DE60004062T2

DE60004062T2 - Optimierungsverfahren zum betrieb eines elektroofens mit verdecktem lichtbogen

Info

Publication number: DE60004062T2
Application number: DE60004062T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Roth
Original assignee: Paul Wurth SA
Current assignee: Paul Wurth SA
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: ES2202138T3; JP2003503593A; AU5406300A; CN1197983C; EP1200634A1; TW428030B; US6635096B1; MXPA02000062A; ATE245707T1; EP1200634B1; DE60004062D1; JP4776127B2; CN1357054A; BR0012193A; LU90409B1; WO2001000886A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs eines Elektroofens mit verdecktem Lichtbogen für die Herstellung von flüssigem Metall.
Es ist bekannt, Elektroöfen mit verdecktem Lichtbogen (SAF-Öfen) für die Herstellung von Ferrolegierungen (Fe-Mn, Fe-Cr,...) und Roheisen durch Schmelzreduktion von Chargen aus bereits mehr oder weniger vorreduziertem Erz zu verwenden, wobei insbesondere Koks als Reduktionsmittel zum Einsatz kommt. Es ist ebenfalls bekannt, diese SAF-Öfen für die Schmelzreduktion von Schrott zu verwenden, insbesondere von Metallstaub, der in Form von Feingut, Granulat oder Kügelchen chargiert wird. Die in diesen SAF-Öfen durchgeführten Schmelzreduktionsverfahren zeichnen sich in der Regel dadurch aus, dass große Mengen Schlacke anfallen, wobei die Schlackenmasse mit der Metallmasse vergleichbar oder größer als diese sein kann. Das Metallbad ist folglich von einer dicken Flüssigschlackeschicht (ca. 0,4 m bis 1,50 m) überdeckt, die eine Charge von etwa 1 bis 3,75 Tonnen Schlacke pro Quadratmeter Bad darstellt. Die Elektroden des SAF-Ofens sind in der Kernzone des Ofens angeordnet, während die Charge in der Randzone aufgegeben wird, d.h. zwischen der Kernzone der Elektroden und der Ofenwand.
Im SAF-Ofen wird die zum Einschmelzen der metallischen Produkte erforderliche Wärmeenergie durch Leitung des elektrischen Stroms in der flüssigen Schlacke erzeugt. Ein eigentlicher Plasmalichtbogen (oder freier Lichtbogen), der sich zwischen den Elektroden und dem Metallbad bildet, liegt also nicht vor. Die in einem SAF-Ofen entwickelte elektrische Leistung beträgt daher nur 0,2 bis 0,5 MW pro m² Herd, was eine sehr geringe Leistung ist im Vergleich zu einer Leistung von etwa 2 MW pro m2 Herd, die in den Öfen mit freiem Lichtbogen entwickelt wird. Da der Energiebedarf für die Schmelzreduktion von Ferrolegierungen oder Schrott jedoch sehr hoch ist, lässt folglich die Produktivität dieser SAF-Öfen derzeit noch zu wünschen übrig.
Aufgabe der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Produktivität eines SAF-Ofens zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 erreicht.
