DE4429653C2 - Konverter und Verfahren zum Frischen von Metallschmelzen insbesondere von Roheisen zu Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Konverter und ein Verfahren zum Frischen vom Metall- insbesondere von Eisenschmelzen im Gegenstrom bei welchem ohne Schlackenwechsel Schmelzen mit höheren Phosphorgehalten zu Schmelzen mit besonders niedrigen P-Gehalten verarbeitet werden können.

Die Anforderungen an unlegierte Stahle in Hinblick auf niedrige P-Gehalte haben in den letzten Jahren standig zugenommen, während der Vorrat an P-armen Eisenerzen im Abnehmen begriffen ist. Aus P-armen Erzen bekommt man ein Roheisen mit etwa 0.08-0.1% P. Aus einem solchen Roheisen kann man in einem Sauerstoffkonverter üblicher Bauart Eisenschmelzen mit etwa 0.016-0.010% P erblasen. Will man P-Gehalte von max. 0.005% erreichen, muß man einen Schlackenwechsel durchführen oder man muß sehr aufwendige Verfahren mit Entsilizierung und gegebenenfalls teilweiser Entphosphorung außerhalb des Konverters einsetzen. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß zusätzliche Abfallschlacken entstehen, deren Deponierung auf immer größere Schwierigkeiten stößt.

Immer jedoch muß die Absenkung des P-Gehaltes vor dem eigent­ lichen Frischen des Eisens mit einer Verminderung des Schrottsatzes erkauft werden wodurch die Rohstahlkosten steigen.

Es gibt auch ein Verfahren bei welchem zuerst das Roheisen entsilliziert und anschließend in zwei hintereinander geschalteten Konvertern entphosphort und entkohlt wird.

Im ersten Konverter wird vorentphosphort und vorentkohlt. Daraufhin wird das Eisen in den zweiten Konverter gegossen, wo die Feinentphosphorung und die Hauptentkohlung stattfindet.

Dieses bis jetzt fortschrittlichste Verfahren ist ebenfalls umständlich und wegen der vielen dazu erforderlichen Aggregate mit hohen Energieverlusten verbunden.

Ein weiterer Nachteil aller gebräuchlichen Verfahren ist der Chargenbetrieb und der damit verbundene Temperaturwechsel Das Roheisen, welches vor dem Frischen eine Temperatur von üblicherweise 1300-1400°C aufweist, erreicht im Laufe des Frischprozesses trotz Zusatz von Kühlschrott Temperaturen, die bis über 1800°C gehen können. Dieser Temperaturzyklus des Eisens beansprucht die feuerfeste Auskleidung der Konverter sehr stark, wodurch es zu Abplatzungen von Feuerfestmaterial zusätzlich zum korrosiven Angriff der sehr aggressiven Schlacken auf die feuerfeste Auskleidung kommt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, mit denen Metallschmelzen, insbesondere Roheisen, die aus phosphorhaltigen Erzen hergestellt sind, ohne Anfall größerer Schlackenmengen sowie ohne größere Energieverluste und ohne Chargenbetrieb gefrischt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 18 vorgeschlagen.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung bzw. dem vorgeschlagenen Verfahren handelt es sich um eine Vorrichtung bzw. Verfahren zum Frischen von Eisenschmelzen, bei denen die Schlacke im Gegenstrom zum flüssigen Eisen fließt.

Auch andere Metallschmelzen, wie z. B. hochgekohlte mangan- oder chromhaltige Eisenschmelzen, können nach diesem Verfahren in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen behandelt werden.

Immer wieder wurde in der Vergangenheit versucht die Entphos­ phorung des Eisens mit flüssiger bas. Schlacke im Gegenstrom­ verfahren zu realisieren z. B. DPA 2 229 097, DPA 1 758 637, DPA 1 930 746. Alle diese Verfahren waren jedoch apparativ zu aufwendig oder in der Funktion mangelhaft und haben sich daher in der Praxis nicht durchsetzen können.

Überraschenderweise konnte dieses klassische Problem der Eisen­ metallurgie mit einer speziellen Art von Konvertern gelöst werden, die mindestens zwei Reaktionsräume bzw. Segmente besitzen und einen Siphon oder ein bis zum Boden der Konverter reichendes Ausgußrohr haben über das die fertig behandelte Schmelze die Konverter verläßt.

Die Besonderheit der Konverter liegt darin, daß in Fließrichtung des Eisens gesehen der Schlackenspiegel beim nachfolgenden Reaktionsraum bzw. Segment jeweils höher ist. Dadurch fließt der Schlackenstrom in Gegenrichtung zum Strom des Eisens. Das Eisen selbst fließt durch Durchlässe (Füchse) am Boden der Trennwand oder Trennwände von einem Segment zum anderen.

Es kann auch zweckmäßig sein die einzelnen Segmente noch in Kammern zu unterteilen, um diverse metallurgische Schritte gezielter durchführen zu können. Segmente sind eigengestaltige Bestandteile der Konverter, die beispielsweise einen eigenen Deckel haben können und/oder ein anderes Niveau von Schlacke und Metall aufweisen als benachbarte Segmente.

