DE69914613T2

DE69914613T2 - Direktes schmelzverfahren

Info

Publication number: DE69914613T2
Application number: DE69914613T
Authority: DE
Inventors: James Rodney DRY
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: RU2221052C2; CN1312864A; EP1114195A1; BR9912397A; CA2338591A1; EP1114195B1; ATE258996T1; ES2214868T3; ID28826A; TW505699B; KR100625921B1; MY119760A; KR20010074750A; CA2338591C; JP2002521570A; US6475264B1; EP1114195A4; DE69914613D1; WO2000006783A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Metall (dieser Begriff schließt Metallegierungen ein), insbesondere jedoch nicht ausschließlich von Eisen, aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial, wie Erzen, teilreduzierten Erzen und metallhaltigen Abfallströmen, in einem metallurgischen Gefäß, das ein Schmelzbad enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einem Metallschmelzbad basierendes Direktschmelzverfahren zur Herstellung einer Metallschmelze aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial.
Ein Verfahren, das eine Metallschmelze direkt aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial erzeugt, wird allgemein als "Direktschmelzverfahren" bezeichnet.
Ein bekanntes Direktschmelzverfahren, das allgemein als Romelt-Prozeß bezeichnet wird, basiert auf der Verwendung eines großen Volumens eines stark bewegten Schlackebades als Medium zum Schmelzen von von oben eingefüllten Metalloxiden zu Metall und zum Nachverbrennen gasförmiger Reaktionsprodukte und je nach Bedarf zum Übertragen der Wärme, damit das Schmelzen der Metalloxide weitergeht. Der Romelt-Prozeß beinhaltet das Einspritzen von mit Sauerstoff angereicherter Luft oder von Sauerstoff in die Schlacke durch eine untere Reihe von Düsen, wodurch die Schlacke bewegt wird, und das Einspritzen von Sauerstoff in die Schlacke durch eine obere Reihe von Düsen, um die Nachverbrennung zu fördern. Beim Romelt-Prozeß stellt die Metallschicht kein wichtiges Reaktionsmedium dar.
Eine andere bekannte Gruppe von Direktschmelzverfahren, die auf Schlacke basieren, wird allgemein als "Tiefenschlacke"-Verfahren bezeichnet. Diese Verfahren, wie die DIOS- und AISI-Prozesse, basieren auf der Erzeugung einer tiefen Schlackeschicht mit drei Bereichen, und zwar: einen oberen Bereich für die Nachverbrennungsreaktion von Gasen mit eingespritztem Sauerstoff; einen unteren Bereich für das Schmelzen der Metalloxide zu Metall und einen mittleren Bereich, der den oberen und den unteren Bereich trennt. Wie beim Romelt-Prozeß stellt die Metallschicht unter der Schlackeschicht kein wichtiges Reaktionsmedium dar.
Ein anderes bekanntes Direktschmelzverfahren, das auf einer Metallschmelzeschicht als Reaktionsmedium beruht und allgemein als HIsmelt-Prozeß bezeichnet wird, ist in der internationalen Anmeldung PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) im Namen dieses Anmelders beschrieben.
Der HIsmelt-Prozeß umfaßt, so wie er in dieser internationalen Anmeldung beschrieben ist:

(a) das Erzeugen eines Schmelzbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht in einem Gefäß;
(b) das Einspritzen in das Bad von:
(i) einem erzhaltigen Beschickungsmaterial, typischerweise Metalloxide, und
(ii) einem festen kohlenstoff- bzw. kohlehaltigen Material, typischerweise Kohle, das als Reduktionsmittel der Metalloxide und als Energiequelle wirkt, und
(c) das Schmelzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials zu Metall in der Metallschicht.

Der HIsmelt-Prozeß umfaßt auch die Nachverbrennungsreaktion von Gasen, wie CO und H₂, die aus dem Bad abgegeben wurden, im Raum über dem Bad mit einem sauerstoffhaltigen Gas und die Übertragung der durch die Nachverbrennung erzeugten Wärme auf das Bad, wodurch zu der Wärmeenergie beigetragen wird, die erforderlich ist, um das erzhaltige Beschickungsmaterial zu schmelzen.
