Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Stäuben in eine Metallschmelze einer pyrometallurgischen Anlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einblasen von Stäuben in eine Metallschmelze einer pyrometal ^¬ lurgischen Anlage. Bei den Stäuben handelt es sich vor allem um in der Hüttenindustrie, etwa bei der Stahlherstellung an- fallende Stäube mit metallischen und sonstigen, z.B. oxidi ^¬ schen Bestandteilen. Diese Stäube werden zum Teil in Deponien gelagert, vielfach aber auch bei der Metallherstellung verwendet. Dazu ist es bei verschiedenen Verfahren bekannt, die Stäube in brikettierter Form zu verwenden. Bei einem Verfah- ren von Thyssen Krupp (Oxycup-Verfahren) werden Stäube zu zementähnlichen Steinen verarbeitet, welche in einen Schachtofen eingesetzt werden. Daneben werden Stäube auch eingeblasen, beispielsweise bei der Stahlschrottverschmelzung in Lichtbogenöfen. Dies führt aber meist zu einer Verschlechte- rung des Prozesses, insbesondere zu Instabilitäten des Licht ^¬ bogens. Ganz allgemein hat der Staub auf die Schlacke eine abkühlende Wirkung, wodurch die notwendige Schäumung der Schlacke verringert oder ganz unterdrückt wird. Stäube lassen sich daher oft nur in limitierter Menge zuführen.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Stäuben in eine Metallschmelze einer pyrometallurgischen Anlage vorzuschla ^¬ gen, die hinsichtlich der geschilderten Probleme Abhilfe schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Staubpartikel enthaltendes Trägergas durch das in der Heizzone eines elekt ^¬ rodenlosen, induktiv gekoppelten Plasmabrenners erzeugte Plasma geleitet, bevor es anschließend in einen die Metall- schmelze enthaltenden Bereich einer Anlage eingeblasen wird. Im Plasma wird das Trägergas seinerseits in den Plasmazustand überführt. Durch Wechselwirkung mit dem sie umgebenden Plasma werden die mit dem Trägergas eingebrachten Staubpartikel auf eine Temperatur erhitzt, die größer oder gleich der Tempera- tur der Metallschmelze oder Schlacke ist. Aufgrund des Feh ^¬ lens von Elektroden für die Erzeugung des Plasmas werden lange Standzeiten erreicht, da weder ein Elektrodenabbrand noch eine mechanische Beeinträchtigung der Elektroden durch den Plasmabrenner durchströmende Staubpartikel gegeben sind. Vor- teilhaft ist weiterhin, dass reaktive Gase wie Sauerstoff eingeblasen werden können, ohne dass die Gefahr der chemischen Beeinträchtigung von Elektroden besteht. Vorteilhaft ist auch, dass durch die ausschließlich induktive Beheizung des Plasmas der schmelzmetallurgische Bereich einer Anlage und die Plasmaflamme elektrisch voneinander entkoppelt sind, so dass eine erheblich bessere Steuerung der einzelnen Verfahrensschritte erzielt werden kann. Da das Prozessgas und die darin enthaltenen Staubpartikel praktisch auf die Pro ^¬ zesstemperatur aufgeheizt werden, ist eine Schlackenabkühlung vermieden. Im Gegensatz zu Lichtbogenverfahren ist außerdem das Auftreten von Lichtbogen-Instabilitäten verhindert.

Das Plasma wird bei einer bevorzugten Verfahrensvariante so geregelt, dass die Staubpartikel in den flüssigen oder gas- förmigen Zustand übergehen. Dadurch ist eine sehr homogene Vermischung mit der Metallschmelze gewährleistet. Durch die Verflüssigung oder Verdampfung oxidischer Staubpartikel las-

hohen Temperaturen mit einer guten Reaktionskinetik gerechnet werden kann. So lassen sich beispielsweise zum Zwecke eines erhöhten Ausbringens von Chrom aus Gründen des Umweltschutzes chromhaltige Stäube bzw. Cr-VI und Cr ₂ O ₃ reduzieren. Die Re- duktion von Stäuben ist auch bei der Edelstahlherstellung von Vorteil. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Reduktion von Al- Zn-Krätzen, das sind Al- und Zn-Oxide, die bei der jeweiligen Herstellung anfallen.

