesehen, um die Abgase aus dem Ofen abzuleiten· Der Ofen in Figur 1 ist einstellbar auf Schichtbetrieb oder "kontinuierlichen" Betrieb· Wenn er für "kontinuierlichen" Betrieb benutzt wird, ist eine Einführung für Schrott, wie eine Schütte 38, am oberen Ende vorgesehen und eine mit einem Ventil gesteuerte Abzugsleitung 39 nahe dem Boden der Schmelze· Die Leitung 39 ist zum Abziehen des geschmolzenen Metalls eingerichtet· Schließlich ist wie bei einer gebräuchlichen Bessemer-Birne in Figur 1 ein Drehzapfen 40 vorgesehen, der auf herkömmliche Weise in einem geeigneten Getriebe und lager drehbar ist·

Bevor das Verfahren im einzelnen beschrieben' wird, wird es nützlich sein, Figur 2 au erläutern, die in etwa eine schematische Darstellung des typischen Gesamtsystems ein»» schließlich des Ofens ist und das Verfahren nach 4er Er«* findung benützt· Der Ofen ist wieder durch die gleichet Zahl 10 bezeichnet« Gleiche Zahlen in Figur 1 und in Figur 2 beziehen sich auf dieselben Gegenstände· Es ist zu sehen, daß der Drehzapfen 40 in einer passenden Stütz-· und !lagervorrichtung mit Stützen 42 und einem Fundament 43 gehalten wird·

Insoweit als die Abgase auf verschiedene Art vorzugsweise zum Vorheizen sowohl des Schrotts als auch des Sauerstoffes und des Brennstoffes benützt werden können, ist es am einfachsten, die Beschreibung der Figur 2 mit den Verteilungseinrichtungen für die Abgase zu beginnen. In Figur 2 ist eine Abgasleitung 51 · gesteuert durch ein Ventil 52, mit einem Verbrennungsraum oder Wärmeaustauscher 53 verbunden₅ der zum Verbrennen der hochtemperierten Abgase (die eine beträchtliche Menge von Wasserstoff und

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enthalten) ait luft eingerichtet ist, die durch eine Röhre 54-_v gesteuert durch ein Ventil 55» in die Verbrennungekajmer 53 eingeführt wird· Andererseits können die heißen Abgase (die viel wahrnehmbare Wärme enthalten) direkt alt dem Schrott in Berührung gebracht werden und diesen vorheizen· Me verbrannten Abgase können dann direkt durch ein DurchfluBrohr 56» gesteuert durch ein Ventil 57t hindurchfließen· Die unverbrannten Abgase können andererseits dusch Bohr 58₁ gesteuert durch Ventil 59, in eine geeignete Leitung 60 überfuhrt werden, die mit einem Gaakühler und -wischer 62 verbunden ist· (

Der Verbrennungsraum ~ Wärmeaustauscher 55 ist vorzugsweise so konstruiert« daß er aus einer Seihe von auf ge-, stapelten Verbrennungskammern besteht, die jede eine begrenzte Ifenge an luft oder einem anderen Oxidationsmittel aufnehmen· Der Schrott wird so eingeführt, daß er abwärts durch die sich anschließenden ^yTfrrftPTWBgftTwmffl wert¹ gelangt« während die Abgase aufwärts geführt und verbrannt werden· Dies führt zur Srreielisng von günstiger Verteilung in der 3?eaperatü£ und in der Zusammensetzung des Verbrennungsgases« da der heißeste Schrott jenen Verbrennungsgasen ausgesetzt wird* die aa stärksten reduzierend sind« das sind die, die vom Ofen keimen, wiegen der kalte Schrott« ' der in den Verbrennungsraum - Wärmeaustauscher eintritt« den -oxydierten Abgasen ausgesetzt wird· Diese Art von Vorheizen des Schrotts vermeidet oder vermindert die unerwünschte Oxydierung des Schrotts*·

Es wird in Figur 2 mmäk gezeigt« daß die Abgase vom Ofen mit Hilfe der leitung 51 direkt zur Leitung 60 (durch Ventil 61) geleitet werden können« wenn eine Verbrennung dieser Gase an diesem Boaakt nicht gewünscht wird· Die Wahl wird davon abhängen« ob es erwünscht ist oder nicht« den Schrott direkt vorzuheizen, was im folgenden beschrieben

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Hachdem die Abgase durch den Gaskühler und -wäscher 62 geleitet wurden, können sie direkt durch die Leitung 63 abgelassen werden,-oder sie können durch geeignete Betätigung der Ventile 64 und 65 auf ein oder zwei alternative Wege geleitet werden· Der erste dieser Wege geht fiber Leitung 66, gesteuert durch Ventil 67, der zur Brennstoffhauptleitung fuhrt, so daß die unverbrannten Abgase in den Ofen zurückgeführt werden können· Die andere Alternative an dieser Stelle ist, die Ventile 65 und 67 zu schließen, das Ventil 64 zu öffnen und die Gase in eine Verbrennungskaamer 69 einzulassen, die zum Verbrennen der Gase mit luft eingerichtet ist, die durch Leitung 70, gesteuert durch Ventil 711 eingelassen wird· Die Verbrennungegase von der v»T^>'^h'^{n ftT|niir>}E^a^^rPT ^iwnf^>T* 69 können dann Ober Leitung 72 in einen indirekten Wärmeaustaue eher 7? eingeführt werden, zum nachfolgenden Auslaß durch Leitung 74 und in gleicher Weise über eine Zweigleitung 75» gesteuert durch Ventil 76, in einen indirekten Wärmeaustauscher 77 zum Auslaß durch Leitung 78. Der Zweck der Wärmeaustauscher 73 und 77 ist, Wärme für das Vorheizen des Brennstoff es und des Sauerstoffes vor dem Einführen dieser Heaktionsteiinehmer in den Ofen 10 bereitzustellen·

Sauerstoff wird von einer geeigneten Quelle 80 geliefert, die in Figur 2 als Hochdrucksauerstoff gezeigt wird· Natürlich liegt es im Bereich dieser Erfindung, gasförmigen Sauerstoff mit niedrigem Druck zu verwenden, flüssigen Sauerstoff und andere geeignete Mittel zu gebrauchen, um ihn vor seiner Einführung in die Sauerstoffleitung 81 zu verdampfen· Diese Sauerstoff leitung 81 führt durch den Wärmeaustauscher 77 und ist mit der Lanze 34 verbunden, die sich in den Ofen erstreckt«

