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Verfahren zur Herstellung von Schwammeisen Aus der deutschen Patentschrift
878 948 ist ein Verfahren zur Herstellung von Schwammeisen oder Eisenpulver
durch Reduktion von Eisen-Sauerstoff-Verbindungen mit Kohlenoxyd bekannt, das darin
besteht, daß die Eisen-Sauerstoff-Verbindungen in einem annähernd gasdichten, von
außen geheizten, mit Kohle und dem durch die Umsetzung des Beschickungsgutes gebildeten
gasgefüllten und unter überdruck stehenden Glühraum reduziert wird und nach erfolgter
Reduktion während des Abkühlens ein reduzierendes oder neutrales Gas in den Reaktionsraum
eingeführt wird. Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens bestehen darin, daß man
dabei keine ausreichend gleichmäßige und durchgehende Reduktion von Eisenerz zu
einem Produkt von geregelter Porosität und Dichte erhält, daß das Reaktionsraumvolumen
nur ungenügend ausgenutzt wird und die Beschickung der Reaktionskammer mit den Agglomeraten
aus Eisenerz und Brennstoff nicht auf mechanischem Wege durchgeführt werden kann.
Bei dem bekannten Verfahren muß nämlich zunächst die Bodenschicht aus Reduktionsmittel
eingebracht werden, worauf dann die Erzbriketts od. dgl. in solcher Weise eingesetzt
werden müssen, daß die Reduktionsgase diese Briketts von allen Seiten bestreichen
können, was mit mechanischen Hilfsmitteln nicht möglich ist, sondern Handarbeit
erfordert.
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Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Herstellung
von Schwammeisen zu erhalten, das alle diese Nachteile des bekannten Verfahrens
vermeidet und Ersparnisse an Zeit, Brennstoff, Kosten für die Betriebsführung und
Arbeitsaufwand mit sich bringt.
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Das Verfahren zur Herstellung von Schwamm-
eisen durch Umsetzung
von Eisenerz und Brennstoff bei erhöhter Temperatur unter überdruck in einem Druckbehälter
mit Gaseinleitung und anschließende Abfährung der entstandenen Gase aus dem Druckbehälter
bei Verminderung des Druckes nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine
Masse aus feinteiligem Eisenerz und feinteiligem Brennstoff mit einem flüssigen
Bindemittel zu Agglomeraten vermischt wird, diese in den Druckbehälter eingebracht
werden, ein freien Sauerstoff enthaltendes Oxydiergas in den beschickten Druckbehälter
eingeführt und die Verbrennung darin bei überdruck ausgelöst wird, die Verbrennungsprodukte
teilweise aus dem Druckbehälter unter Druckverminderung abgezogen werden, der Zyklus
von Einführung von Oxydiergas bei überdruck und Entziehung der entstandenen Gase
unter Druckverminderung wiederholt wird, bis die Brennstoffverbrennung vollständig
geworden ist, darauf durch wiederholte Einleitung von heißem Reduziergas in die
erhitzte Masse mit abwechselnder Entziehung restlichen Gases aus der erhitzten Masse
eine Reduzierbehandlung bewirkt wird, bis der erforderliche Reduktionsgrad erreicht
ist, und Schwammeisen gewonnen wird.
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Nötigenfalls wird das Eisenerz auf eine Größe gebrochen, die einen
relativ freien Durchgang von Luft oder sonstigen Gasen unter mäßigem Druck durch
die ganze Materialschicht gestattet. Wenn das Material ursprünglich in einem feiner
verteilten Zustande vorliegt, wird es auf eine ungefähre Größe von 2 bis
51 mm oder mehr agglomeriert. Das zu erhitzende Material wird mit
einem Brennstoff, wie Koks, Ruß, gepulverter Holzkohle oder sonstigen festen Brennstoffen,
in solcher Weise vermischt, daß das Brennmaterial mehr oder weniger gleichförmig
durch die ganze Mischung verteüt ist. Im Falle von Sulfiderzen kann ein Teil des
notwendigen Brennstoffes zur Erhitzung oder Sinterung bereits in dem Erz enthalten
sein.
