DE3905486A1 - Schmelzofen und beschickungsverfahren fuer denselben - Google Patents
Schmelzofen und beschickungsverfahren fuer denselbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen, vorzugsweise
einen Gleichstromofen und ein Verfahren zum Beschicken des
Schmelzofens mit dem darin zu erschmelzenden Material. Da
bei werden sauerstoffhaltige Stoffe, beispielsweise Erzkon
zentrate oder Oxidzwischenprodukte zu einem für die weitere
Raffination geeigneten Erzeugnis weiterverarbeitet.
Die Stahlerzeugung aus Roheisen und die meisten Reduktions
verfahren, die in Öfen mit verdecktem Lichtbogen durchge
führt werden, beruhen auf der Tatsache, daß das Material in
Form von stückigem Erz, Sinter oder Agglomeraten vorliegt,
und daß im allgemeinen Koks das einzig annehmbare Redukti
onsmittel ist.
Eine Einschränkung bei den vorstehend genannten Herstel
lungsverfahren besteht darin, daß feinverteiltes Erz nicht
ohne teure Agglomerieren benutzt werden kann, gleichgültig
ob die Reduktion und das Schmelzen in einem Hochofen oder
einem Ofen mit verdecktem Lichtbogen durchgeführt wird.
Eine weitere Einschränkung ist dadurch gegeben, daß das
notwendige Reduktionsmittel hauptsächlich metallurgischer
Koks von hoher Qualität ist, dessen Erzeugung Umweltpro
bleme schafft. Eine dritte Einschränkung bei Öfen mit ver
decktem Lichtbogen besteht darin, daß eine Voraussetzung
für ein wirtschaftliches Erschmelzen in einem hohen elek
trischen Widerstand der Schlacke besteht, was allgemein im
Widerspruch steht zu den metallurgischen Erfordernissen.
Folglich ist man schon seit langem darum bemüht, neue
Schmelzverfahren ohne diese Einschränkungen zu schaffen.
Unter den neuen Verfahren finden sich einige, die auf dem
Schmelzen von feinverteiltem Erz in einem Elektroofen beru
hen, wo die zum Schmelzen erforderliche Energie mittels
eines Plasma-Lichtbogens oder eines Gleichstrom-Lichtbogens
erzeugt wird oder der elektrische Strom die Schlacke durch
Widerstandsverluste aufheizt. Diese neuen Verfahren
schließen oft eine Vorerwärmung und vorläufige Reduktion
des feinverteilten Erzes ein.
Zu den mit Plasma-Lichtbogen arbeitenden Verfahren seien
folgende genannt:
- - Freital-Verfahren (Kepplinger L.-W., Müller H., Koch E., Bericht über plasmametallurgische Entwicklungen bei der Voest-Alpine, 19. Metallurgisches Seminar der GDMB; Elek troofentechnik in der Metallurgie, 1987),
- - EPP-Verfahren (Heanley C. P., Cowx P. M., The smelting of Ferrous Ores Using a Plasma Furnace, Electric Furnace Con ference Proceedings, ISS-AIME, Bd. 40, 1982, ss. 257-265),
- - SSP-Verfahren (Moore J. J., Reid K. J., Industrial Plasma for Steelmaking, Electric Furnace Conference Proceedings, ISS-AIME, Bd. 40, 1982, ss. 231-238),
- - Plasmacan-Verfahren (CA-Patent 11 73 481) und
- - University of Toronto-Verfahren (Sommerville I. D., Mc Lean A., Alcock C. B., Smelting and Refining of Ferroalloys in a Plasma Reactor, Electric Furnace Conference Proceedings, ISS-AIME, Bd 41, 1983).
Die dabei vorherrschende Schwierigkeit besteht darin, daß
ein zu großer Anteil der Plasma-Lichtbogenstrahlung in die
Erwärmung der Auskleidung des Ofens geht, statt das er
schmolzene und das zugeführte Rohmaterial zu erhitzen. Zur
Erleichterung der Situation wird das Rohmaterial als eine
Art Vorhang um den Lichtbogen herum zugeführt. Da der Vor
hang dünn bleibt, kann diese Lösung jedoch nicht als opti
mal betrachtet werden.