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. ν- k. t

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Die Brennstoffquelle 90, die irgend eine Quelle eines geeigneten Brennstoffes sein kann, ist durch Leitung 91» gesteuert durch Ventil 92, mit der Brennstoffeinlaßleitung 26 verbunden· Leitung 91 führt durch den indirekten Wärmeaustauscher 73 zum Torheizen des Brennstoffes· Wenn verbrannte Abgase wieder durch den Ofen geführt werden sollen, werden sie bequemerweise in die Brennstoffleitung 91 eingeführt· Der Brennstoff kann auch oberhalb der Oberfläche der Schmelze im Ofen eingeführt werden. Dies kann über die Brennstoffleitungen 91 und 93* gesteuert durch Ventil 94·» geschehen, welche vor ihrer Verbindung mit dem oberen feil des Ofens 10 durch den indirekten Wärmeaustauscher 73 führen» Es liegt im Rahmen dieser Erfindung, einen Brennstoff zu verwenden, der mit etwas Luft oder Sauerstoff vermischt ist· Hierfür ist eine Sauerstoff hilfβquelle 82 vorgesehen, die durch Leitung 83 und Ventil 84· mit der Brennstoffleitung verbunden ist· Der Sauerstoff oder das Sauerstoff enthaltende Gas kann natürlich auch aus der Quelle 80 geliefert werden« Es liegt auch im Bereich der Erfindung, den Wärmeaustauscher 53 so zu gestalten, daß ein direktes Vorheizen von Schrott, wie oben beschrieben, und ein indirektes Vorheizen von Brennstoff und Sauerstoff durch getrennte Wärmeaustauscher in Ebntakt mit den Abgasen aus der direkten Schrott-Vorbeheizung möglich ist·

Schließlich ist die Einrichtung nach Figur 2 zum Vorheizen des Schrotts geeignet, der in den Ofen eingeführt werden muß· Dies wird erreicht, indem man Schrott durch die Vorheizkammer 53 leitet, bevor man ihn mit Hilfe von geeigneten Kitteln, in Figur 2 schematisch als Leitung dargestellt, in den Ofen einführt·

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* J M Λ

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Die Vorrichtung nach Figur 2 ist so eingerichtet, daß es nicht notwendig ist, in allen Fällen Alternativen zu wählen, aber es ist möglich, eine Kombination von Vorheizsystemen zu verwenden· Zum Beispiel kann ein Teil der Abgase in die Verbrennungskammer 53 eingeführt werden, während der verbleibende {Dell in die Verbrennungskammer 69 eingeführt wird* Dies würde andererseits Mittel schaffen, sowohl den Schrott als auch den Brennstoff und den Sauerstoff vorzuheizen« Es liegt natürlich im Rahmen ■ der Erfindung, den Brennstoff nur unterhalb der Oberfläche der Schmelze oder sowohl unterhalb der Oberfläche als auch an der Oberfläche einzuführen und die Burchfliißmenge im System nach Figur 2 auf jede wünschenswerte Weise zu variieren«

Die Funktion des Ofens der Figuren 1 und 2 und das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden unter Bezug auf die Figuren im einzelnen beschrieben·

Das Verfahren wird ausgeführt, indem man mit einem Best (heel) an geschmolzenem Stahl von der vorhergehenden Schmelzung mit einem den Schrottzugaben angepaßten Volumen beginnt· Während der Zugabe des Schrotts wird der Ofen um ca· 90° aus der in Figur 1 gezeigten

ί Stellung geneigt, um genügend Baum für den Metallrest zu erhalten, so daß das geschmolzene Metall nicht in Eontakt mit den Einblasdüsen kommt· Die anfängliche _f Schrottcharge (entweder vorgeheizt oder kalt) wird vorzugsweise in den Behälter bei geneigter Position gebracht, während gleichzeitig gasförmiger Brennstoff

j über die Brennstoffleitung 26, Vorkammer 25 und

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Düsen 23 in den Ofen geblasen wird· Der Ofen wird dann in aufrechte Position geneigt und die Sauerstofflanze 34-(und gegebenenfalls 33) gesenkt, um die Einblasung des Sauerstoffes einzuleiten· Wenn auch Figur 1 zwei Sauerstofflanzen zeigt, kann, wie in Figur 2 gezeigt« auch nur eine benutzt werden· Wahrend dieser Startzeit und wahrend der ganzen Zeit, wenn der Kessel in aufrechter Position ist« oder während der Zeit* wenn die Düsen mit geschmolzenem Metall bedeckt oder teilweise bedeckt sind, muß fortlaufend Gas in den Ofen eingeführt werden· Der Gasdruck und die Durchflufimenge müseen so bemessen sein, dafi ein Durchfließen des geschmolzenen Materials durch die Düsen oder Verstopfen der Düsen vermieden wird·

Die Zugabe von Schrott in den Ofen kann in einem einzigen Schub am Anfang oder in einigen Schüben wahrend der Wärmebehandlung gemacht werden. Dies hängt von der Sperrigkeit dee Schrotte ab· Je hSher die Sperrigkeit des benützten Schrotts ist, desto weniger Schübe können gemacht werden· Bei leichtem Schrott ist mehr als ein Schub notwendig· Wenn das Verhältnis von geschmolzenem Stahl von der vorhergehenden Schmelzung zur neuen Schrottcharge hoch ist, dann kann der Schrott in ein oder zwei Schüben eingebracht werden. Ist das Verhältnis des Schmelzrestes zum neuen Schrott niedrig, dann wird dies andererseits eine höhere Hettoproduktion von neuem Stahl pro Schmelzung ergeben. Das Ausschußmaterial muß aber in mehreren Schüben hinzugefügt werden· Vorteilhaf terweiee wird der Schrott weit in den geschmolzenen Stahl versenkt und vorteilhafterweise ist die kontinuierliche Phase in dem Bad immer geschmolzener Stahl oder Eisen·

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Es sind nicht alle Reaktionen, die innerhalb oder unterhalb der Oberfläche der Schmelze vorkommen, bekannt. Die Arten der vorkommenden Reaktionen werden variieren und hängen von unzähligen Faktoren ab, einschließlich, der Art des gebrauchten Oxydationsmittels, dem speziellen verwendeten Brennstoff, dem verwendeten Verhältnis von Oxydationsmitteln zu Brennstoff, dem Beimengungsgehalt und der Verunreinigung des Eisenmetalle, das behaadeit wird, der Art und Menge von Materialien, welche während dem Ver-K fahren der Schmelze hinzugefügt werden können, den Ver- ~ : fahrensbedingungen, den Eigenschaften des gewünschten Endproduktus usw. Eine der Reaktionen, welche bei Verwendung von relativ reinem Sauerstoff und Methan als Brennstoff stattfinden, sind unten beschrieben·

Zu Beginn der Strömung des gasförmigen Brennstoffes, bei Verwendung von Erdgas, ist die Gesamtwirkung neben der feuerbeständigen Auskleidung in dem Gebiet des Kohlenwasserstoff-Brennstoff Zusatzes endotherm, d.h., wenn Kohlenwasserstoff, speziell Methan, verwendet wird, wird die Schmelze durch den spürbaren Wärmebedarf und die endotherme Crackungsreaktion (1) abgekühlt·

OH₄ -» 0 + 2H₂ (1)

Jedoch sollte die Sauerstoff einführung so schnell als möglich gestartet werden, um den Vorteil der insgesamt exothermen Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff wahrzunehmen. Da der Schmelzpunkt von Schrott in der Nähe von 1·510° Ο (2.750° F) liegt, muß der Sessel bei relativ hohen Temperaturen arbeiten, d.h. im Bereich von 1.600 bis 1·650° Ο (2.900 bis 3.000° F).

