DE60126526T2

DE60126526T2 - Verfahren für die Reduktionsbehandlung flüssiger Schlacke und Filterstaubes eines elektrischen Lichtbogenofens

Info

Publication number: DE60126526T2
Application number: DE2001626526
Authority: DE
Inventors: John A. Concord Vallomy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2021-02-17
Also published as: JP2001323327A; DE60126526D1; ES2281384T3; US6438154B2; EP1126039A1; EP1126039B1; US20010046251A1; ATE353980T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung der flüssigen Schlacke und des Filterstaubs als Abfallprodukte eines Elektrolichtbogenofens, um wertvolle Metallkomponenten daraus zurückzugewinnen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Verarbeitung der flüssigen Schlacke und des Filterstaubs als Nebenprodukte eines Elektrolichtbogenofens, um die Menge der Abfallprodukte zu reduzieren.
Hintergrund der Erfindung
Die Stahlindustrie produziert weltweit jedes Jahr über 750 Millionen Tonnen Rohstahl. Bei der modernen Stahlproduktion entsteht eine Vielzahl von Abfallprodukten, die potentiell schädlich für die Umwelt sind und deren Entsorgung teuer ist. Die hauptsächlichsten Abfallprodukte sind Schlacke und Staub aus der Stahlraffination.
Für jede Tonne (metrische Tonne oder 1000 kg) Flüssigstahl, die durch einen Elektrolichtbogenofen (EAF) erzeugt wird, entstehen ungefähr 110 kg (Kilogramm) flüssige Schlacke und etwa 11 kg Staub aus der Stahlraffination. Die Zusammensetzung der Schlacke hängt von der Qualität der Metallcharge (kommerzieller Schrott, Eisenschwamm usw.), die in den EAF eingeführt wird, sowie von der Art des produzierten Stahls und der anderen Komponenten ab, die bei der Produktion und Raffination des Stahls in den EAF gegeben werden.
Zur Zeit wird flüssige Schlacke aus einem Stahlproduktionsofen, wie einem Elektrolichtbogenofen, durch einen Vorgang entfernt, der als Entschlackung bekannt ist und bei dem Schlacke von einer unteren Schicht aus geschmolzenem Metall dekantiert wird. Während der Entschlackung werden unvermeidlich Restmengen von wertvollem Metall in der flüssigen Schlacke eingeschlossen und anschließend zusammen mit der flüssigen Schlacke dekantiert. Metalle können auch im flüssigen Zustand während des Abstichvorgangs zufällig ausgeschlossen werden. In dem Bemühen, dieses verlorene Metall zurückzugewinnen, wird flüssige Schlacke aus dem Schmelzofen traditionell in einen Schlackenhof gekippt, wo die flüssige Schlacke abkühlen gelassen wird und die resultierende feste Schlacke zerkleinert und behandelt wird, um einen Teil des Metallwerts zurückzugewinnen. Einige Formen der zerkleinerten Schlacke können nach der Alterung als Grundlage für den Straßenbau verwendet werden. Schlacke aus einem Elektrolichtbogenofen kann jedoch wegen der weniger geeigneten chemischen Zusammensetzung und der erhöhten Variabilität der EAF-Schlacke im Vergleich zu typischer Hochofenschlacke nicht in der Zementindustrie verwendet werden.
Unter Umweltgesichtspunkten trägt die Handhabung von Schlacke aus einem EAF zum Schlackenhof stark zur Verschmutzung der Stahlproduktionsanlage bei und kann je nach der chemischen Zusammensetzung der Schlacke auch gefährlich sein. Wenn Komponenten der Schlacke auslaugbar sind, muss die Schlacke in einer Deponie entsorgt werden.
Staub aus der Stahlraffination und verdampfte chemische Komponenten, die während des Stahlproduktionsvorgangs erzeugt werden, bilden einen weiteren Abfallstrom von potentiellen Schadstoffen. Zu den Komponenten, die dem EAF in Form von Staub oder Dampf entweichen, gehören Zink, Eisen, Blei, Chlor, Magnesium, Mangan und kleine Prozentsätze anderer Metalle, meistens als Oxide. Obwohl der Staub und Dampf (kollektiv als Filterstaub bezeichnet) mit herkömmlichen Filtergeräten aufgefangen werden kann, muss der aufgefangene Filterstaub wegen seiner Zusammensetzung als gefährlicher Abfall behandelt werden.
Zur Zeit wird der Staub im Filter aufgefangen und daraus entnommen und anschließend zur Verarbeitung transportiert, um meistens Zink und Blei zurückzugewinnen. Der Filterstaub gilt wegen der potentiell gefährlichen Stoffe, die er enthält, als gefährlich und muss daher stets in geeigneter Weise gehandhabt werden. Die Stahlproduktion unter Verwendung eines typischen EAF führt also zu einem Schlackenabfallstrom und einem Filterstaubabfallstrom, die beide wertvolle metallische Stoffe enthalten.
