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Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz unter Einführung von feinzerkleinertem
Eisenerz, Flußmittel, Brennstoff, Sauerstoff und/oder Luft durch Brenner in eine
Reaktionskammer Die Erfindung bezieht sich auf das Erschmelzen von Eisen aus feinzerkleinertem
Erz und insbesondere auf ein Flammschmelzverfahren.
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Nach einem bekannten Verfahren werden gepulvertes Erz und Kalkstein
mit Staubkohle und Sauerstoff tangential in einen zyklonartigen Ofen eingeblasen.
Die Flamme trifft auf die Wandung des Ofens, und es baut sich auf dieser Wandung
eine Schicht von Schlacke und teilweise reduziertem Metall auf. Die Verbrennungsgase
und der einzgezogene Staub werden aus dein Ofen durch einen zentralen Fuchs abgesaugt,
während die auf den Wänden des Ofens sich absetzende flüssige Masse abwärts fließt
und am Boden, wo sich das Metall von der Schlacke absetzt, austritt.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine Mischung von Kohle
und einem Anteil feingepulverten Eisenerzes mit vorerhitzter Luft mittels einer
Mehrzahl von tangential angeordneten Brennern wirbelartig eingeblasen. Die Kammer,
in welcher sich der Wirbel bildet, ist aus Silizumkarbid aufgebaut und wassergekühlt.
An den Wänden setzt sich eine Schicht von flüssigem Metall und Schlacke ab und läuft
zum Abstich am Boden des Ofens. Die Verbrennungsgase steigen auf und werden oben
abgezogen. Der Hauptzweck dieses Verfahrens besteht darin, Heizgas zu erzeugen,
während das erzeugte Eisen als Nebenprodukt betrachtet wird.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren unter Erzeugung von kohlenoxydhaltigem
Gas unter Ausnutzung der Abwärme zur Dampferzeugung werden feingepulvertes Erz und
fester Brennstoff mit Sauerstoff unmittelbar oberhalb der Herdsohle eines schachtartigen
Ofens auf ein sich bildendes Schlacken-und Metallbad aufgeblasen, wobei die in dem
Schacht aufsteigenden Gase insbesondere in anschließenden Austauschern ihre Wärme
abgeben. Das eingeblasene Erz wird dabei im wesentlichen in dem Schmelzbad selbst
reduziert.
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Bei diesem Verfahren treten jedoch mindestens zwei grundsätzliche
Nachteile auf, unter anderem nämlich: a) Die Ofenwände müssen von einer solchen
Bauart und Größe sein, daß sie die Beaufschlagung der Flamme unter sehr hoher Temperatur
aushalten. Dies ergibt wesentliche Schwierigkeiten bei der Konstruktion und bei
der Wartung.
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b) Die Reaktion ist verhältnismäßig träge, da sie von der Verbrennung
der Staubkohle abhängt. c) Zwei getrennte Prozesse, nämlich Oxydation und Reduktion,
werden gleichzeitig ausgeführt. Die Erfindung bezweckt die Vermeidung solcher Nachteile
und die Durchführung eines derartigen Verfahrens zur Verhüttung von feinzerkleinertem
Eisenerz in einer schnellen und wirtschaftlichen Weise. Zu diesem Zweck wird ein
solches Verfahren zum Reduzieren von Eisenerz unter Einführung von feinzerkleinertem
Eisenerz und Flußmittel sowie Brenn- und Sauerstoff und/oder Luft durch Brenner
in eine Reaktionskammer in der Weise ausgeführt, daß mittels der Reaktionsteilnehmer
zu ihrer raschen hohen Erhitzung vor der Brennermündung eine stark oxydierende Brennerflamme
erzeugt wird, daß auf diese Flamme zur weiteren reduzierenden Führung Brennstoff
geblasen wird und daß die entstehenden, im Schwebezustand befindlichen Reaktionsprodukte
durch den Verhüttungsofen auf den Ofenherd bzw. das Schmelzbad zum Abscheiden flüssigen
Eisens und flüssiger Schlacke geleitet werden.
