Granulierung von Flüssigeisen: Kosteneffiziente Lösung für Überschuss-Roheisen

Granulierung von Flüssigeisen

Die Granulierung von Flüssigeisen ist eine Methode zur Bewältigung der Überschussproduktion von Roheisen in einem Hochofen (BF), das nicht vom Stahlwerk in der Schmelzwerkstatt eines integrierten Eisen- und Stahlwerks verbraucht werden kann. Es ist eine kosteneffiziente Methode zur Herstellung eines festen Produkts, das als granuliertes Eisen (GI) bekannt ist. GI besitzt gute chemische und physikalische Eigenschaften wie Roheisen und kann als primäres Rohmaterial für die Stahlerzeugung verwendet werden.

Eigenschaften und Vorteile

GI hat eine chemische Zusammensetzung, die identisch mit dem granulierten Flüssigeisen ist. Es gibt keine Oxidation oder Schlackeneinschlüsse im GI, und der Metallgehalt ist hoch. Abbildung 1 zeigt einige Stücke von GI.

Abb. 1 Granuliertes Eisen

Eine GI-Anlage gleicht jede Diskrepanz zwischen der Produktion in den Eisenherstellungsanlagen und dem Bedarf an Flüssigeisen in den Stahlherstellungsanlagen aus. Sie ist logistisch zwischen den beiden Anlagen positioniert. Überschüssiges Flüssigeisen aus dem Hochofen wird zur GI-Anlage umgeleitet, um GI herzustellen. Dies vermeidet eine Reduzierung der Heißblasmenge am Hochofen, während GI produziert wird, das als internes Kühlmittel im Konverter (BOF) oder für den externen Verkauf an Kupolöfen, Induktionsöfen (IF) und Lichtbogenöfen (EAF) verwendet werden kann.

GI-Anlagen können mit Kapazitäten gebaut und betrieben werden, die den Hochofenausstoß entsprechen. Sie sind eine Alternative zu Roheisengießmaschinen (Pig Casting Machines, PCM), jedoch mit erheblich höheren Kapazitäten. Die Kapazitäten selbst von zweisträngigen PCMs sind durch die Erstarrungszeit des Flüssigeisens in den Roheisenformen begrenzt. PCMs erfordern zudem aufgrund ihrer komplexen Bauweise häufige mechanische Wartung. GI hat identische Eigenschaften wie Roheisen, bietet jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass es in Binsystemen gehandhabt werden kann.

Die vier Grundschritte der Granulierung

• Kontrolle des Flüssigeisenflusses zum Granulator
• Granulierung durch Bildung von Flüssiseisentropfen und deren rasches Abschrecken in Wasser
• Ausstoß des erstarrten und abgekühlten GI, meist durch Luft-Wasser-Ejektor
• Entwässerung des GI und Transport zum Lagerort

Ausrüstung und Prozess der Granulierung

Die Ausrüstung kann für die Granulierung großer Chargen Flüssigeisen und mit der Produktionsrate eines Hochofens ausgelegt werden. Das Prinzip basiert auf dem Wärmeübergang zwischen dem Flüssigeisen und dem Kühlwasser. Die beim Abkühlen und Erstarren des Flüssigeisens freigesetzte Wärme wird an das Kühlwasser übertragen, das die Wärme aus dem Prozess abführt.

Die für die Eisengranulierung verwendeten Geräte sind Standardausrüstungen.

Für die Handhabung von Flüssigpfannen in der Granulierungsanlage wird ein zweisträngiger Pfannendrehtisch verwendet, ähnlich dem Drehtisch in einer Stranggussmaschine. Der Drehtisch in Kombination mit einer Verteilerpfanne gewährleistet einen reibungslosen Ablauf in der Granulierungsanlage ohne Unterbrechung zwischen den Flüssigpfannen.

