Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Metallen, insbesondere von flüssigem Roheisen, Stahlvormaterial oder Ferrolegierungen

Abstract

  Bei einem Verfahren zur Herstellung von Metallen, insbesondere von flüssigem Roheisen, Stahlvormaterial oder Ferrolegierungen aus metalloxidhältigem Rohstoff wird der Rohstoff in einem metallurgischem Gefäß (2) mittels mindestens eines, von oben nach unten gerichteten Plasmabrenners (9) erschmolzen.
Um die vom Plasmabrenner zugeführte Energie in möglichst großem Ausmaß dem Feinerz zu dessen Erschmelzung und Reduzierung zur Verfügung stellen zu können und um die Ofenausmauerung vor einer zu großen Wärmebelastung wirksam zu schützen,

- wird der Rohstoff in Form von feinteiligen Partikeln parallel zum Plasmastrahl (19) und diesen peripher umgebend von oben in das metallurgische Gefäß (2) zugegeben,

- werden in das Gefäß (2) von unten durch die Schmelze (18) hindurch sauerstoffhaltige Gase und Kohlenstoff eingeblasen und

- wird in dem Gefäß (2) eine, den Plasmastrahl (19) in seiner gesamten Höhe und den Zuflußstrom (20) der Rohstoffpartikel peripher umgebende Schaumschlacke (17) gebildet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallen, insbesondere von flüssigem Roheisen, Stahlvormaterial oder Ferrolegierungen.aus metalloxidhältigem Rohstoff, wobei der Rohstoff in einem metallurgischen Gefäß mittels mindestens eines, von oben nach unten gerichteten Plasmabrenners erschmolzen wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Die Verarbeitung von Feinerzen zu Flüssigmetall erfordert bei den heute in Verwendung stehenden Reduktionsaggregaten eine vorhergehende Agglomerierung. Sollen z.B. feinkörnige Eisenerze reduziert und zu Flüssigmetall erschmolzen werden, was üblicherweise in einem Hochofen oder in einem Elektroreduktionsofen erfolgt, ist es zur Erzielung einer möglichst wirtschaftlichen Ausbringung und einer guten Reduktionsleistung bei möglichst geringem Brennstoffverbrauch erforderlich, das Erz durch Sintern, Pelletieren oder Brikettieren stückig zu machen.

[0003] Dies gilt auch für die Herstellung von Ferrolegierungen (FeCr, FeMn, FeW, FeNi, FeSi, ...), die vorwiegend in Elektroreduktionsöfen erschmolzen werden.

[0004] Die Nachteile dieser bekannten Verfahren sind unter anderem im hohen technischen und wirtschaftlichen Aufwand für die Aufbereitung der Erze vor dem eigentlichen Einschmelz- bzw. Reduktionsprozeß und in der relativ langen Prozeßdauer zu sehen.

[0005] Aus der AT-B - 257 964 ist ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zum Reduzieren metallischer Oxide mittels eines Lichtbogenplasmas bekannt. Der Plasmabogen wird zwischen einem im Deckel vertikal angeordneten Plasmabrenner und einer im Boden eines Schmelzgefäßes angeordneten Bodenelektrode gezündet.

[0006] Die Reduktion der Metalloxide findet in der Schlackenschicht statt, indem das schmelzflüssige Oxid dem Lichtbogenplasmastrahl ausgesetzt wird, der ein Kohlenwasserstoffgas enthält, und dieses schmelzflüssige Oxid durch die Zerfallsprodukte des Kohlenwasserstoffgases reduziert wird.

[0007] Dieses bekannte Verfahren weist den Nachteil auf, daß die vom Plasmastrahl abgestrahlte Wärmeenergie eine große Belastung für die Ofenauskleidung darstellt, da die stärkste Wärmestrahlung senkrecht zur Achse des Plasmastrahles auftritt. Dies bedingt einerseits eine Verkürzung der Ofenreise, d.h. der Betriebsdauer des Ofens von einer Ausmauerung bis zur nächsten Ausmauerung der feuerfesten Auskleidung,und andererseits eine schlechte Ausnützung der zugeführten Energie, da ein Großteil der Wärme, ohne am Erschmelzungsprozeß beteiligt zu sein, von der Ofenausmauerung aufgenommen werden muß.

