DE4234973C1 - Verfahren zum Schutz der feuerfesten Ausmauerung im Gasraum von metallurgischen Reaktionsgefäßen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der feuerfesten Ausmauerung von metallurgischen Reaktionsgefäßen, in denen sich eine Schmelze aus Metall und Schlacke befindet und die Reaktionspartner für die Schmelze durch unterhalb und oberhalb der Badoberfläche angeordnete Einleitungsvorrichtungen dem Metallbad zugeführt werden, wobei unterhalb der Badoberfläche gasförmige Reaktionspartner und/oder im Metallbad inert wirkende Gase der Schmelze zugeführt werden und im Gasraum, d. h. im Raum über der ruhenden Schmelze, die aus dem Metallbad entweichenden Gase mit Oxidationsmitteln nachverbrannt werden.

Zum Stand der Technik gehören eine Reihe von metallurgischen Prozessen, bei denen brennbare Gase in den Schmelz- und Reaktionsgefäßen oberhalb der Badoberfläche teil- oder vollverbrannt werden. Im weiten Sinne vollzieht sich bereits im Siemens-Martin-Ofen diese Gasvollverbrennung oberhalb der Schmelze, und die dabei entstehende Wärme überträgt sich an das Bad.

Bei dem Kaldo-Verfahren zur Stahlerzeugung und dem daraus entwickelten Dored-Prozeß für die Schmelzreduktion von Eisenerzen sind erstmals die Probleme mit der feuerfesten Ausmauerung in den Vordergrund getreten, die sich aufgrund der hohen Temperaturen bei der Nachverbrennung der Reaktionsgase oberhalb der Eisenschmelze ergeben. So sind in einer Veröffentlichung über den Kaldo-Prozeß in Iron & Steel, August 1958, Seiten 419 bis 423, Zahlen über die Ausmauerung des Rotor-Konverters und deren Haltbarkeit genannt, aus denen sich Verschleißraten von ca. 4 bis 7 mm pro Charge errechnen lassen. Diese Werte liegen gegenüber Vergleichsdaten aus heutigen Sauerstoffkonvertern für die Stahlerzeugung um einen Faktor 10 höher. Seinerzeit hat man den großen Ausmauerungsverschleiß der Dreh-Konverter einerseits auf den Temperaturwechsel durch das Benetzen des Feuerfest-Materials mit Schmelze und andererseits auf die Oxidation von Eisentröpfchen an der Ausmauerungsoberfläche zurückgeführt. Welche Auswirkungen die hohen Feuerfest-Verbräuche für den Dored-Prozeß hatten, geht aus einer bibliographischen Studie über die Direktreduktion von Eisennerz der Montanistischen Hochschule Leoben aus dem Jahre 1976 eindrucksvoll hervor. Es heißt dort abschließend: "Der Verbrauch an Feuerfest-Stoffen in der Betriebsanlage (Dored-Verfahren) war sehr viel höher als vorher erwartet. Da dieses Problem auch durch spezielle Untersuchungen nicht gelöst werden konnte, wurde die Betriebsanlage im Jahre 1968 stillgelegt."

Nach der stürmischen Entwicklung der Stahlerzeugung im Sauerstoffaufblas-Konverter rückte erst später, nach der Einführung der bodenblasenden OBM-Konverter, der Gedanke, die Reaktionsgase aus der Eisenschmelze im Konverter nachzuverbrennen und die dabei entstehende Wärme zur Verbesserung der Energiebilanz im Konverter zu nutzen, bei den Stahlerzeugern wieder ins Blickfeld. Es sind Anfang der 70er Jahre einige Patente angemeldet worden, die sich damit beschäftigen, im Konverter die Reaktionsgase, hauptsächlich CO und H₂, durch Zufuhr von Sauerstoff nachzuverbrennen. Stellvertretend seien hier die Patente US 38 39 017 und DD 01 01 916 genannt. Jedoch führte die einfache Nachverbrennung, wie sie in diesen Schutzrechten beschrieben ist, zu einem voreilenden Feuerfest-Verschleiß im oberen Konverterraum, und in der Wärmebilanz des Stahlfrischprozesses ließ sich keine meßbare Verbesserung nachweisen.

Erst mit einer neuen Sauerstoffaufblastechnik, erstmals beschrieben in dem DE Patent 27 55 165, kann man die Nachverbrennung in einem Stahlerzeugungskonverter so verwirklichen, daß die dabei entstehende Wärme der Scmelze und damit der Wärmebilanz beim Frischprozeß voll zugute kommt. Das wesentliche Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, daß während eines wesentlichen Teiles der Frischzeit 20 bis 80% der Frischsauerstoffmenge durch einen oder mehrere auf die Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen, die im Konvertergasraum als Freistrahl wirken, der Schmelze zugeführt werden und die Restmenge des Sauerstoffs unterhalb der Badoberfläche eingeblasen wird.