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Um erforderlichenfalls eine angemessene Festlegung des Materialgemisches
an Ort und Stelle zu erzielen, wird ein flüssiger Binder, wie Wasser oder wasserhaltiges
Kohlehydratmaterial, z. B. Holzbrei oder Schlammabfall, verwendet. Außer festem
Brennstoff kann auch etwas Kohlenwasserstoffmaterial zugesetzt werden. In einem
solchen Fall muß der Heizwert des Bindemittels als teilweiser oder völliger Ersatz
der Brennmaterialien in Rechnung gestellt werden, die zur Erzielung der gewünschten
Erhitzung verwendet werden müssen.
- Ein Bindemittel muß
aus folgenden Gründen verwendet werden. Wie erwähnt, wird das eingebrachte Gemisch
im Durchgang von Gasen durch die Beschickung stoßweise oder nicht ausgesetzt. Wenn
man diesen Gasfluß durch die Beschickung mit einer praktisch wirtschaftlichen Geschwindigkeit
zuläßt, wird er leicht zum Aussseigern des Brennmaterials aus dem Erzmaterial führen
mit der Folge einer mangelhaften Erhitzung in Teilen der Beschickung und zu starker
Sinterunor anderer Teile, wenn ein Bindemittel nicht verwendet wird.
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Die Vermischung von gebrochenem Erz oder rohem Kalkstein mit der berechneten
Menge Brennstoff und Bindemittel kann in jeder geeigneten Mischeinrichtuno, durchaeführt
werden. Die zu verwendende Bindemittelmenge läßt sich am besten als die Mindestmenge
beschreiben, die notwendig ist, um die Beschickungsmaterialien einschließlich des
kohlenstoffhaltigen Brennstoffes zu einem solchen Grade zu befeuchten, daß praktisch
der ganze Brennstoff gleichmäßig um die Mineralteilchen verteilt ist und an diesen
haftet. Diese Mindestmenge wird bei verschiedenen Bindemitteln und verschiedenen
Mineralien nicht gleich sein, aber bei den meisten Eisenerzen schwankt das Wasser
zwischen 4 und 6 Gewichtsprozent des Erzes. Die Mischung wird dann in eine
geeignet konstruierte Druckretorte eingebracht.
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Eine Geräteart, die zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
geeignet ist, zeigt die Zeichnun-. Das Außengehäuse einer Druckretorte
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ist in geeigneter Weise mit einer feuerfesten Auskleidung 11 versehen,
die in vielen Fällen fortgelassen werden kann. Ein gasdichter Deckel 12 ist auf
die Retorte mittels Knaggen 13 und Bolzen 14 aufgesetzt und kann abgenommen
werden, wenn das Gemisch in die Retorte eingebracht oder herausgenommen wird. Eine
mit einem Regelventü 16 versehene Einlaßleitung 15 ist an einer Quelle
für Druckluft oder Gas angeschlossen, während eine andere Leitung 17 als
Auslaß dient und durch ein Ventil 18 gesteuert wird. Das Regelventil
18 dient zum Anschluß der Auslaßleitung 17 an einen Vakuumbehälter
19 und kann so betätigt werden, daß dieser Vakuumbehälter umgangen und ein
unmittelbarer Anschluß an eine Auslaßleitung 20 je nach Wunsch hergestellt wird.
Dieses Ventil kann eine beliebige Konstruktion haben und von Hand oder mechanisch
betätigt werden. Es kann auch automatisch betätigt und durch Unterschiede
im Druck zwischen der Retorte und dem Vakuumbehälter oder der Absaugleitung
gesteuert werden.
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Zur Erläuterung ist die Retorte so dargestellt, daß sie mit einer
Mischung von Kalkstein 21 und Koks 22 beschickt ist, obgleich auch andere Materialien
durch das vorliegende Verfahren, wie nachstehend dargelegt werden soll, verarbeitet
werden können.
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Nachdem die Retorte beschickt ist, wird heiße Druckluft durch Ventil
16 eingelassen, während Ventü 18 geschlossen bleibt. Die heiße Luft
entzündet das kohlenstoffhaltige Material in der Beschickung, und nach einer geeigneten
Zeitdauer wird Ventil 16
geschlossen, um die Luft abzuschalten, und Ventil
18
geöffnet, um die gasförmigen Verbrennungsprodukte durch die Abgasleitung
20 entweichen zu lassen. C - im
Dann wird Ventil 18 geschlossen und
weitere heiße t2
Luft in die Retorte eingelassen, und der Kreislauf wird wiederholt.
