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Vorrichtung zum Erschmelzen von Metallen aus feinkörnigen Erzen Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erschmelzen von Metallen, insbesondere Eisen,
aus feinkörnig in einen Reaktionsraum eingebrachten und durch dies.eil fallenden
Erzen mittels heißer reduzierender Gase.
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Es ist bekannt, aus staubförmigen Erzen Eisen zu gewinnen. So werden
z. B. das zu reduzierende Erz tind d:2 Reduktionsmittel in staubförmigem Zustand
ollen in einen Schacht eingebracht. Die Luft wird tangential, ebenfalls oben, in
den Schacht eingeblasen, durchläuft den Schacht von oben nach unten und zieht unten
in der 1-Iitte mit den bei der Reduktion gebildeten Gasen aus dein Schacht ab. Nach
einem anderen Vorschlag wird das Erz und der Hauptteil #hs Kokses oben in eiiieii
Schachtofen eingebracht, die Luft dagegen, mit pulverförmigem Koks ver-
mengt,
unten eingeblasen.
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Das erste Verfahren weist den Nachteil auf, daß in dem Ofen unten,
wo er am heißesten gehen soll, nur :eine mäßig lio'1ie Temperatur vorhanden ist.
Beim anderen Verfahren wird durch die eingeblasene Luft aber das bereits reduzierte
Erz mindestens teilweise wieder oxydiert.
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\Veiter wurde schon vorgeschlagen, Eisenerze in cineni in eine Döst-,
Reduktions- und Schmelzzone unterteilten Reaktionsraum oben feinkörnig einzubringen
und bei ihrem Fall durch diesen im oberen T<.@i1 (I\'#östzoiie) mit oxydierenden
Gasen zu rösten und auf (lic I2edti,ktionsteniperatur vorzuwärmen, im mittleren
Teil (Reduktionszone) mit reduzierenden Gasen zu reduzieren und auf eine Temperatur
unterli;ill) cles Sclinielzpunktes von Eisen, aber oberhalb Sc'limelzptitiktes von
Eisen-Kohlenstoff-Verbindunn zu erwärmen und im unteren Teil (Schmelzzone) das Eisen
durch Aufkohlen auf eine Eisen-Kohj,:ii@tofi-Verbindung mit entsprechend niedrigem
Scliiiielzpunl.t zu schmelzen.
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hei diesem Verfahren wird in die Reduktionszone neben den reduzierencl2n
Gasen noch Luft eingeführt, uni durch Verbrennen eines Teiles der reduzierenden
Gase den Wärmebedarf in der Reduktionszone zu decken. Durch die eingeführte Luft
kann aber ein Teil der bereits reduzierten Erze wieder oxydiert w-,#i-den. Zum anderen
weist das erhaltene Eisen, bedingt durch das Aufkohlen, in der Schmelzzone einen
holten Kohlenstoffgehalt auf.
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bei der erfindungsgemäß-en Vorrichtung ist nun neben dein in bekannter
Weise in eine Reduktionszone und in eine Schmelzzone unterteilten Reaktionsrauin
ein Spaltraum angeordnet und der Spaltraum mit der Sch.inelzzone durch einen Spaltgaskanal
sowie (las ollere Ende des Reaktionsraumes mit der Schmelzzone durch einen Abgasrückführungskanal
verbunden. Der Spaltgaskanal soll möglichst kurz sein, uiii \Värineverluste zu vermeiden.
Der Spaltraum ist vorteilhaft in Höhe der Schmelzzone neben dem Reaktionsraum angeordnet.
Die feinkörnigen Erze werden oben in den Reaktionsraum eingebracht.
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Im Spaltraum wird durch thermische Spaltung von flüssigen Kc'h.lenwasserstoffen,
wie öl, Benzol u. dgl., oder gasförmigen, wie Methan, Propan, Erdgas usw., :alt
Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft ein reduzierendes Gasgemisch
erzeugt. Dieses Gasgemisch (im folgenden Spaltgas genannt) besteht im wesentlichen
aus H2 u.nd CO und enthält fi---ien Kohlenstoff. Oxydierend wirkende Stoffe sind
in diesem Spaltgas nicht enthalten, auch keine Kohlensäure und kein Wasserdampf.
Diese Spaltgase werden nach ihrer Bildung durch den Spaltgaskatial in die Schmelzzone
eingeführt, steigen hier empor und strömen den von oben herabfallenden Erzen ent-@et;en.