Diese Freistrahlen durchlaufen im Gasraum eine bestimmte Strecke, innerhalb der sie beträchtliche Mengen der Konverterabgase ansaugen. Der Gasstrahl, der hauptsächlich aus CO und CO₂ besteht, trifft mit einer hohen Temperatur, die erheblich über der Badtemperatur liegt und schätzungsweise ca. 2500°C beträgt, auf die Oberfläche der Schmelze. Dieses Verfahren führt zu keiner deutlichen Erhöhung des Ausmauerungsverschleißes im Gasraum des Konverters. Allerdings lassen sich auch nur Nachverbrennungsgrade zwischen 20 bis 25% bei einem Wirkungsgrad für die Wärmerückübertragung an die Schmelze von ca. 80 bis 90% erreichen.

Das DE-Patent 39 03 705 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachverbrennung von Reaktionsgasen sowie Verwendung dieses Verfahrens, und es ist dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gasstrahlen aus oxidierenden Gasen mit einem Drall durch eine oder mehrere Düsen auf die Badoberfläche geblasen werden. Dieses Verfahren wird sowohl bei der Stahlherstellung, bei der Schmelzreduktion von Eisenerz als auch bei der Kohlevergasung im Eisenbad verwendet. Durch Verändern der Wirbelkennzahl kann die Nachverbrennung betriebssicher zwischen 40 bis 80% gesteuert werden, und der Wirkungsgrad beim Rückübertragen der aus der Nachverbrennung gewonnenen Energie an die Eisenschmelze bewegt sich zwischen 80 bis 90%.

Bei diesen hohen Nachverbrennungsraten treten trotz guter Wärmerückübertragung an die Schmelze sehr hohe Temperaturen im Gasraum der Reaktionsgefäße auf. Soweit die Zusammenhänge bekannt sind, lassen sich Gastemperaturen von mehr als 2700°C errechnen. Die Gefahr ist groß, daß bei dieser Prozeßführung mit dem hohen Grad der Nachverbrennung die feuerfeste Gefäßausmauerung durch thermische Überlastung vorzeitig verschleißt.

Um die hohen Temperaturen im Gasraum des Reaktionsgefäßes und die damit verbundenen möglichen Probleme zu vermeiden, beschreitet man mit dem Schmelzreduktionsverfahren gemäß EP Patentanmeldung 04 18 627 einen anderen Weg. Die Nachverbrennung der Reaktionsgase erfolgt in einer Schaumschlackenschicht. Nach der Patentanmeldung wird der Sauerstoff mit einer Lanze von oben aufgeblasen und gleichzeitig Spülgas durch unterhalb der Badoberfläche angeordnete Düsen zugeführt. Gekennzeichnet ist dieser Prozeß dadurch, daß eine Mindestschlackenmenge von 2000 kg pro m² Badoberfläche vorhanden sein muß. Mit diesem Verfahren werden Nachverbrennungsgrade von über 40% bei einer Wärmerückübertragung von 90% erreicht.

Wie sich dem Stand der Technik entnehmen läßt, sind Verfahren bekannt, oberhalb einer Eisenschmelze hohe Nachverbrennungsgrade zu erreichen. Es gibt auch Konzepte, bei einer Nachverbrennung bis zu ca. 45% den voreilenden Verschleiß der Gefäßausmauerung in Grenzen zu halten, um die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens nicht in Frage zu stellen. Jedoch mangelt es an entsprechend widerstandsfähigem Feuerfest-Material für Gasraumtemperaturen über 2000°C oder einer Methode, die Gefäßausmauerung vor derart hohen Temperaturen zu schützen.

Demzufolge hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, die feuerfeste Ausmauerung im Gasraum von metallurgischen Reaktionsgefäßen zu schützen, damit trotz der hohen Temperaturen bei der Nachverbrennung der Reaktionsgase kein voreilender Verschleiß der Feuerfest-Auskleidung im Gasraum auftritt, um so die Einsatzzeit der metallurgischen Reaktionsgefäße zu verlängern und damit die Wirtschaftlichkeit der Erzeugungsverfahren für Stahl und Ferrolegierungen, der Kohlevergasung im Eisenbad, der Schmelzreduktion von eisenhaltigen Erzen sowie der Erzeugungsverfahren für Nichteisenmetalle zu verbessern.

