DE69914612T2

DE69914612T2 - Direktschmelzverfahren

Info

Publication number: DE69914612T2
Application number: DE69914612T
Authority: DE
Inventors: Anne Carolyn MCCARTHY; James Rodney DRY; Ellen Tara GOLDSWORTHY
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2019-09-04
Also published as: ID29849A; EP1114191A4; CN1314954A; TW450998B; CN1207400C; CZ2001764A3; RU2221050C2; JP2002524656A; ZA200101736B; EP1114191B1; CZ302736B6; CA2341898C; ATE258995T1; MY123336A; AUPP570098A0; EP1114191A1; WO2000014285A1; CA2341898A1; KR20010079741A; US6478848B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Metallen (wobei dieser Begriff Metallegierungen einschließt), insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich Eisen, aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial, wie Erzen, teilweise reduzierten Erzen und metallhaltigen Abfallströmen, in einem metallurgischen Gefäß, das ein Schmelzbad enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein auf einer Metallschmelze basierendes Direktschmelzverfahren zur Erzeugung einer Metallschmelze aus einem metallurgischen Beschickungsmaterial.
Ein bekanntes Direktschmelzverfahren, das auf einer Metallschmelzeschicht als Reaktionsmedium beruht und allgemein als HIsmelt-Prozeß bezeichnet wird, ist in der internationalen Anmeldung PCT/AU96/00197 (WO 96/31627) im Namen dieses Anmelders beschrieben.
Der HIsmelt-Prozeß, wie er in dieser internationalen Anmeldung beschrieben ist, umfaßt:

(a) Erzeugen eines Bades aus geschmolzenem Eisen und Schlacke in einem Gefäß;
(b) Einspritzen in das Bad:
(i) eines erzhaltigen Beschickungsmaterials, typischerweise Metalloxide, und
(ii) eines festen kohlenstoff- bzw. kohlehaltigen Materials, typischerweise Kohle, das als Reduktionsmittel der Metalloxide und als Energiequelle wirkt; und
(c) Schmelzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials zu Metall in der Metallschicht.

Der Begriff "Schmelzen" soll hier für die thermische Bearbeitung stehen, wobei chemische Reaktionen stattfinden, die Metalloxide reduzieren, wodurch ein flüssiges Metall erzeugt wird.
Der HIsmelt-Prozeß umfaßt auch die Nachverbrennungsreaktion von Gasen bzw. Nachverbrennung von Reaktionsgasen, wie CO und H₂, die aus dem Bad freigesetzt wurden, im Raum über dem Bad mit einem sauerstoffhaltigen Gas und die Übertragung der durch die Nachverbrennung erzeugten Wärme auf das Bad, wodurch zur Wärmeenergie beigetragen wird, die zum Schmelzen der erzhaltigen Beschickungsmaterialien erforderlich ist.
Der HIsmelt-Prozeß umfaßt auch die Bildung einer Übergangszone über der nominell ruhigen Oberfläche des Bades, in der es eine vorteilhafte Masse aus aufsteigenden und danach absinkenden Tropfen oder Spritzern oder Strömen des geschmolzenen Metalls und/oder der Schlacke gibt, die ein wirksames Medium liefern, um die durch die Nachverbrennungsreaktion der Gase über dem Bad erzeugte Wärmeenergie auf das Bad zu übertragen.
Der Anmelder hat eine extensive Arbeit in einer Pilotanlage in bezug auf diesen HIsmelt-Prozeß durchgeführt und eine Reihe von bedeutenden Erkenntnissen im Zusammenhang mit diesem Prozeß gewonnen.
Eine bedeutende Erkenntnis ist, daß eine überraschend starke Kontrolle des Verfahrens erreicht werden kann, wenn:

(a) feste Materialien, wie erzhaltiges Beschickungsmaterial und festes kohlehaltiges Material, durch eine Vielzahl von Lanzen/Düsen, die sich über der Metallschicht befinden und in diese erstrecken, in die Metallschicht eingespritzt werden; und
(b) ein Rohr aus einem festen Material, das typischerweise zumindest vorwiegend Schlacke ist, an den Enden jeder Lanze/Düse gebildet wird und dadurch die Länge der Lanzen/Düsen zunimmt.