GB 1412486 A bezieht sich auf die Rückgewinnung von metallurgischen Schlacken. Eine metallurgische Schlacke wird abgestochen und dann mit Kohlenstoff und einem Material, das Silicium oder Aluminium in freier oder kombinierter Form enthält, bei einer solchen Temperatur behandelt, dass eine Schaumbildung verhindert wird und ursprünglich in der Schlacke vorhandenes sowie durch Reduktion erzeugtes Metall aussedimentieren kann. Die Schlacke wird mit Kalk oder einem aluminiumoxidhaltigen Material behandelt, damit es eine geeignete Zusammensetzung für die Zugabe zu Portlandzement oder Tonerdezement oder als Zement selbst erhält.
WO 99/14381 A bezieht sich auf ein Verfahren zur Wiederaufbereitung von Stahlschlacken und eisenhaltigen Materialien, wie zum Beispiel Elektroofen- und Konverterschlacke, Feinerz, Staub aus der Stahlproduktion, Walzwerkzunder, sowie zur Gewinnung von Roheisen und umweltverträglichen Schlacken. Das Volumen-Verhältnis geschmolzene Schlacke zu Eisenbad wird größer als 0,5 zu 1, vorzugsweise 0,8:1 bis 1,5:1, gewählt. SiO₂-Träger, wie z.B. Gießereisande, Hüttensande und/oder Feinerze, werden zur Einstellung einer Schlackenbasizität (CaO/SiO₂) zwischen 1,0 und 1,8, vorzugsweise zwischen 1,2 und 1,8, bei einem Al₂O₃-Gehalt zwischen 10 und 25 Gew.-%, bezogen auf die Schlacke, zugesetzt. Dabei wird Heißwind aufgeblasen und Kohle gegebenenfalls mit Inertgas, insbesondere mit Stickstoff, und gegebenenfalls Sauerstoff oder Heißluft durch das Eisenbad hindurchgeblasen.
EP 0 285 458 A bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Staub, der aus Abgasen von metallurgischen Prozessen ausgefallen ist, insbesondere Staub, der aus Abgasen in Verbindung mit der Produktion von Stahl ausgefallen ist, um den Staub in eine Form zu bringen, in der er ohne die Gefahr einer Umweltverschmutzung deponiert werden kann und aus der die wertvollen Komponenten des Staubs zurückgewonnen werden können. Gemäß dem Verfahren wird der Staub in den folgenden Schritten behandelt: kontinuierliche Zufuhr von Staub zusammen mit Reduktionsmittel und Flussmitteln zu einem gasdicht abgedeckten elektrothermischen Schmelzofen; Erschmelzen und selektive Reduktion zusammen mit einer Verflüchtigung von flüchtigen Metallen im Schmelzofen; kontinuierliches oder intermittierendes Abstechen einer inerten Schlackenphase und einer flüssigen Metallphase aus dem Schmelzofen; kontinuierliches Entfernen einer Gasphase, die hauptsächlich CO-Gas, Metalldämpfe, Schwefel, Chloride und Fluoride enthält, zusammen mit mitgeschlepptem, nicht umgesetztem Staub aus dem Schmelzofen; gegebenenfalls selektive Kondensation von einem oder mehreren Metallen aus den Metalldämpfen im Abgas aus dem Schmelzofen; kontrolliertes Nachbrennen von oxidierbaren Komponenten im Abgas; Entfernung von Staub aus dem Abgas; und schließlich Reinigung und Neutralisation des Abgases.
Benötigt wird ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub aus einem EAF, das Metallwerte aus der Schlacke und dem Staub zurückgewinnt. Weiterhin benötigt wird ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub aus einem EAF, das die Verschmutzung an der entsprechenden Stahlproduktionsanlage, aus der die Schlacke und der Staub produziert werden, minimiert, indem die Menge der in dem Schlacken- und Filterstaub-Abfallstrom vorhandenen gefährlichen Stoffe reduziert wird. Weiterhin benötigt wird eine Apparatur und ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub aus einem EAF, die bzw. das energieeffizient ist und für eine sichere Handhabung und reduzierte Entsorgungskosten für die Schlacke und den Staub sorgt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub aus einem EAF bereit, das wertvolle Metallkomponenten aus der Schlacke und dem Staub zurückgewinnt. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub aus einem EAF bereit, das die Verschmutzung der entsprechenden Stahlproduktionsanlage, aus der die Schlacke und der Staub produziert werden, minimiert. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub aus einem EAF bereit, das energieeffizient ist und für eine sichere Handhabung und reduzierte Entsorgungskosten sorgt.