Bei Verwendung eines Gleichstromofens, wie bei der ASEA-An
meldung (schwedische Patentanmeldung 86 00 939-6) und dem
ELRED-Verfahren (Collin P. H., Sticker H., The ELRED Pro
cess, Iron and Steel Engineer, Bd. 57, 3, 1980, ss. 43-45)
wird das Rohmaterial durch ein Loch zugeführt, welches in
der Elektrode vorgesehen ist. Um elektrisch leitfähig zu
bleiben, erfordert der Lichtbogen jedoch eine hohe Tempera
tur und kann deshalb auch bei diesem Verfahren die Ausklei
dung zu stark erwärmen, oder die Stabilität des Lichtbogens
nimmt ab, so daß auch der Energiewirkungsgrad niedrig ist.
IRSID hat gemeinsam mit CLESIM und Jeumont-Schneider einen
Gleichstromofen mit drei Elektroden als Kathoden gebaut.
Die Lichtbögen werden aufgrund des Magnetfeldes dabei nach
innen gebogen. In der Praxis hat sich erwiesen, daß die Ab
strahlung des Lichtbogens an die Wände äußerst gering ist
im Vergleich zur Lichtbogenstrahlung eines Wechselstrom
ofens.
Feinverteiltes Metalloxid und/oder metallsulfidhaltiges Ma
terial kann zum Erzeugen einer Metallschmelze auch nach den
Verfahren gemäß den finnischen Patentschriften 66 433 und
66 434 behandelt werden. Dabei wird das metalloxidhaltige
Material, wenn es durch einen Schachtofen fällt, dadurch
geschmolzen, daß es mit den heißen Gasen in Berührung ge
bracht wird, die durch Verbrennen erzeugt werden. Ein Teil
des kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittels wird gleichzeitig
in den Schachtofen geleitet. Die erwähnten heißen Gase wer
den durch den Schacht nach oben geleitet, und das geschmol
zene, metalloxidhaltige Material, welches sich im unteren
Teil des Schachtes befindet, wird durch Teilreduktion in
Kontakt mit dem zugeführten Reduktionsmittel zu einem vor
reduzierten Produkt umgewandelt. Das der Behandlung unter
zogene metalloxidhaltige Material wird gemeinsam mit dem
Rest des Feststoffs durch schräg nach oben gerichtete Bren
ner in den Schachtofen eingeleitet. Mittels der nach unten
geneigten Brenner wird der feste Stoff zur Mitte des
Schachtofens gelenkt. Folglich bildet sich in der Mitte des
Schachtofens ein dicker Materialvorhang. Dort ist es un
wahrscheinlich, daß die Erwärmung der am weitesten innen
befindlichen Teilchen die gleichen Bedingungen erreicht,
wie bei den äußeren Teilchen, so daß sich infolgedessen
eine ungleichmäßige und schlechte Energienutzung ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung einiger
Nachteile des Standes der Technik einen Schmelzofen zu
schaffen, der die einem Gleichstrom-Lichtbogenofen zuge
führte elektrische Energie wirksamer nutzt. Aufgabe der Er
findung ist es auch, ein Beschickungsverfahren für das in
einem solchen Schmelzofen zu behandelnde Material zu schaf
fen.
Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung gehen aus den
Patentansprüchen hervor.