Vorzugsweise wird das staubhaltige Trägergas durch die Heiz ^¬ zone des Plasmabrenners umgebende Lastspule axial hindurchge ^¬ leitet. Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird der Heizzone über ein koaxiales Injektionsrohr ein mit Staubpartikeln beladenes Trägergas und über ein das Injekti- onsrohr koaxial umfassendes Gasführungsrohr ein zur Plasmaerzeugung benötigtes staubfreies Gas zugeführt. Dadurch lassen sich die Gas- und Partikelströme separat steuern und auf die ^¬ se Weise ein stabiles Plasma erzeugen.

Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante wird das Trägergas durch eine der Heizzone vorgeschaltete, von einer Vorheizspule schwächerer Leistung gebildete Vorheizzone ge ^¬ leitet. In der Vorheizzone wird das Trägergas vorionisiert und die darin transportierten Staubpartikel werden soweit vorgeheizt, dass eine zu starke Abkühlung oder ein Erlöschen des Plasmas in der Heizzone der Lastspule vermieden wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass Impedanzschwankungen der plasmagefüllten Lastspule gering bleiben und ein an dieser betriebener Hochleistungs-Hochfrequenzgenerator immer in einem günstigen Leistungsbereich betrieben werden kann. Ohne Vorheizzone besteht die Gefahr, dass in der Heizzone ein zu gering ionisiertes Plasma vorhanden ist oder dass das vorhan-

herrscht, was zu instabilem Verhalten des Hochfrequenz-Krei ^¬ ses bis zu dessen Beschädigung führen kann. Der erwähnte Hochfrequenz-Generator kann somit für den optimalen Bereich bei maximalem Wirkungsgrad ausgelegt werden. Der ungünstige Betriebsbereich, der für eine Plasmazündung notwendig ist, wird dadurch vermieden.

Eine zur Durchführung des beschriebenen, insbesondere für die Stahlherstellung und Stahlverarbeitung vorteilhaft anwendba- ren Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst einen elektro ^¬ denlosen Plasmabrenner mit einem im Wesentlichen rohrförmi- gen, zum Hindurchleiten eines Staubpartikel enthaltenden Trägergases dienenden Gehäuse, das von einer eine Heizzone bil ^¬ denden induktiven Lastspule koaxial umgriffen ist. Wie be- reits oben erwähnt, sind Elektroden zur Erzeugung eines

Lichtbogens nicht erforderlich, so dass die Vorrichtung ent ^¬ sprechend einfach ausgestaltet ist und einen geringen War ^¬ tungsaufwand erfordert.

Vorzugsweise ist ein einseitig koaxial in das Gehäuse hinein ragendes Injektionsrohr vorhanden. über dieses lässt sich ein Staubpartikel enthaltendes Trägergas der Heizzone des Plas ^¬ mabrenners zuführen, wobei sich das Zuführrohr zweckmäßigerweise etwa bis zur Heizzone erstreckt. Das Injektionsrohr ist von einem Gasführungsrohr koaxial umfasst, wobei zwischen Injektionsrohr und Hüllrohr bzw. Gehäuse jeweils ein hohlzy- lindrischer Ringkanal vorhanden ist. Durch den an das Injektionsrohr angrenzenden Ringkanal wird das im Folgenden als Plasmagas bezeichnete Gas geleitet, das zur Plasmaerzeugung in der Heizzone der Lastspule benötigt wird. Der radial außen liegende Ringkanal wird mit einem im Folgenden Mantelgas ge ^¬ nannten Gas beschickt, das der Kühlung des Gehäuses dient und

Die bereits weiter oben beschriebene Vorheizzone wird vor ^¬ zugsweise von einer das Zuführrohr koaxial umfassenden Vorheizspule gebildet.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die lediglich eine Heizzone aufweist und FIG 2 eine Vorrichtung in einer in FIG 1 entsprechenden Darstellung, welche eine zusätzliche Heizzone, nämlich eine Vorheizzone aufweist.

