Die Erfindung betrifft einen koks- und titanhaltigen Zuschlagstoff, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung zur Reparatur der Auskleidung von metallurgischen Gefäßen sowie ein Verfahren zur Beschleunigung der Bildung von hochfeuerfesten Titanverbindungen durch Direktreduktion bei metallurgischen Prozessen unter dessen Verwendung.
Die Verwendung titanhaltiger Zuschlagstoffe zur Reparatur der Auskleidung von metallurgischen Gefäßen wie z.B. Hochöfen ist seit langem bekannt.
In den meisten Bereichen ist das Ziel, titanhaltige Zuschlagstoffe unter Bildung von titanhaltigen, hochfeuerfesten/verschleißfesten Verbindungen wie z.B. TiC, TiN, TiCN usw. umzusetzen, welche dann in weiteren Schritten teilweise sich in den durch Verschleißprozesse gefährdeten Bereichen der jeweiligen feuerfesten Auskleidung niederschlagen und selbige schützen und/oder reparieren sollen.
Es gehört zum Stand der Technik, titanhaltige Materialien in Mischungen mit kohlenstoffhaltigen Materialien in metallurgischen Gefäßen einzusetzen.
Es ist ferner Stand der Technik, durch die Blasformen der Hochöfen Kohle (pulverized coal injection - im Folgenden PCl genannt) Öl/Erdgas und/oder Teer, Pech, als Energieträger und Reduktionsmittel für den Verhüttungsprozess einzublasen. Außerdem wird Koks als Brennstoff und als Reduktionsmittel bei der Eisenproduktion z. B. in Hochöfen eingesetzt. Die Herstellung von Koks erfolgt durch Pyrolyse der Fettkohle. Bei der Verhüttung wird Koks mit einer Körnung zwischen 20 bis 150 mm verarbeitet.
Für die Herstellung der PCl-Kohle werden dabei in der Regel kohlehaltige Rohstoffe eingesetzt, welche in einem speziellen Mahlprozess feinkörnig gemahlen werden, als auch in einem meist parallel geschalteten Trocknungsprozess bei niedrigen Temperaturen getrocknet werden.
So werden den kohlehaltigen Rohstoffen in einigen Fällen feinkörnige Titanträger zugemischt und anschließend in den Hochofen eingeblasen, um dann in dem Reaktionsraum des Hochofens Titancarbide bzw. Titancarbonitride zu bilden. Im Bereich der Hochofentechnologie kommt es dabei darauf an, möglichst schnell im Bereich des Gasraumes um die Blasformen herum und in den jeweiligen Flüssigphasen wie Roheisen und Schlacke die gewünschten verschleißfesten Titancarbide zu erzeugen und diese verschleißfesten Titancarbide dann im zweiten Schritt auf den jeweils zu reparierenden/zu schützenden feuerfesten Ausmauerungen mit möglichst hoher Ausbeute abzulagern.
Ein Nachteil der bisher eingesetzten kohlenhaltigen Materialien ist, dass diese kohlenhaltigen Materialien in der Regel komplizierte Gemische von Kohlenwasserstoffen diverser Art und weitere zahlreiche Verunreinigungen durch Aschebildner enthalten. Dadurch wird einerseits die gewünschte Bildung von verschleißfesten Titanverbindungen reduziert, andererseits kommt es zu unerwünschten Behinderungen der gewünschten Reaktionskinetik, welche die Bildung von verschleißfesten Titanverbindungen behindert, bzw. deutlich reduziert. Dadurch wird die Menge von verschleißfesten Titanverbindungen (z.B. TiCN) reduziert, und die Folge ist, dass der Hauptteil des eingesetzten Titans dem System durch die Verschlackung ungenutzt entzogen wird.
Aufgabe der Erfindung ist, die Ausbeute an gebildeten hochfeuerfesten Titanverbindungen im Verhältnis zu den eingesetzten titanhaltigen Materialien zur Anwendung im metallurgischen Gefäß zu steigern.
In diesem Zusammenhang haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass die Reaktionskinetik vor den Blasformen bzw. im Bereich jeweiligen Flüssigphasen wie Roheisen und Schlacke durch einen sehr bedeutsamen Effekt beschleunigt werden kann.