[0008] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche es ermöglichen, sowohl Roheisen und roheisenähnliche Flüssigmetalle als auch Ferrolegierungen herzustellen, wobei nicht nur die Ofenausmauerung vor einer zu großen Wärmebelastung durch den Plasmastrahl geschützt ist, sondern die vom Plasmabrenner zugeführte Energie in möglichst großem Ausmaß dem Feinerz zu dessen Erschmelzung und Reduzierung zur Verfügung steht. Weiters soll ein vorhergehendes Agglomerieren des einzusetzenden Rohstoffes, d.h. des einzusetzenden Feinerzes vermieden werden, so daß der diesbezügliche Aufwand entfallen kann.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

- daß der Rohstoff in Form von feinteiligen Partikeln parallel zum Plasmastrahl und diesen peripher umgebend von oben in das metallurgische Gefäß zugegeben wird,

- daß in das Gefäß von unten durch die Schmelze hindurch sauerstoffhältige Gase und Kohlenstoff eingeblasen werden und

- daß in dem Gefäß eine, den Plasmastrahl in seiner gesamten Höhe und den Zuflußstrom der Rohstoffpartikel peripher umgebende Schaumschlacke gebildet wird.

[0010] Die Schaumschlacke bewirkt einen effektvollen Schutz der Ofenausmauerung vor der vom Plasmastrahl ausgehenden Wärmestrahlung. Die Ummantelung des Plasmastrahles durch die eingesetzten feinteiligen Rohstoffpartikel läßt eine optimale Nutzung der Wärmestrahlung des Plasmastrahles zu. Das Einblasen von Kohlenstoff von unten bewirkt, daß ein Austragen des Kohlenstoffes vermieden wird. Die Zuführung des sauerstoffhältigen Gases von unten vermeidet eine vorzeitige Zerstörung der Kathode durch den Sauerstoff.

[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Einschmelzen der Rohstoffpartikel die Zufuhr der Rohstoffpartikel eingestellt und lediglich sauerstoffhältiges Gas und/oder Kohlenstoff von unten durch die Schmelze hindurch eingeblasen.

[0012] Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein feuerfest ausgekleidetes metallurgisches Gefäß und einen von oben nach unten gerichteten Plasmabrenner auf, wobei im Boden des Gefäßes eine Gegenelektrode angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner peripher von einem Mantel zur Bildung eines den Plasmabrenner peripher umgebenden Zuführraumes für die feinteiligen Rohstoffpartikel umgeben ist und daß im Boden des metallurgischen Gefäßes Düsen, vorzugsweise Manteldüsen,zur Zufuhr von sauerstoffhältigem Gas und Kohlenstoff vorgesehen sind.

[0013] Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, wobei die Zeichnung ein metallurgisches Gefäß im Vertikalschnitt zeigt.

[0014] Der metallische Außenmantel 1 des metallurgischen Gefäßes 2 ist mit einer feuerfesten Auskleidung 3 versehen. Das Gefäß 2 ist mit einem Deckel 4, der ebenfalls feuerfest ausgekleidet ist, geschlossen. An den Deckel 4 schließt eine Abgasleitung 5 an. An den Gefäßunterteil 6 schließt nach oben hin ein im wesentlichen vertikaler zylindrischer Gefäßteil 7 an. Durch den Deckel 4 des Gefäßes 2 ragt in dessen Innenraum 8 ein vertikaler, zentrisch im Gefäß 2 angeordneter Plasmabrenner 9. Im Boden 10 des Gefäßes 2 ist ebenfalls zentral die Bodenelektrode 11 für den Plasmabrenner 9 eingesetzt.

[0015] Der Plasmabrenner 9 ist peripher von einem Mantel 12 umgeben, durch den ein den Plasmabrenner 9 umgebender Ringraum 13 gebildet wird, der zum Gefäßboden 10 hin offen ist. Dieser Ringraum 13 kann auch von mehreren, den Plasmabrenner peripher umgebenden Aufblaslanzen für die Rohstoffpartikel gebildet sein. Im Boden 10 des Gefäßes 2 sind Bodendüsen14, die vorzugsweise als Manteldüsen ausgebildet sind, angeordnet, durch die Sauerstoff und/oder Kohlenstoff in den Innenraum 8 des Gefäßes 2 eingeblasen wird.