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Die Wärmeentwicklung ist das Ergebnis der Reaktion des Sauerstoffs mit dem Eisen, seinen oxydierbaren Beimengungen, wie C, S, Mn, usw., und den Brennstoff gas en, wie Kohlenwasserstoff und Kohlenstoffmonoxyde

Um die erforderliche Hitze in dem Bad zu erhalten, ist es wünschenswert« in dem Schmelzbad mit relativ hohem Sauerstoffspiegel zu arbeiten, was mit einem niedrigen Kohlenstoffspiegel übereinstimmend ist· Dies fördert die Verbrennung von Wasserstoff. Auf der anderen Seite wird, wenn in der Schmelze mit hohem Kohlenstoffspiegel gearbeitet wird» die Umgebung mehr reduzierend, und der Wasserstoff und das Kohlenmonoxid, die durch die Schmelzung aufsteigen, werden in geringerem Maße oxydiert» Selbst wenn der Kohlenstoffspiegel in dem geschmolzenen Stahl hoch ist» wird eine beträchtliche Menge von Eisenoxyd (FeO) in der raffinierenden Schlackenschicht sein. Dies bedeutet, daß der Wasserstoff und das Kohlenmonoxyd, die durch das Bad nach oben steigen, oxydiert werden infolge einer Reaktion des FeO in der Schlacke gemäß der Gleichung (2)

FeO + H₂ grr» Fe + HgO (2)

Bei dieser Temperatur von ungefähr 1.650° C (3.000° F) ist die Reaktion schwach endotherm. Dasselbe gilt für die Reaktion (3) zwischen Kohlenmonoxyd und Eisenoxyd·

FeO + CO ^=£ Fe

Jedoch schließt die Gresamtreaktion die Vereinigung von Kohlenstoff mit Sauerstoff und die Summierung der Oxydation von Eisen und seinen darin enthaltenen Verunreinigungen einschließlich den Zersetzungs- und Reduktionsreaktionen (1)».(2), und (3) einο Die Gesamtreaktion ist exotherm.

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Da die endotherme Beaktion (1) eine Abkühlung der Düsen am Boden bewirkt und daher das Problem einer möglichen Düsenverstopfung besteht, ist es vorteilhaft« eine Mischung von Sauerstoff (von einer Hilfsquelle wie 82 in Figur 2) und Kohlenwasserstoff, wie Methan und Sauerstoff durch Brenn stoff leitung 26 unterhalb der Oberfläche der Schmelze 30 einzuführen· Eine solche Mischung sollte natürlich eine Menge an Sauerstoff enthalten, die unterhalb der Selbstverbrennungsgrenzen der Mischung bei den vorhandenen Temperaturen und dem Druck liegt« Vie vorher erwähnt, sollte die Sauerstoffeinleitung über der Schmelzoberfläche so bald wie möglich gestartet werden, in ähnlicher Weise wie die in dem bekannten basischen Saueretoffverfahren. Wie beim basischen Sauerstoff verfahr en wird Hitze erzeugt, aber die Ähnlichkeit hört auf, da in diesem Verfahren Kohlenwasserstoff-Brennstoff, insbesondere Erdgas, zu CO, COp und wasserdampf oxydiert wird, gemäß der folgenden Gesamtreaktion (4).

CH_n + 0,5(i+x+y)0₂ -^yH₂O + (^y)H₂ + (1-acCO +xC0₂ (4)

Die y Mol Wasserdampf und die χ Mol Kohlenstoffdioxyd, die fc bei thermodynamischem Gleichgewicht mit dem aufgelösten Sauerstoff in der Stahlschmelze gebildet werden, können in üblicher Weise durch die freien Energien der Reaktion bei den Temperaturen der Schmelze bestimmt werden. Für die Oxyde von Kohlenstoff und Wasserstoff liegen folgende Beziehungen und Gleichgewichtskonstanten vor:

9098S 1 / 1 1 1 β

POO₀ Z/

OO + O-» GO₂; Z₁ - ^g » ³^ (5a)

(a_o) (POX)) Ca₀) (1-

y/ir

(a_o) (PH₂) (a_o) (1-

Eb 1st ssu sehen» daß der Gesamtdruck₉ T _t keinen Einfluß auf das Verhältnis von 0O₂ zu 00 oder von ILjO zu H₂ hat·

Sie von den gesamtexothermen Reaktionen erzeugte Hitze dient sum Schmelzen des Schrotts durch Wärmeübertragung infolge Flüaeigkeitskonvektion von dem geschmolzenen Stahl auf den festen Schrott·

In der Stahlherstellung hei !Temperaturen im Bereich von 1.600° C bis 1.700° 0 (2,900° F bis 3.100°F) muß das COg/OO-Verhältniß niedrig sein, um dem Gleichgewicht der Reaktionen (5a) und(5b) zu genügen· Auf der anderen Seite ist das Gegenteil bei diesen Temperaturen der Fall im Hinblick auf das Verhältnis von HgO/Hg, das verhältnismäßig hoch ist, d.h. 0,75· Dies bedeutet, daß ein beträchtlicher Seil (40 bis 45 %) des Vaseerstoffs aus der Heaktion (1) unter erheblicher Wärmeabgabe oxydiert wird· Dies 'stimmt mit dem Verfahren nach Ολχ Erfindung: übevein.

Das Verfahren wird unter nachfolgenden Hinzufügungen von Schrott fortgesetzt· Jedesmal wenn Schrott hinzugefügt wird, wird die Sauerstofflanze £4- (oder die lenzen 54- und 35) angehoben und die Schrottcharge zugegeben, wobei der Brennstoff fortlaufend durch die Düsen 23 eingeführt

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wird* Die Raffinierung des geschmolzenen Schrotte fuhrt gleichzeitig zur Oxydation von solchen Verunreinigungen < oder legierenden Bestandteilen im Schrott wie Silizium« Mangan, Vanadium, Niob, Zink, Titan, Aluminium uew.