Durch abwechselndes öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßventile wird Luft
wiederholt in die Beschickung eingeblasen, und die Verbrennungsprodukte werden zusammen
mit anderen Gasen und Dämpfen abgesaugt. Auf diese Weise wird die ganze Beschickung
in der Retorte erhitzt und ihre chemische Zusammensetzung verändert. In einigen
Fällen kann man nur eines der Ventile betätigen, während das andere offen gehalten
wird, um noch eine ausreichende Pulsierung der Luft durch die Masse vorzusehen,
so daß eine wirksame Erhitzung und Umsetzung der Beschickung erzielt wird. Das Wesen
und die Vorteile der Erfindung werden sich noch deutlicher aus der folgenden Erläuterung
ergeben.
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Heiße Luft, die den Koks oder sonstiges kohlenstoffhaltigges Material
verbrennt, ergibt eine hohe Temperatur, und die Hitze wird rasch in das Innere der
Beschickungsklumpen geleitet. Der Wärmeabfall zwischen der Oberfläche und der Innenseite
der Klumpen ist größer, als bei Verwendung nicht erhitzter Luft erreicht werden
kann. Die hohe Temperatur von Luft und Koks an der Verbrennungsstelle unterstützt
die Zündung des Kokses schneller und ergibt eine raschere Verbrennung. Nicht erhitzte
Luft kann jedoch auch verwendet werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.
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Wenn die Kalksteinstücke erhitzt werden, entweicht Kohlendioxvd in
Gasform aus dem Kalkstein und hinterläßt Kaikstücke. Wenn die Verbrennung allmählich
abwärts schreitet oder, sofern eine solche Heizanordnung erwünscht ist, aufwärts
schreitet, verbleibt eine heiße Schicht, in der die Verbrennung abgeschlossen ist.
Nach Einblasen heißer Luft in die Beschickung umgibt ein Teil der Luft die Stücke
oder Teile der Beschickung, aber wenn der Druck sich aufbaut, dringt die heiße Luft
in die Poren der Klumpen oder Stücke ein. Wenn der Druck nach Öffnung des Ablaßventils
entlastet wird, fördert die Luft die Verbrennung, indem sie durch die heißen, unverbrannten
Koksschichten geht, während sie aus der Retorte entweicht.
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Wiederholte Einblasung von heißer Luft in die Beschickung schaltet
die Bildung von Luftkanälen durch die Masse aus, verbrennt die Brennstoffe wirtschaftlicher,
liefert höhere Temperatur und erhitzt die Beschickung gleichföriniger als gewöhnlich
angewandte Methoden.
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Die Temperatur der heißen Luft, die durch das Einlaßventil zugelassen
wird, steigt weiter an, wenn sie die Oberfläche der heißen Beschickungsstücke berührt.
Wenn der Druck sich innerhalb der Retorte aufbaut, wird die Luft in die Poren der
Klumpen oder Stücke getrieben und führt die Wärme in diese mit einer höheren Geschwindigkeit
ein, als wenn die Wärme der Innenseite der Stücke durch Wärmeleitung allein zugeführt
würde. Dies gilt um so mehr, als die äußeren erhitzten Teile der Stücke poröser
und weniger wärmeleitend werden, nachdem die Außenfläche caleiniert worden ist.
Ohne die von der Erfindung vorgesehenen Druckpulsierungen wird die Caleinierung
der Stücke schwieriger, wenn der Außenteil fortschreitend poröser und weniger wärmeleitend
wird. Diese Schwierigkeit nimmt zu, wenn das Kohlendioxyd beginnt, sich im Innern
der Stücke zu bilden, da es beim Entweichen aus den Stücken dem Einfluß der Wärineleitung
entgegenwirkt und auch die Außenfläche der Stücke abkühlt. Im Gegensatz hierzu wird
bei schwankendem Druck die heiße Luft in die Stücke durch die poröse Außenfläche
getrieben. Die heiße Luft, die in die Stücke getrieben wird, führt
ihre
Wärme unmittelbar dem Inneren der Stücke zu und dient auch dazu, mechanisch etwas
Wärme von der Außenfläche unmittelbar in die Stücke hineinzutreiben.