ST.- besitzen bei ihrer Einführung in die Schmelzzone Temperaturen von etwa 2000°
C und mehr und bewirken das Schmelzen der in der Recluktionszon,# zu Metall reduzierten,
in die Schmelzzone fallenden Erze. Gleichzeitig wird durch den im Gasgemisch vorhandenen
freien Kohlenstoff in den i-editzicrten Erzen gegebenenfalls noch vorhandener S-iuerstoff
Tiber eine Zwischenreaktion mit Wasserstoff zu CO gebunden. Eine Oxydation bereits
reduzi@rter Erze ist also nicht möglich. Das Eisen kann aber auch keine wesentlichen
Mengen Kohlenstoff aufnehmen, da im Gas nur geringe Mengen Kohlenstoff enthalten
sind.
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Die aus der Schmelzzone in die Reduktionszone aufsteigenden Spaltgase
reduzieren dann in dieser Zone die herabfallenden Erze.
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Die Temperatur der frisch gebildeten Spaltgase liegt ini allgemeinen
beträchtlich, oberhalb der Schmelztemperatur der Metalle. Dadurch wird das Mauerwerk
des Reaktionsraumes aber nur unnötig beansprucht. Um diese zu vermeiden, ist erfindungsgemäß
das
obere Ende des Reaktionsraumes mit der Schmelzzone durch einen Abgasrückführungskanal
verbunden, durch den ein Teil der den Ofen verlassenden, nur noch mäßig warmen Abgase
in die Schmelzzone zurückgeführt wird. Es wird jedoch höchstens eine solche Menge
Abgas zurückgeführt, daß das in den Reaktionsraum eingeführte Spaltgas-Abgas-Gemisch
noch mindestens eine zum Schmelzen der reduzierten Erze ausreichende Temperatur
besitzt. Zum Erschmelzen von Eisen z. B. soll es noch etwa 1700° C heiß sein. Der
bei den hohen Temperaturen des Spaltgases aus der in den zugesetzten Abgasen enbhaltenen
Kohlensäure bzw. Wasserdampf unter Bildung von C O bzw. H2 sich abspaltende Sauerstoff
reagiert mit dem in den Spaltgasen enthaltenen freien Kohlenstoff unter Bildung
von CO. Die Spaltung des Öles muß also so gelenkt werden, daß nach der Reaktion
der Kohlensäure bzw. des Wasserdampfes der Abgase mit dem freien C der Spaltgase
noch freier Kohlenstoff in dem Gasgemisch vorhanden ist, der den gegebenenfalls
noch in den reduzierten Erzen vorhandenen Sauerstoff binden kann. Trotz der Rückführung
eines Teiles der Abgase in die Schmelzzone werden in diese also keine oxydierenden
Gase eingeführt.
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Das aus der Schmelzzone austretende, in die Reduktionszone aufsteigende
Gasgemisch weist sehr oft noch eine Temperatur auf, die beträchtlich höher ist als
die bei der Reduktion erforderliche und die oberhalb der Sintertemperatur der Erze
liegt. Dadurch sintern die Erze teilweise, bevor sie reduziert sind, wodurch ihre
Reduktion sehr erschwert wird, und fallen zum Teil unreduziert in die Schmelzzone.
Auch wird das Mauerwerk in der Reduktionszone unnötig stark beansprucht. Weiter
kann der Fall eintreten, daß das aus der Schmelzzone austretende Gasgemisch noch
so heiß ist, daß noch keine CO.- und H20-Bildung möglich ist, das in den
Gasen enthaltene CO und H2 also noch nicht reduzierend auf die Erze wirken können.
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Um dies zu vermeiden, ist in weiterer Ausbildung der Erfindung auch
das untere Ende der Reduktionszone mit dem oberen Ende des Reaktionsraumes durch
einen Spaltgasrückführungäkanal verbunden, durch den Abgase in die Reduktionszone
eingeführt werden. Dabei sollen Abgase mindestens in solcher Menge in die Reduktionszone
zurückgeführt werden, daß an derem unteren Ende, dem Gaseintrittsende, eine Temperatur
unterhalb der oberen Bestündigkeitsgrenze von C02 und H20 entsteht, im allgemeinen
eine bis etwa 1200° C. Bei diesen Temperaturen werden die Erze durch das aus der
Schmelzzone aufsteigende Gasgemisch, welches im wesentlichen aus CO und H2 besteht
und freien Kohlenstoff enthält, unter Bildung von CO, und H2 O zu Metall
reduziert. Die Kohlensäure und der Wasserdampf, die in den in die Reduktionszone
eingeführten Abgasen vorhanden sind; spalten bei diesen Temperaturen keinen Sauerstoff
mehr ab, der oxydierend auf bereits reduzierte Erze wirken könnte. Zweckmäßig ist
es, die Temperatur in der Reduktionszone unterhalb der Sintertemperatur der Erze
zu halten und dazu eine entsprechende Menge Abgas in die Reduktionszone zurückzuführen.
