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Verfahren zur Herstellung von Eisen sowie dessen Verwendung zur Herstellung von Briketts
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Eisen durch Reduktion von Eisenerz mit einem ein kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel enthaltenden Material unter solchen Bedingungen, dass das durch das Reduktionsverfahren erhaltene Eisen im wesentlichen ungeschmolzen, jedoch in hocherhitztem Zustand vorliegt. Ein derartiges Verfahren wird manchmal als Direktreduktionsverfahren bezeichnet. Man erhält aus der Reduktionszone ein festes Produkt, das nach dem erforderlichen Vermahlen und weiterer Konzentrierung ein fein zerteiltes Material ergibt, das-zumindest in hohem Masse - aus metallischem Eisen besteht.
Für viele Zwecke ist es wesentlich, dass das Eisenendprodukt oder-konzentrat zur leichteren Handhabung und für die nachfolgende Bearbeitung oder Verwendung brikettiert wird, beispielsweise zur Beschickung von Siemens-Martin-Öfen, elektrischen, Schacht-, Hoch- oder andern Öfen, von denen geschmolzenes Eisen oder Stahl abgezogen werden soll.
Obgleich unter manchen Bedingungen das aus dem Ofen erhaltene reduzierte Eisenprodukt ein Material ergibt, das leicht brikettiert werden kann, so ist doch in vielen Fällen, insbesondere, wenn durch die Reduktion mehr als 901o des Eisenanteiles des Erzes metallisiert werden, eine Pressung der Eisenteilchen zu Briketts, die das erforderliche Mass an Festigkeit und Zusammenhalt besitzen, nicht möglich.
Die erfindungsgemässen Verbesserungen bei der Herstellung von Eisen durch ein derartiges Direktreduktionsverfahren sollen die Schwierigkeiten bei der Brikettierung vermeiden. Durch das erfindungsgemässe Vertanren soll ein reduziertes Eisenmaterial hergestellt werden, das auch bei hoher Metallisierung unter Druck leicht zu guten Briketts verfestigt werden kann.
Bei den bisher bekannten Direktreduktionsverfahren wird das heisse Ofenprodukt abgeschreckt, d. h. es wird unmittelbar und bevor es der Luft ausgesetzt wird, in Wasser eingebracht, wodurch es praktisch sofort von sehr hoher Temperatur, oft von 1050 bis 1150 C, auf niedrige Temperaturen, üblicherweise weit unterhalb 950C, abgekühlt wird. Danach kann das Produkt an der Luft gehandhabt werden ; die Ge*- fahr, dass sich das metallische Eisen an der Luft erhärtet und oxydiert, ist nur sehr gering. Die Abschreckung bewirkt aber in manchen Fällen, dass das nach weiterer Aufbereitung des abgeschreckten Reduktionsgutes anfallende Eisen nicht ohne Zusatz von Bindemittel zu Briketts mit der erwünschten Festigkeit gepresst werden kann.
Es wurde nun gefunden, dass die unbefriedigenden Brikettierungseigenschaften der Eisenprodukte mit hohem Metallisierungsgrad, insbesondere derjenigen, die wesentliche Mengen gebundenen Kohlenstoffes enthalten, verbessert werden können, wenn man ein Verfahren verwendet, bei dem das Ofenprodukt zur Überführung in die Verarbeitungsstufe einem besonderen und modifizierten Kuhlverfahren ausgesetzt wird. Hiebei kühlt man das Ofenmaterial wesentlich langsamer als bisher üblich von einer Temperatur oberhalb 730OC, vorzugsweise von 760 C, auf eine Temperatur unterhalb 6500C mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 165 C/min ab. Die weitere Abkühlung des Ofenmaterials kann dann z.
B. vorteilhaft im Wege einer Abschreckung erfolgen, da die Abkühlungsgeschwindigkeit unterhalb etwa 650 C nicht kritisch ist. Das so erhaltene metallische Eisenprodukt besitzt ausgezeichnete Brikettierungseigenschaften, auch wenn es einen hohen Metallisierungsgrad aufweist und wesentliche Mengen an gebundenem Kohlenstoff enthält.
