DE4205657A1

DE4205657A1 - Konverter

Info

Publication number: DE4205657A1
Application number: DE4205657A
Authority: DE
Inventors: Samuel Walton Marcuson; Carlos Alfredo Landolt; James Harold Amson; Haydn Davies
Original assignee: Vale Canada Ltd
Current assignee: Vale Canada Ltd
Priority date: 1991-04-26
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1992-10-29
Also published as: FI921861A; FI103584B; US5180423A; CA2041297A1; FI921861A0; BE1006838A3; CA2041297C; AU638395B2; FI103584B1; AU1513992A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Konverter zum Ver blasen bzw. Frischen von Nichteisenmetallen, insbesondere auf dessen Lanze zum Aufblasen eines sauerstoffhaltigen Gases bei gleichzeitigem Rühren der Schmelze; sie zielt auf ein Verfahren mit hoher Sauerstoffausnutzung beim Frischen von Nichteisenmetallen ab.

Ein bekanntes Sauerstoffaufblasverfahren zum Verblasen von Kupferstein unter gleichzeitigem Einblasen eines Rührgases beschreibt die US-Patentschrift 48 30 667. Bei diesem Verfahren wird eine Kupfersulfidschmelze durch Aufblasen von Sauerstoff zu metallischem Kupfer gefrischt und gasförmiges Schwefeldioxid freigesetzt. Während des Frischens wird zur Verbesserung der Sauerstoffausnutzung und zur Verminderung des Anteils an Kupferoxyd im Ver gleich zu Nickeloxyd das Bad gleichzeitig gerührt. Dieses Verfahren hat sich an sich bewährt; es zeichnet sich durch eine hohe Ausnutzung des Sauerstoffs bei verhält nismäßig kurzer Frischzeit aus, ist jedoch mit der Gefahr eines Überhitzens der Schmelze verbunden. Dies ist inso fern nachteilig, als damit eine wesentliche Verringerung der Futterhaltbarkeit und eine Beeinträchtigung der Qua lität des gefrischten Kupfers verbunden ist.

Die herkömmlichen Aufblaslanzen sind verhältnismäßig kom pliziert und daher entsprechend teuer. Diese Lanzen ragen üblicherweise bis in die heiße Ofenzone oberhalb der Schmelze, kommen aber auch als Tauchlanzen zur Verwen dung. Zudem erfordern die Lanzen zum Schutz gegen Oxyda tion und ein Anschmelzen eine intensive Kühlung mittels Wasser oder eines Schutzgases. Eine wassergekühlte Lanze ist aus der kanadischen Patentschrift 10 08 661 bekannt; sie besitzt im Bereich der stärksten Temperaturbeanspru chung einen vergrößerten Querschnitt für das Kühlwasser. Die kanadische Patentschrift 12 34 292 beschreibt hinge gen eine Konverterlanze zum Senkrechtaufblasen von Hoch drucksauerstoff mit einem Druck von 1 bis 3 kg/cm₂ auf eine Schmelze bei gleichzeitigem Einblasen von Luft durch Düsen. Der Lanzenabstand von der Badoberfläche beträgt dabei im Hinblick auf eine hohe Sauerstoffgeschwindigkeit im Brennfleck 40 cm.

