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Verfahren zum trockenen Reduzieren von Eisenoxyd oder von anderen
Metalloxyden, wie den Oxyden des Kupfers, Kobalts oder Nickels Gegenstand der Hauptpatentanmeldung
F 17283 V1 a I 18a ist ein Verfahren zum trockenen Reduzieren von Eisenoxyd
zu Eisenschwamm oder körnigen Massen ohne Schmelzen oder Sintern der Beschickung,
wobei in Gegenwart von Luft das Eisenoxyd in Form von harten, porösen Formkörpern
im Gemisch mit einem überschuß über die zur Reduktion des Eisenoxyds durch das gebildete
Kohlenmonoxyd nötige Menge an feinverteilter Kohle behandelt wird, die arm an niedrigsiedenden
Kohlenwasserstoffen ist und einen im Reaktionsprodukt verteilten unschmelzbaren
Verbrennungsrückstand bildet, und wobei die zur Reduktion nötige Wärmemenge größtenteils
aus der Oxydation eines Teils des Brennstoffes mit Luft zu Kohlenmonoxyd stammt,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Behandlungszone an ihrem Aufgabeende zusammen
mit der Kohle und dem Eisenoxyd so viel Luft zugeführt wird, daß durch die Verbrennung
der Kohle in der Nähe des Aufgabeendes die nötige Wärmemenge frei wird, derartig,
daß nur auf eine verhältnismäßig kurze Strecke eine oxydierende im Hauptteil der
Zone jedoch eine gegenüber dem Eisenoxyd reduzierende Atmosphäre erzeugt wird, und
daß die Gase die Behandlungszone im Gleichstrom mit dem Möller durchlaufen und am
Abführungsende verlassen. Charakteristisch für dieses Verfahren ist, daß man Kohle
in einer Menge verwendet, die ausreicht, um den größten Teil des bei der Reduktion
des Eisenoxyds erzeugten Kohlendioxyds zu Kohlenmonoxyd zu reduzieren.
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Es wurde nun festgestellt, daß man bei diesem Verfahren mit beträchtlich
weniger Kohlenstoff bzw. Kohle auskommt, wenn man das Kohlenmonoxyd durch die Einwirkung
von Kohlenstoff auf bei der Zersetzung von Kalkstein gebildetes Kohlendioxyd erzeugt.
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Dementsprechend schafft die Erfindung ein Verfahren zum trockenen
Reduzieren von Eisenoxyd, wobei der Behandlungsprozeß an ihrem Aufgabeende zusammen
mit der Kohle und dem Eisenoxyd so viel Luft zugeführt wird, daß durch die Verbrennung
der Kohle in der Nähe des Aufgabeendes die nötige Wärmemenge frei wird, derart,
daß nur auf eine verhältnismäßig kurze Strecke eine oxydierende, im Hauptteil der
Zone jedoch eine gegenüber dem Eisenoxyd reduzierende Atmosphäre erzeugt wird, und
daß die Gase die Behandlungszone im Gleichstrom mit dem Möller durchlaufen und am
Abführungsende verlassen, nach Patentanmeldung F 17283 V1: a/ 18a, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß als Reduktionsmittel eine feinvermahlene Mischung verwendet wird, die im
wesentlichen Calciumcarbonat und mit der Maßgabe ein festes kohlenstoffhaltiges
Material enthält, daß die durch das letztere kohlenstoffhaltige Material eingebrachte
Kohlenstoffmenge mindestens so groß ist, daß sie ausreicht, das gesamte durch Zersetzung
des Calciumcarbonats freigesetzte Kohlendioxyd sowie den Hauptteil des bei der Reduktion
des Eisenoxyds entstehenden Kohlendioxyds zu Kohlenmonoxyd zu reduzieren, wobei
jedoch eine geringere Menge an festem kohlenstoffhaltigem Material verwendet wird
als die, welche zur vollständigen Reduktion des Eisenoxyds durch allein aus dem
festen kohlenstoffhaltigen Material stammendes Kohlenmonoxyd notwendig sein würde.