[0016] Im Gefäßunterteil 6 sind ein Schlackenabstichloch 15 und ein Metallabstichloch 16 vorgesehen. Die im Gefäß befindliche Schlacke ist mit 17, das erschmolzene Metall mit 18 und der Plasmastrahl mit 19 bezeichnet. Der den Plasmastrahl umgebende Rohstoffmantel trägt das Bezugszeichen 20.

[0017] Nachfolgend ist die Funktion der Einrichtung beim Herstellen von Roheisen näher erläutert:

Eine erste Chargierung mit Feinerz und Schlackenbildnern erfolgt durch den Ringraum (oder die eventuell statt ihm vorgesehenen Aufblaslanzen). Danach wird ein Plasmabogen 19 zwischen dem in vertikaler Richtung beweglichen (zur optimalen Einstellung der Plasmabogenlänge) Plasmabrenner 9 und der wassergekühlten Bodenelektrode 11 gezündet und der gegebenenfalls mit Feinkohle vermischte Einsatz durch die vom Plasmabogen 19 abgestrahlte Wärme aufgeschmolzen sowie mittels des mit ihm eingeblasenen Reduktionsgases reduziert.

[0018] Nach Bildung eines Metallsumpfes 18 und einer Schlackenschicht 17 wird sowohl von oben durch den Ringraum 13 (bzw. die Aufblaslanzen) zusätzlich zum Einsatz und Reduktionsgas als auch von unten durch die Bodendüsen Sauerstoff und/oder Kohlenstoff eingedüst, um eine Schaumschlacke aufzubauen.

[0019] Ein Schäumen der Schlacke ist nur möglich, wenn in der Schlacke ein ausreichender Fe0-Gehalt und Kohlenstoffgehalt, in Form von elementarem Kohlenstoff bzw. kohlenstoffgesättigten Metallspritzern, vorliegt. In diesem Fall reagiert der Kohlenstoff und der Sauerstoff des Eisenoxides unter Bildung von Kohlenmonoxid. Diese Gasbildung führt zu einem Aufblähen bzw. Schäumen der Schlacke. Darüber hinaus ist für das Schäumen der Schlacke eine hinreichende Schlackenhöhe und entsprechende Schlackenviskosität erforderlich.

[0020] Der Kohlenstoff dient somit zur Reduktion, zur Heizung (durch Verbrennung mit Sauerstoff) und zur Schäumung.

[0021] Ist die Einschmelzphase beendet, so wird die Feinerzzufuhr eingestellt, jedoch Sauerstoff und/oder Kohlenstoff weiterhin durch die Bodendüsen 14 eingedüst. Der Prozeß in der folgenden Fertigreduktionsphase wird nun so geführt, daß einerseits die gewünschte Abstichtemperatur und andererseits ein geringer Metalloxidgehalt durch einen relativ hohen Kohlenstoffüberschuß in der Schlacke 17 erreicht wird. Anschließend wird durch das Schlackenabstichloch 15 abgeschlackt und durch das Metallabstichloch 16 abgestochen.

[0022] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zwischen einer Einschmelz- und Fertigreduktionsphase unterschieden. Dementsprechend verändern sich auch die Schlackenzusammensetzungen. Im folgenden sind Richtwerte der Schlackenanalyse für die Einschmelz- und Fertigschmelzphase bei der Herstellung von roheisenähnlichem Flüssigmetall mit ca. 2 % Kohlenstoff in einem basisch zugestellten Reduktionsreaktor angegeben.

[0023] Schlackenzusammensetzung in der Einschmelzphase:

30 bis 35 % FeO + Fe₃O₄

40 bis 45 % Ca0 + MnO

15 bis 20 % Si0₂

Rest P205, A1203, MgO u.a.