Der HIsmelt-Prozeß umfaßt auch die Bildung einer Übergangszone über der nominell ruhigen Oberfläche des Bades, in der es aufsteigende und danach absinkende Tropen oder Spritzer oder Ströme von Metallschmelze und/oder Schlacke gibt, die ein wirksames Medium liefern, um die Wärmeenergie auf das Bad zu übertragen, die durch die Nachverbrennungsreaktion der Gase über dem Bad erzeugt wurde.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Direktschmelzverfahrens.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Direktschmelzen eines erzhaltigen Beschickungsmaterials bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Einführen von einem erzhaltigen Beschickungsmaterial und Kohle in ein Vorreduktionsgefäß;
(b) teilweises Reduzieren des erzhaltigen Beschickungsmaterials und wesentliches Entgasen der Kohle in einem Vorreduktionsgefäß und Erzeugen von einem teilweisen reduzierten, erzhaltigen Beschickungsmaterial und einem verkohlten Material;
(c) Einführen des teilweise reduzierten, erzhaltigen Beschickungsmaterials und des verkohlten Materials, die im Schritt (b) erzeugt wurden, in ein Direktschmelzgefäß;
(d) Verwenden des aus dem Vorreduktionsgefäß abgegebenen Abgases als Energiequelle und Vorwärmen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft und anschließendes Einführen der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft in das Direktschmelzgefäß; und
(e) Direktschmelzen des teilweise reduzierten, erzhaltigen Beschickungsmaterials im Direktschmelzgefäß zu einer Metallschmelze unter Verwendung des verkohlten Materials als Energiequelle und als Reduktionsmittel und Nachverbrennungsreaktion des im Direktschmelzverfahren erzeugten Gases mit der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft bis zu einem Nachverbrennungswert von mehr als 70%, wodurch die Wärme erzeugt wird, die für die Direktschmelzreaktionen erforderlich ist, und das Metall im geschmolzenen Zustand gehalten wird.

Das Verfahren ist besonders, obwohl nicht ausschließlich, für Kohle mit einem mittleren und einem hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen relevant. Kohle mit einem mittleren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen steht hier für Kohle, die 20 bis 30 Gew.-% flüchtige Bestandteile enthält. Kohle mit einem hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen steht hier für Kohle, die mehr als 30 Gew.-% flüchtige Bestandteile enthält.
Im Falle von Kohle mit einem mittleren und einem hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen bildet die Erkenntnis, daß ein wesentliches Entgasen dieser Kohlearten vor dem Einführen der Kohle in das Direktschmelzgefäß eine ökonomische Durchführung eines Direkt schmelzverfahrens bei Nachverbrennungswerten von 70% oder mehr ermöglicht, die Basis der vorliegenden Erfindung, wobei erwärmte Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als sauerstoffhaltiges Gas für die Nachverbrennung verwendet wird.
Vorzugsweise erzeugt der Schritt (b) teilweise reduziertes erzhaltiges Beschickungsmaterial mit einem Vorreduktionsgrad von weniger als 65%.
Vorzugsweise beträgt die Sauerstoffkonzentration in der mit Sauerstoff angereicherten Luft weniger als 50 Vol.-%.
Der Begriff "wesentliches Entgasen" bedeutet das Entfernen von mindestens 70 Gew.-% der flüchtigen Bestandteile aus der Kohle.
Der Begriff "Nachverbrennung" wird wie folgt definiert:
worin:
[CO₂] = Vol.-% von CO₂ im Abgas,
[H₂O] = Vol.-% von H₂O im Abgas,
[CO] = Vol.-% von CO im Abgas, und
[H₂] = Vol.-% von H₂ im Abgas.
Der Begriff "Abgas" wird hier als Gas definiert, das durch Schmelzreaktionen und die Nachverbrennung und vor dem wahlfreien Zusatz irgendeines weiteren kohlehaltigen Beschickungsmaterials, wie Erdgas, zu diesem Gas erzeugt wurde.
Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise das Vorwärmen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft für den Schritt (d) auf eine Tempe ratur im Bereich von 800 bis 1400°C und danach das Zuführen der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft in das Direktschmelzgefäß im Schritt (d).
Stärker bevorzugt liegt die Temperatur im Bereich von 1000 bis 1250°C.
Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von aus dem Direktschmelzgefäß abgegebenem Abgas als Energiequelle zum Vorwärmen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft vor dem Einführen der erwärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft in das Direktschmelzgefäß im Schritt (d).
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren das Kühlen des Abgases, das aus dem Direktschmelzgefäß abgegeben wurde, vor der Verwendung des Abgases als Energiequelle.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren die Verwendung eines Teils des Abgases, das aus dem Vorreduktionsgefäß abgegeben wurde, als Energiequelle zum Vorwärmen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft, bevor die erwärmte Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft dem Direktschmelzgefäß im Schritt (d) zugeführt wird.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren das Vorwärmen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in einem oder mehr als einem Winderhitzerstein.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren das Vorwärmen des erzhaltigen Beschickungsmaterials vor dem Schritt (a) des Einführens des erzhaltigen Beschickungsmaterials in das Vorreduktionsgefäß.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren des Vorwärmens des erzhaltigen Beschickungsmaterials unter Verwendung von Abgas, das aus dem Vorreduktionsgefäß abgegeben wurde.
Vorzugsweise ist das Vorreduktionsgefäß ein Wirbelbett.
Stärker bevorzugt beinhaltet das Verfahren die Kreislaufführung von aus dem Wirbelbett abgegebenem Abgas zurück zum Wirbelbett.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren das Rezirkulieren von mindestens 70 Vol.-% des aus dem Wirbelbett abgegebenen Abgases zurück zum Wirbelbett.
Der Begriff "Wirbelbett" soll hier sowohl aufwallende als auch zirkulierende Arten einschließen. Es ist auch eine Kombination aus dem Aufwallen und dem Zirkulieren eingeschlossen.
Der Begriff "erzhaltiges Beschickungsmaterial" soll hier für irgendein erzhaltiges Beschickungsmaterial stehen, das Metalloxide, wie Erze, teilweise reduzierte Erze und metallhaltige Abfallströme, einschließt.
Der Schritt (e) kann irgendein geeignetes Direktschmelzverfahren sein.
Der Schritt (e) schließt vorzugsweise das Direktschmelzen des teilweise reduzierten erzhaltigen Beschickungsmaterials gemäß dem HIsmelt-Prozeß ein, welches beinhaltet:

(a) Erzeugen eines Schmelzbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht im Direktschmelzgefäß;
(b) Einspritzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials und des verkohlten Materials durch eine Vielzahl von Lanzen/Düsen in die Metallschicht;
(c) Schmelzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials zu einer Metallschmelze im wesentlichen in der Metallschicht;
(d) Bewirken, daß die Metallschmelze und die Schlacke als Spritzer, Tropfen und Ströme in den Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades herausgeschleudert werden und eine Übergangszone bilden; und
(e) Einspritzen der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft in das Direktschmelzgefäß mittels einer oder mehr als einer Lanze/Düse und Nachverbrennungsreaktion der Gase bzw. Nachverbrennung der Reaktionsgase, die aus dem Schmelzbad freigesetzt wurden, wodurch die in der Übergangszone aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme von Metallschmelze und Schlacke die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtern und wodurch die Übergangszone den Wärmeverlust aus dem Gefäß über die Seitenwand minimiert, die mit der Übergangszone in Kontakt steht.

Der Begriff "Metallschicht" soll hier für einen Bereich oder eine Zone stehen, die vorwiegend Metall ist. Insbesondere deckt der Begriff einen Bereich oder eine Zone ab, die eine Dispersion von geschmolzener Schlacke in einem durchgängigen Volumen des Metalls einschließt.