Weiterhin beschreibt die kanadische Patentschrift 10 42 207 eine das Entstehen von Ansätzen durch Bad- und Schlackenspritzer verhindernde Lanze, während die kanadi sche Patentschrift 10 35 575 eine wartungsfreundliche Lanze beschreibt, die sich auf einfache Weise austauschen und vertikal einstellen läßt. Die Lanze besitzt keine Wasserkühlung und besteht aus sich selbst verzehrenden Rohren, die nach kurzer Zeit durch neue ersetzt werden müssen. Hinzu kommt, daß die Lanze aus Gründen eines gleichmäßigen Verschleißes ständig gedreht wird. Weitere verhältnismäßig komplizierte Lanzenkonstruktionen, Sy steme und Betriebsweisen zielen auf eine hohe Betriebssi cherheit, gute Handhabbarkeit und eine hohe Frischwir kung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Konverter und ein Verfahren zum wirksamen Frischen von Nichteisen metallen zu schaffen, bei denen es zu erheblich weniger ansatzbildenden und verschleißfördernden Spritzern kommt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem feuerfest aus gekleideten Konverter zum Frischen von Nichteisen-Ein satzstoffen mit mindestens einer dessen Mauerwerk im un teren Teil durchragenden Rührgasdüse und mindestens einer das Mauerwerk im oberen Konverterteil durchragenden und aus Gründen des Verschleißschutzes nur wenig hervorstehenden Lanze, bei dem während des Aufblasens ei nes sauerstoffhaltigen Gases und des Einblasens eines Rührgases unterhalb der Badoberfläche zum Kühlen der Schmelze feste Nichteisenmetalle wie Schrott chargiert werden.

Als Nichteisenmetalle eignen sich Kupfer und Nickel, Kup fer- und Nickeloxyde, Kupfer- und Nickelsulfide sowie Kupfer- und Nickel-Eisen-Legierungen, bei Kupfer-, Nickel- und Edelmetallschmelzen übliche durch Sauerstoff oxydierbare Verunreinigungen sowie übliche Begleitele mente. Unter Sauerstoffausnutzung ist das Mengenverhält nis des mit dem geschmolzenen Nichteisenmetall verbun denen Sauerstoffs einerseits und der Menge des insgesamt eingeblasenen Sauerstoffs zu verstehen. Bei den Prozentangaben handelt es sich, soweit nichts anderes an gegeben ist, um Gewichtsprozente. Schließlich ist unter einem abgewandelten Peirce-Smith-Konverter ein feuerfest ausgekleidetes, um eine horizontale Achse drehbares Gefäß zu verstehen, dessen charakteristischen Peirce-Smith-Dü sen ausgebaut oder zumindest zeitweilig außer Betrieb ge setzt wurden. Schließlich werden mit "Oxydschlacken" feste oder halbfeste, bei der Oxydation entstehende Me talloxyde bezeichnet, beispielsweise Kupfer- oder Kupfer oxyd enthaltende Nickeloxyde.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Frischen von Nichteisen-Einsatzstoffen, bei dem vorzugsweise die Verunreinigungen oxydiert werden und sich als Schlacke oder Gas rasch entfernen lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Frischen von Nichteisen-Metallsulfiden, insbesondere Kupfer- und Nickelsulfide sowie teilweise verblasener Sulfide wie Halb-Blisterkupfer mit 1 bis 8% Schwefel sowie zum Ein- bzw. Umschmelzen von Metallschrott.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich nung mit teilweise weggebrochener Wandung und an den Stirnseiten angeordneten Lanzen dargestellten Trommel-Kon verters des näheren erläutert.

Es handelt sich um einen abgewandelten Peirce-Smith-Kon verter 10 zum Frischen bzw. Raffinieren einer Schmelze aus Nichteisenmetallsulfid durch Aufblasen eines oxydie renden Gases und Einblasen eines Rührgases unterhalb der Badoberfläche. Der Konverter kann auch mit den bekannten Peirce-Smith-Düsen ausgerüstet sein. Zum Rühren dienen inerte oder reduzierende Gase, vorzugsweise Stickstoff, der gegenüber geschmolzenen Nichteisenmetallen inert ist. Das Konvertergehäuse 12 besitzt eine mit einem feuerfe sten Futter 16 ausgekleidete Kammer 18. Das Konverterfut ter besteht vorzugsweise aus feuerfesten Steinen. Die Kammer ist unterteilt in einen die Schmelze 14 aufnehmen den unteren Teil 20 und einen darüber befindlichen oberen Teil 22. Poröse Stopfen 24 dienen zum Einblasen eines Rührgases in die Schmelze 14, das in der Schmelze zur Badoberfläche aufsteigende Blasen 25 bildet. Vor teilhafterweise sind die Porösstopfen 24 so angeordnet, daß sie sich ohne ein Abstechen der Schmelze 14 in eine Position oberhalb der Badoberfläche bewegen lassen. Dies dient der Gefahrenabwehr im Falle eines Lecks am Stopfen oder in dessen Umgebung. Zwei Lanzen 26, 28 durchragen die Konverterwandung im oberen Teil 22. Die Lanzen 26, 28 sind mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Sauerstoffquelle verbunden. Als Frischgas kommen Luft und vorzugsweise mit Sauerstoff angereicherte Luft oder im wesentlichen reiner Sauerstoffinfrage. Im vorliegenden Falle ist unter im wesentlichen reiner Sauerstoff ein Frischgas mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 85% zu verstehen. Vorzugsweise kommt beim Frischen ein derar tiger Sauerstoff zur Verwendung, da höhere Sauerstoffkon zentrationen den Schrottsatz erhöhen.