Bas erfindungsgemäße Verfahren kann praktisch mit jedem Kohlenstoffgehalt arbeiten, aber es wird, vorteilhafterweise mit einem Gehalt unter ungefähr 1 % Kohlenstoff gearbeitet, da ein niedriger Kohlenstoffgehalt die Oxydation der oben erwähnten Beimengungen sowie auch die Oxydation des Wasserstoffes aus dem zugeführten Brennstoff fördert. Je höher der Sauerstoffgehalt des Stahles ist (und dadurch je niedriger der Kohlenstoffgehalt), desto größer ist die Ausnutzung (Oxydation) des Wasserstoffs und die Wärmefreigabe und desto niedriger ist der Wasserstoffgehalt des Stahls bei der Vollendung der Schmelzung. Der Kohlenstoffgehalt der Schmelze kann natürlich in gewisser Weise kontrolliert werden, indem das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff eingestellt wird. Nimmt das Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff zu, dann nimmt auch der Kohlenstoffgehalt der Schmelze zu und umgekehrt· Der Kohlenstoffgehalt kann auch erhöht werden, indem feiner, fester Kohlenstoff oder Kohlenstoff enthaltender !feststoff in Suspension im Kohlenwasserstoff-Brennstoff eingeblasen wird, oder indem Kohlenwasserstoff-Brennstoffe mit relativ hohem C/H-Verhältnis verwendet werden· Bei richtiger Einstellung von Brennstoff-Zusammensetzung und Sauerstoffzufuhr, kann ein Teil des Kohlenstoffs direkt aus der Brennstoffcräckung nach Gleichung (1) geliefert werden.

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Jedesmal wenn die Lanzen fur die Schrottzugabe entfernt werden, neigt der Sauerstoffspiegel dazu, zu sinken und der Kohlenstoffgehalt dazu, zu steigen. Im allgemeinen wird jedoch vorzugsweise mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in der Schmelze gearbeitet« d.h. nahe der Sauerstoff« Sättigung, da dies eine umfassendere Oxydation dee- Wasserstoffes fordert» Aus einfachen GleichgewichtsTbete&ühtungen kann eine allgemeine Gleiotasg (6) gesctaiebegi werden, wobei man Methan als Brennstoff benützt wa& «sisiö mit Sauerstoff gesättigte Schmelze annimmt (im Crleichgeidcbt mit der Reduktion von JeO zu Fe)«'

Diese Bedingungen fördern di© umfasgsei^hst® O^dation des Wasserstoffs in dem Stahibado Jedoch ist es aie&fc notwendig j daß das Bad vollkommen mit Sauerstoff gesättigt ist» da bei oder nahe der Lang© vorfibesgehende nicht la. ©!©ieJhgewicht liegende Bedingungen herrschen,--wo der Samerstoffgehalt viel höher und wo die 0xydati®a von Wasserstoff und Köhl©nmonO3grd zu dem durch Reaktion (6) angegebenen Maße durcEgeföhrt wird, auch wenn der durchschnittliche Sauerstoffgehalt lsi der Schmelze nicht bis zur Sättigung reicht· Somit ist es bevorzugt, bei niedrigen Kohlenstoff spiegeln (unter 10 Punkten) zu arbeiten, mit Einstellung des Kohlenstoff es auf den gewünschten Spiegel beim Erreichen der gewünschen Hitze« Wenn durch die Anforderungen an die Schmelze ein höherer Kohlenstoffgehalt gefordert wird, kann Kohlenstoffgehalt leicht durch Erhöhen des Brennstoff-/Sauerstoff-Verhältnisses erhöht werden, indem man festen Kohlenstoff oder höhere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe einführt, die in dem Brennstoff gas suspendiert sind, oder durch nachträgliches

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Zuschütten· Wenn ein Aufstauen des Kohlenatoffes erwünscht ist, ist es am Ende der Erhitzung aSglich, die Sauerstoffeinfuhr zu stoppen, während das Einblasen des; Brennstoffes fortgesetzt wird» um so den Kohlenstoff zusatz zu fördern· Biese letztere Praxis tendiert jedoch dazu, die Schmelze zu kühlen· Ein Weg» diesen AbkÜhlungseff ekfc herabzusetzen ist ι an die Oberfläche des Kessels während aer Brennstoffzugabe Sauerstoff einzublasen, um die Abgase Kohlenmonoxyd zu Kohlendioxid und Wasserstoff zu Wasserdampf zu oxydie- ^ ren, Reaktionen, die eine Strahlungswärme an das Bad geben. Ein weiterer Weg, den AbMihlungseff ekt herabzusetzen ist, festen Kohlenstoff einzublasen, der in dem unterhalb der Schmelze eingeblasenen gasförmigen Brennstoff suspendiert ist« Dies vermindert den Abkühlungseffekt pro Punkt Kohlenstoffzusatz_$ weil der endotherme Verlauf der AufIffsungsreaktion für festen Kohlenstoff weit geringer ist als die endotherm® Crackungsreaktion für Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan«

Bei Kückkohlung am Ende der Schmelzung mit Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird aufgelöster Wasserstoff an den Stahl gegeben, was nicht wünschenswert ist, besonders nicht bei P ganz-oder halbruhigem Stahl« Wasserstoff kann durch Vakuum-Entgasung entfernt werden, aber dies schließt einen zweiten Arbeitsgang ein* Wasserstoff kann auch ziemlich leicht durch Düsenentgasung abgebaut werden» was gewohnlich mit dem Durchperlen eines Edelgases dureli den geschmolzenen Stahl verbunden ist» Die bevorzugte Methode beim erf Indungsgemäßen Verfahren, Wasserstoff zu entfernen, besteht darin, daß man Kohlendioxid in die Düsen am Boden einführt, und zwar ganz am Ende der Schmelzung, gerade vor dem Ausgießen» Kohlendioxyd geht mit dem Wasserstoff folgende ! Reaktion eins

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CO₂ + 2 |h| ? OO + H₂O (7)

Die Wasserstoff entfernung geht sehr rasch vor sich« weil das gebildete Köhlesiaenosard dazu tendiert, Wasserstoff mitzunehmen, wie es bei der Düsenentgasuag der Fall ist·

Schließlich wird es gewöhnlich wünschenswert sein, eine gewisse Kontrolle über den Schwefelgehalt des resultierenden Stahle auszuüben· Dies wird ohne Schwierigkeit ausgeführt, indem man den «it dem Brennstoff eingeführten Schwefel auf einem Minimum hält. Ss ist verhältnismäßig einfach, jeden verwendeten gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu entschwefeln· Dies steht in direktem Segensatz zu den Schwierigkeiten« die bei der Entschwefelung von Kohle, Koks und flüssigen Brennstoffen auftreten« · . "

