Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Schmelzaggregat zur Stahlerzeugung mit einem Herdteil, einem ringförmigen, wassergekühlten, feuerfest ausgekleideten zylindrischen Oberofen, auf den ein nach oben ab- schließender konischer Hut, mit Öffnungen zur Abgasführung, aufsetzbar ist.

Stahlhersteller, die Hochofen-BOF-Konverterrouten verwenden, sehen sich immer strengeren Anforderungen an eine emissionsarme Produk- tion von Stahl gegenüber. Durch aufwendige Abgasreinigungen und sorgfälti- ge Auswahl primärer Einsatzstoffe ist versucht worden auf die gestiegenen Umweltanforderungen zu reagieren. Des Weiteren werden aber auch immer weniger primäre Einsatzstoffe nachgefragt, so dass die spezialisierten Konver- terrouten teilweise nicht ausgelastet sind, was sich wiederum negativ auf die Herstellungskosten auswirkt.

Schrott ist ein Kreislaufmaterial, das sich immer wieder zur Her- stellung von Stahl nutzen lässt. Die Preise für Schrott sind starken Schwan- kungen unterworfen. Dabei ist neben chemischer Reinheit und Aufbereitungs- grad auch die lokale Verfügbarkeit für den jeweiligen Preis entscheidend. Die Herstellung von Stahl (Blasstahl und Elektrostahl) ist verant- wortlich für 7 % der anthropogenen Luftverschmutzung weltweit. Wird die Erz- gewinnung und der Erztransport mitgezählt, kann man von 10 % ausgesehen.

Die Preise für Zertifikate für C0 ₂ -Emissionen verteuern sich in den Industrieländern ständig. Aber auch in den Schwellenländern und Ent- wicklungsländern verschärfen sich die Auflagen für Emissionen drastisch. Die Stahlhersteller sind aufgefordert, ihre C0 ₂ -Emissionen drastisch zu senken.

Mittelfristig ist es notwendig, sowohl die Erzgewinnung als auch die Verhüttung von Eisenerz zu verringern. Die Stahlherstellung sollte in Zu- kunft mehrheitlich über Recycling (EAF) erfolgen. Im Verhältnis zum BOF sind die Emissionen beim EAF etwa 75 % geringer.

Langfristig wird der Abbau von Eisenerz und die Herstellung von Roheisen verringert werden und der Anteil an Recycling an der Stahlherstel- lung wird steigen. Zusätzlich steht der Austausch von Kohlenstoffträgern ge- gen weniger umweltschädliche Reduktionsmittel auf der Agenda der Eisener- zeuger.

Aus der WO 2017/000935 A1 ist ein Umbausystem für einen EAF-Ofen bekannt, um aus diesem einen BOF-Konverter zu machen. Diese Umbausysteme haben sich zwar bewährt, sind aber mit dem Nachteil behaf- tet, dass sie dann auf flüssige Einsatzstoffe beschränkt sind, da ein derartig umgebauter Ofen als Konverter betrieben wird und eine Umrüstung kosten- und zeitintensiv ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Schmelzaggregat zur Verfügung zu stellen, dass die flexible Verarbeitung unterschiedlichster Einsatzstoffe auch im festen und/oder flüssigen Aggregatzustand ermöglicht, und die Tap-to-Tap Zeiten unter Berücksichtigung unterschiedlicher Stahlqua- litäten unter Verwendung unterschiedlicher Einsatzstoffe bei zeitgleicher CO2 - Reduzierung, verringert.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, insbesondere dadurch, dass das Schmelzaggregat sowohl für die Fahrweise ohne Schmelzstrom (d.h. elektrischem Energieeintrag) als auch für die Fahrweise mit Schmelzstrom ausgelegt ist und durch den Wech- sel des Ofendeckels die Fahrweise des Schmelzaggregats änderbar ist, wobei der konische Ofendeckel für die Fahrweise ohne Schmelzstrom mindestens eine Öffnung aufweist, durch die mindestens eine Toplanze zur Einblasung eines Prozessgases in den Oberofen einführbar ist und der konische Ofende- ckel für die Fahrweise mit Schmelzstrom mindestens eine Öffnung autweist, durch die mindestens eine Graphit-Elektrode in den Oberofen einführbar ist und in dem zylindrischen Oberofen radial umlaufend eine Vielzahl von Seiten- wandinjektoren derart angeordnet sind, dass die Toplanze und die Seitenwan- dinjektoren in Arbeitsposition auf einen Schmelzspiegel einer sich im Herdteil zum Frischen befindlichen Schmelze ausrichtbar sind.