Während das bekannteste Gegenstromverfahren das Eisen mittels einer elektromagnetischen Rinne gegen die abwärts fließende Schlacke hochfördert, benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keinerlei Antriebe.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren läuft sowohl die Schlacke wie auch das Eisen abwärts aber in entgegengesetzter Richtung. Erreicht wird diese auch für den Fachmann überraschende Tatsache dadurch, daß die Reaktionsräume mit zumindestens einer Sperrwand abgetrennt werden, die bei einem Konverter mit mehr als zwei Segmenten Überläufe für die Schlacke aufweisen, die in Fließ­ richtung des Eisens gesehen eine zunehmende Höhe haben und daß die fertig behandelten Eisenschmelzen die Konverter beispielsweise über einen Siphon oder über ein bis zum Boden der Konverter reichendes Rohr verlassen.

Die Eisenschmelzen können auch mit einer anderen Austragshilfe, beispielsweise durch Absaugen mittels Vakuum oder mit einer Mammutpumpe aus den Konvertern gefördert werden.

Die Überläufe für die Schlacke haben zweckmäßigerweise zumin­ destens teilweise eine Wasserkühlung, um das Niveau der Schlackenspiegel auch bei fortschreitendem Verschleiß des Feuerfestmaterials konstant halten zu können.

Zumindestens ein Teil der Schlacke wird auf der Seite der Konverter aufgegeben, wo sich der Auslauf für die fertig gefrischten Eisenschmelzen befindet. Die Schlacke fließt nach dem Aufschmelzen über die Überläufe von Segment zu Segment der Konverter gegen die Fließrichtung der Eisenschmelzen. Die Eisenschmelzen hingegen kommen einlaufseitig beispielsweise aus einer Pfanne oder einem kontinuierlich arbeitenden Entschwefelungsofen in die Konverter und fließen durch diverse Durchlässe am Boden der erfindungsgemäßen Konverter von einem Segment bzw. von einer Kammer zur anderen, um schließlich die Konverter über einen Siphon oder über ein bis zum Boden der letzten Kammer der Konverter reichendes Ausgußrohr zu verlassen.

Die Schlacke oder ihre Komponenten kann ganz oder teilweise im letzten Segment der Konverter zugegeben werden. Die erfindungsgemäßen Konverter sind bevorzugt kippbar ausgeführt. Wenn sie nicht kippbar gebaut werden, müssen sie abgestochen werden. Bereits durch das Ankippen ergibt sich ein Gefälle für das Eisen zwischen Einlauf und Auslauf der Konverter. Bei nicht kippbaren Konstruktionen muß der Eisenzulauf höher liegen als der Auslauf.

Die einzelnen Segmente können die für Konverter übliche Birnen­ form besitzen. Bei Konvertern, die aus mehr als zwei Segmenten bestehen, ist eine Bauweise aus röhrenförmigen Bauteilen zweck­ mäßig, die Deckel besitzen können.

Die Deckel und/oder Seitenwand der Konverter können oberhalb des Niveaus der Schlacke oder gegebenenfalls oberhalb des Niveaus der Metallschmelzen aus wassergekühlten Paneelen bestehen.

Die erfindungsgemäßen Konverter können in verschiedenen Varianten gebaut werden.

Fig. 1 und 2 zeigt einen Konverter, der aus 3 Segmenten besteht. Der Konverter von Fig 3a hat 4 der von Fig 3b nur 2 Segmente. Fig. 4 stellt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Konverters mit 4 Segmenten dar. Der Konverter von Fig. 3b ist die einfachste Bauweise eines erfindungsgemäßen Konverters. Er kann aus 2 zusammengekoppelten konventionellen Konvertern gebaut werden, indem der erste Konverter 26 einen seitlichen Zulauf für das Roheisen und einen Ablauf für die verbrauchte Schlacke erhält und der zweite konventionelle Konverter 27 mit einem Siphon für die fertig behandelte Stahlschmelze versehen wird. Verbunden werden die beiden Konverter mit einem wassergekühlten Schlackenüberlauf 28 und einem Eisen­ durchlaß 29 am Boden der Reaktionsräume der Konverter.

Der in Fig. 4 gezeigte Konverter besteht aus 4 Segmenten mit kreisrundem Querschnitt. Das in Strömungsrichtung des Metalls erste Segment ist der Vorherd, wo das zufließende Roheisen mit der heißen Schlacke aus dem 2. Segment 31 bei gleichzeitigem Einblasen von Sauerstoff und eventuell anderer fluider Stoffe durch eine oder mehrere Bodendüsen zur Umsetzung gebracht wird. Im 2. Segment 31 erfolgt die Hauptreaktion und das Chargieren des Eisenschrotts. Im 3. Segment 33 wird die Haupt­ menge der Schlacke zugegeben und die Feinentphosphorung durchgeführt. Das 4. Segment 34 kann als Vakuumkammer aus­ gebildet sein, wo der C-Gehalt der Eisenschmelze auf den Tiefstwert abgesenkt wird.

Die kreisrunde Bauform erleichtert eine vakuumfeste Bauweise des 4. Segments. Es kann auch zweckmäßig sein die Arbeitsräume der Segmente in elliptischer Form oder in Form von 2 Halbkreisen mit geradem Mittelstück (quasi elliptisch) zu bauen oder Mischbauweisen zu benützen. Der Querschnitt der Arbeitsräume der Segmente kann auch aus Halbkreisen bestehen oder aus Teilkreisen mit geraden Mittelstücken zusammengesetzt sein.

Nachfolgend wird beispielhaft die Bau- und Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Konverters beschrieben, der in Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Das erste und das letzte Segment des Konverters ist in jeweils zwei Kammern unterteilt.

Das Roheisen, welches in die erste Kammer 1 des ersten Segments fließt, reagiert mit der Schlacke, die über den Überlauf 2 aus dem Hauptreaktor 3 d. h. dem 2. Segment des Konverters kommt.

