DE3608802A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen einschmelzen von schrott - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einschmelzen von Schrott, bei dem die Schmelzwärme durch die Teilverbrennung von staubförmigem Kohlen- und Koksstaub mit Sauerstoff in einem Schmelzraum aufgebracht wird und die Restenergie des bei der Teilverbrennung entstehenden Gases soweit zur Schrottvorwärmung eingesetzt wird, daß eine getrennte Restgasverwertung entfallen kann. Die Schmelzeinheit besteht aus einem senkrechten Schacht zur Schrottvorwärmung mit einem darunter angeordneten Schmelzraum.

Verfahren zum Einschmelzen von Schrott, bei denen Kohlenstoffträger zur Erzeugung der Schmelzwärme verwendet werden, sind bereits bekannt. Beispielsweise ist vorgeschlagen worden, Schrott in Kupolöfen einzuschmelzen, wie sie zur Herstellung von Gußeisen als Gießereischachtöfen eingesetzt werden. In solchen Öfen wird der metallische Einsatz unter Zugabe von schlackenbildenden Zuschlagstoffen (Kalkstein) und metallurgischem Koks als Energieträger geschmolzen. Die Verbrennungsluft (Wind) wird von einem Gebläse verdichtet und über Düsen in den Ofenschacht eingeblasen. Man unterscheidet den Kaltwind- und den Heißwindbetrieb, je nachdem, ob die zugeführte Verbrennungsluft kalt oder vorgewärmt ist. Der Schmelzprozeß läuft wie folgt ab: Die durch die Begichtungsöffnung eingeworfenen Chargen füllen den Ofenschacht etwa bis in Höhe der Gichtbühne. Die aufsteigenden heißen Ofengase erwärmen den Einsatz, der durch das Schmelzen allmählich in den Ofenschacht abgleitet. Nach Erreichen der Schmelzzone (300 bis 400 mm über den Düsen) wird das Eisen flüssig und tropft durch das Koksbett, d. i. die Füllkokssäule von der Sohle bis zur Schmelzzone, auf der die Charge ruht. Hierbei kohlt sich das Eisen stark auf. Neue Entwicklungen sind der "futterlose Kupolofen", bei dem der Schacht aus einem wasserberieselten Metallkörper ohne Feuerfestzustellung besteht, und der "kokslose Kupolofen", der wahlweise mit Gas oder Öl betrieben wird. Der Ofen weist anstelle des tragenden Koksgerüstes einen wassergekühlten Rost mit einem darüberliegenden Aufbau aus feuerfesten Kugeln auf. Darüber hinaus sind Kaltwindkupolöfen mit Sekundärwindbetrieb bekannt, bei denen durch Einblasen von Luft in den Ofenschacht brennbare Gasbestandteile teilweise nachverbrannt werden. Hierbei kann eine teilweise Rückreaktion des gebildeten Kohlendioxids mit dem Koks zu Kohlenmonoxid (Boudouard-Reaktion) nicht verhindert werden.

Zum Einschmelzen von Schrott ist auch schon vorgeschlagen, einen Herdofen mit wassergekühlten Wandelementen als Frischgefäß zu verwenden. Bei diesem als EOF-Verfahren bezeichneten Verfahren wird im Herdofen durch seitlich unterhalb der Badoberfläche angeordnete Düsen Sauerstoff und durch seitlich oberhalb der Badoberfläche angeordnete Brenner Öl und/oder Feinkohle gemeinsam mit Sauerstoff eingeblasen. Durch über den Öl/Feinkohle-Sauerstoffbrennern angeordnete Blasformen wird angereicherter Heißwind zugeführt und das Abgas im Ofengefäß vollständig nachverbrannt. Die heißen Ofenabgase werden durch eine über dem Ofen befindliche Schrottvorwärmanlage geleitet und anschließend einem Rekuperator zur Windvorwärmung zugeführt. Der Schrott wird auf maximal 800°C vorgewärmt und dem Herdofen diskontinuierlich zugegeben.

Nachteile dieses Verfahrens sind der komplizierte mechanische Aufbau des Hochtemperatur-Schrottvorwärmers und die diskontinuierliche Chargierweise. Die hierdurch verursachten zeitlich schwankenden Abgastemperaturen erschweren die weitere Ausnutzung der Abgaswärme.

