Verfahren zur direkten Herstellung von kohlenstoffarmen Metallen. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur direkten Herstellung von kohlenstoffarmen Metallen im elektrischen Ofen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Me talle dadurch herzustellen, dass fein zerklei nertes Erz und ein fein verteiltes Reduktions mittel, z. B. Kohle, gemischt werden, worauf die Mischung, gegebenenfalls nach Verkokung oder Brikettierung derselben, im Hochofen, Flammofen oder elektrischen Ofen geschmol zen wird. Hierbei wurde aber im praktischen Betrieb niemals ein Eisen oder anderes koh- lenstoffbindendes Metall mit niedrigem Koh lenstoffgehalt erhalten.
Das Verfahren gemäss der Erfindung be steht nun darin, dass unter Verwendung einer Beschickung, die aus einer sehr innigen und homogenen Mischung von fein zerklei nertem Erz, bezw. fein zerkleinerten Erzen und fein verteiltem Reduktionsmittel, vor zugsweise bestehend aus Kohle oder andern kohlenstoffhaltigen Stoffen in fester, oder wenigstens bei erhöhter Temperatur flüssiger Form besteht, diese Beschickung vor ihrer Einführung in den Ofen in Stücke von solch festem Zustand übergeführt wird, dass die gegenseitige Lage der Erz- und Reduktions- mittelteilchen während des Reduktionspro zesses im Ofen nicht verändert wird, worauf,
nachdem die Reduktion mit Hilfe der elek trischen Wärme im Ofen in gewünschtem Grad stattgefunden hat, das erhaltene Me tall. abgestochen wird, um unmittelbar in be kannter Weise verwendet oder weiter ver arbeitet werden zu können.
Die Zufuhr, der Beschickung wird zweck mässig eine kurze Zeit vor dem Abstechen des Metalles abgestellt, um dem zuletzt ein geführten Material genügend Zeit zur Re duktion zu geben. Zwischen den Abstichen, die zweckmässig in gewissen Zeitintervallen vorgenommen werden, kann dagegen die Spei sung ununterbrochen stattfinden, um eine möglichst grosse Produktion von Metall zu erhalten. Die Reduktion kann bei der feinen Verteilung der Massen sehr rasch erfolgen, und deshalb wird -auch die Pause bei den Abstichen die Produktion nicht erheblich be einträchtigen. Wenn bei den Abstichen nur ein Teil des erhaltenen Metalls abgestochen wird, kann die Zufuhr der Beschickung auch während des Abstiches selbst stattfinden.
Die Beschickung wird zweckmässig dem Schmelzraum des Ofens durch einen oder mehrere Füllschächte zugeführt, durch welche die bei der Reduktion entstandenen Gase auch vorteilhaft entweichen, wodurch eine Vorwärmung der Beschickung stattfinden kann, ehe sie in den Schmelzraum eintritt. Die Gase, die grösstenteils aus Kohlenoxyd bestehen, können zweckmässig gesammelt und für 'ärme- oder Reduktionszwecke oder dergleichen- in bekannter Weise verwertet werden.
Von den Schächten wird die Be schickung vorteilhaft über einen möglichst grossen Teil der Oberfläche des Bades im Ofen verbreitet werden, jedoch derart, dass sie nicht in Berührung mit den Elektroden kommt, wenn solche aus kohlenstoffhaltigem Material verwendet werden, da sonst Kohlen stoff von diesen durch das Metall leicht auf genommen wird und auch der Elektroden verbrauch erhöht wird.
Wenn ein Teil des für die Reduktion er forderlichen Reduktionskohlenstoffes in Form flüssiger Kohlensubstanz, z. B. Teer oder 01, Asphalt, Pech, Sulfitablauge oder Melasse oder dergleichen zugemischt wird, braucht man die Beschickung nur einer solchen Trock nung in Luft oder anderer geeigneter Atmos phäre zu unterwerfen, dass die Kohlenstoff substanz fest wird und bei der verwendeten Trocknungstemperatur die Teilchen oder Köln ehen der Mischung zusammenhält. Die Trock nung soll aber nicht bei einer so hohem Tem peratur ausgeführt werden, dass Destillation oder Verkokung der Kohlenstoffsubstanz ein tritt.
