Verfahren zur Verhüttung von oxydischen Erzen in einem elektrischen Reduktionsofen und Reduktionsofen zur Durchführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verhüttung von oxydischen Erzen in einem elektrischen Reduktionsofen und auf einen Re duktionsofen zur Durchführung des Verfahrens.
Das Verfahren besteht darin, dass ein zu reduzie rendes oxydisches Erz in einer Korngrösse von 0,0001 bis 8 mm in ein sich im Schwebezustand befindliches Kohlebett aus Kohleteilchen mit einer Korngrösse von <B>0,001</B> bis 8 mm gestreut wird, welches infolge Hin durchleitens elektrischen Stromes erhitzt ist, wobei die Kohleteilchen durch Gase im Schwebezustand ge halten werden und die durch das Koh#lebett hindurch sinkenden Erzteilchen durch kohlenstoffhaltige Mit tel zu Metall reduziert werden,
welches durch das Kohlebett nach unten fällt.
Der elektrische Reduktionsofen ist dadurch ge kennzeichnet, dass er zwecks Hindurchleitens eines elektrischen Stromes durch das Kohlebett nichtmetal lische Elektroden aufweist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht eine grössere Durchsatzleistung, als dies mit den bisher be kannten elektrischen Reduktionsöfen möglich war. Zudem ist auch die Verhüttung staubförmiger Erze möglich, also z. B. des Abriebes, der etwa auf Erz ausladeplätzen anfällt und in einem normalen Ofen nicht verhüttet werden kann, infolge der Gasundurch lässigkeit des aufgegebenen feinen Möllers.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann fer ner der bisherige Mangel der elektrischen Reduktions öfen - nämlich die Notwendigkeit der Verwendung niedrig gespannter Ströme - vermieden werden, indem die Einhaltung eines hohen Spannungsabfalles im Ofen möglich ist. Ein hoher Widerstand des vom Strom durchflossenen Kohleanteiles gestattet, dass mit hohen Spannungen gearbeitet werden kann. Dies hat bedeutende Vorteile hinsichtlich der elektrischen An lage von Reduktionsöfen.
Die infolge der Erhitzung durch den Stromdurch gang aus der Kohle frei werdenden Gase können die Kohleteilchen bereits zum Schweben bringen. Beim Eingeben von Erz in diese schwebende Kohlschicht kann eine fast sofortige Reduktion des Erzes erfolgen.
Die sich bildenden Reduktionsgase unterstützen den Schwebezustand, so dass die Erzteilchen bis zu ihrer Reduktion, d. h. bis zum Abtropfen des Metalls auf den Boden des Gefässes, nur langsam durch das schwebende Kohlebett sinken. Der Wirbelvorgang als solcher begründet einen sehr günstigen Wärmeaus tausch zwischen den erhitzten Kohlepartikeln und den Erzteilchen und sichert somit eine hohe Durchsatz- leistung.
Die im Schwebezustand befindlichen Kohleteil- chen winken als Reduktionsmittel bzw. als eines der kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel.
Die schwebenden Kohleteilchen bilden beispiels weise in einem Schacht von mehreren Metern Durch messer ein mehrere Meter tiefes Bett. Zur Strom zuführung können an der Peripherie, z.@B. in Drei ecksanordnung, Stromzuführungselektrod'en (Material: Graphit oder gebrannte Kohle) angeordnet sein, die in das Kohlebett eintauchen.
Der Strom verläuft somit durch das Kohlebett. Die Kohleteilchen können bei Ablauf der Reduktion von dem im Kohlebett aufstei genden Kohlenoxydgas getragen werden, so dass das Kohlebett also quasi eine Flüssigkeit bildet. Die Höhe der erforderlichen Spannung für die Erhitzung des Kohlebettes ist abhängig von der Feinheit und der Dichte dieses Bettes und kann mehrere tausend Volt betragen.
