Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze in einem elektrischen Einschmelzer.

Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von Eisenschmelzen in elektrischen Einschmelzern sind Stand der Technik.

Aus der noch unveröffentlichten Anmeldung DE 102021 122 350.4 der Anmelderin ist bekannt, ein Erwärmen des Eisenschwamms außerhalb des Elektroofens vor dem Erschmelzen auf eine Temperatur von mindestens 801 °C durchzuführen. Das Erwärmen des Eisenschwamms in der Erwärmungszone kann durch Einspeisen eines heißen Gases erfolgen. Durch das Erwärmen des Eisenschwamms auf eine Temperatur von mindestens 801 °C außerhalb des Elektroofens kann die benötigte Energie zum Erschmelzen des Eisenschwamms weiter reduziert werden, da die Differenz zur Schmelztemperatur, welche abhängig ist vom Kohlenstoffgehalt im Eisenschwamm, und beispielsweise aus dem Eisen-Kohlenstoffdiagramm ableitbar ist, im Vergleich zum konventionellen Einsatz geringer ist. Zum Erwärmen wird ein kohlenstoffhaltiges Gas genannt, welches neben der Erwärmung auf die gewünschte Erwärmungstemperatur des Eisenschwamms durch Durchströmung des Eisenschwamms auch effektiv Einfluss auf den Kohlenstoffgehalt des Eisenschwamms durch Ablagerung von Kohlenstoff auf und in dem Eisenschwamm genommen werden kann. Darüber hinaus kann es zur Bildung von Carbiden wie zum Beispiel Fe ₃ C kommen. Das kohlenstoffhaltige Gas kann Hütten-Prozessgase enthalten, u. a. aus einem Elektroofen. Das kohlenstoffhaltige Gas wird jedoch aktiv durch einen Gaserwärmer erwärmt, um so auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt zu werden und die gewünschte Vorerwärmungstemperatur des Eisenschwamms vor dem Einspeisen in den Einschmelzer sicherzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Verfahren derart weiterzuentwickeln, welches nicht nur eine Steigerung der Energieeffizienz durch Einsparung elektrischer Energie ermöglicht, welche für das Aufheizen des Einsatzmaterials im elektrischen Einschmelzer nötig ist, sondern auch den apparativen Aufwand geringhält.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterführende Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eisenschmelze und in einem elektrischen Einschmelzer, umfasst die Schritte: - Beschicken des Einschmelzers mit Feststoffen enthaltend eisenhaltige Stoffe und Schlackenbildner, Erschmelzen der Feststoffe zur Erzeugung einer Eisenschmelze und einer auf der Eisenschmelze angeordneten Flüssigschlacke, - Abstechen der Flüssigschlacke und der Eisenschmelze, wobei das Beschicken der Feststoffe derart erfolgt, dass das aus dem elektrischen Einschmelzer abgezogene Prozessgas zum Erwärmen der zugeführten Feststoffe genutzt wird.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass das aus dem elektrischen Einschmelzer abgezogene Prozessgas zur Erwärmung der Feststoffe, d.h. der kompletten im Einschmelzer zur Erzeugung einer Eisenschmelze und Flüssigschlacke durch Erschmelzen benötigten Einsatzstoffe zu nutzen und dies ohne zusätzliche Zwischenerwärmung bzw. Wiedererwärmung des Prozessgases direkt aus dem Einschmelzer erfolgt. Das abgezogene Prozessgas aus dem elektrischen Einschmelzer hat eine sehr hohe Temperatur, welche zwischen 1300 und 1800 °C liegen kann, insbesondere am Ausgang des elektrischen Einschmelzers (respektive des Gefäßes bzw. falls vorhanden des Deckels) über geeignete Mittel gemessen, und dadurch ist es wirtschaftlich, diese Prozessgastemperatur direkt zu nutzen, um die zu beschickenden Feststoffe bis auf eine Temperatur nahe des Schmelzpunkts zu erwärmen, so dass nur noch eine geringere Leistung erforderlich ist, um die vorgewärmten Feststoffe zu erschmelzen.

Der Feststoff kann auf eine Temperatur beispielsweise von mindestens 1000 °C, insbesondere von mindestens 1100 °C, vorzugsweise von mindestens 1200 °C, bevorzugt von mindestens 1300 °C erwärmt werden. Erfasst werden kann die Temperatur über geeignete Mittel kurz vor dem elektrischen Einschmelzer (respektive des Gefäßes bzw. falls vorhanden des Deckels) oder rechnerisch über andere zusammenhängende Parameter, die einen Aufschluss geben können. Alle diese Maßnahmen zur Temperaturerfassung sind dem Fachmann bekannt.