Der Begriff "ruhige Oberfläche" steht im Zusammenhang mit dem Schmelzbad für die Oberfläche des Schmelzbades unter Verfahrensbedingungen, bei denen es kein Einspritzen von Gas/Feststoffen und folglich keine Bewegung des Bades gibt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, welche zeigen:
1 ein Fließschema in weitestgehend schematischer Form des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 einen senkrechten Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Direktschmelzgefäßes für die Verwendung in dem in 1 gezeigten Verfahren.
Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, steht im Zusammenhang mit der Erzeugung von Eisen aus Eisenerz. Es ist jedoch selbstverständlich, daß diese bevorzugte Ausführungsform in gleicher Weise für die Herstellung von Metallen (einschließlich Metallegierungen) aus einem anderen erzhaltigen Beschickungsmaterial geeignet ist.
Siehe 1, Eisenerz wird in Vorwärmzyklonen 103, 105 auf eine Temperatur in der Größenordnung von 750°C vorgewärmt und in einen Wirbelbettreaktor 107 weitergeleitet, der bei einer Temperatur in der Größenordnung von 800 bis 1000°C arbeitet. Kohle (typischerweise Kohle mit einem mittleren und/oder hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen), Sauerstoff und ein reduzierendes Gas, das große Mengen von CO und H₂ einschließt, werden dem Reaktor 107 ebenfalls zugeführt. Das vorgewärmte Eisenerz wird im Reaktor 107 bis zu einem Vorreduktionsgrad teilweise reduziert, der vorzugsweise weniger als 65% beträgt, und die Kohle wird im wesentlichen entgast und bildet ein verkohltes Material. Der Begriff "Vorreduktionsgrad" steht in diesem Zusammenhang für den Prozentsatz des entfernten Sauerstoffs, wobei als Ausgangspunkt Fe₂O₃ angenommen wird und angenommen wird, daß Fe eine Vorreduktion von 100% darstellt.
Das aus dem Reaktor 107 abgegebene Abgas wird durch die Vorwärmzyklone 103, 105 geleitet und wärmt das durch diese Zyklone zugeführte Eisenerz vor. Dann wird das Abgas in einem Venturi-Wäscher 108 abgekühlt. Das abgekühlte Abgas wird in zwei Ströme aufgeteilt.
Ein Strom, der mindestens 70% des Gesamtvolumens des Abgases ausmacht, wird einem CO₂-Wäscher 110 zugeführt, erneut erwärmt und dann als reduzierendes verwirbelndes Gas zum Reaktor 107 zurückgeführt. Der andere Strom wird den Winderhitzersteinen 109 zugeführt und als Verbrennungsgas verwendet, das die Steine erhitzt.
Das teilweise reduzierte Eisenerz und verkohlte Material aus dem Reaktor 107, die typischerweise eine Temperatur in der Größenordnung von 600 bis 900°C haben, und Luft, die auf eine Temperatur in der Größenordnung von 1200°C vorgewärmt ist, von den Steinen 109 werden dem Direktschmelzgefäß 111 zugeführt.
Das teilweise reduzierte Eisenerz wird im Gefäß 111 zu einer Eisenschmelze geschmolzen, und Reaktionsgase, wie CO und H₂, die beim Schmelzen des vorreduzierten Eisenerzes erzeugt wurden, werden bis zu einem Nachverbrennungswert von mindestens 70% nachverbrannt. Die durch die Nachverbrennung erzeugte Wärme dient dazu, die Temperaturen im Gefäß 111 aufrecht zu erhalten.
Ein Teil des Abgases, das aus dem Gefäß 111 abgegeben wird, wird durch einen Venturi-Wäscher 113 zu den Steinen 109 geleitet und dient als Verbrennungsgas, das zum Erhitzen der Steine 109 beiträgt.
Das Direktschmelzverfahren, das in dem Direktschmelzgefäß 111 erfolgt, kann irgendein geeignetes Verfahren sein.
Das bevorzugte Direktschmelzverfahren ist der HIsmelt-Prozeß, wie er hier nachstehend anhand von 2 allgemein und in der internationalen Anmeldung PCT/AU99/00538 im Namen dieses Anmelders ausführlicher beschrieben ist. Auf die Offenbarung in dieser Patentbeschreibung, die mit dieser internationalen Anmeldung verbunden ist, wird hier als Querverweis Bezug genommen.