Nach heutiger Auffassung erhält man durch Abschreckung des Ofenproduktes von der hohen Ofentem-
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Gefahr einer schnellen Reoxydation des reduzierten Eisens besteht. Das Material 6 wird kontinuierlich oder in anderer Weise vom Abschrecktank durch geeignete mechanische Mittel, beispielsweise durch einen Rechenzugförderer, wie mit 34 angegeben, abgezogen.
Das abgekühlte Produkt, das metallisches Eisen, im allgemeinen geringe Mengen von restlichem
Eisenoxyd, überschüssigem Koks und andere Stoffe, üblicherweise einschliesslich beträchtlicher Mengen
Gangart aus dem Erz, enthält, wird dann zur Gewinnung eines Endproduktes, das in der Hauptsache me- tallisches Eisen enthält, in geeigneter Weise weiter aufbereitet. Zahlreiche Mahl-, Konzentrierungs- und
Trennschritte können für diesen Zweck verwendet werden.
Bei Verwendung der im vorstehenden beschriebenen Verfahrensweise einschliesslich der MehrstufenI kühlung kann die Reduktion so durchgeführt werden, dass man die wirtschaftlich höchstmögliche Metalli- sierung des Erzes erzielt. Dabei kann man trotz des kontinuierlichen oder zeitweisen Auftretens wesent- licher Mengen an gebundenem Kohlenstoff (beispielsweise von über 0,12to oder üblicherweise noch be- trächtlich mehr) im Eisenanteil des aus dem Ofen kommenden Materials beständig eine wirkungsvolle
Brikettierung vornehmen.
Wie schon erwähnt, wird die Reduktion des Eisens im Ofen mit kohlenstoffhaltigem Material vorge- nommen. Obgleich unter kohlenstoffhaltigem Material auch gasförmige Stoffe, wie Kohlenmonoxyd und
Kohlenwasserstoffe, verstanden werden sollen, treten die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erziel- baren Verbesserungen besonders deutlich hervor, wenn feste, kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel, wie
Koks, Holzkohle oder Anthrazit, verwendet werden.
Bei Verwendung von festem Kohlenstoff ist die Tendenz zum Einschluss von feinem Kohlenstoff im
Eisen sehr ausgeprägt. Im allgemeinen ist es günstig, den Ofenvorgang so zu regulieren, dass die durch- schnittliche Metallisierung des aus dem Ofen kommenden Materials mehr als 90%, üblicherweise 93-95% oder mehr, beträgt. Wirtschaftliche Gründe und bequemere Kontrollmöglichkeiten können jedoch einige
Variationen in der Art des Produktes erfordern, so dass beispielsweise ein beträchtlicher Teil des ausge- tragenen Gutes einen Metallisierungsgrad von weniger als 90% bis hinunter zu 35% aufweist.
Auch unter diesen Bedingungen sind die Verbesserungen des vorliegenden Verfahrens wertvoll, da das als Endprodukt erhaltene feine Konzentrat einen beträchtlichen Prozentsatz an kohlenstoffreichem Eisen enthalten oder manchmal vollständig aus derartigem Eisen bestehen kann. In einem dieser Fälle würde die Gegenwart von Martensit entweder in einem Teil des Produktes oder während eines Teiles des Verfahrens ernsthaft die Brikettierung stören, während das erfindungsgemässe Verfahren derartige Schwierigkeiten beseitigt.
Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Prozentsatz der Erzmetallisierung, als Ordinaten ab- gesetzt, und dem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff (im reduzierten Eisen), als Abszissen abgesetzt.
Dieser Zusammenhang wurde in einer Reihe von Versuchen bei Reduktionsverfahren der oben angegebenen
Art und unter Verwendung von Eisenerz mit einem mittleren oder noch darunterliegenden Eisengehalt er- mittelt. Wie die Tabelle zeigt, ist der Gehalt an gebundenem Kohlenstoff im allgemeinen nicht höher
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sierung Werte von wesentlich mehr als 90%, so steigt der Gehalt an gebundenem Kohlenstoff über 0, 2'/0 und erreicht mit den nunmehr in der Praxis erzielbaren Metallisierungsgraden oft Werte von 0,6 bis 0, 8o.