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Zur Durchführung des Verfahrens können Öfen angewendet werden, welche
eine weniger kostspielige Konstruktion als bisher erfordern. Die Erhitzung und Reduktion
des Erzes erfolgen ferner in zwei getrennten, sehr wirksamen Stufen, indem das feingepulverte
Eisenerz und Flußmittel zunächst auf eine hohe Temperatur während einer kurzen Zeitspanne
unter oxydierenden Bedingungen erhitzt werden und darauf reduzierenden Bedingungen
bei einer etwas niedrigeren Temperatur unterworfen werden, worauf durch Auftreffen
der Flamme mit den reduzierten Teilchen auf die Oberfläche eines Metallbades die
Trennung
von geschmolzenem Eisen und Schlacke erfolgt.
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Ganz besonders vorteilhaft ist das Verfahren für die Verwendung von
Naturgas als Brennstoff, wenn es auch durchaus nicht hierauf abgestellt und entwickelt
ist. Mit entsprechend geringen Änderungen können auch noch andere Arten von Brennstoff,
wie z. B. Fabrikgas, Heizöl oder Kerosin, in Bedarfsfällen angewendet werden.
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Die Vorzugsofencharge ist ein trockenes, reiches Magnetiteisenerzkonzentrat
mit einem Gehalt von vorzugsweise über 601/o, Eisen und weniger als 101/o Kieselsäure.
Mit dem Erz wird eine ausreichende Menge von gebranntem Kalk zur Verschlackung der
Kieselsäure vermischt, wobei Zusammensetzung und Kalkanteil des Möllers den gebräuchlichen
Hochofenprozessen entsprechen.
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Magnetiteisenerzkonzentrat ist in feinzerkleinerter Form leicht verfügbar.
Bei den gebräuchlichen Verhüttungsmethoden ist es erforderlich, solches zerkleinertes
Konzentrat zu agglomerieren, während dagegen bei dem Flammschmelzverfahren das zerkleinerte
Konzentrat so verwendet wird, wie es anfällt und ohne daß eine Agglomerierung erforderlich
ist.
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Zu dem Eisenerzkonzentrat wird der erforderliche Kalk in zerkleinerter
Form vorzugsweise unter 0,250 mm Maschenweite, jedoch vorzugsweise mit weniger als
15 % unter 0,044 mm Maschenweite zugefügt. Das Eisenerzkonzentrat kann von einer
beliebigen Maschenweite, wie es verfügbar ist, verwendet werden, sofern es unter
0,250 mm Maschen liegt und auch weiterhin das Konzentrat nicht mehr als 15 1/o.
unter 0,044 mm Maschenweite enthält.
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Der feine Möller wird dann in geregelter Menge in den Gasbrenner,
welcher senkrecht nach unten gerichtet ist, gefördert. Sauerstoff, vorzugsweise
mit einem Reinheitsgrad von über 901/o, wird dann zusammen mit Naturgas eingeleitet.
Die Verwendung von Sauerstoff hat den Vorteil, daß sich eine sehr hohe Temperatur
in kurzen Austrittsabständen der Flamme entwickelt und daß das Volumen der Verbrennungsgase
auf ein Minimum gehalten wird, so däß der aus dem Ofen abgeführte Staub geringer
ist als in dem Falle, daß Luft verwendet wird.
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Das Verhältnis von Naturgas zum Eisenerz wird sich nach der Bauart
des Ofens, dem Grad (wenn vorhanden) der Vorerhitzung der Charge und dem Schlackenteil
in der Charge ändern. Das am meisten wirksame Arbeitsverhältnis von Eisenerz wird
daher unter Berücksichtigung dieser Faktoren bestimmt. Jedoch wird im allgemeinen
das Verhältnis nicht niedriger sein als 400 m3 Gas für eine Tonne erzeugtes Metall
und wird im allgemeinen in der Nähe von 850 m3 liegen.