Allgemeine Beschreibung der beanspruchten Erfindung mit ihren wesentlichen Vorteilen
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Betrieb eines Elektroofens mit verdecktem Lichtbogen zur Herstellung von flüssigem Metall optimiert werden. Dieser Elektroofen weist mindestens eine Elektrode auf und enthält ein Flüssigmetallbad, das von einer dicken Flüssigschlackeschicht mit einer flächenbezogenen Masse von mindestens 1 t/m² überdeckt ist. Einem wichtigen Aspekt der Erfindung zufolge wird die Schlackeschicht lokal um die Elektrode herum aufgeschäumt, um um diese Elektrode herum eine lokale Schaumschlackeschicht zu bilden, in der die Dichte der Schlacke um mindestens 50% geringer ist als im Rest des Ofens. Weist der Ofen mehrere Elektroden auf, wird die Schlackeschicht bevorzugt lokal um alle Elektroden des Ofens herum aufgeschäumt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, den Betrieb eines SAF-Elektroofens, der eine große Menge flüssige Schlacke enthält, zu optimieren und insbesondere seine Produktivität zu erhöhen. Die Bildung einer lokalen Schaumschlackeschicht ändert nämlich die Form der Energieübertragung in das Schmelzbad. Dabei geht man – zumindest teilweise – von einer Leitung des elektrischen Stroms in resistiver flüssiger Schlacke zu einem in einem gasförmigen Medium gebildeten sog. Plasmalichtbogen über, auch dann, wenn dieses Medium ebenfalls eine gewisse Menge flüssige Schlacke enthält. Man kann dadurch die Lichtbogeneigenschaften verbessern, d.h. die Lichtbogenspannung und die Lichtbogenlänge. Das elektrische Feld bei der Betriebsart mit einem in Schaumschlacke eingetauchten Plasmalichtbogen ist mindestens zwei bis vier Mal größer als bei der resistiven Betriebsart (Leitung in der flüssigen Schlacke). Die Folge davon ist eine spürbare Leistungserhöhung des SAF-Ofens. Da die Leistung erhöht ist, kann die Schmelzzeit reduziert werden, was eine Erhöhung der Produktivität zur Folge hat. Außerdem sind die Herstellungsbedingungen für flüssiges Metall in Schaumschlacke weniger aggressiv als in Flüssigschlacke. Der Elektrodenverbrauch in der lokalen Schaumschlackeschicht ist dadurch geringer.
Der Elektroofen kann ein Flüssigmetallbad enthalten, das von einer dicken Flüssigschlackeschicht mit einer Dicke von 0,4 bis 1,5 m überdeckt ist. Die lokale Schaumschlackeschicht, welche die Elektrode umgibt, enthält vorzugsweise mindestens 50 % Gas, optimal mindestens 80 % Gas.
Die lokale Schaumschlackeschicht wird vorteilhaft durch Zugabe von mindestens einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff und/oder mindestens einem Sauerstoffträger in oder auf die Schlackeschicht und/oder das Metallbad gebildet. Durch die Reaktion des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mit dem im Flüssigmetallbad enthaltenen Sauerstoff kann CO erzeugt werden, was zum Aufschäumen der Schlacke führt. Außerdem stellt die Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs eine zusätzliche Energiezufuhr zur Wärmeenergie elektrischen Ursprungs für die Schmelzreduktion dar. Durch Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas in das obere Drittel der Schlackeschicht kann die Nachverbrennung des CO erfolgen, welche Reaktion ebenfalls an der Wärmeenergiezufuhr beteiligt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart weist der Elektroofen mindestens drei Elektroden auf, die in der Mitte des Ofens angeordnet sind. In diesem Fall wird eine lokale Schaumschlackeschicht zwischen den drei Elektroden gebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die lokale Schaumschlackeschicht jede Elektrode umgibt und sich zwischen den Elektroden in der Mitte des Ofens erstreckt.
Vorzugsweise werden Rohstoffe hauptsächlich in der Mitte des Elektroofens zugegeben.
Gemäß einer ersten Ausführungsart werden Rohstoffe in Form von Feingut zugegeben, welches in den unteren Bereich der Schlackeschicht und/oder des Flüssigmetallbades eingeblasen wird. Auf diese Weise kann zum Beispiel feinkörniges, vorreduziertes Eisenerz eingeblasen werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsart werden Rohstoffe in Form von Kügelchen (Pellets) oder Briketts zugegeben. Dadurch können Rohstoffe in den Elektroofen eingebracht werden, die sich nicht einblasen lassen, indem sie zum Beispiel zu Kügelchen (Pellets) oder Briketts agglomeriert werden, die eine ausreichende Dichte haben, um die Schlackeschicht zu durchdringen.
