Beschreibung

Verfahren zur Regelung des Kohlenmonoxid-Austrags bei einem metallurgischen Schmelzverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kohlenmonoxid-Austrags bei einem metallurgischen Schmelzverfahren. Zur Herstellung qualitativ hochwertigen Stahls ist der Koh- lenstoffgehalt (C) des Ausgangsrohstoffes zu reduzieren. Der Ausgangsrohstoff kann hierbei teilweise aus Schrott gewonnen werden, welcher in einem Aggregat, etwa einem Konverter oder einem Elektrolichtbogenofen zunächst geschmolzen und dann entkohlt wird. Zur Entkohlung wird in die Schmelze Sauerstoff (O ₂ ) eingeblasen, welcher den in der Schmelze enthaltenen Kohlenstoff oxidiert. Das auf diese Weise entstandene Kohlen- monoxid (CO) bildet Gasblasen in der Schmelze, welche zu deren Oberfläche aufsteigen und die Schlacke auf der Schmelzenoberfläche durchdringen. In einem Gasraum oberhalb der Schmelze kann Kohlenmonoxid teilweise zu Kohlendioxid oxidie- ren oder vollständig durch Nachverbrennungseinrichtungen oxidiert werden. Ein CO, CO ₂ sowie auch H ₂ , H ₂ O und N ₂ enthaltender Abgas entweicht durch einen Abgasauslass aus dem Aggregat und Primärgas wird in der Regel einer Entstaubungsanlage und einer Filteranlage zugeführt.

Das Entstehungsprofil des CO ist jedoch nicht immer proportional zur eingeblasenen Menge an Sauerstoff, was darauf zurückzuführen ist, dass die flüssige Schmelze in der Lage ist, je nach Strömungs- und Temperatursituation, das entstandene CO metastabil zu lösen bzw. zurückzuhalten. Mitunter fehlt der nötige Impuls zum Aufsteigen des in der Schmelze angesammelten Gases CO und der kritische Punkt, an dem das Gas aufsteigt, wird erst bei einer entsprechenden Gasblasengröße erreicht oder durch Sekundäreinflüsse (wie z.B. Spülelemente) provoziert. Das Gas entweicht dann nahezu schlagartig. Dieser unerwünschte Effekt, das sogenannte Boiling, kann zu Sicherheitsgefährdung und Sachschäden am Aggregat und angeschlosse-

ner Peripherie führen, wie etwa einer Primärgasentstaubung oder einer Filteranlage.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Rege- lung des Kohlenmonoxid-Austrags bei einem metallurgischen

Schmelzverfahren anzugeben, mit dem ein schlagartiges Entweichen von Kohlenmonoxid verhindert oder zumindest dessen Intensität verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bei diesem wird der Istwert des aus der Schmelze entweichenden KohlenstoffStroms ermittelt und der sich aus der zugeführten Sauerstoffmenge und dem Kohlenstoffgehalt der Schmelze unter Berücksichtigung etwaiger sonstiger Reaktionen ergebende Sollwert des entweichenden KohlenstoffStroms berechnet, und Ist- und Sollwert miteinander verglichen werden und im Falle eines Zurückbleibens des Istwertes gegenüber dem Sollwert Maßnahmen zur Verhinderung von Boiling-Effekten eingeleitet werden. Der Kohlenstoffström gibt hierbei die Menge des pro Zeiteinheit in Form von CO und/oder CO ₂ abgeführten Kohlenstoffs, etwa in Kilogramm pro Sekunde an. Bleibt der Istwert hinter dem theoretischen Wert zurück, ist dies ein klares Indiz dafür, dass eine Ansammlung kohlenmonoxidhalti- ger Gase in der Schmelze stattfindet und ermöglicht das rechtzeitige Einleiten geeigneter Gegenmaßnahmen, um den schlagartigen Aufstieg von Gasblasen, das unerwünschte Boi- ling, zu reduzieren oder gar zu vermeiden. Dadurch wird auch die Betriebssicherheit des Aggregates erhöht.

Das genannte Verfahren ist beispielsweise in Konvertern ,

AOD-Konvertern (Argon-Oxygen-Decarburization, AOD) und insbesondere auch in Elektrolichtbogenöfen anwendbar.

Der Istwert des KohlenstoffStroms kann aus der Analyse der Zusammensetzung der durch den Abgasauslass entweichenden Gase ermittelt werden. Hierbei können der Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidgehalt beispielsweise mittels Gaschromatographie o- der einer lasergestützten Gasanalyse ermittelt werden.

Der Sollwert des entweichenden KohlenstoffStroms kann unter anderem aus der Menge des der Schmelze zugeführten Sauerstoffs und dem Kohlenstoffgehalt der Schmelze berechnet wer- den. Hierbei kann ggf. auch die zur Regulierung der Schaumschlacke einem Elektrolichtbogenofen zugeführte Kohlenstoffmenge berücksichtigt werden.