Das bevorzugte Direktschmelzverfahren basiert auf:

(a) Erzeugen eines Schmelzbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht im Direktschmelzgefäß 111;
(b) Einspritzen von teilweise reduziertem Eisenerz und verkohltem Material (und gegebenenfalls einem anderen kohlehaltigen Material, wie weiterer Kohle) über eine oder mehr als eine Lanze/Düse in die Metallschicht;
(c) Schmelzen des teilweise reduzierten Eisenerzes zu einer Eisenschmelze im wesentlichen in der Metallschicht;
(d) Bewirken, daß das geschmolzene Material als Spritzer, Tropfen und Ströme in den Raum über der normalerweise ruhigen Oberfläche des Schmelzbades herausgeschleudert wird und eine Übergangszone bildet; und
(e) Einspritzen von vorgewärmter Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in das Direktschmelzgefäß 111 durch eine oder mehr als eine Lanze/Düse und Nachverbrennungsreaktion der Gase, die aus dem Schmelzbad abgegeben wurden, bis zu einem Nachverbrennungswert von mehr als 70%, und Erzeugen von Temperaturen der Gasphase in der Größenordnung von 2000°C oder darüber in der Übergangszone, wodurch die aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme der Metallschmelze und der Schlacke in der Übergangszone die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtern und wodurch die Übergangszone den Wärmeverlust aus dem Gefäß über die Seitenwände minimiert, die mit der Übergangszone in Kontakt stehen.

Das Direktschmelzgefäß 111 kann irgendein geeignetes Gefäß sein.
Das bevorzugte Direktschmelzgefäß ist das Gefäß, das hier nachstehend anhand von 2 allgemein und in der internationalen Anmeldung PCT/AU99/00537 im Namen des Anmelders ausführlicher beschrieben ist, und auf die Offenbarung in dieser Patentbeschreibung, die mit dieser internationalen Anmeldung verbunden ist, wird hier als Querverweis Bezug genommen.
Das in 2 gezeigte Gefäß 111 hat einen Herd, der eine Unterseite 3 und Seiten 55 aus hitzebeständigen Ziegeln einschließt; Seitenwände 5, die eine im allgemeinen zylindrische Trommel bzw. ein im allgemeinen zylindrisches Gefäß bilden, die sich von den Seiten 55 des Herdes nach oben erstrecken und die einen oberen Gehäuseabschnitt 51 und einen unteren Gehäuseabschnitt 53 bilden; ein Gewölbe 7; einen Auslaß 9 für Abgase; einen Vorherd 57 für die kontinuierliche Abgabe der Metallschmelze; eine Vorherdverbindung 71, die den Herd und den Vorherd 57 miteinander verbindet; und ein Abstichloch 61 für die Abgabe der geschmolzenen Schlacke.
Bei Verwendung, unter stationären Verfahrensbedingungen, enthält das Gefäß 111 ein Schmelzbad von Eisen und Schlacke, das eine Schicht 15 der Metallschmelze und eine Schicht 16 der geschmolzenen Schlacke auf der Metallschicht 15 einschließt. Der mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnete Pfeil gibt die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Metallschicht 15 an, und der mit der Bezugsziffer 19 bezeichnete Pfeil gibt die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Schlackeschicht 16 an. Der Begriff "ruhige Oberfläche" soll die Oberfläche bedeuten, wenn kein Gas oder keine Feststoffe in das Gefäß eingespritzt werden.
Das Gefäß 111 schließt auch zwei Lanzen/Düsen 11 zum Einspritzen von Feststoffen ein, die sich in einem Winkel von 30 bis 60° zur Senk rechten durch die Seitenwände 5 nach unten und einwärts und in die Schlackeschicht 16 erstrecken. Die Position der Lanzen/Düsen 111 ist so ausgewählt, daß die unteren Enden bei stationären Verfahrensbedingungen über der ruhigen Oberfläche 17 der Metallschicht 15 liegen.