Diese Aufgabe ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß im Reaktionsgefäß durch Teilmengen der Schmelze in Form von Tropfen, Spritzern, eruptions- und fontänenartig aufsteigenden oder herausgeschleuderten Anteilen von Schmelze und/oder durch Wellen- und Schwappbewegung der Schmelze die gesamte feuerfeste Ausmauerungsoberfläche im Gasraum des metallurgischen Reaktionsgefäßes benetzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Das genannte Verfahren kann zur Herstellung von Stahl und Ferrolegierungen, zur Schmelzreduktion von eisenhaltigen Erzen, zur Kohlevergasung im Eisenbad und bei der Raffinierung und Herstellung von Nichteisenmetallen verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß im Gegensatz zu den bisherigen Annahmen eine Gaszufuhr in die Schmelze unterhalb ihrer Badoberfläche, die zu einer starken Badbewegung der Schmelze führt, bei der Teilmengen der Schmelze in Form von Tropfen, Spritzern, eruptions- und fontäneartig aufsteigenden oder herausgeschleuderten Anteilen an Schmelze und durch Wellen- sowie Schwappbewegung der Schmelze, der Feuerfest- Verschleiß im Gasraum des Reaktionsgefäßes herabgesetzt wird. Gemäß der Erfindung ist diese sprudelnde Badbewegung mit fontänenartig herausgeschleuderten Schmelzanteilen bis an die Mauerungsoberfläche im Gasraum des Reaktionsgefäßes anzustreben. Diese Erkenntnis muß überraschen, weil im Stand der Technik davon ausgegangen wird, daß beim Benetzen der Ausmauerungsoberfläche mit Schmelze, z. B. im rotierenden Trommel-Konverter, und bei gesteigerten Nachverbrennungsgraden durch die hohen Gastemperaturen im Aufblasjet, die feuerfeste Ausmauerung im Gasraum dieser Reaktionsgefäße einen deutlich ansteigenden Verschleiß aufweist.

Bei den bekannten Verfahren, z. B. dem Kaldo-Dreh-Konverter mit schnell wechselnder Benetzung der Ausmauerungsoberfläche durch die Schmelze während der Drehbewegung und anschließender hoher Wärmebelastung durch den Nachverbrennungsgasstrahl, hat der Feuerfest-Verschleiß insbesonders in diesem oberen Konverterbereich Formen angenommen, die eine Wirtschaftlichkeit des Prozesses nicht mehr gewährleisteten. Im kombiniert blasenden KMS-Stahlerzeugungskonverter führt die Steigerung der Nachverbrennung bis etwa 30% ebenfalls zu einem voreilenden Verschleiß im Gasraum bzw. im Hut der Gefäße.

Um so überraschender und nicht vorhersehbar ist die Erkenntnis, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegt, daß bei einer Steigerung des Nachverbrennungsgrades in den metallurgischen Reaktionsgefäßen, auf Werte über 30% bis hin zu 85% und hoher Wärmerückübertragung an die Schmelze von über 70% bis 90% und bei Gasdurchflußraten der Unterbaddüsen, die eine hohe Badbewegung der Schmelze mit fontänenartig herausgeschleuderten Tropfen, Spritzern und Schmelzanteilen bis hin zur Ausmauerungsoberfläche bewirken, gleichzeitig eine Verbesserung der feuerfesten Haltbarkeit im Gasraum dieser metallurgischen Reaktionsgefäße zu erzielen ist. Dabei spielt das Verhältnis der Größe von herausgeschleuderten Schmelzanteilen, z. B. ob es sich um Tropfen, größere Spritzer, eruptions- und fontänenartig aufsteigende oder herausgeschleuderte Schmelzanteile oder über Wellen- und Schwappbewegung an die Ausmauerungsoberfläche herangebrachte Schmelze handelt, keine erkennbare Rolle. Wichtig ist nur, daß die gesamte Ausmauerungsoberfläche im Gasraum der Reaktionsgefäße mit Schmelze benetzt wird. Ob dabei auch die Schichtdicke dieser Benetzung einen Einfluß hat, ließ sich bislang nicht eindeutig ermitteln, und demgemäß ist von einer beliebigen, unterschiedlich starken oder gleichmäßigen Schichtdicke auszugehen.