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Ausführung der Erfindung, in welcher beide, der Brennstoff und der Sauerstoff, unterhalb der Schmelze 30 des Ofens eingeführt werden· Gleiche Zahlen in dieser Figur beziehen sich auf dieselben Gegenstände wie in Figuren 1 und 2· Ub beide Reaktionskomponenten unterhalb der Schmelze einführen zu können, ist es zweckmäßig« den Bodenteil des Ofens etwas umzuwandeln· Deswegen begrenzt der Boden 100 in Figur 3 eine Vorkammer für den Brennstoff und eine Kammer 102 für Sauerstoff enthaltende ""Gase· Die Kammern sind durch eine geeignete !Trennwand geteilt· Eine Brennstoffleitung 105 sorgt für die gewünschte Verbindung zwischen der Brennstoff quelle (nicht gezeigt) und der Brennstoff-Vorkammer 101· Eine Sauerstoff leitung 106 sorgt für die gewünschte Verbindung zwischen der Sauerstoff quelle (nicht gezeigt) und der Sauerstoff-Vorkammer 102. Weil an der Auslaßöffnung jener Düsen, aus denen Sauerstoff in die Schmelze eingeführt wird, intensive Hitze erzeugt werden kann, kann es

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notwendig sein, ein Verdünnungsmittel mit dem Sauerstoff zu vermischen. Dafür ist die Leitung 107 vorgesehen, die mit der Sauerstoff leitung 106 verbunden und zur Führung eines geeigneten Verdünnungsmittels eingerichtet ist· Das Verdünnungsmittel kann entweder ein Edelgas sein oder es können weitgehend oxydierte Abgase von Leitung 66 (Figur 2) sein. Kontrolle der Temperatur an der Austritteöffnung der Düsen ist notwendig, um eine übermäßige Abnützung des hitzebeständigen Materials in dieser Gegend zu verhindern· Der Ofen nach Figur 3 hat eine Gas-Ablaßleitung 111·

Bei dem Arbeiteverlauf des Ofens von Figur 3 sind die chemischen Vorgänge im wesentlichen die gleichen wie oben im einzelnen für die Arbeitsweise nach Figur 2 beschrieben· Der einzige Unterschied besteht darin, daß swohl der Brenn- -stoff als auch der Sauerstoff unterhalb des Bodens der Schmelze 30 eingeführt werden·

Die Of en-Ausführungsf orm nach den Figuren 5 und 6 stellt eine Abwandlung der Vorrichtung und des Verfahrens dar· In dieser Abwandlung werden sowohl, die Sauerstoff enthaltenden Gase als auch der Brennstoff, entweder flüssig oder gasförmig, an der Oberfläche der Schmelze durch Lanzen eingeführt· Diese lenzen können entweder über der Schmelze angeordnet oder in diese eingetaucht sein. Soweit es nicht notwendig ist, Düsen zum Einführen von einem oder mehreren der gasförmigen Komponenten im Bodenteil des Ofens vorzusehen, kann der Ofen eine mehr oder weniger herkömmliche "becherförmige" Gestalt annehmen, wie in Figur 5 gezeigt· Wie ersichtlich, wird er von einer schweren Außenstruktur 115 gebildet, die alt feuerbeständigem Material 116 ausgekleidet ist. Vie üblich wird er von Lagerzapfen 11? gehalten, die ihrerseits durch Stützen 118 und 119, die auf einem geeigneten Fundament 120

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befestigt sind« gedreht und gehalten werden» Der Ofen ist mit einem Abdeckungsteil 122 versehen, das mit feuerbeständigem Material 123 ausgekleidet ist· Innerhalb des Volumens 125 sind drei getrennte Zonen oder Abschnitte 126, 127t und 128 abgegrenzt· Es mag wünschenswert sein* das innere Volumen des Ofens weitgehend oberhalb der Schmelze teilweise in Sektionen aufzuteilen} um die Komponenten« die in die Schmelze eingeführt werden, zu isolieren· Dies kann bequem durch eine dreiarmige Trennwand 130 (Figur 6) geschehen, die durch einen keramischen überzug 135 geschützt ist· Sauerstoff wird eingeführt durch eine Sauerstofflanze 137t welche in Sektion 127 ragt, und Brennstoff wird durch eine Lanze 138 eingeführt, die in Sektion 126 ragt· Schließlich ist die dritte Sektion 128 zur kontinuierlichen oder schubweisen Aufnahme des Schrottes eingerichtet« Dies erfolgt vorzugsweise durch Verwendung eines Schrotteinfülltrichters 140, der mit Sektion 128 des Ofens durch einen geeigneten Einlaß 141 in Verbindung steht·

Obwohl das Verfahren nach der Erfindung insbesondere darauf gerichtet ist, daß die Reaktion eines Brennstoffes und eines Oxydationsmittels unter der Oberfläche der Schmelze stattfindet, ist es nicht nStig, daß aller Brennstoff und Oxydationsmittel in der geschmolzenen Kasse reagieren· Eine kleinere Menge der Hitze kann durch die Reaktion oberhalb der Oberfläche der Schmelze erzeugt werden und wird hauptsächlich durch Strahlung der Schmelze zugeführt.

Die vorteilhaftesten Reduktionsbrennstoffe, die zur Durchführung der Erfindung benützt werden können, sind Erdgas und reformierte Erdgase· Erdgas, das vorwiegend aus Methan besteht, ist vorteilhaft wegen seiner Hitzebeständigkeit,

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der Leichtigkeit, mit der es entschwefelt werden kann, seinem relativ hohen Wasserstoff zu Kohlenstoff-Verhältnis und der Einfachheit, mit der es gehandhabt werden kann© Reformiertes Erdgas oder dampf reformiertes Erdgas, das typiecherweise ungefähr 74 % Wasserstoff 16 % CO, 6 % GK)₂ und 4 % CH^ enthalt, hat ähnliche Torteile wie das oben erwähnte Erdgas· Andere Heduktions-Brexmstoffe, wie Wasserstoff und Kohlenstoffffionosyd und gasförmige Kohlenwasserstoffe können auch verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie die notwendige Wärme-Energie auf das Schmelzbad übertragen können, um die Ausführung der Erfindung zu ermöglichen·

Der Gebrauch von zurückgeführten Gichtgasen oder Abgasen, die beim Verfahren nach der Erfindung erzeugt werden, kann ebenso von Vorteil sein« Wenn zurückgeführte Abgase verwendet werden, 1st es im allgemeinen zu empfehlen, vor der Rückführung eventuell darin enthaltenes Wasser zu kondensieren, und vielleicht das Auswaschen von gegebenenfalls vorhandenem COg, sofern dies unter den verwendeten Verfahrensbedingungen wünschenswert ist·

Eine gewisse Menge von festen Brennstoffen, wie Kohlenstoff, Karbid, Ferro Silizium usw·, können während des Baffinierungsverfahrens auch direkt dem Bad zugefügt werden, wenn dies als wünschenswert oder vorteilhaft angesehen wird·

Das nach der Erfindimg verwendete Oxydationsmittel ist vorteilhafterweise sehr reiner Sauerstoff und wird entweder als Hochdruckgas oder als Flüssigkeit, die dann durch geeignete bekannte Mittel verdampft wird, züge- / führt* Der Sauerstoff braucht jedoch nicht reiner Sauer-