Das Verfahren der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Apparatur beinhaltet ein Behandlungsgefäß mit einem beweglichen unteren Schalenteil zur Aufnahme von flüssiger Schlacke. Schlacke und Restmetallwerte werden während der Entschlackung aus einem Elektrolichtbogenofen (EAF) in den unteren Schalenteil eingeführt. In der bevorzugten Ausführungsform wird vorgeheizter Sand (SiO₂) in die flüssige Schlacke eingeführt, die sich in der unteren Schale des Ofens befindet. Der vorgeheizte Sand hilft dabei, die Schlacke im flüssigen Zustand zu halten, und reduziert die zur Verarbeitung der Schlacke erforderliche Energie- oder Wärmemenge. Das Behandlungsgefäß beinhaltet auch einen oberen Schalenteil, der vor der Aktivierung des Behandlungsgefäßes mit dem beweglichen unteren Schalenteil gekoppelt werden kann. Nach der Zugabe des vorgeheizten Sandes wird der obere Schalenteil mit dem beweglichen unteren Schalenteil gekoppelt, und das Behandlungsgefäß wird wärmeaktiviert. Das Behandlungsgefäß der Erfindung wird vorzugsweise durch eine Wechselstromquelle betrieben. Alternative Ausführungsformen beinhalten unter anderem die Verwendung einer Gleichstrom- oder Plasmastromquelle zum Betrieb des Behandlungsgefäßes.
Nach Wärmeaktivierung des Behandlungsgefäßes wird Kohlenstoff als Reduktionsmittel in die Schlacke eingeführt. Filterstaub wird ebenfalls in das Behandlungsgefäß eingeführt. Während der Behandlung werden das geschmolzene Eisenoxid (FeO), Manganoxid (MnO), Bleioxid (PbO) und Zinkoxid (ZnO), die in der flüssigen Schlacke und dem Filterstaub gelöst sind, reduziert. Das resultierende metallische Eisen und Mangan setzen sich auf dem Boden des Behandlungsgefäßes ab. Das flüchtigere reduzierte Blei und Zink werden innerhalb des wärmeaktivierten Behandlungsgefäßes verdampft.
Ein Abgas mit reduziertem Bleidampf, reduziertem Zinkdampf und Kohlenmonoxidgas verlassen das Behandlungsgefäß durch eine Rauchleitung und danach durch ein Rauchrohr. Das Abgas wird mit überschüssiger Verbrennungsluft in eine Verbrennungskammer injiziert und reagiert mit dem Kohlenmonoxid unter Bildung von Kohlendioxid. Es oxidiert auch den Bleidampf und Zinkdampf. Das Bleioxid, Zinkoxid und Kohlendioxid werden in einer Kühlkammer abgekühlt, und das feste Bleioxid und feste Zinkoxid werden anschließend durch Filtration in einer Filterkammer aufgefangen. Das gereinigte und abgekühlte Kohlendioxid wird in einen Schornstein entleert.
Nach der Wärmebehandlung wird die behandelte flüssige Schlacke, die als obere Schicht innerhalb des beweglichen unteren Schalenteils des Behandlungsgefäßes vorliegt, an einer Abstichstation abgestochen, indem man die Schlacke von der reduzierten geschmolzenen unteren Metallschicht dekantiert.
In einer Ausführungsform ist der bewegliche untere Schalenteil des Behandlungsgefäßes mit Rädern zur Kopplung mit einer Schiene ausgestattet, um den unteren Schalenteil in die Nähe des EAF zu bringen. In einer alternativen Ausführungsform wird der bewegliche untere Schalenteil des Behandlungsgefäßes durch einen drehbaren Balken mit einer Stützgabel bewegt, der den beweglichen unteren Schalenteil stützt und transportiert. Der EAF und das Behandlungsgefäß werden vorzugsweise durch eine Wechselstromquelle betrieben. Alternative Ausführungsformen beinhalten unter anderem eine Gleichstrom- oder Plasmastromquelle.
Ziele der Erfindung
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und von Filterstaub als Nebenprodukte aus einem EAF zur Rückgewinnung von Metallwerten anzugeben.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und von Filterstaub anzugeben, das die Verschmutzung der entsprechenden Stahlproduktionsanlage, aus der die Schlacke und der Staub produziert werden, minimiert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und von Filterstaub anzugeben, das energieeffizient ist und für eine sichere Handhabung und reduzierte Entsorgungskosten sorgt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die obigen und weitere Ziele werden durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen besser verständlich; dabei sind:
1 ein schematisches Diagramm einer Apparatur zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und von Filterstaub aus einem EAF gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht der bevorzugten Ausführungsform einer Apparatur zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und von Filterstaub aus einem EAF, bei der der bewegliche untere Schalenteil des Behandlungsgefäßes mit Rädern ausgestattet ist.