Für die Granulierung von Eisen verwendete Verteilerpfannen sind Standard-Stranggussverteilerpfannen mit geringfügigen Modifikationen. Sie sind entweder mit Stopfenstangen- oder Schiebersystemen ausgestattet. Dies ermöglicht ein schnelles Stoppen der Granulierung im Problemfall. Standardsysteme können zur Steuerung der Granulierungsrate verwendet werden. Die Verteilerpfanne und die Düse werden normalerweise 20 bis 30 Minuten vor Beginn der Granulierung vorgeheizt.

Der Flüssigeisengranulator ist das Herzstück des Prozesses. Er besteht aus einem Wassertank mit einem Flüssigeisenverteiler. Die Hauptfunktion des Flüssigeisenverteilers besteht darin, den Flüssigeisenstrom in kleinere Partikel aufzuspalten und ihn gleichmäßig über die Wasseroberfläche zu verteilen. Die Aufspaltung des Flüssigeisenstroms sorgt nicht nur für eine größere Oberfläche für schnelleres Abkühlen, sondern verteilt das Flüssigeisen auch über eine größere Fläche im Granulator. Dies hilft auch, Wärmekonzentration in kleinerem Wasservolumen zu vermeiden und ermöglicht so einen hohen Flüssigeisendurchsatz. Der Flüssigeisenverteiler ist ein kritisches Gerät, da er thermischen Schocks und langfristiger Beanspruchung durch den Flüssigeisenstrom standhalten muss.

Die äußere Oberfläche der Flüssiseisentropfen erstarrt während ihres Bewegungswegs vom Verteiler zur Wasseroberfläche und bevor sie die Wasseroberfläche durchdringen. Der verbleibende innere Teil des halbflüssigen Tropfens, nun ein Granulat, wird abgeschreckt, wenn er die Wasseroberfläche trifft und seine Bewegung im Wasservolumen beginnt. Beim Aufprall der Granulate in das Wasser verformen sie sich leicht, werden aber am Zerbrechen gehindert, was die Feinstaubbildung vermeidet.

Während der Bewegung der Eisengranulate durch das Wasser im Granuliertank wird die Wärme des Eisens an das Kühlwasser übertragen. Das Kühlwasser ermöglicht es den Granulaten, eine Temperatur unter 100 °C zu erreichen.

Bei einer Granulierungsrate von 100 t/h beträgt die vom Flüssigeisen auf das Kühlwasser übertragene Wärmelast etwa 8 Mcal/s. Das Wassersystem ist darauf ausgelegt, diese Wärmelast zu bewältigen. Im Wassersystem wird die Wärme so an das Wasser verteilt, dass die Wärmedichte (Wärme/Volumeneinheit) unter der kritischen Konzentration für Dampfexplosionen bleibt.

Der Granuliertank hält genug Wasservolumen bereit, um die durch Aufspaltung des Flüssigeisenstroms gebildeten Tropfen und den Aufprallimpuls des Flüssigeisenstroms auf die Wasseroberfläche aufzunehmen.

Das Design und die Konstruktion des Wassertanks erleichtern die Konzentration und den Ausstoß der abgekühlten GI-Stücke aus dem Tank. Luft-Wasser-Ejektorsysteme werden normalerweise für den Ausstoß des abgekühlten granulierten Eisens eingesetzt.

Der ausgeschiedene erstarrte GI wird entwässert und über ein Förderband zum Lagerbereich befördert, wo er als Halde für den Versand gelagert wird.

Das Wasserkühl- und -handhabungssystem ist sorgfältig ausbalanciert, um sicherzustellen, dass die große Wärmemenge, die durch das Flüssigeisen zugeführt wird, vom Kühlwasser abgeführt wird. Das Wassersystem ist normalerweise ein geschlossenes Prozesswasserkreislaufsystem. Der Kühlwasserfluss im Granuliertank erfolgt gegenstrom zur Bewegung des Flüssigeisens. Während seines Flusses im Granuliertank nimmt das Wasser die Wärme des Flüssigeisens auf und erwärmt sich. Das erwärmte Wasser aus dem Granuliertank wird abgeleitet und an das Wasseraufbereitungssystem zurückgeführt. Das zurückkehrende heiße Prozesswasser wird entweder in einem Kühlturm oder durch Wärmetauscher gekühlt.