Gemäß der Erfindung wird das feinverteilte Schmelzgut in
einen Gleichstrom-Lichtbogenofen durch mindestens eine in
der Decke des Ofens vorgesehene Beschickungsöffnung im Be
reich zwischen den Elektroden zugeführt, wobei die Beschic
kungsöffnung vorteilhafterweise an eine Vorwärmeinheit für
das Schmelzgut und/oder an einen Konzentratverteiler ange
schlossen ist. Diese Teile bilden vorzugsweise ein im we
sentlichen geschlossenes System mit dem Gasraum des
Schmelzofens und ermöglichen damit eine im wesentlichen
gleichmäßige Schmelzgutzufuhr zum Schmelzofen. Die für die
Behandlung erforderliche elektrische Energie kann deshalb
viel besser als beim Stand der Technik auf das geschmolzene
und das einzuführende Gut gerichtet werden.
Die Erfindung läßt sich mit Vorteil bei einem Gleichstrom-
Lichtbogenofen anwenden, bei dem mindestens drei als Katho
den eingesetzte Elektroden hängend an der Decke angebracht
und in einem Kreisbogen im wesentlichen symmetrisch in der
Mitte des Ofens angeordnet sind. Die Anode ihrerseits ist
in der Bodenauskleidung des Ofens angeordnet, so daß sie
mit der im Ofen vorhandenen Schmelze in Berührung steht.
Wenn Konstruktionen wie der vorstehend beschriebene Gleich
strom-Lichtbogenofen zur Verwirklichung der Erfindung be
nutzt werden, biegt das von den Elektrodenströmen erzeugte
Magnetfeld die Lichtbögen nach innen. Diese Biegung der
Lichtbögen nach innen kann noch weiter gefördert werden,
wenn man die Kathoden zur vertikalen Ebene geneigt an
bringt. Der Winkel zwischen diesen Elektroden und der senk
rechten Ebene liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 5°.
Somit wird der größte Teil der von den Lichtbögen erzeugten
Energie, der nicht in die Badschmelze übertragen wird, in
die Mitte des Ofens gerichtet, und zwar sanft nach oben ge
richtet. Da das gemäß der Erfindung zu behandelnde Schmelz
gut auch in die Mitte des von den im Ofen angeordneten
Elektroden bestimmten Kreises eingeführt wird, kann die von
den Lichtbögen erzeugte Energie mit Vorteil zum Schmelzen
herabfallender Teilchen genutzt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
vorteilhafterweise in der Mitte des von den Elektroden ge
bildeten Kreises ein Abschnitt der Decke des Elektroofens
so ausgebildet, daß er wesentlich größer ist als der Rest
der Decke. Dieser Teil dient als Vorwärmschacht für das
feinverteilte Schmelzgut, um die darin vorhandenen Teilchen
vorzuerwärmen, ehe sie in den Wirkungsbereich der Energie
gelangen, die im Ofen gemäß der Erfindung vorzugsweise von
den Lichtbögen erzeugt wird.
Die bei der Behandlung des Schmelzgutes gebildeten Abgase
werden aus dem Schmelzofen gemäß der Erfindung durch Ab
zugsöffnungen abgeführt, die außerhalb des von den Elektro
den beschriebenen Kreises liegen. Gemäß der Erfindung ist
es auch möglich, einen Teil der Abgase in die Vorwärmein
heit, das heißt den Vorwärmschacht zurückzuleiten, der in
der Mitte des Schmelzofens angeordnet ist, um auf diese
Weise das Erwärmen der Teilchen des Zufuhrgutes zu fördern.
Aus dem Vorwärmschacht können die im Kreislauf geführten
Abgase entzogen werden, ehe sie in die eigentliche Schmelz
zone des Schmelzofens gelangen. Sie können aber auch ge
meinsam mit den restlichen im Schmelzverfahren entstehenden
Gasen durch die Gasabzüge abgeleitet werden, die außerhalb
des von den Elektroden beschriebenen Kreises angeordnet
sind.
Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften
Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungs
beispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Schema eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung von der Seite gesehen;
Fig. 2 ein Schema eines weiteren bevorzugten Ausführungs
beispiels der Erfindung von der Seite gesehen, und
Fig. 3 ein Schema eines bevorzugten, hilfsweisen Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung von der Seite gesehen.