Das erfindungsgemäße Schmelzaggregat ermöglicht es den umweltschädlichen Prozess mit heißem Metall als Einsatzstoff für eine gewis- se Zeit zu unterbrechen, stufenweise auf Null zu reduzieren und schließlich die Flochofenstilllegung mit der gleichen Schmelzanlage zu ermöglichen. Flohe Anforderungen an die Stahlqualität und Stahlreinheit können durch die Ver- wendung von Schrott und festem Ausgangsmaterial anstelle von Roheisen gestellt werden. Im erfindungsgemäßen Schmelzaggregat werden bewährte Technologien des BOF-Konverters und des Elektrolichtbogenofens miteinan- der kombiniert, um die effizientesten und flexibelsten Einsatzmöglichkeiten un- terschiedlicher Energieformen zu nutzen. Gleichzeitig ermöglicht das erfin- dungsgemäße Schmelzaggregat eine flexible Materialvariation mit geringer Rüstzeit für die Ofenanlage. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsge- mäßen Schmelzaggregats können zur Unterdrückung von starken Schmelzen- Schlacken-Spritzern und damit zur Vermeidung von Verbärungen am Schmelzaggregat und insbesondere des Oberofens, die Toplanze und die Sei- tenwand Injektoren zeitgleich und mit aufeinander abgestimmten Volumen- strömen koordiniert betrieben werden.

Für die Fahrweise mit Schmelzstrom, bei der verschiedene Mi- schungen von metallischen Einsatzstoffen im Schmelzaggregat vorliegen, kann der Ofendeckel ausgetauscht werden, so dass mindestens eine Graphit- Elektrode in den Herdteil des Schmelzaggregats eingeführt werden kann.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schmelzaggregats können durch die Öffnungen des Ofendeckels des Schmelzaggregats für die Fahrweise mit Schmelzstrom mindestens eine Gra- phit-Elektrode und maximal drei Graphit-Elektroden eingeführt werden.

Des Weiteren ist es vorgesehen, dass bei einem optimalem Ein- satz von Seitenwandinjektoren und Toplanze durch die Seitenwand Injektoren zwischen 10% und 50% und durch die Toplanze 90 % bis 50 % des zum Fri schen notwendigen Gases gleichzeitig und aufeinander abgestimmt in die sich in dem Schmelzaggregat befindlichen Schmelze eingeblasen werden kann. Durch das optimale Mischungsverhältnis zwischen Toplanze und Seitenwan- dinjektoren können Schmelzen- und Schlackenspritzern derart reduziert wer- den, was wiederum einer Verbärung des Gefäßes vorgebeugt.

Hierbei lassen sich die metallischen Einsatzstoffe für die Erzeu- gung von Kohlenstoff - Stahl in dem erfindungsgemäßen Schmelzaggregat in die folgende Gruppen einteilen:

I. flüssiges Roheisen (auch als Pig Iran oder Hot Metal bezeichnet) festes Roheisen in Form von Roheisenmasseln oder granuliertem RE (GPI) Eisenschwamm (DRI (direct reduced iron)) kalt oder heiß chargiert

III. HBI (hot bricketted iron), CBI (cold bricketted iron)

IV. Schrotte hochaufbereitet (Schredder, Doppelhäcksel, Pakete)

V. Schrotte mit geringem Aufbereitungsgrad (HMS 1 , HMS 2) kontaminierte

VI. Schrotte (Schrott aus Müllverbrennungsanlagen, Späne)

VII. Sondermaterialien, die im Stahlherstellungsprozess als Eisenträger oder Kühlmittel Verwendung finden (Synthicon, Eisenkarbid)

Die Gruppen I - IV repräsentieren sogenannte jungfräuliche Ein- satzstoffe, die keine unerwünschten Stahlbegleiter (z.B. Cu, Cr und Ni) enthal- ten. Für eine Reihe von Stählen ist es notwendig, einen gewissen Anteil dieser jungfräulichen Einsatzstoffe einzusetzen, um die Qualität des Endproduktes zu sichern. Die Herstellung dieser Einsatzstoffe ist sehr energieaufwendig und belastet die Umwelt damit stark.

