AT257964B

AT257964B - Verfahren zur Reduktion von Metalloxyden

Info

Publication number: AT257964B
Application number: AT807364A
Authority: AT
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1963-10-01
Filing date: 1964-09-21
Publication date: 1967-11-10

Description

Verfahren zur Reduktion von Metalloxyden
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Lichtbogen-Verfahren für das Reduzieren metallischer Oxyde, genauer gesagt ein Verfahren, bei welchem metallische Oxyde mit Hilfe eines von einem Lichtbogenbrenner ausgehenden Plasmabogens reduziert werden.

Im folgenden soll der Ausdruck" Plasma" ein Material in einem Energiezustand der Partikelaktivität oberhalb des Gaszustandes bezeichnen, bei welchem zumindest ein Teil der Atome des Materials eines oder mehrerer Elektronen entblösst sind und diese Elektronen ebenfalls im freien Zustand vorhanden sind.

Ausserdem bezeichnet der Ausdruck"Bogengas"das Gas, das als überwiegender Anteil im Strahl des Bogenplasmas vorhanden ist und das z. B. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxyd, Xenon oder Neon sein kann.

Das Hauptziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur erfolgreichen Benutzung eines Kohlenwasserstoffgases zur Gewinnung von Metall aus flüssigen Schlacken, die Oxyde solcher Metalle enthalten.

Entsprechend der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion von Metalloxyden vorgesehen, bei welchem das Oxyd bei erhöhten Temperaturen einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das besagte Oxyd in geschmolzenem Zustand einem richtungsstabilen Strahl eines Lichtbogenplasmas ausgesetzt wird, der ein Kohlenwasserstoffgas enthält.

In den Zeichnungen bedeuten Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines typischen Systems zur Durchführung der Erfindung, wobei der bei dem Verfahren verwendete Ofen im Schnitt dargestellt ist, und Fig. 2 einen Teil einer typischen Vorrichtung zur Erzeugung eines richtungsstabilen Plasmabogens im Schnitt.

Weiters wird der Ausdruck"richtungsstabiler (Licht-) Bogen" als eine Lichtbogensäule definiert, deren Längsachse die der Säule ursprünglich mitgeteilte Richtung beibehält. Es gibt einige Verfahren zur Erzeugung und Aufrechterhaltung richtungsstabiler Lichtbogen, die in Fachkreisen alle gut bekannt sind.

Gemäss Fig. 1 weist eine typische Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eine Einrichtung T für einen richtungsstabilen elektrischen Lichtbogen auf, die sich im Deckel R eines Ofens F befindet. Im Boden des Ofens F ist eine Bodenelektrode E angeordnet. Die Energie für den elektrischen Lichtbogen wird von einer Stromquelle P geliefert und Gas wird durch das Rohr G zugeführt. Die Ofenkonstruktion gehört nicht zur Erfindung ; es kann jede übliche Konstruktion elektrischer Öfen zur Anwendung kommen.

In Fig. 2 ist eine typische Vorrichtung zur Erzeugung eines richtungsstabilen Lichtbogens genauer dargestellt. Eine Elektrode 1 steckt in einer hohlen Elektrodenfassung 3, in der ein Lenkkörper 5 angeordnet ist. Kühlwasser tritt in den Lenkkörper ein und verlässt die Fassung durch den Kanal 7, der vom Lenkkörper und Wänden der hohlen Fassung gebildet wird. Ein erster rohrförmiger Teil 9 umgibt die Elektrodenfassung und bildet mit derselben einen Bogengaskanal 11. Ein zweiter rohrförmiger Teil 13 umgibt den ersten rohrförmigen Teil 9 und bildet dazwischen einen Kanal 15 für Kohlenwasserstoffgas. Diese ganze Anordnung wird von einem Wassermantel 17 umgeben, der Kanä-

le 19 und 21 für den Eintritt bzw. Austritt von Wasser aufweist.

Eine Düse 23 hängt an der Vielzahl von rohrförmigen Teilen und schliesst das vordere Ende des Wassermantels 17 ab ; die Düse 23 weist Kanäle 25 auf, die symmetrisch um eine Mittelöffnung 27 herum angeordnet sind und an die Kanäle 15 für den Kohlenwasserstoff anschliessen. Die Längsachse der Mittelöffnung 27 fluchtet mit der Achse der Elektrode 1.

Bei der Beschreibung der tatsächlichen Betriebsvorgänge wird auf die Reduktion von Eisenerz Bezug genommen. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, wie aus den andern Beispielen hervorgeht.