Gemäß der Erfindung wird die Benetzung der feuerfesten Ausmauerungsoberfläche im Gasraum durch die im Reaktionsgefäß befindliche Schmelze, über die Durchflußraten der über die Unterbaddüsen in die Schmelze geleiteten Gase gesteuert; dies sind die gasförmigen Reaktionspartner, ebenso wie die im Metallbad inert wirkenden Gase. Dabei haben sich Durchflußraten zwischen 0,2 Nm³/min · t bis 30 Nm³/min · t, vorzugsweise Durchflußraten zwischen 2 Nm³/min · t bis 10 Nm³/min · t bewährt, bei einer Mindestfüllhöhe der Schmelze im Reaktionsgefäß. Diese Mindestfüllhöhe ist auf die ruhende Badoberfläche bezogen, und sie sollte mehr als 0,3 m, vorzugsweise mehr als 0,5 m betragen.

Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Durchflußraten der Gase, die man unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze einleitet, in einem Zusammenhang zur Badhöhe der Metallschmelze und zur maximalen Reaktionsgefäßhöhe gesehen und gesteuert werden. Einen ersten Schritt stellt dabei der Bezug der Durchflußraten auf die Tonne Metallschmelze im Reaktionsgefäß und die Angabe zu der Mindestfüllhöhe der Schmelze im Reaktionsgefäß dar.

Bevor näher auf die Zusammenhänge zwischen Gasdurchflußrate, der Badhöhe und der Gasraumhöhe eingegangen wird, erfolgt erst eine Beschreibung des Betriebszustandes (operating regime) der Schmelze und des Gasraumes darüber, wie er sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. Durch die Unterbaddüsen wird Gas mit einer so hohen Durchflußrate in die Schmelze geblasen, daß Teile der Schmelze fontänenartig aus der Badoberfläche aufsteigen, die Geschwindigkeit der Gase und der Schmelze sind ausreichend hoch, um einen Schwall von Tropfen bis an die Ausmauerungsoberfläche mitzureißen und diese zu benetzen. Dieser Betriebszustand ist deutlich zu unterscheiden von der bekannten Badbewegung einer Metallschmelze, die mehr einer Kochbewegung ähnelt, z. B. das Blasverhalten eines Stahlerzeugungskonverters, aus der sich lediglich Spritzer und Tropfen lösen. Es ist jedoch ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, einen Betriebszustand der Schmelze im metallurgischen Reaktionsgefäß einzustellen, bei dem sich fontänenartig Teilmengen der Schmelze mit ausreichender Geschwindigkeit aus der Badoberfläche lösen und bis zur Oberfläche der Gefäßauskleidung im Gasraum gelangen und diese benetzen.

Um diesen erfindungsgemäßen Betriebszustand mit der adäquaten Benetzung der Ausmauerungsoberfläche einschließlich optimaler Einblasbedingungen für die Gase unterhalb der Badoberfläche, eindeutig und reproduzierbar auch für unterschiedliche metallurgische Reaktionsgefäße zu beschreiben, ist, ausgehend von verschiedenen Modellversuchen und mathematischen Modellen, unter Berücksichtigung der kinetischen Energie und der Gasauftriebskräfte in der Schmelze, ein formelmäßiger Zusammenhang entwickelt worden. Schließlich hat sich gezeigt, daß die fontänenartige Spritzhöhe h_f [m] ungefähr dem Quotienten aus Gasdurchflußrate Q_v [m³/sek] pro Düse, durch die Badtiefe h_b [m] mit dem Exponenten 2/3 entspricht,

und daraus wiederum leitet sich folgender formelmäßiger Zusammenhang für die Wandbenetzung unter optimalen Gaseinblasbedingungen ab.

Dabei entspricht h_r der Gasraumhöhe [m], wobei h_f größer h_r ist.

Gemäß der Formel ist ein Wert kleiner/gleich 2,3, vorzugsweise kleiner 1,7, einzustellen. Q_v ist hierbei die aktuelle volumetrische Gasdurchflußrate pro Unterbaddüse, einschließlich der Gasmenge, die bei der Reaktion der eingeblasenen Reaktanten mit der Schmelze freiwerden. Selbstverständlich betreibt man das erfindungsgemäße Verfahren mit mehr als einer Düse, und dabei ist der Düsenabstand mindestens so weit zu bemessen, daß es zu keiner Überlappung der Einblastrichter kommt, die sich in der Schmelze oberhalb der Unterbaddüse bilden und etwa einen Öffnungswinkel von 20° aufweisen. Weiterhin ist der Bezug zwischen Badtiefe h_b [m] und Düsendurchmesser d [m] zu beachten. Es ist der Quotient h_b/d auf Werte größer als 20 auszulegen. Bei Beachtung dieses Zusammenhanges bläst man unter üblichen Betriebsbedingungen kein Gas durch die Schmelze und vermeidet somit die sogenannten Durchbläser.