Die Gruppen V - VII repräsentieren Kohlenstoff - Stahlschrotte unterschiedlicher Qualität und unterschiedlichen Aufbereitungsgrades. Schrot- te sind Recyclingmaterialien. Höherer Aufbereitungsgrad und geringere che- mische Verunreinigungen führen zu höheren Preisen für diese Schrotte.

Die Gruppe VIII repräsentiert alle Sondermaterialien, die als Ein- satzstoffe für die Stahlherstellung genutzt werden.

In Abhängigkeit vom Herstellungs- oder Aufbereitungsverfahren unterscheiden sich die Preise für die metallischen Einsatzstoffe erheblich.

Bei den Einsatzstoffen der Gruppen I und II sind die Preise für Eisenerz (-pellets) und Koks maßgeblich für die Kosten der Roheisenherstel- lung. Der Markt für Eisenerz wird von wenigen Produzenten beherrscht. Hüt- tenwerke, die nicht über eigene Minen verfügen, sind den Preisdiktaten des Marktes ausgeliefert.

Bei den Einsatzstoffen der Gruppen III und IV sind die Anforde- rungen an die Qualität des Eisenerzes (meist Erzpellets) noch höher als für den Hochofenprozess. Die Verfügbarkeit solcher Pellets ist begrenzt. Das wirkt sich auf den Preis der Pellets aus. Für die trockene Reduktion des Erzes wird ein Reduktionsgas genutzt. Die Verfügbarkeit entscheidet letztendlich über den lokalen Preis. DRI enthält 5 - 10 % Gangart, einen Anteil FeO und liegt im Kohlenstoffgehalt (Energie!) niedriger als Roheisen. Für das Er- schmelzen dieser Einsatzstoffe benötigt man mehr Energie als für das Schmelzen von Roheisen. Die hier aufgeführten Einsatzstoffe sind im Ver- gleich zur Gruppe I und II weniger teuer.

Mit dem erfindungsgemäßen Schmelzaggregat sind alle Einsatz- stoffe flexibel einsetzbar, da es ähnlich wie ein BOF betrieben werden kann. Dabei kann der Anteil an Schrott (Kühlschrott) oder eines anderen Kühlmittels auf etwa 15 % abgesenkt werden. Sauerstoff wird mittels Seitenwandlanzen und einer Toplanze eingebracht. Die Problematik der Verbärung des Ofenge- fäßes bei Nutzung normaler EAF’s im alleinigen Injektorbetrieb, d. h. ohne elektrischen Energieeintrag, wird beim erfindungsgemäßen Schmelzaggregat durch eine veränderte Ofengeometrie und die Kombination von Seitenwandin- jektoren und Toplanze vermieden.

Stehen während des Betriebes des Schmelzaggregats zeitweise oder dauerhaft keine ausreichend großen Mengen an Flüssigroheisen zur Ver- fügung oder wird die Produktion von Flüssigroheisen eingestellt, kann das Schmelzaggregat wie ein normaler EAF betrieben werden. Der Umbau auf EAF - Fahrweise ist unkompliziert und kann zwischen zwei Kampagnen erfol- gen. In der Konsequenz daraus kann das Schmelzaggregat für die Fahrweise ohne Schmelzstrom, d. h. ohne elektrischen Energieeintrag, und die Fahrweise mit Schmelzstrom anders ausgelegt werden.