Gemäß den Untersuchungen der Erfinder treffen beim Einblasen von PCI-Gemischen zusammen mit Titanverbindungen mit hoher Geschwindigkeit die jeweiligen Teilchen statistisch nur selten aufeinander. Wenn die Teilchen dann irgendwann aufeinandertreffen, werden die Titanverbindungen von den vergasten bzw. freigesetzten Kohlenwasserstoffen der Injektionskohle wieder zurückgestoßen, so dass zu diesem Zeitpunkt trotz eines Teilchenkontaktes keine Titancarbide gebildet werden. Erst bei einem weiteren Aufeinandertreffen im zweiten, dritten usw. Anlauf, wenn die flüchtigen Kohlenwasserstoffe ihren abweisenden Einfluss nicht mehr ausüben können, da der Großteil von ihnen vergast ist, ist die Reaktion von "quasi reinem" Kohlenstoff und den jeweiligen Titanverbindungen zu Titankarbiden möglich.
Die Aufgabe kann mit der Bereitstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Zuschlagstoffes aus kokshaltigen Materialien und titanhaltigen Verbindungen gelöst werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so möglich, insbesondere die Menge der pro Zeiteinheit gebildeten hochfeuerfesten Titanverbindungen zu erhöhen und gleichzeitig das metallurgische Ausbringen der dem System zugeführten Titanverbindungen zu verbessern.
Die Erfindung betrifft somit auch einen erfindungsgemäßen Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material oder Mischungen mehrerer unterschiedlicher kokshaltiger Materialien und titanhaltigen Verbindungen für die Einbringung in ein metallurgisches Gefäß.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass durch Einblasen eines solchen Zuschlagstoffes aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Materialien/Verbindungen die Umsetzung der Reaktionspartner zur Bildung von hochfeuerfesten Titancarbonitriden in einer unmittelbaren Reaktion (Direktreduktion) deutlich verbessert wird und die Ausbeute von Titancarbonitriden dadurch stark erhöht wird.
Unter kokshaltigem Material wird erfindungsgemäß auch ein kohlenstoffhaltiges Material wie Kohle, Koks oder Mischungen mehrerer unterschiedlicher kokshaltiger Materialien, verstanden, das nur einen geringen Anteil von weniger als 25 Gew.-% bevorzugt weniger als 10 Gew.-% an bei den erhöhten Temperaturen flüchtigen, insbesondere organischen Substanzen wie Kohlenwasserstoffen, Gasen etc. enthält. Um dies zu erreichen, kann das kohlenstoffhaltige Material einer thermischen Vorbehandlung unterzogen werden, bei der die flüchtigen Substanzen ausgetrieben werden und so bei der Verwendung den innigen Kontakt zwischen kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen im metallurgischen Gefäß nicht mehr beeinträchtigen. Bei einer solchen thermischen Vorbehandlung wird in der Regel in der ersten Phase das Material getrocknet, falls ein Wassergehalt vorhanden ist. Der erfindungsgemäße Zuschlagstoff kann bis zu 60 Gew.-% Wasser, bevorzugt bis zu 35 Gew.-% Wasser enthalten. In der Regel und je nach Anwendung ist bei solchen Wassergehalten dann eine Teil- bzw. Trocknung als thermische Vorbehandlung notwendig.
Der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen kann somit Teilchen des kokshaltigen Materials und der titanhaltigen Verbindungen nebeneinander als Pulvermischung enthalten, deren Korngröße auf den angestrebten Verwendungszweck abgestimmt ist. So werden für die Einblasung einer Pulvermischung Korngrößen von weniger als 200mµ bevorzugt weniger als 100µm eingesetzt, während bei einer Einbringung in das metallurgische Gefäß auf anderem Wege auch größere Korngrößen von bis zu 200mm zulässig sind.
Wenn beispielsweise Koks als kohlenstoffhaltiges Material in einer solchen Mischung eingesetzt werden soll, kann die Korngröße aus den Hochofenkokssorten HK 1 (> 80 mm), HK 2 (> 60 mm), HK 3 (> 40 mm) sowie HK 4 (> 20 bzw. 25 mm) ausgewählt werden, wobei die kleineren Größen bevorzugt sind. Daher kann auch ein gröberer Koks weiter gebrochen oder gemahlen werden, bis sich eine vorteilhafte Körnung von unter 10mm ergibt. Auch die Verwendung von Koksgrus mit einer Körnung von bis zu 10 mm bietet sich vorteilhaft an.