Bei der Trocknung, die vorteilhaft bis auf 100-250 C getrieben wird, entweicht das Wasser, und dann bildet die zurück bleibende Trockensubstanz ein effektives Bin demittel, und zwar auch bei höheren Tempe raturen und unter solchen Verhältnissen, die bei der Einführung der Beschickung für Ofenraum herrschen. Wird Vakuum bei der Trocknung verwendet, darin kann eine ent sprechende niedrigere Temperatur angewandt werden.
Durch die Trocknung, die während des Mischeng selbst oder nach dieseln vorge- nommen werden, kann die Beschickung in grössere oder kleinere Stücke voll Graupen grösse bis auf zusammenhängende Kuchen übergeführt werden, je nachdem die Trocken apparate angeordnet sind. Werden grössere Stücke gebildet, so werden diese am besten, zweckmässig vor der Einführung in den Ofen, bis auf geeignete Stückgrösse zerkleinert. Es ist selbstverständlich, dass hierbei, sowie bei der Trocknung selbst eine gewisse Grussbildung entsteht.
Da aber die Zahl feiner Körnchen immer verhältnismässig klein bleibt; wirkt diese Grussbildung auf die Zusammensetzung des Endproduktes praktisch nicht ein.
In jedem Stück der Beschickung liegt un mittelbar bei jedem Erzkörnchen die für dieses Körnchen erforderliche Reduktionskohle, und die Körnchen sind ausserdem von der vorer- w <B><U>i</U></B> linten Trocknung lier miteinander fest verbunden.
Da keine Trennung der Erz- und Kohlenkörnchen somit vor sich gehen kann, sind die Bedingungen erfüllt, urn einen so gut wie vollständigen Verbrauch des Kohlen stoffes zu erreichen, unter der Voraussetzung einerseits, dass die Kohlenstoffinenge richtig abgepasst ist, und anderseits, dass der Betrieb des elektrischen Ofens derart geleitet wird, dass keine Kohle voll den Elektroden für den Fall, dass diese aus Kohle bestehen, während des Schmelzens oder nach demselben aufge nommen werden kann.
Wird die Reduktionskohle in fester Foren zugemischt, z. 13. als Holzkohle, Steinkohle, Anthrazit, Koks oder dergleichen; dann kann eine feste Fixierung der gegenseitigen Lagen der Erz- und Kohlenki;rnchen in den Stücken. zurr Beispiel durch Zusatz eines oder mehrerer geeigneter Bindemittel beim Mischen des Erze und der Kohle erreicht werden.
Das Binde mittel soll selbstverständlich voll solcher Be schaffenheit sein, dass eine Wirkung, die Körnchen aneinander festzuhalten, unter den Verhältnissen, die im Reduktionsofen, bezie- hlulgsweisedessen Füllvorrichtungen herrschen. nicht aufhört.
Flüssige Kohlenstoff substanz von oben angegebenerArtkann natürlich mitVorteil verwendet werden, in einem solchen Falle wird aber auch ihr Kohlenstoffgehalt an der Reduktion des Erzes teilnehmen, e0 dass der Zusatz festen Reduktionsmittels entsprechend niedriger abgepasst werden muss. Andere zweckmässige Bindemittel sind z. B. Wasser glaslösung, Kalkmilch usw., die nach dem Austreiben des Wassers die verschiedenen Materialien aneinander fest verkitten.
Selbst verständlich werden als Bindemittel nur solche Stoffe verwendet, welche die Qualität des hergestellten Metalls nicht beeinträchtigen und die leicht zu verschlacken sind oder in anderer Weise während des Reduktionspro zesses verbraucht werden. Der Zusatz von Kalkmilch allein oder in Verbindung mit andern Zusatzmitteln bringt bei der Ver wendung von Reduktionskohle in der einen oder andern Form, die Schwefel in bedeu tender.
Grad enthält, den besondern Vorteil mit sich, dass die dünne Kalkhaut, die sich um die oder auf den Kohlen- oder Erzkörn chen bildet; bei der Reduktion einen grösseren oder kleineren Teil dieses Schwefels als Calciumsulfid bindet, das beim Schmelzen durch die gebildete Schlacke aufgenommen und somit unschädlich gemacht wird. Auch ein grösserer oder kleinerer Teil des Schwe felgehaltes des Erzes kann in dieser Weise unschädlich gemacht werden. Für die Bindung von Schwefel können auch Kalk oder andere Stoffe, die Oxyde der leichten Metalle oder andern Erdalkalimetalle enthalten, z. B.