Beschreibung anhand der Figuren
Weitere Besonderheiten und Merkmale der Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungsart hervor, die nachstehend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert werden soll. Es zeigt:
1: eine Schnittansicht eines Elektroofens mit verdecktem Lichtbogen, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
In 1 ist eine Schnittansicht eines Elektroofens 10 mit verdecktem Lichtbogen (SAF-Ofen: Submerged Arc Furnace) dargestellt. Der Herd 14 des Ofens nimmt das Flüssigmetallbad 12 auf. Über dem Flüssigmetallbad befindet sich eine dicke Flüssigschlackeschicht 16. Diese Flüssigschlackeschicht kann Höhen von mehr als 1,5 m erreichen. Sie stellt eine Charge von etwa 1 bis 3,75 Tonnen pro Quadratmeter Metallbad dar. In der Mitte des Ofens sind mehrere Elektroden 18 angeordnet, von denen zwei in 1 zu erkennen sind. Das untere Ende dieser Elektroden befindet sich deutlich unterhalb der normalen Schlackenhöhe im Herd 14.
Es erweist sich als günstig, wenn die Flüssigschlackeschicht 16 um die Elektroden 18 herum aufgeschäumt wird, um eine lokale Schaumschlackeschicht 20 zu bilden, in der die Dichte der Schlacke um mindestens 50% geringer ist als im Rest des Elektroofens. Weist der Ofen drei Elektroden auf, sind diese gewöhnlich im Dreieck in der Mitte des Ofens angeordnet. Die lokale Schaumschlackeschicht wird dann so gebildet, dass sie sich zwischen den Elektroden erstreckt und jede davon umgibt. Die lokale Schaumschlackeschicht ändert die Art der Energieübertragung in Bad und Schlacke. Es sei darauf hingewiesen, dass die Elektroden hier im Dreieck angeordnet sind; sie können jedoch auch in Reihe angeordnet sein. Außerdem kann der Ofen mehr als drei Elektroden aufweisen.
Wenn die Elektroden von Flüssigschlacke umgeben sind, erfolgt die elektrische Energiezufuhr durch Leitung. Durch Bildung einer lokalen Schaumschlackeschicht um die Elektroden herum ist es möglich, sog. Plasmalichtbögen in einem quasi gasförmigen Medium zu bilden, wodurch die Lichtbogeneigenschaften verbessert werden. Ein elektrisches Feld von beispielsweise 0,1 V/mm in der resistiven Betriebsart (Leitung in der flüssigen Schlacke) kann in der Betriebsart mit Plasmalichtbögen in der lokalen Schaumschlackeschicht bis auf 0,5 V/mm erhöht werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung gut geeignet ist für die Herstellung flüssigen Metalls aus Rohstoffen, bei denen viel Schlacke anfällt, zum Beispiel aus mehr oder weniger vorreduziertem Eisenerz oder Schrott. Selbst bei Flüssigschlackeschichten von bis zu 1,5 m Dicke kann die Schlacke im Bereich der Elektroden örtlich aufgeschäumt werden. Die Herstellungsbedingungen können somit zur Bildung von Schaumschlacke ohne Überlaufgefahr genutzt werden.