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Außerdem erzeugt die mechanische Wirkung des Einpressens der Luft
in die Stücke eine viel raschere Porenbildung, als sie sonst durch die Wirkung des
Kohlendioxyds auftreten würde, das versucht, aus den Stücken zu entweichen. Durch
die Druckschwingungen des vorliegenden Verfahrens wird die Calcinierung des Kalksteines
oder mit anderen Worten die Entfernung des Kohlendioxyds aus den Stücken zum Teil
durch die Wärme und zum Teil durch die mechanische Kraft des Druckdifferentials
hervorgerufen.
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Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich beim Brennen von Kalkstein nach
dem vorliegenden Verfahren, sofern das abgezogene Kohlendioxyd für chemische Zwecke
weiter verwendet werden soll. Das Kohlendioxyd wird nämlich in dem abgesaugten Gas
infolge der wirksameren Luftausnutzung konzentrierter mit der Folge, daß weniger
Luft benötigt wird und daher weniger Stickstoff in den Gasen vorhanden ist. Dieser
Effekt kann noch gesteigert werden, indem man die Luft mit Sauerstoff anreichert
oder gewünschtenfalls überhaupt Sauerstoff verwendet. Im letzteren Fall ist es nicht
notwendig, den Sauerstoff vorzuheizen.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin,
daß die Calciniertemperatur auf einen Punkt gesetzt werden kann, wo der Kalk nur
eine geringe Neigung hat, zu schmelzen oder mit den erdartigen Verunreinigungen,
wie Tonerde oder Kieselsäure, oder mit den Materialien in der Isolierung der Retortenwand
zu verschlacken. Ferner wird durch die Erfindung der Mangel der üblichen Calciniennethoden
beseitigt, bei denen ein beträchtlicher Teil des Calciumearbonates im Zentrum der
Stücke nicht calciniert wird und mit beträchtlichen Kosten entfernt werden muß.
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Wenn nicht erhitzte Luft verwendet wird oder wenn es notwendig ist,
erhitzte Luft zu verwenden, kann kohlenstoffhaltiges Material auf die Oberseite
der Beschickung aufgesprüht und entzündet werden, bevor die Retorte geschlossen
wird. Wenn man heiße Luft verwendet, kann ihre Temperatur derart sein, daß sie den
Brennstoff auf der Oberseite des Gemisches entzündet.
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Von dem Zweck, für den das Verfahren nach der Erfindung angewandt
wird, hängt es ab, ob man nicht erhitzte oder heiße Luft verwenden soll. Wenn die
Mineralbeschickung ohne weitere Behandlung nach Sinterung, Calcinierung, Röstung,
Entschwefelung usw. gekühlt werden soll, dann wird nicht erwärmte Luft wirtschaftlicher
sein. In solchen Fällen aber, wo es vorteilhafter ist, die erhitzte oder geröstete
Beschickung auf einer hohen, im wesentlichen geregelten Temperatur zu belassen,
ist heiße Luft weit zweckmäßiger und wirtschaftlicher. In einem solchen Fall wird
die heiße Luft die Beschickung nicht nur auf der gewünschten hohen Temperatur hinterlassen,
sondern zusätzlich ihre eigene fühlbare Wärme an die ganze Masse abgeben, die zurückgehalten
wird. Gewöhnlich kann die Temperatur dieser heißen Luft so geregelt werden, daß
etwa die Hälfte der zur Erhitzung der Masse und Aufrechterhaltung ihrer erwünschten
hohen Temperatur erforderlichen Wärme in die Beschickung durch die heiße Luft eingebracht
wird, und damit wird der in die Mineralien ein-zumischende Brennstoff auf
ungefähr die Hälfte Menge vermindert. Da die durch die Beschickung zu pumpende Luftmenge
dem Brennstoff proportional ist, wird nur etwa halb soviel Luft bei Verwendung von
Heißluft wie bei nicht erhitzter Luft benötigt. Dies ergibt auch eine Verkürzung
der Erhitzungsdauer auf etwa die Hälfte.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Masse
von zerteiltem Eisenoxyd homogen mit festem kohlenstoffhaltigem Brennstoff und einer
Menge flüssigem Binder vermischt, der ausreicht, um die ganzen Bestandteile der
Mischung während der folgenden Stufen praktisch an ihrer Stelle zu fixieren. Die
Mischung wird in ein gasdichtes Druckgefäß eingebracht, Luft wird eingeblasen, und
die Brennstoffverbrennung wird ausgelöst, so daß der Druck über Luftdruck ansteigt,
die Verbrennungsprodukte werden aus der Beschickung abgesaugt, um den Druck zu senken,
der periodische Wechsel von Lufteinblasen und Absaugen der Verbrennungsprodukte
wird wiederholt, bis die Erze eine gleichförmige Reduziertemperatur erreicht haben,
dann werden die festen Stoffe mit einem reduzierenden Gas geblasen, und anschließend
werden die gasförmigen Reaktionsprodukte abgezogen, bis der gewünschte Zustand der
Erzreduktion erreicht und Schwammeisen auf diese Weise hergestellt ist.
