DE2131045C3 - Verfahren zur Führung von Schachtöfen, insbesondere Hochöfen - Google Patents

Description

läuft eine zweite Reaktion ab:

CO₂+C-

2CO,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, der mit einer Charge aus natürlicher, oder synthetischen Erzen, insbesondere Eisenerzen, und Koks die unter dem Namen »Boudouard-Reaktion« oder »solution loss« bekannt ist. Diese zweite Reaktion verbraucht Kohlenstoff und folglich Koks. Bei Kupfer können die Oxyde bei niedriger Temperatur reduziert werden, und die vorstehende Reaktion findet nicht statt; hingegen findet beim Eisen diese letztere Reaktion statt und verbraucht entsprechend dem Ofengang 70 bis 120 kg Koks pro Tonne erzeugter Schmelze.

c) Bei Metallen, die stabile Kohlenstoffverbindungen bilden, dient eine kleine Menge des eingebrachten Kokses dazu, um das geschmolzene Metall zu kohlen. Dies gilt genau beim Eisen; die durch Aufkohlung verbrauchte Menge Koks liegt in der Größenordnung von 50 bis 70 kg Koks pro Tonne der erzeugten Schmelze.

Ganz allgemein gesprochen, wird der Gesamtverbrauch an Koks bei einem Schachtofen durch die Summe der einzelnen Verbrauchsanteile an Koks gebildet, die den obigen drei Reaktionsabläufen zuzuschreiben sind.

Schließlich spielt der Koks auch eine mechanische Rolle, indem er eine feste Abstützung bildet, die von den Fachleuten »Koksgerüst« genannt wird, die die Bewegung der Gase und der flüssigen Bestandteile (Schlacken, Metalle, Verbindungen, Gesteine und Speisen) in Gegenrichtung sicherstellt. Dieser Effekt ist ohne Verbrauch von Koks wirksam.

Auf Grund der wachsenden Schwierigkeiten bei

der Beschaffung von zu verkokenden Kohlen und auf Grund der dadurch bedingten Preiserhöhungen des Kokses wird schon seit einigen Jahren versucht, den entscheidenden Einfluß, d. h. den Verbrauch des Kokses im Schachtofen, herabzusetzen. Deshalb wurden auch insbesondere Injektionsverfahren von Kohleschlamm (Slurries, d. h. pulverisierte Kohle, suspendiert in einer Flüssigkeit) durchgeführt sowie von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen, die einen Ersatz eines kleinen Anteils des Kokses ermöglichen (im allgemeinen 10°/Ό des gesamten Kokses). Diese Verfahren weisen jedoch Nachteile auf, wie z. B. Abkühlen der Flamme infolge des Krackens der Kohlenwasserstoffe unmittelbar vor den Windformen, so daß sich für die injizierbaren Mengen eine Grenze ergab.

Es ist eine Einrichtung bekannt (US-PS 32 36 628), welche in ihrem oberen Teil einen Schachtofen zum Reduzieren eingegebener Mineralien und in ihrem linieren Teil einen elektrischen Schmelzofen zum Schmelzen der reduzierten Mineralien entspricht, unten in den Schachtofenteil des kombinierten Ofens ein Reduktionsgas zu injizieren, jedoch mit einer derart niederen Temperatur, die zum Schmelzen des reduzierten Materials keinesfalls ausreicht. Auf die Gewinnung der Schmelze hat die Injektion des Reduktionsgases keinen Einfluß, da die Schmcizgewinnung bei diesem kombinieuen Ofen erst in dem unten angeschlossenen Elektroofen erfolgt. Es <s* *·0Ηϋ.τ eine Vorrichtung zum Sch. .elzen voi. Metallu-, nämlich aus fein >.ermah' -^m Mi"?^ral, bcka..ni (DT-AS 1Ο?3°Ο2), in d^;." Ci ..a; rende Gas^Twli Cngi-führt wird. Bei dieser bekannten Vnriich:uuc wird ^:edoch kein Koks gemeins m-t den f'?.u i::!-v:. ir. den Schachtofen eingefüllt, < daß Ied^:sli. !< .;.:- Einblasen -^i:'ies Reduktion--ases i.i Jie .Sei': . i/zocc eines ). :iofens begann;