3 ist eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer Apparatur zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und von Filterstaub aus einem EAF, bei der der bewegliche untere Schalenteil des Behandlungsgefäßes über einen drehbaren Balken beweglich ist.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub aus einem Elektrolichtbogenofen, bei dem wertvolle Metalle zurückgewonnen und die Mengen an gefährlichen Komponenten, die in der Schlacke und dem Staub enthalten sind, reduziert werden. Bei dem Verfahren wird ein Behandlungsgefäß eingesetzt, das flüssige Schlacke aus einem EAF und Filterstaub aus dem Stahlproduktionsverfahren aufnimmt. Das Behandlungsgefäß erhitzt und behandelt die Schlacke und den Staub so, dass die wertvollen metallischen Komponenten zurückgewonnen werden und die unerwünschten Kontaminanten so behandelt werden, dass ihre anschließende Beseitigung erleichtert wird.
Wir beziehen uns nun auf die Zeichnungen; die Apparatur ist in erster Linie ein Behandlungsgefäß 32 mit einem getrennten oberen Schalenteil 30 und einem beweglichen unteren Schalenteil 18. Der obere Schalenteil 30, der vorzugsweise stationär ist und beweglich an den unteren Schalenteil 18 gekoppelt werden kann, liefert Öffnungen für 1 bis 3 Elektroden als Stromquelle 4, eine Lanze 40 für den Eintrag von Filterstaub und anderer Komponenten, die beim Betrieb des Behandlungsgefäßes 32 verwendet werden, und eine Rauchleitung 60 zum Ableiten von Gasen und Staub aus dem Gefäß 32.
Der untere Schalenteil 18 ist ein feuerfest ausgekleideter Behälter, der lösbar mit dem oberen Schalenteil 30 gekoppelt ist. Der untere Schalenteil 18 hat ein offenes oberes Ende zur Aufnahme von flüssiger Schlacke aus einem EAF und weist vorzugsweise eine Pfanne 20 auf, um den Abstich der Schlacke und/oder einer Schicht von metallischen Komponenten aus dem unteren Schalenteil 18 nach der Behandlung im Gefäß 32 zu erleichtern.
Der untere Schalenteil 18 ist in Bezug auf den tatsächlichen EAF und auch in Bezug auf den oberen Schalenteil 30 beweglich. Wenn er Schlacke aufnimmt, befindet sich der untere Schalenteil 18 ganz nahe bei und in Verbindung mit dem EAF. Damit die Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren den ansonsten normalen Betrieb des EAF nicht in unangemessener Weise stört, ist der beladene untere Schalenteil 18 zwischen dem EAF und dem Ort des oberen Schalenteils 30, der sich in einigem Abstand von dem EAF befinden kann, beweglich. Obwohl die Bewegung des unteren Schalenteils durch irgendein in der Technik bekanntes Mittel erreicht werden kann, ist der gesamte untere Teil 18 vorzugsweise von einem Wagen mit Rädern 22 gestützt, die auf einem Gleis stehen, entlang dessen der untere Teil 18 fortbewegt wird.
Unbehandelte Schlacke 16, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der Apparatur behandelt werden soll, wird von einem typischen EAF geliefert, in dem eine metallische Charge, wie kommerzieller Schrott, geschmolzen wird. Der typische EAF 2 hat einen Einführungsanschluss 6 für die Einführung von Einsatzmaterialien in den Ofen 2, einen Überflussanschluss 10 und einen Herd 8 zum Einschluss der Einsatzmaterialien. Wärme wird von den Elektroden 4 geliefert, und der EAF transformiert die metallische Charge in eine untere Schicht aus geschmolzenem Metall 14 und eine obere Schicht aus flüssiger Schlacke 16. Typischerweise durchläuft der EAF periodisch ein drei bis vier Minuten dauerndes Entschlackungsverfahren, bei dem die flüssige Schlacke bei einer Temperatur von ungefähr 1580 °C aus dem EAF genommen wird, indem man die flüssige Schlacke aus dem EAF überfließen lässt. Die Beschreibung des EAF wird hier lediglich zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung angegeben. Der beschriebene EAF und sein Betrieb werden nicht als teil der vorliegenden Erfindung beansprucht.
Unbehandelte Schlacke 16 aus dem EAF wird im unteren Schalenteil 18 aufgefangen. Beim Auffangen der unbehandelten Schlacke 16 aus dem EAF befindet sich der untere Schalenteil 18 an einer Aufnahmestation 24, die sich ganz nahe bei dem EAF befindet. Vor der Aufnahme der unbehandelten Schlacke 16 aus dem EAF wird der bewegliche untere Schalenteil 18, in dem die Schlacke aufgefangen wird, nach dem vorangehenden Behandlungszyklus auf ungefähr 1300 °C gehalten. Da der untere Teil 18 an Verfahren, die extrem hohe Temperaturen beinhalten, beteiligt ist, ist es nicht notwendig, eine zusätzliche Wärmequelle für die untere Schale 18 bereitzustellen, um eine Temperatur von unge fähr 1300 °C zwischen den Zyklen aufrechtzuerhalten, vorausgesetzt, die obere und die untere Schale des Reaktionsgefäßes sind zwischen den Behandlungszyklen verschlossen und versiegelt.