Diese Kontrolle ist das Ergebnis der Längen der Rohre, die sich automatisch mit dem Niveau des Schmelzbades ändern und dadurch einen im wesentlichen konstanten Abschnitt zwischen den effektiven Enden der Lanzen/Düsen und dem Metall aufrechterhalten.
Die Länge eines Rohrs an einer Lanze/Düse wird durch das Niveau der Metallschmelze im Schmelzbad in der Nähe der Lanze/Düse bestimmt. Wenn insbesondere das Niveau der Metallschmelze ansteigt, besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, daß geschmolzenes Metall, das aus der Metallschicht spritzt oder auf andere Weise herausgeschleudert wird, mit dem Ende des Rohrs in Kontakt kommt und dieses aufgrund der größeren Wärmeübertragung des Metalls im Vergleich mit der Schlacke schmilzt. Wenn das Niveau der Metallschmelze absinkt, besteht zudem eine geringere Wahrscheinlichkeit des Kontaktes zwischen Metallschmelze und Rohr, und folglich kann das Ende des Rohrs immer mehr in Richtung der Metallschicht zunehmen. Schwankungen des Niveaus der Metallschmelze kommen bei kontinuierlichen und diskontinuierlichen Abstichprozessen des Metalls vor, und somit ist diese Erfindung für beide Prozeßarten relevant.
Außer daß eine sehr gute Kontrolle des Einspritzens der festen Materialien in die Metallschicht geboten wird – was bei einem auf Metall basierenden Direktschmelzverfahren, wie dem HIsmelt-Prozeß wichtig ist, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, mit fixierten Lan zen/Düsen zum Einspritzen von festem Material zu arbeiten. Das ist ein Vorteil, da bewegliche Lanzen/Düsen Dichtungen benötigen und sich Dichtungen ohne Undichtigkeit oder Versagen schwer gestalten lassen.
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Vorteilen ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine Lanze/Düse ausreichend weit von der Spritzzone der Metallschmelze anzuordnen und dadurch eine Beschädigung der Lanze/Düse durch den Kontakt mit der Metallschmelze zu vermeiden, wobei gesichert ist, daß sich das wirksame Ende der Lanze/Düse möglichst nahe an der Metallschicht befindet. Dadurch wird es möglich, eine wassergekühlte Lanze/Düse zu verwenden, ohne daß die Lanze/Düse zu nahe an der Metallschmelze ist, was ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko darstellt. Das stellt bei einem auf einer geschmolzenen Schicht basierenden Schmelzverfahren, wie dem HIsmelt-Prozeß, ein besonders bedeutsames Problem dar. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, die widersprüchlichen Forderungen von (i) Sicherheit, die die Anordnung der Lanzen/Düsen möglichst weit weg von der Metallschicht bestimmt, und (ii) Leistung, die die Anordnung der Lanzen/Düsen nahe an der Metallschicht bestimmt, um das Einspritzen der Reaktanten in die Metallschicht zu aktivieren, zu vereinigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Direktschmelzverfahren zur Erzeugung von Metall aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Erzeugen eines Schmelzbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht in einem metallurgischen Gefäß;
(b) Einspritzen eines Trägergases, eines erzhaltigen Beschikkungsmaterials und eines festen kohlehaltigen Materials in die Metallschicht durch eine Vielzahl von Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material, die sich über der Oberfläche der Metallschicht befinden und sich zu dieser hin erstrecken, und Bewirken, daß das geschmolzene Material als Spritzer, Tropfen und Ströme aus dem Schmelzbad in den Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades herausgeschleudert wird, wodurch eine Übergangszone erzeugt wird;
(c) Schmelzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials zu Metall in der Metallschicht;
(d) Einspritzen eines sauerstoffhaltigen Gases in das Gefäß über eine oder mehr als eine Lanze/Düse und Nachverbrennungsreaktion der aus dem Schmelzbad freigesetzten Gase, wodurch die in der Übergangszone aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtern und wodurch die Übergangszone den Wärmeverlust aus dem Gefäß über die Seitenwände minimiert, die mit der Übergangszone in Kontakt stehen; und