Es liegt aber auch im Sinne der Erfindung, daß zusätzliche Unterbaddüsen vereinzelt zur gezielten Benetzung der Ausmauerungsoberfläche im Gasraum des Reaktionsgefäßes mit inert wirkenden Gasen betrieben werden, die nicht den angegebenen formelmäßigen Zusammenhängen gehorchen. Als Inertgase oder inert in der Schmelze wirkende Gase können beispielsweise Argon, Stickstoff, CO oder ähnliche Gase sowie Mischungen davon zur Anwendung kommen. Diese speziellen Benetzungsdüsen können dazu dienen, um die Ausmauerungsoberfläche im toten Winkel der normalen Unterbaddüsen zu benetzen. Weiterhin kann man die beispielsweise in Bereichen mit geringer Badtiefe einsetzen. Diese speziellen Benetzungsdüsen sind also nicht nach den vorgenannten Formeln ausgelegt und bewirken demgemäß auch nicht die von den Auftriebskräften dominierten fontänenartig aufsteigenden Eruptionen von Schmelzanteilen. Vielmehr nutzen die Benetzungsdüsen die kinetische Energie der mit hoher Geschwindigkeit in die Schmelze eintretenden Inertgase und reißen Spritzer und Tropfen bis an die Ausmauerungsoberfläche mit. Diese Benetzungsdüsen kommen nur in Einzelfällen und hauptsächlich im Bereich niedriger Badtiefe zur Anwendung, und da die eingeblasenen Inertgase nicht mit der Schmelze reagieren, wirkt sich der Betrieb dieser speziellen Düsen auch nicht störend auf den eigentlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens aus.

Um optimale Voraussetzungen für hohe Nachverbrennungsgrade der aus der Schmelze austretenden Reaktionsgase im Gasraum der metallurgischen Reaktionsgefäße zu erzielen, bläst man das Oxidationsmittel, hauptsächlich Luft, Sauerstoff oder Mischungen davon, mit einem Drall und/oder als Mantelgasstrahl in Richtung der Badoberfläche ein. Dabei können die oxidierenden Gase vorgeheizt sein, z. B. Luft auf Temperaturen zwischen 1200 bis 1500°C.

Im Gasraum der metallurgischen Reaktionsgefäße befinden sich die unter dem Sammelbegriff "Teilmengen der Schmelze" zusammengefaßten Flüssigkeitsanteile in Form von Tropfen, Spritzern, eruptionsartig aufsteigender oder fontänenartig herausgeschleuderter Schmelze. Diese Flüssigkeitspartikel heizen sich im Nachverbrennungsgasstrahl auf, fallen dann in die Schmelze zurück und übernehmen auf diese Weise einen erheblichen Anteil des Energietransportes der durch die Nachverbrennung entstandenen Wärme an die Schmelze. Die Oberfläche der Schmelze ist während der Verfahrensdurchführung in eine Übergangszone (transition zone) aufgelöst, die sich aus einem Gemisch von Anteilen der Schmelze und Reaktions- und nachverbrannten Gasen in Form von Gasblasen unterschiedlicher Größe und tief hineinreichenden Gastrichtern zusammensetzt. Auch dieser Übergangszone kommt eine erhebliche Bedeutung für die Rückübertragung der Nachverbrennungswärme an die Schmelze zu. Erst das Zusammenwirken von vorteilhafter Aufblastechnik der Nachverbrennungsgase mit dem von Schmelzanteilen durchsetzten Gasraum und der Übergangszone führt insbesondere bei hohem Nachverbrennungsgrad zu einer Wärmerückübertragung an die Schmelze mit günstigen Wirkungsgraden von über 70%.

Während die Temperaturen in dem beschriebenen Aufblasgasstrahl der Oxidationsmittel für die Nachverbrennung im Gasraum Werte von größer 2700°C annehmen können, wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Temperatur der Schmelze normalerweise zwischen 1300 bis 1600°C, vorzugsweise zwischen 1350 und 1500°C, eingestellt. Es ist ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, die Temperatur der Schmelze deutlich unter der Gasraumtemperatur im metallurgischen Reaktionsgefäß einzuregeln. Die Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze und dem Gasraum im Reaktionsgefäß kann zwischen 100°C bis 1400°C betragen. Diese Differenzwerte werden in erster Linie durch das Wärmeeinbringen bei der Nachverbrennung, d. h. durch den Nachverbrennungsgrad, bestimmt. Weiterhin wirkt sich selbstverständlich hier auch die Vorheiztemperatur der eingesetzten Oxidationsmittel für die Nachverbrennung aus, hauptsächlich die Vorheiztemperatur der zur Nachverbrennung der Reaktionsgase aufgeblasenen Luft, Sauerstoff oder beliebige Mischungen, einschließlich anderer Mischgase, die sich als Oxidationsmittel eignen oder zur Vorwärmung der oxidierend wirkenden Gase dienen.

