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Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion feinzerkleinerter oxydischer
Eisenerze Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Reduktion feinzerkleinerter oxydischer Eisenerze, ohne daß dabei ein Sintern
eintritt, zu metallischem, vorzugsweise feinverteiltem Schwammeisen mit nachfolgendem
Schmelzen des Eisens in einem mit reduzierendem Gasgemisch durchströmten Schmelzofen.
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Von derartigen Verfahren ist bekannt, daß die Reduktion nicht ganz
vollständig verläuft, so daß bei nachfolgendem Schmelzen des Eisens in einem Schmelzofen
noch geringe Mengen nicht reduzierten Eisenerzes vorhanden sind. Diese Reste oxydischer
Erze gelangen erst im Schmelzofen unter der Einwirkung einer im wesentlichen aus
CO neben geringen Mengen C02 bestehenden reduzierenden Atmosphäre zur Reduktion.
Die aus dem Schmelzofen austretenden Abgase besitzen eine Temperatur von etwa 1600°
C und bestehen, weil eine Oxydation des CO stattgefunden hat, zum wesentlichen Teil
aus CO?.
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Man hat versucht, die aus der Schmelzkammer austretenden Abgase zur
Reduktion des Eisenerzes zu Schwammeisen in der Reduktionskammer heranzuziehen,
doch ist dies nicht ohne weiteres möglich, weil a) die Temperatur der Abgase so
hoch ist, daß in der Reduktionskammer ein Sintern des Eisenerzes und des reduzierten
Eisens eintritt, und b) in den meisten Fällen die Reduktionskraft der Abgase, d.
h. ihr CO-Gehalt, zu stark herabgemindert ist.
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Nun wurde bereits vorgeschlagen, die heißen Abgase des Schmelzofens
vor Einführung in die Reduktionskammer abzukühlen, z. B. mittels einer Kühlschlange.
Hierdurch geht aber eine beträchtliche Wärmemenge nutzlos verloren, was die gewerbliche
Verwertbarkeit des Verfahrens herabsetzt. Außerdem wird durch eine solche Maßnahme
die Reduktionskraft der Gase nicht erhöht.
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Auch hat man schon vorgeschlagen, die heißen Abgase des Schmelzofens
mit kaltem Abgas oder mit Frischgas zu vermischen und auf diese Weise die Temperatur
herabzusetzen. Verwendet man zum Vermischen Frischgas, so kann man zwar die Reduktionskraft
des Gasgemisches erhöhen, muß aber auch hier einen Verlust an Wärmeenergie mit in
Kauf nehmen.
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Es ist nun das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Reduktionskraft
der aus dem Schmelzofen austretenden Abgase unter Verwertung ihrer überschüssigen
Wärmeenergie, welche bisher nutzlos verlorenging, zu erhöhen. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß
erreicht, indem sich der endotherm verlaufenden Reaktion C02 -f- C = 2C0 bedient.
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Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
werden die aus dem Schmelzofen austretenden, im wesentlichen aus C02 bestehenden,
etwa 1600° C heißen Abgase in einen besonderen Regelofen geleitet, in welchen gepulvertes
kohlenstoffhaltiges Material eingeführt wird. Mit diesem kohlenstoffhaltigen Material
setzt sich das Kohlendioxyd der Abgase nach der oben angegebenen Reaktionsgleichung
unter Bildung von Kohlenmonoxyd und gleichzeitigem Absinken der Temperatur (endotherme
Reaktion) um. Die Zufuhr von Abgasen und kohlenstoffhaltigem Material zum Regelofen
stellt man dann so ein, daß die Temperatur auf den gewünschten Wert, meist etwa
1000 bis 1100° C, absinkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß man
die zu redv2ierenden Erze in eine Reduktionskammer des Zyklontyps leitet, in welche
gleichzeitig heißes reduzierendes, im wesentlcihen aus CO und C02, gegebenenfalls
neben N2, bestehendes Abgas aus dem Schmelzofen nach vorherigem Durchlaufen eines
mit gepulvertem kohlenstoffhaltigem Brennstoff beschickten Regelofens eingeblasen
wird, und daß man das Verhältnis CO : C02 und die Temperatur des in die Reduktionskammer
einströmenden Gasgemisches im Regelofen durch Einstellung der Zufuhrgeschwindigkeit
des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und/oder der Zufuhrgeschwindigkeit des Gasgemisches
regelt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des 1160462
erfindungsgemäßen
Verfahrens führt man den Brennstoff in den Regelofen im überschuß ein. Vor der Einführung
in den Schmelzofen ist ein Entaschen des Brennstoffs zweckmäßig.