Die Metallschmelze stellt typischerweise einen wesentlichen Teil in den Spritzen, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials aus der Metallschicht dar, und die Schlacke ist der restliche Teil davon. Typischerweise reißen die Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials weiteres geschmolzenes Material (insbesondere Schlacke) mit, wenn sie sich nach oben bewegen. Außerdem verlieren immer mehr Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials den Impuls und fallen in Richtung der Metallschicht herunter. Angesichts der höheren Dichte des Metalls als der Schlacke nimmt in den Spritzern, Tropfen und Strömen die relative Menge des Metalls im geschmolzenen Material mit dem Abstand von der Metallschicht bis zu einem Punkt ab, an dem die Übergangszone wenn überhaupt nur geringe Metallmengen enthalten kann.
Der Begriff "Metallschicht" soll hier für den Bereich des Bades stehen, der vorwiegend aus Metall ist. Insbesondere deckt der Begriff einen Bereich oder eine Zone ab, der bzw. die eine Dispersion von geschmolzener Schlacke in einem durchgängigen Metallvolumen einschließt.
Der Begriff "Schlackeschicht" soll hier für einen Bereich des Bades stehen, der vorwiegend aus Schlacke ist. Insbesondere deckt der Begriff einen Bereich oder eine Zone ab, der bzw. die eine Dispersion von geschmolzenem Metall in einem durchgängigen Schlackevolumen einschließt.
Der Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Bades wird hier nachstehend als "oberer Raum" bezeichnet.
Der Begriff "ruhige Oberfläche" steht in Zusammenhang mit dem Schmelzbad für die Oberfläche des Schmelzbades bei Verfahrensbedingungen, bei denen es kein Einspritzen von Gas/Feststoffen und folglich keine Bewegung des Bades gibt.
Der Begriff "ruhige Oberfläche" im Zusammenhang mit der Metallschicht soll in ähnlicher Weise für die Oberfläche der Metallschicht bei Verfahrensbedingungen stehen, bei denen kein Gas/keine Feststoffe eingespritzt werden und folglich das Bad nicht bewegt wird.
Typischerweise wird das Rohr oder die Rohre zumindest vorwiegend aus erstarrter Schlacke gebildet. Das oder jedes Rohr kann etwas erstarrtes Metall einschließen.
Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise das Anordnen jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material, so daß die Auslaßseite unter der Oberfläche des Schmelzbades und über der Metallschicht liegt.
Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise das Anordnen jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material, so daß sich die Auslaßseite mindestens 150 mm über der ruhigen Oberfläche der Metallschicht befindet.
Das Verfahren ordnet jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material vorzugsweise so an, daß sich die Auslaßseite nicht mehr als 500 mm, stärker bevorzugt nicht mehr als 400 mm, über der ruhigen Oberfläche der Metallschicht befindet.
Im Zusammenhang mit der Höhe der Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material über der ruhigen Oberfläche der Metallschicht, die in den vorstehenden beiden Absätzen beschrieben worden ist, die von Parametern, wie dem Massedurchsatz des festen Materials durch die Lanzen/Düsen abhängt, hat der Anmelder in seiner Arbeit in der Pilotanlage festgestellt, daß die Länge des Rohrs oder der Rohre bis zu 600 mm, typischerweise mindestens 200 mm betrug. Es läßt sich leicht einschätzen, daß eine Rohrlänge von 600 mm und ein Winkel der Lanze/Düse von 30 bis 60° zur Senkrechten unvermeidlich bedeutet, daß sich das Rohr oder die Rohre unter die ruhige Oberfläche der Metallschicht erstrecken kann bzw. können. Das stellt eine wichtige Erkenntnis für ein Verfahren dar, das das Schmelzen zumindest vorwiegend in der Metallschicht vornimmt, da dies bedeutet, daß es ein signifikantes Eindringen des festen Materials in die Metallschicht gibt.
Der Schritt (d) schließt vorzugsweise die Bildung des Rohrs oder der Rohre ein, indem das erzhaltige Beschickungsmaterial und das kohlehaltige Material durch die Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material eingespritzt werden, so daß die endotherme Natur dieser Materialien um die Enden der Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material einen Bereich erzeugt, der sich unter der Temperatur befindet, bei dem die Schlacke erstarrt. Ein wichtiger Kontrollparameter besteht in diesem Zusammenhang darin, daß das erzhaltige Material und das kohlehaltige Material mit einem Gas mit Sauerstoffmangel eingespritzt werden.
Folglich umfaßt der Schritt (b) vorzugsweise das Einspritzen von erzhaltigem Beschickungsmaterial und kohlehaltigem Material mit einem Gas mit Sauerstoffmangel.
Das Verfahren schließt vorzugsweise das Einspritzen des erzhaltigen Materials und/oder des kohlehaltigen Materials ein, so daß sich das oder jedes Rohr als koaxiale Verlängerung der oder jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material ausbildet. Wichtige Kontrollparameter sind in diesem Zusammenhang der Massedurchsatz des erzhaltigen Beschickungsmaterials und des kohlehaltigen Materials und die Geschwindigkeit des Stroms des Trägergases, des erzhaltigen Beschickungsmaterials und des Trägergases.
Das Verfahren schließt vorzugsweise ein, daß die Auslaßseite jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material bei einer Temperatur unterhalb der gehalten wird, bei der die Schlacke erstarrt, so daß das erste Festwerden des festen Materials an den Enden gefördert wird.
Stärker bevorzugt ist das Auslaßende jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material wassergekühlt, und das Kühlen mit Wasser hält das Ende bei einer Temperatur unterhalb der, bei der die Schlacke erstarrt.
Das Verfahren ist vorzugsweise wie in der internationalen Anmeldung PCT/AU99/00538 mit dem Titel "Direct Smelting Process" im Namen dieses Anmelders beschrieben, und auf die Beschreibung in dieser Anmeldung wird hier als Querverweis Bezug genommen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gefäß zur Herstellung von Metall aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial durch ein Direktschmelzverfahren angegeben, wobei das Gefäß ein Schmelzbad mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht enthält, wobei das Gefäß folgendes aufweist:

(a) einen Herd, der aus feuerfestem Material hergestellt ist, mit einem Boden und Seiten, die mit der Metallschmelze in Kontakt stehen;
(b) Seitenwände, die sich von den Seiten des Herdes nach oben erstrecken und mit der Schlackeschicht in Kontakt stehen;
(c) eine oder mehr als eine Lanze/Düse, die sich nach unten in das Gefäß erstrecken und ein sauerstoffhaltiges Gas in das Gefäß einspritzen;
(d) eine Vielzahl von Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material, die sich nach unten und einwärts in das Gefäß erstrecken und ein Trägergas, ein erzhaltiges Beschickungsmaterial und ein kohlehaltiges Material in die Metallschicht einspritzen, wobei die Auslaßseite von mindestens einer Lanze/Düse bei der Durchführung des Direktschmelzverfahrens im Gefäß über der Oberfläche der Metallschicht angeordnet ist und auf dieser ein Rohr aus einem festen Material festgeworden ist, daß es eine Verlängerung der Auslaßseite der Lanze/Düse bildet; und
(d) eine Einrichtung zum Abgeben der Metallschmelze und der Schlacke aus dem Gefäß.