Wie Fig. 1 zeigt, wird als Schmelzgut 1 ein Gemisch aus
feinverteiltem Konzentrat, Reduktionsmittel und Zuschlag
stoff durch einen Verteiler 3 für Konzentrat in einen Vor
wärmschacht 2 eingeführt. Mittels des Verteilers 3 wird der
im wesentlichen senkrecht zugeführte Feststoff in im we
sentlichen getrennte Partikel aufgeteilt und in einer
gleichmäßigen Suspension vorteilhafterweise über die ganze
Querschnittsfläche 30 des Vorwärmschachtes verteilt. Der Vor
wärmschacht erhält also eine vorteilhafte dünne Konzen
tratsuspension, so daß die Erwärmung der Teilchen im we
sentlichen gleichmäßig erfolgt. Die für das Erschmelzen des
Feststoffes nötigen Kathoden 4 sind um den Vorwärmschacht 2
herum so angeordnet, daß das von den Elektrodenströmen er
zeugte Magnetfeld die Lichtbögen nach innen biegt. Die An
ode 21 ihrerseits ist in der Auskleidung am Boden des Elek
troofens angeordnet, so daß sie mit der Schmelze 6 in Be
rührung steht. Ein Teil der von den Lichtbögen 22 erzeugten
Energie, die nicht unmittelbar an die Schmelze 6 am Boden
des Schmelzofens 5 übertragen wird, wird von dem Schmelzgut
1 absorbiert, welches vorteilhafterweise aus dem Vorwärm
schacht 2 herabfällt. Die bei der Behandlung des Materials
entstehenden Abgase werden aus dem Schmelzofen 5 durch Gas
abzüge 20 abgeführt, welche außerhalb des Elektrodenkreises
in der Decke des Schmelzofens angeordnet sind. Die Abgase
werden dann zu Gasbehandlungsanlagen weitergeleitet. Das
behandelte Material seinerseits wird vorzugsweise durch
eine Ausflußöffnung 7 an der Seite des Schmelzofens 5 abge
stochen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird
feinverteiltes Konzentrat 1 zusammen mit Reduktionsmittel und
Zuschlagstoff dem aus dem Schmelzofen 8 kommenden Abgas im
Anschluß 9 zugeleitet. Die zum Verbrennen nötige Sauer
stoffmenge wird, wenn nötig, der aus den Abgasen und dem
Schmelzgut gebildeten Suspension durch einen Anschluß 10
zugeleitet. Der Sauerstoff kann entweder als reiner Sauer
stoff oder als sauerstoffangereicherte Luft zugeführt wer
den. Die Suspension aus Gas und Feststoffen des Verfahrens
wird in den Vorwärmschacht 11 des Schmelzofens tangential
eingeleitet. Dann kann das zur Vorerwärmung des Feststoffes
benutzte Gas im Wege der Zyklonabscheidung aus dem Vorwärm
schacht 11 entfernt werden, ehe das vorerwärmte Material in
die eigentliche Schmelzzone 12 des Schmelzofens eintritt.
Das zum Vorerwärmen des Feststoffs nötige Gas wird aus dem
Vorwärmschacht 11 durch den im mittleren Teil desselben
vorgesehenen Anschluß 13 abgeführt. Die durch diesen An
schluß 13 abgeführten Gase werden zu einer Gasbehandlungs
einheit weitergeleitet, beispielsweise zu einem Abwärmeboi
ler 14, um die darin enthaltenen Feststoffe abzuscheiden,
und danach beispielsweise weiter zu einem Gaswäscher 15.
Um das Abtrennen von Feststoffen aus dem für die Vorerwär
mung benutzten Gas zu verbessern, ist der Vorwärmschacht 11
vorzugsweise so gestaltet, daß er bei 30 nach unten verengt ist.
Dieser sich nach unten verengende Vorwärmschacht 11 bewirkt
dann, daß der nach unten in die Schmelzzone 12 des Schmelz
ofens herabfallende Feststoff vorteilhafterweise im wesent
lichen in die Nähe der Mitte des Schmelzofens 8 gerichtet
wird.