Am Boden der ersten und zweiten Kammer befindet sich jeweils eine Düse 4 zum Einblasen von Sauerstoff und/oder Luft oder eine Ringdüse zum Einblasen von Sauerstoff und ein Kühlgas wie Erdgas, Propangas, Argon, CO, CO₂ oder deren Gemische. Durch die Reaktion der Schlacke aus dem Hauptreaktor und des eingeblasenen Sauerstoffs mit der zufließenden Eisenschmelze verliert sie einen Großteil ihres Si-Gehaltes. Gleichzeitig steigt ihre Temperatur. Zweckmäßigerweise wird die Temperatur­ erhöhung der Eisenschmelze so bemessen, daß die Schlacke stets gut flüssig bleibt. Es können an dieser Stelle jedoch auch die Flußmittel Flußspat, Soda, Pottasche oder deren Gemische zur Verflüssigung der Schlacke chargiert werden.

Nach der Reaktion mit dem Roheisen fließt die Schlacke über den Überlauf 5 in die zweite Kammer 6 von wo sie nach noch­ maliger Umsetzung mit der durch den Sauerstoff aus der Bodendüse 4 aufgewirbelten Eisenschmelze über eine Schnauze 7 aus dem Konverter herausläuft.

Die durch das Einblasen von Sauerstoff erhitzte Eisenschmelze läuft durch einen Fuchs 8 ebenfalls in die zweite Kammer und durch einen weiteren Durchlaß 9 in den Hauptreaktor 3. Das Volumen des Hauptreaktors ist größer als das des Vor- und Nachreaktors.

Am Boden des Hauptreaktors befinden sich Einblasdüsen 10 für die fluiden Stoffe: Sauerstoff, Argon, Luft und/oder deren Gemische bzw. Ringdüsen für Sauerstoff und Kühlgase wie Erdgas, Propangas, Öl, CO, CO₂ oder deren Gemische.

In diesem Konverterraum kann eine Sauerstoffblaslanze 11 allein oder zusammen mit den Bodendüsen verwendet werden.

Im Hauptreaktor des Konverters steigt die Temperatur der Eisenschmelze auf den höchsten Wert. Es können Temperaturen bis über 1760°C eingestellt werden.

Durch Reaktion der Eisenschmelze mit der Schlacke und dem Sauerstoff kann ihr Si-Gehalt auf Werte kleiner 0.03 Gew.%, ihr Gehalt an Phosphor je nach Ausgangsgehalt des Roheisens auf Werte kleiner 0.02 eventuell sogar kleiner 0.015 Gew.% abnehmen.

Der Kohlenstoffgehalt kann je nach Durchflußgeschwindigkeit und Durchflußmenge der Eisenschmelze je Zeiteinheit sowie dem Sauerstoffangebot je Zeiteinheit auf Werte zwischen 0.5 und 0.015 Gew.% eingestellt werden.

Während des Frischens wird laufend zur Kühlung der Eisenschmelze und Schonung des Konverters sowie zur Erhöhung der Wirtschaft­ lichkeit des Verfahrens Kühlschrott zugesetzt, der gegebenen­ falls vorgewärmt sein kann.

Auch Kalk oder Schlackengemische können in diesem Segment zur Bindung der beim Frischen entstehenden Eisen-, Mangan- und Phosphoroxide chargiert werden.

Wegen des weitgehend kontinuierlichen Prozeßablaufes bietet es sich an die Abwärme des Konverters zur Vorwärmung des über­ wiegend kontinuierlich zugesetzten Schrottes auszunützen. Dadurch kann der Schrottsatz erhöht werden, was die Wirtschaft­ lichkeit des Verfahrens beträchtlich verbessern kann.

Nach der Oxidation des restlichen Siliziums, von einem Teil des Mangans und der Hauptmenge des Phosphors, sowie der weitgehenden Entkohlung der Eisenschmelze, fließt sie durch einen Fuchs 12 in die vierte Kammer 13 im 3. Segment des Konverters. Hier reagiert die Eisenschmelze mit der frischen Schlacke, die aus Komponenten wie Walzenzunder, Konverterstaub, Eisenerz, Manganerz, Bauxit, gebr. Kalk und/oder Kalkstein, gebr. Dolomit und/oder Rohdolomit, gebr. Magnesit und/oder Rohmagnesit, sowie gegebenenfalls Flußspat erschmolzen worden ist. Besonders günstig verhalten sich pelletierte Mischungen aus den o.a. Schlackenrohstoffen, welche vorgesintert oder vorerhitzt worden sind. Aber auch feingemahlene Rohstoff­ mischungen aus o.a. Schlackenkomponenten, welche beispielsweise in Zyklonwärmetauschern vorerhitzt worden sind, können eingesetzt werden. Nach dem Erhitzen auf 900°C haben die verwendeten Schlacke-oder Rohstoffmischungen folgende chem. Analysenwerte:

SiO₂+ Al₂O₃ + TiO₂ + FeO + MnO
1 bis 70 Gew.-%
SiO₂	0 bis 16 Gew.-%
Al₂O₃	0 bis 35 Gew.-%
Cr₂O₃	0 bis 10 Gew.-%
TiO₂	0 bis 7 Gew.-%
FeO	0 bis 70 Gew.-%
MnO	0 bis 20 Gew.-%
CaO + MgO + CaF₂	30 bis 95 Gew.-%
MgO	0 bis 16 Gew.-%
CaF₂	0 bis 10 Gew.-%

sowie rohstoff- und verfahrensbedingte Verunreinigungen.