[0024] Schlackenzusammensetzung in der Fertigschmelzphase:

10 bis 15 % Gesamteisengehalt der Schlacke (das Eisen ist großteils in Form von FeO an den Sauerstoff gebunden)

50 bis 55 % Ca0 + MnO

20 bis 25 % Si0₂

Rest P₂0₅, A1203, MgO u.a.

[0025] Neben der Zufuhr von elektrischer Energie durch den Plasmabrenner 9 wird ein Großteil der benötigten Energie in Form von Kohlenstoff und Sauerstoff zugeführt (- es verbrennt der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff, wobei Energie frei wird -), wodurch es möglich ist, auch hochschmelzende Legierungen, insbesondere hochschmelzende Ferrolegierungen, kostengünstig herzustellen. Die oben dargelegten grundsätzlichen Überlegungen für die Schlackenbildung gelten auch bei der Erzeugung von Ferrolegierungen. Dabei nimmt jedoch der Eisenoxidgehalt ab, wogegen die Gehalte an Mn-, Cr-, W-Oxid u.a. zunehmen.

[0026] Die hohe, vom Plasmabrenner 9 erzeugte Temperatur ist vorwiegend in der Einschmelzphase von besonderem Vorteil. Für einen möglichst wirtschaftlichen Ofenbetrieb ist es zweckmäßig, daß nach dem Abstich ein Metallsumpf 18 im Schmelzgefäß 2 verbleibt; bei einer erneuten Chargierung kann dann sofort mit dem Einblasen von Kohlenstoff und/oder Sauerstoff (sowohl von unten als auch von oben) - als zusätzlicher Energieträger zum Plasmabrenner 9 - begonnen werden.

[0027] Neben den Vorteilen der optimalen Ausnutzung der vom Plasmastrahl 19 abgegebenen Energie und der weitgehenden Schonung der Ofenauskleidung bietet das erfindungsgemäße Verfahren auch die Möglichkeit, die Abgasmengen durch gezielte Prozeßführung (durch geeignete Energiezufuhr durch den Plasmabrenner 9 sowie dosiertes Einblasen von Heiz-, Reduktions- und Schäumgas) möglichst gering zu halten. Die heißen Abgase können zweckmäßig zur Vorwärmung und/oder teilweisen Vorreduktion des eingesetzten Erzes verwendet werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Metallen, insbesondere von flüssigem Roheisen, Stahlvormaterial oder Ferrolegierungen, aus metalloxidhältigem Rohstoff, wobei der Rohstoff in einem metallurgischen Gefäß (2) mittels mindestens eines, von oben nach unten gerichteten Plasmabrenners (9) erschmolzen wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- daß der Rohstoff in Form von feinteiligen Partikeln parallel zum Plasmastrahl (19) und diesen peripher umgebend von oben in das metallurgische Gefäß (2) zugegeben wird,

- daß in das Gefäß (2) von unten durch die Schmelze (18) hindurch sauerstoffhältige Gase und Kohlenstoff eingeblasen werden und

- daß in dem Gefäß (2) eine, den Plasmastrahl (19) in seiner gesamten Höhe und den Zuflußstrom (20) der Rohstoffpartikel peripher umgebende Schaumschlacke (17) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschmelzen der Rohstoffpartikel die Zufuhr der Rohstoffpartikel eingestellt und lediglich sauerstoffhältiges Gas und/oder Kohlenstoff von unten durch die Schmelze (18) hindurch eingeblasen wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, mit einem feuerfest ausgekleideten metallurgischen Gefäß (2) und einem von oben nach unten gerichteten Plasmabrenner (9), wobei im Boden (10) des Gefäßes (2) eine Gegenelektrode (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (9) peripher von einem Mantel zur Bildung eines den Plasmabrenner (9) peripher umgebenden Zuführraumes (13) für die feinteiligen Rohstoffpartikel umgeben ist und daß im Boden des metallurgischen Gefäßes Düsen (14), vorzugsweise Manteldüsen, zur Zufuhr von sauerstoffhältigem Gas und Kohlenstoff vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführraum (13) von mehreren, den Plasmabrenner (9) peripher umgebenden Aufblaslanzen gebildet ist.

Zeichnung