Ba riumoxyd; in anderer Form als Zusatz beim Nischen der Beschickung verwendet werden, wenn sie nur genügend fein verteilt in der erforderlichen kleinen Menge erhalten werden hümien. Wenn nur die Reduktionskohle Schwefel in beträchtlichem Grad enthält, kann selbstverständlich der Kalk oder dergleichen nur der Kohle zugesetzt werden, ehe sie dein Erz und etwaigem Bindemittel zugemischt wird.
Die mit geeigneten Zusatzstoffen gemischte Beschickung kann enweder, wie bereits er wähnt, bei der Verwendung von Reduktions hohle, die sich in flüssiger Fora befindet, bezw. in solche Form gebracht werden kann, derart getrocknet werden, dass sie in Stück form erhalten wird, wobei die verschiedenen Materialien miteinander fest verbunden sind. Diese Eigenschaft kann der Beschickung auch durch Formen oder Pressen zu Briketts oder dergleichen und nachfolgende Trocknung in Luft oder anderer zweckmässiger Atmos phäre bei gewöhnlicher oder erhöhter Tempe ratur je nach dem verwendeten Zusatzmittel verliehen werden.
In den meisten Fällen ist zwar die Brikettierutig überflüssig, kann aber unter gewissen Umständen vorteilhaft sein. Wird nämlich die Brikettierung dann- vor genommen, wenn die Mischung warm ist, so wird die Luftharn auf jedem Körnchen bei der feinen Verteilung viel dünner und damit die Adhäsion zwischen den Körnchen nach Pressen oder dergleichen erheblich grösser.
Wird somit eine solche in angegebener oder anderer geeigneter Weise vorbehandelte, Brikett- oder andere Stückform aufweisende Beschickung, in welcher die Erz- und Reduk- tionskohlenkörnchen möglichst gleichförmig verteilt und miteinander fest verbunden sind, ununterbrochen oder in nicht allzulangen Zwischenräumen in einen elektrischen \Ofen eingeführt, dann wird aus dem Ofen bei einer im übrigen geeigneten Betriebsweise ein Eisen, Stahl, bezw. Metall mit einem nach der in der Beschickung vorhandenen Ge- samtkohlenstoffmenge abgepassten Bohlen Stoffgehalt erhalten.
Es hat sich als sehr leicht erwiesen, gemäss dem vorliegenden Verfahren Eisen mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,05 /o, d. h. ein praktisch kohlen stoffreies Eisen herzustellen.
Die Beschickung, die zufolge des vorhan denen Gehaltes an kohlenstoffhaltigen, trocke nem Material ein verhältnismässig geringes spezifisches Gewicht aufweist, schwimmt nach der Einführung in den Scbmelzraum des elektrischen Ofens in der gebildeten Schlacke, bis die Reduktion annähernd vollendet -ist. Durch geeignete Zusätze kann, wenn erfor derlich, auch das spezifische Gewicht der Schlacke erhöht werden, so dass die Beschickung vor der Vollendung der Reduktion nicht heruntersinkt.
Ein vorzeitiges Heruntersinken könnte nämlich ein Zerspringen der Be schickung zufolge der heftigen Gasentwick lung zur Folge haben, was die innige Be rührung zwischen den Erz- und Reduktions- kohlenkörnchen beeinträchtigen würde.
Der Zusatz von schlackenbildendem Ma terial zur Bindung der Gangart des Erzes, bezw. der Asche usw. der Reduktionskohle und etwaigen Bindemittels kann entweder beim Mischen der Bestandteile der Beschickung oder vorteilhafter direkt im elektrischen Ofen selbst beim Schmelzen oder in beiden dieser Stufen des Verfahrens stattfinden. Der Zu satz direkt in den Ofen bringt den Vorteil reit sich; dar das Flurmittel mit den Erz- und Kohlenkörnchen nicht gemischt liegen wird, und deshalb wird in diesem Falle eine innigere Berührung zwischen diesen beiden Materialien erhalten. Dazu kommt, dar eine kleinere Menge Bindemittel erforderlich wird.
In letzterem Falle wird die Verschlackung der Gangart usw. beim Heruntersinken der redu zierten Metallkörnchen durch das Schlacken bad stattfinden.