Bei Verwendung werden bei stationären Verfahrensbedingungen das teilweise reduzierte Eisenerz und das verkohlte Material aus dem Reaktor 107 (und gegebenenfalls anderes kohlehaltiges Material, wie Kohle), und Flußmittel (typischerweise Kalk und Magnesiumoxid), die in einem Trägergas (typischerweise N₂) mitgerissen werden, durch die Lanzen/Düsen 11 in die Metallschicht 15 eingespritzt. Der Impuls von festem Material/Trägergas bewirkt, daß das feste Material und das Gas die Metallschicht 15 durchdringen. Die Kohle wird teilweise im Metall gelöst und bleibt teilweise als feste Kohle zurück. Das Eisenerz wird zu Metall geschmolzen, und die Schmelzreaktion erzeugt gasförmiges Kohlenmonoxid. Die Gase, die in die Metallschicht 15 transportiert wurden und durch das Schmelzen entstehen, erzeugen eine signifikante Auftriebsbewegung von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke (die als Folge von Feststoff/Gas/Einspritzen in die Metallschicht 15 gezogen wurden) aus der Metallschicht 15, was eine Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Metall und Schlacke bewirkt, und diese Spritzer und Tropfen und Ströme reißen Schlacke mit, wenn sie sich durch die Schlackeschicht 16 bewegen.
Die Auftriebsbewegung von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke führt zu einer wesentlichen Bewegung in der Metallschicht 15 und der Schlackeschicht 16, mit dem Ergebnis, daß das Volumen der Schlackeschicht 16 zunimmt und diese eine Oberfläche hat, die mit dem Fall 30 gezeigt ist. Das Ausmaß der Bewegung ist derart, daß in den Metall- und Schlackebereichen eine vernünftig gleichmäßige Temperatur – typischerweise 1450 bis 1550°C – bei einer Temperaturänderung von nicht mehr als 30° in jedem Bereich vorliegt.
Die Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Metall und Schlacke, die durch die Auftriebsbewegung von geschmolzenem Metall, fester Kohle und Schlacke hervorgerufen wurde, erstreckt sich außerdem in den oberen Raum 31 über dem geschmolzenen Material im Gefäß und:

(a) bildet eine Übergangszone 23, und
(b) schleudert etwas geschmolzenes Material (vorwiegend Schlacke) über die Übergangszone und auf den Teil des oberen Gehäuseabschnittes 51 der Seitenwände 5, der sich über der Übergangszone 23 befindet, und auf das Gewölbe 7.

Allgemein ausgedrückt ist die Schlackeschicht 16 ein durchgängiges Flüssigkeitsvolumen mit Gasblasen darin, und die Übergangszone 23 ist ein durchgängiges Gasvolumen mit Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Metall und Schlacke.
Das Gefäß 111 weist außerdem eine Lanze 13 zum Einspritzen von vorgewärmter Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft aus den Steinen 9 in das Gefäß 111 auf. Die Lanze 13 ist mittig angeordnet und erstreckt sich senkrecht nach unten in das Gefäß. Die Position der Lanze 13 und der Gasdurchsatz durch die Lanze 13 werden so ausgewählt, daß bei stationären Verfahrensbedingungen das sauerstoffhaltige Gas den mittleren Bereich der Übergangszone 23 durchdringt und um das Ende der Lanze 13 einen im wesentlichen von Metall/Schlacke freien Raum 25 aufrechterhält.
Im Betrieb, bei stationären Verfahrensbedingungen, kommt es durch das Einspritzen von sauerstoffhaltigem Gas durch die Lanze 13 in der Übergangszone 23 und im freien Raum 25 um das Ende der Lanze 13 zu einer Nachverbrennungsreaktion der Gase CO und H₂ bis zu einem Nachverbrennungswert von mehr als 70%, und im Gasraum werden hohe Temperaturen der Gasphase in der Größenordnung von 2000°C oder darüber erzeugt. Diese Wärme wird im Bereich der Gaseinspritzung auf die aufsteigenden und absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme von geschmolzenem Material übertragen, und diese Wärme wird dann teilweise auf die Metallschicht 15 übertragen, wenn das Metall/die Schlacke zur Metallschicht 15 zurückkehrt.