Zur Bildung der lokalen Schaumschlackeschicht kann man beispielsweise Kohlenstoff und Sauerstoff in die untere Schlackenschicht und/oder das Flüssigmetallbad einbringen. 1 zeigt zum Beispiel eine Lanze 22, die einen pulvrigen, kohlenstoffhaltigen Feststoff in das untere Drittel der Schlackeschicht 16 einbläst. Die spezifische Ausbringleistung an pulvrigem, kohlenstoffhaltigem Feststoff der Lanze 22 beträgt 10 bis 30 kg/min, unter Berücksichtigung einer flächenbezogenen Ausbringrate von 0,5 bis 5 kg/min.m², vorzugsweise 1 kg/min.m². Ebenso kann Primärsauerstoff mit Hilfe einer Lanze 24 in das untere Drittel der Schlackeschicht 16 eingeblasen werden. Dabei ist die Sauerstoffmenge vorzugsweise proportional zur Kohlenstoffmenge im Verhältnis von 1 bis 2 m³/kg. Dieser Primärsauerstoffstrahl dient zur Erzeugung von CO gemäß den folgenden Reaktionen:
Ein zweiter Sauerstoffstahl kann in das obere Drittel der Schlacke 16 eingeblasen werden (nicht dargestellt), um das CO zu verbrennen:
Diese Nachverbrennung des CO setzt mehr Energie frei als die Verbrennung von C zu CO.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die eingeblasene Sauerstoffmenge nach der Menge reduzierbarer Oxide richtet, die in den Rohstoffen (zu reduzierende und einzuschmelzende Metallprodukte) enthalten ist. Enthalten die Rohstoffe viel Oxide, wie zum Beispiel FeO oder NiO, kann man die zum Aufschäumen der Schlacke eingeblasene Sauerstoffmenge reduzieren oder sogar ganz weglassen.
Dabei ist klar, dass der Kohlenstoff, der zum Aufschäumen der Schlacke zugegeben wird, zusätzlich zu dem für die Reduktion der Charge und die Entkohlung des Metalls erforderlichen Kohlenstoff eingebracht werden muss.
Je nach den eingebrachten und im Bad 12 enthaltenen Sauerstoff- und Kohlenstoffmengen ist es also möglich, den Gasgehalt in der Schaumschlackeschicht 20 zu variieren. Dabei sollte eine Schaumschlackeschicht 20 gebildet werden, die mindestens 50% Gas und vorzugsweise mehr als 80% Gas enthält.
Die Bezugszeichen 25 und 26 kennzeichnen eine periphere bzw. zentrale Öffnung im Gewölbe 28 des Ofens 10 zum Einbringen der Rohstoffe.
Die Rohstoffe in Form von Feingut oder Granulat werden vorzugsweise in die untere Schlackeschicht und/oder an der Grenzfläche Bad-Schlacke eingeblasen (nicht dargestellt).
Die nicht einblasbaren Rohstoffe werden zu Briketts oder Kügelchen (Pellets) agglomeriert und vorzugsweise über die zentrale Öffnung 26 eingebracht. Diese Briketts und Kügelchen (Pellets) werden so ausgebildet, dass sie aufgrund ihrer Masse in die Schlackeschicht eindringen und sich leicht auflösen können.
In 1 zeigen die Pfeile 30 das Einbringen in den Ofen 10 von Pellets 32 über die periphere 25 und zentrale Öffnung 26.
Theoretisches Beispiel mit Zahlenangaben
Ein existierender SAF-Ofen mit einem Herddurchmesser von 3,5 m (Herdfläche 10 m²) entwickelt eine Leistung von 3 MW. Für die Schmelzreduktion von einer Tonne Charge wird eine Energie von 1500 kWh benötigt. Wird der SAF-Ofen auf konventionelle Weise betrieben (d.h. mit einer die Elektroden umgebenden flüssigen Schlacke), liegt der elektrische Wärmewirkungsgrad bei etwa 0,7 und die "Bruttoproduktivität" (ohne Abstich- und Stillstandszeit) beträgt 300(kW) × 0,7 / 1500(kWh/t) ≈ 1,4 t/h.
Das Einblasen in der Nähe der Elektroden von 10 kg Kohlenstoff pro Minute mit einer Energieleistung von 9 kWh/kg bewirkt eine Energiezufuhr von 10 × 9 × 60 = 5400 kW.
Wird die Energieübertragung des Kohlenstoffs mit einem Wirkungsgrad von 40 % durchgeführt, erhöht sich die Produktivität auf ((3000 × 0,7) + (5400 × 0,4)) / 1500 ≈ 2,8 t/h.