Anstelle oder zusammen mit Koks kann erfindungsgemäß ein kohlenstoffhaltiges Material verwendet werden, das keine oder nur geringe Mengen von weniger als 25 Gew.-%, bevorzugt weniger als 10 Gew.-% bezogen auf das kohlenstoffhaltige Material, an bei den am Reaktionsort im metallurgischen Gefäß gegebenen Temperaturen flüchtigen, insbesondere organischen Substanzen wie Kohlenwasserstoffen enthält. Beispielhaft ist hier Petrolkoks, Koksgruß, Aktivkohle oder verbrauchte Aktivkohle sowie Magerkohle und Anthrazit vorzugsweise mit einem geringen flüchtigen Anteil von weniger als 10 Gew.-% genannt.
Von besonderem Vorteil ist es, der Kohle oder dem kohlenstoffhaltigen Material, das der Verkokung zugeführt wird, bei der Verkokung die titanhaltigen Verbindungen in der gewünschten Menge zuzugeben, so dass die Koksbildung in Gegenwart der titanhaltigen Materialien abläuft und ein stückiges Material gebildet wird, das Koks und titanhaltige Materialien "nebeneinander" enthält. Dieses stückige Material kann dann durch Sieben, Mahlen etc. auf die gewünschte Körnung gebracht werden. So ist es auch möglich, dieses stückige Material, das Koks und titanhaltige Materialien "nebeneinander" enthält, dem metallurgischen Gefäß, wie bei einem Hochofen von oben über die Befüllung als Zusatz zum Möller, zuzuführen. Das stückige Material lässt sich aber auch vorteilhaft zu einer Korngröße vermahlen, die für die Einblasung geeignet ist.
Somit können die Teilchen des erfindungsgemäßen Zuschlagstoffes aus kokshaltigem Material und Titanverbindungen (koks- und titanhaltiger Zuschlagstoff) eine Körnung von 0 bis 200, bevorzugt bis 150 mm haben. Der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen weist vorteilhaft eine Feinheit von 90%, bevorzugt 100 %, kleiner als 100 mm, bevorzugt kleiner als 10 mm, besonders bevorzugt kleiner 1 mm und ganz besonders bevorzugt von kleiner als 0,5 mm auf. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Zuschlagstoff charakterisiert durch einen solchen feinteiligen koks- und titanhaltigen Zuschlagstoff, dessen Teilchen zu 90 % einen Durchmesser von höchstens 100 Mikrometer aufweisen. Diese letzte Ausführungsform ist insbesondere für die Einblasung in ein metallurgischen Gefäß, wie einen Hochofen, über Blasformen geeignet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein koks- und titanhaltiger Zuschlagstoff, dessen Teilchen zu mindestens 95 % einen Durchmesser von höchstens 150 µm und einen Wassergehalt von 0,1 bis 60 % aufweisen, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Zuschlagstoffes gemäß oben beschriebenen Verfahrensweisen, somit auch ein Verfahren zur Herstellung des Zuschlagstoffes durch Vermischen des kohlenstoffhaltigen feinteiligen Kokses mit den feinteiligen Titanverbindungen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein koks- und titanhaltiger Zuschlagstoff mit einer Körnung von 10 bis 150 mm und einem Wassergehalt von 0,1 bis 15 Gew%.
Dieser koks- und titanhaltige Zuschlagstoff kann auch dadurch vorteilhaft hergestellt werden, das kokshaltige Material mit den titanhaltigen Verbindungen zu vermengen und je nach Anwendungsgebiet gemeinsam zu vermahlen und so die gewünschte Körnung und innige Vermischung der bevorzugt feinteiligen Komponenten zu erzielen.
Wie oben beschrieben, kann das zur Herstellung des Kokses als Koksbildner eingesetzte Material wie Fettkohle, z.B. Steinkohle, Braunkohle, Pech, Teer und ähnliche kohlenstoffhaltigen Materialien gemeinsam mit den titanhaltigen Verbindungen/Material durch Wärmeeinwirkung unter Sauerstoffabschluss in einer Verkokungsstufe pyrolysiert werden und, falls gewünscht, das erhaltene, oft stückige Pyrolysat aus kokshaltigem Material und titanhaltigem Material je nach Anwendungsgebiet auf die gewünschte Korngröße gebrochen bzw. vermahlen werden.