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Die Ausnutzung großer Wärmemengen, deren Verwertung bei Anwendung
der bisher bekannten Verfahren nicht möglich war, stellt einen erheblichen technischen
Fortschritt dar, welchen die vorliegende Erfindung mit sich bringt.
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Die Erfindung sei nunmehr an Hand der Zeichnungen, welche verschiedene
Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen, beschrieben.
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In F i g. 1 der Zeichnung sind mit I mit V Zykonöfen aus feuerfestem
Material bezeichnet. Durch das Rohr 1 wird mit großer Geschwindigkeit Heißluft bzw.
sauerstoffhaltiges Gas in Tangentialrichtung in den Ofen 1 geblasen, welcher zur
Erzeugung reduzierend wirkenden Gases dient. Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltiges
Material wie Koks oder Kohle, welches sich am Boden des Regelofens 111 in
Form feinen Pulvers sammelt, wird ununterbrochen dem Oberteil des Ofens I zugeführt.
Die Hauptmenge des kohlenstoffhaltigen Materials wird durch Reaktion mit der durch
das Rohr 1 zugeführten Heißluft in Kohlenoxyd umgewandelt, während ein Teil des
Kohlenstoffs in Kohlendioxyd übergeführt wird. Dieses Gasgemisch wird durch ein
Auslaßrohr 4 abgezogen.
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Da diese Reaktion exotherm ist, erhitzt sich das gebildete Gas auf
eine Temperatur von etwa 9.800° C. Diese kann sowohl durch Verändern der Temperatur
der Heißluft als auch des Verhältnisses von Heißluft zu zugeführtem Kohlenstoffmaterial
gesteuert werden. Durch Veränderung des Verhältnisses von Heißluft zu zugeführtem
Kohlenstoffmaterial kann das Verhältnis von gebildetem CO: CO., ebenfalls
gesteuert werden.
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Der durch das Ventil 2 am Oberteil des Ofens 1 zugeführte Kohlenstoff
enthält Asche, welche bei der hohen Temperatur schmilzt und sich an der Wandung
des Ofens I durch die Zyklonwirkung ansammelt, wobei sie nach abwärts fließt und
am Boden 3 des Ofens I zusammenfließt. Die Asche wird dann in geeigneter Weise aus
dem Ofen I entfernt.
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Das heiße Gasgemisch, welches durch das Auslaßrohr 4 des Ofens I strömt,
wird durch ein Einlaßrohr 5 mit hoher Geschwindigkeit in Tangentialrichtung in den
Schmelzofen 1I geblasen. Gepulvertes Eisenerz aus dem Vorbehandlungsofen V wird
in der Reduktionskammer IV vorerhitzt, zu Eisenpulver reduziert und dann ununterbrochen
aus der Reduktionskammer IV durch das Ventil 6 in den Schmelzofen II eingeführt.
