DE3542829C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stahlher­ stellung aus Schrott, Festroheisen, Eisenschwamm, Eisen­ pellets und Mischungen davon in einem Konverter, der über Seitenwanddüsen zur Medienzufuhr unterhalb der Badoberflä­ che verfügt, und in dem die festen Einsatzstoffe mit kohlen­ stoffhaltigen Brennstoffen vorgeheizt, verflüssigt, aufge­ kohlt und mit Sauerstoff gefrischt werden.

Der Siemens-Martin-Herdofen und der Elektrolichtbogenofen sind seit Jahrzehnten die bedeutenden Frischgefäße zur Her­ stellung von Stahl aus festen Eisenträgern. Zunehmende wirt­ schaftliche Nachteile und Schwierigkeiten, die Auflagen des Umweltschutzes zu erfüllen, haben den Anteil des Sie­ mens-Martin-Prozesses an der Weltstahlproduktion deutlich sinken lassen und schließlich dazu geführt, daß 1982 in Deutschland das letzte SM-Werk geschlossen wurde. Dagegen hat die Entwicklung des Elektrolichtbogen-Verfahrens eine breitere Anwendung ud technische Weiterentwicklung erfah­ ren, obwohl die Elektroenergie relativ teuer ist und der Ofen-Betrieb das elektrische Netz erheblich belastet.

Die Umwandlung der Primärenergie beispielsweise fossiler Brenn­ stoffe in elektrische Energie vollzieht sich bekanntermaßen mit einem relativ schlechten Wirkungsgrad, und demzufolge können Vorteile von der direkten Umsetzung fossiler Energie bei der Stahlerzeugung erwartet werden. So ist es nicht verwunderlich, daß entsprechende Vorschläge, beispielsweise der direkte Einsatz von Kohle und Koks bei der Stahlerzeugung, schon seit vielen Jahren bekannt sind.

Die deutsche Patentschrift 18 00 610 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einschmelzen von Schrott, bei dem eine Schrottsäule mittels einer zentral liegenden, tellerförmigen Flamme von unten her aufgeschmolzen wird und das flüssige Schmelzgut zur weiteren Behandlung in ein anderes Gefäß abfließt. Diese Zweistufigkeit hat für die betriebliche Praxis Nachteile, und hauptsächlich aus diesem Grund hat der Prozeß bislang keine Anwendung bei der gewerblichen Stahlherstellung gefunden.

Das erste Verfahren, mit dem es großtechnisch gelungen ist, in einem Konverter aus Schrott unter Einsatz kohlenstoffhaltiger Brennstoffe Stahl zu erzeugen, ist mit seinen wesentlichen Merkmalen in der deutschen Offenlegungsschrift 28 16 543 be­ schrieben. Dabei betreibt man die im unteren Konverterbereich angeordneten Düsen zunächst mit Sauerstoff und Kohlenstoff­ trägern, die stöchiometrisch verbrannt werden, und die heißen Verbrennungsgase durchströmen das Haufwerk der festen Eisen­ träger im wesentlichen von unten nach oben. Dadurch werden die festen Einsatzstoffe zunächst vorgeheizt, anschließend eingeschmol­ zen, und die Schmelze wird in demselben Konverter mit Sauerstoff fertiggefrischt. Bei diesem Prozeß haben sich in der betrieblichen Praxis starke Streuungen in der Wärmebilanz beim Schrottvor­ heizen und in der Sumpfbildungsphase, d. h. dem ersten Ein­ schmelzen der festen Eisenträger, ergeben. Wahrscheinlich sind die Oxidationsbedingungen des Brennstoffs nicht optimal auf die Gegebenheiten während des Einschmelzens der festen Einsatzstoffe eingestellt. Schwankungen im Wirkungsgrad und erhöhter Feststoff­ austrag aus dem Konverter zusammen mit dem Gasstrom, erwiesen sich als nachteilig.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung zur Stahlherstellung aus festen Einsatzstoffen, wie Schrott, Festroheisen, Eisenschwamm, Eisen­ pellets und beliebigen Mischungen davon, in einem Konverter zu schaffen, das ein relativ schnelles Aufheizen dieser festen Einsatzstoffe mit hohem thermischem Wirkungsgrad und niedrigen Eisenverlusten durch geringen Staubaustrag aus dem Konverter und ein Fertigfrischen der erzeugten Schmelze im gleichen Gefäß erlaubt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art in der Vorheiz- und Einschmelzphase, bis mindestens ¹/₄ der Einsatzstoffe verflüssigt ist, oxidierend mit Sauerstoff-Faktoren von 1.1 bis 1.5, bezogen auf stöchiometrische Verbrennung der eingeleite­ ten kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, gearbeitet, anschließend die Kohlenstoffkonzentration im Bad auf 2 bis 4% angehoben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die überraschende Erkenntnis zunutze, im Gegensatz zu den bekannten Prozessen, die mit reduzierenden bis stöchiometrischen Brennstoff-/Sauerstoff-Ver­ hältnissen arbeiten, oxydierende Flammen zum Aufschmelzen der festen Einsatzstoffe, insbesondere Schrott, anzuwenden. Dabei arbeitet man mit Sauerstoffüberschuß, d. h. mit Sauerstoff-Faktoren von mindestens 1.1 bis hin zu etwa 1.5. Ein Sauerstoff-Faktor von 1 bedeutet dabei stöchiometrische Verbrennung, und der Sauer­ stoff-Faktor von 1.1 entspricht einem Sauerstoffüberschuß von 10%.