Bei einem Betrieb des erfindungsgemäßen Schmelzaggregats ohne Einsatz von Schmelzstrom ist der Ablauf wie folgt:

a. Abstich Verfällen. Ofen kontrollieren. b. Ofen gerade stellen, Deckel öffnen, Portalverriegelung ausfahren, Por- tal ausschwenken, Schrott chargieren, Portal einschwenken, Portal ver- riegeln, Deckel absenken, Kippbühne verriegeln (als Sequenz) c. Chargieren von Flüssigroheisen starten d. Sauerstoff - Toplanze einschwenken, absenken und zünden e. Seitenwandinjektoren nacheinander zuschalten f. wenn das gesamte Roheisen chargiert ist, Charge fertig blasen g. Temperaturkontrolle h. Toplanze anheben, Ofen entriegeln i. Abstich

Wird das erfindungsgemäße Schmelzaggregat nur anteilig mit flüssigem Roheisen gefahren, ist der Ablauf wie folgt: a. Abstich verfüllen. Ofen kontrollieren. b. Ofen gerade stellen, Deckel öffnen, Portalverriegelung ausfahren, Por- tal ausschwenken, Schrott/ Eisenträger chargieren, Portal einschwen- ken, Portal verriegeln, Deckel absenken, Kippbühne verriegeln. Elekt roden - Tragwerk einschwenken, absenken und zünden (als Sequenz) c. Seitenwandinjektoren als Brenner zuschalten d. Chargieren von Flüssigroheisen starten e. Injektoren Umschalten von Brenner auf Lanzenbetrieb f. wenn das gesamte Roheisen chargiert ist, Charge fertig machen g. Temperaturkontrolle h. Elektroden anheben, Ofen entriegeln i. Abstich

Wird kein flüssiges Roheisen chargiert, entfallen d. und f. Bei Zweikorbchargen werden die Punkte b., c. und f. wiederholt.

Hiermit wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Schmelzag- gregat universell einsetzbar ist. Wenn es ohne Schmelzstrom zur Erzeugung von Stahl genutzt wird, vereint es viele Vorteile des BOF mit denen eines EAF. Obwohl die Blasrate geringer ist als beim BOF, kann eine sehr hohe Produkti- vität erreicht werden, da die Nutzungsnebenzeiten bei dem erfindungsgemä- ßen Schmelzaggregat geringer sind als beim BOF.

Zusätzlich kann bei Einsatz von Flüssigroheisen mit hohem P - Gehalt eine sehr gute Entphosphorung erreicht werden. Die phosphorhaltige Schlacke kann - anders als beim BOF - kontinuierlich ablaufen. Durch den gleichzeitigen Betrieb von Toplanze und Seitenwan- dinjektoren (balanced blowing) kommt es zu einer Unterdrückung von starkem Spritzen und damit zur Vermeidung von Verbärungen des Gefäßes. Dies wird durch das Design des Deckelbereiches unterstützt, so dass auch eine Verbä- rung des Krümmerbereiches vermieden wird. Durch die Seitenwandinjektoren sollen zwischen 10 % und 50 % und durch die Toplanze 90 % bis 50 % des zum Frischen notwendigen Gases (Sauerstoff oder geeignete Substituenten) in die sich in dem Schmelzaggregat befindliche Schmelze eingeblasen wer- den.

Wird das erfindungsgemäße Schmelzaggregat mit Schmelzstrom betrieben (also mit verschiedenen Mischungen von metallischen Einsatzstof- fen), wird das Gefäß mit einem Deckel gewechselt und der Ofen kann jetzt mit Elektroden betrieben werden. Der Ofen hat durch die Seitenwandinjektoren weiterhin eine hohe Effektivität.

Steht kein Roheisen mehr zur Verfügung, wird durch entspre- chenden Einsatz von elektrischer Energie eine hohe Produktivität gesichert. Für die Erzeugung von hochqualitativen Stählen muss dann - anders als beim BOF - nur noch der Anteil an jungfräulichem Einsatzmaterial gesetzt werden, der notwendig ist. Damit kann der Einsatz dieser Eisenträger, bei deren Fler- stellung die Umwelt erheblich belastet wird, verringert werden.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer bei spielhaften Ausführungsform näher erläutert. Sie zeigen:

Fig. 1 Die schematische Darstellung des er- findungsgemäßen Schmelzaggregats

in teilweise geschnitten, aus der die

hybride Bauweise mit BOF- und EAF- Komponenten ersichtlich ist; Fig. 2 die Darstellung gemäß Fig. 1 , mit dem

Unterschied, das über wenigstens ei- nen Elektrodentragarm anstelle von

Graphit-Elektroden eine Toplanze in

das Schmelzaggregat eingeführt ist.