Nach dem Auffangen der unbehandelten Schlacke 16 im unteren Teil 18 wird dann eine Siliciumdioxidverbindung (Sand) 26, die vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 1200 °C vorgeheizt wird, zu der flüssigen Schlacke 16 gegeben. Das Siliciumdioxid 26 reduziert das Kalk/Siliciumoxid-Verhältnis auf beinahe 1. Das Siliciumdioxid wird vorzugsweise durch Verwendung von Abwärme, die infolge der Verbrennung in der im Folgenden beschriebenen Verbrennungskammer 64 abgegeben wird, auf ungefähr 1200 °C vorgeheizt. Das vorgeheizte Siliciumdioxid 26 unterstützt die Verlangsamung des Temperaturabfalls der Schlacke 16, wenn es im unteren Schalenteil 18 platziert wird, da die flüssige Schlacke bei ungefähr 1580 °C im unteren Schalenteil 18 platziert wird und bis zu ungefähr 1400 °C oder darunter flüssig bleibt. Die Sandzugabe bringt das V-Verhältnis (oder Basizitätsverhältnis) CaO/SiO₂ auf einen Wert, der zu einer nichtauslaugbaren Schlacke führt, wenn sie verfestigt ist. Sie kann ohne Energieverbrauch erfolgen, da sie auch die Liquidustemperatur der resultierenden neuen Zusammensetzung der Schlacke senkt.
Sobald sich die Schlacke 16 und der vorgeheizte Sand 26 innerhalb des beweglichen unteren Schalenteils 18 befinden, wird der untere Schalenteil 18 von der Aufnahmestation 24 zu einer Behandlungsstation 28 bewegt. Wie erwähnt, ist der bevorzugte untere Schalenteil 18 über einen Wagen mit Rädern 22 beweglich. Als alternative Ausführungsform (3) ist der bewegliche untere Schalenteil 18 über einen drehbaren Balken 96 mit einem Trägergabelende 98 und einem Schwenk-Ende 100, das dem Trägergabelende 98 gegenüberliegt, beweglich. Das Trägergabelende 98 hat eine Trägergabel 102, die den beweglichen unteren Schalenteil 18 trägt. Das Schwenk-Ende 100 hat einen Drehstift 104 zum drehenden Bewegen des unteren Schalenteils 18 von der Aufnahmestation 24 zur Behandlungsstation 28.
An der Behandlungsstation 28 ist der obere Schalenteil 30 des Behandlungsgefäßes 32 mit dem unteren Schalenteil 18 des Behandlungsgefäßes 32 gekoppelt. Nach der Kopplung wird Energie über eine Stromquelle 4 an das Behandlungsgefäß 32 geliefert. Die für die Reduktion der metallischen Oxide in dem Gefäß erforderliche Temperatur, die im Bereich von 1400 bis 1450 °C liegt, wird während der Behandlungen aufrechterhalten, während eine Kohlenstoffquelle 34 mit Filterstaub 36 und einem Inertgas 35, wie Stickstoff, kombiniert und der geschmolzenen Schlacke zugeführt wird. Der Kohlenstoff 34 wird typischerweise von Steinkohlenkoks geliefert, kann aber auch von einer beliebigen Quelle erhalten werden, die im Wesentlichen dieselbe chemische Aktivität hat. Die primären Konstituenten des Filterstaubs 36, der vom EAF erzeugt wird, sind Zink, Calciumoxid, Eisen, Blei, Chlor, Magnesium und Manganoxid zusammen mit kleinen Mengen einer Vielzahl von anderen Metalloxiden.
Der Kohlenstoff 34, Filterstaub 36 und das Inertgas 35 werden mit einer Lanze 40, die durch die obere Schale 30 in den zwischen dem oberen Schalenteil 30 und dem unteren Schalenteil 18 eingeschlossenen Zwischenraum reicht, in das Reaktionsgefäß 32 geleitet. Der Kohlenstoff 34 und das Inertgas 35 bewirken eine Reduktion der gewünschten Metallkomponenten, die in der Schlacke 16 und dem Filterstaub 36 enthalten sind, welche im Folgenden gemeinsam als umgesetzte Schlacke 16 oder einfach als Schlacke 16 bezeichnet werden. Das geschmolzene Eisenoxid (FeO und/oder Fe₂O₃) 42, das geschmolzene Manganoxid (MnO) 44, das geschmolzene Bleioxid (PbO) 46 und das geschmolzene Zinkoxid (ZnO) 48, die in der flüssigen Schlacke 16 gelöst sind, werden reduziert. Das resultierende reduzierte Eisen 50 und das reduzierte Mangan 52 setzen sich auf dem Boden des Behandlungsgefäßes 32 ab. Das resultierende reduzierte Blei und reduzierte Zink sind bei Betriebstemperaturen in der Dampfphase innerhalb des Behandlungsgefäßes 32.