Bei der Herstellung von Eisen und Stahl nach dem Verfahren der vorliegenden Erfin dung kann das Metall zuweilen etwas un gleichförmig an Kohlenstoffgehalt werden und eine nicht unbedeutende Menge Oxyd ent halten. Diese Schwankungen können einer seits auf die Beschaffenheit des verwendeten Erzes und der verwendeten Reduktionskohle und anderseits auf die Betriebsweise im Ofen zurückgeführt werden.
Enthält das Eisen oder der Stahl eine grosse Menge Oxyd, dann kann das Produkt nicht immer unmittelbar als sogenanntes Handelseisen und vor allem nicht unmittelbar zum Qualitätseisen ohne vorhergehenden Zusatz von Desoxydations- mittel oder vorhergehende Raff'ination, oder andere Behandlung verwendet werden. Es ist aber gewöhnlich vorteilhafter, im Reduktions ofen das Eisen, den Stahl; bezw. das Metall ohne nähere Berücksichtigung der Qualität im übrigen herzustellen, und in einem andern Ofen die erforderliche Nachbehandlung vor zunehmen, insoweit die Anforderungen an das Eisen dies notwendig machen.
Der erste Ofen kann dabei unter den für die Reduk tion günstigsten Bedingungen und unter der möglichst grossen Ausnutzung der elektrischen Energie und des Reduktionsofens selbst be trieben werden, während im zweiten Ofen, der von beliebiger Type sein kann, z. B. Martinofen Bessemerkonverter oder elek trischer Ofen, die endgültige Qualität des Produktes unter den für diese Nachbehand- lung günstigsten Bedingungen festgestellt wird.
Im zweiten Ofen können somit die Ge halte an Kohlenstoff und andern Legierungs- stoffen im Eisen bezw. Stahl, wie Silicium, Mangan, Chrom, Nickel usw. entweder durch Frischen, um zum Beispiel einen zu hohen Koli- lenstoffgehalt zu verringern, durch Raffination, um die Menge der aus dem Erz und etwai gen Zusätzen aufgenommenen Legierungs stoffe zu vermindern, oder durch Zusatz von Kohle oder andern Legierungsstoffen geregelt werden. Selbstverständlich können auch meh rere Öfen für die Nachbehandlung nacheinan der verwendet werden.
Bei der direkten Herstellung von Flur eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,10 % gemäss dem Verfahren nach der Er- findung kann auch bei der Verwendung von phosphorhaltigem oder phosphorreichem Erz und kohlenstoffhaltigem Material ein Eisen mit genügend niedrigem Phosphorgehalt direkt erhalten werden, wenn man einen geeigneten Kalkzusatz in die Beschickung oder in den Ofen gibt, so dar eine geeignete,
kalkreiche Schlacke entsteht, die den Phosphor in Form von Phosphaten binden kann. Durch die kalkreiche Schlacke wird gleichzeitig ein ge nügend niedriger Schwefelgehalt im Eisen erreicht, auch wenn die Rohmaterialien Schwefel in beträchtlicher Menge enthalten. Enthält die blasse eine grosse Menge Phosphor, zum Beispiel über 1 "/o, aber verhältnismässig wenig Kieselsäure, so kann in dieser Weise eine Schlacke erhalten werden, die als Dünge mittel oder dergleichen verwendbar ist.
Ist die Zusammensetzung des Erzes eine solche, daf;, der Phosphor schwer in die Schlacke getrieben werden kann, zum Beispiel zufolge eines Hohen (-ehaltes au 1iieselsii@ire, dann ist es zweckmässiger, im ersten Ofen ein phosphorreiches Eisen .herzustellen, das dann im zweiten Ofen mit Hilfe geeigneter, basischer, kalkreicher Schlacke von Phosphor befreit wird.
Im zweiten Ofen wird dabei, wenn der Phosphorgehalt des Eisens hoch ist, eine sehr phosphorreiche Schlacke erhalten, die nach Feinmahlen finit sehr gutem Erfolg als Düngemittel oder dergleichen verwendet werden kann. Der letztere Ofen kann dabei vorteilhaft aus einem Bessemerkonverter be stehen, wobei die Übertragung des Phosphors in die Schlacke sehr schnell verläuft. Andere Ofentypen können indessen auch verwendet werden.
