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Verfahren und Hochofen zur Gewinnung von Eisen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Eisen im Hochofen, wobei die Zuführung der Erze, gegebenenfalls mit den Zuschlägen, und des Brennstoffes in getrennten Schächten erfolgt. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass das aus dem oberen Teil des Brennstoffschachtes ent-
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die Temperatur der aus dem Schmelzraum ansteigenden heissen Gase entsprechend herabgemindert wird, und dass in den unteren, höchst erhitzten Teil des Brennstoffschachtes Wasserdampf eingeführt wird.
Auf diese Weise erfolgt die Reduktion des Erzes ohne Gegenwart von festen Brennstoffen durch ein stickstoffarmes und, infolge der Anwesenheit von viel Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen, stark reduzierendes Gas.
Der Brennstoff für sich wird getrennt einer fraktionierten Destillation unterworfen und dann erst verkokt, worauf die völlig zu Eisenschwamm reduzierten Eisenkörner und der Koks erst in diesem Zustande in der Ofenrast zusammengeführt werden, wo das Niederschmelzen des Eisens unter gleichzeitiger Kohlung erfolgt. Gegebenenfalls wird mit dem Wasserdampf ein Teil der aus dem Reduktionsschacht oben abziehenden Gase in den Brennstoffschacht eingeführt.
Ein zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens geeigneter Hochofen ist in den Fig. 1-4 der Zeichnung dargestellt ; Fig. 5 zeigt ein Temperaturschema in den verschiedenen Höhenlagen des Ofens.
In einem grösseren Schacht a ist in der Mittelachse des Hochofen der Schacht b angeordnet, so dass ersterer einen ringförmigen Querschnitt besitzt. In den Schacht b wird der Brennstoff und in den
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aufgegeben und mit Hilfe von mit Verschlüssen versehenen Rohren f und g zum Brennstoff-bzw. Erzschacht geführt. Übrigens kann der Hochofen statt eines zentralen Verkokung-und eines ringförmig darum angeordneten Reduktionsraumes auch je einen oder mehrere voneinander unabhängige Ver- kokungs-und Reduktionsräume erhalten. Der Erzrauni III kann ferner ganz oder zum Teil mit mechanisch . arbeitenden Transporteinrichtungen ausgestattet sein, z.
B. mit drehbaren Schaufeln h, wodurch der Erzstrom mechanisch von einer Etage nach der nächsttieferen im Gegenstrom zu den in Wellenlinien aufsteigenden Gasen geschaufelt wird.
Im Schacht IV rückt der Brennstoff allmählich abwärts. Hiebei wird er in einer noch näher zu beschreibenden Weise durch die Wärme der aufsteigenden Gase einer fraktionierten Destillation unterzogen und verkokt. Das Erz mit seinen Zuschlägen, in angemessen zerkleinertem Zustande aufgegeben, wird in dem Reduktionsraum 111 allmählich abwärts bewegt, wobei es, je nach der Art des Erzes, ganz oder grösstenteils reduziert wird. Um die niedergehenden Erze möglichst lange in der Reduktionszone zurückzuhalten und mit den aufsteigenden Gasen in eine ständige und möglichst innige Berührung zu bringen, ist der Reduktionsraum mit einander übergreifenden, mit Öffnungen i versehenen Schaufeln h (Fig. 3) ausgestattet, wodurch die Gase gezwungen werden, sich zwangsläufig im Gegenstrom zu dem niederrüekenden Erz zu bewegen.
Hiebei erfolgen, wie unten näher erläutert, die sogenannte Trocken- reduktion der Erze und die Austreibung unerwünschter Verunreinigungen.
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in den Ofenraum Il-und wird erst hier mit dem aus dem Brennstoffschacht IV niedersinkenden verkokten Brennstoff zusammengeführt. Hier finden alsdann, soweit noch erforderlich, die Endreduktion der Erze und das Niederschmelzen von Eisen und Schlacke, sowie die Kohlung des Eisens statt. Im Gestell sind in üblicher Weise Schlackenloch m, Abstichloch n und Windformen o angebracht.