Bevorzugt haben die Schlacken- oder Rohstoffmischungen nach dem Erhitzen auf 900°C folgende chem. Analysenwerte:

SiO₂ + Al₂O₃ + TiO₂ + FeO + MnO
40 bis 60 Gew.-%
SiO₂	0 bis 5 Gew.-%
Al₂O₃	5 bis 15 Gew.-%
TiO₂	0 bis 3 Gew.-%
FeO	30 bis 60 Gew.-%
MnO	0 bis 20 Gew.-%
CaO + MgO + CaF₂	40 bis 60 Gew.-%
MgO	2 bis 10 Gew.-%
CaF₂	0 bis 2 Gew.-%

sowie rohstoff- und verfahrensbedingte Verunreinigungen.

Diese Schlacken oder Schlackenkomponenten werden bevorzugt in der fünften Kammer (14) im 3. Segment aufgegeben.

Von dieser Kammer gelangt die Schlacke nach dem Aufschmelzen oder als Gemenge auf der bereits aufgeschmolzenen Schlacke schwimmend in die vierte Kammer 13. In dieser Kammer wird mit einer oder mehreren Düsen 15 von unten Sauerstoff eventuell in Kombination mit Argon oder den anderen bereits erwähnten Kühlgasen eingeblasen. Zusätzlich können zum raschen Auf­ schmelzen der Schlacken Gas- oder Ölbrenner eingesetzt werden.

In der vierten Kammer wird der gewünschte endgültige C-Gehalt eingestellt und der P-Gehalt auf den Tiefstwert abgesenkt.

Nach der Reaktion mit der Eisenschmelze läuft die Schlacke dann durch den Überlauf 16 in den Hauptreaktor.

Die Eisenschmelze fließt hingegen durch den Durchlaß 17 in die fünfte Kammer 14. In dieser letzten Kammer sammelt sich das entkohlte, entphosphorte und mit Oxiden übersättigte Eisen. In dieser Kammer kann durch eine Düse 18 von unten Argon oder Argon zusammen mit sauerstoffarmen, bas. Stoffen wie fein­ gemahlenem, gebranntem Kalk eingeblasen werden, um die Eisen­ schmelze vorn überschüssigen Sauerstoffgehalt zu befreien.

Die Trennwand 19 zwischen der vierten Kammer und der fünften Kammer kann auch bis zum Konverterrand hochgezogen und mit einem eigenen, gasdichten Deckel verschlossen werden. Sodann kann an die fünfte Kammer 14 ein Vakuum zur Verminderung des Sauerstoff- und Kohlenstoffgehaltes der Eisenschmelze angelegt werden. In diesem Fall wird die Schlacke in der vierten Kammer aufgegeben. Zuletzt verläßt die Eisenschmelze den Konverter durch ein bis zum Boden der fünften Kammer reichendes Aus­ gußrohr 20.

Fig. 2 zeigt insbesondere das Niveau der Schlacke 21 und der Eisenschmelze 22 in den verschiedenen Kammern. Bereits in das Ausgußrohr können Desoxidationsmittel und/oder Legierungs­ stoffe mittels Al-Draht oder Fülldraht eingespult werden. Dadurch können sich die Desoxidationsprodukte rasch abscheiden.

Die aus dem Konverter kommende Stahlschmelze kann in einer Pfanne oder in einem Pfannenofen aufgefangen werden. Sie kann aber auch sofort in den Verteiler einer Stranggießanlage fließen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens besteht darin, daß in Pfannen mit fast beliebiger Größe vergossen werden kann, während das im normalen Konverterbetrieb nicht möglich ist. Wenn ein Konverter ein Fassungsvermögen von 400 t hat, kann man seinen Inhalt nicht auf zwei Pfannen mit jeweils 200 t aufteilen, da der Gießvorgang aus einem konventionellen Konverter nicht unterbrochen werden darf.

Bei den erfindungsgemäßen Konvertern braucht man nur den Konverter etwas zurückkippen und schon kann man die Pfanne wechseln, ohne daß der Prozeß gestört wird. So kann man in Sequenz beispielsweise eine Pfanne mit 20 t, die nächste mit 400 t Stahlschmelze befüllen.

Sehr vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Verfahren nach DE 42 06 091 C1 zum Entschwefeln von Roheisen­ schmelzen kombiniert werden. Dadurch kann der ganze Verfahrens­ ablauf vom Roheisen bis zur fertigen Stahlschmelze automatisiert und mit einem Minimum an Transportarbeit betrieben werden.

Die Roheisenschmelze, welche in der Torpedopfanne vom Hochofen kommt, wird durch den Entschwefelungsofen fließen gelassen. Hier wird die Eisenschmelze auf S-Gehalte kleiner 0.005% entschwefelt und gleichzeitig beispielsweise von 1300 auf 1400°C aufgeheizt.

Das entschwefelte Roheisen fließt nun in den erfindungsgemäßen Konverter. Dort wird es entphosphort, entkohlt und mit Schrott versetzt, der beim Einschmelzen gleichzeitig entphosphort und entschwefelt wird. Beim Auslauf aus dem Konverter wird die Stahlschmelze bereits desoxidiert und läuft direkt in den Tundish einer Stranggußanlage.

Diese extrem kostengünstige Arbeitsweise ist deshalb möglich, da die Stahlschmelze nach der Kombination der beiden genannten Verfahren den Konverter so arm an Schwefel verläßt, daß eine Schlackenarbeit zur weiteren Entschwefelung nicht mehr nötig ist. Trotzdem wird man im Normalfall nach dem Konverter die Schmelze zuerst in eine Pfanne abstechen, bevor sie vergossen wird.