Wie in der Fig. 1 und der Fig. 2 dargestellt, besteht das vorlie- gende Schmelzaggregat 11 aus einem Untergefäß 5 (Herdteil) und einem Obergefäß 3, die miteinander formschlüssig verbunden sind. Das Untergefäß 5 ist mit Feuerfestmaterial ausgekleidet und dient der Aufnahme einer Schmelze. Dem Obergefäß 3 ist eine Wasserkühlung 3a zugeordnet. Das Obergefäß 3 kann mit einem Flut / Deckel 2 abgedeckt werden. Dem Flut / De- ckel 2 ist mindestens eine Öffnung 12 zugeordnet, durch die entweder Schmelzelektroden, insbesondere Graphitelektroden 10 (in dieser Ausfüh- rungsform sind es drei Graphitelektroden) oder mindestens eine Toplanze 1 in das Schmelzaggregat 11 eingeführt werden können. Der Flut / Deckel 2 ist, ebenso wie das Obergefäß 3, wassergekühlt.

Die Graphitelektroden 10 und die Toplanze 1 werden dabei über Elektrodentragsäulen 7 und mit diesen verbundenen Elektrodenarmen 6 ge- steuert, um diese bedarfsgerecht in das und aus dem Schmelzaggregat 11 verfahren zu können.

Der Oberofen 3 weist eine im Wesentlichen runde / zylindrische Seitenwand 3a auf. Der Seitenwand 3a sind - radial außen umlaufend - Öff- nungen zugeordnet. Durch die Öffnungen in der Seitenwand 3a, können Sei- tenwand Injektoren 4 eingeführt werden, die sodann auf eine im Unterofen 5 zu behandelnden Schmelze 14 ausgerichtet werden können. Die Toplanze 1 und die Seitenwandinjektoren 4 sind dabei in Arbeitsposition auf einen Schmelz- spiegel 13 der sich im Untergefäß / Flerdteil 5 zum Frischen befindlichen Schmelze 14 ausgerichtet. Wie in der Fig. 2 dargestellt, kann die Toplanze 1 über eine Ven- tilstation (Oxygen Valve Station) 8 mit Sauerstoff versorgt werden. Dabei wird die Toplanze 1 von der Oxygen Valve Station 8 gesteuert und gemäß entspre- chender Vorgaben gefahren.

Für den Schmelzbetrieb nach der Art eines EAF werden die Gra- phitelektroden 10 mittels eines Transformators 9 mit entsprechender elektri- scher Energie versorgt, wie dies in Figur 1 dargestellt ist.

Es ist vorgesehen, dass die Seitenwandinjektoren 4 (Seitenlan- zen) und die Toplanzen 1 (mehr als eine Toplanze kann vorgesehen werden) gemeinsam gefahren werden bzw. ein Gas (in der Regel Sauerstoff) zeitgleich eingeblasen werden kann. In dieser Konfiguration sollen immer Seitenwandin- jektoren 4 im Obergefäß 3 (bzw. in der zylindrischen Seitenwand 3a) und eine oder mehrere Toplanzen 1 zusammen gefahren werden. Diese Fahrweise soll in einem optimierten Mischungsverhältnis zwischen 10 % und 50 % über die Seiteninjektoren und 90 % bis 50 % über die Toplanze 1 (bzw. Toplanzen) er- folgen. Durch diese Fahrweise kann in einem kleinen Schmelzaggregat 11 wesentlich mehr Gas (Sauerstoff) pro Zeiteinheit in die Schmelze 14 eingebla- sen werden, ohne das es zu erheblich mehr Spritzern kommen würde.

Bezugszeichen

Toplanze (Sauerstoff)

wassergekühlter Ofendeckel / Hut (Haube) wassergekühltes Obergefäß / Oberofena Seitenwand Obergefäß

Seitenwandinjektoren

Unterofen mit Feuerfestauskleidung (Herdteil)

Elektrodenarm

Elektrodentragsäulen

Ventilstation (Oxygen Valve Station)

Transformator

0 Schmelzelektroden / Graphitelektroden 1 Schmelzaggregat

2 Deckelöffnung(en)

3 Schmelzspiegel

4 Schmelze