Um die Einschmelzleistung von Stahlwerkskonvertern zu erhöhen, wurden in letzter Zeit auch Verfahren entwickelt, bei denen durch spezielle Düsen im Konverterboden Feinkohle und Sauerstoff in das Metallbad eingeblasen werden. Die bei der Teilverbrennung des Kohlenstoffs zu Kohlenmonoxid freiwerdende Wärme wird zum Einschmelzen von Schrott oder Eisenschwamm verwendet. Beispiele für solche Verfahren sind der sog. COIN-Prozeß und das KMS-Verfahren. Beim KMS-Verfahren wird zusätzlich Sauerstoff auf die Badoberfläche aufgeblasen und das Abgas teilweise nachverbrannt.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren ist die schlechte Gasausnutzung. Für den wirtschaftlichen Betrieb solcher Anlagen ist eine sekundäre Nutzung des Abgases unbedingt erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Mängel der bisherigen Verfahren nicht aufweist, bei dem staubförmige Kohlenstoffträger zum Einschmelzen verwendet und die latente und spezifische Wärme des entstehenden Abgases durch eine Nachverbrennung ausgenutzt werden kann. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale aufweist, die im Anspruch 1 angegeben sind. Bei diesem Verfahren wird im vorzugsweise zur Ofenachse asymmetrisch geformten Herd eines Schachtofens Feinkohle und/oder Sauerstoff durch eine oder mehrere Düsen unter das Metallbad geblasen. Zusätzlich sind oberhalb der Badoberfläche eine oder mehrere Feinkohle/ Sauerstoffdüsen angebracht. Die bei der Teilverbrennung des Kohlenstoffs innerhalb der Schmelze und im Gasraum freiwerdende Wärme wird zum kontinuierlichen Einschmelzen von Schrott verwendet. Der Feinkohle- und Sauerstoffanteil jeder Düse wird dabei so bemessen, daß durch die oberhalb der Badoberfläche befindlichen Düsen weitgehend die Schmelzwärme des Schrotts und durch die unterhalb der Badoberfläche angeordneten Düsen die Überhitzungswärme eingebracht wird. Durch eine Variation des Feinkohle/Sauerstoff-Verhältnisses in den Unterbaddüsen kann in der Schmelze ein beliebiger Kohlenstoffgehalt eingestellt werden. Das Verfahren wird so betrieben, daß die aufsteigenden Gase den durch den Ofenschacht in den Herdraum absinkenden Schrott vorwärmen. Über den oberhalb des Bades angeordneten Feinkohle-Sauerstoff-Düsen werden vorzugsweise zwei oder mehr Ringdüsen angebracht, durch die Luft und/oder Sauerstoff in den Gasstrom eingeblasen wird. Dadurch werden die brennbaren Gasbestandteile nahezu vollständig nachverbrannt und so die latente Wärme des Abgases fast vollständig ausgenutzt.

Das nachverbrannte, abgekühlte Gas wird zweckmäßigerweise in einer Ringleitung gesammelt und entsorgt. Die enthaltene Restwärme kann für Vorwärmung der Luft oder des Sauerstoffs für die Nachverbrennungsstellen genutzt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Herdofen einen zur Ofenachse asymmetrischen Querschnitt. Dort, wo die unter dem Metallbad angeordnete Feinkohle-Sauerstoff-Düse in den Herdraum eintritt, wölbt sich die Ofenwand deutlich vor. Dadurch wird verhindert, daß die Düse von herabfallenden Schrotteilen beschädigt wird. Die Schrottsäule ruht dabei direkt auf dem Herdboden.

Vorteilhaft wird der Herdofen mit einem geneigten Boden ausgestattet. Die tiefste Stelle des Bodens befindet sich dabei auf der Ebene der Feinkohle-Sauerstoff- Düsen. Zweckmäßig steigt der Boden zu der gegenüberliegenden Seite hin an. Die Steigung beträgt ca. 45°. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß sich das flüssige Metall stets vor der Feinkohle- Sauerstoff-Düse sammelt und so die Düse ständig von der Schmelze umspült wird. Dadurch wird übermäßiger Düsenverschleiß verhindert. Außerdem ist die Badtemperatur in diesem Bereich durch die direkte Wärmeeinbringung stets so hoch, daß ein störungsfreier Abstich durch den in unmittelbarer Nähe befindlichen Syphon möglich ist.