In einem Pfannenofen kann bei der Kombination des erwähnten Entschwefelungsverfahrens mit dem erfindungsgemäßen Frisch­ verfahren ein und dieselbe Schlacke für viele Abstiche verwendet werden, da sie weder durch mitlaufende Konverter­ schlacke noch durch einen zu hohen S-Gehalt der Eisenschmelze verunreinigt wird.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konverter besteht nämlich auch darin, daß die Stahlschmelze durch den Siphon exakt von der Konverterschlacke abgetrennt wird. Das ist bei konventionellen Konvertern trotz der Vielfalt an sehr ausgereiften Vorrichtungen zum Zurückhalten der Konverterschlacke beim Abstich nie zu 100 Prozent möglich. Durch die exakte Abtrennung der Konverterschlacke können zudem beträchtliche Mengen an Desoxidationsmittel eingespart werden.

Da keine Konverterschlacke in die Pfanne mitläuft, kann es auch zu keiner Wiederaufnahme von Phosphor aus der Pfannen­ schlacke kommen.

Die verbrauchte P-haltige Schlacke wiederum verläßt den Konverter frei von Eisengranalien. Üblicherweise enthält die Konverter­ schlacke noch einen beträchtlichen Prozentsatz an Eisengranalien, wodurch die Eisenausbeute sinkt.

Konverterschlacke nach dem Stand der Technik kann nur im Straßenbau für Aufschüttmaßnahmen verwendet werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren fällt jedoch entweder eine Schlacke an, die hydraulische Eigenschaften hat und deshalb als Zementzusatz verwendet werden kann oder bei sehr hohen P-Gehalten der Schlacke d. h. beim Frischen von noch P-haltigem Roheisen läßt sich die Schlacke zu Düngemitteln verarbeiten. Schlacken mit hydraulischen Eigenschaften, die bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren anfallen, haben bevorzugt folgende chem. Analysenwerte:

SiO₂ + Al₂O₃ + TiO₂ + FeO + MnO + P₂O₅
25 bis 52 Gew.-%
SiO₂	15 bis 32 Gew.-%
Al₂O₃	5 bis 20 Gew.-%
TiO₂	0 bis 3 Gew.-%
FeO	3 bis 10 Gew.-%
MnO	2 bis 10 Gew.-%
CaO + MgO + CaF₂	40 bis 68 Gew.-%
MgO	2 bis 10 Gew.-%
Na₂O + K₂O	0 bis 3 Gew.-%
CaF₂	0 bis 7 Gew.-%
P₂O₅	2 bis 10 Gew.-%

sowie rohstoff- und verfahrensbedingte Verunreinigungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit auch umweltschonend, da keine Schlacke anfällt, die deponiert werden muß.

Die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens hebt sich vorteilhaft von den Verfahren nach dem Stand der Technik ab, mit deren Hilfe es möglich ist aus P-reichem Roheisen einen Stahl mit max. 50 ppm Phosphor zu erschmelzen.

Alle bekannten Verfahren, die sich in der Praxis durchsetzen konnten, arbeiten entweder mit 2 Schlacken oder mehreren hintereinander geschalteten Einzelaggregaten und 2 Schlacken. In jedem dieser Aggregate wird Energie verbraucht.

Durch die meist umständliche und zeitaufwendige Manipulation beim Transport des Eisens von einem Aggregat zum anderen, kühlt sich die Eisenschmelze ab, wobei Energie verloren geht. Auch die diskontinuierliche Arbeitsweise konventioneller Konverter verursacht Energieverluste, da während des Chargierens, beim Abstich und beim Abschlacken die Wärme aus der Konverter­ öffnung abstrahlt.

Beim erfindungsgemäßem Verfahren hingegen werden alle Teil­ schritte innerhalb eines Konverters durchgeführt, der bezogen auf seine Leistung verhältnismäßig klein ist und daher wenig wärmeabgebende Oberfläche besitzt.

Die konventionellen Konverter sind oben offen, was zu hohen Strahlungsverlusten führt. Die erfindungsgemäßen Konverter hingegen können Deckel besitzen. Durch Öffnungen im Deckel können Schrott und Zuschläge wie Schlackenkomponenten oder Brennstoffe wie Koks zugeführt und die Abgase des Konverters abgesaugt werden.

Die verbrauchte Schlacke fließt gleichmäßig aus dem Konverter heraus. Der Wärmeinhalt der verbrauchten Schlacke kann zum Aufheizen von Luft ausgenützt werden. Diese erwärmte Luft kann bei einer Nachverbrennung der Konverterabgase Verwendung finden.

Mit der Wärme aus der Nachverbrennung kann man Schrott vor­ wärmen, der mehr oder wenig gleichmäßig in den Konverter chargiert wird.

Die Vorwärmung des Schrottes kann in einem Schachtofen erfolgen. Die Abgase des Schachtofens zum Vorwärmen des Schrottes können fallweise Schadstoffe wie Dioxine und Furane aus der unvoll­ ständigen Verbrennung von Verunreinigungen des eingesetzten Schrottes in geringen Mengen enthalten.

Diese Abgase können beispielsweise in Zyklonwärmetauscher geleitet werden, die eine Zusatzheizung haben können, in welchen die feingemahlenen Schlackenrohstoffe vor dem Chargieren in den Konverter vorerhitzt bzw. kalziniert oder gebrannt werden. Von den feingemahlenen Schlackenrohstoffen werden die erwähnten Schadstoffe großteils absorbiert und verbrennen sodann im Konverter.