Reduzierter Bleidampf 56, reduzierter Zinkdampf 58 und Kohlenmonoxidgas 70, die gemeinsam als Abgas 72 bezeichnet werden, verlassen das Behandlungsgefäß 32 durch eine Rauchleitung 60, die durch die obere Schale 30 tritt. Die Rauchleitung 60 ist anschließend in Reihe mit einem Rauchrohr 62, einer Verbrennungskammer 64, einer Kühlkammer 66 und einer Filterkammer 68 verbunden. Eine Verbrennungsluftleitung 74 ist zwischen der oberen Schale 30 und der Verbrennungskammer 64 mit dem Rauchrohr 62 verbunden. Das Abgas 72 strömt durch das Rauchrohr 62 in die Verbrennungskammer 64, wo es mit einem sauerstoffhaltigen Verbrennungsgas 76, wie Luft, das durch die Verbrennungsluftleitung 74 eintritt, kombiniert wird. Innerhalb der Verbrennungskammer 64 reagiert die oxidierende Luft 76, die im Überschuss vorhanden ist (d.h. fünf Prozent oder mehr Überschuss an Sauerstoff), mit dem reduzierten Bleidampf 56 und dem reduzierten Zinkdampf 58 unter Bildung von Bleioxid 78 und Zinkoxid 80 und verbrennt das Kohlenmonoxidgas 70 unter Bildung von Kohlendioxid 82. Dann tritt das Abgas 72 in eine Kühlkammer 66 ein, wo das Bleioxid 84 und das Zinkoxid 86 abgekühlt werden. Die Oxide 84, 86 werden anschließend durch Filtration in der Filterkammer 68 aufgefangen.
Nach der Reduktion setzen sich das resultierende geschmolzene Eisen 50 und das resultierende geschmolzene Mangan 52 auf dem Boden des Behandlungsgefäßes 32 als reduziertes geschmolzenes Metall 54 mit einer typischen Partialzusammensetzung von ungefähr 4,5% Kohlenstoff, 0,3% Silicium und 7,4% Mangan ab, wobei der Rest Eisen ist. Der obere Schalenteil 30 des Behandlungsgefäßes 32 wird anschließend von dem beweglichen unteren Schalenteil 18 entfernt, und dann wird der bewegliche untere Schalenteil 18 zu einer Abstichstation 88 bewegt.
Vorzugsweise ist die untere Schale 18 eine schüsselförmige Struktur mit einer abgerundeten Bodenfläche. Die untere Schale 18 liegt auf einer Reihe von Walzen 21, die mit einem Wagen verbunden sind, der Räder 22 aufweist. Beim Betrieb ermöglichen die Räder 22 eine Bewegung der unteren Schale 18 von der Aufnahmestation 24 zur Behandlungsstation 28, zur Abstichstation 88 und dann zurück zur Aufnahmestation 24. Während des Abstichs in Station 88 wird die untere Schale 18 so entlang den Walzen 21 bewegt, dass die untere Schale 18 nach der Seite kippt, so dass die behandelte Schlacke 16 durch den Granulator 92 fließen kann.
Die behandelte Schlacke 16 innerhalb des beweglichen unteren Schalenteils 18 wird zuerst abgestochen, indem man die behandelte Schlacke 16 von dem reduzierten geschmolzenen Metall 54 zum Abkühlen und Granulieren der behandelten Schlacke 16 in einen Granulator 92 dekantiert. Das reduzierte geschmolzene Metall 54 wird anschließend abgestochen, indem man das geschmolzene Metall 54 in einen Granulator 92 gießt, um das reduzierte geschmolzene Eisen 50, das einen hohen Gehalt an dem reduzierten geschmolzenen Mangan 52 hat, zu granulieren. Alternativ dazu kann das geschmolzene Metall auch in eine Barrenform 93 gegossen werden. Als Ergebnis werden die wertvollen Metalle, das geschmolzene Eisen 50 und das geschmolzene Mangan 52 als Barren oder granuliertes Eisen gewonnen.
Mit der erfindungsgemäßen Apparatur und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden wertvolle Mengen an Eisen und Mangan aus der EAF-Schlacke gewonnen, und es werden wertvolle Mengen an Eisen, Blei und Zink aus dem EAF-Filterstaub gewonnen. Außer dem Wert der gewonnenen Metallkomponenten ist die behandelte Schlacke nicht auslaugbar und besitzt zementartige Eigenschaften, die für Wiederverwertungen geeignet sind, wie etwa als Additive in Zement, Beton und anderen Baumaterialien. Außerdem wird das Volumen des ausgestoßenen Filterstaubs, der als gefährlicher Abfall gilt, durch die Entfernung von Zink, Blei und Eisen stark reduziert, was die Kosten für die Aufbereitung und Entsorgung senkt.
Beispiele
Die in den Beispielen offenbarten Daten beruhen auf der Verwendung einer metallischen Charge, wie H.M. Nr. 2 (schwerschmelzender Schrott), zur Produktion von Kohlenstoffstahl. Die flüssige Schlacke, die einen EAF mit einer metallischen Charge aus H.M. Nr. 2 verlässt, wird bei 1400 °C flüssig und hat die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent: Typische Zusammensetzung der flüssigen Schlacke (unbehandelte Schlacke) (Gewichtsprozent)