CaO-Pulver, welches sich gleichzeitig aus Kalksteinpulver bildet, wird mit dem Eisenpulver
durchmischt und in den Ofen 11 gegeben. Beide Pulver werden weitererhitzt und schmelzen
im Schmelzofen Il durch das heiße reduzierende Gas, ,;7"elches tangential durch
das Ein1_^ßrohr 5 eingeblasen wird. Die Schmelzmasse sammelt sich längs der Ofenwand
durch Zyklonwirkung und fließt nach abwärts zum Ofenboden. Mit 7 ist das geschmolzene
metallische, auf dem Boden des Ofens angesammelte Eisen bezeichnet, und 8 stellt
die gebildete Schlacke dar. Das geschmolzene Eisen und die Schlacke werden von Zeit
zu Zeit abgelassen.
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Das durch das Ventil 6 in den Schmelzofen 11 eintretende pulverförmige
Eisen enthält gewöhnlich nicht reduziertes Eisenerz, welches durch den CO-Anteil
des heißen reduzierenden Gasgemisches im Ofen I1 vollkommen reduziert und geschmolzen
wird. Die Reduktion von Eisenoxyden durch CO verläuft leicht exotherm und infolge
der hohen Temperatur des Gases vollständig. Die angemessene Temperatur des Schmelzofens
Il beträgt etwa 1600= C. Diese Temperatur hängt von der Temperatur des zugeführten
Gases und des zugeführten Eisenpulvers, dem Ausmaß der Zuführung desselben, der
Abkühlungscharakteristik der Ofenwand u. dgl. ab Das durch ein Gasauslaßrohr 9 abgezogene
Gas wird tangential mit hoher Geschwindigkeit durch einen Einlaß 10 in den Regelofen
111 geblasen. Gepulvertes kohlenstoffhaltiges Material im Behälter 12 wird
kontinuierlich durch ein Ventil 11 in den Ofen 111 eingeführt. Dieses kohlenstoffhaltige
Material wird durch heißes reduzierendes Gas im Ofen III vorerhitzt und reagiert
zum Teil mit Kohlendioxyd, welches in dem durch den Einlaß 10 eingeblasenen Gas
enthalten ist, unter Bildung von CO. Da diese Reaktion endotherm ist, fällt die
Temp.-ratur des Ofens III auf eine beträchtlich niedrigere Temperatur als die des
eingeblasenen Gases. Wenn beispielsweise das aus dem Schmelzofen 1I kommende Gas
eine Temperatur von 1<,00, C aufweist, so beträgt die Temperatur des Ofens III
etwa 1100° C. Diese Temperatur ist abhängig von dem CO"-Anteil des durch den Einlaß
10 eingeblasenen Gases, der Abkühlungscharakteristik der Wand des Ofens
111
u. dgl.
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Der Regelofen dient sowohl dazu, ein aus N" CO und CO., bestehendes
Gasgemisch, welches bei- etwa 1600' C in den Ofen geblasen wird. in ein N..-CO-Gemisch
von etwa I1001 C umzuwandeln, als auch das zugeführte Kohlenstoffausgangsmaterial
#"orzuheizen. Daher kann die Einstellung von Beschaffenheit und Temperatur des Gases
im Ofen 111 wirksam ausgeführt werden.
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Durch Ventil 11 wird eine größere Menge gepulverten kohlenstoffhaltigen
Materials zugeführt, als zur Umwandlung von CO., in CO im Regelofen III erforderlich
ist. Der in den Ofen 111 eingeführte und darin vorerhitzte Kohlenstoff sammelt
sich durch die Zyklonwirkung auf der Umfangswand. fällt auf den Ofenboden und kann,
wie vorher beschrieben. durch das Ventil 2 dein Oberteil des Ofens 1 zugeführt werden.