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stoff zu sein, sondern kann gewisse Verdünnungsmittel enthalten» solange der enthaltene Sauerstoff ausreicht} um die Erfindung ausführen zu können und die Verdünnungsmittel den Arbeiteverlauf des Verfahrens nach der Erfindung oder den erhaltenen Stahl nicht nachteilig beeinflussen· Zum Beispiel kann die Sauerstoff quelle nicht nur reinen Sauerstoff enthalten« sondern auch relativ reinen Sauerstoff« wie mit Sauerstoff angereicherte Luft und Kohlendioxid· Die Menge der verwendeten Luft sollte so niedrig gehalten werden, daß ihr Stickstoffgehalt den gewünschten Stickstoffgehalt des erhaltenen Stahls nicht gegenteilig beeinflußt·

Das Verhältnis des Oxydationsmittels zu dem Brennstoff wird gewählt in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Oxydationsmittels und des Brennstoffs, wie auch dem Gehalt an Verunreinigungen des behandelten Eisenmetalls an festem Brennstoff« der Art und Menge von Materialien« die während des Verfahrens in die Schmelze gegeben werden kSnnen« usw· Venn das zu behandelnde Metall beispielsweise ungefähr Λ % Kohlenstoff enthält« braucht nicht so viel Brennstoff verwendet werden« wie dann« wenn das zu behandelnde Metall nur 0,5 % Kohlenstoff enthält« Das Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff sollte vorzugsweise so eingestellt werden, daß eine neutrale oder reduzierende Umgebung innerhalb der Schmelze erhalten-wird·

Wenn der Sauerstoff im Überschuß vorliegt, wird Eisenoxyd gebildet· Obwohl dies nicht besonders unangenehm ist, verlangt es eine Erhöhung des Brennstoffes oder eine Verminderung des Sauerstoffes, um das Eisenoxyd zu reduzieren· Die Probleme, die sich beim Gebrauch von einem Überschuß an Brennstoff ergeben« sind je nach der Art des verwendeten Brennstoffes verschieden· Ein Überschuß an Methan, zum

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Beispiel, der eine endotherme Reaktion hervorruft, kann ein ,Verstopfen der Düsen zur Folge haben, eine Verringerung der Schmelztemperatur oder einfach einen Verlust an Brennstoff, da es während der Reaktion nicht verbraucht wird und sich mit den Abgasen verbindet·

Wenn Erdgas oder Methan als Brennstoff verwendet wird, ist es von Vorteil, ein Mol-Verhältnis von Kohlenwasserstoff zu Sauerstoff von ungefähr 1 : 1 aufrecht zu erhalten· Die genauen Verhältnisse von Erdgas oder anderen Brennstoffen zu Sauerstoff hängen von dem verwendeten Brennstoff und anderen oben erwähnten Faktoren ab und können durch Routineprüfungen und Berechnungen bestimmt werden·

Wenn das Metall eine merkliche Menge von Beimengungen enthält» die als Brennstoff wirken und bei der Reaktion mit einem. Oxydationsmittel Hitze erzeugen, werden diese während des Verfahrens verbrannt, und es kann notwendig oder wünschenswert sein, in einer späteren Stufe der Metallherstellung ·, die Menge an Brennstoff zu erhohen, um eine neutrale oder reduzierende Umgebung aufrecht zu erhalten und hierdurch eine unangemessene Verbrennung des Eisens zu verhindern·

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde oben zwar unter Verwendung im wesentlichen aller Arten von Stahlschrott oder Elsenmetall-Schrott beschrieben, für die es am vorteilhaftesten ist, doch sind die eisenhaltigen Metalle oder der Schrottstahl, die gemäß dieser Erfindung benutzt werden können, solche Eisenmetalle oder Mischungen hiervon, die nicht genügend Brennstoffbeimengungen, wie Kohlenstoff, Silikon, Mangan usw., enthalten, um die nötige Hitze zur Konvertierung

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oder Raffinierung des Eisenmetalls in ein verwendbares Stahlprodukt unter Verwendung von Sauerstoff allein zu erzeugen· So wäre z.B. konventionelles Hochofen-Roheisen von diesen Begriffen nicht erfaßt, da es genügend feste Brennstoff-Beimengungen enthält, um in dem basischen Sauerstoffverfahren mit dem Sauerstoff eine Reaktion einzugehen, und deshalb würde der Gebrauch von zusätzlichem Brennstoff nicht notwendig oder erforderlich sein. Sie Bestimmungen "Eisenmetall" und "Schrottstahl" schließen jedoch sowohl Eisen und Stahl aus bekannten Schrottquellen ein, wie alte Autos, in bekannter Weise im Betrieb angefallenen Schrott, als auch Mischungen von Roheisen und Eisenmetall, wie Schrott-Stahl mit einem gemeinsamen festen Brennstoffbeimengungsgehalt, der so niedrig ist,' daß die notwendige Hitze nicht allein durch Sauerstoff einführung nach dem basischen Sauerstoffverfahren erzeugt werden kann.

Sie Erfindung zieht auch die Beifügung von verschiedenen bekannten Raffinierungschemikalien, wie Calciumoxid, Ferrosilizium und dergleichen, zu der Schmelze in Betracht· Diese kann erfolgen, indem solche Materialien zusammen mit dem Schrott eingeführt oder indem sie entweder in dem Sauerstoffstrom oder in dem Brennstoffstrom suspendiert werden·

Es ist somit ersichtlich, daß die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Schrottmetall in einen gebrauchsfähigen Stahl, ohne die erwähnten Nachteile der früheren Vorrichtungen und Verfahren bietet· Da die Reaktionspartner (Sauerstoff und Brennstoff) in beinahe jeder Gegend vorhanden sind, ist die Anwendung des Verfahrens nicht auf wenige spezielle Gegenden begrenzt, so wie es beim Lichtbogenverfahren der fall ist· Schließlich

situ mn

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macht es die Kontrollierbarkeit der chemischen Zusammensetzung der Reaktionspartner möglich« die Zusammensetzung des Stahls zu kontrollieren.