Das Schmelzreduktionsgefäß ist vorzugsweise wie in der internationalen Anmeldung PCT/AU99/00537 mit dem Titel "Direct Smelting Vessel" im Namen dieses Anmelders beschrieben, und auf die Beschreibung in dieser Anmeldung wird hier als Querverweis Bezug genommen.
Vorzugsweise ist jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material so angeordnet, daß sich die Auslaßseite unter der Oberfläche des Schmelzbades befindet.
Vorzugsweise ist jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material so angeordnet, daß sich die Auslaßseite mindestens 150 mm über der ruhigen Oberfläche der Metallschicht befindet.
Vorzugsweise ist jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material so angeordnet, daß sich die Auslaßseite nicht mehr als 500 mm, stärker bevorzugt nicht mehr als 400 mm über der ruhigen Oberfläche der Metallschicht befindet.
Vorzugsweise beträgt das Rohr oder die Rohre bei unterschiedlichen Stufen des Verfahrens mindestens 200 mm, stärker bevorzugt mindestens 300 mm.
Vorzugsweise weist jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material folgendes auf:

(a) ein hohles längliches Teil, das einen mittleren Durchgang für das Beschickungsmaterial bildet und eine Einlaßseite und eine Auslaßseite aufweist; und
(b) einen äußeren Mantel zum Kühlen mit Wasser.