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Gemäß der Erfindung werden die oxydischen Formkörper gemeinsam mit
einem feinverteilten Reduktionsmittel, das festes kohlenstoffhaltiges Material und
Kalkstein oder Calciumcarbonat enthält, z. B. in einen Drehrohrofen eingeführt und
reduziert. Die Asche des kohlenstoffhaltigen Materials soll zweckmäßigerweise bei
der Reaktionstemperatur im Ofen nicht schmelzen oder sintern. Dies ist jedoch
nicht
ausschlaggebend, da Calciumcarbonat in solchen Mengen vorliege, daß der Schmelzpunkt
der Asche mehrere 100° C über der im Ofen herrschenden Temperatur liegt. Luft wird
am Aufgabeende des Drehrohrofens eingeführt, wo eine Heizöl- oder Gasflamme vorgesehen
ist, welche die Temperatur der Beschickung auf etwa 900 bis 1000° C bringt. Bei
dieser Temperatur wird der Kalkstein gebrannt und bildet Calciumoxyd und Kohlendioxyd.
Das Kohlendioxyd wird in Gegenwart von heißem Kohlenstoff schnell zu Kohlenmonoxyd
reduziert, wodurch sich innerhalb der Beschickung und in inniger Berührung mit den
Metalloxydformkörpern eine sehr hohe Kohlenmonoxydkonzentration einstellt. Das Metalloxyd
wird dann durch das Kohlenmonoxyd zum Metall reduziert.
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Gegebenenfalls in der Beschickung vorliegender Schwefel wird vom Calciumoxyd
praktisch vollständig gebunden. Die aus dem Auslaßende austretende Masse kann durch
Sieben, magnetische Sichtung oder eine neuartige weiter unten beschriebene pneumatische
Trennung leicht in feinverteilten gebrannten Kalk, Asche, nicht umgesetzte Kohle
und Metall aufgetrennt werden. Das vom Metall befreite Material eignet. sich vorzüglich
zur Herstellung von Zement, in einigen Fällen sogar ohne Zugabe anderer Stoffe.
Erfindungsgemäß wird die gleichzeitige Erzeugung von Zement aus diesem Material
in Betracht gezogen.
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Als Metalloxyde kommen neben Oxyden des Eisens auch die Oxyde des
Kobalts, Nickels und Kupfers zur Verhüttung in Frage.
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Die Zersetzung von Kalkstein zu gebranntem Kalk und Kohlendioxyd CaCO3
= CaO + CO@ (1) die Umwandlung des Dioxyds zu Monoxyd durch Kohlenstoff C02 + C
= 2C0 (2) sowie die Reaktion von gebranntem Kalk und Schwefelverunreinigungen
in Gegenwart von heißem Kohlenstoff CaO +S+C=CaS+CO (3) sind endotherme Reaktionen,
die gleichzeitig stattfinden. Die Reaktionsgeschwindigkeiten werden bei 900°C beträchtlich
und bei 1000°C der Temperatur, bei welcher die Reduktion von Eisenoxyd vorzugsweise
durchgeführt wird, zeimlich groß. Die Reduktionsreaktion andererseits ist, wie durch
folgende Gleichung ausgedrückt, exotherm: Fe203 + 3C0= 2 Fe + 3 C02 + etwa
167 kcal/kg erzeugtes Eisen (4) Die gemäß Gleichung (4) freigesetzte Wärmemenge
wird innerhalb der porösen Oxydformkörper erzeugt und dient dazu, die Formkörper
oberhalb der Temperatur der sie umgebenden feinverteilten Stoffe und Gase zu halten.
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In der Zeichnung stellt Fig. 1 ein Fließschema für das Verfahren nach
der Erfindung dar und zeigt die bevorzugte Anordnung der Vorrichtung; Fig. 2 ist
eine schematische Ansicht des rotierenden Reduktionsofens der Fig. 1, gemeinsam
mit der dazugehörigen Abkühlungszone und zeigt die Bedingungen innerhalb des Drehofens;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer vorzugsweise verwendeten Vorrichtung,
in der die Formkörper aus Metallschwamm von der pulverförmigen gebrannten Kalk enthaltenden
Asche abgetrennt und gleichzeitig gereinigt werden.
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Das Erz wird auf die in der Patentanmeldung F 17283 VI a/ 18a beschriebene
Weise entweder in feuchtem oder trockenem Zustand zu Pulver vermahlen und zu Formkörpern
gepreßt.