Im Betrieb wird ein richtungsstabiler Lichtbogen mit dem Minuspol am Brenner und dem zu bearbeitenden Material als andere Elektrode zwischen der Vorrichtung T und einer kleinen Menge Blockeisen hergestellt, die sich im Herd H des Ofens F befindet. Der Strom fliesst durch das flüssige Eisen zur Bodenelektrode E und von dort zur Stromquelle P. Das zu reduzierende Eisenerz wird in genügender Menge zugesetzt, so dass es nach dem Schmelzen eine elektrisch leitfähige flüssige Schlakkenschicht S bildet, welche die Oberfläche des Metallbades vollständig bedeckt (s. Fig. 1). Die vom zu reduzierenden Erz aufgenommene Leistung kann durch blosse Veränderung der Bogenlänge der richtungsstabilen Lichtbogensäule geregelt werden. Gemäss Fig. 2 wird ein Lichtbogengas, z. B.

Argon, durch die Kanäle 11 geleitet und tritt zusammen mit dem Lichtbogen aus dem Brenner durch die Öffnung 27 der Düse 23 als ein Lichtbogenplasma aus.

Es ist möglich und sogar vorzuziehen, ein Kohlenwasserstoffgas, vorzugsweise Methan, als Bogengas zu verwenden und so die Notwendigkeit eines eigenen Bogengases zu erübrigen. In einem solchen Fall würde man das Kohlenwasserstoffgas in die Lichtbogensäule einführen, bevor letztere durch die Düse 23 tritt. Das entscheidende Kriterium besteht in beiden Fällen darin, dass der Kohlenwasserstoff in den Lichtbogen eingeführt wird und dass die Produkte des Zerfalls des Kohlenwasserstoffs in hoch reaktionsfähigem Zustand durch einen solchen Lichtbogen zur Oberfläche des flüssigen Metalls transportiert werden.

Der die reaktionsfähigen Produkte des Zerfalls des Kohlenwasserstoffs mitführende Plasmabogen wird auf die das Bad bedeckende Schlackenschicht gerichtet und prallt auf diese auf. Es tritt eine Reaktion des Kohlenstoffs mit den an der Oberfläche befindlichen flüssigen Oxyden ein, wobei eine Reduktion des Oxyds zu Metall erreicht wird. Ausserdem führt der mit dem flüssigen Oxyd in Berührung kommende Wasserstoff in manchen Fällen ebenfalls zu einer zusätzlichen Reduktion. Das Abgas aus dem Ofen besteht aus dem Bogengas, z. B. Argon, plus Kohlenoxyd, Wasserstoff und Wasserdampf und enthält sehr wenig oder gar keine Kohlenwasserstoff- und gar keine Kohlenstoffdämpfe.

Für den richtigen Ablauf des Verfahrens ist es wesentlich, dass die Reaktion des Kohlenstoffs und des Wasserstoffs mit den Oxyden in der Nähe des Auftreffgebietes des Lichtbogens an der Oberfläche der Schlackenschicht S aus flüssigem Oxyd vor sich geht, damit kein Kohlenstoff in direkten Kontakt mit dem flüssigen Metall M kommt und sich daher nicht in letzterem löst. Es ist also eine Schmelze mit sehr niedrigem C-Gehalt leicht herzustellen. Wird nicht während des ganzen Prozesses eine ausreichende Schlackenschicht über der Schmelze aufrechterhalten, so kann eine beträchtliche C-Aufnahme stattfinden. Sobald es gebildet ist, sinkt das flüssige Metall durch die Schlacke hinunter und vereinigt sich mit dem flüssigen Metall M unter der Schlacke.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann auf fast alle reduzierbaren Metalloxyde angewendet werden.

Es kann auch für die Produktion von Legierungen mit sehr niedrigem C-Gehalt, wie z. B. Edelstahl oder Ferrochrom, angewendet werden. Weiters könnte das Verfahren entweder chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden, wobei im letzteren Fall Erz kontinuierlich eingesetzt und flüssiges Metall kontinuierlich entnommen werden könnte.

Die folgenden Ausführungen stellen Beispiele der Erfindung dar und werden nur zum Zwecke der Erläuterung und für ein besseres Verständnis der beim erfindungsgemässen Verfahren vorkommenden Grö- ssen durch die Fachleute gebracht.

Bei einem Versuch, der in einem 22, 6 kg-Ofen ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten durchgeführt wurde, schmolz man unter Verwendung eines richtungsstabilen elektrischen Lichtbogens mit Argon als das Brennergas einen Einsatz von 9, 1 kg Blockeisen ein. Der Bogenstrom betrug 450 A bei 40 V. Eisenerz wurde in genügender Menge zugesetzt, um nach dem Flüssigwerden der Schlacke das Bad vollständig zu bedecken. Sodann wurde dem durch in der Brennerdüse symmetrisch angeordnete Kanäle austretenden Bogenplasma Methan zugesetzt. Immer wenn sich im Auftreffgebiet des Plasmabogens eine kleine Stelle blanken Metalls zeigte, wurde Eisenerz in Mengen von 0, 5 kg zugesetzt. Der Lichtbogenbrenner wurde mit zirka 2, 8 m3/h Argon und 0, 3-0, 4 m3/h Methan betrieben.