Flüssigeisen-Granulierungsanlagen sind in der Regel vollautomatisiert, was den Bedarf an Personal für den gesamten Betrieb gering hält. Die Durchlaufzeit für die Granulierung von Eisen beträgt üblicherweise 30 bis 40 Sekunden und der Prozesserlös liegt über 99 %. Dies ist eine gute Verbesserung im Vergleich zu den geringeren Erträgen bei PCMs.

Wichtige Merkmale des Granulierungsprozesses

• Kurze Anlaufzeit für kurzfristige Entscheidungen zur Umleitung von Flüssigeisen aus den Stahlherstellungsanlagen
• Schnelle Verarbeitungszeit von Flüssigeisen zu abgekühltem GI
• Keine Änderung der chemischen Analyse des Eisens durch das rasche Abschrecken
• Mehr als 99 % Prozesserlös
• Robuster Prozess mit hoher Verfügbarkeit und begrenztem Wartungsaufwand durch Standardausrüstungen
• Einfache Bedienung
• Hohe Produktionskapazität passend zum Hochofenausstoß
• Herstellung eines primären Eisenprodukts, das keine zusätzliche Verarbeitung benötigt
• Geringe Umweltauswirkungen
• Flexibles Layout, anpassbar an vorhandenen Platz
• Niedrige Betriebskosten
• Angemessene Investitionskosten

Granuliertes Eisenprodukt

GI weist konsistente physikalische und chemische Eigenschaften auf. Es verbindet den hohen Metallgehalt von Premium-Schrott mit den niedrigen Begleitelementgehalten von Primäreisenquellen. Aus praktischer Sicht sind die hohe Schüttdichte und die physikalische Form für effizientes Materialhandling geeignet.

Die chemische Zusammensetzung von GI entspricht der des Flüssigeisens. Typische Analyse: 4 % bis 4,5 % Kohlenstoff, 0,5 % bis 0,6 % Silicium und ca. 95 % bis 95,5 % Eisen. Begleitelemente (Kupfer, Nickel, Molybdän und Zinn) betragen maximal 0,05 %.

GI hat eine kompakte, kleine Form eines abgeplatteten Kugels, was zu einer hohen Schüttdichte von ca. 4 t/m³ führt. Die Korngröße von GI liegt im Bereich von 8 mm bis 25 mm. GI hat einen hohen Schüttwinkel, der effektiven Transport und Lagerung ermöglicht.

Einige Eigenschaften von GI:

• Homogene Zusammensetzung
• Praktisch kein Oxidgehalt
• Hoher metallischer Ertrag bei der Stahlerzeugung
• Sehr gute Vorwärmeigenschaften und schnelles Schmelzen/Auflösen beim Zusatz zu metallurgischen Prozessen
• Enthält Eisenkarbid in der Matrix, vorteilhaft für Schrottersatz im EAF-Betrieb
• Hohe Schüttdichte
• Inert während Versand und Lagerung
• Größe und Form erleichtern Handling mit Förderband, Magnet, Frontlader, Binsystemen und Schrottkörben
• Hohe physikalische Festigkeit und Form vermeiden Bruch bei der Handhabung und reduzieren Staubbildung
• Kein pyrophores Verhalten, daher transportier- und handhabbar ohne Verbrennungsbedenken. Inert während Versand und Lagerung

Die Einfachheit des Prozesses zur Erstarrung und Abkühlung von Flüssigeisen in Kombination mit einer hohen Kapazität, die einem Standard-Hochofendurchsatz entspricht, macht den Granulierungsprozess für die Installation in integrierten Eisen- und Stahlwerken geeignet.