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Das gemahlene Eisenoxyd und das Bindemittel werden z. B. in einer
Kollermühle 11 mit etwa 10 Gewichtsprozent Wasser gründlich vermischt oder, falls
das Erz feucht gemahlen wurde, durch Entwässern auf einen 10o/oigen Feuchtigkeitsgehalt
gebracht. Das gemischte Material wird dann ausgeformt oder, wie z. B. bei 12 gezeigt,
vorzugsweise in einer z. B. in der Tonindustrie üblichen Strangpreßvorrichtung in
kleine kugelförmige oder kurze zylindrische Massen stranggepreßt. Die feuchten stranggepreßten
Massen werden dann in eine Drehtrommel 13 eingeführt, die ähnlich wie ein gewöhnlicher
Drehröstofen gebaut sein kann. Die kleinen ausgeformten oder stranggepreßten Massen
werden durch die Rollwirkung beim Durchgang durch die Drehtrommel 13 annähernd
zu Kugeln abgerundet und durch Berührung mit heißen Gasen, welche bei 14 in die
Drehtrommel im Gegenstrom zu den darin befindlichen Formkörpern einfließen und durch
den Kamin 40 am Einlaßende der Drehtrommel in die Atmosphäre abziehen, getrocknet
und gehärtet. Die Drehtrommel 13 wird langsam rotiert, um ein Zerbrechen der Formkörper
während des Trocknens zu verhindern und dadurch die Bildung von Eisenoxydfeinschlag
zu vermeiden, der bei der nachfolgenden Reduktion ein Sintern verursachen würde.
Die Rotation ist jedoch so groß, daß die Oxydmassen so gut wie vollständig zu harten
porösen Formkörpern trocknen. Die Größe der aus der Drehtrommel austretenden Formkörper
kann in weiten Grenzen liegen, z. B. von einem Durchmesser von 1,587 mm bis zu 2,54
oder 5,08 cm oder darüber. Die Größe der Formkörper kann man steuern, indem man
den Feuchtigkeitsgehalt des Gemisches bei der Ausformung oder beim Strangpressen
reguliert. Zum Erzielen bester Ergebnisse und einer schnellen Reduktion in dem nachfolgenden
Verfahren werden Formkörper mit einem Durchmesser zwischen etwa 3,175 und 19,050
mm, also z. B. von 12,7 mm vorgezogen. Auf jeden Fall sollten die Formkörper beträchtlich
größer sein als die Teilchengrößen des Kalksteins und des kohlenstoffhaltigen Materials,
die später beigemischt werden, so daß die zuletzt genannten als feine Trennphase
dienen können und ein Zusammenballen der Formkörper während derReduktion verhindern,
damit die reduzierten Formkörper von dem gebrannten Kalk, der Asche und dem Kohlenstoff,
wenn ein solcher überhaupt vorliegt, beim Austreten aus dem Reduktionsofen sauber
getrennt werden können.
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Obwohl die so hergestellten Eisenoxydformkörper im allgemeinen hart
genug sind, um bei der nachfolgenden Reduktion und der Behandlung nicht abgerieben
zu werden und deshalb direkt reduziert werden können, wurde festgestellt, daß in
einigen Fällen ein Rösten nicht nur die Härte der Formkörper erhöht und den Schwefel
beseitigt, sondern das Oxyd so gut wie vollständig in Fe203 überführt und so eine
Reduktion zu Eisen erleichtert. Demnach röstet man die Formkörper vorzugsweise an
der Luft.
Sie werden vorzugsweise pneumatisch zu einem bei 1.5 gezeigten
Schachtröstofen gefördert. Wenn es sich bei dem Erz um Magnetit, d. h. Ferrooxyd
handelt, kann man ohne Zugabe von Brennstoff unter geeigneten Bedingungen rösten,
da bei der Umwandlung von Ferro- zu Ferrieisen so viel Wärme frei wird, daß die
Formkörper bei etwa 1500° C zum beginnenden Schmelzen gebracht werden. Die Reaktion
verläuft wie folgt: 4 Fe304 -f- 02 = 6 Fe203 -I- 136,22 kcal/kg Eisengehalt (5)
Man röstet, indem man Luft durch eine Säule oder eine Schicht der Formkörper im
Röstofen 15 bläst, nachdem diese durch eine äußere Wärmequelle zur Entzündung gebracht
worden sind. Wenn man die Säule oder die Bettung der Formkörper, z. B. durch beständige
Zu- und Abfuhr in Bewegung hält, dann kleben die Formkörper nicht zusammen. Am Boden
des Röstofens kann durch eintretende Luft gekühlt werden. Die gerösteten Formkörper
sind so gut wie schwefelfreier Gamma-Hämatit, sie sind äußerst hart, porös, etwas
glasig, jedoch für die reduzierenden Gase vollständig durchlässig. Sie sind in Gegenwart
von feinverteiltem Kalkstein und kohlenstoffhaltigem Material während des Reduktionsverfahrens
vollkommen abriebbeständig.