Als Eisenerz kam bra-

silianisches Hämatiterz mit einem Eisengehalt von zirka 670/0 zur Verwendung. Insgesamt wurden 5, 9 kg Erz eingesetzt und die Nettomenge des gewonnenen Eisens war 4, 1 kg.

Das bedeutet, dass innerhalb der Genauigkeitsgrenzen des Versuchs mittels des erfindungsgemässen Verfahrens 1000/0 des Eisengehalts eines Erzes gewonnen werden können.

Ein weiterer sehr wichtiger Punkt besteht darin, dass das erfindungsgemässe Verfahren nicht zur Bildung eines mit Kohlenstoff gesättigten Eisens führt. Im wesentlichen wird der gesamte Kohlenstoff zur Reduktion des Oxyds verwendet, was aus dem sehr niedrigen C-Gehalt der Schmelze am Ende der Reduktion hervorgeht. Analysierte Proben zeigten einen durchschnittlichen C-Gehalt von zirka 100 Teilen pro Million (alle Proben hatten einen C-Gehalt unter 200 TpM, eine Probe enthielt nur 60 TpM).

Im oben beschriebenen Ofen wurde auch ein Versuch in Richtung einer Reduktion von Chromoxyd durchgeführt. Das Oxyd wurde der Oberfläche eines Einsatzes von 9, 1 kg flüssigen Blockeisens zugesetzt, bis eine Schlackenschicht das Metall bedeckte ; sodann wurde Methan in das Bogenplasma eingeführt.

Durch Zugabe kleiner Mengen von Kalk, CaF und SiO wurde versucht, die Schlacke flüssig zu machen. Tabelle I zeigt die Veränderung des Chrom- und des C-Gehaltes im Verlauf der Charge.

Tabelle I
EMI3.1

<tb>
<tb> Reduktion <SEP> von <SEP> Chromoxyd
<tb> Zeit <SEP> (min) <SEP> Probe <SEP> Nr. <SEP> % <SEP> C <SEP> % <SEP> Cr
<tb> 0 <SEP> (CH4 <SEP> Ein) <SEP>
<tb> 11 <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> 3, <SEP> 92 <SEP>
<tb> 24 <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> 4, <SEP> 64 <SEP>
<tb> 43 <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> 5, <SEP> 90 <SEP>
<tb> 73 <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 005 <SEP> 7, <SEP> 13 <SEP>
<tb> 117 <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 006 <SEP> 8, <SEP> 63 <SEP>
<tb> 118 <SEP> (CH4 <SEP> Aus) <SEP>
<tb>

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der Chromgehalt während der Zeit der Methanzugabe auf 8, 630/0 stieg, wodurch bewiesen ist, dass mittels des vorliegenden Verfahrens Chromoxyd leicht reduziert werden kann. Weiters verblieb der C-Gehalt des Bades auf dem sehr niedrigen Wert von 50 bis 60 Teilen pro Million.

Im Abgas war kein C02 vorhanden.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Reduktion von Metalloxyden, bei welchem das Oxyd bei erhöhter Temperatur einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Oxyd in geschmolzenem Zustand einem richtungsstabilen Strahl eines Lichtbogenplasmas, das ein Kohlenwasserstoffgas enthält, ausgesetzt wird.
EMI3.2

Claims

Strahl aus Lichtbogenplasma mit Hilfe eines Kohlenwasserstoffgases als alleinigem Lichtbogengas gebildet wird.

3. Verfahren nachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte richtungsstabile Strahl aus Lichtbogenplasma mit Hilfe einer Mischung aus einem Kohlenwasserstoffgas und einem oder mehreren der Gase Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxyd gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenwasserstoffgas in einen Strahl aus Lichtbogenplasma eingeführt wird, der mit Hilfe eines oder mehrerer der Gase Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxyd gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl aus Lichtbogenplasma mit Hilfe von Argon gebildet wird und dass das in das Lichtbogenplasma eingeführte Kohlenwasserstoffgas Methan ist. EMI3.3 <Desc/Clms Page number 4>

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man mit Hilfe des Lichtbogenplasmas zuerst einen metallischen Einsatz schmilzt und dass nachher das Metalloxyd zugesetzt wird, um über dem flüssigen Metall eine Schicht aus elektrisch leitender Schlacke zu bilden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxyd kontinuierlich eingeführt und das flüssige Metall kontinuierlich entnommen wird.