Die Spannung kann u. a. durch die Korn grösse der zur Verwendung gelangenden Kohleteilchen eingestellt und reguliert werden. Erfahrungen hierüber liegen in umfangreichem Masse von den sogenannten Kohlegriesöfen vor, die als elektrische Schmelzöfen vielfach verwandt werden (in Laboratorien) und bei denen eine Schicht feinkörniger Kohle als elektrischer Widerstand geschaltet ist.
Zur Durchführung des Reduktionsprozesses kann körniges Eisenerz vor. oben in ein hocherhitztes Kohlebett eingestreut werden. Dieses Einstreuen des Eisenerzes erfolgt vorzugsweise derart, dass die Bil dung kompakter Partien von Erz in dem Kohlebett vermieden wird, d. h. also, dass mit Vorteil jedes Erz teilchen von einem LUberschuss an Kohle umgeben ist. Infolge ihrer Schwere sinken die Erzpartikel in dem quasi flüssigen Kohlebett nach unten.
Auf dem Wege durch das Kohlebett werden die Erzpartikel durch die direkte Berührung mit den Kohlepartikeln und ge gebenenfalls vorhandenen kohlenstoffhaltigen reduzie renden Gasen reduziert, so dass sich am Boden des Reduktionsgefässes das gewonnene Metall ansammelt. Die die Reduktionsgeschwindigkeit und die Aufent haltszeit der Erzpartikel im Kohlebett steuernden Fak toren sind so einstellbar,
dass das Erz nach dem Durchfallen des Kohlebettes im wesentlichen ausredu- ziert ist.
Für die Beherrschung und Steuerung des Reduk tionsprozesses stehen die folgenden Faktoren zur Ver fügung: die Temperatur des Kohlebettes, reguliert durch die an die Elektroden angelegte Spannung; die Höhe des Kohlebenes; die Korngrösse der Kohle; die Korngrösse des Erzes und die Bewegung des Kohlebettes.
Grundsätzlich ist es möglich, die Temperatur des elektrisch erhitzten Kohlebettes so einzustellen, dass sie entweder unterhalb der Schmelztemperatur des Erzes oder oberhalb der Schmelztemperatur des Erzes liegt, so dass die Reduktion entweder bei sich verflüs- sigendem oder bei noch festem bzw. teigigem Erz durchgeführt wird. Man kann auch das Erz sich zu nächst durch einen Temperaturbereich bewegen las sen, der unterhalb seiner Schmelztemperatur liegt und danach durch einen Temperaturbereich, der oberhalb seines Schmelzpunktes liegt.
Der Normalfall dürfte der sein, dass man- die Reduktionsprodukte schmelz- flüssig aus der Reduktionsapparatur abzieht. Dies be deutet, dass am Boden des Reduktionsgefässes sich ein Metallbad, z. B. ein Eisenbad, bildet und darüber sich eine flüssige Schlacke befindet, die aus der geschmol zenen Gangart des Erzes, aus der geschmolzenen Kohlenasche und aus u. U. noch nicht reduzierten Erzen, z. B. Eisenoxyden, besteht.
Die Schlackenschicht kann für die weitere Regu lierung des elektrischen Reduktionsprozesses heran gezogen werden. Bei sehr hoher Temperatur des Kohlebettes wird eine weitgehende Verhüttung der feinen Erzpartikel, z. B. Eisenerzpartikel, stattfinden. Je nach der Gangart und je nach den Zuschlagstoffen kann auch eine Reduktion von Siliziumoxyd usw. er folgen.
Gibt man in geregelter Weise in das in die Kohle eingestreute Erz zusätzlich grössere Erzstück chen, so gelangen diese praktisch umreduziert in die Schlacke und reichern diese mit Erz, z. B. Eisenoxyd, an. Hierdurch kann eine geregelte geringe Oxyda tionswirkung von selten der Schlacke auf die durch diese hipdurchtropfenden, durch vorherige Reduktion gewonnene Metallpartikel ausgeübt werden, was einer Nachregulierung des gewünschten Reduktionsgrades entspricht.