Calciumoxid (CaO) 39,9%

Eisen(II)oxid (FeO) 15,9%

Siliciumdioxid (SiO₂) 14,1%

Magnesiumoxid (MgO) 13,5%

Aluminiumoxid (Al₂O₃) 10,0%

Manganoxid (MnO) 6,5%

Phosphortrioxid (P₂O₃) 0,5%

Die typische Gewichtsprozentzusammensetzung von Staub, der in den Filtern eines EAF aufgefangen und daraus entnommen wird, ist bekanntermaßen: Typische Zusammensetzung von Filterstaub (Gewichtsprozent)

Zink (Zn)	27,80%
Calciumoxid (CaO)	17,03%
Eisen (Fe)	16,60%
Blei (Pb)	3,34%
Chlor (Cl)	2,30%
Magnesium (Mg)	1,72%
Mangan (Mn)	1,60%
Siliciumdioxid (SiO₂)	1,40%
Natrium (Na)	1,25%
Aluminiumoxid (Al₂O₃)	0,32%
Kupfer (Cu)	0,21%
Cadmium (Cd)	0,09%
Chrom (Cr)	0,09%
Nickel (Ni)	0,02%
Barium (Ba)	0,01%
Vanadium (V)	0,01%
Arsen (As)	0,0033%

Die bevorzugte Quelle für Kohlenstoff ist Kohle, die im Allgemeinen einen Kohlenstoffgehalt von ungefähr 76% hat.
Beispiel 1
Das folgende Beispiel zeigt die Menge an metallischen Komponenten, die aus EAF-Schlacke, die einer Tonne abgestochenem geschmolzenem Stahl entspricht, zurückgewonnen werden können. Das Siliciumdioxid in diesem Beispiel wird bei Raumtemperatur in den unteren Schalenteil des Behandlungsgefäßes gegeben. Die Temperaturen der Komponenten und der Eintrag an elektrischer Energie sind ebenfalls gezeigt.
Eintrag

100 kg unbehandelte Schlacke (1400 °C)
20,2 kg SiO₂ (25 °C)
11 kg Staub (25 °C)
6,44 kg Kohle (25 °C)
39 kWh

Austrag 107 kg behandelte Schlacke (1400 °C)

CaO 38,8%

SiO₂ 32,3%

MgO 12,9%

Al₂O₃ 9,5%

MnO 5,1%

FeO 0,9%

P₂O₃ 0,41%

S 0,032%
15,3 kg geschmolzenes Metall (1400 °C)

Mn 7,4%

C 4,5 %

Si 0,29%

Cu 0,15%

Ni 0,014%

P 39 ppm

S 16 ppm
7,85 NM³ Gas (1400 °C)3

CO 99,6%

SO₂ 0,034%

As 14 ppm
3,573 kg Dampf (1400 °C) (Metall in Dampfphase)

Zn 85,6% (3,06 kg)

Pb 10,3% (0,37 kg)

Na 3,9% (0,14 kg)

Cd 0,3% (0,01 kg)
Wenn stattdessen Schlacke von Raumtemperatur in das Behandlungsgefäß gefüllt wird, wobei man dieselbe Konfiguration wie oben erwähnt verwendet, beträgt der Energieverbrauch 110 kWh anstelle von 39 kWh. Wenn die Wärme aus dem Abgas und der Verbrennungskammer verwendet werden kann, um das Siliciumdioxid vor der Zugabe des Sandes in den beweglichen unteren Schalenteil auf eine vernünftige Temperatur von 1200 °C vorzuheizen, kann der Elektrizitätseintrag auf etwa 103 kWh reduziert werden.
Die Energie, die für die Wärmeaktivierung des Behandlungsgefäßes erforderlich ist, wird von 39 kWh Elektrizität geliefert. Diese Energieerfordernis beruht auf dem Vorheizen des Sandes auf 1200 °C mit dem Abgas unter der Annahme einer 95%igen Wärmeübertragungseffizienz vom Gleichstrombogen und eines 4%igen Verlusts der Gesamtenergie innerhalb des Behandlungsgefäßes selbst.
Die Produkte, die aus dem Verfahren zur Verarbeitung der flüssigen Schlacke und des Filterstaubs als Nebenprodukte eines EAF erhalten werden, sind pro Tonne flüssigen Stahls, der im EAF produziert wird:

1) ungefähr 15,3 kg granuliertes Eisen mit einem hohen Mangangehalt, das als wertvolles Chargenmaterial in Eisen- oder Stahlhütten verwendet werden kann.
2) ungefähr 0,43 kg Bleioxid (PbO), das für die Produktion von Bleimetall oder anderen Produkten verwendet werden kann.
3) ungefähr 3,8 kg Zinkoxid (ZnO), das für die Produktion von Zinkmetall oder anderen Produkten, wie Lack, verwendet werden kann.
4) ungefähr 108,6 kg granulierte behandelte Schlacke, die in der Zementindustrie oder der Bauindustrie verwendet werden kann.

In Anbetracht der Tatsache, dass ein Elektrolichtbogenofen mittlerer Größe des modernen Stahlwerks 100 Tonnen flüssigen Stahl pro Stunde produziert, beträgt der Austrag der Behandlung der flüssigen Schlacke und des Filterstaubs pro Stunde:
1,53 metrische Tonnen granuliertes Eisen mit einem hohen Mangangehalt
0,043 metrische Tonnen Bleioxid (PbO)
0,38 metrische Tonnen Zinkoxid (ZnO)
10,86 metrische Tonnen granulierte behandelte Schlacke
Beispiel 2
Die Kohle-Sauerstoff-Heizung der Schlacke wird mit einem Oxy-Fuel-Brenner erreicht. Alle Zahlen sind pro Tonne abgestochenen geschmolzenen Stahls. Das Siliciumdioxid in der vorliegenden Erfindung wird auf 1200 °C erhitzt, im Unterschied zudem auf Raumtemperatur befindlichen Sand in diesem Beispiel.
Eintrag

