DE1003776B

DE1003776B - Vertical shaft furnace heated by means of electrical resistance heating with single-phase alternating current or direct current for endothermic reduction processes for the production of metals, in particular sponge iron

Info

Publication number: DE1003776B
Application number: DEN10144A
Authority: DE
Inventors: Olaf Jensen
Original assignee: Norsk Hydro Elektrisk Kvaelstof AS
Current assignee: Norsk Hydro Elektrisk Kvaelstof AS
Priority date: 1954-02-02
Filing date: 1955-02-02
Publication date: 1957-03-07

Description

Vertikaler mittels elektrischer Widerstandsheizung mit einphasigem Wechselstrom oder Gleichstrom geheizter Schachtofen für endothqrme Reduktionsprozesse zur Herstellung von Metallen, im besonderen Eisenschwamm Bei der trockenen Reduktion von Eisenerz mit Wasserstoff oder stark wasserstoffhaltigem Gas muß dem Vorgang Wärme zugeführt werden, was erhebliche Schwierigkeiten mit sich bringt, wenn die Reduktion in größerem Maßstab ausgeführt werden soll. Wenn man somit versucht, die erforderliche Wärmemenge bei einer Temperatur des Reduktionsgases, die über Reaktionstemperatur liegt, zuzuführen, wird der erzeugte Eisenschwamm so warm werden, daß er in einer festen Masse zusammensintert; wenn man statt dessen die Wärme durch die Ofenwände oder mittels anderer Wärmeflächen zuführt, werden diese auch so warm werden, daß der Eisenschwamm an diesen haftet.Vertical by means of electrical resistance heating with single phase Alternating current or direct current heated shaft furnace for endothermic reduction processes for the production of metals, especially sponge iron. During dry reduction of iron ore with hydrogen or gas with a high hydrogen content must be included in the process Heat are supplied, which causes considerable difficulties when the Reduction should be carried out on a larger scale. So if you try to get the Required amount of heat at a temperature of the reducing gas which is above the reaction temperature is to feed, the sponge iron produced will be so warm that it is in a solid mass sintered together; if you instead let the heat through the furnace walls or by means of other heating surfaces, these will also become so warm that the sponge iron adheres to them.

Eine andere bekannte Möglichkeit, die erforderliche Wärmemenge zuzuführen, hat man in der elektrischen Widerstandsheizung, wo der erzeugte Eisenschwamm das Widerstandsmaterial bildet. Aber auch in diesem Fall stößt man auf erhebliche praktische Schwierigkeiten. Während das ursprüngliche Eisenerz den elektrischen Strom überhaupt nicht oder sehr schlecht leitet, hat der fertigreduzierte Eisenschwamm eine für ein Widerstandsmaterial verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials verändert sich somit während des Reduktionsprozesses sehr stark. Dies bringt jedoch den Vorteil, daß die Wärme dort am stärksten entwickelt wird, wo auch der Reduktionsprozeß am schnellsten abläuft und wo der Wärmebedarf demzufolge am größten ist. Anderseits kann die Wärmeentwicklung in der wenig reduzierten Masse so stark werden, daß die Masse schmilzt, bevor sie genügend reduziert worden ist, während die Temperatur in den Teilen des Reduktionsofens, wo sich stärker reduziertes Material befindet, infolge zu kleiner Wärmezufuhr gleichzeitig zu niedrig wird.Another known way of supplying the required amount of heat, one has in the electrical resistance heating, where the produced sponge iron that Resistance material forms. But even in this case one comes across considerable practical ones Trouble. While the original iron ore used electricity at all does not conduct or conducts very poorly, the reduced iron sponge has one for a resistor material with a relatively high conductivity. The electrical conductivity of the material changes very strongly during the reduction process. this has the advantage, however, that the heat is developed most strongly where it is the reduction process is the fastest and where the heat demand is therefore at the greatest is. On the other hand, the heat development in the little reduced mass become so strong that the mass melts before it has been sufficiently reduced, while the temperature in the parts of the reduction furnace where there is more reduced Material is located, due to insufficient heat supply at the same time becomes too low.