Nachdem das Erz in dem Reduktionsraum III bei einer Temperatur unter 1000 C ganz oder grösstenteils in ungeschmolzenem Zustand reduziert worden ist, gelangt es, immer noch fein verteilt, auf und zwischen den im Raum II befindlichen Koks, wo es vollkommen zu Metall reduziert, gekohlt und eingeschmolzen wird ; Gangart und Zuschläge reagieren erst bei höheren Temperaturen aufeinander.
Mithin finden die Reduktion der Metalloxyde einerseits und die Reduktion der Verunreinigungen anderseits getrennt und bei verschiedenen Aggregatzuständen statt, nämlich erstere im festen, letztere im geschmolzenen Zustande, wobei noch besonders zu beachten ist, dass die hauptsächlichsten Verunreinigungen, wie Schwefel, Arsen usw., bereits vor dem Schmelzen im Raume 11, wie noch beschrieben werden soll, entfernt worden sind.
In den unteren, oberhalb 1100 C erhitzten Teil des Brennstoffsehaehtes IV wird mit Hilfe von radial verteilten Leitungen p Dampf eingeblasen. Der Dampf steigt mit den aus dem Gestell II aufsteigenden Kohlenoxydgasen innerhalb des Schachtes IV aufwärts und erzeugt beim Zusammentreffen mit glühendem Brennstoff Wassergas. Statt oder gleichzeitig mit dem Dampf kann, wenn die Verhältnisse es erfordern, auch ein Teil der aus dem Erzschacht III oben durch die Öffnungen q abziehenden, Kohlensäure enthaltenden Endgase unten in den Brennstoffschacht IV eingeführt werden, um die darin enthaltene Kohlensäure zu reduzieren und damit das Endgas zu regenerieren, was wärmeabsorbierend und Kohlenstoff anreichernd wirkt.
Das aus dem Schacht IV durch die Öffnungen l'oben abziehende Mischgas wird, nachdem es von seinen wertvollen Nebenprodukten befreit und abgekühlt worden ist, in den unteren Teil des Raumes 111 mit Hilfe der Leitungen s eingeführt. Die aus dem Gestell kommenden Gase, von denen ein Teil zur Reduktion des Erzes herangezogen werden muss, besitzen eine Temperatur von 1400 -1500 C, die für die Erze zu hoch wäre, da sie notwendigerweise zur Schmelzung der Schlacke und Sinterung der Erze führen würde. Es ist daher notwendig, die Temperatur herabzusetzen ; zu diesem Zweck zieht man bei dem vorliegenden Verfahren das gekühlte, von Nebenprodukten befreite Mischgas aus dem Verkokungsraum mittels der Kanäle t heran.
Man gewinnt hiebei ausserdem den erheblichen Vorteil, dass man nunmehr im Reduktionsraum ein an Wasserstoff reiches und mit Kohlenwasserstoffen übersättigtes Gas zur Verfügung hat. Der Wasserstoff geht mit Schwefel, Arsen usw. Verbindungen ein, die mit dem Gasstrom abgeführt werden. Ausserdem leistet der Wasserstoff erhebliche und wertvolle Dienste bei der Reduktion, wodurch sich der Prozess von dem gebräuchlichen Hochofenprozess wesentlich unterscheidet ; denn Wasserstoff ist das wirksamste der bekannten Reduktionsmittel für technische Zwecke.
Der günstige Verlauf des Reduktionsvorganges beim vorliegenden Verfahren kann in nachstehender Weise erklärt werden :
Das aus den aus dem Gestell, aufsteigenden heissen Kohlenoxydgasen und dem aus der Nebenproduktengewinnungsanlage kommenden kühlen Endgas erhaltene praktisch kohlensäurefreie, wasserstoffreiche und kohlenwasserstoffübersättigte Gas trifft mit einer Temperatur von 9500 C auf die schon reduzierten Erze.