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Das Verhältnis von Sauerstoff zu Naturgas wird entsprechend der Zusammensetzung
des Naturgases und der Gasmenge eingestellt. Das Vorzugsverhältnis ist dasjenige,
bei welchem die möglichst heißeste, starke oxydierende Flamme erhalten wird; dies
kann während des Ablaufs des Verfahrens durch Sicht beobachtet werden.
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Die zerkleinerte, von der Flamme geführte Charge wird im Bruchteil
einer Sekunde auf eine Temperatur von etwa 1925° C erhitzt. Während dieser Zeit
wird das Eisen stark oxydiert, wodurch die Entfernung eines Teiles des vorhandenen
Schwefels erfolgt und wobei der Magnetit teilweise oder ganz zu Haematit oxydiert
wird. Da die Oxydation des Magnetit zusätzlich Wärme dem Prozeß zuführt (eine durchaus
wünschenswerte Bedingung in dieser Stufe) wird bevorzugt, ein feines Erz mit einem
hohen Magnetitgehalt zuzuführen.
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Nach diesem Punkt, wo der Staub seine Höchsttemperatur erreicht hat,
wird zusätzliches Gas auf die Flamme in einer solchen Weise geleitet, daß sich eine
im wesentlichen weiche, nicht wirbelnde Flamme ergibt. Es muß genügend Zusatzgas
zugegeben werden, um reduzierende Bedingungen in der Flamme zu erzielen, wobei der
Anteil des Zusatzes auch von Faktoren, wie Ofenkonstruktion, Zusammensetzung der
Charge und des Gases, abhängt. Im allgemeinen jedoch wurde ein Zusatz von 425 m3
pro Tonne erzeugtes Metall in dieser Stufe als ausreichend gefunden, um die gewünschten
reduzierenden Bedingungen zu erhalten.
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Naturgas ist besonders vorteilhaft, da die in der oxydierenden Flamme
anwesenden Eisenoxyde als Katalysatoren für eine Krackung des Gases und für eine
Umsetzung der gekrackten Gase mit dem in der Flamme anwesenden Sauerstoff, Kohlendioxyd
und Wasserdampf unter Erzeugung eines reduzierenden Gases, welches keinen Sauerstoff
und sehr wenig Kohlendioxyd und Wasserdampf enthält nach folgendem Schema wirken.
| l320° C |
| CH4 -> 2 HZ + C |
| 1.320° C - Fe 203 |
| CH4 .-- 2 H2 + CO |
Diese reduzierenden Gase setzen sich mit dem Erz wie folgt um:
| H2 + Fe203 -@ Fe + H20 (stark endotherm) |
| CO + Fe203 -@ Fe + C02 |
Das durch die letzteren Reaktionen gebildete Wasser und Kohlendioxyd reagieren endotherm
mit dem verbleibenden Gas unter Bildung von weiterem Wasserstoff und Kohlenmonoxyd
und dienen so zur Herabsetzung der Temperatur in dieser Stufe.
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Diese wesentliche Reduktion der Temperatur ermöglicht eine viel einfachere
und mehr wirtschaftliche Ofenkonstruktion.
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Wie schon erwähnt wurde, wird das Zusatzgas vorzugsweise in einer
solchen Weise zugefügt, daß sich eine weiche, nicht wirbelnde Flamme ergibt. Dies
kann in der Praxis durch die Anordnung einer Zahl von diametral gegenüberstehenden,
radial angeordneten einwärts gerichteten Rohren, welche auf die oxydierende Flamme
gerichtet sind, erfolgen. Gegebenenfalls kann auch ein äußeres konzentrisches Rohr
außerhalb der Brennerkammer dazu verwendet werden, um die Flamme in einen überschuß
von Naturgas einzuhüllen.