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Im allgemeinen ist im Fall von Eisenerz ungefähr 2 bis 3 0/0
Koksgruß für Heizzwecke erforderlich. Wenn eine SchmeLzung der Masse benötigt wird,
kann die Menge auf 4 bis 5 1/o gesteigert werden. Die gewünschte Menge zur
Erreichung eines bestimmten Zweckes bei einem bestimmten Material läßt sich vom
Betriebsfachmann leicht ermitteln und braucht hier nicht weiter erläutert zu werden.
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Die wiederholte Einblasung und Absaugung von Luft durch die Beschickung
schaltet nicht nur eine Kanalbildung aus, sondern unterstützt auch die durchgehende
und wirksame Erhitzung der Stücke. Außerdem wird durch die pulsierende heiße Luft
praktisch der ganze Schwefel aus dem Erz herausgebrannt und hinterläßt ein poröseres
Erz für die anschließende Reduktionsbehandlung mit reduzierendem Gas. Die Verbrennung
des kohlenstoffhaltigen Brennstoffes in Gegenwart der heißen Luft hinterläßt die
ganze Beschickung bei einer so hohen gleichförmig geregelten Glühtemperatur und
mit gleichförmig geregelter Porosität und Dichte, wie sie durch andere bekannte
Verfahren, wenn überhaupt, nur mit großer Schwierigkeit zu erreichen wären.
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Wenn das Eisenerz zu Eisen reduziert werden soll, wird vorzugsweise
die mittlere Erhitzungstemperatur der Masse unterhalb des Sinterungs-, Klinkerbildungs-
oder Verschlackungspunktes gehalten, so daß die Reduktion des Erzes mit reduzierenden
Gasen nicht schwieriger gemacht wird. Wenn der Erweichungspunkt erreicht oder überschritten
ist, wird sich Eisensilikat bilden und die Reduktion des Erzes wesentlich behindern.
In ähnlicher Weise werden andere Oxyde'bei der Sintertemperatur des Eisenerzes schmelzen,
und Calciumcarbonat oder ähnliches Material wird als Schlackenbildner wirken, um
den Schmelzpunkt herabzusetzen und dadurch die anschließende Reduktion des Erzes
schwieriger zu gestalten.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann jedoch auch angewandt werden
zur Sinterung oder sogar Schmelzung der ganzen Eisenmasse. Ein solches geschmolzenes
oder übersintertes Erz ist viel dichter als
gewöhnlicher Erzsinter
und kann in vorteilhafter Weise als ein Luppeneisenerz für die Decarbonisierung
des Stahlbades im offenen Herd oder im elektrischen Ofen verwendet werden, da die
schweren dichten Brocken leicht durch die geschmolzene Schlacke herabsinken, die
das geschmolzene Stahlbad bedeckt.
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Es ist zu bemerken, daß Hammerschlag oder Walzsinter auch nach dem
vorliegenden Verfahren gesintert und geschmolzen werden kann, so daß es schwere
Brocken bildet. Dies ist besonders wertvoll deshalb, weil Hammerschlag verhältnismäßig
reines Eisenoxyd ist und kein Schlackenmaterial oder nur eine sehr geringe Menge
hiervon enthält. Nach Behandlung in der Retorte kann das Material durch eine Walze
oder Presse gegeben werden, um es auf die gewünschte Größe zu formen.