Die Lanzen 26, 28 sind so ausgerichtet, daß das sauer stoffhaltige Gas dort auf die Badoberfläche trifft, wo die Schmelze mittels der aufsteigenden Gasblasen gerührt wird. Dort schafft das Rührgas ständig eine frische bzw. neue Badoberfläche zur Oxydation der in der Schmelze ent haltenen Verunreinigungen. Die Lanzen 26, 28 liefern einen gegenüber der horizontalen Mittellinie des Konver ters nach abwärts in Richtung auf die Badoberfläche ge richtete Gasstrahlen. So läßt sich ohne weiteres eine 75%ige Ausnutzung des Sauerstoffs erreichen, ohne daß Hochgeschwindigkeitsgasstrahlen erforderlich sind. Bei einigen Phasen des Kupferfrischens beträgt die Sauerstoffausnutzung sogar 90% und mehr. Eine derartig hohe Ausnutzung des Sauerstoffs bewirkt in Verbindung mit dem Rühren durch Bodeneinblasen ein rasches Erhitzen der Schmelze. Allerdings führt ein Überhitzen der Schmelze zu einer Verkürzung der Futterhaltbarkeit. Zur Vermeidung einer Überhitzung wird daher vorzugsweise im wesentlichen reiner Nichteisenmetallschrott chargiert. Dabei kommt vorzugsweise großstückiger Schrott zur Verwendung, der rasch durch die steife Schlackenschicht absinkt. Vorzugs weise wird grobstückiger Schrott mit langer Einschmelz zeit zu Beginn des Sauerstoffblasens chargiert.

Die Lanzen 26, 28 sind außerhalb der heißesten Zone im Konverterraum oberhalb der Schmelze an den Stirnseiten 30, 32 angeordnet; sie ragen lediglich ein kleines Stück in den Ofenraum 18 und bieten daher den die Lebensdauer beeinträchtigenden Bedingungen im Konverter nur eine be grenzte Oberfläche. Dabei sollten die Lanzen so in bezug auf die Badoberfläche angeordnet sein, daß sie für Bad- und Schlackenspritzer nicht erreichbar sind. Vorzugsweise sind die Lanzen so angeordnet, daß sie sich in einer Ofenzone befinden, deren Temperatur - ohne die Verwendung eines Hilfsbrenners - mindestens 25% unter der Badtemperatur liegt. Die Lanzen sollten insbesondere we niger als 1 m, vorzugsweise weniger als 10 cm in das Kon verterinnere hineinragen; sie können jedoch auch mit Hilfe einer einfachen Wasserkühlung ausgerüstet sein. Die badferne Anordnung der Lanzen führt zu einem wirksamen, mit verhältnismäßig geringen Kosten und geringem Wartungsaufwand verbundenen Konverter zum Frischen von Nichteisen-Einsatzstoffen.