Der freie Raum 25 ist wichtig, um hohe Nachverbrennungswerte zu erreichen, da er das Mitreißen von Gasen im Raum über der Übergangszone 23 in den Endbereich der Lanze 13 ermöglicht und dadurch die verfügbaren Reaktionsgase verstärkt einer Nachverbrennung aussetzt.
Der kombinierte Effekt aus der Position der Lanze 13, dem Gasdurchsatz durch die Lanze 13 und der Aufwärtsbewegung der Spritzer, Tropfen und Ströme von geschmolzenem Metall und Schlacke besteht darin, daß die Übergangszone 23 um den unteren Bereich der Lanze 13 geformt wird – der allgemein mit den Ziffern 27 bezeichnet ist. Dieser geformte Bereich liefert eine teilweise Sperre gegenüber der Wärmeübertragung durch Strahlung auf die Seitenwände 5.
Außerdem stellen bei stationären Verfahrensbedingungen die aufsteigenden und absinkenden Tropfen, Spritzer und Ströme von Metall und Schlacke ein wirksames Mittel für die Wärmeübertragung aus der Übergangszone 23 auf das Schmelzbad dar, mit dem Ergebnis, daß die Temperatur der Übergangszone 23 im Bereich der Seitenwände 5 in der Größenordnung von 1450 bis 1550°C liegt.
Das Gefäß 111 ist in bezug auf die Niveaus von Metallschicht 15, Schlackeschicht 16 und Übergangszone 23 im Gefäß, wenn das Verfahren unter stationären Verfahrensbedingungen arbeitet, und in bezug auf die Spritzer, Tropfen und Ströme von geschmolzenem Metall und Schlacke, die in den oberen Raum 31 über der Übergangszone 23 ge schleudert werden, wenn das Verfahren bei stationären Verfahrensbedingungen arbeitet, so konstruiert, daß:

(a) der Herd und der untere Gehäuseabschnitt 53 der Seitenwände 5, die mit den Metall/Schlacke-Schichten 15/16 in Kontakt stehen, aus Ziegeln aus einem feuerfesten Material hergestellt sind (in der Figur durch Kreuzschraffierung dargestellt);
(b) zumindest ein Teil des oberen Gehäuseabschnitts 53 der Seitenwände 5 mit Wasser gekühlten Platten 8 hinterlegt ist; und
(c) der obere Gehäuseabschnitt 51 der Seitenwände 5 und das Gewölbe 7, die mit der Übergangszone 23 und dem oberen Raum 31 in Kontakt stehen, aus mit Wasser gekühlten Platten 58, 59 geformt ist.

Jede mit Wasser gekühlte Platte 8, 58, 59 (nicht gezeigt) im oberen Gehäuseabschnitt 51 der Seitenwände 5 weist parallele obere und untere Kanten und parallele Seitenkanten auf und ist gekrümmt, so daß der Querschnitt eines zylindrischen Gehäuses definiert wird. Jede Platte weist ein inneres Wasserkühlrohr und ein äußeres Wasserkühlrohr auf. Die Rohre sind serpentinenförmig, wobei die waagerechten Abschnitte durch gekrümmte Abschnitte miteinander verbunden sind. Jedes Rohr weist außerdem einen Wassereinlaß und einen Wasserauslaß auf. Die Rohre sind senkrecht versetzt, so daß sich die waagerechten Abschnitte des äußeren Rohrs nicht unmittelbar hinter den waagerechten Abschnitten des inneren Rohrs befinden, wenn das Ganze von einer freiliegenden Seite der Platte, d. h. der Seite betrachtet wird, die zur Innenseite des Gefäßes hin freiliegt. Jede Platte weist außerdem ein gestampftes feuerfestes Material auf, das die Räume zwischen den angrenzenden waagerechten Abschnitten jedes Rohrs und zwischen den Rohren füllt. Jede Platte weist außerdem eine Halteplatte auf, die die Außenseite der Platte bildet.