Das abgezogene Prozessgas kann wesentliche Anteile an Kohlenstoffmonoxid CO enthalten, so dass bei den vorherrschenden Temperaturen durch die Wärmeübertragung und dem Abkühlen des Gases das Gleichgewicht der Boudouard-Reaktion auf die linke Seite verschoben wird, und sich das gasförmige CO des Prozessgases als fester Kohlenstoff (Spaltungskohlenstoff) an dem Feststoff niederschlagen wird und so zu einem Aufkohlen der vorgenannten Einsatzstoffe führen kann. Folgende Bildungsmechanismen sind hierfür insbesondere relevant (Boudouard-Reaktion - von rechts nach links laufend: Bildung von Spaltungskohlenstoff):

C0 ₂ + C <-> 2C0

3Fe + C -> Fe ₃ C

3Fe + 2CO -> Fe ₃ C + CO ₂

3Fe + CO + H ₂ -> Fe ₃ C + H ₂ O.

Dies kann beispielsweise eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in den Feststoffen um mindestens 0,10 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,70 Gew.-% bewirken.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Position der Beschickung des elektrischen Einschmelzers identisch mit der Position des Abziehens des Prozessgases. Dabei kann an der Position des Abziehens des Prozessgases eine Leitung vorgesehen sein, in welchem das Prozessgas abgezogen wird. Durch die Leitung kann dabei der Feststoff beschickt werden, der in vorteilhafter Weise vom Prozessgas im Gegenstromprinzip durchströmt wird, und dabei erwärmt und insbesondere aufgrund des CO-Anteils im Prozessgas auch aufgekohlt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein „Leitung in Leitungssystem verwendet werden, was bedeutet, dass die eine Leitung größer ist als die andere und damit die beiden Leitungen koaxial ausgerichtet sind. Entweder wird in der kleinen Leitung beschickt und in der größeren abgezogen oder umgekehrt. Dies kann auch einen Vorteil haben, dass keine Ver- und/oder Anbackungen im Vergleich zu einem direkten Kontakt zwischen Prozessgas und Feststoff erfolgen kann. Vorzugsweise erfolgt die Beschickung und damit verbunden auch das Abziehen lokal an mehreren Positionen.

Zum Erschmelzen der Feststoffe verfügt der elektrische Einschmelzer über mindestens eine Elektrode, welche mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist und damit die erforderliche Energie bereitgestellt wird, um die Feststoffe in Eisenschmelze und Flüssigschlacke zu überführen. Je nach Größe/Dimension des elektrischen Einschmelzers können auch mehrere Elektroden eingesetzt werden, beispielsweise zwei, drei oder mehr als drei.

Der elektrische Einschmelzer ist bevorzugt ein Ofen der Gattung OSBF (Open Slag Bath Furnace). Hierzu zählen Elektroreduktionsöfen, vor allem SAF (Submerged Electric Arc Furnace), welche Schmelzöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung sind, die Lichtbögen zwischen der Elektrode und der Feststoff und/oder der Schlacke bilden oder welche den Feststoff und/oder die Schlacke mittels Joule-Effekt erwärmen. Beim SAF ist die Elektrode (bzw. sind die Elektroden, wenn mehrere vorhanden sind) in die Charge und/oder Schlacke eingetaucht. Je nach Funktionsprinzip/Betriebsweise können die Elektroreduktionsöfen als Wechselstrom-Lichtbo- gen-Reduktionsöfen (SAFac) oder Gleichstrom-Lichtbogen-Reduktionsöfen (SAFdc) ausgeführt sein. Alternativ können auch Schmelzöfen mit direkter Lichtbogeneinwirkung, welche vom oben beschriebenen Funktionsprinzip/Betriebsweise abweichen, sogenannte EAF (Electric Arc Furnace) zum Einsatz kommen, welche Lichtbögen zwischen der Elektrode und dem Metall bilden. Dies umfasst den Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFac), den Gleichstrom-Lichtbogen-Schmelzofen (EAFdc) und den Pfannenofen LF (Ladle Furnace).

Der Vorteil bei der Verwendung von Elektroreduktionsöfen mit Lichtbogen-Widerstandserwärmung (SAF) ist, dass diese mit einer reduzierenden Atmosphäre betrieben werden, wohingegen Schmelzöfen mit direkter Lichtbogeneinwirkung (EAF) mit einer oxidierenden Atmosphäre betrieben werden.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.