Wenn somit, wie bekannt, die Reduktion in einem vertikalen Schachtofen, wo das Eisenerz im oberen Ende des Schachtes zugegeben und im Gegenstrom gegen das wasserstoffhaltige Gas nach unten geführt wird, vorgenommen und die elektrische Energie als einphasiger Wechselstrom oder Gleichstrom durch zwei übereinander angebrachte Elektroden aus Eisen zugeführt wird, kann die Temperatur um die obere Elektrode so hoch ansteigen, daß das in deren Höhe befindliche Eisenerz schmilzt und die Elektrode selbst dann stark angegriffen wird, wenn sie wassergekühlt ist. Zugleich wird der untere Teil des Ofens nicht so warm, daß der Reduktionsprozeß mit genügender Geschwindigkeit zu Ende geführt werden kann. Besteht die obere Elektrode aus einem zentral angebrachten vertikalen Zylinder, wird das Eisenerz, das sich in unmittelbarer Nähe der Elektrode befindet, stärker erhitzt und infolgedessen rascher reduziert als der Teil des Erzes, der sich näher an den Ofenwänden befindet. Die Folge hiervon ist, daß sich in der Mitte des Ofens ein Kern von Erz bildet, das stärker reduziert ist als das Erz, das sich an den Ofenwänden entlang bewegt; der elektrische Strom fließt daher vorzugsweise durch die zentralen Teile der Beschickung des Ofenschachtes, die dadurch die ganze Energiezufuhr erhalten und demzufolge stark erhitzt werden, während die peripheren Teile relativ kalt bleiben. In einem Schachtofen von 550 mm Innendurchmesser, der mit einer zylindrischen, oberen Elektrode von 200 mm Durchmesser versehen war, wurde beispielsweise in einem Abstand von 30 mm von der Ofenwand nach innen eine Temperatur von 575° gemessen, während. die Temperatur in einem Abstand von 90 mm von der Ofenwand nach innen zur selben Zeit 850° war. Da der Ofen gut isoliert war, konnte dieser Temperaturunterschied nicht allein Wärmeverlusten an der Ofenwand zugeschrieben werden.If, as is known, the reduction in a vertical shaft furnace, where the iron ore is added at the top of the shaft and in countercurrent against that hydrogen-containing gas is passed down, made and the electrical Energy as single-phase alternating current or direct current through two superimposed Electrodes made of iron are fed, the temperature around the top electrode can rise so high that the iron ore in their height melts and the electrode will be severely attacked even if it is water-cooled. At the same time, the the lower part of the furnace is not so warm that the reduction process takes place at sufficient speed can be completed. If the upper electrode consists of a centrally attached one vertical cylinder, is the iron ore that is in close proximity to the electrode located, more heated and consequently reduced more rapidly than the part of the ore, which is closer to the oven walls. The consequence of this is that the In the middle of the furnace forms a core of ore which is more reduced than the ore, moving along the furnace walls; the electric current therefore flows preferentially through the central parts of the charging of the furnace shaft, which thereby the whole Energy supply received and consequently strongly heated, while the peripheral Parts stay relatively cold. In a shaft furnace with an internal diameter of 550 mm, the was provided with a cylindrical upper electrode of 200 mm in diameter for example, at a distance of 30 mm from the furnace wall inwards, a temperature measured from 575 ° while. the temperature at a distance of 90 mm from the furnace wall inward at the same time was 850 °. Since the stove was well insulated, it could Temperature difference is not solely attributed to heat losses on the furnace wall will.

Die hier erwähnten Schwierigkeiten bei der elektrischen Widerstandserhitzung von Reduktionsöfen lassen sich zum Teil dadurch beseitigen, daß ein Teil des reduzierten Eisenschwammes zusammen mit nicht reduziertem Eisenerz in das obere Ende des Ofens zurückgeführt wird, womit die elektrische Leitfähigkeit des zugesetzten Materials wesentlich vergrößert wird. Aber hiermit sind noch nicht die oben beschriebenen Mängel bei einer zentral angebrachten oberen Elektrode beseitigt.The difficulties with electrical resistance heating mentioned here of reduction furnaces can be partly eliminated by removing some of the reduced Sponge iron along with unreduced iron ore in the top of the furnace is returned, thus reducing the electrical conductivity of the added material significantly enlarged will. But that doesn't mean the ones above described deficiencies in a centrally mounted upper electrode eliminated.

Es wurde nun festgestellt, daß die obengenannten Schwierigkeiten, die mit der elektrischen Widerstandserhitzung des Eisenschwammes verbunden sind, sich durch Anwendung eines Ofens nach der Erfindung beseitigen lassen.It has now been found that the above-mentioned difficulties associated with the electrical resistance heating of the sponge iron, can be eliminated by using a furnace according to the invention.