Es ist anderseits auch möglich, dass man zu der Kohle zusätzlich in geregelter Weise grobkörnige Kohlestücke gibt, die auf die Schlacke zu liegen kom men, so d'ass die aus dem schwebenden Kohlebett sich nach unten ausscheidenden Schlackentropfen durch ein im wesentlichen fest angeordnetes Kohle bett hindurchtropfen müssen und hier vollständig aus reduziert werden können. Man hat also in einem sol chen Reduktionsapparat weitgehende Regulierungs- möglichkeiten für die vollständige Reduktion der oxy- dischen Erze, z.
B. Eisenerze, zur Verfügung.
Für die Erzielung eines geringen Kohleverbrau- ches bei dem vorliegenden elektrischen Reduktions verfahren können Massnahmen angewendet werden, die der Anreicherung des die Reduktionsapparatur verlassenden Gases mit Kohlensäure dienen. Insbe sondere kann auch die Zersetzungsreaktion des Koh lenmonoxydes nach der Reaktionsgleichung 2 CO @ CO., + C in diesem Sinne ausgenutzt werden. Wegen der Druck abhängigkeit dieser Reaktion ist es vorteilhaft, das Reduktionsverfahren unter erhöhtem Druck, z. B. über 2 atü, durchzuführen.
Für die konstruktive Gestaltung des Reduktions ofens wird vorgeschlagen, die Elektroden, welche aus Kohle oder Graphit bestehen können, von oben in das Kohlebett einzuführen und in das Kohle'bett eintau chen zu lassen. Besonders vorteilhaft ist die Verwen dung einer gekühlten, nicht stromleitenden Fassung. Sie kann z. B. aus wasserdurchflossenen Quarzrohren bestehen.
Durch die Verwendung solcher Fassungen ist es möglich, zu erreichen, dass der elektrische Strom vornehmlich in einer bestimmten horizontalen Schicht durch das Kohlebett geleitet wird und dementspre chend eine bestimmte günstige Temperaturverteilung im Kohlebett hervorgerufen wird.
Die unteren Spitzen der Elektroden liegen vorzugsweise so hoch über der Oberfläche der Schlackenschicht, dass der Strom zum grössten Teil direkt durch das Kohlebett geleitet wird. Nur so kann eine hohe Spannung zwischen den Elek troden mit einer grossen Leistungsaufnahme des Ofens aufrechterhalten bleiben, d<B>a</B> andernfalls der elek trische Strom durch die Schlackenschicht fliessen und hier nur einen niedrigen elektrischen Widerstand vorfinden würde. Durch die regelbare Einstellung des Elektrodenabstandes von der Schlackenoberfläche lässt sich die Strommenge, die durch die Schlacke fliesst und damit die Temperatur regeln.
Der Abbrand an den Elektroden sollte möglichst klein gehalten wer- den. Dies kann vor allem dadurch erreicht werden, dass das Eisenerz möglichst in der Mittelzone auf das Kohlebett aufgestreut wird, so dass die Kohleelektro den mit dem Erz nicht in Berührung kommen.
Für die Einführung der nachzufüllenden Kohle in das sich im Schwebezustand befindliche Kohlebett bestehen zwei verschiedene Möglichkeiten: man kann einmal die Kohle mit dem Erz gemeinsam in das Kohlebett hineinfallen lassen. Dies hätte aber zur Folge, dass an der Oberfläche des Bettes ein gewichts mässiger überschuss an Erz besteht, da auf vier Ge wichtsteile Erz im allgemeinen etwa ein Gewichtsteil Kohle kommt. Dies kann zu Zusammensinterungen und Unregelmässigkeiten in der Verteilung des Erzes führen.
Es ist deshalb voraussichtlich günstiger, dass man Erz und Kohle getrennt voneinander dem Reduk tionsbett zuführt. Die nachzufüllende Kohle führt man in diesem Fall zweckmässig von der Seite zu, so dass man immer ein bestimmtes Niveau des quasi flüssigen Kohlebettes aufrechterhält. Ein Einblasen der Kohleteilchen ist möglich. Auf die Oberfläche dieses Kohlebettes kann man von oben das feinkör nige Erz mit so grossem Abstand zwischen den ein zelnen Teilchen einstreuen, dass diese sich beim Ab wärtswandern im Kohlebett möglichst gegenseitig nicht berühren.