Enthält das Eisen mehr als 0, 1,-fle gebundenen Kohlenstoff, so muss zur Erzielung einer wirksamen Brikettierung des Endproduktes durch Druck die vorliegende Erfindung angewendet werden. Selbst wenn das Eisen einen solchen Kohlenstoffgehalt gelegentlich oder in einigen Fraktionen erreicht, ist eine Verwendung der vorliegenden Erfindung notwendig, um eine zufriedenstellende Brikettierung zu erzielen.
Das Verfahren einschliesslich der besonderen Durchführung der Kühlung zur Verhinderung der Ausbildung einer Martensit-Struktur ist dennoch in hohem Masse unerwünscht, um Briketts mit guter Festigkeit zu erhalten, wenn der Gehalt an gebundenem Kohlenstoff oberhalb 0, 1-0, 15%, beispielsweise 0, le, liegt, oder wenn das Produkt einen derartigen Gehalt an gebundenem Kohlenstoff kontinuierlich oder zeitweise aufweist.
Fig. 4 zeigt die Beziehung, die in Versuchen an Eisen, das mit dem erfindungsgemässen Verfahren reduziert wurde, zwischen der Brikettfestigkeit und dem Kohlenstoffgehalt des reduzierten metallischen Eisens aufgefunden wurde. In der graphischen Darstellung gibt die Kurve 40 die Werte eines Materials wieder, das nach Austritt aus dem Ofen 10 (Fig. 1) unmittelbar von 1065 C auf die gewünschte niedrige, nichtoxydierende Temperatur durch Abschreckung, d. h. durch praktisch augenblickliche Abkühlung durch den gesamten Temperaturbereich hindurch, abgekühlt wurde, während Kurve 42 die Werte eines Produktes wiedergibt, das durch das Zweistufenverfahren, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, einschliesslich der relativ langsamen Kühlung auf einen Wert von 5900C oder darunter und anschliessende Abschreckung ab-
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gekühlt wurde.
Der Kohlenstoffgehalt wird längs der Abszissenachse in Prozenten des metallischen Eisens ausgedrückt, während die Brikettfestigkeit längs der Ordinatenachse ausgedrückt wird durch die in einem
Standardversuch erhaltenen Werte. Für diesen Versuch wurden Briketts verwendet, die mit einem Druck von ungefähr 5, 5 t/cm2 und ohne Verwendung von Bindemitteln verfestigt wurden. Für den Festigkeits- ; versuch wurden die Briketts in Stücken von Standardabmessungen verwendet, d. h. die Briketts haben Ab- messungen von 12,7 mm x 6, 35 mm x 32 mm. Sie werden horizontal an zwei Punkten, die 25, 4 mm voneinander entfernt sind, unterstützt. Auf einen kleinen Bereich der oberen Fläche zwischen diesen zwei
Punkten wird ein Druck ausgeübt.
Die für die Darstellung der Figur verwendeten Werte sind die Werte der
Materialbeanspruchung, berechnet aus der Belastung, bei der die Briketts im beschriebenen Versuch zer- t brechen.
Diese Bestimmung der Grünfestigkeit wird vorgenommen gemäss dem Standardverfahren 15-51 der
Metal Powder Association, veröffentlicht als "Method for Determination of Green Strength of Compacted
Metal Powder Specimens".
Im allgemeinen soll die Brikettierungsfähigkeit des Eisenendproduktes bei dem erfindungsgemässen , Verfahren so sein, dass sie der in der Stahlindustrie gebräuchlichen Versendung, Handhabung und Lagerung widersteht. Diese Eigenschaften sind in den meisten Fällen gewährleistet, wenn das Eisenkonzentrat eine
Grünfestigkeit in dem oben genannten Versuch von mindestens 105 kg/cm2 aufweist, d. h. in einem Teil der Fig. 4 oberhalb eines derartigen Bruchwertes des Brikettstückes liegt, obgleich in manchen Fällen auch
Festigkeiten bis hinunter zu 70 kg/cm2 ausreichend sein können.