Das Teil erstreckt sich an der Auslaßseite der Lanze/Düse vorzugsweise über den Mantel zum Kühlen mit Wasser hinaus.
Vorzugsweise weist die Außenseite des mit Wasser gekühlten Mantels eine mit Vertiefungen versehene Oberfläche oder ein anderes Oberflächenprofil auf, das die freiliegende Fläche des Mantels zum Kühlen mit Wasser vergrößert.
Vorzugsweise erstrecken sich die Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material in einem Winkel von 30 bis 60° zur Senkrechten nach unten und einwärts in das Gefäß.
Vorzugsweise befindet sich die Auslaßseite jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material in der Schlackeschicht.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen als Beispiel weiter beschrieben, welche zeigen:
1 einen senkrechten Schnitt durch ein metallurgisches Gefäß, das eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Form darstellt;
2 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material;
3 eine Seitenansicht der Lanze/Düse in Richtung des Pfeils, der in 2 mit C bezeichnet ist; und
4 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 2.
Die folgende Beschreibung steht im Zusammenhang mit dem Direktschmelzen von Eisenerz, um eine Eisenschmelze zu erzeugen, und es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung begrenzt ist und sich bei irgendwelchen geeigneten Metallerzen und/oder -konzentraten oder einem anderen erzhaltigen Beschickungsmaterial – einschließlich teilweise reduzierten Metallerzen und metallhaltigen Abfallmaterialien – die vorgewärmt sein können, anwenden läßt.
Das in der Figur gezeigte Gefäß hat einen Herd, der einen Boden 3 und Seiten 55, die aus feuerfesten Ziegeln hergestellt sind, aufweist; Seitenwände 5, die eine im allgemeinen zylindrische Trommel bzw. ein im allgemeinen zylindrisches Gefäß bilden, das sich von den Seiten 55 des Herdes nach oben erstreckt und einen oberen Gefäßabschnitt 51 und einen unteren Gefäßabschnitt 53 einschließen; ein Gewölbe 7; einen Auslaß 9 für Abgase; einen Vorherd 57, um die Metallschmelze kontinuierlich abzugeben; und ein Abstichloch 61 für die Abgabe der geschmolzenen Schlacke.
Bei Verwendung enthält das Gefäß ein Schmelzbad aus Eisen und Schlacke, das eine Schicht 15 aus der Metallschmelze und eine Schicht 16 aus geschmolzener Schlacke über der Metallschicht 15 einschließt. Der Pfeil, der die Bezugsziffer 17 trägt, kennzeichnet die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Metallschicht 15, und der Pfeil, der die Bezugsziffer 19 trägt, kennzeichnet die Position der nominell ruhigen Oberfläche der Schlackeschicht 16. Der Begriff "ruhige Oberfläche" soll für die Oberfläche stehen, wenn kein Gas und keine Feststoffe in das Gefäß eingespritzt werden.
Das Gefäß schließt auch zwei Lanzen/Düsen 11 zum Einspritzen von Feststoffen ein, die sich durch die Seitenwände 5 nach unten und einwärts und in die Schlackeschicht 16 erstrecken, um Eisenerz, festes kohlehaltiges Material und Flußmittel in die Metallschicht 15 einzuspritzen, die in einem Trägergas mit Sauerstoffmangel mitgerissen werden. Die Position der Lanzen/Düsen 11 ist so ausgewählt, daß sich die Auslaßseiten 35 während der Durchführung des Verfahrens über der Oberfläche der Metallschicht 15 befinden. Diese Position der Lanzen/Düsen 11 verringert die Gefahr der Beschädigung der Lanzen/Düsen 11 aufgrund eines Kontaktes mit der Metallschmelze. Diese Position der Lanzen/Düsen 11 ermöglicht es auch, die Lanzen/Düsen 11 mit Wasser zu kühlen, wodurch die Sicherheitsrisiken deutlich geringer werden, die mit der Anwendung einer Wasserkühlung verbunden sind.
Bei Verwendung werden die Lanzen/Düsen 11 bis zu einem ausreichenden Ausmaß mit Wasser gekühlt, daß deren Enden 35 unter der Temperatur gehalten werden, bei der die Schlacke erstarrt. Das fördert das erste Festwerden des festen Materials am Ende 35 jeder Lanze/Düse 11, und dieses erstarrte Material stellt die Grundlage für ein Rohr 81 aus festem Material dar, das anschließend eine Verlängerung jedes Endes 35 der Lanzen/Düsen 11 bildet. Das feste Material ist zumindest vorwiegend Schlacke.
Der hauptsächliche Mechanismus für die Bildung des Rohrs liegt in der endothermen Natur des durch die Lanzen/Düsen 11 eingespritzten Eisenerzes und kohlehaltigen Materials, wodurch um die Enden 35 der Lanzen/Düsen 11 ein Bereich geschaffen wird, der unter der Erstarrungstemperatur der Schlacke liegt. Die Verwendung eines Trägergases mit Sauerstoffmangel ist für die Förderung der endothermen Reaktionen wichtig.
Außerdem sichert eine Kontrolle der Parameter, wie des Massedurchsatzes von Eisenerz und kohlehaltigem Material und der Geschwindigkeit des Trägergases aus den Lanzen/Düsen 11, daß sich die Rohre 81 als koaxiale Verlängerungen der Lanzen/Düsen 11 bilden.
Die Längen der Rohre 81 werden automatisch durch das Niveau der Metallschmelze in der Metallschicht 15 geregelt. Wie vorstehend erläutert kommt insbesondere dann, wenn das Niveau des Metalls an steigt, geschmolzenes Metall, das unvermeidlich aus der Metallschicht 15 in die Schlackeschicht 16 spritzt oder auf andere Weise in diese geschleudert wird, mit den Enden der Rohre 81 in Kontakt und schmilzt diese Enden (aufgrund der höheren Wärmeübertragung des Metalls im Vergleich mit der Schlacke). Wenn das Niveau des Metalls sinkt und der Kontakt der Metallschmelze mit den Enden der Rohre 81 abnimmt, erstarrt zudem Schlacke und verlängert dadurch die Enden der Rohre 81.
Aus dem Vorangegangenen wird klar, daß der Abstand zwischen den Auslaßseiten der Rohre 81 und der Metallschmelze die Länge des Rohrs 81 bestimmt. Eine wichtige Erkenntnis ist in diesem Zusammenhang, daß es einen im wesentlichen gleichmäßigen Abstand zwischen den Einspritzpunkten der Lanzen/Düsen 11 und der Metallschicht 15 gibt, und diese unterstützt die Steuerung des Verfahrens beträchtlich.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Lanze/Düse 11 ist in den 2 bis 4 gezeigt. Die Lanze/Düse 11 weist ein hohles Teil 71 auf, das einen mittleren Durchgang für die Zufuhr von Eisenerz, festem kohlehaltigem Material und Flußmitteln definiert, die in einem geeigneten Trägergas vom Einlaß 73 zum Auslaß 75 an der Auslaßseite 35 der Lanze/Düse 11 mitgerissen werden. Die Lanze/Düse 11 weist auch einen Mantel 57 zum Kühlen mit Wasser auf, der das Teil 71 über einen wesentlichen Teil der Länge des Teils 71 umgibt. Das vordere Ende des Teils 71 erstreckt sich über das vordere Ende des Mantels 77 hinaus. Diese Verlängerung 78 des Teils 71 weist einen geringeren Durchmesser als der Rest des Teils 71 auf. Das Teil 71 weist einen Absatz bzw. eine Schulter 79 auf, der einen Übergang zwischen den Abschnitten mit dem größeren und dem kleineren Durchmesser des Teils 71 bildet. Der Absatz 79 befindet sich neben dem vorderen Ende 83 des Mantels 77 zum Kühlen mit Wasser, so daß der Absatz 79 und das vordere Ende 83 des Mantels 77 eine ringförmige Vertiefung definieren, die im allgemeinen mit der Bezugsziffer 81 bezeichnet wird. Diese Vertiefung 81 und die Verlängerung 78 des Teils 71 unterstützen die Aufrechterhaltung eines Schlackerohrs am Ende 35 der Lanze/Düse 11. Der Mantel 77 zum Kühlen mit Wasser weist eine mit Vertiefungen versehene Oberfläche auf, die im allgemeinen mit der Bezugsziffer 85 bezeichnet, die die freiliegende Oberfläche des Mantels 77 vergrößert und zur Förderung des Festwerdens der Schlackeschicht auf dem Mantel 77 beiträgt, die die Lanze/Düse 11 schützt.
Bei Verwendung unter stationären Verfahrensbedingungen werden Eisenerz, festes kohlehaltiges Material (typischerweise Kohle) und Flußmittel (typischerweise Kalk und Magnesiumoxid), die in einem Trägergas (typischerweise N₂) mitgerissen werden, durch die Lanzen/Düsen 11 in die Metallschicht 15 eingespritzt. Der Impuls des festen Materials/Trägergases bewirkt, daß das feste Material und das Gas in die Metallschicht 15 eindringen. Die Kohle wird von flüchtigen Bestandteilen befreit und erzeugt dadurch in der Metallschicht 15 ein Gas. Kohle löst sich teilweise in Metall und bleibt teilweise als feste Kohle zurück. Das Eisenerz wird zu Metall geschmolzen, und die Schmelzreaktion erzeugt gasförmiges Kohlenmonoxid. Die Gase, die in die Metallschicht 15 transportiert und durch das Entfernen der flüchtigen Bestandteile und das Schmelzen erzeugt werden, rufen eine deutliche Auftriebsbewegung der Metallschmelze, der festen Kohle und der geschmolzenen Schlacke (sie werden als Folge des Einspritzens von Feststoff/Gas von oberhalb der Metallschicht in die Metallschicht 15 gezogen) aus der Metallschicht 15 hervor, was eine Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen des geschmolzenen Materials bewirkt, und diese Spritzer und Tropfen und Ströme reißen Schlacke mit, wenn sie sich durch die Schlackeschicht 16 bewegen.
Die Auftriebsbewegung des geschmolzenen Materials und der festen Kohle führt zu einer wesentlichen Bewegung in der Metallschicht 15 und der Schlackeschicht 16, mit dem Ergebnis, daß das Volumen der Schlackeschicht 16 zunimmt und diese eine Oberfläche aufweist, die mit dem Pfeil 30 bezeichnet ist. Das Ausmaß der Bewegung ist derart, daß die Metallschicht 15 und die Schlackeschicht 16 jeweils im wesentlichen homogen sind, weil es innerhalb jedes Bereichs vernünftig gleichmäßige Temperaturen – typischerweise 1450 bis 1550°C, bei einer Temperaturschwankung von nicht mehr als 30°C in jedem Bereich – und vernünftig einheitliche Zusammensetzungen innerhalb jedes Bereichs gibt.
Außerdem erstreckt sich die Aufwärtsbewegung der Spritzer, Tropfen und Ströme der Metallschmelze und Schlacke, wie durch die Auftriebsbewegung von Metallschmelze, fester Kohle und Schlacke hervorgerufen wird, in den oberen Raum 31 über dem geschmolzenen Material im Gefäß und:

(a) erzeugt eine Übergangszone 23; und
(b) schleudert etwas geschmolzenes Material (vorwiegend Schlacke) über die Übergangszone hinaus und auf den Teil des oberen Gefäßabschnittes 51 der Seitenwände 5, der über der Übergangszone 23 liegt, und auf das Gewölbe 7.

Allgemein ausgedrückt ist die Schlackeschicht 16 ein durchgängiges Flüssigkeitsvolumen mit Gasblasen und Metall (typischerweise in Form von Tropfen) im Inneren, und die Übergangszone 23 ist ein durchgängiges Gasvolumen mit Spritzern, Tropfen und Strömen von geschmolzenem Material (die zumindest in dieser Stufe vorwiegend Schlacke sind) im Inneren.
Eine wesentliche Bewegung der Metallschicht 15 und der Schlackeschicht 16, die durch die vorstehend beschriebene Auftriebsbewegung verursacht wird, sichert, daß das Metall in der Schlackeschicht 16 sehr gut gemischt wird. Das vorsätzliche Einspritzen von festem kohlehaltigem Material in die Metallschicht 15 sichert, daß es große Mengen von gelöster Kohle im Metall gibt, das in die Schlackeschicht gemischt ist. Als Folge der gelösten Kohle im Metall in der Schlackeschicht und des starken Mischens des Metalls in die Schlackeschicht hat die Schlackeschicht erwünschte niedrige Werte (typischerweise weniger als 5 Gew.-%) von FeO in der Schlacke.
Das Gefäß weist außerdem eine Lanze 13 zum Einspritzen eines sauerstoffhaltigen Gases auf, die mittig angeordnet ist und sich senkrecht nach unten in das Gefäß erstreckt. Die Position der Lanze 13 und der Gasdurchsatz durch die Lanze 13 werden so ausgewählt, daß das sauerstoffhaltige Gas bei stationären Bedingungen den mittleren Bereich der Übergangszone 23 durchdringt und um jedes Ende der Lanze 13 einen im wesentlichen von Metall/Schlacke freien Raum 25 aufrechterhält.
Bei Verwendung unter stationären Verfahrensbedingungen führt das Einspritzen des sauerstoffhaltigen Gases durch die Lanze 13 eine Nachverbrennungsreaktion der Gase CO und H2 in der Übergangszone 23 und im freien Raum 25 um das Ende der Lanze 13 durch und erzeugt im Gasraum hohe Temperaturen in der Größenordnung von 2000°C oder darüber. Diese Wärme wird auf die aufsteigenden und absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials im Einspritzbereich des Gases übertragen, und diese Wärme wird dann teilweise auf die Metallschicht 15 übertragen, wenn das Metall/die Schlacke zur Metallschicht 15 zurückkehren.
Der Wert der Nachverbrennung beträgt vorzugsweise mindestens 40%, wenn die Nachverbrennung wie folgt definiert wird:
worin:
[CO₂] = Vol.-% von CO₂ im Abgas,
[H₂O] = Vol.-% von H₂O im Abgas,
[CO] = Vol.-% von CO im Abgas, und
[H₂] = Vol.-% von H₂ im Abgas.
Der freie Raum 25 um das Ende der Lanze 13 ist wichtig, um hohe Nachverbrennungswerte zu erzielen, da er das Mitreißen von Gasen in den oberen Raum über der Übergangszone 23 in den Endbereich der Lanze 13 ermöglicht und dadurch die verfügbaren Reaktionsgase verstärkt einer Nachverbrennung aussetzt.
Der kombinierte Effekt von Anordnung der Lanze 13, Gasdurchsatz durch die Lanze 13 und Aufwärtsbewegung von Spritzern, Tropfen und Strömen aus geschmolzenem Metall und Schlacke besteht darin, die Übergangszone 23 um den unteren Bereich der Lanze 13 zu bilden – allgemein mit der Bezugsziffer 27 bezeichnet. Dieser geformte Bereich bietet eine teilweise Sperre gegenüber der Wärmeübertragung durch Strahlung auf die Seitenwände 5.
Bei stationären Verfahrensbedingungen stellen zudem die aufsteigenden und absinkenden Tropfen, Spritzer und Ströme von geschmolzener Schlacke eine wirksame Maßnahme zur Wärmeübertragung aus der Übergangszone 23 auf das Schmelzbad dar, mit dem Ergebnis, daß die Temperatur der Übergangszone 23 im Bereich der Seitenwände 5 in der Größenordnung von 1450 bis 1550°C liegt.
Das Gefäß ist in Hinblick auf die Niveaus der Eisenschicht 15, der Schlackeschicht 16 und der Übergangszone 23 im Gefäß, wenn das Verfahren bei stationären Verfahrensbedingungen durchgeführt wird, und in bezug auf Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials konstruiert, die in den oberen Raum 31 über der Übergangs zone 23 geschleudert werden, wenn das Verfahren bei stationären Verfahrensbedingungen durchgeführt wird, so daß:

(a) der Herd und der untere Gefäßabschnitt 53 der Seitenwände 5, die mit den Schichten aus Metall/Schlacke 15/16 in Kontakt stehen, aus Ziegeln aus einem feuerfesten Material hergestellt sind (in der Figur kreuzweise schraffiert);
(b) zumindest der Teil des unteren Gefäßabschnittes 53 der Seitenwände 5 mit wassergekühlten Platten 8 hinterlegt ist; und
(c) der obere Gefäßabschnitt 51 der Seitenwände 5 und das Gewölbe 7, die mit der Übergangszone 23 und dem oberen Raum 31 in Kontakt stehen, aus wassergekühlten Platten 57, 59 erzeugt sind.

Jede wassergekühlte Platte 8, 57, 59 (nicht gezeigt) im oberen Gefäßabschnitt 51 der Seitenwände 5 weist parallele Ober- und Unterkanten und parallele Seitenkanten auf und ist so gekrümmt, daß der Querschnitt eines zylindrischen Gefäßes definiert wird. Jede Platte weist eine innere Wasserkühlleitung und eine äußere Wasserkühlleitung auf. Die Leitungen sind serpentinenförmig ausgebildet, wobei die waagerechten Abschnitte durch gekrümmte Abschnitte miteinander verbunden sind. Jede Leitung weist außerdem einen Wassereinlaß und einen Wasserauslaß auf. Die Leitungen sind senkrecht versetzt, so daß die waagerechten Abschnitte der äußeren Leitung nicht unmittelbar hinter den waagerechten Abschnitten der inneren Leitung liegt, wenn das Ganze von der freiliegenden Seite der Platte, das heißt der Seite betrachtet wird, die zur Innenseite des Gefäßes hin freiliegt. Jede Platte weist ferner gestampftes feuerbeständiges Material auf, das die Abstände zwischen den benachbarten geraden Abschnitten jeder Leitung und zwischen den Leitungen füllt. Jede Platte weist außerdem eine Halteplatte auf, die die Außenseite der Platte bildet.
Die Wassereinlässe und Wasserauslässe der Leitungen sind mit einem Wasserzufuhrkreis (nicht gezeigt) verbunden, der Wasser mit einer hohen Strömungsrate durch die Leitungen zirkuliert.
Die Arbeit, die der Anmelder in der Pilotanlage durchgeführt hat, hat nachgewiesen, daß das vorstehend beschriebene Verfahren und die Vorrichtung eine effektive und effiziente Technologie für das Schmelzen von Eisenerz darstellen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben ist, können viele Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform das Einspritzen von Eisenerz, festem kohlehaltigem Material und Flußmittel durch jede Lanze/Düse 11 beinhaltet, läßt sich zum Beispiel leicht einschätzen, daß die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt ist und sich auf Anordnungen erstreckt, bei denen nur eines oder zwei dieser Beschickungsmaterialien durch jede Lanze/Düse 11 eingespritzt werden.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform den kontinuierlichen Austrag des Metalls durch den Vorherd 57 beinhaltet, ist die vorliegende Erfindung zudem nicht darauf begrenzt und erstreckt sich auf einen diskontinuierlichen Abstich der Metallschmelze.