Auch andere Schadstoffe aus den Konverterabgasen wie HCl oder SO₂ können von dem in den Schlackenrohstoffen enthaltenen Kalk gebunden werden.

Die Hauptverunreinigung der Konverterabgase ist jedoch der Konverterrauch. Er vermischt sich in den Zyklonwärmetauschern mit den feingemahlenen Schlackenrohstoffen, wird dabei größten­ teils aus den Konverterabgasen entfernt und zusammen mit den Schlackenrohstoffen wieder in den Konverter zurückgeführt.

Die verbrauchte Schlacke aus dem Konverter hingegen kann beispielsweise auf eine wassergekühlte Schwingförderrinne fließen, wo sie erstarren und sodann in einem Satelliten- oder Schubrostkühler mittels Luft abgekühlt werden kann. Man kann die verbrauchte Konverterschlacke auch mit Preßluft zerstäuben, auf einer wassergekühlten Schwingförderrinne zur Erstarrung bringen und sodann mit Luft abkühlen.

Durch diese geschlossenen Kreisläufe wird praktisch alle bei dem Prozeß verwertbare Energie zurückgewonnen, wodurch die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich günstiger ist als bei den Verfahren nach dem Stand der Technik.

Auch leistungsmäßig sind die erfindungsgemäßen Konverter den herkömmlichen überlegen, da die zeitaufwendigen Mani­ pulationen wie das Chargieren, Abstechen und Abschlacken durch die überwiegend kontinuierliche Arbeitsweise wegfallen.

Bei gleichem Fassungsraum kann daher mit einer mindestens 30% höheren Leistung der erfindungsgemäßen im Vergleich zu konventionellen Konvertern gerechnet werden.

Die erfindungsgemäßen Konverter können auch zum Schmelzen und Frischen von Schrott ohne Roheisenzusatz verwendet werden.

Im einfachsten Fall wird ein Konverter, wie er in Fig. 3b dargestellt ist dafür eingesetzt. Die beiden Segmente des Konverters müssen allerdings keinen kreisrunden Querschnitt haben wie bei dem Konverter von Fig. 3b, sondern der Querschnitt der Segmente kann auch elliptisch oder quasi elliptisch sein d. h. aus 2 Halbkreisen mit geradem Mittelstück bestehen.

Der Schrott, welcher in einem Schachtofen vorgewärmt werden kann, wird in das erste Segment des Konverters chargiert. Auch Koks oder Kohle kann im ersten Segment chargiert werden. Mittels Bodendüsen und/oder einer Aufblaslanze wird Sauerstoff, eventuell gemeinsam mit anderen fluiden Stoffen, eingeblasen. Dabei schmilzt der Schrott und wird vorgefrischt. Die Schlacke, welche im 2. Segment aufgegeben wird, kommt über den Überlauf in das 1 . Segment. Die Dosierung von Sauerstoff und Reduktions­ mitteln wie Koks, Kohle, Erdgas usw., wird so vorgenommen, daß die Schlacke aus dem 2. Segment den Großteil ihres Eisenoxidgehaltes verliert, wodurch sie als Zementzusatz verwendet werden kann. Die Eisenschmelze fließt nun durch einen Fuchs in das 2. Segment. Das 2. Segment kann in 2 Kammern unterteilt sein. Im 2. Segment erfolgt die Aufgabe der vorzugsweise vorerhitzten Schlackenrohstoffe. In der ersten Kammer des 2. Segments wird ebenfalls Sauerstoff eingeblasen. Hier erreicht die Eisenschmelze ihren niedrigsten Phospor- und Schwefelgehalt sowie den Endgehalt von Kohlenstoff. Die Eisenschmelze fließt nun in die zweite Kammer des 2. Segments. In dieser Kammer wird mittels einer Düse von unten Argon oder CO, eventuell gemeinsam mit Kalkstaub eingeblasen, um die Eisenschmelze von überschüssigen Oxiden zu befreien. Die fertig behandelte Stahlschmelze verläßt sodann den Konverter über einen Siphon.

Ausführungsbeispiel

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein berechnetes Ausführungsbeispiel vorgestellt. Es wird angenommen, daß die Roheisenschmelze, welche dem erfindungsgemäßen Frischprozeß unterworfen wird, vorher in einem Entschwefelungsofen nach DP 42 06 091 entschwefelt und vorerhitzt wurde.

Diese Roheisenschmelze hat beim Einlaufen in den erfindungs­ gemäßen Konverter eine Temperatur von 1450°C.

Der verwendete erfindungsgemäße Konverter besteht aus 4 Seg­ menten bzw. 6 Kammern (Fig. 3a).

Das 1. Segment 35 ist ein Vorherd in dem das Roheisen weitgehend entsiliziert wird. Im 2. Segment 36 erfolgt die Hauptreaktion. Hier wird die Hauptmenge des Phosphors und Kohlenstoffs entfernt. Auch der vorgewärmte Schrott kann hier eingeschmolzen werden.