Die Syphonebene kann um 45° zur Düsenebene versetzt sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Bereich des Metall- und Schlackenauslaufes durch eine direkt auftreffende Flamme nicht beschädigt werden kann, gleichzeitig aber die Abstichtemperatur des Metalls für einen störungsfreien Betrieb ausreichend hoch ist.

Im Bereich des Metallbades wird der Herdofen mit Magnesit- oder Chrom-Magnesit-Steinen ausgemauert. In der Schlackenzone besteht die Ofenwand vorzugsweise aus Material mit dahinterliegenden wassergekühlten Elementen, so daß eine Ansatzbildung zum Schutz der Zustellung provoziert wird.

Der Nachverbrennungsraum wird vorzugsweise durch wassergekühlte Wände gebildet.

Gegenüber dem Stand der Technik bietet das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren den Vorteil, daß 100% Schrotteinsatz möglich ist. Außerdem ist die Einstellung beliebiger C-Gehalte im Bad möglich. Auch lassen sich konstante Abgastemperaturen einhalten. Schließlich befinden sich in Hochtemperaturzonen keine mechanischen Bauteile, und es ist kontinuierliche Schrottchargierung und kontinuierlicher Metall-/ Schlackeabzug möglich. Eine Überschußgasverwertung ist nicht erforderlich.

In besonderen Fällen können die oberhalb der Badoberfläche vorgesehenen Düsen zum Einblasen von Kohlenstoffträger und Sauerstoff auch durch Plasmabrenner ersetzt werden. Dies hat den besonderen Vorteil, daß oberhalb der Badoberfläche eine inerte Atmosphäre entsteht, die sich auf die Qualität der erzeugten Schmelze vorteilhaft auswirkt. Die Plasmabrenner werden vorteilhaft mit Wechsel- oder Drehstrom betrieben.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Hinter einem Schmelzofen 1 mit einem Fassungsvermögen von ca. 10 t Metall befindet sich der Schacht 2 eines futterlosen Kalt-/Heißwindkupolofens, der kokslos und ohne Rost betrieben wird. Der asymmetrische Schmelzofen hat einen Bodendurchmesser von 2000 mm. Bezogen auf die Mittelachse des Schachtes beträgt der Abstand zwischen Ofenwand und Ofenmitte auf einer Seite ca. 750 mm und auf der anderen Seite etwa 1250 mm. Am Übergang zum zylindrischen Schacht hat der Ofen einen Durchmesser von 1000 mm. Der Schmelzofen ist 2000 mm hoch. Der Ofenboden ist um ca. 45° geneigt, wobei das Gefälle so angeordnet ist, daß die tiefste Stelle des Bodens mit der am weitesten von der Mittelachse des Schachtes entfernten Stelle der Ofenwand zusammenfällt. Der Ofen hat einen Stahlmantel, der im Bereich der Schlackenzone und oberhalb der Schlackenebene wassergekühlt ist. Boden und Ofenwände wurden mit Magnesit- oder Chrom-Magnesit-Steinen zugestellt. Die Ausmauerung endet oberhalb der Schlackenebene.

An der tiefsten Stelle des Ofenbodens befindet sich eine Feinkohle-Sauerstoff-Düse 3. Zwei Feinkohlen- Sauerstoff-Düsen 4 sind oberhalb der Schlackenebene an der Übergangsstelle vom Herdofen zum Schacht des Kupolofens angeordnet. Alle Düsen werden aus einem Kohlebunker 5 und einem Sauerstofftank 6 über Rohrleitungen mit Feinkohle und Sauerstoff beaufschlagt.

Schlacke und Metall werden kontinuierlich über einen Schlacken- und Metallsyphon abgezogen. Die Syphonebene ist um 45° zu den unter dem Bad befindlichen Feinkohle-Sauerstoff-Düsen versetzt im ausgewölbten Teil des Herdes angeordnet.