Gemäß der Erfindung werden, gesteuert von den Gasdurchflußraten der unterhalb der Badoberfläche in die Schmelze geleiteten Gase, fontänenartig Anteile der Schmelze an die Ausmauerungsoberfläche im Gasraum der Reaktionsgefäße geschleudert, und diese Benetzung der Ausmauerung bewirkt, daß das feuerfeste Material an seiner Oberfläche in situ gekühlt wird. Diese Kühlung direkt an den Stellen, die ohne Benetzung der Schmelze der hohen Gastemperatur durch die Nachverbrennung der Reaktionsgase ausgesetzt wären, führt zu einer deutlichen Verbesserung der Haltbarkeit für das Feuerfest-Material im Gasraum der Reaktionsgefäße. Während ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ausmauerung im Gasraum der Reaktionsgefäße gegenüber der Badzone voreilend verschleißt, läßt sich nunmehr ein gleichmäßiger Verschleiß der Ausmauerung im gesamten Reaktionsgefäß erzielen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die feuerfeste Ausmauerungsoberfläche im Gasraum der Reaktionsgefäße lückenlos mit Schmelze benetzt und insgesamt in situ gekühlt.

Der Schutz der feuerfesten Ausmauerung im Gasraum metallurgischer Reaktionsgefäße nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist den bekannten Verfahren vorzugsweise in zwei Richtungen deutlich überlegen. Einmal findet die Kühlung der Ausmauerungsoberfläche in situ und insbesondere kontinuierlich und somit ohne Temperaturwechselbeanspruchung der Mauerungsoberfläche statt. Zum anderen schirmen die bis zur Ausmauerungsoberfläche geschleuderten Teilmengen der Schmelze gleichzeitig die Ausmauerung gegenüber der Wärmestrahlung des Nachverbrennungsgasstrahles ab, und es wird eine gleichbleibende Ausmauerungstemperatur erreicht, die nur unwesentlich höher als die Temperatur der Schmelze ist. Die Metalltropfen mit ihrem hohen Reduktionspotential treffen auf die Ausmauerungsoberfläche und schützen sie vor überhitzter, oxidierter (hoher FeO-Gehalt) Schlacke, die normalerweise einen deutlichen Feuerfest-Verschleiß bewirkt.

Weiterhin kommt es durch die kontinuierlich an die Mauerungsoberfläche gespritzten Teilmengen der Schmelze und durch die über Wellen- und Schwappbewegung der Schmelze an die feuerfeste Ausmauerung herangetragene Schmelze zu einer intensiven Kühlung und Abschirmung der Ausmauerung. Die Benetzungsschichten können sich aufgrund der stetigen Erneuerung nicht merklich aufheizen, bevor sie durch frische Schmelze ersetzt werden. Abschätzungen über die Temperaturerhöhung der Teilmengen der Schmelze beim Durchlaufen des Gasraumes haben maximale Werte von ca. 50°C ergeben.

Demgegenüber kommt es bei den bekannten Verfahren, z. B. bei einem Dreh-Konverter, zwar auch zu einem vollkommenen Benetzen der Oberfläche mit Schmelze, jedoch sobald die Ausmauerung aus dem Schmelzbad auftaucht, ist sie der hohen Temperatur der nachverbrannten Reaktionsgase durch Wärmestrahlung und Konvektion ausgesetzt. Dieser sich ständig wiederholende Temperaturwechsel führt wahrscheinlich zu dem bekannten, voreilenden Feuerfest-Verschleiß im Gasraum dieser Gefäße.

Gemäß der Erfindung benetzt man die Oberfläche der feuerfesten Auskleidung im Gasraum der metallurgischen Reaktionsgefäße volkommen mit Schmelze, die kontinuierlich durch neue, aus der Schmelze im Gefäß herausgeschleuderte Teilmengen ersetzt wird und dann entweder von der Ausmauerungsoberfläche zurückfällt oder an ihr herunterläuft. Abschätzungen der Teilmengen dieser zur Ausmauerungsoberfläche geblasenen Schmelze ergeben Werte von mindestens ca. 50 kg/min · m² Mauerungsoberfläche. Selbstverständlich handelt es sich hier nur um einen groben Richtwert, erfindungswesentlich ist lediglich, daß die Ausmauerungsoberfläche lückenlos benetzt wird, dabei können aber unterschiedliche Gewichtsanteile der Schmelze in verschiedenen Bereichen des Gasraumes der Reaktionsgefäße die Oberfläche der feuerfesten Auskleidung benetzen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand einer Zeichnung und eines nichteinschränkenden Beispiels näher erläutert.