Auf diese Weise ist durch eine thermische Vorbehandlung wie eine Verkokung zuverlässig gewährleistet, dass während der Verkokung die flüchtigen Bestandteile, die einen innigen Kontakt zwischen kokshaltigem Material und titanhaltigem Material Im Hochofen beeinträchtigen, ausgetrieben werden und so der innige Kontakt zwischen kokshaltigem Material und titanhaltigem Material gewährleistet ist.. Bei dieser Verfahrensweise können die eingesetzten titanhaltigen Verbindungen mit dem kohlehaltigen Material schon teilweise oder vollständig zu TiOC, TiC, TiCN und ähnlichen hochfeuerfesten Verbindungen reagieren. So kann das Gemisch, bzw. die teilweise stofflich miteinander verbundenen Materialien (kokshaltiges Material und titanhaltiges Material), das auch als erfindungsgemäßer koks- und titanhaltigen Zuschlagstoff verstanden wird, am Reaktionsort im metallurgischen Gefäß unmittelbar und ohne störende "Verdampfungsreaktionen" der flüchtigen Bestandteile zu den Titancarbonitriden reagieren.
Der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen kann 10 bis 98 Gew.-%, bevorzugt 25 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt 35 bis 90 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 45 bis 80 Gew.-% kokshaltiges Material, insbesondere Koks, berechnet aus dem Gesamtkohlenstoffgehalt und bezogen auf bei vorzugsweise 105°C getrocknetes Material, enthalten.
Der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus titanhaltigen Verbindungen und kohlenstoffhaltigem Material, insbesondere bei der Herstellung über die gemeinsame Verkokung, enthält bevorzugt 10 bis 65 Gew.-% an titanhaltigem Material/Verbindungen und eine Menge von 35 bis 90 Gew.-% an kokshaltigem Material, bevorzugt eine Menge von 20 bis 55 Gew.-%, an titanhaltigem Material/ Verbindungen und eine Menge von 45 bis 80 Gew.-% an kokshaltigem Material. Alle Angaben der Beschreibung in Gew.-% zu Feststoffgehalten beziehen sich auf ein bei 105°C getrocknetes Material.
Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zuschlagstoffes verwendeten titanhaltigen Materialien enthalten in der Regel 5 bis 60, bevorzugt 10 bis 60 Gew.-% Ti, zumeist als TiO2 oder in Verbindung mit anderen Metallen als Titanate. Als synthetische titandioxidhaltige Materialien können solche aus der Produktion von Titandioxid, nach dem Sulfat- oder Chloridverfahren, als Zwischen- oder Kuppelprodukte oder Reststoffe aus der laufenden TiO2-Produktion verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, dass als synthetische titanhaltigen Materialien Rückstände oder Abfälle aus Chemischen Industrie oder Papierindustrie bzw. aus Titangewinnung verwendet werden. Die typischen TiO2-Rückstände sind TiO2-Rückstände aus der TiO2-Produktion nach dem Sulfatverfahren. Ebenfalls können vorteilhaft im Rahmen der Erfindung verbrauchte titanhaltige Katalysatoren z.B. DENOX-Katalysatoren oder Claus-Katalysatoren Verwendung finden. Ferner können dazu Materialien wie natürliche Titanträger wie z. B Ilmenit, Ilmenitsand, Rutilsand und/oder titanhaltige Schlacken ( z. B.Sorelschlacke), die dazu in der Lage sind, unter den Bedingungen am Reaktionsort im Hochofen feuerfeste Titancarbonitride zu bilden, verwendet werden. Die oben genannten synthetischen und natürlichen titanhaltigen Träger können einzeln oder in Mischungen zur Herstellung von kokshaltigen Titanverbindungen verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen kann neben Kohlenstoff und TiO2 (berechnet aus Gesamt-Titan) noch andere Bestandteile aus Metalloxiden und/oder Metallhydroxiden wie z.B. Al2O3, Eisenoxide, CaO, MgO, SiO2, ZrO2, Al(OH)3, Ca(OH)2, Mg(OH)2 oder Mischoxide davon sowie Gemische von mehreren Komponenten davon sowie weiterhin Bestandteile wie Schlackebildner in einer Menge von vorzugsweise bis zu 50 Gew.-% der Gesamtmenge enthalten.