Bei einem weiteren, der -ieduktion von Mineralien dienenden bekannten Schachtofen (DT-PS 1 93 456), erfolgt der SchmelzvJigang als solcher getrennt in einem anschließenden Elektroofen. Die Zuführung von Reduktionsgasen in den Schachtofen dient auch hier lediglich zur Reduktion der Mineralien, nicht auch zu deren Schmelzen. Auch dieser Schmelzofen wird offenbar nur allein mit Mineralien, nicht jedoch zusätzlich mit Schmelzmitteln und/oder Koks gefüllt. Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Gewinnen von Eisen (BE-PS 7 15 424) wird Brennstoff und Möller derart in einen Schmeb.schachtofcn eingebracht, daß von der Mitte des Ofens; nach außen konzentrisch eine zentrale, säulenartige Brennstoffzoiie, eine ringförmige Möllerzone und eine an der Innenwandung des Ofens befindliche, ringförmige Brennstoffzone gebildet werden, ein Teil der Ofengase durch die an der Innenwandung des Ofens befindliche, ringförmige Brennstoffzone abgezogen und danach entstaubt, verdichtet und reformiert und dadurch in ein reduzierend wirkendes Gas umgewandeh wird, (las zusammen mit Sauerstoff durch Windformen in den Ofen geblasen wird, der übrige Teil der Ofengase durch die ringförmige Möllcrzone geführt wird, wodurch das Erz erhitzt und reduziert wird, und dieser Teil der Gase als Gichtgas vom oberen I:ndc des Ofens abgeblasen wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, innerhalb eines außer mit den zu reduzierenden Materialien noch mit Koks gefüllten Schachtofens nicht nur eine Reduktion der Mineralien, sondern darüber hinaus auch noch das Schmelzen des Metalls zu erzielen, wobei zusätzlich Heizkoks neben Reduklionskoks erspart wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesent-S liehen dadurch gelöst, daß in den Ofen an Stelle von Wind, unter Berücksichtigung der Zusammensetzung und der Temperatur eines aufzuarbeitenden Metalls, einer Legierung, eines Steines oder einer Speise ein Reduktionsgas injiziert wird und daß dessen Temperatur und Menge entsprechend dem Wärmebedarf des Ofens sowohl für die Reduktion als auch für das Schmelzen der Beschickung eingestellt wird.

Unter synthetischen Erzen sind in der Erfindung angereicherte, gesinterte oder sonst vorbehandelte, beispielsweise pelletisierte, natürliche Erze zu verstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich durchführen, ohne daß die bekannten Schachtofen, insbesondere Hochöfen, baulich verändert werden müßten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Reduktionsgas in an sich bekannter Weise aus einer gasförmigen Mischung von CO, H₂ und N₂ besteht sowie gegebenenfalls geringen Anteilen von CO₂ und/oder H₂O. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das injizierte Reduktionsgas sich auf einer durch das auszuführende Verfahren und/oder das zu erschmelzende Produkt bestimmten Temperatur befindet. Die Temperatur des Gases wird in vorteilhafter Weise mittels eines Wärmetauschers, :inf elektrischem Wege oder durch Kombination diese·· beiden Verfahren auf die gewünschte Temperatur

Ίι besonders vorteilhafter Weise wird der Ofen-γπε Ί Ii Änderung der Temperatur des injizierten

3-, Rcdiw· . msgases gesteuert. Dies erfolgt zweckmäßig dadurch, daß die Temperatur des injizierten Reduklionsgascs variiert wird, indem gleichzeitig Mittel ■um Heizen oder Abkühlen injiziert werden.

Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als aufheizendes oder abkühlendes Mittel entweder ein mehr oder weniger heißes Reduktionsgas oder ein Gemisch aus reduzierenden Mitteln und oxydierenden Mitteln injiziert, die gemeinsam miteinander unter Bildung von Reaktionsprodukten

+5 mit einem Gehalt an CO, H., und N₂ reagieren

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Ausüben des vorstehend beschriebenen Verfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein vorzugsweise im Inneren der Blasformen des Schachtofens angeordneter Plasmabogenbrenner vorgesehen ist, dessen Ausgang die Injektionsöffnung zum Injizieren des Reduktionsgases in den Schachtofen darstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt praktisch den Verbrauch von verbranntem Koks an den Blasformen, d. h. zum Schmelzen, zu vermeiden sowie beinahe den Verbrauch an Koks für die Boudouard-Rcaktion oder die »solution loss«, d. h. die Reduktion, völlig zu vermeiden sowie einen Großteil des Kokses für die Aufkohlung einzusparen. Die für die

So Durchführung des erh'ndungsgemäßen Verfahrens verwendete gasförmige Mischung kann durch jeglichen geeigneten Prozeß erhalten weiden, beispielsweise durch Rcformicrung eines Kohlenwasserstoffes. Unter »reformiertes Gas« ist jeder flüssiger Kohlenwasscrstod zu verstehen, der einer oxydierenden Umwandlung und/oder thermischen Krackung unterzogen wurde, deren Resultat ein gasförmiges Gemisch ist mit beträchtlichem Anteilen an Wasserstoff

und/oder Kohlenoxyd. Diese Behandlung wird im allgemeinen in einer geeigneten Vorrichtung (Spaltform) außerhalb des Hochofens durchgeführt.

Die Höhe, in der das gasförmige Gemisch in den Ofen injiziert wird, kann beliebig sein; es wurde jedoch als insbesondere vorteilhaft gefunden, die gasförmige Mischung durch die »klassischen« Windformen zu injizieren.

Das Verfahren kann auch mit Vorteil angewendet werden, wenn das Reduktionsgas in den oberen Teil des Schachtofens eingeführt wird, wobei ein Teil oder das gesamte Reduktionsgas in das Gestell des Schachtofens eingeblasen wird.

Es wurde bereits betont, daß der Ofengang oder, mit anderen Worten, die Güte (Zusammensetzung und Temperatur") des erhaltenen Meialls oder der erhaltenen Verbindung von der Injektions-Temperatur des Reduktionsgases abhängt. Es kann deshalb die

Steuerung des Ofenganges durch jegliches Mittel vorgenommen werden, das geeignet ist, diese Temperatur zu beeinflussen. Es kann insbesondere auf direktem Wege auf die Heizeinrichtung für das Gas entsprechend eingewirkt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Regelung in der Weise durchgeführt, indem die Injektionen unter Erwärmung oder Abkühlung vorgenommen werden, insbesondere, indem gleichzeitig mit dem wärmen Reduktionsgas oder mittels entsprechender Vorrichtungen Mischungen von reduzierenden Substanzen und von warmen oder kalten oxydierenden Substanzen injiziert werden, wobei der Anteil derart ist, daß die Reaktionsprodukte dieser Substanzen CO, H₂ und N₂ enthalten. In der Praxis ergibt eine derartige Reaktion zwischen reduzierenden und oxydierenden Substanzen ein Gas mit einem Gehalt an CO, H₂ und N„ sowie geringen Mengen an CO,, H»O und C (Ruß).

Die Erfindung wird an Hand von zwei Ausführungsbeispielen, die die metallurgische Behandlung von Eisen betreffen, nachstehend näher erläutert:

Tabelle 1	Klassischer	In die Blasformen eingeblasener	1104	Erfin-	—	Tabeiie 2	Klassischer	Erfin-	—
	Ofengang	Wind:	1075	iungs-			Ofengang	dungs-
Herstellung einer phosphorfreien Schmelze		Menge, m3/tf		geraäßer			gemäßer
		Temperatur, ° C		Ofengang	Herstellung einer nicht phosphorfreien Schmelze		Ofengang
	301	♦1 tf = Tonne Schmelze.		0		450	0
	145	30		139	29
Vor den Blasformen
verbrannter Koks, kg/tf *)	54	40	Vor den Blasformen	46	37
Koksanteil bei der direkten			verbrannter Koks, kg/tf
Verbrennung, kg/tf	6	0,6	Koksanteil bei der direkten	21	1,4
Koksanteil bei der Kohlung			Verbrennung, kg/tf
der Schmelze, kg/tf	506	70,6	Koksanteil bei der Kohlung	656	67,4
Koksanteil im angefallenen			der Schmelze, kg/tf	50	0
Staub bzw. Rauch, kg/tf	4,57 0,57	4,57 0,57	Koksanteil im angefallenen	3,94	3,94
Gesamt, kg/tf	0,13	0.13	Staub bzw. Rauch, kg/tf	0,49	0,49
Schmelze·			Oesamt, kg/tf	1,69	1,69
C,°/o Si, Vo	1360		In die Windformen injizierter
P,%	35,0		Brennstoff, kg/tf Schmelze: C o/o	2345
Vor den Blasformen gebildetes	1,9		Si, Vo	33,8
Gas: Menge, ms/tf	63,0		P, %	3,70
CO, °/o	2314		Vor den Blasformen gebildetes Gas:	62,5
H2, Vo			Menge, ms/tf	1875
N2, »/ο			CO, Vo
Temperatur, ° C		1850	H2, o/o
In die Blasformen injiziertes		37,8	N2, o/o		3172
Gas:		29,6	Temperatur, ° C		37,8
Menge, ms/tf		32,6	In die Blasformen injiziertes		29,6
CO, o/o		2314	Gas:		.32,6
H2, Vo		Menge, m3/tf		1875
N2, o/„		CO, "/η
Temperatur, ° C	0	H2, Vo
N2, %	1852	0
Temperatur. ° C	820
In die Blasformen eingeblasencr
Wind:
Menge, ms/tf
Temperatur, ° C

Unter reduzierenden Substanzen sind Kohlenwasserstoffe zu verstellen, feste oder gasförmige Produkte mit einem Kohlenstoffgehalt, gasförmigen KohlenwasscrstolTen oder Gase mit CO, COo, H₂ odc Η.,Ο. Unter oxydierenden Substanzen sind Gase oder Dämpfe mit einem Gehalt an freiem Sauerstoff oder in Verbindung mit Kohlenstoff und Wasserstoff zu verstehen, wie z. B. Luft, mit Sauerstoff angereicherte I.ult, Sauerstoff, CO₂ und R.O.

Hin reformiertes warmes Gas wird derzeitig in speziellen Vorrichtungen, die in der Nähe des Hochofens angeordnet sind, hergestellt. Jedoch kann das Gas. obwohl es auf Temperaturen von 1000 bis 1400^r C erhitzt ist, nicht in großen Mengen den Blasformen zugeführt werden, da es die untere Zone des Hochofens abkühlen würde. Man muß deshalb die Injektion auf die Rast und den unteren Teil des Hochofens beschränken und auf geringe Mengen durch die Windformen. Unter diesen Bedingungen kann das injizierte Gas nur diejenige Menge des Kokses ersetzen, die zur Reduzierung der Oxyde der Charge dient.

Die Erfindung zeigt einen zusätzlichen Weg, durch reformiertes warmes Gas größere Mengen Koks zu ersetzen, insbesondere den Koks, der durch Verbrennung in den Blasformen die notwendige Wärme für den Ablauf der Reduktionsreaktionen liefert, indem das reformierte Gas auf eine sehr hohe Temperatur von mindestens 1800° C erhitzt und in die Blasformen injiziert wird, wodurch mindestens zum Teil der warme »klassische« Wind ersetzt wird.

Das crfindungsgemäße Verfahren, das darin besieht, ein reformiertes Gas zu erzeugen oder ein derartiges vorzugsweise reformiertes Gas zu erhitzen, indem es auf die Temperatur der Flamme des klassischen« Ofenganges gebracht wird, erlaubt es, mindestens einen Teil des in den Ofen eingeblasenen

ίο Windes zu ersetzen. Daraus ergibt sich eine um so höhere Einsparung an Koks, je stärker die Windmenge verringert wird, wobei die anderen Betriebsbedingungen gleich gehalten werden, so daß Winderhitzer geringerer Leistung verwendet oder diese ganz vermieden werden können, falls die Menge und die Temperatur des warmen reformierten und injizierten Gases genügend groß bzw. hoch ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, den Aufwand an Koks auf einen sehr geringen Anteil herabzusetzen, der theoretisch Null sein könnte, der jedoch in der "raxis m der GroßenüidnUiig von 10 bis 80 kg pro Tonne liegt. Der Einfluß dieses Kokses liegt darin, die Aufkohlung des aufbereiteten Metalls zu Ende zu führen, die durch injiziertes CO zum Teil bewirkt wurde, und gegebenenfalls die Boudouard-Reaktion bzw. die »solution loss«-Reaktion entsprechend zu beeinflussen.