Im 3. Segment 37 erfolgt die Feinentphosphorung und Feinent­ kohlung. In diesem Segment werden 70 kg vorgewärmte Schlacken­ rohstoffe je t Roheisen verflüssigt. Bei der Berechnung der Schlackenanalysen wurde ein Schrottzusatz nicht berücksichtigt. Im vierten und letzten Segment 33 erfolgt eine Vakuumbehandlung der Stahlschmelze zum Abbau sowohl von Sauerstoff die auch von Kohlenstoff zur Erzielung niedrigster Kohlenstoffgehalte. Auch Wasserstoff wird bei der Vakuumbehandlung entfernt. Die Stahlschmelze, welche den Konverter durch ein bis zum Boden des Konverters reichendes Ausgußrohr verläßt, wird gleich beim Austreten aus diesem Rohr durch Einspulen von Al-Draht desoxidiert.

Zur Erzeugung vorgesehen ist bei diesem Beispiel ein Stahl der Sondertiefziehgüte mit folgender Richtanalyse:
0.02% C, 0.02% Si, 0.35% Mn, 0.03% Al, max. 0,005% P.

Das Roheisen, welches aus dem Entschwefelungsofen kommt und in den Vorherd des Konverters (1. Kammer in Segment 1) einlauft hat folgende Analyse:
4.5% C, 0.6% Si, 0.8% Mn, 0.16% P, 0.006% S.

In die erste Kammer wird von unten mittels einer Ringdüse Sauerstoff zusammen mit Erdgas oder Argon eingeblasen. Gleichzeitig kommt eine Schlacke vom tiberlauf aus der dritten Kammer in Segment 2 in die 1. Kammer. Diese Schlacke hat folgende chem. Analysenwerte:
4,0% SiO₂, 4,3% P₂O₆, 40,3% FeO, 4,1% MnO, 0,7% TiO₂, 9% Al₂O₃, 32,3% CaO, 4,0% MgO.

Durch Reaktion der Schlacke mit dem Roheisen nimmt sie SiO₂ auf und verliert dabei Eisenoxid. Diese Reaktion kommt in der zweiten Kammer zum Abschluß. Von dieser Kammer aus verläßt die verbrauchte Schlacke den Konverter über eine Schnauze. Die verbrauchte Schlacke hat folgende chem. Analyse:
22,6% SiO₂, 5,5% P₂O₅, 0,9% TiO₂, 11,5% Al₂O₃, 6,7% FeO, 5,3% MnO, 42,3% CaO, 5,2% MgO.

Sie fließt auf eine Schwingföderrinne, wird dort rasch zur Erstarrung gebracht und in einem Schubrostkühler mit Luft abgekühlt.

Beim Roheisen nimmt der Si-Gehalt auf 0.1% und der C-Gehalt auf etwa 3.5% ab. Der P-Gehalt und In-Gehalt des Roheisens bleibt unverändert.

Die Temperatur der Eisenschmelze steigt durch das Frischen mit Sauerstoff auf 1600°C an.

Die entsilizierte Eisenschmelze fließt durch einen Fuchs in die zweite Kammer und durch einen weiteren Fuchs in die dritte Kammer in Segment 2.

In dieser Kammer wird die Eisenschmelze mit einer Aufblaslanze gefrischt und mit Bodendüsen Sauerstoff und/oder Gase wie Argon, Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffe eingeblasen. Gleichzeitig wird vorgewärmter Schrott chargiert und einge­ schmolzen, eventuell wird Petrolkoks oder Koks zugesetzt. Bei Verlassen dieser Kammer hat die Eisenschmelze folgende chem. Analyse:
0.06% C, 0.02% Si, 0.36% Mn, 0.02% P.

Sie fließt nun durch einen Fuchs in die vierte Kammer im 3. Segment 37, welche Ringdüsen zum Einblasen von Sauerstoff und Argon besitzt. In dieser Kammer werden die Schlacken­ rohstoffe eingeschmolzen. Als Schlackenrohstoffe werden folgende feingemahlenen Komponenten verwendet:

Kalkstein, Rohdolomit, Eisenerz, Walzenzunder und Bauxit. Die Schlackenrohstoffe werden in einem Zyklonwärmetauscher mit Zusatzbrenner auf etwa 900°C vorgewärmt.

Die erhitzte Schlackenmischung hat folgende chem. Analyse:
2% SiO₂, 10% Al₂O₃, 0,8% TiO₂, 45% FeO, 36% CaO, 4% MgO.

Der P-Gehalt der Eisenschmelze wird in diesem Segment auf 50 ppm und der C-Gehalt auf etwa 200 ppm gesenkt.

Die Schmelze fließt nun durch einen Fuchs in das 4. Seg­ ment 38 des Konverters. Hier wird die Schmelze mittels Bodendüsen mit Argon gespült. Dieses Segment ist gasdicht gebaut. Es ist ein Vakuum angelegt, wodurch der C-Gehalt auf ca. 100 ppm gesenkt wird bei gleichzeitiger Absenkung des Sauerstoff- und Wasserstoffgehaltes in der Stahlschmelze.

Aus dem 4. Segment fließt die Stahlschmelze über ein bis zum Boden des Konverters reichendes Ausgußrohr in eine Pfanne. Beim Verlassen des Ausgußrohres wird in die Stahlschmelze eine solche Menge Al-Draht eingespult, daß in der Pfanne keine Al-Zugabe mehr erforderlich ist.

Lediglich eine kleine Menge Kohle wird der Schmelze zur genauen Einstellung des C-Gehaltes zugesetzt.