Die Wassereinlässe und Wasserauslässe der Rohre sind mit einer Wasserzufuhrleitung (nicht gezeigt) verbunden, die Wasser mit einer hohen Strömungsrate durch die Rohre zirkuliert.
Bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform können viele Abänderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Direktschmelzen eines erzhaltigen Beschickungsmaterials, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Einführen von einem erzhaltigen Beschickungsmaterial und Kohle in ein Vorreduktionsgefäß; (b) teilweises Reduzieren des erzhaltigen Beschickungsmaterials und wesentliches Entgasen der Kohle in einem Vorreduktionsgefäß und Erzeugen von einem teilweisen reduzierten, erzhaltigen Beschickungsmaterial und einem verkohlten Material; (c) Einführen des teilweise reduzierten, erzhaltigen Beschickungsmaterials und des verkohlten Materials, die im Schritt (b) erzeugt wurden, in ein Direktschmelzgefäß; (d) Verwenden des aus dem Vorreduktionsgefäß abgegebenen Abgases als Energiequelle und Vorwärmen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft und anschließendes Einführen der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft in das Direktschmelzgefäß; und (e) Direktschmelzen des teilweise reduzierten, erzhaltigen Beschickungsmaterials im Direktschmelzgefäß zu einer Metallschmelze unter Verwendung des verkohlten Materials als Energiequelle und als Reduktionsmittel und Nachverbren nungsreaktion des im Direktschmelzverfahren erzeugten Gases mit der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft bis zu einem Nachverbrennungswert von mehr als 70%, wodurch die Wärme erzeugt wird, die für die Direktschmelzreaktionen erforderlich ist, und das Metall im geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffkonzentration in der mit Sauerstoff angereicherten Luft weniger als 50 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das das Vorwärmen von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft für den Schritt (d) bis zu einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1400°C und danach das Einführen der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft im Schritt (d) in das Direktschmelzgefäß einschließt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Temperatur im Bereich von 1000 bis 1250°C liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das aus dem Direktschmelzgefäß abgegebene Abgas als Energiequelle verwendet wird und Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft vorgewärmt wird, bevor die erwärmte Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft im Schritt (d) in das Direktschmelzgefäß eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, das das Vorwärmen der Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft in einem oder mehr als einem Winderhitzerstein einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Vorreduktionsgefäß ein Wirbelbett ist.
Verfahren nach Anspruch 7, das die Kreislaufführung des aus dem Wirbelbett abgegebenen Abgases zurück zum Wirbelbett einschließt.
Verfahren nach Anspruch 8, das die Kreislaufführung von mindestens 70 Vol.-% des aus dem Wirbelbett abgegebenen Abgases zurück zum Wirbelbett einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt (e) einschließt: (i) Erzeugen eines Schmelzbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht im Direktschmelzgefäß; (ii) Einspritzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials und des verkohlten Materials durch eine Vielzahl von Lanzen/Düsen in die Metallschicht; (iii) Schmelzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials zu einer Metallschmelze im wesentlichen in der Metallschicht; (iv) Bewirken, daß die Metallschmelze und die Schlacke als Spritzer, Tropfen und Ströme in den Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades herausgeschleudert werden und eine Übergangszone bilden; und (v) Einspritzen der vorgewärmten Luft oder mit Sauerstoff angereicherten Luft in das Direktschmelzgefäß mittels einer oder mehr als einer Lanze/Düse und Nachverbren nungsreaktion der Gase, die aus dem Schmelzbad freigesetzt wurden, wodurch die in der Übergangszone aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme von Metallschmelze und Schlacke die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtern und wodurch die Übergangszone den Wärmeverlust aus dem Gefäß über die Seitenwand minimiert, die mit der Übergangszone in Kontakt steht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das außerdem das Einspritzen von Kohle in das Direktschmelzgefäß einschließt, wobei die Kohle im Gefäß als Energiequelle und als Reduktionsmittel wirkt.