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Als »Reduktionsmittel«, welches zur Erzeugung von Kohlenmonoxyd dient,
wird ein feinverteiltes Gemisch von Kalkstein und festem kohlenstoffhaltigem Material
verwendet. Bei bekannten Verfahren zur Reduktion des Oxyds zu Schwammeisen wurde
Kohlenstoff als hauptsächliche Kohlenmonoxydquelle verwendet, wobei der Kohlenstoff
in einer sauerstoffarmen Atmosphäre, wie im folgenden formuliert, nur zum Monoxyd
oxydiert wurde: 2 C -I- 02 = 2C0 (6) Hierbei verläuft die Reduktion von Ferrioxyd
gemäß Gleichung (4). Es ist zu ersehen, daß für jedes zu reduzierende Mol Fe2O3
3 Mole CO erforderlich sind, die wiederum gemäß Gleichung (6) 3 Mol C benötigen,
wobei natürlich zusätzlicher Kohlenstoff, der zur Reduktion von bei der Erzreduktion
erzeugtem CO., benötigt wird, vernachlässigt wird. Demnach würde ein Verfahren,
das weniger Kohlenstoff benötigt, z. B. das Verfahren nach der Erfindung, wirtschaftlich
vorteilhaft sein.
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Aus Gleichung (2) ist zu ersehen, daß 2 Mol CO aus nur 1 Mol C entstehen
können, wenn das zu reduzierende Material CO., ist. So werden an Stelle
von 3 Mol Kohlenstoff zur Durchführung der Reduktion gemäß Gleichung (4) nur 1i/2
Mol benötigt. Die wirtschaftliche Einsparung beträgt jedoch nicht, wie man annehmen
könnte, die Hälfte, da die durch die Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxyd
freigesetzte und zur Erhöhung der Temperatur des Erzes erforderliche Temperatur
jetzt teilweise aus einer anderen Quelle zugeführt werden muß. Bei dieser Quelle
handelt es sich vorzugsweise um Heizöl, Erdgas oder Koksofengas, die meistens beträchtlich
billiger sind als Kohlenstoff in Form von hochgradigem Koks, den man heutzutage
meistens verwendet.
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Als kohlenstoffhaltiges Material verwendet man bei dem Verfahren nach
der Erfindung zweckmäßigerweise Koks oder Anthrazit. Der Koks kann jedoch von geringer
Qualität sein und beispielsweise einen. hohen Schwefelgehalt aufweisen, wie der
aus Nova-Scotia-Steinkohle, die ursprünglich etwa 3 % Schwefel enthält. Der durch
den Koks oder das Anthrazit bei der Reduktion eingeführte Schwefel wird so gut wie
vollständig gemäß Gleichung (3) beseitigt und erscheint nicht im erzeugten Eisen.
Angesichts der hohen Konzentration an Kalkstein und gebranntem Kalk im Vergleich
zu der bei der Reduktion anwesenden Asche stellt das Schmelzen der Asche des kohlenstoffhaltigen
Materials nicht mehr eine Einschränkung dar. Die Schmelztemperatur der Asche der
obenerwähnten Nova-Scotia-Steinkohle liegt bei nur etwa 1050 bis 1100° C, Temperaturen,
die zwar nicht notwendigerweise, jedoch leicht bei der Reduktion bei dem Verfahren
gemäß der Erfindung erreicht werden können. Infolge der Anwesenheit von Kalkstein
und gebranntem Kalk wird jedoch der Schmelzpunkt der Asche um etwa 200° C angehoben.
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Obwohl man Koks und Anthrazit vorzugsweise verwendet, ist das Verfahren
erfolgreich mit roher Nova-Scotia-Steinkohle durchgeführt worden, und erfindungsgemäß
wird die Verwendung von nicht verkokter Steinkohle in Betracht gezogen. Bei Verwendung
eines solchen Materials werden die darin befindlichen flüchtigen Stoffe, die etwa
ein Drittel des Gewichtes der Kohle ausmachen, in der Reduktionszone verbrannt und
liefern dabei die für die Reduktion erforderliche Wärme und vermindern dadurch die
Menge des für das Reduzieren erforderlichen Gases oder Heizöls beträchtlich. Ein
Verkoken der Kohle innerhalb der Reduktionszone muß jedoch vermieden werden, da
die feinen Teile sich leicht zusammenballen und an den Foi:nkörpern kleben. Dies
erfordert eine genaue Steuerung der Temperatur innerhalb des Reduktionsofens. Obwohl
man deshalb Steinkohle verwenden kann, zieht man Anthrazit oder Koks vor, wobei
der Koks reaktionsfähiger ist. Bei der derzeitigen Durchführung des Verfahrens verwendet
man geringwertige Steinkohle in einer Beschickungsvorrichtung zum Verkoken, aus
der die flüchtigen Stoffe an Stelle von Öl für die Erzeugung der im Reduktionsofen
erforderlichen Wärme und der Koks als Reduktionsmittel verwendet werden.