Die Kathoden 16 des Schmelzofens 8 sind, wie beim Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 1, um den Vorwärmschacht 11 herum
angeordnet, so daß das von den Elektrodenströmen erzeugte
Magnetfeld die Lichtbögen nach innen, das heißt zur Mitte
des Schmelzofens biegt. Damit wird von dem vorerwärmten
Feststoff, der aus dem Vorwärmschacht 11 herabfällt, derje
nige Teil der von den Lichtbögen erzeugten Energie genutzt,
der nicht unmittelbar an die im Schmelzofen vorhandene
Schmelze übertragen wird.
Die in der Schmelzzone 12 des Schmelzofens erzeugten Gase
werden durch Gasabzüge 17 abgeleitet, die außerhalb des von
den Elektroden gebildeten Kreises in der Decke des Schmelz
ofens vorgesehen sind. Ein Teil dieser Abgase aus der
Schmelzzone wird in den Anschluß 9 geleitet, um in den Vor
wärmschacht 11 zurückzuströmen. Der Rest der Abgase aus der
Schmelzzone wird durch Anschlüsse 18 abgeführt und einer
Gasbehandlungseinheit 19 und anschließend weiterer Behandlung
zugeleitet.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im
Schmelzofen gemäß der Erfindung ein Verteiler 24 für Kon
zentrat in der Mitte der Decke 23 angeordnet und leitet das
Gemisch des feinverteilten Schmelzgutes, den Zuschlagstoff
und das Reduktionsmittel unmittelbar, ohne Vorerwärmung, in
den Gasraum des Schmelzofens 25. Auf diese Weise trifft die
aus dem Schmelzgut gebildete Suspension ziemlich schnell
nach ihrer Zufuhr auf die von den Kathoden 26 gebildeten,
nach innen gebogenen Lichtbogen 27. Das Ausführungsbeisiel
gemäß Fig. 3 ist besonders vorteilhaft für leicht entflamm
bare Stoffe.
Die bei der Reduktion entstehenden Abgase werden aus dem
Schmelzofen 25 durch Gasabzüge 28 abgeleitet, die außerhalb
des im Deckel des Ofens von den Kathoden 26 gebildeten
Kreises angeordnet sind. Von dort werden die Abgase einer
weiteren Behandlung zugeleitet. Bei dem in Fig. 3 gezeig
ten, bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Boden
elektrode, nämlich die Anode 29, der in den Ausführungsbei
spielen gemäß Fig. 1 und 2 benutzten Elektrode.
Der erfindungsgemäße Schmelzofen und das Verfahren zum Be
schicken desselben wurde angewandt für ein Konzentrat, wel
ches folgende Stoffe (Angaben in Gewichtsprozent) enthielt:
42,7% Cr2O3, 22,2% FeO, 3,5% Fe2O3, 4,1% SiO2, 13,1% Al2O3,
10,2% MgO, 0,7% CaO und Rest. Um das Schmelzverfahren durchzufüh
ren, wurde der Schmelzofen nicht nur mit 20,54 t Konzentrat
beschickt, sondern auch mit insgesamt 4,2 t Dolomit und
Quarzit als Zugschlagstoff und 4,3 t Koks als Reduktions
mittel. Die Feststoffe wurden zunächst, wie in Fig. 2 ge
zeigt, durch den Umlaufanschluß des Schmelzofens tangential
in den Vorwärmschacht eingeführt, wobei das Zyklonprinzip
angewandt wurde.
Der Vorwärmschacht hat die Aufgabe, das im eigentlichen
Schmelzofen zu erschmelzende Gut bis zu einer Temperatur
von 700°C zu erwärmen. In den Vorwärmschacht wurde
4420 Nm3 sauerstoffhaltiges Gas, das heißt Verbrennungs
luft, eingeleitet. Im Zusammenhang mit der Erwärmung wurde
7185 Nm3 Gas aus dem Vorwärmschacht zur Weiterbehandlung
abgeführt.