Außerdem wird durch die Freisetzung von CO in der Nähe der Elektroden eine die Elektroden umgebende lokale Schaumschlackeschicht gebildet und damit die Entstehung eines Plasmalichtbogens gefördert. Wird die Stromversorgung der Elektroden verstärkt (Transformatorwechsel, konstanter Höchststrom), kann die Lichtbogenspannung verdoppelt werden. Die entwickelte elektrische Leistung beträgt dann 6 MW. Wird zunächst davon ausgegangen, dass sich der elektrische Wärmewirkungsgrad nicht ändert, erhöht sich die Produktivität des Ofens potentiell auf ((6000 × 0,7) + (5400 × 0,4)) / 1500 ≈ 4,2 t/h.
Eine Verbrauchsberechnung ermöglicht es, sich eine Vorstellung von der Rentabilität des Verfahrens zu machen. Für den Sauerstoffbedarf werden 1,5 m³ O₂ pro kg Kohlenstoff angesetzt.
Bei konventionellem Betrieb beträgt der Verbrauch: 3000 / 1,4 = 2143 kWh/t.
Unter Berücksichtigung des Energiedargebots des pulvrigen, kohlenstoffhaltigen Feststoffs verbraucht man:
- elektrische Energie: 3000 / 2,8 = 1071 kWh
– Kohlenstoff: (10 × 60) / 2,8 = 214 kg/t
– Sauerstoff: 214 × 1,5 = 321 m³/t.
Beim Betrieb mit dem Energiedargebot des pulvrigen, kohlenstoffhaltigen Feststoffs und Plasmalichtbogen verbraucht man:
– elektrische Energie: 6000 / 4,2 = 1428 kWh
– Kohlenstoff: (10 × 60) / 4,2 = 143 kg/t
– Sauerstoff: 143 × 1,5 = 214 m³/t.
Wie diese Berechnungen zeigen, treten an die Stelle von 5 kWh elektrische Energie 1 kg C und 1,5 m³ O₂. Dieser Austausch verursacht kaum zusätzliche Betriebskosten. Die Produktivitätssteigerung (von 1,4 auf 4,2 t/h) ist jedoch derart, dass sich das Verfahren als sehr rentabel erweist.

Claims

Verfahren zur Herstellung von flüssigem Metall durch Schmelzreduktion von Rohstoffen in einem Elektroofen (10) mit verdecktem Lichtbogen mit mindestens einer Elektrode (18), bei welchem Verfahren große Schlackenmengen anfallen, derart, dass der Elektroofen (10) ein Flüssigmetallbad (12) enthält, das von einer dicken Flüssigschlackeschicht (16) mit einer flächenbezogenen Masse von mindestens 1 t/m2 überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dicke Flüssigschlackeschicht lokal um die mindestens eine Elektrode (18) herum aufgeschäumt wird, um um diese Elektrode (18) herum eine lokale Schaumschlackeschicht (20) zu bilden, in der die Dichte der Schlacke um mindestens 50% geringer ist als im Rest des Elektroofens (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroofen (10) ein Flüssigmetallbad (12) enthält, das von einer dicken Flüssigschlackeschicht (16) mit einer Dicke von 0,4 bis 1,5 m überdeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Schaumschlackeschicht (20) mindestens 50% Gas, vorzugsweise mindestens 80% Gas enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Schaumschlackeschicht (20) durch Zugabe von mindestens einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff und/oder mindestens einem Sauerstoffträger in oder auf die Schlackeschicht und/oder das Metallbad gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulvriger, kohlenstoffhaltiger Feststoff in das untere Drittel der Schlackeschicht eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauerstoff enthaltendes Gas in das obere Drittel der Schlackeschicht eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroofen (10) mindestens drei Elektroden (18) in seiner Mitte aufweist und dass die lokale Schaumschlackeschicht (20) zwischen den drei Elektroden (18) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rohstoffe hauptsächlich in der Mitte des Elektroofens (10) zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Rohstoffe in Form von Feingut zugegeben werden, das in den unteren Bereich der Schlackeschicht und/oder des Flüssigmetallbades eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Rohstoffe in Form von Pellets (32) oder Briketts zugegeben werden.