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Bei dem Kalkstein wird zweckmäßigerweise ein geringwertiges schieferhaltiges
Gestein mit etwa 80 % Calciumcarbonat verwendet, dessen Zusammensetzung es zur Erzeugung
von Zement nach seiner Verwendung in der Reduktion geeignet macht. In einigen Fällen
ergänzen die in der Kohle oder in der Koksasche vorliegenden Oxyde des Magnesiums,
Aluminiums und Siliciums diese Metalloxyde im Kalkstein im geeigneten Maß, daß die
von den Eisenformkörpern am Ende des Verfahrens abgetrennten Stoffe direkt zu Zement
calciniert werden können.
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Bei der Reduktion dient der Kalkstein nicht nur als Kohlendioxydquelle
und zur Bildung von Schwefel, sondern er hebt auch den Schmelzpunkt der Koksasche
an. Darüber hinaus wirken der Kalkstein und der hieraus erzeugte gebrannte Kalk
als nichtschmelzbare Trennschicht zwischen den Formkörpern, und sie verhindern,
daß die in Metall übergeführten Formkörper zusammensintern.
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Herstellung des Reduktionsmittels Der Kalkstein und der Koks bzw.
die Kohle können gemeinsam im geeigneten Mengenverhältnis, beispielsweise in einer
luftdurchspülten Kugelmühle 16 gemahlen werden. Der auszumahlende Feinheitsgrad
wird
in erster Linie durch die Größe der zu reduzierenden Oxydformkörper bestimmt. Tim
allgemeinen wird durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,59 bis 0,149
mm gemahlen. Bei Formkörpern von etwa 12,7 mm Durchmesser wird das Reduktionsmittel
zweckmäßig erweise so gemahlen, daß es durch ein Sieb mit 0,25 mm lichter Maschenweite
hindurchgeht. Nach dem Mahlen wird das Material in einem Vorratsbehälter 17 gelagert.
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Das Verhältnis von Kalkstein zu Koks bzw. Kohle im Reduktionsmittel
wird in erster Linie durch die Gleichungen (1) bis (4) bestimmt, jedoch auch durch
die innerhalb des Reduktionsofens erwünschte Kohlenmonoxydkonzentration. Obwohl
die Kalksteinmenge innerhalb weiter ,Grenzen verändert werden kann, ist ein großer
überschuß zu vermeiden, da zusätzliche Wärme für die Zersetzung des überschüssigen
Steins erforderlich ist. Im allgemeinen soll genügend Kalkstein zur Verfügung gestellt
werden, so daß eine hinreichende Trennphase in dem Ofen gebildet wird, genügend
CO, entsteht, der Schwefel so gut wie vollständig aus dem Koks absorbiert
wird und der Schmelzpunkt der Koksasche in geeigneter Weise erhöht wird. Es ist
immer genügend Kohlenstoff vorhanden, um mit dem CaCo3-Zersetzungsprodukt C02 zu
reagieren und dieses in CO überzuführen und auch um mit dem bei der Reduktion von
Fe2O3 gebildeten CO, vollständig zu reagieren. Vorzugsweise gibt man überschüssigen
Kohlenstoff über die hierfür erforderliche Menge zu. Wegen der unterschiedlichen
zu reduzierenden Erze, dem unterschiedlichen CaCO.- Gehalt der verschiedenen Kalksteine,
wie auch dem Gehalt des verwendeten Kokses bzw. der Kohle an fixiertem Kohlenstoff
ist es schwierig, z. B. ein bestimmtes Gewichtsverhältnis von Kalkstein zu Koks
aufzustellen, das in allen Fällen eine geeignete Durchführung ermöglicht. Beispielsweise
bewährt sich ein Reduktionsmittel mit einem Gehalt von etwa 1 bis 1,5 Gewichtsteilen
Kohlenstoff je Gewichtsteil Calciumcarbonat in dem Verfahren nach der Erfindung
bei der Reduktion von Erz mit einem Gehalt von etwa 70% Fe,03. Bei Steinkohle ist
jedoch bedeutend mehr CaC03 erforderlich, um ein Verkoken zu verhindern. Es genügt,
festzustellen, daß wenigstens genug Kohlenstoff vorliegen muß, um in dem Verfahren
erzeugtes CO.., vollständig in CO überzuführen.