In Höhe der unteren Kante der oberen Elektrode wird der Ofenquerschnitt so stark erweitert, daß die beiden Teile des Ofens an dieser Stelle einen breiten Absatz bilden, auf -,velchem die Elektrode, die als Ringelektrode ausgebildet ist, ruht. Die Elektrode wird dicht an der Ofenwand angebracht, und der Absatz wird so breit gemacht, daß ein Teil davon innerhalb der Elektrode frei bleibt. Die Elektrode hat somit eine in bezug auf den unteren Querschnitt des Ofens zurückgezogene Lage. Wird der Ofen mit Eisenerz bzw. Eisenschwamm gefüllt, fällt ein Teil des Materials in der Höhe der oberen Elektrode auf diesen vom Mauerwerk des Ofens gebildeten Absatz und wird demzufolge hier ruhig liegenbleiben. Das Material wird daher rasch gänzlich reduziert, so daß die obere Elektrode nur mit einem gut leitenden -Material in Berührung kommt. Die temperaturausgleichende Wirkung des aufwärts steigenden Gasstromes wird im geringeren Maße dem Material in der Nähe der oberen Elektrode zugute kommen, so daß dessen Temperatur so hoch ansteigen kann, daß die Eisenschwammstücke zusammengeschweißt werden. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit noch besser und die Wärmeentwicklung an dieser Stelle entsprechend kleiner. Dieser Effekt zusammen mit der Wirkung der gekühlten Eisenelektrode verhindert, daß der Eisenschwamm in unmittelbarer Nähe der Elektrode schmilzt.The furnace cross-section is at the level of the lower edge of the upper electrode expanded so much that the two parts of the furnace at this point are wide Form paragraph, on -, velchem the electrode, which is designed as a ring electrode, rests. The electrode is placed close to the furnace wall, and the ledge becomes so made wide that part of it remains free within the electrode. The electrode thus has a retracted position with respect to the lower cross section of the furnace. If the furnace is filled with iron ore or sponge iron, part of the material falls at the level of the upper electrode on this ledge formed by the masonry of the stove and will therefore remain quietly here. The material therefore quickly becomes complete reduced so that the upper electrode only comes into contact with a highly conductive material comes. The temperature equalizing effect of the rising gas flow is to a lesser extent benefit the material near the top electrode, so that its temperature can rise so high that the sponge iron pieces welded together will. This improves the electrical conductivity and heat generation at this point correspondingly smaller. This effect together with the effect of the cooled iron electrode prevents the sponge iron in close proximity the electrode melts.

Die untere Elektrode wird vorteilhaft als offener, schwach nach oben gebogener Rost ausgeführt, durch welchen der erzeugte Eisenschwamm in die weiter unten gelegene Kühlzone gelangt. Diese Elektrode kann ebenfalls aus Eisen sein und innen mit Wasser oder Luft gekühlt werden.The bottom electrode is beneficial as an open, weak top curved grate, through which the produced sponge iron continues into the cooling zone located below. This electrode can also be made of iron and cooled inside with water or air.

Die von der oberen Elektrode ausgehenden, angenähert horizontalen elektrischen Stromlinien werden an der Kante des obengenannten Absatzes in vertikaler Richtung umbiegen und sind an dieser Stelle selbstverständlich besonders konzentriert. Um ein Überhitzen des Eisenschwammes an dieser Stelle zu vermeiden, kann das frische Reduktionsgas durch einen Ringkanal unmittelbar unter der oberen Elektrode eingeführt werden, wodurch hier die Gasgeschwindigkeit und damit auch die temperaturausgleichende Wirkung des Gases größer wird. Letztgenannte wird auch dadurch verstärkt, daß der Reduktionsprozeß mit dem frischen Gas schneller abläuft als mit dem von unten kommenden und zum Teil bereits ausgenutzten Gas. Schließlich kann selbstredend an dieser kritischen Stelle im Ofen auch eine Temperaturregelung vorgenommen werden, indem die Temperatur des Frischgases geregelt wird.The approximately horizontal ones emanating from the upper electrode electric streamlines are at the edge of the above paragraph in vertical Bend in the direction and are of course particularly concentrated at this point. To avoid overheating the sponge iron at this point, the fresh Reducing gas introduced through an annular channel just below the top electrode be, whereby here the gas velocity and thus also the temperature compensating Effect of the gas is greater. The latter is also reinforced by the fact that the Reduction process with the fresh gas runs faster than with that coming from below and partially used gas. Finally, of course, this can be critical Place in the oven a temperature control can also be made by adjusting the temperature of the fresh gas is regulated.