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Das heiße, durch das Auslaßrohr 13 des Ofens III abgezogene reduzierende
Gas wird tangential mit hoher Geschwindigkeit durch den Einlaß 14 in die Reduktionskammer
IV geblasen, in welcher ein kreisender heißer Gasstrom erzeugt wird. Das gepulverte.
im Ofen V vorerhitzte und vorreduzierte Eisenerz (Fe0) sowie damit gemischter feinzerteilter
Kalkstein werden der Reduktionskammer IV zugeführt. Das Erz wird in der Reduktionskammer
durch den CO-Anteil des durch den Einlaß 14 geblasenen Gases z',: Fe reduziert,
wobei sich das Kalksteinpulver in CO= und CaO-Pulv-.r spaltet. Es bildet sich so
ein pulvriges Gemisch aus Fe und Ca0, welches, wie oben erwähnt, kontinuierlich
durch das Ventil b dem Schmelzofen 11
zugeführt wird.
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Die Temperatur in der Redukionskammer IV beträgt etwa 1000 - C und
ist von der Temperatur des in die Reduktionskammer eingeblasenen reduzierenden Gases,
der Temperatur des gepulverten Eisenerzes, dem Verhältnis von Gas zu zugeführtem
Erz,
der Abkühlungscharakteristik der Wandung der Kammer IV u. dgl.
abhängig. Die angemessene Temperaturerniedrigung im Innern der Reduktionskammer
IV durch das heiße reduzierende Gas, welche im RegelofenIII passend eingestellt
wird, dient dazu, das Sintern von Eisenpulver oder reduziertem Eisenpulver in der
Reduktionskammer IV zu verhindern.
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Das Gas, welches die Reduktionskammer durch ein Auslaßrohr 16 verläßt,
ist eine Mischung von N2, CO und C02. Dieses Gasgemisch wird bei hoher Temperatur
durch ein Einlaßrohr 17 tangential in den Ofen V geblasen. Gepulvertes Eisenerz,
wie Limonit, Magnetit, Hämatit oder andere oxydische Erze, und pulverisierter Kalkstein
als schlackebildendes Material werden vom Behälter 19 durch ein Ventil 18 dem Ofen
V zugeleitet. Diese beiden Materialien werden im Ofen V vorerhitzt, und das gepulverte
Eisenoxyderz wird zu FeO-Pulver vorreduziert.
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Die Temperatur im Ofen V beträgt etwa 700° C. Diese Temperatur ist
abhängig von der Temperatur des zugeführten Gases, dem Zufuhrverhältnis von Gas
und Eisenerz, den Abkühlungscharakteristiken der Wände des Ofens V u. dgl. Das im
Ofen V vorerhitzte Eisenerz- und Kalksteinpulver sammelt sich am Boden des Ofens
V, wonach .es durch ein Ventil 15 in die Reduktionskammer IV gelangt. Das Gas, welches
durch das Auslaßrohr 20 austritt, ist ein Gemisch von N.", CO und C02.
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Wie sich aus vorstehendem ergibt, spielen sich alle Vorgänge durch
bloße Berührung mit dem heißen Gas ab. Die in dem bei 12 zugeführten kohlenstoffhaltigen
Material enthaltene Asche samelt sich an dem Boden des Ofens 1, ohne mit Eisenerz
oder metallischem Eisen in Berührung zu kommen. Außerdem trägt, da die Schlackenbildung
gering ist, dieses Verfahren zu der Herstellung von metallischem Eisen hoher Qualität
bei. Ferner kann die Kalksteinbeschikkungsmenge ebenfalls verringert werden. Dies
sind weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Verwendung stark backender
Kohle, wie sie beim Hochofenprozeß gebraucht wird, nicht erforderlich. Es ist zweckmäßiger,
nicht backenden Anthrazit zu benutzen. Selbst Kohle mit einem Gehalt an flüchtigen
Stoffen und ziemlich hohem Aschengehalt kann Anwendung finden.