Das vorerwärmte Material wurde unter Anwendung des Zyklon
prinzips in den Schmelzofen geleitet, wo sich während des
Schmelzverfahrens zwei geschmolzene Phasen bildeten, näm
lich Schlacke von insgesamt 10,49 t und Ferrochrom von ins
gesamt 10,0 t. Gleichzeitig entstanden insgesamt 6610 Nm3
Abgase, von denen 2145 Nm3 in den Vorwärmschacht zurückge
leitet wurden, um kalten Feststoff zu erwärmen.
Das aus dem Schmelzofen gewonnene Ferrochromprodukt
enthielt 52,5% Chrom, 37,0% Eisen, 3,0% Silizium und 7,5%
Kohlenstoff (Gewichtsprozentangaben). Die Analyse der er
haltenen Schlacke ergab 6,4% Chrom, 3,4% Eisen, 29,5% Sili
ziumoxid, 26,5% Aluminiumoxid, 22,9% Magnesiumoxid, 5,9%
Kalziumoxid und Rest (Gewichtsprozentangaben). Die erhaltene Aus
beute an Chrom im Ferrochromprodukt betrug also 87,8%, die
Ausbeute an Eisen 90,2%, und der Energieverbrauch des
Schmelzofens betrug 31,7 MWh.
Claims (12)
1. Schmelzofen, insbesondere ein Gleichstrom-Lichtbogen
ofen zum Behandeln feinverteilten Materials mit mindestens
drei Elektroden, die durch die Decke des Ofens herabhängend
so angebracht sind, daß sie den Lichtbogen erzeugen, und mit
Deckenöffnungen für die Zufuhr von Feststoffen und für die
Abgabe von Verfahrensgasen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzofen
(5; 8; 25) für die Zufuhr von Schmelzgut in den von den
durch das Dach herabhängenden Elektroden (4; 16; 26) be
schriebenen Kreis mit mindestens einer Beschickungsöffnung
(30) versehen ist, die an Hilfsglieder zum gleichmäßigen
Einführen des Schmelzgutes in den Schmelzofen angeschlossen
ist, und daß außerhalb des von den Elektroden (4; 16; 26)
beschriebenen Kreises mindestens ein Abzug (20) für die Ab
leitung der beim Verfahren gebildeten Gase vorgesehen
ist.
2. Schmelzofen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die an die Be
schickungsöffnung (30) angeschlossenen Glieder, die eine
gleichmäßige Zufuhr des Schmelzgutes erzeugen, ein im we
sentlichen geschlossenes System mit dem Gasraum (12) des
Schmelzofens (5; 8; 25) bilden.
3. Schmelzofen nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß an die Beschic
kungsöffnung (30) ein Konzentratverteiler (3; 24) für das
Schmelzgut und eine Vorwärmeinheit (2; 11) angeschlossen
ist.
4. Schmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an die Beschic
kungsöffnung (30) eine Vorwärmeinheit (2; 11) für das
Schmelzgut angeschlossen ist.
5. Schmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmein
heit (2; 11) eine sich nach unten verengende Gestalt hat.
6. Schmelzofen nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß an die Beschic
kungsöffnung (30) ein Konzentratverteiler (24) für das
Schmelzgut angeschlossen ist.
7. Verfahren zum Beschicken des Schmelzofens gemäß An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgut
zum Vorwärmen in Suspension in den Schmelzofen (5; 8; 25)
eingeleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension in
die Vorwärmeinheit (2; 11) des Schmelzofens eingeführt
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension
mittels eines Konzentratverteilers (3; 24) erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension
senkrecht zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der
Suspension ein Teil der Abgase aus dem Schmelzofen in die
Vorwärmeinheit (2; 11) zurückgeleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension
tangential zugeführt wird.
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