Der abgewandelte Peirce-Smith-Konverter besitzt auf Rol len 35, 37 gelagerte Ringe 34, 36 sowie einen mit einem Motor 38 versehenen mechanischen Antrieb 40. Dieser An trieb dreht den über die Ringe 34, 36 auf den Rollen 35, 37 gelagerten Konverter 12. Beim Abstechen wird der Kon verter 12 so lange um seine Achse gedreht, bis die Schmelze aus einem Abstichloch 42 abfließt. Die Porösstopfen 24 verschleißen mit dem feuerfesten Futter 16 und fallen daher von Zeit zu Zeit aus. Demgemäß sind die Stopfen 24 vorzugsweise im Abstand von dem Antrieb 40 angeordnet, und ist die im Konverter befindliche Menge der Schmelze 14 so eingestellt, daß sich die Porösstopfen 24 beim Drehen des Konverters ohne ein Abstechen der Schmelze bis über die Badoberfläche bewegen lassen.

Bei einem Versuch kam ein düsenloser abgewandelter Peirce-Smith-Konverter mit zwei stirnseitig angeordneten Lanzen zur Verwendung. Ein entfernbarer Luft/Brennstoff-Brenner diente zum Beheizen des Konverters während der Stillstandszeiten und fünf Porösstopfen zum Einblasen ei nes Rührgases. Die beiden Sauerstofflanzen waren entspre chend der zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 einander gegenüberliegend so in den Stirnseiten des Konverters an geordnet, daß sie einer nur geringen Beanspruchung durch die Ofentemperatur und -atmosphäre unterlagen. Jede Sau erstofflanze besaß eine Wasserkühlung und eine Gasleitung durch die Kühlwasserführung zum Einblasen eines brennba ren Gases und demgemäß zum Betrieb der Lanze als Brenner. Die antriebsferne Lanze war um etwa 45° abwärts in bezug auf die horizontale Längsachse des Konverters geneigt, um den Sauerstoff in den Bereich einer Rührzone zu bringen, während bei der gegenüberliegenden, in ähnlicher Weise angeordneten Lanze der Neigungswinkel 25° betrug. In der selben Stirnwand des Konverters kann auch ein Luft/Erdgas-Hilfsbrenner angeordnet sein. Des weiteren können als Starthilfe oder zur Erhöhung des Schrottsatzes extern betriebene Brenner dienen oder Brennstoff in die Lanzen eingespeist werden. Während des Frischens ist je doch eine Brennstoffzufuhr nicht erforderlich.

Angesichts der geringen Gefährdung durch Bad- und Schlackenspritzer können die Brenner und die Sauer stofflanzen gleichzeitig betrieben werden. Außerdem läßt sich das Bodenrühren zusammen mit einem Brennerbetrieb zum Halten der Schmelze, einer Kupfermatte oder der Schlacke unbegrenzt anwenden. Das Bodenrühren bewirkt eine Zirkulation der Schmelze; es führt zu einem gleich mäßigen Erwärmen der Schmelze und verhindert deren Ein frieren am Boden des Konverters. Die Bodenstopfen 24 wur den mit Stickstoff zum Rühren einer Schmelze aus Halb-Blister-Kupfer betrieben; sie bestanden aus nicht gerich teter Narco-A94-Schmelz-Tonerde in einer Menge von 3,8·10^-3 Nm³/s. Die Porösstopfen waren so beschaffen und angeordnet, daß sie in der Lage waren, eine Oberflä chenzone mit einem Durchmesser von 0,9 bis 1,2 m ständig schlackenfrei halten konnten.