Die Temperatur im Ofen erreicht in der Höhe der oberen Elektrode ihren Höchstwert (etwa 900°) und nimmt im Ofen nach oben und nach unten ab. Der aufwärts streichende Gasstrom mit einer Temperatur zwischen etwa 700 und 900° bewirkt eine Vorreduktion des Eisenerzes in dem Teil des Ofens, der zwischen der oberen Elektrode und dem Kopf des Ofens liegt, wo das Eisenerz vorgewärmt wird. Diese Vorreduktion kann dadurch gesteigert werden, daß eine Hilfselektrode von derselben Form wie die untere Elektrode und mit dieser elektrisch verbunden in passender Höhe über der oberen Elektrode angebracht wird. In dem Maße, wie es die Leitfähigkeit des angesetzten gemischten Materials zuläßt, wird dann ein größerer oder kleinerer Teilstrom von der oberen Elektrode zur Hilfselektrode fließen und die Reduktionswirkung im Schacht unmittelbar über der oberen Elektrode verstärken. Diese Schaltung darf nicht mit der sogenannten Scottschen Schaltung für Dreiphasenstrom verwechselt werden (s. norwegische Patentschrift 58 215). Bei der letztgenannten Schaltung würden die gleichen Schwierigkeiten in der Umgebung der Hilfselektrode entstehen.The temperature in the furnace reaches its level at the level of the upper electrode Maximum value (about 900 °) and decreases upwards and downwards in the furnace. The up stroking gas stream with a temperature between about 700 and 900 ° causes a Pre-reduction of the iron ore in the part of the furnace between the upper electrode and the top of the furnace is where the iron ore is preheated. This pre-reduction can be enhanced by having an auxiliary electrode of the same shape as the lower electrode and electrically connected to it at a suitable height above the upper electrode is attached. To the extent that it is the conductivity of the set mixed material allows, then a larger or smaller partial flow of the upper electrode to the auxiliary electrode and the reduction effect in the shaft Reinforce immediately above the top electrode. This circuit is not allowed with the so-called Scott circuit can be mistaken for three-phase current (see Sect. Norwegian patent specification 58 215). The latter circuit would do the same Difficulties arise in the vicinity of the auxiliary electrode.

In der Zeichnung ist ein in Übereinstimmung mit der Erfindung gebauter Ofen dargestellt.In the drawing is one built in accordance with the invention Furnace shown.

Es bezeichnet 1 einen vertikalen Schachtofen; dieser besteht aus einem gasdichten Eisenmantel, ist innen mit feuerfesten Steinen ausgemauert und weist außen eine Isoliersteinschicht auf (a ist die Vorwärmzone, b die Vorreduktionszone, c die Hauptreduktionszone und d die Kühlzone des Ofens) ; 2 bezeichnet die obere ringförmige Elektrode, 3 die untere Elektrode, 4 die Hilfselektrode, 5 .den Ringkanal zum Einführen des Frischgases, 6 den Einphasentransformator mit Spannungsregelung, 7 den Spannungsregler, 8 die Zusatzringelektrode.It denotes 1 a vertical shaft furnace; this consists of one gas-tight iron jacket, is lined with refractory bricks on the inside and shows a layer of insulating stone on the outside (a is the preheating zone, b the prereduction zone, c the main reduction zone and d the cooling zone of the furnace); 2 denotes the upper one ring-shaped electrode, 3 the lower electrode, 4 the auxiliary electrode, 5 .the ring channel for introducing the fresh gas, 6 the single-phase transformer with voltage regulation, 7 the voltage regulator, 8 the additional ring electrode.

