DE3905486A1

DE3905486A1 - Schmelzofen und beschickungsverfahren fuer denselben

Info

Publication number: DE3905486A1
Application number: DE3905486A
Authority: DE
Inventors: Nils Haakan Hakulin; Risto Markus Heikkilae; Matti Elias Honkaniemi; Helge Johannes Krogerus; Launo Leo Lilja
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1989-08-31
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: DE3905486B4; AT395478B; ZA891206B; SE8900415D0; ATA39289A; SE8900415L; NO890729L; NO173957C; US4995051A; NO173957B; FI79560B; FR2627578B1; NO890729D0; FI880819A0; FR2627578A1; SE470387B

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.

Beispiel

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

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.