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Wenn Dampf in den Gaseinlaß 10 des Regelofens III oder an anderen
geeigneten Stellen dieses Ofens eingespritzt wird, so reagiert H20 mit C bei der
hohen Temperatur unter Bildung des stärker reduzierendes Gasgemisches H2+ CO, und
da diese Reaktion endotherm ist, kann die Temperatur im Innern des Ofens III auch
durch Bemessung der Dampfzufuhr gesteuert werden. Wenn die Temperatur des Ofens
III zu hoch ist, kann man sie durch Anwendung dieses Vorganges regeln. Auch kann
man die Rohstoffe in einem Ofen, welcher über dem Ofen V liegt, vorerhitzen und
trocknen.
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Die in dieser Ausführungsform angegebenen Temperaturen sind nur beispielhaft.
Die geeignete Temperatur ist von der Art des Eisenerzes und des kohlenstoffhaltigen
Materials abhängig.
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Da in den Öfen 1 und 1I das Arbeiten bis zum Schmelzen von Asche,
metallischem Eisen bzw. Schlacke geführt werden kann, ist es möglich, horizontale
Zyklonöfen I und II, die, wie in F i g. 2 gezeigt, in gewissem Maße gekippt sind,
zu benutzen.
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Die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 in F i g. 2 bezeichnen
die entsprechenden Teile der F i g. 1. In diesen horizontalen Zyklonöfen 1 und 1I
ist die Gewinnung feinen Pulvers nicht so gut, doch ergibt sich der Vorteil der
einfachen Konstruktion der Öfen.
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F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, in welcher der Ofen 1 von F i
g. 1 fortgelassen ist und das im Regelofen 111 gesammelte Kohlenstoffausgangsmaterial
in den Schmelzofen 1I geleitet wird. Die Wirkungsweise ist der in F i g. 1 gezeigten
ähnlich. Die Ofenanordnungen sind einfacher. Ferner wird das in der Reduktionskammer
IV reduzierte und gesammelte Metall durch ein Entleerungsrohr abgezogen, welches
mit einem Ventil 6' versehen ist. Auf diese Weise kann das reduzierte Eisem abgezogen
und in einem anderen Ofen geschmolzen werden. Diese Arbeitsweise ist auch bei der
in F i g. 1 gezeigten Anordnung möglich. Ferner können mehrere Schmelzöfen, Reduktionskammern
usw. parallel geschaltet werden.
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Bei Anwendung der in F i g . 1 gezeigten Vorrichtung kann das Kohlenstoffausgangsmaterial
dem Ofen III in einer für die Temperatursteuerung nötigen Menge zugeführt werden.
Die gesammelten Pulver (Fe, CaO) werden in den Ofen 1I gegeben, und dem Ofen I wird
das Kohlenstoffausgangsmaterial separat zugeführt. Die Kohlezufuhr zum Ofen 1 ist
bei weitem größer als die zum Ofen III.
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Weiterhin können die Öfen 1 bis V frei angeordnet sein. Das Ventil
6 der Reduktionskammer IV muß so beschaffen sein, daß das in der Kammer IV reduzierte
Eisenpulver laufend in den Ofen 1I fällt, während der Eintritt von Gas aus dem Ofen
II in die Reduktionskammer IV infolge höheren Gasdruckes im Ofen 11 verhindert wird.
Die Ventile 2, 11 und 15 sollten in gleicher Weise wie das Ventil 6 arbeiten.
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Ferner können bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Wahl der Ausgangsstoffe und deren Feinheitsgrad sowie die Wahl der geeigneten
Beschickungsstellen für jedes gepulverte Material den Erfordernissen entsprechend
geändert werden. Es ist auch möglich, in das zugeführte Gas oder an anderen geeigneten
Stellen Sauerstoff oder Wasserstoff einzuleiten.
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Als kohlenstoffhaltiger Brennstoff zur Herstellung der reduzierenden
Atmosphäre können auch Schweröl, andere flüssige Brennstoffe, Naturgas oder andere
gasförmige Brennstoffe benutzt werden. In diesem Fall ist es, weil keine Asche anfällt,
nicht nötig, daß die Öfen 1 und III Zyklonöfen sind.