In Figur 1 wird die Erfindung am Beispiel eines elektrischen Einschmelzers (10) in einer schematischen Schnittdarstellung erläutert. Der elektrische Einschmelzer (10) umfasst ein Gefäß (15), in welches Feststoffe (3) enthaltend eisenhaltige Stoffe und Schlackenbildner beschickt wird. Je nach Größe des Gefäßes (15) respektive des elektrischen Einschmelzers (10) kann ein zentraler Punkt, beispielsweise mittig, zum Beschicken vorgesehen sein. Um das Gefäß (15) des elektrischen Einschmelzers (10) mit Feststoffen (3) zu füllen, erfolgt die Beschickung vorzugsweise lokal über mehrere Beschickungspositionen. Der elektrische Einschmelzer (10) kann einen Deckel (18) umfassen, welcher das Gefäß (15) nach oben verschließen kann und somit im innerhalb des elektrischen Einschmelzers (10) eine definierte bzw. gezielte Atmosphäre eingestellt werden kann. Der Deckel (18) ist im wesentlichen vertikal verfahrbar angeordnet, s. Doppelpfeil. Ist ein Deckel (18) vorhanden, so sind die Beschickungspositionen (12) Öffnungen in dem Deckel (18) mit entsprechenden Zufuhrleitungen. Über nicht dargestellte Mittel können die erforderlichen Feststoffe (3) zugeführt werden. Im Gefäß (15) ergeben sich nach dem Beschicken der Feststoffe (3) unterhalb der Beschickungspositionen sogenannte Schüttkegel. Die Feststoffe (3) enthalten eisenhaltige Stoffe, vorzugsweise Eisenschwamm. Zusätzlich können auch weitere eisenhaltige Stoffe, wie zum Beispiel eisenhaltiger Schrott, um die Recyclingrate zu erhöhen, zugeführt werden. Die Schlackenbildner, beispielsweise Kalk, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid werden zugemischt, insbesondere wenn die sogenannte Gangart des vorzugsweise eingesetzten Eisenschwamms nicht ausreicht, um in Abhängigkeit davon, die gewünschte Basizität der abzustechenden Flüssigschlacke einstellen zu können. Die Einstellung der gewünschten Basizität durch entsprechende Mischung/Zugabe ist dem Fachmann geläufig. Das Beschicken erfolgt an den Positionen an denen auch das Prozessgas aus dem elektrischen Einschmelzer (10) abgezogen wird. Das Beschicken des Einschmelzers (10) erfolgt über die Leitung des Abziehens (14). Die Position der Beschickung ist somit identisch mit der Position des Abzugs des Prozessgases (14). Nicht dargestellt, kann auch eine Beschickungsleitung koaxial zur und in der Abzugsleitung (14) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die im Einschmelzer (10) angeordnete Abzugsleitung (14), zumindest in Teilbereichen, gelocht und/oder geschlitzt sein, nicht dargestellt, um eine verbesserte Gasdurchlässigkeit sicherzustellen bzw. zu gewährleisten. Die eingebrachte Menge an Feststoffen (3) bemisst sich an der gewünschten Ausbringung der Eisenschmelze. Mindestens eine, in diesem Ausführungsbeispiel sind es drei Elektroden (11), liefern die erforderlich Energie zum Erschmelzen der Feststoffe (3). Dabei kann die Positionierung der Elektrode (11) vertikal eingestellt werden, um am Beispiel eines SAF vorzugsweise keinen Lichtbogen zwischen Feststoff (3) und Elektrode (11) entstehen zu lassen, wobei zumindest ein Eintauchen der Elektrodenspitze in den Feststoff (3) bevorzugt vorgesehen ist, s. Doppelpfeil. Die zum Erschmelzen benötigte elektrische Energie kann vorzugsweise aus regenerativer Energie (Sonne, Wind, Wasser) erzeugt worden sein, um die CO ₂ - Bilanz des elektrischen Einschmelzers (10) senken zu können. Sind die Feststoffe (3) vollständig erschmolzen, sind in dem Gefäß Eisenschmelze und auf der Eisenschmelze Flüssigschlacke angeordnet.

Ein Abstechen der Flüssigschlacke erfolgt über ein Abstichloch (16) und der Eisenschmelze über ein Abstichloch (17) im Gefäß (15).

Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den elektrischen Einschmelzer (10) respektive Deckel (18) gemäß Ausführung in Figur 1. Die drei Elektroden (11) sind relativ mittig angeordnet und die Beschickung- und Abzugspositionen (12, 14) verteilen sich lokal im radialen Abstand zu den Elektroden (11). Beispielhaft sechs Positionen (12, 14) in 60°-Schritten kreisförmig angeordnet.

Nicht dargestellt, können im Gefäß (15) Düsen zur Beeinflussung der Bewegung der Eisenschmelze angeordnet sein. Der elektrische Einschmelzer (10) kann auch schwenkbar gelagert sein, um ein Kippen und somit ein Abstechen von Flüssigschlacke in die eine und Eisenschmelze in die andere Richtung zu ermöglichen. Das Betreiben von elektrischen Einschmelzern (10) ist dem Fachmann ebenfalls geläufig. Ebenfalls nicht dargestellt ist, wie die Eisenschmelze entnommen und einem Weiterverarbei- tungs-schritt zugeführt wird. Bevorzugt wird die Eisenschmelze einem Behandeln zugeführt, um den Kohlenstoff in der Eisenschmelze auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren. Dies erfolgt beispielsweise mittels Sauerstoff in einem sogenannten Sauerstoffblasprozess, besonders bevorzugt in einem Konverter. Auch die abgestochene Flüssigschmelze wird vorzugsweise einer Gra- nulation zugeführt, um Schlacke insbesondere für die Bauindustrie zu erzeugen.