Die Fig. 1 gibt den Querschitt durch ein trommelförmiges Reaktionsgefäß für die Schmelzreduktion von Eisen- und eisenhaltigen Erzen zur Erzeugung von Eisen und eisenhaltigen Legierungen wieder.

Das trommelförmige Reaktionsgefäß weist die aus Stahlblech bestehende Außenhülle 1 auf, in der sich eine feuerfeste Ausmauerung, aufgebaut aus Isolierschicht 2 und Verschleißfutter 3, befindet. In die Schmelze, gebildet aus dem Eisenbad 4 mit der Schlackenschicht 5, werden über die Unterbaddüsen 6 Reaktionsgase eingeblasen, die in der Schmelze den Einblastrichter 7 bilden. Weiterhin ist noch die Benetzungsdüse 8 zu erkennen.

Die Badtiefe h_b ist durch die Maßangabe 9 und die Gasraumhöhe h_r durch die Maßangabe 10 markiert. Die Maßangabe 11 soll zusätzlich die Übergangszone (transition zone) andeuten.

Über die Heißwindleitung 12 wird die Aufblasdüse 13 mit Heißwind, d. h. Luft mit einer Vorwärmtemperatur von 1250°C, versorgt. Von dieser Nachverbrennungsdüse 13 aus bläst der Nachverbrennungsjet 14 in den Gasraum 10 dieses Schmelzreduktionsgefäßes. Die nachverbrannten Reaktionsgase aus der Schmelze 9 treffen auf die fontänenartig aus der Schmelze geschleuderten Teilmengen 15 und die Tropfen und Spritzer 16. Diese Teilmengen der Schmelze in Form von Tropfen, Spritzern 16 und eruptionsartig herausgeschleuderten Anteilen 15 und die in Wellen- und Schwappbewegung 17 befindlichen Anteile der Schmelze benetzen die Ausmauerungsoberfläche, dargestellt durch die Pfeile 18. Das Phänomen der Ausmauerungsoberflächenbenetzung 18 ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, zu der auch die Benetzungsdüse 8 mit ihrem Sprühstrahl 19 beiträgt.

In einem Pilot-Konverter für die Schmelzreduktion von Eisenerz befinden sich ca. 8 t Eisenschmelze mit einem Kohlenstoffgehalt von 3% und einer Temperatur von 1450°C. Auf dieser Metallschmelze schwimmt eine Schlackenschicht von 1,5 t mit einem CaO-Gehalt von 34%, SiO₂ 26%, FeO 5%, MgO 12%, entsprechend einer Basizität von 1,3. In diese Eisenschmelze bläst man durch die Unterbaddüsen ca. 46 kg/min Eisenerz mit einem Fe-Gehalt von 62%. Gleichzeitig werden 22 kg/min gemahlene Kohle mit einer Zusammensetzung von 85% C, 3,0% H₂, 1,6% O₂, 0,7% S und einem Aschegehalt von 7% in das Bad eingeleitet. Nach jeweils etwa 3 Stunden Betriebszeit sticht man 5 t Eisen und 1,8 t Schlacke über ein Abstichloch aus dem Schmelzreduktionsgefäß ab.

Aus der Schmelze entweichen ca. 30 Nm³/min Reaktionsgas und 10 Nm³/min Inertgas in den Gasraum und werden dort mit 105 Nm³/min Heißwind mit einer Vorheiztemperatur von 1150°C nachverbrannt. Es wird im Durchschnitt ein Nachverbrennungsgrad von 57% erzielt, der mit einem Wärmewirkungsgrad von 85% an die Schmelze rückübertragen wird. Durch die Anzahl von sechs Unterbaddüsen und über zwei zusätzliche Benetzungsdüsen, die man mit 3 Nm³/min Stickstoff betreibt, werden nach einer groben Abschätzung 50 kg/min · m² Ausmauerungsoberfläche Teilmengen der Schmelze im Gasraum des Reaktors an die Ausmauerungsoberfläche geschleudert und kühlen das Feuerfest-Material in situ. Nach einer Betriebszeit von sechs Monaten dieser Pilot-Anlage, ließ sich ein gleichmäßiger Feuerfest-Verbrauch in der Bad- und Gaszone dieser Schmelzreduktionsgefäßes feststellen.