Der Ofen wird von oben, wie mit dem Pfeil E angedeutet, mit einem Gemisch von stückförmigem Eisenerz und reduziertem Eisenschwamm gefüllt, der vom Boden des Ofens entnommen (s. Pfeil F) und zum Teil in den Ofen zurückgeführt wird. Ein Gasgemisch, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenoxyd mit mindestens 50% Wasserstoff besteht, wird im Ofenboden eingeleitet, wie mit dem Pfeil G angedeutet. Das am Kopf des Ofens (Pfeil H) abgeführte Gas wird abgekühlt und von seinem Gehalt an Wasserdampf und Kohlendioxyd befreit, ehe es vom Boden des Ofens aus in den Schacht zurückgeführt wird. (Die hierzu benötigte Apparatur ist in der Zeichnung nicht veranschaulicht.) Das Frischgas wird mit einer Temperatur von etwa 900° durch einen Ringkanal s in der Mitte des Ofens gerade unter der oberen Elektrode eingeführt (s. Pfeil K).The furnace is from above, as indicated by the arrow E, with a Mixture of lump-shaped iron ore and reduced sponge iron filled from the The bottom of the furnace is removed (see arrow F) and some of it is returned to the furnace. A gas mixture consisting mainly of hydrogen and carbon oxide with at least 50% hydrogen is introduced into the furnace floor, as indicated by the arrow G. The gas discharged at the top of the furnace (arrow H) is cooled and its content of water vapor and carbon dioxide before it enters the shaft from the bottom of the furnace is returned. (The equipment required for this is not illustrated in the drawing.) The fresh gas is at a temperature of about 900 ° through an annular channel s in in the middle of the furnace just below the top electrode (see arrow K).

Wen mit einem größeren Durchmesser als 2 bis 3 m können zweckmäßig mit einer feuerfesten Säule in der Ofenmitte versehen sein, wie in der Zeichnung mit punktierten Linien angedeutet. Die Säule hat eine Erweiterung, die oben einen Absatz bildet, ähnlich wie der früher erwähnte Absatz im Mauerwerk des Ofens und in derselben Höhe wie dieser; hier ist eine zusätzliche obere Elektrode 8 in derselben Weise und von derselben Form wie die schon beschriebene obere Elektrode angebracht und mit dieser elektrisch verbunden (in der Zeichnung nicht veranschaulicht). Die ganze Säule kann auch zur zusätzlichen Abstützung für die untere Elektrode und die Hilfselektrode dienen, wie in der Zeichnung angedeutet ist.Who with a larger diameter than 2 to 3 m can be appropriate be provided with a refractory column in the middle of the furnace, as in the drawing indicated with dotted lines. The column has an extension, the one at the top Paragraph forms, similar to the paragraph mentioned earlier in the masonry of the stove and at the same level as this one; here is an additional top electrode 8 in the same In the same manner and shape as the upper electrode already described and electrically connected to it (not illustrated in the drawing). the whole column can also provide additional support for the lower electrode and the Serve auxiliary electrode, as indicated in the drawing.

Der hier beschriebene Ofen kann natürlich mit Vorteil auch für Reduktion anderer Metalle mit Gas, deren Reduktionsvorgang endotherm ist und deshalb Zuführung von Energie erfordert, benutzt werden.The furnace described here can of course also be used with advantage for reduction other metals with gas, the reduction process of which is endothermic and therefore feed of energy required to be used.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Vertical shaft furnace, heated by means of electrical resistance heating with single-phase alternating current or direct current, for endothermic reduction processes for the production of metals, in particular sponge iron, whereby the charge with the reduced metal forms the electrical resistance material in a heated zone in the middle part of the furnace between an upper one and a lower electrode, characterized in that the inside diameter of the upper part of the furnace shaft is greater than the inside diameter of the part underneath it and that the annular upper electrode (2) so on the shoulder formed by these two parts of the furnace is attached that it is very close to the furnace wall, and an inner part of the shoulder not covered by the electrode remains free.

2. Furnace according to claim 1, characterized in that that the lower electrode (3) is shaped like an open grate.

3. Oven according to claim 1 or 2, characterized in that in the upper part of the furnace above the upper main electrode (2) an auxiliary electrode (4) is arranged, which is connected to the lower main electrode (3) electrically connected and carried out in a similar manner as this.

4. Oven after Claim 1, 2 or 3 with larger dimensions, e.g. B. with a diameter of more as 2 to 3 m, characterized by a central, fireproof column with an extension, the one horizontal paragraph in the amount of the paragraph characterized in claim 1 forms, and an additional ring electrode (8) resting on the shoulder of the column, which with the ring electrode (2) formed on the of both parts of the furnace Paragraph rests, is electrically connected.

5. Furnace according to claim 4, characterized in that that the column is level with the lower electrode (3) and the auxiliary electrode (4) for support the same is provided with paragraphs or supporting organs.

6. Oven according to any one of the claims 1 to 5, characterized by an annular channel arranged under the upper electrode (5).