Das Oxydationsmittel oder der relativ reine Sauerstoff wird auf gelost oder absorbiert, wenn es in die Schmelze eingeführt wird» sättigt das Schmelzbad im wesentlichen mit Sauerstoff, erlaubt den Ablauf der exothermen Reaktionen unter der Oberfläche der Schmelze und veranlaßt die Freisetzung der Reaktionswärme unter der Oberfläche der Schmelze. Ee wird angenommen, daß die unter der Oberfläche der Schmelze ablaufende Reaktion eine Zirkulierung oder eine ziemlich starke Bewegung innerhalb der Schmelze verursacht und ziemlich gleichmäßig in der Schmelze verteilt ist, wodurch heiße Stellen vermieden werden·

Sie in den Zeichnungen gezeigten Schmelzbäder 30 und die Schlackenschichten 32 sind in ruhendem Zustand dargestellt· Die Schlackenschicht wird wahrscheinlich durch die Bewegung während des Verfahrensablaufes mit dem Metallschmelzbad vermischt· Ob das ganze Bad während des Verfahrens in Bewegung ist und die Schlackenschicht damit vermischt wird, ist nicht bekannt·

Sowohl die Menge als auch der Druck der Sauerstoff zugabe k6nnen gemäß der Erfindung auf ziemlich breiter Basis variiert werden« was von einer A^y.n'hi von Faktoren abhängt, wie beispielsweise dem Typ des verwendeten Behälters, der Menge und der Art der zu behandelnden Eisenmetall-Charge usw. Natürlich muß die Menge des Sauerstoffes in Beziehung zu dem reduzierenden Brennstoff stehen« der in das Schmelzbad eingeführt wird, was oben bereits beschrieben ist. Die Geschwindigkeit der Sauerstoff zugabe kann auch variiert werden, aber sie sollte so gehalten werden, daß ein vollkommenes

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Auflösen des Sauerstoffes in dem Schmelzbad gewährleistet ist« so dafi die gewünschte Besktion zwischen dem Sauerstoff und dem reduzierenden Brennstoff innerhalb oder unter der Oberfläche des Schmelzbades stattfinden kann·

Der Sauerstoff druck kann zwischen ca. 3» 5 und 10 kg/cm (50 und 150 pound) liegen« aber die Erfindung ist nicht auf diesen speziellen Druckbereich begrenzt· Typischerweise kann der Sauerstoff nicht genügend Energie auf das Schmelzbad übertragen,um von sich aus ein Verrühren oder eine Umwälzhewegung zu veranlassen· Die innerhalb des Bades stattfindende exotherme Reaktion kann auch eine Bewegung des Schmelzbades durch thermische Strömung hervorrufen· Die Hauptbewegung der Schmelze wird jedoch ohne Zweifel durch das durch die Schmelze geblasene Gas verursacht· Die exotherme Reaktion hat auch den Vorteil« die Schmelztemperatur aufrecht erhalten zu können, mehr Zeit für die Zugabe von verschiedenen Zusätzen« wie Kohlenstoff« zu gewähren« um den gewünschten Stahl zu bilden« und um eine Oxydation von Eisen zu verhindern« selbst wenn ein sehr niedriger Kohlenstoff- oder Beimengungsgehalt in des Schmelzbad enthalten ist·

Die.nach der Erfindung verwendbaren Lanzen und Düsen können von Fachleuten in einfacher Weise gestaltet werden, wobei beispielsweise hinsichtlich der öffnungsweiten in Betracht gezogen werden, die Art der zu behandelnden Chargen, die für die einzelne Charge erforderlichen oder erwünschten Geschwindigkeiten und Volumen von Gasen usw.

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Beispiel ,

180 kg (400 pound) eines kalten Schrottstahle, der ungefähr 0,2 % Kohlenstoff enthielt* wurden in einen Ofen, der einen Innendurchmesser von 0,4 m (16 inch) und eine maximale Kapazität von ungefähr 450 kg (1.000 pound),hatte, eingeführt» Der Ofen war auf herkömmliche Weise mit Spulen für Induktionsheizung ausgestattet, und dex kalte Schrott wurde durch Induktionsheizung geschmolzen«

In die Schmelze wurde dann im Handel erhältliches Erdgas durch vier Düsen mit einem Durchmesser von 6,35 mm (1/4· inch) eingeführt, die mit der Bodenwand des Ofens, wie in Figur 1 gezeigt, verbunden waren» Der gasformige Sauerstoff wurde gleichzeitig auf die Oberfläche des geschmolzenen Stahls durch eine einzelne Lanze herkömmlicher Bauart mit einem Durchmesser von 6,35 mm (1/4 inch) aufgebracht.

Die Zuflußmengen des Erdgases und des /Bauerstoffes wurden im wesentlichen gleich gehalten, es wurde mit ungefähr 17 Normalkubikmetern pro Stunde (10 standard cubic feet per minute) begonnen und dann fortlaufend erhöht bis zu ungefähr 60 Rormalkubikmetern pro Stunde (35 standard cubic feet per minute). Die Zuflußmenge des Sauerstoffes wurde erhöht, indem der Staudruck von ungefähr 3,5 auf 9 kg/cm (50 auf 130 pound) erhöht wurde.

Da die Zuflußmengen sowohl des Sauerstoffes als auch des Erdgases erhöht wurden, war weniger Wärme aus den Induktionsspulen erforderlich. Nach Erreichen der höheren Strömungsmengen war die Reaktion zwischen Sauerstoff und dem Erdgas sowohl ausreichend, um den Stahl in geschmolzenem Zustand zu erhalten, als auch weitgehend die Wärmeverluste, die

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für den verwendeten kleinen Behälter relativ hoch waren, zu überwinden» Die Sauerstoff- und Erdgaa-Zufuhr wurde beendet, der Behälter gekippt, und ungefähr 4-5 kg (100 pound) des geschmolzenen Stahls wurden ohne Zusatz von Kohlenstoff oder andere Zusätze in Formen ausgeleert;» Der erhaltene Stahl enthielt ungefähr 0,01 % Kohlenstoff. Der Kohlenstoffgehalt des erhaltenen Stahls kann natürlich bis zum gewünschten Grad, wie beschrieben, geändert werden, indem man Kohlenstoff durch ein Stahlrohr in das Bad bläst oder durch Zugabe zu einer Pfanne oder durch andere herkömmliche Mittel.

Der Behälter wurde dann in aufrechte Position gebracht, und es wurden ungefähr 9 kg (20 pound) an zusätzlichem Stahlschrott, der ungefähr 0,2 % Kohlenstoff enthielt, hinzugefügt, der Behälter wurde oben wieder geschlossen und die Einführung des Erdgases und des Sauerstoffes wieder begonnen xma fortgesetzt, bis die zusätzliche Charge geschmolzen war«

Das Verfahren des Heizens, Ausgießens und Hlnaufügena von zusätzlichem Schrott, wie oben beschrieben, kann fortgesetzt werdena

Verschiedene Abwandlungen des Verfahrens und der Vorrichtung können natürlich vorgenommen werden, ohne daß der Schutzumfang der Erfindung verlassen wird.