100 kg Schlacke (1400 °C)
18,4 kg SiO₂ (25 °C)
11 kg Staub (25 °C)
42,1 kg Kohle (25 °C) (zum Teil zur Reduktion; zum Teil zum Erhitzen)
25 Nm³

Austrag 108,6 kg Schlacke (1400 °C)

CaO 38,5%

SiO₂ 32,0%

MgO 12,7%

Al₂O₃ 10,3%

MnO 5,1%

FeO 0,9%

P₂O₃ 0,46%

S 0,21%
15,3 kg geschmolzenes Metall (1400 °C)

Mn 7,3%

C 4,5 %

Si 0,29%

Cu 0,15%

Ni 0,014%

S 0,01%

P 39 ppm
56,65 NM³ Gas (1400 °C)3

CO 99,9%

SO₂ 0,032%

As 2 ppm
3,573 kg Dampf (1400 °C)

Zn 85,6% (3,06 kg)

Pb 10,3% (0,37 kg)

Cd 0,3% (0,01 kg)

Na 3,9% (0,14 kg)
Dies zeigt, dass die Verwertung von elektrischer Energie besser ist.
Zusammenfassung des Erreichens der Ziele der Erfindung
Aus dem obigen geht ohne Weiteres hervor, dass ich ein Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub als Nebenprodukte eines EAF der Stahlproduktion zur Gewinnung von wertvollen Metallen, wie Eisen, Mangan, Bleioxid und Zinkoxid, erfunden habe; das die Verschmutzung der entsprechenden Stahlproduktionsanlage, aus der die Schlacke und der Staub produziert werden, minimiert; das die Menge der gefährlichen Chemikalien, die zur chemischen Zusammensetzung der Schlacke beitragen, minimiert; und das damit für eine sicherere Handhabung und reduzierte Entsorgungskosten für Abfallprodukte sorgt.

Claims

Verfahren zur Verarbeitung von flüssiger Schlacke und Filterstaub als Nebenprodukte, die durch einen Elektrolichtbogenofen erzeugt werden, zur Rückgewinnung wertvoller Metalle unter Verwendung einer Apparatur mit einer unteren Schale (18) und einer oberen Schale (30), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einführen von flüssiger Schlacke (16) aus dem Ofen (2) in einen unteren Schalenteil (18); Halten der Temperatur der flüssigen Schlacke auf über etwa 1300 °C; Einführen von Sand in die flüssige Schlacke; Positionieren des unteren Schalenteils (18) unterhalb des oberen Schalenteils (30); Verbinden des unteren Schalenteils (18) mit dem oberen Schalenteil (30) unter Bildung einer Kammer; gleichzeitig Hinzufügen einer Kohlenstoffquelle zu der flüssigen Schlacke, Hinzufügen von Filterstaub (36) über eine Lanze (40), die sich durch die obere Schale (30) hindurch erstreckt, zu der flüssigen Schlacke und Erhitzen der flüssigen Schlacke und Bilden eines geschmolzenen Metalls in dem unteren Schalenteil mit einer Schlackeschicht darauf; Ableiten von Gasen aus der Kammer, wobei die Gase Kohlenmonoxid, reduzierten Bleidampf (56) und reduzierten Zinkdampf (58) enthalten; Trennen des unteren Schalenteils (18) von dem oberen Schalenteil (30); und Abstechen des unteren Schalenteils, wodurch die Schlacke aus der reduzierten geschmolzenen unteren Metallschicht des Inhalts des unteren Schalenteils (18) entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Vorerhitzen des Sandes auf wenigstens etwa 1200 °C umfasst, bevor der Sand in die flüssige Schlacke eingeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Einleiten eines Inertgases (35) in die Kammer gleichzeitig mit dem Hinzufügen der Kohlenstoffquelle (34) zu der flüssigen Schlacke umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei es sich bei dem inerten Gas (35) um Stickstoff handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei der Kohlenstoffquelle um Steinkohlenkoks handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Kombinieren des abgeleiteten Gases mit einem sauerstoffhaltigen Verbrennungsgas (76), das Oxidieren des Bleidampfes, das Oxidieren des Zinkdampfes und das Verbrennen des Kohlenmonoxids umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 6, das weiterhin das Abkühlen und Verfestigen des oxidierten Zinkoxids und oxidierten Bleioxids umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 7, das weiterhin das Filtern des abgekühlten und oxidierten Zinkoxids und Bleioxids umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Abkühlen und Granulieren der abgestochenen Schlacke umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Abstechen des Metalls, Kühlen und Granulieren des Metalls umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Abstechen des Metalls zu Barren umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiterhin das Einführen von ausreichend Sand in die flüssige Schlacke umfasst, so dass ein Basizitätsverhältnis (CaO/SiO₂) in der Nähe von 1,0 aufrechterhalten wird.