Es hat sich bei dem Bemühen, die Oxidationsbedingungen der Brennstoffe auf die physikalisch und thermodynamischen Gegeben­ heiten des Einschmelzens von Schrott bei der Stahlerzeugung optimal aufeinander einzustellen, überraschenderweise gezeigt, daß es nur mit oxydierenden Flammen gelingt, in relativ kurzen Zeiten die chargierte Schrottmenge in einem Konverter einzuschmel­ zen, bis mindestens etwa ¹/₄ dieser festen Einsatzstoff flüssig vorliegt. Es wird nunmehr vermutet, daß dieser unerwartete Effekt einerseits auf die heißen Flammen beim Verbrennen fossiler Brennstoffe, wie Gas, Öl, Feinkohle mit Sauerstoff, zurückzuführen ist und andererseits durch den Sauerstoffüberschuß schnell Frei­ räume im Schrotthaufwerk entstehen, die das Ausbreiten der Flammen besser zulassen und somit eine größere Oberfläche für den Wärmeübergang schaffen. Der befürchtete Nachteil einer im größeren Umfang stattfindenden Oxydation des Eisens und somit einer starken Überoxydation der ersten entstehenden Schmelze, bestätigt sich in der Praxis nicht. Vielmehr führte das Einleiten kohlenstoffhaltiger Brennstoffe in die gebildete Schmelze, wenn etwa ¹/₄ bis zur Hälfte der festen Einsatzstoffe verflüssigt sind, bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zu keinerlei Schwierigkei­ ten. Die Schmelze ließ sich problemlos auf Kohlenstoffkonzentra­ tionen zwischen 2 bis 4% aufkohlen.

Bei den bekannten Verfahren werden reduzierende Stoffe, bei­ spielsweise stückige Kohlenstoffträger (Kohle, Koks), und festes Roheisen zusammen mit dem einzuschmelzenden Schrott chargiert, um die Eisenoxydation zu unterbinden. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt grundsätzlich ohne diese Zugabe von reduzieren­ den Materialien zu den festen Einsatzstoffen aus. Obwohl nicht erfindungswesentlich, liegt es jedoch im Sinne der Erfindung, Kohlenstoffträger bzw. festes Roheisen zusammen mit den festen Einsatzstoffen zu chargieren. Auf diese Weise kann z. B. das Brennstoffangebot in der Schrottschüttung vergrößert werden.