Der Durchmesser des Kupolofenschachtes beträgt 1000 mm, die nutzbare Höhe bis zur Ringleitung ca. 3900 mm. In diesem Bereich sind im Abstand von 1000 mm zwei Ringdüsen 7 und 8 angeordnet, die über Rohrleitungen aus einem Vorratsbehälter 9 mit Luft oder aus dem Sauerstofftank 6 mit Sauerstoff versorgt werden. In der Ringleitung 10 werden die Abgase des Kupolofens gesammelt, einem Wärmetauscher 11 zugeführt und anschließend über einen Kamin 12 entsorgt. Die Restwärme des Wärmetauschers kann zur Vorwärmung der Nachverbrennungsluft bzw. des Sauerstoffes genutzt werden.

Mit der oben beschriebenen Anordnung soll Stahlschrott mit einer Zusammensetzung von z. B. 0,3% C, 0,2 Si, 0,4% Mn, 0,03% P, 0,04% S eingeschmolzen werden. Bei Verwendung einer mittelflüchtigen Kohle mit 10% Asche, 9% Flüchtigen und 80% C _fix ergeben sich in Abhängigkeit von den Abgasverhältnissen folgende Verbrauchs- und Leistungszahlen:

CO-Gehalt im Abgas/Vol.-%5 Temperatur des Abgases/°C300

Kohle, kg/h720 Sauerstoff, Nm³/h538 Sekundärwind, Nm³ Luft/h
(ohne Anreicherung)2583

Schmelzleistung, t/h9,8 Abgasmenge, m³/h3457

Claims (13)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Einschmelzen von Schrott und/oder Eisenschwamm in einem Schmelzofen, bei dem die Schmelzwärme durch die Teilverbrennung von Kohlenstoffträgern mit Sauerstoff aufgebracht und die Restenergie des bei der Teilverbrennung entstehenden Gases zur Schrottvorwärmung eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zur Ofenachse asymmetrisch geformten Herd des Schmelzofens durch mindestens eine in dem von der Ofenachse am weitesten entfernten Teil des Herdes angebrachte Düse unter die Badoberfläche Kohlenstoffträger und Sauerstoff und durch zwei oder mehr oberhalb des Bades angeordnete Düsen Kohlenstoffträger und Sauerstoff über das Bad geblasen werden, wobei die Aufteilung der gesamten einzublasenden Kohlenstoffträger- und Sauerstoffmenge auf die einzelnen Düsen in der Weise erfolgt, daß unterhalb der Badoberfläche die gewünschte Überhitzungswärme und oberhalb der Badoberfläche im wesentlichen die Schmelzwärme des Schrotts eingebracht und das entstehende teilverbrannte Gas im Ofenschacht zur Schrottvorwärmung nachverbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffträger Kohle mit einer Korngröße von <5 mm, vorzugsweise <1 mm, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinkörnige Kohle vorgeschwelt ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachverbrennung des Gases Luft eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft mit Sauerstoff angereichert ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Restwärme aus dem Abgas des Ofenschachts zur Vorwärmung der Nachverbrennungsluft genutzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einstellung des geeigneten Feinkohle/Sauerstoff- Verhältnisses in den Unterbaddüsen eine Schmelze mit beliebigem C-Gehalt hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unterbaddüsen COIN-Düsen eingesetzt werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schmelzofen mit einem zur Ofenachse asymmetrisch geformten Herd, in dessen von der Ofenachse am weitesten entfernten Teil unter der vorgesehenen Badoberfläche mindestens eine Düse zur gleichzeitigen Zufuhr eines Kohlenstoffträgers und von Sauerstoff angebracht ist und in dem oberhalb der Badoberfläche zwei oder mehr Düsen angeordnet sind, durch die Kohlenstoffträger und Sauerstoff über das Bad geblasen werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Herdes in einem Winkel von 5 bis 45° zur Horizontalen auf die unterhalb der Badoberfläche angebrachten Düsen geneigt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Syphonebene im Herd um 10 bis 90°, vorzugsweise 45°, zu den unterhalb der Badoberfläche angebrachten Düsen versetzt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die oberhalb des Bades angeordneten Düsen durch Plasmabrenner ersetzt sind.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ofenschacht mindestens eine Nachverbrennungsstelle eingerichtet ist.