Material, das nur durch Abschrecken abgekühlt wurde, erfüllt diese Anforderungen nicht mehr, wenn der Gehalt an gebundenem Kohlenstoff wesentlich über 0,12go steigt, während das erfindungsgemäss hergestellte Produkt eine gute Brikettierbar keit aufweist, d. h. eine Festigkeit von 105 kg/cm2 oder mehr, u. zw. auch bis zu relativ hohen Werten, d. i. ungefähr 0, 8% an gebundenem Kohlenstoff.
Sehr befriedigende Ergebnisse werden erhalten, wenn die Kühlung des Materials im Drehkühler bei- spielsweise so vorgenommen wird, dass die Temperatur des Materials auf unterhalb 6500C mit einer Ge- schwindigkeit von 1650C/min oder noch langsamer sinkt. Während für die Reduzierung der Temperatur des Ofenproduktes bis auf ungefähr 760 - 7300C die Kühlung sehr schnell vorgenommen werden kann, ist es wichtig, dass die weitere Kühlung auf unterhalb 6500C langsam durchgeführt wird.
Obgleich auch der gesamte Kühlvorgang beträchtlich langsamer als eine Abschreckung über den ge- samten Temperaturabfall bis auf ungefähr 95 C durchgeführt werden kann, bildet das Zweistufenver- fahren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das Material kann zwar durch Abschreckung ab- gekühlt werden, sobald es ungefähr 6300C erreicht hat. Es wird auch eine gewisse Wirtschaftlichkeit des
Verfahrens erzielt, wenn das Produkt in den Abschrecktank 32 übergeführt wird, sobald die Temperatur nicht niedriger als beispielsweise auf 540 - 4800C gesunken ist.
Jedoch werden auch beträchtliche Vor- teile dann erzielt, wenn das Material im Drehkühler beträchtlich niedrigere Temperaturwerte erreicht, beispielsweise bis hinunter zu 150 C, wenn die Herstellungsgeschwindigkeit durch längere Verweilzeit im Kühler oder in anderer Weise die Erreichung dieser Temperatur vor dem Abschrecken erlaubt oder erfordert.
Natürlich werden in allen Fällen die ersten Kühlstufen, also auch die Abschreckstufe, unter nicht- oxydierenden Bedingungen durchgeführt. Derartige Bedingungen können die Zugabe von zusätzlichem inertem oder reduzierendem Gas erfordern. Sie werden in einfacher und wirkungsvoller Weise durch das in Fig. 1 wiedergegebene System durch die Verbindung des Kühlers mit dem Ofeninnern 10-14 erreicht.
Die Atmosphäre im Ofen ist im wesentlichen nichtoxydierend, zumindest an allen Punkten, die vom
Einlassende 12 weiter entfernt liegen, von dem Abgase durch einen Schornstein (nicht gezeigt) abgelas- sen werden.
Beispiel 1 : Als Beispiel für das erfindungsgemässe Verfahren möge ein Ofen von der Art, wie oben beschrieben, und mit einer Länge von 45 m und einem Innendurchmesser von 2 m, und ein Dreh- kühler mit einem Durchmesser von 1, 8 m und einer Länge zwischen den Verschlussstücken 20 und 22 von
12 m dienen. Die Ofenfüllung beträgt 554 t (Trockenbasis) Magnetiterz mit einem Gehalt von 67, 490/0
Eisen, was einer Beschickung von 374 t Eisen entspricht. Mit einer Gesamtbeschickung von 410 t Koks und einer geringen Menge Kalkstein für den oben angegebenen Zweck wurde der Ofen unter langsamer, jedoch kontinuierlicher Aufgabe des Materials betrieben. Zum Durchsatz der gesamten Materialmenge wurden 8 Tage gebraucht. Das Material benötigte im Durchschnitt 12 Stunden für die Ofenpassage.
Temperaturen und Verfahrensbedingungen wurden so reguliert, dass ein hoher Metallisierungsgrad erzielt wurde.
Die Temperaturen lagen zumindest im grösseren Teil des Ofens zwischen 1050 und 1150'DC. Das Ofenprodukt wurde bei ungefähr 1090 - 11500C abgelassen. Das Produkt dieses Versuches enthielt insgesamt
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