Gemäß der Erfindung werden die in der Vorheiz- und Einschmelz­ phase zuzuführenden Reaktionspartner, nämlich Sauerstoff und Brennstoff in gasförmiger, flüssiger oder fester Form, durch Düsen, die man als Brenner betreibt, im unteren Bereich in das Schrotthaufwerk im Konverter eingeleitet, so daß die heißen Verbrennungsgase den Schrott im wesentlichen von unten nach oben durchströmen. Erfindungsgemäß sind diese Düsen im unteren Teil der Konverterseitenwand angeordnet und liegen somit unterhalb der Badoberfläche, wenn der Schrott eingeschmolzen ist. Diese Düsenanordnung hat sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als besonders vorteilhaft bewährt.

Während man erfindungsgemäß diese Düsen in der Vorheiz- und Einschmelzphase wahlweise mit einem kostengünstigen Brennstoff, in gasförmiger, flüssiger oder fester Form, betreibt, werden die Düsen, sobald sie mit Schmelze bedeckt sind, nur noch mit festen, pulverisierten, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, wie beispielsweise Kohle, Koks, Braunkohlenkoks oder Mischungen davon, beschickt. Die Umschaltung der Düsen von beispielsweise Erdgas auf beispielsweise Braunkohlenkoks kann erfindungsgemäß einzeln, in mehreren Gruppen oder auch für alle Düsen gleichzeitig erfolgen.

Nach beendeter Zufuhr der festen Brennstoffe unterhalb der Badoberfläche werden die Düsen in bekannter Weise zum Frischen der Schmelze mit Sauerstoff und Kohlenwasserstoffummantelung zum Düsenschutz betrieben. Die Schmelze wird im gleichen Konverter, in dem auch bereits das Vorheizen der festen Einsatzstoffe stattgefunden hat, fertiggefrischt und schließlich mit der gewünschten Endanalyse abgestochen. Dabei können die erforderli­ chen Schlackenbildner, wie Kalk und Flußmittel, in Pulverform als Suspension mit dem Sauerstoff in die Schmelze eingeblasen werden.

Es liegt im Sinne der Erfindung, die aus der Schmelze austreten­ den Reaktionsgase, im wesentlichen CO und H₂, im oberen Gasraum des Konverters in bekannter Weise nachzuverbrennen und die dabei entstehende Wärme an die Schmelze rückzuübertragen. Auf diese Weise erhöht man den wärmetechnischen Wirkungsgrad der in die Schmelze eingeblasenen kohlenstoffhaltigen Brennstoffe und verbessert die Wärmebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es kommen bei der Nachverbrennung insbesondere die Lehren des deutschen Patentes 28 38 983, "Verfahren zur Wärmzufuhr bei der Stahlerzeugung im Konverter", zur Anwendung. Der Sauerstoff kann dabei entweder ausschließlich durch eine oder mehrere Seitenwanddüse(n) und/oder mit einer wassergekühlten Lanze auf die Badoberfläche geblasen werden.

Es liegt weiterhin im Sinne der Erfindung, die Düsen unterhalb der Badoberfläche in der Seitenwand des Konverters gegen Frischende, kurz vor dem Abstich der fertiggefrischten Schmelze, in bekannter Weise mit Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, zu betreiben. Das Inertgas kann dabei durch sämtliche Düsenkanäle gleichzeitig eingeblasen werden und zur Reduzierung der gelösten, gasförmigen Bestandteile in der Schmelze, insbeson­ dere von Wasserstoff, dienen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, dessen wesentliche Stufen darin bestehen, erstens die festen Einsatzstoffe im Konverter oxydierend mit hohem wärmetechnischem Wirkungsgrad einzuschmelzen, dann, zum weiteren Wärmeeinbringen und zur Erhöhung der Kohlenstoff­ konzentration, der Schmelze feinkörnige, kohlenstoffenthaltende Brennstoffe und Sauerstoff zuzuführen und schließlich durch Sauerstoffeinblasen die Schmelze auf eine gewünschte Abstich­ analyse und Temperatur fertigzufrischen, wird bevorzugt mit einem speziellen, erfindungsgemäßen Düsentyp betrieben.