Tabelle I

Insgesamt wurden 15 Versuchsschmelzen mit Halb-Blister-Kupfer durchgeführt. Dabei wurden etwa 120 t Halb-Blister-Kupfer mit etwa 3% Schwefel durch kombiniertes Blasen zu Blisterkupfer gefrischt. Die Sauerstofflanzen besaßen einen Durchmesser von 15,2 cm mit einem konzen trischen Einsatz eines Durchmessers von 7,0 cm zur Erhö hung der Gasgeschwindigkeit. Die Gasgeschwindigkeit be trug bei Blasraten von 84 bis 91 t/d je Lanze 139 bis 150 m/s. Sämtliche Gasgeschwindigkeiten wurden auf die Lanzenspitze sowie Normaldruck und -temperatur berechnet. Die angestrebte Konvertertemperatur lag bei 1260 bis 1290°C. Bei einer Temperatursteigerung auf über 1315°C wurden Reinkupferanoden zum Kühlen der Schmelze einge setzt. Des weiteren dienten große Blöcke und Pfannenan sätze als Kühlmittel. Diese Blöcke und Ansätze benötigten im allgemeinen zwei Stunden bis zum völligen Einschmel zen. Mit Hilfe einer Sauerstoffmessung wurde jeweils das Frischende bestimmt. Bei Frischende wurde jeweils eine hinreichende Menge Schrott aus Reinkupferanoden char giert, um die Badtemperatur auf unter etwa 1215°C, vor zugsweise auf 1190 bis 1204°C zu drücken. Diese Tempera turverringerung erhöht die Entschwefelungswirkung beim Badrühren mit Stickstoff und treibt zusätzlichen Schwefel aus der Schmelze. Tatsächlich ergab sich beim Stickstoffrühren im Temperaturbereich von 1150 bis 1315°C eine Verringerung des Schwefelgehalts. So wurde denn eine weitere Stunde mit Stickstoff gerührt, um den Schwefel gehalt weiter abzusenken. Die sich an der Badoberfläche sammelnde Schlacke wurde bedarfsweise von Zeit zu Zeit entfernt. Das Entfernen der Schlacke nach jedem zweiten Zyklus ist insofern von Vorteil, als es zu einer Verrin gerung der Schlackenmenge führt, die ansonsten zu einem verstärkten Spritzen an der Lanze gegenüber der Antriebs seite während und nach dem zweiten Zyklus führen würde.

Auf die beschriebene Weise ließ sich Halbblister-Kupfer erfolgreich zu Blister-Kupfer frischen. Feste Kupferplat ten, Blöcke und Pfannenansätze dienten als Kühlmittel. Die zusammengefaßten Daten von 15 Versuchsschmelzen fin den sich in der nachfolgenden Tabelle II.

Tabelle II

Die nachfolgende Tabelle III gibt den Kühlmittel- oder Schrottzusatz in Abhängigkeit von der Sauerstoffblasrate unter Verwendung einer oder auch zwei Lanzen wieder.

Tabelle III

Das Gesamtausbringen an Kupfer betrug 84%; zusätzlich 87% des Nickeleinbringens gerechnet als 3,8 : 1 Cu : Ni Kupferstein. Beim herkömmlichen Düsen-Frischen zum Her stellen von Blister-Kupfer beträgt der Endschwefelgehalt 130 bis 150 ppm. Hingegen lag der Endschwefelgehalt des Blister-Kupfers bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Rühren bei 67+29 ppm Schwefel und 0,76+0,15% Nickel.

Der Reinheitsgrad des Sauerstoffs betrug 96%. Der Sauer stoffverbrauch wurde bei den einzelnen Versuchen gemes sen. Bei der Entnahme von Proben des Halbblister-Kupfers traten periodisch Schwierigkeiten auf, weswegen gegebe nenfalls Durchschnittswerte bestimmt wurden. Die beiden Lanzen wurden einzeln und gemeinsam getestet. Die mitt lere Sauerstoffausbeute betrug 58% für die antriebssei tige, um 25° geneigte Lanze bei 91 Tagestonnen und 80%+6% bei der um 45° geneigten anderen Lanze sowie 84%+9% beim Zwei-Lanzenbetrieb. Wegen Fehlens eines einfa chen und genauen Verfahrens wurde die Sauerstoffausbeute aufgrund der geschätzten Gewichte von Einsatz und Ab stichmenge sowie in zahlreichen Fällen aufgrund einer Mittelwertbildung bestimmt.