Die in den Abbildungen ausschnittweise gezeigten Vorrichtun- gen umfassen einen elektrodenlosen Plasmabrenner 5 mit einem im wesentlichen als Rohrabschnitt ausgebildeten, aus einem keramischen Material, beispielsweise Silizium-Nitrid, beste ^¬ henden Gehäuse 1. Dieses weist eine Eingangsöffnung 2 und ei ^¬ ne Ausgangsöffnung 3 auf. Nahe der Ausgangsöffnung 3 ist das Gehäuse 1 koaxial von einer Lastspule 4 umgriffen, welche zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes mit einem Hochleistungs-Hochfrequenz-Generator (nicht gezeigt) verbunden ist. Die Lastspule bildet eine Heizzone 6, in der ein Staub ^¬ partikel enthaltendes Trägergas sowie das durch den Ringkanal zwischen Injektionsrohr 7 und Gasführungsrohr 8 einströmende Plasmagas und ferner das zwischen Gasführungsrohr 8 und Gehäuse 1 strömende Mantelgas in den Plasmazustand überführt werden. Dabei werden Temperaturen erreicht, die mindestens jenen eines Lichtbogens herkömmlicher Plasmabrenner entspre- chen. Die elektrische Leistungszufuhr wird über einen Hochleistungs-Hochfrequenzgenerator mit einer Dauerleistung von im Bereich von typischerweise 10 kW bis 50 MW und einer

selfeld der Lastspule 4 wird in der Heizzone 6 ein elektri ^¬ sches Feld mit einer so hohen Feldstärke induziert, dass es zum Gasdurchbruch mit nachfolgender Ionisation des Trägergases, des Plasmagases sowie des Mantelgases kommt. Sobald die Heizzone 6 mit einem Plasma ausreichend hoher Leitfähigkeit gefüllt ist, induziert das hochfrequente elektrische Wechsel ^¬ feld im Plasma einen hochfrequenten Strom, der zu einer intensiven Heizung des Plasmas führt. Dabei können elektrische Wirkungsgrade über 50% für die Plasmaheizung erzielt werden, bei Leistungen bis zu einigen 100 kW. Das Plasma in der Heizzone 6 kann, je nach der zugeführten elektrischen Leistung, Temperaturen erreichen, die ein Aufschmelzen von hochschmelzenden Materialien, wie Metalloxiden und Nitriten ermöglicht.

Eingangsseitig ragt in das Gehäuse 1 ein sich bis zur Heizzo ^¬ ne 6 erstreckendes und in diese ausmündendes Injektionsrohr 7 zentral hinein. Dieses hat einen wesentlich kleineren Durchmesser bzw. Strömungsquerschnitt als das Gehäuse 1. über das Injektionsrohr 7 wird ein Staubpartikel enthaltendes Träger- gas einem zentralen Bereich der Heizzone 6 zugeführt. Das In ^¬ jektionsrohr 7 ist koaxial und mit Radialabstand von einem Gasführungsrohr 8 umfasst, wobei zwischen dem Injektionsrohr 7 und dem Gasführungsrohr 8 ein Ringkanal 9 frei bleibt. Durch diesen wird ein der Plasmaerzeugung dienendes staub- freies Gas (Plasmagas) geleitet. Der Durchmesser des Gasfüh ^¬ rungsrohr 8 ist so bemessen, dass auch zwischen ihm und dem Gehäuse 1 ein Ringkanal 10 frei bleibt. Dieser dient zur Zu ^¬ führung eines Kühlgases, beispielsweise Luft, um das kerami ^¬ sche Gehäuse 1 vor einer zu starken thermischen Beeinflussung zu schützen.

Die in FIG 2 schematisch dargestellte Vorrichtung unterschei-

wird durch eine Vorheizspule 13 gebildet, welche das Injekti ^¬ onsrohr 7 in einem innerhalb des Gasführungsrohr 8 angeordneten Bereich koaxial umfasst. Die Vorheizspule weist eine we ^¬ sentlich geringere Leistung auf, als die Lastspule 4. Sie er- zeugt dementsprechend ein Plasma mit einer geringeren Ionen ^¬ dichte, das jedoch, wenn es dem Zentralbereich der Heizzone 6 zugeführt ist, größere Impedanzschwankungen der Lastspule 4 verhindert, wie weiter oben schon erläutert wurde.