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Die Ofenbeschickung Die gerösteten Formkörper und feinverteiltes Reduktionsmittel
werden in einem Fülltrichter 18 gemischt, von dem aus das Gemisch in den Reduktionsofen,
beispielsweise durch eine Förderschnecke 19, gefördert wird.
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Die Ofenbeschickung kann man innerhalb weiter Grenzen je nach der
Art des verwendeten Erzes verändern. Wenn man z. B. reine Oxydformkörper reduziert,
enthält die Charge vorzugsweise auf 100 Teile Formkörper mit 70% Fe gewichtsmäßig
60 bis 80 Teile Reduktionsmittel mit einem Gehalt von etwa 60% Koks (mit 85% fixiertem
Kohlenstoff) und 40% Kalkstein (mit 80'% CaCO3).
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Diese Charge hat sich bei dem Verfahren nach der Erfindung als äußerst
zweckmäßig erwiesen, wie auch eine Charge, bei der ein Reduktionsmittel verwendet
wird, das im wesentlichen gleiche Gewichtsteile Koks und Kalkstein enthält. Obwohl
Kohlenstoff, wie oben erwähnt, vorzugsweise im überschuß vorliegt, kann man vorzugsweise
eine praktische untere Grenze für Kohlenstoff in Form von Koks wie folgt festlegen:
Koks etwa 30%- vom Gewicht der Formkörper mit 70% Fe plus etwa 10% vom Gewicht des
Kalksteins.
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Die Durchführung der Reduktion Die Überführung der Formkörper in metallisches
Eisen wird in einem Reduktionsofen vorgenommen, vorzugsweise in einem geneigten
Drehofen 20, der mit feuerfesten Ziegeln isoliert und gefüttert ist. Er wird etwa
mit einer Umdrehung je Minute gedreht, so daß das darin befindliche Material gelinde
bewegt wird. Der Drehofen hat eine zentral gelegene kreisförmige Zufuhröffnung,
durch welche die Charge aus der Fördervorrichtung 19 gleichzeitig mit einer gesteuerten
Luftmenge und einem öl-Luft- oder Gas-Luft-Gemisch eingeführt wird, das bei einem
Brenner 21 gezündet wird. Ein Gebläse 22 erzeugt einen Durchzug gleichsinnig mit
der Bewegungsrichtung der Charge. Dieser Durchfluß im Gleichstrom innerhalb der
Reduktionszone steht im Gegensatz zu der Betriebsweise bekannter Blasöfen und vieler
bekannter Verfahren zur Direkteisenerzeugung.
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Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß am Zufuhrende des Ofens so viel Luft
zugeführt wird, daß oberhalb der Charge eine volloxydierende Atmosphäre erzeugt
wird, um hierdurch das Heizöl oder -gas vollständig zu verbrennen. Infolgedessen
findet am Zufuhrende, wo dies in stärkstem Maße erforderlich ist, eine starke Wärmefreisetzung
statt, und zwar in Nachbarschaft zu der kalten nicht reduzierten Charge, welche
die Wärme schnell absorbiert und hierbei nicht sintert oder zusammenklebt. Wenn
die Charge etwa 900° C erreicht, zersetzt sich der in inniger Berührung mit den
Formkörpern befindliche Kalkstein unter Bildung von Kohlendioxyd, das innerhalb
der Charge sofort zu Kohlenmonoxyd reduziert wird. Dieses dringt in die Formkörper
ein und reduziert sie zu Eisen. Infolge der Wärmefreisetzung durch die Oxydreduktion
erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit und wird bei 1000° C sehr groß. Der Erfolg
des Verfahrens nach der Erfindung ist in erster Linie durch die in der Charge erzeugten
vollständigen Reduktionsbedingungen begründet. Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht die
die Formkörper umgebende Atmosphäre so gut wie ganz aus Kohlenmonoxyd.