Die grundsätzliche Konstruktion dieser Düse, einer Anordnung aus drei konzentrischen Rohren für die Zufuhr verschiedener Medien und zum Betrieb als Brenner, ist bekannt. Jedoch sind bei der Düse gemäß der Erfindung die Flächen der freien Querschnitte im Zentralrohr und im ersten Ringspalt neben dem Zentralrohr ungefähr gleich groß, und diese Zuführungskanäle erlauben es, mindestens zeitweise gleichzeitig durch diese beiden Kanäle Gas-Feststoff-Suspensionen oder auch Sauerstoff in den Konverter zu blasen. Die Düse kann als Brenner, Einblasaggregat und Frischdüse betrieben werden. Das Innenrohr und der benachbarte Ringspalt können umschaltbar mit unterschiedlichen Gasen und Gas-Feststoff-Suspensionen beaufschlagt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die Verhältnisse von Brenngas und Sauerstoff in weiten Grenzen geändert werden können, und die Düse ermöglicht es, sie parallel mit zwei Arten von Feststoffen zu betreiben. Der äußere Ringspalt dient, ähnlich wie bei der in die Betriebspraxis eingeführten OBM-Düse, zum Einleiten von gasförmi­ gen und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffen zum Düsenschutz. Die Schutzmedienmengen betragen normalerweise weniger als 15 Gew.-%, bezogen auf die Sauerstoffmenge. Nicht zuletzt aus wirtschaftli­ chen Gründen wird die Düsenschutzmediumrate so niedrig wie möglich gehalten.

Für das Betreiben einer Düse als Brenner bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren sind hohe Brennstoffmengen, beispielsweise Gas, erforderlich, die mit einer technisch vertretbaren Druckerhöhung nicht mehr durch den äußeren Ringspalt einer bekannten OBM-Düse geleitet werden können. Bei der erfindungsgemäßen Dreirohr-Düse erlaubt das zusätzliche Innenrohe die Zufuhr der erforderlichen Brennstoffe in ausreichenden Mengen. In der Frischphase beauf­ schlagt man dieses Innenrohr mit Sauerstoff. Ein weiterer Vorteil der Dreirohr-Düse besteht darin, daß gleichzeitig feinkörnige Kohlenstoffträger, in Suspension mit Inertgas, durch das Innen­ rohr und Sauerstoff, mindestens zeitweise mit Kalk beladen, durch den benachbarten Ringspalt einer einzigen Düse in das Bad oder auch in die Schrottsäule geblasen werden können. Überraschender­ weise zeigen das Innenrohr sowie das benachbarte erste konzen­ trische Rohr, einschließlich der Abstandshalter zwischen diesen beiden Rohren, keinerlei Verschleißprobleme bei der Betriebsweise mit den genannten zwei Feststoffsuspensionen. Darüber hinaus brennt das Zentralrohr auch beim Sauerstoffbetrieb im Innenrohr und im benachbarten Ringspalt nicht voreilend zurück, wie zunächst befürchtet. Somit stellt die erfindungsgemäße Dreirohr- Düse ein vielseitig einsetzbares, metallurgisches Schmelz-, Ein­ blas- und Frisch-Aggregat dar.

Die Erfindung wird nun anhand eines nichteinschränkenden Beispiels näher erläutert.

In einen Konverter mit einer Erzeugungskapazität von 125 t und einem lichten Konvertervolumen von rund 140 m³ im neu ausge­ mauerten Zustand werden bis zu 140 t Schrott chargiert. Der Konverter verfügt an den beiden gegenüberliegenden Seiten unterhalb der Drehzapfen in einer Höhe von 0,20 m bis 0,60 m oberhalb des neuen Konverterbodens über acht erfindungsgemäße Dreirohr-Düsen. Durch diese Düsen strömen während der Vorheiz­ phase 210 Nm³/min Erdgas, 400 Nm³/min Sauerstoff und zum Schutz der Düsen durch den äußeren Ringspalt 40 Nm³/min Erdgas. Nach einer Vorheiz- und Einschmelzphase von rund 15 min sind etwa 50% der chargierten Schrottmenge verflüssigt. Nunmehr werden durch die unteren vier Düsen, die sich bereits unterhalb der Badoberfläche befinden, 800 kg/min Braunkohlenkoks mit 70 Nm³/ min Stickstoff in das Bad geblasen. Die restlichen Düsen werden weitere rund 5 min mit Erdgas, 105 Nm³/min, und Sauerstoff, 200 Nm³/min, betrieben.