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Die reduzierende Flamme mit den schwebenden Reaktionsprodukten ist
senkrecht abwärts auf eine Oberfläche von geschmolzenem Metall gerichtet. Die Flamme
mit den Teilchen hat vor dem Auftreffen auf das Bad ein genügendes Moment erhalten,
so daß die Staubpartikelchen senkrecht abwärts in das Metallbad schießen und damit
der Tendenz des Gasstromes entgegentreten, die Teilchen seitwärts und aufwärts aus
dem Ofen abzuführen.
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Beim Anfahren des Prozesses ist es erforderlich, ein geschmolzenes
Bad vorzubereiten, auf welches die
Flamme auftrifft. Im Betrieb
kann jedoch Schlacke und Metall kontinuierlich oder periodisch entsprechend ihrer
Bildung in dem Bad abgezogen werden.
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Das Bad wird vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens l535°
C gehalten, wobei diese Temperatur durch Einstellung des Abstandes zwischen der
Oberfläche des Bades und dem heißen Punkt der Flamme geregelt werden kann. Im Betrieb
bildet sich eine Schicht von Schlacke über dem geschmolzenen Metall; der Ofen wird
abgestochen und die Schlacke und das geschmolzene Metall getrennt entweder stufenweise
oder, was vorzuziehen ist, kontinuierlich abgezogen.
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Die Verbrennungsgase können vom Ofen durch Umfangszüge, welche vom
Ofen gerade oberhalb der Oberfläche des Bades ausgehen, abgeführt werden. Diese
Züge sollen derart ausgebildet sein, daß im wesentlichen aller mitgeführter Staub
vor dem Entweichen des abgezogenen Gases auf die Oberfläche des Bades fällt.
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Das abgezogene Gas kann zum Vorwärmen des Erzes vor seiner Zuführung
zur Flamme verbrannt werden, wodurch sich eine wesentliche Erhöhung in der Wirksamkeit
des Prozesses ergibt, oder es kann auch abwechselnd verbrannt und zur Dampferzeugung
ausgenutzt werden, wobei dieser Dampf zur Herstellung von Sauerstoff in einer üblichen
Sauerstoffkompressoranlage dient. Ein Teil des abgezogenen Gases, welches CO.; und
H,0 enthält, kann auch in die Flamme zurückgeführt werden, um das Kracken des Naturgases
zu unterstützen.
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Der geringste Anteil des Verfahrens liegt in der Entfernung der restlichen
101/o Sauerstoff aus dem Eisenoxyd. Diese Endreduktion kann in dem Bad erfolgen
und sehr stark durch Abzug eines Teiles des geschmolzenen Metalls (vorzugsweise
15 bis 501/o des hergestellten Metalls), seine Einstellung auf einen Kohlenstoffgehalt
von etwa 3,5 % und durch Zurückführung dieses Anteiles im geschmolzenen Zustand
in das Bad beschleunigt werden. Es wurde gefunden, daß ein solcher Kreislauf eine
Endreduktion der letzten 10% des Sauerstoffes in dem Bad in einem viel schnelleren
Maße bewirkt und daß daher ein Ofen von gegebenen Abmessungen mit einer entsprechend
größeren Kapazität laufen kann.
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Zur Durchführung des Verfahrens können entsprechend den vorstehenden
Ausführungen konstruierte Öfen zur Anwendung kommen, bei welchen in dem Ofenraum
auf einem geschmolzenen Bad ein oder mehrere Brenner mit ihrer Flammrichtung in
Richtung auf dieses Bad, vorzugsweise jedoch senkrecht, angeordnet sind. Die Brenner
sind in zweckmäßiger Weise zur Zuführung des Möllers, des Heizgases und der Luft
bzw. des Sauerstoffes eingerichtet, ebenso wie auch eine Zuführung von zusätzlichem
Gas im Anschluß an die Oxydationszone der Flamme vorgesehen ist.
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Beispielsweise zeigt die Zeichnung schematisch die Ausführung eines
solchen Ofens, und zwar im senkrechten Querschnitt.