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Große Mengen Kohlendioxyd, welche innerhalb der Charge während der
Reduktion von Eisenoxyd freigesetzt werden, werden durch Berührung mit heißem Kohlenstoff
ebenfalls in Kohlenmonoxyd übergeführt. In der Tat wird Kohlenmonoxyd aus der Charge
entwickelt und liegt in der Atmosphäre oberhalb der Bettung im Drehofen in einem
solchen Überschuß vor, daß große Mengen derselben im Ofen ohne Gefahr verbrannt
werden, da innerhalb der Charge vollständig reduzierende Bedingungen herrschen und
das Gas aus der Charge nach außen strömt. Die am Zufuhrende eingeblasene Luft wird
so gesteuert, daß die Atmosphäre oberhalb der Charge im ganzen Hauptteil der Ofenlänge
hinsichtlich des bei 1000 bis 1050° C befindlichen Eisens reduzierend wirkt. Im
allgemeinen sollte das Verhältnis CO: C02 oberhalb der Charge nicht unter
2 : 1 fallen. Praktisch ist es nur notwendig sicherzustellen, daß die in eine Abzughaube
23 eintretenden Gase mit in die Haube in den oberen Teil der konischen Ablaßöffnung
des Drehofens 20 eingeführter Luft eine kurze Flamme
erzeugen. Die
heißen Gase aus der Haube werden vorzugsweise wie in Fig. 1 gezeigt zur Formkörperbildung
verwendet.
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Die Temperatur innerhalb des Ofeus wird mittels eines Pyrometers 24
nahe dem Ablaßende beobachtet. Wenn die Formkörper ein beginnendes Schmelzen des
Metalls zeigen, ist die Temperatur zu hoch und muß durch Drosselung der am Zufuhrende
eingeführten Luft oder durch Verkleinerung der Flamme beim Brenner 21 erniedrigt
werden. Wenn andererseits die Formkörper nicht hinreichend reduziert sind, ist die
Temperatur zu niedrig und muß entsprechend korrigiert werden. Das Verfahren nach
der Erfindung wird bei einer Bettungstemperatur im Bereich von 900 bis maximal etwa
1050° C innerhalb des Ofens durchgeführt. Die Bettungstemperatur liegt zweckmäßigerweise
gut unter dem Maximum, d. h. vorzugsweise bei etwa 900 bis 1000° C.
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Die Eisenformkörper, feinverteilter Kalk und feinverteilte Asche,
die aus dem konischen Ablaßende des Ofens 20 austreten, werden zunächst vorzugsweise
in einer mit Wassermantel versehenen Fördervorrichtung, die als Förderschnecke 25
abgebildet ist, gekühlt. Ein geringer Teil der reduzierenden Atmosphäre aus dem
Ofen wird durch eine Leitung 26 in die Fördervorrichtung 25 geleitet und durch ein
kleines Gebläse 27 durch diese gesaugt. Auf diese Weise werden die Formkörper während
des Abkühlens von einer nicht oxydierenden Atmosphäre umgeben, so daß ihre Oberfläche
nicht oxydiert wird. Auftrennung der Produkte Die Eisenformkörper und das verbrauchte
pulverförmige Reduktionsmittel werden in einem Fülltrichter 28 am Ablaßende der
Kühl- und Fördervorrichtung gesammelt. Dieses Material kann man zu einer geeigneten
Sichtungs- oder magnetischen Trennvorrichtung fördern, um die Formkörper von gebranntem
Kalk, Asche und dem gesamten nicht in Reaktion getretenen Kohlenstoff zu befreien.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß man die Metaljformkörper wirksamer und vollständiger
von dem verbrauchten pulverförmigen Reduktionsmittel abtrennen und die Oberfläche
der Formkörper gleichzeitig durch ein neuartiges Luftsichtungsverfahren befreien
kann.
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Bei diesem Trennverfahren werden die Formkörper und das Pulver aus
dem Fülltrichter 28 pneumatisch zu einer ersten oder Formkörpertrennvorrichtung
31 gefördert, welche die Gestalt eines umgekehrten Kegels aufweist und einem gewöhnlichen
Zyklonabscheider ähnlich ist. Das Material tritt in die Formkörpertrennvorrichtung
31 tangential mit ziemlich hoher, durch ein Sauggebläse 32 erzeugter Geschwindigkeit
ein und wirbelt, wie in Fig. 3 gezeigt, herum, wobei sich die Formkörper am Boden
des kegelförmigen Separators absetzen und in ein Vorratsgefäß 33 entleert werden.