Das Wasserstoffgas, welches, wie bekannt, schon bei niedriger Temperatur reduzierend wirkt, hat schon in den oberen Zonen des Reduktionsraul11es metallisches Eisen gebildet ; dieses wirkt beim Zusammentreffen mit dem kohlenoxydreichen und Kohlenwasserstoff enthaltenden Gas als Katalysator, u. zw. in hohem Masse dank seiner sich ständig vergrössernden und verändernden Oberfläche. Auf dem metallischen Eisen scheidet sich amorpher Kohlenstoff aus, welcher, da er bei niedriger Temperatur
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Eisenkarbid (FeC) ist ein noch aktiveres Reduktionsmittel und wirkt, gegebenenfalls neben dem vorhandenen a-Kohlenstoff, auf die unter der metallischen Oberfläche etwa noch vorhandenen Eisensauerstoffverbindungen stark reduzierend ein. Dadurch wird CO2 bzw.
CO gebildet, unter Zerfall des Eisenkarbids in metallisches Eisen, das nun aufs Neue als Katalysator wirkt und wieder aktiven Kohlenstoff aufnimmt. So geht der Kreislauf weiter bis zur vollkommenen Reduktion der Erzkörner. In dem Masse, wie das Erz in höhere Temperaturzonen vorrückt, bildet sich bei Temperaturen über 600 C der weniger aktive ss-Kohlenstoff, der das Eisen vorkohlt und gegen späteres Zusammenschmelzen mit der Schlacke schützt.
Das vorliegende Hochofenverfahren zerfällt in vier gesonderte Phasen, entsprechend den vier Zonen I-IV des Hochofen.
I. Der Herd. Im Herd soll die Schmelze von Eisen und Schlacke auf etwa 1500" C gebracht und bis zum Abstich erhalten werden. Oberhalb dieses Bades besteht die oxydierende Zone des heissen Windes, der aber nicht nennenswert oxydierend wirken kann wegen der grossen Geschwindigkeit des niedertropfenden Metalls.
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II. Das Gestell. In diesem sollen erfolgen : a) eine etwa notwendige Endreduktion des Erzes mit festem Kohlenstoff bei Temperaturen ober- halb 1000 C ; b) das Schmelzen des Metalls und der Schlacke ; e) die Kohlung des flüssigen Eisens bei 1200 -1500 C : d) die Bildung des Kohlenoxydgases.
III. Der Reduktionsraum. In diesem sollen erfolgen : a) die trockene Reduktion des Erzes mit Hilfe des beschriebenen Gasgemisches bei einer Temperatur bis max. 9500 C ; b) das Überführen der Verunreinigungen des Erzes in flüchtige Wasserstoffverbindungen, insbesondere des Schwefels und des Arsens ; c) ausserdem hat der Reduktionsraum, sofern er in ringförmiger Gestalt angeordnet ist, den Zweck, die Wärmeverluste des Verkokungsraumes durch Strahlung zu verhüten.
IV. Der Verkokungsraum. In diesem sollen erfolgen : a) die fraktionierte Destillation des Brennstoffes bei Temperaturen, die von Aussentemperatur bis 13000 C allmählich ansteigen ; b) im unteren Teil des Schachtes in der Temperaturzone von 1100-1300 C die Erzeugung von Wassergas und die Ermässigung der Temperatur auf die für eine günstige Verkokung angemessene Grenze ; e) falls die Verhältnisse es gestatten, die Regeneration eines Teiles des aus dem Erzschacht abziehenden, unten in den Brennstoffschacht eingeführten Endgases oder fremder Endgase, entweder allein oder zusammen mit der Erzeugung von Wassergas, bei Temperaturen von 1300-1100 C.
Hiebei ist zu bemerken, dass der Destillationsprozess der Kohle endothermiseh ist bis die Kohle 6000 C erreicht hat ; von da ab verläuft er in der unteren Zone stark exotherl11isch.'
PATENT-ANSPRÜCHE :
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gekennzeichnet, dass das aus dem oberen Teil des Brennstoffschachtes entströmende, erforderlichenfalls gekühlte Gas dem unteren Teil des Erzschachtes zugeführt und in den unteren, höchst erhitzten Teil des Brennstoffschachtes Wasserdampf eingeführt wird.