Falls nicht Eisen oder Stahl, die von Oxyden absichtlich nicht befreit sind, z. B. Schrot für Verwendung beim Martinprozess, hergestellt werden soll, werden dem Eisen oder Stahl, wenn der Gehalt an Oxyden, vom Qualitätsgesichtspunkt aus betrachtet, . dies erfordert, Desoxy dationsinittel, z. B. Siliciumeisen, Manganeisen, Siliciummangan- eigen, Siliciumaluminiruneisen, Aluminium oder dergleichen zugesetzt.
Das Desoxydatioiis- mittel wird dabei entweder .in festem Zu stand, kalt oder vorgewärmt, oder in ge schmolzener Form zugesetzt. Der Zusatz kann in der in jedem besondern Falle geeignetsten Weise stattfinden, zum Beispiel in einem der Ofen, in deren Abstichrinnen, in der Guss- pfanne oder irr einem Mischer nach dem Re duktionsofen oder in der Gusspfanne nach dein zweiten Ofen, wenn ein solcher verwendet wird.
Durch Zumischung von geeigneten Erzen in der Beschickung, z. B. Quarz oder anderem kie- selsäurereichem Material, Manganerz, Chrom erz, Vanadinerz oder dergleichen, kann so genanntes legiertes Eisen oder legierter Stahl gemäss dem vorliegenden Verfahren unmittel bar hergestellt werden, da auch Erze schwer reduzierbarer Metalle gemäss demselben ohne nennenswertes Aufnehmen von Kohlenstoff sehr leicht reduziert werden.
Durch Zusatz von Chromerz kann in dieser Weise legiertes Eisen, beziehungsweise legierter Stahl her gestellt werden, das beziehungsweise der ailf sogenannles röstfreies Lisen, beziehungsweise rostfreien Stahl verarbeitet werden kann.
Der Zusatz von Legierungsstoffen, der verhältnis mässig teuer ist, wenn er in Form von Fer- rolegierungen der Metalle stattfindet, beson ders wenn kohlenstoffarme Legierungen ver wendet werden müssen, kann in dieser Weise mit verhältnismässig geringen Tosten ge schehen.
KohlenstoffarmeFerrolegierungen, wie Fer- romangan, Ferrochrom, Fel'rowolfram, Ferro- vanadin usw. können auch gemäss dem vor liegenden Verfahren vorteilhaft hergestellt werden, wobei das Eisenerz in der Mischung ganz oder teilweise durch ein Erz ersetzt wird, welches das in der Legierung ge wünschte Metall enthällt. Bei Reduktion von z. B.
Chromerz ist es gelungen, gemäss dem vorliegenden Verfahren, Ferrochrom tnit einem über 0,10 % nicht hinausgehenden Kohlen- stoffgehalt unmittelbar herzustellen.
Das Verfahren nach der vorliegenden Er findung liefert eine Reihe von Vorteilen. Einerseits können fein verteilte Erze, und zwar Schliche oder dergleichen, die sonst ohne vorhergehende verhältnismässig teure Brikettierung nebst Brennen oder Sintern in grösserem Massstabe nicht verwendbar sind, unmittelbar reduziert werden, und anderseits können flüssige Kohlenstoffsubstanzen, wie Srilfitablauge, die bisher geringen Absatz ge funden hat, eine gute und gewinnbringende Anwendung erreichen. Vor allem ist aber der Vorteil vorhanden,
dass man unter Be seitigung des Umweges über den Hochofen prozess ein für manche Zwecke verwendbares schmiedbares Eisen, beziehungsweise Stahl unmittelbar herstellen kann, das, beziehungs weise der, besonders nach Zusatz eines Des oxydationsmittels, mit dem heutigen billigen, massenproduzierten .Eisen und Stahl direkt konkurrieren kann.
Für Eisenwerke, die auf hochwertiges Qualitätseisen arbeiten, liegt ferner der Vorteil vor, dass gemäss dem Ver fahren ein als Zusatz beim Martin- oder Tiegelofenprozess vollauf verwendbares, in jeder Beziehung vollwertiges Qualitätsschrot direkt hergestellt werden kann. Die Erfindung ist an die Materialien oder Stoffe nicht gebunden, die oben als Beispiel erwähnt worden sind, sondern umfasst alle Metalle und Metallegierungen, die eine Nei gung haben, Kohlenstoff aufzunehmen.