409 630/12:

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Führung eines Schachtofens, insbesondere eines Hochofens, der mit einer Charge aus natürlichen oder synthetischen Erzen, insbesondere Eisenerzen, und Koks beschickt ist, in welchem die Erze reduziert und geschmolzen werden, wobei von außen Reduktionsgas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ofen an Stelle von Wind, unter Berücksichtigung der Zusammensetzung und der Temperatur eines aufzuarbeitenden Metalls, einer Legierung, eines Steines oder einer Speise, ein Reduktionsgas injiziert wird und daß dessen Temperatur und Menge entsprechend dem Wärmebedarf des Ofens sowohl für die Reduktion als »uch für das Schmelzen der Beschickung eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsgas in an sich bekannter Weise aus einer gasförmigen Mischung Von CO, H₂ und N₂ besteht sowie gegebenenfalls geringen Anteilen von CO₂ und/oder H₂O.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das injizierte Reduktionsgas Sich auf einer durch das auszuführende Verfahren und/oder das zu erschmelzende Produkt bestimmten Temperatur befindet.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gases mittels eines Wärmetauschers, auf elektrischem Wege oder durch Kombination dieser beiden Verfahren auf die gewünschte Temperatur gebracht wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofengang durch Änderung der Temperatur des injizierten Reduktionsgases gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge- !kennzeichnet, daß die Temperatur des injizierten Reduktionsgases dadurch variiert wird, daß gleichzeitig Mittel zum Heizen oder Abkühlen injiziert weiden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet., daß als aufheizende oder abkühlende Mittel entweder ein mehr oder weniger heißes Reduktionsgas oder ein Gemisch aus reduzierenden Mitteln und oxydierenden Mitteln injiziert wird, die gemeinsam miteinander unter Bildung von Reaktionsprodukten mit einem Gehalt an CO, H₂ und N₂ reagieren.

8. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens mach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise im inneren der Blasformen des Schachtofens angeordneter Plasmabogenbrenner vorgesehen ist, dessen Ausgang die Injektionsöffnung zum Injizieren des Reduktionsgases in den Schachtofen darstellt.

60 beschickt ist, in welchem die Erze reduziert und geschmolzen werden, wobei von außen Reduktionsgas zugeführt wird.

Es ist bekannt, daß der Koks in Schachtöfen einen vielfältigen Einfluß hat, der kurz in folgender Weise beschrieben werden kann:

a) Der den Windformen zugeführte Wind ruft die Verbrennung eines großen Teiles oder des gesamten Kokses der Charge hervor. Der Anteil des verbrannten Kokses liegt zwischen 60 und 100 % entsprechend physikalisch-chemischen Eigenschaften der behandelten Mineralien bzw. Erze und der sie begleitenden Metalle und hängt ab von den Bedingungen der Ofenführung, von der Temperatur, dem Gehalt an Sauerstoff und der Feuchtigkeit des eingeblasenen Windes. Als Beispiele können Kupfer und Eisen genannt werden. Während der Aufarbeitung von Kupfer entspricht der in Blasformen verbrannte Koks lOO°/o des gesamten Verbrauchs an Koks, während beim Eisen dieser Anteil zwischen 60 und 70°/c <tes gesamten Koksverbrauches beträgt. Diese Verbrennung gibt ein Gasgemisch frei, das im wesentlichen aus CO, H₂ und N₂ besteht, das eine Temperatur zwischen 1200 und 2700° C gemäß den Bedingungen des Ofenganges und den physikalisch-chemischen Eigenschaften der behandelten Mineralien und der sie begleitenden Metalle aufweist. Dieses Gas übt einen zweifachen Einfluß aus, nämlich die die Charge des Ofens bildenden Materialien zu erhitzen und zu reduzieren.

b) Bei Metallen, deren Oxyde nur be' hoher Temperatur (1" > 900° C) reduziert werden können, beispielsweise Eisenoxyd (FeO), bei aem die Reduktion der folgenden Reaktion abläuft:

FeO

Fe + CO,