Innerhalb der Formkörpertrennvorrichtung sowie an der Austrittsöffnung derselben
für die Formkörper wird an einem Lufteinlaß 34 am oberen Teil des Vorratsbehälters
33 ein starker nach oben gerichteter Luftzug erzeugt. Infolge dieses nach oben gerichteten
Luftzuges wird verhindert, daß das Pulver in das Vorratsgefäß eintritt. Es wandert
statt dessen in der Trennvorrichtung 31 zentral nach oben, wie in Fig. 3 durch den
Pfeil gezeigt, und gelangt durch eine oben befindliche Entlüftungsleitung 35 nach
außen. Durch die Wirkung des Wirbels und durch Berührung mit den schneller sich
bewegenden Pulverteilchen werden die Metallformkörper in dem Separator 31 wirksam
gereinigt. Sie werden dann, je nach der beabsichtigten Verwendungsart, gemahlen
oder eingeschmolzen.
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Bei den Formkörpern handelt es sich im wesentlichen um reines Eisen,
daß je nach der Behandlung vor der Reduktion mehr oder weniger schwammig ist. Formkörper,
die aus reinem Ferrioxyd und Mehl als Bindemittel hergestellt und einfach getrocknet
wurden, ergeben ein sehr schwammiges Produkt, daß zu einem äußerst feinen Pulver
zerfällt und sich zur Herstellung von Magnetkernen eignet. Andererseits ergeben
Formkörper, die mit '/2 Gewichtsprozent Alkali- oder Erdalkalibase hergestellt und
oberhalb von 1100° C geröstet wurden, bei der Reduktion ein weniger schwammiges
Produkt, das zu einem verhältnismäßig groben Pulver zerfällt und sich eher zur Herstellung
mechanischer Teile eignet. Sämtliche Formkörperarten können einfach eingeschmolzen
oder gepreßt und dann geschmolzen werden, wenn festes Metall gewünscht wird.
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Die Entlüftungsleitung 35 des Separators 31 ist mit einer zweiten
oder Pulvertrennvorrichtung 36 verbunden, bei der es sich zweckmäßigerweise um einen
Zyklonseparator handeln kann. In dieser Vorrichtung wird das Pulver wirksam gesammelt
und fällt in ein Lagergefäß 37, wobei zwischen dem Lagerbehälter und dem Separator
kein nach oben gerichteter Luftzug erzeugt wird.
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Das so gesammelte Pulver enthält gebrannten schieferhaltigen Kalk
gemeinsam mit Calciumsulfid, etwas nicht verbrauchten Kohlenstoff und andere außer
dem Calciumoxyd im Kalkstein vorliegende Oxyde. Wie oben erwähnt, kann sich die
Masse unverändert zur Zementherstellung eignen. Es ist jedoch wahrscheinlicher,
daß der Metalloxydgehalt des Pulvers vor der Überführung in Zement etwas verändert
werden muß. Dieser Rückstand kann zur Herstellung von Zement in üblicher Art calciniert
und gebrannt werden.
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Die Gesamtmenge der bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendeten
Rohstoffe ändert sich nach der zu reduzierenden Erzart, und das Verfahren ist bei
vielen verschiedenen Erzen, von hochgradigen Konzentraten bis zu Pyrit- und Blasofenzunder,
angewendet worden. Wenn man auf die Erzeugung von hochgradigem Pulver, ausgehend
von Konzentraten abzielte, die etwa 70fl/o enthalten, so wurden auf 1 t erzeugte
Metallformkörper 1,43 t Formkörper mit einem Durchmesser von 12,7 mm, 0.6 t Koksgrus,
0,6 t schieferhaltiger Kalkstein, wobei sowohl der Koks als der Kalkstein durch
ein Sieb mit 0,25 mm lichter Maschenweite (60 mesh) gingen, und etwa 0,4 t Brennöl
verwendet. Die Reduktion war innerhalb 2 Stunden bei 1000° C beendet, was etwa einem
Viertel der Zeit im Blasofen entspricht. Die Formkörper hatten die folgende Zusammensetzung:
| Kohlenstoff .................. 0,020/0 |
| Schwefel ..................... 0,01% |
| Phosphor .................... - |
| Siliciumoxyd ................. 0,401/o |
| Fe304 ....................... 1,50110 |
| Metallisches Eisen ............ 98,0711/0 |
| 100,001/0 |
Die Erfindung wurde an Hand der Verwendung eines Drehofens als Reduktionsofen beschrieben,
und dies ist die vorzugsweise verwendete Vorrichtung zur
Durchführung
dieses Verfahrens. Man kann jedoch auch stationäre Tunnelöfen mit kontinuierlich
sich bewegenden Fördervorrichtungen oder Schütteleinsätzen sowie die bekannten Herreshoff-Öfen
mit mehreren übereinander befindlichen Herdflächen verwenden.