Eine bedeutende Einsparung von in Form von Kohleteilchen einzusetzendem Kohlenstoff kann durch die zusätzliche Einführung von kohlenstoffhaltigen Reduktionsmitteln in gasförmiger oder flüssiger Form in das Kohlebett erreicht werden. Zum Beispiel kann Erdgas oder Öl seitlich in den unteren Teil des elek trisch erhitzten Kohlebettes eingeblasen werden. Diese zusätzlich eingeführten kohlenstoffhaltigen Reduk tionsmittel beteiligen sich an den Reduktionsreak tionen und sparen in entsprechender Menge in fester Form einzusetzenden Kohlenstoff ein.
Die Wanderungsgeschwindigkeit der Erzpartikel, z. B. der - Eisenerzpartikel, in vertikaler Richtung durch das Kohlenbett kann zusätzlich durch mecha nische Mittel beeinflusst werden, z. B. so, dass man eine geregelte Vibration der einzelnen Erzpartikel her vorruft. Solche Vibrationen lassen sich in bekannter Weise mit den Mitteln des Schalles und des Ultra- schalles erzielen.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird im folgenden anhand der beiliegen den Abbildung erläutert.
Die Abbildung zeigt einen Vertikalschnitt durch einen bevorzugt verwendeten elektrischen Kohlepul- ver-Reduktionsofen in schematischer Darstellung.
1 ist ein Gefäss, das mit einer feuerfesten Aus kleidung 2 versehen ist. Das Gefäss ist durch einen Deckei 3 gasdicht verschlossen. Zentrisch durch den Deckel 3 hindurchgeführt, ist ein keramisch ausge kleideter Zylinder 4. Der Deckel 3 hat des weiteren die exzentrisch angebrachten Öffnungen 5 für die Durchführung der Elektroden 6 und eine oder meh rere exzentrisch angebrachte Öffnungen 7 für die Zu führung der Kohle. Die Elektroden 6 sitzen ge- gebenenfalls in gekühlten Fassungen B. 9 sind die Stromzuführungen für die Elektroden.
Der keramisch ausgekleidete Zylinder 4 hat an seinem oberen Ende eine Gasabzugsöffnung 10. In dem auf dem keramisch ausgekleideten Zylinder 4 angebrachten Abschlussdeckel 11 ist zentrisch ange bracht das Zuführungs- und Verteilorgan für das Erz. Dieses besteht im vorliegenden Fall aus einer Öffnung 12 in dem Deckel 11. Über der Öffnung 12 befindet sich der Vorratsbunker 13, unter der Öffnung 12 be findet sich ein Verteilerteller 14. Der Verteilerteller 14 wird durch die Welle 15 in Umdrehung versetzt.
über dem keramischen Boden des Gefässes 1 befindet sich ein Abstichloch 16 für die flüssigen Produkte.
Die Betriebsweise des in der Abbildung dargestell ten elektrischen Kohlepulver-Reduktionsofens ist die folgende: Durch die Öffnung 7 wird die Kohle in das Gefäss 1 eingefüllt, so dass das Kohlebett ständig das Niveau 17 aufweist. Zwischen den Elektroden 6 wird eine elektrische Spannung aufrechterhalten, so dass ein Stromfluss durch das Kohlebett erfolgt und in diesem eine durch die Spannung regelbare Temperatur erzeugt.
Das aus dem Kohlebett aufsteigende Kohlen oxydgas bringt die Kohleteilehen zum Schweben. In das schwebende Kohlebett wird von oben kontinuier lich oder u.
U. auch diskontinuierlich körniges oxydi- sches Erz eingestreut, und zwar so, dass die Erzteil chen bzw. -körnet gleichmässig verteilt auf dem zu bestreuenden Bereich der Oberfläche des Kohlebettes auftreffen, wobei eine gegenseitige Berührung der Erz teilchen durch Einhalten entsprechender Abstände weitgehend vermieden wird.