Für den Betrieb des Aggregats besonders vorteilhaft ist ein möglichst steter Kohlenstoffström, der keine schnellen

Schwankungen aufweist. Durch die Berechnung des Sollwerts des KohlenstoffStroms kann über einen Vergleich mit seinem Istwert jederzeit festgestellt werden, ob in der Schmelze eine Ansammlung von Kohlenmonoxid stattfindet. Die Auswertung des Vergleichs zwischen Istwert und Sollwert ermöglicht das rechtzeitige Einleiten von Gegenmaßnahmen. Hierbei kann die Sauerstoffzufuhr zur Schmelze verringert oder eingestellt werden oder aber zusätzlicher Kohlenstoff zugeleitet werden. Durch die Verringerung der Sauerstoffzufuhr wird die Bildung weiteren Kohlenmonoxids zunächst verhindert. Die zusätzliche Eindüsung von Kohlenstoff kann hingegen zur unmittelbaren Bildung von Kohlenmonoxidbläschen führen, wodurch ggf. der Aufstieg weiterer Gasansammlungen aus der Schmelze provoziert wird .

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

FIG 1 eine Prinzipskizze eines Aggregats für das metallurgi- sehe Schmelzverfahren,

FIG 2 ein Ablaufdiagramm zur Regelung des metallurgischen

Schmelzverfahrens, und FIG 3 Kennlinien des metallurgisches Schmelzverfahrens.

FIG 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Aggregats 1 für ein metallurgisches Schmelzverfahren. Das Aggregat 1 kann ein Konverter, AOD-Konverter, ein Elektrolichtbogenofen oder vergleichbares, insbesondere zur Stahlherstellung sein. In einem

Gefäß 2 befindet sich das zu einer Schmelze 3 geschmolzene Rohmaterial, welches auf der Oberseite 4 von einer Schlackeschicht 5 bedeckt wird. über Einblasrohre 6 kann der Schmelze 3 zu einem ersten Zeitpunkt (ti) Sauerstoff oder Kohlenstoff zugeführt werden. Praktischerweise ist zumindest die zugeführte Sauerstoffmenge (m ₀ ) bekannt. Im Bereich der Schmelze 3 reagieren Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlenmonoxid : C + ¹ ^O ₂ → CO. Hierbei kann aus dem geschmolzenen Rohmaterial stammender Kohlenstoff oder aber über die Einblasrohre 6 zu- geführter Kohlenstoff oxidiert werden. Das Kohlenmonoxid ist zunächst in der Schmelze 3 gelöst bzw. wird darin in Form feiner Gasblasen zurückgehalten und geht zumindest teilweise in die Gasphase über, wobei Gasblasen zur Oberseite 4 der Schmelze 3 aufsteigen und die Schlackeschicht 5 durchdringen, so dass das Kohlenmonoxid zunächst in den Gasraum 7 oberhalb der Schlackeschicht entweicht. Im Gasraum 7 reagiert ein Teil des Kohlenmonoxids mit Sauerstoff zu Kohlendioxid: CO + ¹ ^O ₂ → CO ₂ .

Am Gasraum 7 ist ein Abgasauslass 8 angeordnet, durch welchen u.a. die kohlenstoffhaltigen Gase aus dem Gasraum 7 des Aggregats 1 entweichen. Durch einen Schlitz 26 im Abgasauslass wird Sauerstoff (O ₂ ) angesaugt, wodurch die Abgase nachverbrannt werden. Sie können einer sogenannten (nicht darge- stellten) Primärgas-Entstaubung und anschließend einer Filteranlage zugeführt werden. Im Abgasauslass 8 befindet sich eine Messvorrichtung 9 zur Analyse der Zusammensetzung der aus dem Aggregat 1 entweichenden Abgase. Insbesondere werden hierbei zu einem beliebigen Mess-Zeitpunkt (t _meSs ) die Mengen der kohlenstoffhaltigen Anteile im Abgas und hieraus der Istwert (vcist) des KohlenstoffStroms —^ ermittelt. dt

In FIG 2 ist das Ablaufdiagramm 10 des vorgestellten Verfahrens dargestellt. In einem Verfahrensschritt 11 wird bei- spielsweise aus der zu einem ersten Zeitpunkt ti der Schmelze zugeführten Menge an Sauerstoff und der zu diesem Zeitpunkt in der Schmelze enthaltenen Kohlenstoffs eine erste Kohlen-

Stoffbilanz der Schmelze berechnet. Aus dieser Kohlenstoffbilanz wird in einem Verfahrensschritt 12 ein Sollwert v _CSo ii des aus der Schmelze entweichenden KohlenstoffStroms —— be- dt rechnet. Hierbei werden sonstige Vorgänge, wie z.B. Eisen- und Siliciumoxidation u.a. berücksichtigt. Der Sollwert v _CSo ii kann zum Beispiel in Kilogramm je Zeiteinheit erfasst werden. Parallel zur Ermittlung des Sollwerts v _CS oii wird in einem Verfahrensschritt 13 die mit der Messvorrichtung 9 ermittelte Zusammensetzung der aus dem Aggregat 1 zu einem Mess- Zeitpunkt t _mess entweichenden Abgase analysiert und im Verfahrensschritt 14 der Istwert v _Clst des aus der Schmelze entweichenden KohlenstoffStroms —— aus der Analyse berechnet. Der dt