Je nach Anwendung kann der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen auch im Bereich des Gestells unmittelbar an schadhaften Stellen eingeblasen werden. In diesem Falle können der erfindungsgemäße Zuschlagstoff bevorzugt einen Wassergehalt von 0,1 bis 15 Gew.-% aufweisen.
Alternativ kann die Zugabe de erfindungsgemäßen /Zuschlagstoffes aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen im Laufe der Aufbereitung der feinteiligen Injektionskohle (PCI) für die Einblasung in den Hochofen erfolgen. Dabei kann der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen bereits den kohlenstoffhaltigen Rohstoffen zugegeben werden. Die Zugabemenge an erfindungsgemäßem Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen kann bei 0,5 bis 100 Gew.- %, bevorzugt 0,5 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise bei 1 bis 50 Gew.-% und ganz besonders bei 2 bis 40 Gew.-% des eingeblasenen Materials liegen.
Alternativ kann der erfindungsgemäße Zuschlagstoff aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen einem kohlenstoffhaltigem Material wie Öl, Schweröl, Teer, Pech und oder Erdgas hinzugeführt werden und anschließend über die Blasformen in das metallurgische Gefäß eingeblasen werden.
In entsprechender Weise kann eine gemeinsame Einblasung des erfindungsgemäßen Zuschlagsstoffes aus kokshaltigem Material und titanhaltigen Verbindungen mit Einblasstoffen wie Kunststoffen, in einer Menge bis zu 50 Gew.- % bezogen auf die Gesamtmenge an eingeblasenem Stoff über die Blasformen in das metallurgische Gefäß erfolgen.
Der koks- und titanhaltige Zuschlagstoff zeichnet sich dadurch aus, dass die zeitraubenden und kostspieligen erst im Hochofen ablaufenden Verkokungsprozesse eingespart werden können und die Einsatzstoffe frei von flüchtigen Bestandteilen und sonstigen Verunreinigungen eingesetzt werden können. Die Verwendung des Zuschlagstoffes ist somit "energieneutral", da dem Hochofen keine Energie zur Verdampfung flüchtiger Bestandteile und zur Verkokung der Kohle entzogen werden sowie kein dem Hochofen zur Eisenerzeugung zugeführter Koks dafür verwendet wird.
Wenn man die feinkörnigen Koksteilchen (ohne flüchtige Inhaltsstoffe) mit den hochreaktiven Titanteilchen zusammenbringt, erfolgt die Bildung von Titankarbiden deutlich schneller als bei der Einblasung von üblicherweise verwendeten pulverisierten Kohleteilchen. Durch die Einbringung des koks- und titanhaltigen Zuschlagstoffe in einen Ofen erfolgt aufgrund der örtlichen Nähe der beiden Reaktionspartner in situ die Bildung von hochverschleißfesten Titanverbindungen, ohne dass die Reaktion im Wesentlichen durch flüchtige Bestandteile behindert wird. Hierdurch werden pro Zeiteinheit deutlich mehr hochfeuerfeste Titanverbindungen gebildet, welche sich dann anschließend an den zu schützenden feuerfesten Ausmauerungen ablagert.
Beim Einbringen von kokshaltigem Titanträger für die Bildung und Ablagerung von verschleißfesten Titanverbindungen wird somit eine Direktreduktion ausgelöst. Durch diesen Effekt der Direktreduktion werden geringere Mengen an Einsatzmengen an titanhaltigen Einsatzstoffen benötigt als bei Verwendung der titanhaltigen Träger gemäß dem Stand der Technik. Somit wird der Einsatz teuren titanhaltigen Träger reduziert und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erhöht.
Die geringeren Einsatzmengen und der höhere Umsetzungsgrad zu Ti(C,N)-Verbindungen führt dann zu verbesserter Schlackenqualität durch niedrigere TiO2-Gehalte und somit zur erleichterten Verwertung des Hüttensandes.
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