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Das feingepulverte Erz zusammen mit Kalk wird in dem Brenner bei 1
eingeführt, während Sauerstoff bei 2 und Naturgas bei 3 zugeleitet werden.
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Die Flamme des Düsenbrenners ist bei 4 im Anschluß an die Mündung
12, wenn entsprechende Anteile von Sauerstoff und Naturgas in der Weise zur Anwendung
kommen, daß die heißestmögliche Flamme erhalten wird, stark oxydierend und hat etwa
l525° C oder mehr.
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Zusätzliches Naturgas wird durch die Umfangseinlässe 5 und
5 A zugegeben, wobei diese Einlässe abwärts und auf die oxydierende Flamme
gerichtet sind. Es ist eine Mehrzahl dieser Einlässe vorgesehen, die diametral zueinander
angeordnet sind, so daß sich die geringstmögliche Turbulenz oder Beunruhigung der
Flamme ergibt.
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Die so erhaltene reduzierende Flamme ist abwärts gerichtet, wo sie
dann auf das Bad 6 aus geschmolzenem Metall e mit der heißen Schlackendecke trifft.
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Eine Reihe von Zügen in den Seitenwänden 9 und 9A, welche unmittelbar
von dem Ofen oberhalb des Spiegels des Bades 6 ausgehen, dienen zum Abzug der Gase.
Die Schlacke wird durch den Abstich 10 abgezogen und das geschmolzene Metall durch
den Abstich 11. Der Kohlenstoffgehalt eines Teiles des abgezogenen Metalls kann,
wie beschrieben, eingestellt werden und das geschmolzene Metall in das Bad durch
den Kanal 12 wieder zurückgeführt werden.
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Dre Abstand des Brenners 4 zu dem Bad 6 bestimmt die Temperatur des
Bades, wobei der Abstand für beste Verhältnisse so eingestellt werden soll, daß
das Bad bei oder oberhalb 1535° C gehalten wird.
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Die Gasableitung soll vorzugsweise so ausgeführt sein, daß die Geschwindigkeit
des abgesaugten Gases unterhalb von 0,5 m pro Sekunde liegt.
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Es ist ersichtlich, daß die Konstruktion des Ofens gegenüber den früheren
Verfahren außerordentlich vereinfacht ist, da die Flamme nicht auf die Wandungen
des Ofens auftrifft.
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Wenn vorstehend eine Vorzugsausführungsform beschrieben wird, so soll
hierdurch keineswegs hinsichtlich der Mengen und Vorzugsbedingungen irgendwie eine
Beschränkung ausgedrückt werden. Unter Benutzung des Erfindungsgedankens ergeben
sich für den Fachmann ohne weiteres verschiedene Änderungen. Beispielsweise wurde
die Verwendung von Naturgas beschrieben, welches als Heizmittel die Vorteile einer
sehr raschen Verbrennung und dementsprechend die Durchführung des Prozesses in einer
verhältnismäßig kurzen Flamme ermöglicht. Selbstverständlich kann natürlich auch
an dessen Stelle Fabrikgas verwendet werden, wenn es leichter verfügbar ist oder
aus einem sonstigen Grunde seine Verwendung gewünscht wird. Andererseits kann das
Verfahren aber auch anstatt mit Gas mit Kerosin, Heizöl oder selbst mit Staubkohle
als Brennstoff durchgeführt werden. Da jedoch diese Brennstoffe eine längere Brennzeit
als Gas haben, ergeben sich entsprechend größere Öfen für den gleichen Durchsatz.
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Weiterhin kann vorerhitzte Luft mit einer Temperatur von etwa 815°
C anstatt Sauerstoff in der oxydierenden Stufe des Verfahrens verwendet werden.
Wenn auch dies eine niedrigere Maximaltemperatur, eine längere Verbrennungszeit
und ein größeres Gasvolumen bedingt, so kann natürlich ein Ofen bei entsprechender
Konstruktion auch auf diese Weise betrieben werden.