In der nachfolgenden Tabelle IV sind die Behandlungszei ten für das Frischen eines etwa 3% Schwefel enthaltenden Kupfers des vorliegenden Verfahrens den Frischzeiten des nicht für die Verwendung von Kühlschrott geeigneten Dü sen-Verfahrens gegenübergestellt.

Tabelle IV

Die Daten der Tabelle IV zeigen die Vorteile beim Fri schen lediglich mit der antriebsseitigen Lanze, wenn gleich die Frischzeit infolge des experimentellen Charak ters der Versuche stark erhöht war. Bei einem Betrieb un ter Produktionsbedingungen dürften sich die aus der nach folgenden Tabelle V im Vergleich zu dem herkömmlichen Dü sen-Verfahren bei einer Produktion von 181 Tagestonnen ersichtlichen Frischzeiten ergeben.

Tabelle V

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert im Vergleich zu dem Düsen-Verfahren in etwa denselben Zeitaufwand. Jedoch ergibt das erfindungsgemäße Verfahren geringere Endschwe felgehalte bei verringerten Instandhaltungskosten. Des weiteren erlaubt der Wärmeüberschuß das Einschmelzen von Kupferschrott ohne zusätzliche Brennstoffkosten und ohne einen besonderen Umschmelz- oder Halteofen.

Claims

1. Konverter zum Verblasen von Nichteisen-Einsatzstoffen durch Aufblasen eines sauerstoffhaltigen Gases mit

- einem feuerfest ausgekleideten Gehäuse (12) mit einem unteren, die Schmelze (14) aufnehmenden und einem darüber befindlichen oberen Teil (20, 22),
- Gaseinlässen (24) im unteren Teil zum Rühren der Schmelze und
- mindestens einer im oberen Teil angeordneten, an eine Leitung für sauerstoffhaltiges Gas ange schlossenen und auf die Rührzone gerichteten Lanze (26, 28), die
- nur minimal in den Konverterinnenraum (18) hinein ragt.

2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lanze (26, 28) zusätzlich an eine Brenn gasquelle anschließen läßt.

3. Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lanze (26, 28) nach abwärts geneigt ist und das Konverterfutter (36) weniger als 1 m überragt.

4. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Lanze (26, 28) in einer Stirnwand (30) angeordnet ist.

5. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Lanze (26, 28) an eine Sauerstoffquelle mit niedrigem Sauerstoffdruck angeschlossen ist.

6. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil Porösstopfen (24) für ein Spülgas angeordnet sind.

7. Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Porösstopfen (24) mit Abstand zu einem unter halb des unteren Teils angeordneten Drehantrieb (40) angeordnet sind.

8. Konverter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Porösstopfen (24) ohne ein Ab stechen der Schmelze (14) in eine Lage oberhalb des Badspiegels bringen lassen.

9. Verfahren zum Verblasen von Nichteisen-Einsatzmaterialien, bei dem

- das Einsatzmaterial in einem Konverter (10) einge schmolzen,
- die Schmelze durch Einblasen eines Gases unterhalb der Badoberfläche gerührt, zur Badoberfläche ge bracht und dort feste Oxydationsprodukte entfernt sowie
- auf die freiliegende Badoberfläche mit Hilfe einer nur wenig in den Ofenraum hineinragenden Lanze ein sauerstoffhaltiges Gas geblasen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze mit Hilfe eines festen Nichteisenme talls gekühlt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß im wesentlichen reiner Sauerstoff auf die Schmelze und über Bodendüsen im wesentlichen rei ner Stickstoff in die Schmelze geblasen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupferschmelze nach der Beendigung des Frischens und vor einem Bodenrühren mit Hilfe von Kupferschrott auf eine Temperatur unter etwa 1200°C gekühlt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze mit Hilfe einer Verbrennung eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine sulfidische Schmelze ge frischt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze durch Einblasen ei nes Inertgases durch Porösstopfen gerührt wird, die sich durch Drehen des Konverters ohne ein Abstechen über die Badoberfläche bewegen lassen.