Die gleichmässige Ver teilung des Eisenerzes erfolgt im vorliegenden Fall durch den drehbaren Verteilerteller 14; mittels der Welle 15 wird die Drehgeschwindigkeit des Tellers 14 ständig zwischen einem Tiefstwert und einem Höchst wert verändert. Hierdurch wird das von dem Dreh teller abgeschleuderte Material je nach der Drehge schwindigkeit mehr zum Rand des keramisch ausge kleideten Zylinders 4 geworfen oder fällt mehr in der Mittelachse des Zylinders nieder.
Durch die Einhal tung eines automatisch gesteuerten Geschwindigkeits- Zeitprogramms des Drehtellers 14 wird die weit gehende Gleichmässigkeit der Verteilung des Eisen erzes über den gesamten Querschnitt des Zylinders 4 erreicht. Die in das Kohlebett eintauchenden Erzteil chen sinken in diesem nach unten, wobei die Sink geschwindigkeit abhängt von der Korngrösse des Erzes und von der Korngrösse der Kohle.
Das Erz wird während des Abwärtssinkens in dem schwebenden Kohlebett zunächst erwärmt, dann durch die direkte Berührung mit den Kohlepartikaln und vorhandenen kohlenstoffhaltigen reduzierenden Gasen reduziert und das erhaltene Metall schliesslich aufgeschmolzen. Die während der Reduktion aus dem Erz frei werden den Gase unterstützen den Schwebezustand des Kohlebettes. Durch die Höhe des quasi flüssigen Kohlebettes,
die von der Korngrösse abhängige Ge schwindigkeit des Erzes in dem Kohlebett und die mit der Spannung regulierte Temperatur desselben werden die erforderlichen Bedingungen geschaffen, damit am Boden des Gefässes 1 der gewünschte Reduktionsgrad des Erzes erzielt wird. Das hierdurch entstandene flüssige und u. U. weitgehend aufgekohlte Metall, z. B. Eisen, sammelt sich am Boden des Gefässes 1 als flüssige Eisenschicht 18. Über der Eisenschicht 18 sammelt sich die Schlackenschicht 19.
Eisen und Schlacke können durch das Abstichloch 16 konti nuierlich oder diskontinuierlich aus dem Gefäss ent fernt werden. Es ist auch möglich, das Gefäss 2 so zu gestalten, dass der Bodenbereich abnehmbar ist oder in der Gefässwandung oberhalb des Bodens eine wenigstens den halben Umfang einnehmende ver schliessbare öffnung vorgesehen ist, um das Metall und die Schlacke auch in fester Form aus dem Gefäss entfernen zu können.
Auch kann man auf dem Boden des Gefässes 1 das Metall aufnehmende Pfannen vor sehen, die nach dem Betrieb des Ofens geleert wer den.
Mit 20 sind Einblaseöffnungen bezeichnet, die in den unteren Teil des Kohlebettes münden. Durch diese Öffnungen können einmal Gase in das Kohlebett eingeblasen werden, die dazu dienen, den Schwebe zustand des Kohlebettes zu unterstützen bzw. das Kohlebett aufzuwirbeln.
Dieses ist besonders bei Ver wendung von teil- oder völlig entgaster Kohle wich tig, da hierbei die aus der Kohle freiwerdenden Gase zur Erzeugung des Schwebezustandes ungenügend sind. Als solche Gase kommen vor allem die Abgase des Ofens, die diesen durch die öffnung 10 verlassen, in Betracht. Des weiteren können durch die Einblase öffnungen 20 auch andere kohlenstoffhaltige reduzie rende Gase - wie Erdgas und!oder Öle - in den elek trischen Reduktionsofen eingeblasen werden.
Schliess lich besteht auch die- Möglichkeit, dass man die fein körnige Kohle ganz oder teilweise durch die Einblase- öffnungen 20 in das Kohlebett einführt.