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Will man mit Sicherheit vermeiden, mit den in die Schmelzzone zur
Temperaturregelung zurückgeführten Abgase oxydierend wirkende Stoffe in diese gelangen
zu lassen, so führt man die Abgase gemeinsam mit dem zur Spaltung der Xahlenwasserstoffe
verwendeten Sauerstoff usw. in den Spaltraum ein. Zu diesem Zwecke kann auch das
Eintrittsende des Spaltraumes mit dem oberen Ende des Reaktionsraumes durch einen
Spaltgäsrückführungskanal verbunden sein. In dem Spaltraum reagieren die Kohlensäure
und' der Wasserdampf, welche in den Abgasen enthalten sind, mit den Kdhlenwasserstoffen
unter Bildung von C O und H2. Diese Reaktion verläuft endotherm, die Reaktion der
Kohlenwasserstofffe usw. mit dem Sauerstoff usw. jedoch exotherm. Durch entsprechende
Bemessung der Abgasmenge und der Sauerstoffmenge zueinander und zu den Kohlenwasserstoffgin
kann dem aus dem Spaltraum austretenden Gasgemisch dann die zum Schmelzen der reduzierten
Erze erforderliche Temperatur gegeben werden. Diese Maßnahme bringt weiter noch
den Vorteil, daß die Temperatur im Spaltraum beträchtlich niedriger liegt, als wenn
die Kohlenwasserstoffe allein mit Sauerstoff usw. gespalten werden, wodurch die
Beanspruchung des Mauerwerkes des Spaltraumes beträchtlich sinkt.
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Durch die in die Reduktionszone zur Erniedrigung der Temperatur eingeführten
Abgase wird die Gesamtgasmenge vermehrt, aber ihr Anteil an reduzierend wirkenden
Stoffen prozentual vermindert. Um solches zu vermeiden und die Reduktion zu,beschleunigen,
können an Stelle der Abgase auch kalte, reduzierende Gase, z. B. abgekühltes Spaltgas,
Koksofengas usw., in die Reduktionszone eingeführt werden. Es ist jedoch auch möglich,
zur Vermeidung der direkten Einführung der Abgase in. die Reduktionszone auch die
in diese eingeführten Abgase gemeinsam mit dem Sauerstoff usw. in den Spaltraum
einzuMhren und hier zu C O und H2 umzusetzen. Ein Teilstrom des so erzeugten Gasgemisches
wird durch einen Spaltgaskanal zwischen dem Austrittsende des Spaltraumes und dem
unteren Ende der Reduktionszone in die Reduktionszone eingeführt und ein weiterer
Teilstrom durch den Spaltgaskanal zwischen dem Austrittsende des Spaltraumes und
der Schmelzzone in diese. Dieser Teilstrom wird durch Teilverbrennung von öl mit
Sauerstoff, Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen in einem in den Spaltgaskanal
angeordneten Brenner auf die erforderliche Schmelztemperatur erhitzt. In diesem
Falle werden Abgase in solcher Menge in den Spaltraum eingeführt, daß das aus dem
Spaltraum austretende Gasgemisch eine Temperatur besitzt, die so niedrig ist, daß
am unteren Ende der Reduktionszone, dem Gaseintrittsende, eine Temperatur unterhalb
der oberen Beständigkeitsgrenze von C02 und H20 entsteht. Dem in die Reduktionszone
eingeführten Teilstrom des Spaltgases können dann noch Abgase beigemischt werden,
zweckmäßig in einer solchen Menge, daß die Temperatur an dem Gaseintrittsende der
Reduktionszone unterhalb der Sintertemperatur der Erze liegt.
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In den Fig. 1 bis 3 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, wobei die Erfindung nicht auf diese eine Ausführungsform
beschränkt ist.
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Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch eine aus Reaktionsraum und
Spaltraum bestehende Vorrichtung, Fig.2 ein Schnitt durch die Reduktionszone des
R.eaktioazsraumes nach der Linie A-B in Fig. 1 und Fig. 3 ein Schnitt durch die
Schmelzzone des Reaktionsraumes nach der Linie C-D nach Fig. 1.
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In den Figuren ist 1 der schachtartige, zweckmäßig kreisförmige Reaktionsraum
mit der Reduktionszone 2 und der Schmelzzone 3, die, zweckmäßig von der Reduktionszone
2 ausgehend, sich nach
unten verjüngt. 4 ist das Mauerwerk dieses
Reaktionsraumes. 5 ist der Spaltraum mit dem Mauerwerk 6, der mit der Schmelzzone
3 durch den Spaltgaskanal 7 verbunden ist. Die Einführung der Spaltgase in die Schmelzzone
3 geschieht durch eine oder mehrere zweckmäßig tangential zum kreisförmigen Mauerwerk
4 in diesem angeordnete Einführungen B. Diese Einführungen 8 sind kurz oberhalb
der am Boden des Reaktionsraumes 1 befindlichen Schmelzwanne 9 im Mauerwerk angebracht.