Nach einer Gesamtzeit von 20 bis 25 min befinden sich alle Düsen unterhalb der Badoberfläche, und in einer Zeit von rund 15 min werden mit Blasraten von bis zu 800 kg/min Braunkohlenkoks, 300 Nm³/min Sauerstoff und 40 Nm³/min Erdgas zum Düsenschutz, insgesamt rund 13 t Braunkohlenkoks in die Schmelze geblasen.

Im Anschluß an das Einblasen der festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, in diesem Fall Braunkohlenkoks, hat die Charge eine Kohlenstoffkonzentration von ca. 3,5%. Nunmehr wird die Schmelze mit einer Blasrate von 500 Nm³/min Sauerstoff, verteilt auf die genannten acht Düsen, in einer Zeit von ca. 10 min fertigge­ frischt und mit einer Temperatur von rund 1700°C abgestochen.

Gleichzeitig zu den genannten Sauerstoffmengen, die unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze geleitet werden, bläst man aus zwei Düsen in der oberen Konverterseitenwand, etwa 4 m über dem ruhendem Badspiegel, 100 bis 200 nM³/min Sauerstoff auf die Schmelze.

Mit dem Sauerstoffaufblasen wird etwa gleichzeitig mit dem Umschalten der unteren Seitenwanddüsen von Gas auf Braunkohlen­ koks als Brennstoff begonnen.

Die spezifischen Verbrauchszahlen zur Erzeugung von 1 t Stahl aus Schrott betragen 53 Nm³ Erdgas, 103 kg Braunkohlenkoks, 160 Nm³ Sauerstoff. Für die Schlackenarbeit bläst man, zusammen mit dem Sauerstoff, 50 kg Kalk/t Stahl in die Schmelze.

Claims (9)

1. Verfahren zur Stahlherstellung aus Schrott, Festroh­ eisen, Eisenschwamm, Eisenpellets und Mischungen davon in einem Konverter, der über Seitenwanddüsen zur Me­ dienzufuhr unterhalb der Badoberfläche verfügt, und in dem die festen Einsatzstoffe mit kohlenstoffhaltigen mit Sauerstoff gefrischt werden, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Vorheiz- und Einschmelzphase, bis mindestens ¹/₄ der Einsatzstoffe verflüssigt ist, oxiderend mit Sauerstoff-Faktoren von 1.1 bis 1.5, bezogen auf stöchiometrische Verbrennung der ein­ geleiteten, kohlenstoffhaltigen Brennstoffe, gearbei­ tet, anschließend die Kohlenstoffkonzentration im Bad auf 2% bis 4% angehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Vorheizphase der festen Einsatzstoffe mit gasförmigen, flüssigen und/oder festen Brennstoffen ge­ heizt wird, und sobald die Seitenwanddüsen mit Schmel­ ze bedeckt sind, nur noch feste, pulverisierte Brenn­ stoffe, eingeblasen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als feste, pulverisierte Brennstoffe Kohle, Koks, Braunkohlenkoks und beliebige Mischungen davon einge­ blasen werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusammen mit den festen Einsatzstoffen stückige Kohlenstoffträger chargiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als stückige Kohlenstoffträger Koks und/oder Kohle chargiert werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachverbrennung der die Schmelze verlassenden Reaktionsgase, Sauerstoff durch den Gasraum des Konverters aus einer oder mehre­ ren Seitenwanddüsen und/oder einer wassergekühlten Lan­ ze auf die Badoberfläche geblasen wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gegen Frischende Inert­ gas, durch sämtliche Kanäle der Seitenwanddüsen in die Schmelze geblasen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff oder Argon durch sämtliche Kanäle oder Seitenwanddüsen in die Schmelze geblasen wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Düse aus drei konzentrischen Rohren, bei der die Flächen der freien Querschnitte im Zentralrohr und im ersten Ring­ spalt neben dem Zentralrohr ungefähr gleich groß sind, mindestens zeitweise durch das Zentralrohr und gleich­ zeitig durch den ersten Ringspalt Gas-Feststoff-Suspen­ sionen oder Sauerstoff geblasen werden.