Mess-Zeitpunkt t _mess ist günstig gewählt, wenn er nach Verstreichen - der Zeit-Differenz δt ₅ ,s vom Entstehen des Kohlenmonoxids in der Schmelze 3 bis zum Aufsteigen der entstandenen kohlenstoffhaltigen Gase bis zur Messvorrichtung 9 im Abgasauslass 8 und der Zeitspanne δts zur Erfassung und Analyse der Zusam- mensetzung des Abgases mit Hilfe der Messvorrichtung 9 auf den ersten Zeitpunkt ti folgt.

Im Verfahrensschritt 15 werden Istwert v _Clst und Sollwert v _CS oii unter Berücksichtigung der zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und dem Mess-Zeitpunkt t _meSs verstrichenen Zeitspanne δt ₅ , ₈ +δt ₈ verglichen. Ist der Istwert v _C i _S t kleiner als der Sollwert v _Cso n, so deutet dies auf eine Ansammlung von Kohlenmonoxid in der Schmelze hin. In einem Verfahrensschritt 16 wird die Abweichung zwischen Istwert v _Clst und Sollwert v _CSo ii ausgewer- tet . Ggf. können auch ein Istwert m _Clst und ein Sollwert m _Cso u der seit dem Beginn der Sauerstoffzufuhr zum Zeitpunkt to entwichenen Kohlenstoffmenge (C _ges ) ermittelt werden. übersteigt die Abweichung zwischen Istwert v _C i _S t und Sollwert v _CS oii einen Schwellenwert, so werden in einem Verfahrensschritt 17 Gegenmaßnahmen eingeleitet. Die für den Ablauf der Verfahrensschritte 11 bis 17 benötigte Zeitspanne δts, ₄ ist die Re-

aktionszeit, welche zur Einleitung von Gegenmaßnahmen erforderlich ist, welche die Einstellung der Menge der Sauerstoffzufuhr oder zusätzlichen Kohlenstoffs zur Schmelze 3 über die Einblasrohre 6 umfassen.

Anhand der Kennlinien 18 bis 21 der Graphen 22 und 23 in FIG 3 ist das Funktionsprinzip des Verfahrens zu erkennen. Im Graphen 22 sind über der Zeit t in Kennlinie 18 der Sollwert Vcist und in Kennlinie 19 der Istwert v _CS oii der Kohlenstoff- ströme dargestellt. Ab dem Start-Zeitpunkt to der Zufuhr von Sauerstoff in die Schmelze 3 kann der Sollwert v _CSo ii berechnet werden. Bis aus Messwerten der Messvorrichtung 9 im Abga- sauslass 8 die Menge des im entweichenden Abgas enthaltenen Kohlenstoffs ermittelt wird, vergeht die Zeitspanne δt ₅ ,8+δts. Die Kennlinie 18 verdeutlicht das gewünschte stete Entweichen von Kohlenstoff bei zu erwartendem, näherungsweise konstantem oder schwach abnehmendem Sollwert v _CS oii des Kohlenstoffstroms. Idealerweise soll der Istwert v _Clst mit einer Verzögerung von δt ₅ ,8+δts dem Verlauf des Sollwerts folgen. Tatsäch- lieh wird der Kohlenstoff nicht so gleichmäßig aus der

Schmelze entweichen. Dies führt zu einer Abweichung der Kennlinie 19 für den Istwert v _Clst gegenüber der Kennlinie 18, wobei eine Schwankung um den Verlauf der Kennlinie 18 innerhalb von Schwellwerten tolerierbar ist. Wird der Kohlenstoffström über der Zeit aufintegriert, so können daraus Istwert m _Clst und Sollwert m _CS oii für die seit dem Zeitpunkt to aus der Schmelze entwichene Kohlenstoffmenge C _ges angegeben werden. Die Kennlinie 20 zeigt den Verlauf des zur Kennlinie 18 korrespondierenden Sollwerts m _CSo ii und die Kennlinie 21 des Ist- werts m _Clst korrespondiert zur Kennlinie 19. Ab einem Zeitpunkt t ₂ ist eine Abflachung 24 der Kennlinie 21 des Istwerts meist der Kohlenstoffmenge C _ges zu erkennen. Dies deutet darauf hin, dass Kohlenmonoxid in der Schmelze angesammelt wird. Wird nicht geregelt, so kann zu einem späteren, unvorherseh- baren Zeitpunkt t _ß die Ansammlung in einer großen Gasblase schlagartig aufsteigen, was in der Kennlinie 21 durch die ü- berhöhung 25 dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erkennung einer solchen Abflachung 24 der

Kennlinie 21 anhand der Auswertung von Istwert v _C i _S t und Sollwert v _Cso n des KohlenstoffStroms und dient zur Einleitung geeigneter Gegenmaßnahmen zur Verhinderung von Boiling- Effekten.