28 ist der Eisenabstich, 30 der Schlackenabstich. Oberhalb der Reduktionszone 2
ist der Reaktionsraum 1 in seinem Querschnitt gegenüber der Reduktionszone 2 zur
Zone 10 erweitert. Durch diese Querschnittserweiterung des Reaktionsraumes in der
Zone 10 wird die Geschwindigkeit der aufsteigenden Gase oberhalb der Reduktionszone
2 beträc'htlic'h erniedrigt, so daß die oben durch die Öffnungen 11 in den Ofen
eingebrachten, z. B. eingeblasenen feinkörnigen Erze diese Zone ungehindert durchfallen
und' auch praktisch keine Erzteilchen von den Abgasen mitgerissen und aus dem Ofen
ausgetragen werden. Falls nasse, ungeröstete Erze in den Ofen eingebracht werden,
werden diese in der Zone 10 durch die aus der Reduktionszone 2 aufsteigenden, hoch
heißen Gase getrocknet und geröstet, so daß in die Reduktionszone praktisch nur
oxydische Stoffe gelangen. Die Abgase verlassen den Reaktionsraum durch den Abgaskanal
12. Von dem Abgaskanal 12 zweigt noch: ein durch die Schieber 13d absperrbarer Abgasrückführungskanal13
ab, durch den ein Teil der den Ofen verlassenden Abgase zur Regelung der Temperatur
in die Schmelzzone 3 zurückgeführt werden kann. Von diesem Abgasrückführungskanal13
zweigt noch ein durch die Schieber 14a absperrbarer Kanal 14 ab, durch den ein Teilstrom
der zurückgeführten Abgase in die Reduktionszone 2 einzuführen ist. Die Einführung
dieses Abgasteilstromes in: die Reduktionszone 2 geschieht zweckmäßig über einen
oder mehrere im Mauerwerk 4 des Reaktionsraumes 1 angeordnete Ringkanäle 15, 16,
von denen die Abgase, um die Wärmeableitung aus der Reduktionszone zu vermindern,
in senkrechten Kanälen 17, 18 im Mauerwerk 4 hoch- bzw. niedergeführt werden zu
den vorteilhaft mehr oder weniger tangential zum kreisförmigen Mauerwerk 4 in diesem
in einer oder mehreren Ebenen angeordneten Einfü'hrungen 19, 20, durch welche die
Abgase in die Reduktionszone gelangen. Vorteilhaft ist es, die Einführungen 19 und
20 unter verschiedenen Winkeln in diem Mauerwerk anzuordnen. So wird erreicht, daß
die eingeführten Abgase mit den aus der Schmelzzone aufsteigenden Gasen innig vermischt
werden. Von dem Abgasrückführungskana113 zweigt weiter noch der durch den Schieber
24a absperrbare Kanal 24 ab, durch den das gesamte oder nur das in die Schmelzzone
3 zurückgeführte Abgas am Eintrittsende des Spaltraumes 5 in diesen eingeführt werden
kann. Wird' d'as gesamte zurückzuführende Abgas in den Spaltraum 5 eingeführt, ist
zwischen dem Spaltgaskanal7 und dem Kanal 14 ein durch den Se'hieber 25a absperrbarer
Verbindungskanal 25 erforderlich, durch den und durch. die Kanäle 14, die Ringkanäle
15 und 16 sowie :die Kanäle 17 und 18 ein Teilstrom des den Spaltraum 5 verlassenden
Gasgemisches durch die Öffnungen 19 und 20 in die Reduktionszone 2 zur Regelung
der Temperatur in diese eingeführt werden kann. In solchem Falle muß in dem Spaltgaskanal7
hinter der Abzweigung des Verbindungskanals 25 noch ein Brenner 26 angeordnet werden,
durch den durch Teilverbrennung von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffeh
mit Sauerstoff usw. dem in die Schmelzzone eingeführten Spaltgas die zum Erreichen
der Schmelztemperatur noch erforderliche Wärmemenge zugeführt wird. 27 sind die
Einführungsrohre für die unter Druck zugeführten und in den Spaltraum 5 eingeführten
Kohlenwasserstoffe, die in den Einführungsrohren 29 für den unter Druck zugeführten
Sauerstoff usw. angeordnet sind. Die Einführung der Abgase in den Spaltraum 5 geschieht
vorteilhaft durch Treibdüsen 31, in denen das beim Austritt aus den Einführungsrohren
27 und 29 aus den Kohlenwasserstoffeh und dem Sauerstoff sich bildende, unter Druck
zugeführte Kohlenwasserstoff-Sauerstoff-Gemisch die Abgase ejektorartig ansaugt
und das Kohlenwasserstoff-Sauerstoff- usw. -Abgas-Gemisch in den Spaltraum drückt.