Claims (22)

1. Konverter zum Frischen von Metallschmelzen insbesondere von Roheisen zu Stahl mit

• - mindestens zwei Segmenten (1, 6; 3; 13, 14)
• - mindestens einem Metall- bzw. Eisendurchlaß (8, 9, 12, 17) und einem höher liegenden Schlackendurchlaß (2, 5, 16) in den Trennwänden zwischen den Segmenten, derart, daß ein weitgehend kontinuierlicher Fluß von Schlacke und Metall im Gegenstrom aufgrund der Schwerkraft ermöglicht wird,
• - einem Schlackeablauf (7) unterhalb des Schlackendurchlasses (2) und einem Metallzulauf (23) auf der Einlaufseite des Metalls,
• - bei mehreren Schlackendurchlässen unterschiedliche Höhenlage der Schlackendurchlässe,
• - einer Schlackenzugabe (24) und einem Metallablauf (20) im letzten Segment des Konverters in der Fließrichtung des Metalls gesehen.

2. Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittleres Segment (3) ein größeres Volumen besitzt als die benachbarten Segmente (1, 6; 13, 14).

3. Konverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Segment durch eine Trennwand (19) mit einem Metalldurchlaß (8; 17) und einem Schlacken­ durchlaß (5; 26) unterteilt ist.

4. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schlackendurchlaß (2, 5, 16, 26) als Überlauf ausgebildet ist.

6. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mit Deckeln versehene Segmente (1, 6; 3; 13, 14).

6. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (1, 6; 3; 13, 14) mindestens teilweise mit Düsen (4, 10, 16, 18) oder einer Lanze (11) zum Einbringen fluider Stoffe ausgestattet sind.

7. Konverter nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in Fließrichtung des Metalls gesehen letzte Kammer (14) oder das letzte Segment (13, 14) mit dem Metallablauf (20) an eine Vakuumanlage ange­ schlossen ist.

8. Konverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das vorletzte Segment oder die vorletzte Kammer (13) mit der Schlackenzugabe versehen ist.

9. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallablauf als ein Siphon (20) ausgebildet ist.

10. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein mittleres Segment (3) und zwei benachbarte, jeweils in Kammern (1, 6; 13, 14) unterteilte Segmente.

11. Konverter nach einem der Ansprüche bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente sternförmig zueinander angeordnet sind (30, 31, 33, 34).

12. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konverter kippbar ausgeführt sind.

13. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Überläufe für die Schlacke zumindestens teilweise wassergekühlt sind.

14. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus röhrenförmigen Segmenten bestehen.

15. Konverter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmigen Segmente einen Deckel aufweisen.

16. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß deren Deckel und/oder Seitenwände oberhalb des Niveaus der Metallschmelzen ganz oder teilweise aus wassergekühlten Paneelen bestehen.

17. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsräume der Segmente Querschnitte besitzen, die kreisförmig oder halb­ kreisförmig oder elliptisch oder quasi elliptisch sind, d. h. aus 2 Halbkreisen mit geraden Mittelstücken bestehen bzw. sich aus Teilkreisen mit geraden Mittelstücken zusammensetzen oder daß Mischbauweisen zum Einsatz gelangen.

18. Verfahren zum Frischen von Metallschmelzen insbesondere von Roheisen zu Stahl unter Verwendung eines Konverters nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Metall und Schlacke weitgehend kontinuierlich im Gegenstrom aufgrund der Schwerkraft zueinander geführt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenlage des Schlackenspiegels in Fließrichtung der Schlacke von Segment zu Segment abnimmt.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Schlacke mit einer Anfangszusammen­ setzung, die nach dem Erhitzen der Schlacke auf 900°C bestimmt wurde und folgende chem. Analysenwerte aufweist: SiO₂ + Al₂O₃ + TiO₂ + FeO + MnO 1 bis 70 Gew.-% SiO₂ 0 bis 15 Gew.-% Al₂O₃ 0 bis 35 Gew.-% Cr₂O₃ 0 bis 10 Gew.-% TiO₂ 0 bis 7 Gew.-% FeO 0 bis 70 Gew.-% MnO 0 bis 20 Gew.-% CaO + MgO + CaF₂ 30 bis 95 Gew.-% MgO 0 bis 15 Gew.-% CaF₂ 0 bis 10 Gew.-% einschließlich Verunreinigungen.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Schlacke mit einer Anfangs­ zusammensetzung die nach dem Erhitzen der Schlacke auf 900°C bestimmt wurde und folgende chem. Analysenwerte aufweist: SiO₂ + Al₂O₃ + TiO₂ + FeO + MnO 40 bis 60 Gew.-% SiO₂ 0 bis 5 Gew.-% Al₂O₃ 5 bis 16 Gew.-% TiO₂ 0 bis 3 Gew.-% FeO 30 bis 60 Gew.-% MnO 0 bis 20 Gew.-% CaO + MgO + CaF₂ 40 bis 60 Gew.-% MgO 2 bis 10 Gew.-% CaF₂ 0 bis 2 Gew.-% einschließlich Verunreinigungen.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet daß die Endschlacke auf eine Zusammensetzung mit folgenden chem. Analysenwerten eingestellt wird: SiO₂ + Al₂O₃ + TiO₂ + FeO + MnO + P₂O₅ 26 bis 62 Gew.-% SiO₂ 15 bis 32 Gew.-% Al₂O₃ 5 bis 20 Gew.-% TiO₂ 0 bis 3 Gew.-% FeO 3 bis 10 Gew.-% MnO 2 bis 10 Gew.-% CaO + MgO + CaF₂ 40 bis 68 Gew.-% MgO 2 bis 10 Gew.-% Na₂O + K₂O 0 bis 3 Gew.-% CaF₂ 0 bis 7 Gew.-% P₂O₅ 2 bis 10 Gew.-% einschließlich Verunreinigungen.