Beispielsweise können,, wie bereits ausgeführt, die Düsen 23 in Figur 1 abgeschlossen oder weggelassen werden und entweder eine der Lanzen 3^· oder 35 in das Bad gesenkt werden, um die exothermen Reaktionen im wesentlichen vollständig unterhalb der Oberfläche des Bades stattfinden zu lassen«

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Claims (1)

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   P a t e η t a ns ρ r Ü c h e

   1· Verfahren zum Konvertieren von Eisenmetall in Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oxydationsmittel mit einem Brennstoff weitgehend unterhalb der Oberfläche einer Schmelze aus Eisenmetall, in die Schrottstahl eingetaucht ist, umgesetzt wird·

   2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen die gesamte Reaktion zwischen dem Oxydationsmittel und dem Brennstoff unterhalb der Oberfläche der Schmelze stattfindet·

   3β Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff ein gasformiger Kohlenwasserstoff verwendet wird,

   4·« Verfahren nach Anspruch 3$ dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff-Brennstoff vorwiegend aus Methan besteht·

   5· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff an Wasserstoff reiches reformiertes Erdgas verwendet wird·

   6· Verfahren zum Konvertieren von Eisenmetall in Stahl, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5§ dadurch gekennzeichnet, daß man in ein Schmelzbad aus Eisenmetall von einer geeigneten Quelle erhaltenes weiteres Eisenmetall und eine solche Menge an

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   Oxydationsmittel und reduzierendem Brennstoff einführt, daß eine exotherme Reaktion im wesentlichen vollkommen unterhalb der Oberfläche des Schmelzbades abläuft und eine ausreichende chemische Reaktionsenthalpie freisetzt, um das eingebrachte Eisenmetall zu schmelzen·

   7. Yerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Oxydationsmittels zu reduzierendem Brennstoff so gehalten wird, daß eine im wesentlichen neutrale Umgebung für die Oxydation oder Reduktion des Stahls aufrecht erhalten wird.

   8· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Oxydationsmittel zu reduzierendem Brennstoff so gehalten wird, daß sich eine reduzierende Umgebung ergibt,

   9» Verfahren nach einem der Ansprüche 6 biß 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für das zugeführte Eisenmetall zumindest zum Teil, insbesondere vorwiegend, Schrottstahl ist.

   10« Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel im wesentlichen reines Sauerstoffgas ist und dieses von oberhalb der Schmelzoberfläche in das Schmelzbad eingebracht wird, und daß der reduzierende Brennstoff unterhalb der Oberfläche des Scbmelzbades eingeführt wird.

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   β Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 t dadurch gekennzeichnet, daß als Oxydationsmittel relativ reiner Sauerstoff verwendet wird, und daß der Sauerstoff und der reduzierende Brennstoff von oberhalb der Schmelzoberfläche in das Schmelzbad eingebracht werden. .

   12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxydationsmittel relativ reiner Sauerstoff verwendet wird, und daß mindestens ein Teil des Sauerstoffs und der reduzierende Brennstoff unter der Oberfläche des Schmelzbades eingeführt werden.

   13* Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Reaktionsstufe zur Einstellung der Endzusammensetzung des Stahls mindestens ein Zusatz in das Schmelzbad eingeführt wird«,

   14, Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz Kohlenstoff verwendet wird.

   15· Verfahren zur Umwandlung von Schrottstahl in Stahl, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Schmelzbad aus Stahl ein Eintragsgut, das hauptsächlich aus Schrottstahl besteht, eingeführt wird, gasförmiger Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle und reduzierender Brennstoff unter der Oberfläche des Schmelzbades umgesetzt werden und dabei Wärme erzeugen und eine neutrale Umgebung schaffen und daß die hauptsächlich aus Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Wasserdampf bestehenden Abgase abgezogen werden, _

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   16· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 15ι dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff zumindest zum Teil in Form von Luft besteht»

   17o Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase verbrannt werden, um Wärme zum Vorheizen von mindestens einem der in das System eingeführten Bestandteile zu schaffen·

   18· Verfahren nach Anspruch 17« dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeheizte Bestandteil der Schrott ist und das Verbrennen der Abgase in einer solchen Reihe von Arbeitsgängen durchgeführt wird, daß der Schrott Verbrennungsgasen ausgesetzt wird, die von Natur aus reduzierend sind und die Temperatur sich während des Vorheizens erhöht·

   19· Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffquelle vorgeheizt wird·

   20· Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19» dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff vorgeheizt wird·

   21· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein (Teil des Sauerstoffes mit Brennstoff vermischt wird, bevor er in das Schmelzbad eingeführt wird.

   22ο Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Abgase in das Schmelzbad zurückgeführt werden·

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   23· Vorrichtung zur Umwandlung von Schrottstahl in Form-* stahl, inabesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit einem feuerfesten Material ausgekleideten Behälter zur Aufnahme einer Eisenmetall-Schmelze, eine Zugabeeinrichtung, um Eisenmetall in diesen Behälter zu laden, eine Zuführeinrichtung zum Einführen eines reduzierenden Brennstoffes unter die Oberfläche des Schmelzbades, eine Zuführeinrichtung zum Einführen einer Sauerstoff quelle in das Schmelzbad, wobei die Zuführeinrichtungen für den Brennstoff und den Sauerstoff so angeordnet sind, daß zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff eine Reaktion innerhalb des Schmelzbades bewirkt wird, sowie eine Einrichtung zum Abziehen sich ergebender Abgase aus dem Behälter.

   24-· Vorrichtung nach Anspruch 23t dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine ausgebauchte Gestalt aufweist und kippbar 1st, und daß durch die Ausbauchung ein Volumen zur Aufnahme von geschmolzenem und festem Metall gebildet wird, ohne daß dieses in Kontakt mit der Zuführeinrichtung für den Brennstoff und/oder den Sauerstoff kommt·

   25· Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter als Druckbehälter ausgebildet ist.

   26β Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 251 dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Vielzahl an Einblasdüsen aufweist, die bei aufrechter Stellung des Behälters unter der Oberfläche der Schmelze liegen,

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   27· Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasdüsen zur Zuführeinrichtung für den Brennstoff und gegebenenfalls auch für den Sauerstoff gehören·

   28« Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen für den Brennstoff und den Sauerstoff voneinander getrennt unter das Schmelzbad in den Behälter führen·

   29« Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung für den Sauerstoff mindestens eine Lanze zum Ausrichten der Sauerstoffquelle auf die Oberfläche des S :hmelzbades aufweist.

   30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungseinrichtungen für den Saueratoff und den Brennstoff getrennte Lanzen zur Einspritzung der Sauerstoffquelle und des Brennstoffs von der Oberfläche in das Schmelzbad aufweisen.

   31· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 30, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verbrennung einer zusätzlichen Menge an Sauerstoff und Brennstoff über der Oberfläche des Schmelzbades.

   32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 31« gekennzeichnet durch mindestens eine Einrichtung zum Verbrennen von Abgasen·

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   33· Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Vertrennen der Abgase eine Reihe von. Verbrennungskammern aufweist, durch die das Metall vor seiner Einführung in den Behälter geleitet wird und diese Verbrennungskammern relativ zur Zugabeeinrichtung des Eisenmetalls so angeordnet sind, daß dae Eisenmetall mit fortschreitender Vorwärmung Verbrennungsgasen mit zunehmender reduzierender Eigenschaft ausgesetzt, insbesondere entgegengeführt, wirdβ

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