Claims

Direktschmelzverfahren zur Erzeugung von Metall aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial, das die folgenden Schritt aufweist: (a) Erzeugen eines Schmelzbades mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht in einem metallurgischen Gefäß; (b) Einspritzen eines Trägergases, eines erzhaltigen Beschikkungsmaterials und eines festen kohlehaltigen Materials in die Metallschicht durch eine Vielzahl von Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material, die sich über der Oberfläche der Metallschicht befinden und sich zu dieser hin erstrecken, und Bewirken, daß das geschmolzene Material als Spritzer, Tropfen und Ströme aus dem Schmelzbad in den Raum über der nominell ruhigen Oberfläche des Schmelzbades herausgeschleudert wird, wodurch eine Übergangszone erzeugt wird; (c) Schmelzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials zu Metall in der Metallschicht; (d) Einspritzen eines sauerstoffhaltigen Gases in das Gefäßüber eine oder mehr als eine Lanze/Düse und Nachverbrennungsreaktion der aus dem Schmelzbad freigesetzten Gase, wodurch die in der Übergangszone aufsteigenden und danach absinkenden Spritzer, Tropfen und Ströme des geschmolzenen Materials die Wärmeübertragung auf das Schmelzbad erleichtern und wodurch die Übergangszone den Wärmeverlust aus dem Gefäßüber die Seitenwände minimiert, die mit der Übergangszone in Kontakt stehen; und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß an der Auslaßseite von mindestens einer Lanze/Düse ein Rohr aus einem festen Material erzeugt wird, während das erzhaltige Beschikkungsmaterial und das kohlehaltige Material durch die Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material eingespritzt werden und dadurch die wirksame Länge der Lanze/Düse oder der Lanzen/Düsen vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (d) zum Erzeugen des Rohrs oder der Rohre das Einspritzen des erzhaltigen Materials und/oder des kohlehaltigen Materials durch die Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material einschließt, so daß die endotherme Natur dieser Materialien um die Auslaßseiten der Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material einen Bereich erzeugt, der unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Schlacke erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Trägergas im Schritt (b) ein Gas mit Sauerstoffmangel einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das das Einspritzen des erzhaltigen Beschickungsmaterials und/oder des kohlehaltigen Materials im Schritt (b) einschließt, so daß das oder jedes Rohr als koaxiale Verlängerung der oder jeder Lanze/Düse für das feste Material entsteht.
Verfahren nach Anspruch 4, das das Regeln des Massedurchsatzes des erzhaltigen Beschickungsmaterials und des kohlehaltigen Materials und/oder der Geschwindigkeit von Trägergas, erzhaltigem Beschickungsmaterial und kohlehaltigem Material einschließt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Auslaßseite jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material bei einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb der liegt, bei der die Schlacke erstarrt, so daß das erste Festwerden des festen Materials an den Enden gefördert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material so angeordnet wird, daß die Auslaßseite unter der Oberfläche des Schmelzbades und über der Metallschicht liegt.
Verfahren zum Erzeugen von Metall aus einem erzhaltigen Beschickungsmaterial durch ein Direktschmelzverfahren, wobei das Gefäß ein Schmelzbad mit einer Metallschicht und einer Schlackeschicht auf der Metallschicht enthält, wobei das Gefäß folgendes aufweist: (a) einen Herd, der aus feuerfestem Material hergestellt ist, mit einem Boden und Seiten, die mit der Metallschmelze in Kontakt stehen; (b) Seitenwände, die sich von den Seiten des Herdes nach oben erstrecken und mit der Schlackeschicht in Kontakt stehen; (c) eine oder mehr als eine Lanze/Düse, die sich nach unten in das Gefäß erstrecken und ein sauerstoffhaltiges Gas in das Gefäß einspritzen; (d) eine Vielzahl von Lanzen/Düsen zum Einspritzen von festem Material, die sich nach unten und einwärts in das Gefäß erstrecken und ein Trägergas, ein erzhaltiges Beschickungsmaterial und ein kohlehaltiges Material in die Metallschicht einspritzen, wobei die Auslaßseite von mindestens einer Lanze/Düse bei der Durchführung des Direktschmelzverfahrens im Gefäß über der Oberfläche der Metallschicht angeordnet ist und auf dieser ein Rohr aus einem festen Material festgeworden ist, daß es eine Verlängerung der Auslaßseite der Lanze/Düse bildet; und (d) eine Einrichtung zum Abgeben der Metallschmelze und der Schlacke aus dem Gefäß.
Gefäß nach Anspruch 8, wobei die Auslaßseite jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material mindestens 150 mm über der ruhigen Oberfläche der Metallschicht ist.
Gefäß nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Auslaßseite jeder Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material nicht mehr als 500 mm über der ruhigen Oberfläche der Metallschicht ist.
Gefäß nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material folgendes aufweist: (a) ein hohles längliches Teil, das einen mittleren Durchgang für das Beschickungsmaterial bildet und eine Einlaßseite und eine Auslaßseite aufweist; und (b) einen äußeren Mantel zum Kühlen mit Wasser.
Gefäß nach Anspruch 11, wobei sich das Teil an der Auslaßseite jeder Lanze/Düse über den Mantel zum Kühlen mit Wasser hinaus erstreckt.
Gefäß nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei sich jede Lanze/Düse zum Einspritzen von festem Material in einem Winkel von 30 bis 60° zur Senkrechten nach unten und einwärts in das Gefäß erstreckt.