Das Verfahren zum Schutz der feuerfesten Ausmauerung im Gasraum von metallurgischen Reaktionsgefäßen läßt sich sowohl bei der Herstellung von Stahl und Ferrolegierungen, wie zur Schmelzreduktion von eisenhaltigen Erzen, bei der Kohlevergasung im Eisenbad und bei der Raffinierung von Nichteisenmetallen anwenden. Bei allen metallurgischen Verfahren, die Reaktionspartner und insbesondere gasförmige Reaktionspartner unterhalb der Badoberfläche einer Metallschmelze zuführen, zeichnet sich der erfindungsgemäße Prozeß durch große Flexibilität bei der Anpassung an die besonderen Betriebsbedingungen dieser Verfahren aus. Die Modifikation dieses Prozesses und seine spezielle Anpassung an die verschiedenen Betriebsbedingungen bei den genannten und ähnlichen metallurgischen Prozessen, liegt im Sinne der Erfindung. Solange eine Kühlung der Ausmauerungsoberfläche im Gasraum der metallurgischen Reaktionsgefäße in situ durch herangeführte Schmelze, die eine tiefere Temperatur als die im Gasraum herrschende Temperatur aufweist, sind die wesentlichen Merkmale dieses Verfahrens erfüllt, und man bewegt sich im Rahmen der Erfindung.

Claims (9)

1. Verfahren zum Schutz der feuerfesten Ausmauerung von metallurgischen Reaktionsgefäßen, in denen sich eine Schmelze aus Metall und Schlacke befindet und die Reaktionspartner für die Schmelze durch unterhalb und oberhalb der Badoberfläche angeordnete Einleitvorrichtungen dem Metallbad zugeführt werden, wobei unterhalb der Badoberfläche gasförmige Reaktionspartner und/oder im Metallbad inert wirkende Gase der Schmelze zugeführt werden und im Gasraum, d. h. im Raum über der ruhenden Schmelze, die aus der Schmelze entweichenden Gase mit Oxidationsmitteln nachverbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgefäß durch Teilmengen der Schmelze in Form von Tropfen, Spritzern, eruptions- und fontänenartig aufsteigenden oder herausgeschleuderten Anteilen von Schmelze und/oder durch Wellen- oder Schwappbewegung der Schmelze die gesamte feuerfeste Ausmauerungsoberfläche im Gasraum des metallurgischen Reaktionsgefäßes benetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Gewichtsanteile der Schmelze in Form von Tropfen, Spritzern, eruptions- und fontänenartig aufsteigenden oder herausgeschleuderten Anteilen von Schmelze und/oder durch Wellen- und Schwappbewegung der Schmelze, die auf die feuerfeste Gasraumoberfläche auftreffen und die Ausmauerung benetzen, untereinander auf unterschiedliche Verhältnisse eingestellt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Benetzung der feuerfesten Ausmauerungsoberfläche im Gasraum des Reaktionsgefäßes durch die Schmelze über die Durchflußraten der gasförmigen Reaktionspartner und/oder in der Schmelze inert wirkende Gase, die man über Unterbaddüsen der Schmelze zuführt, gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrate der gasförmigen Reaktionspartner durch die Unterbaddüsen zur Benetzung der gesamten Ausmauerungsoberfläche im Gasraum des Reaktionsgefäßes in Relation zur Badhöhe der Metallschmelze und der maximalen Reaktionsgefäßhöhe gesteuert werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Benetzung der Ausmauerungsoberfläche im Gasraum des Reaktionsgefäßes der folgende formelmäßige Zusammenhang zwischen Gasdurchflußrate der Unterbaddüsen Q_v [m³/min], der Badhöhe der Metallschmelze h_b [m] und der Gasraumhöhe h_r [m] eingehalten wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser d jeder Unterbaddüse in bezug auf die Badtiefe der Schmelze - h_b -gemäß dem Quotienten h_b/d auf größer 20 ausgelegt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Unterbaddüsen nur zur gezielten Benetzung der Ausmauerungsoberfläche im Gasraum des Reaktionsgefäßes mit inert wirkenden Gasen, unabhängig von dem formelmäßigen Zusammenhang betrieben werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze und dem Gasraum im Reaktionsgefäß zwischen 100°C bis 1400°C eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Ausmauerungsoberfläche im Gasraum der Reaktionsgefäße mit Teilmengen der Schmelze von mindestens 50 kg/min · m² Oberfläche benetzt wird.