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Wenn eine vollständigere Schmelzung oder Erweichung der Masse nach
ihrer Erhitzung hervorgerufen werden soll, wird Reduziergas, wie Wasserstoff oder
Kohlenmonoxyd, wiederholt in die heiße Beschickung eingeblasen, so daß sie teilweise
reduziert wird. Heiße Luft wird dann wiederholt eingeblasen, um das teilweise reduzierte
Erz wieder zu oxydieren; dadurch ergibt sich eine zusätzliche Wärmemenge innerhalb
der Beschickung, die ausreicht, das Erz zu erweichen. Die gewünschte Temperatur
kann dadurch erreicht werden, daß man die Menge brennbares Material und die Lufttemperatur
sowie den Reduktionsgrad des Erzes regelt, der wiederum weitgehend durch die Menge
des verwendeten Reduziergases bestimmt ist.
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Die Masse der in das gasdichte Druckgefäß eingebrachten Mischung bietet
einen beträchtlichen Widerstand gegen den Gasdurchfluß. Dieser Widerstand wird hauptsächlich
durch die Größe der Stücke, die feinen Teilchen in der Masse, die Feuchtigkeit und
die Höhe der Beschickung bestimmt. Gewünschtenfalls kann die Dichte der Masse zu
Beginn der ErhitzÜng dadurch gesteigert werden, daß man schnell einen hohen Luftdruck
innerhalb des Druckgefäßes aufbaut. Der Luftdruck an der Oberseite der Beschikkung
läßt sich leicht auf dem Wege einregeln, daß man das Einlaßventil öffnet und die
gewünschte Kraft zum Niederpressen der Masse durch rasches oder langsames oder mehr
allmähliches öffnen des Lufteinlaßventils hervorruft und den Luftdruck regelt. Wenn
eine größere Porosität der Beschickung erwünscht ist, kann der Luftdurck in ähnlicher
Weise zum Beginn der Erhitzung niedrig sein oder langsamer aufgebaut werden, bis
die durch die Masse gehende Luft eine gewisse Porosität zur Senkung des Widerstandes
gegen den Gas- oder Luftdurchfluß bewirkt hat. Der Druck kann dann allmählich erhöht
werden, um die Porosität der erhitzten oder gesinterten Masse zu regeln. Auch kann
ein Druckstoß nur für einige Minuten ausgelöst werden, nachdem die Verbrennung der
Deckschicht der Beschickung abgeschlossen ist. Der Gas- oder Luftdruck sowie die
Ventilbetätigung zur Hervorrufung des Druckstoßes kann mechanisch kontrolliert und
willkürlich verändert werden, je nach den Ergebnissen, die erhalten werden
sollen.
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Eisenerz kann auch mit Kalk oder Kalkstein und kohlenstoffhaltigem
brennbarem Material vermischt werden, bevor es in das gasdichte Druckgefäß eingebracht
wird. Diese Beschickung wird wie oben beschrieben behandelt und erhitzt. Eine Abscheidung
des Kohlenoxyds von 454 g Kalk erfordert jedoch 348 kcal Wärme, wofür Brennstoff
außer dem Brennstoff zugesetzt werden muß, der zur Anhebung der Temperatur der Masse
benötigt wird. Da nur etwa 126 kcal zur Vorerhitzung von 454 g Eisenerz
erforderlich sind, würde das Eisenerz schmelzen oder zu stark erweichen, um anschließend
wirksam in fester Form durch Reduziergas reduziert werden zu können. Deshalb ist
es in einigen Fällen zweckmäßig, das Druckgefäß abwechselnd mit Schichten aus Eisenerz
vermischt mit ihren richtigen Anteilen an kohlenstoffhaltigem Brennmaterial und
Kalksteinschichten vermischt mit ihren richtigen Brennstoffanteilen einzusetzen.
Die mit dem Kalkstein vermischte Brennstoffmenge beträgt ungefähr das Zwei- bis
Dreifache der zur Vorwärmung des Eisenerzes erforderlichen Menge.
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Indem man dünne Schichten von gebrochenem Kalkstein in vorbestimmten
Intervallen quer zur Beschickung vorsieht, wenn man das Gemisch in das gasdichte
Druckgefäß einbringt, erzielt man einen anderen, äußerst wertvollen Zweck. Gewöhnlich
wird bei einer Vorerhitzung des Erzes auf eine Temperatur oberhalb etwa
1010 bis 1038' C die Masse anfangen, über eine beginnende Erweichung
an den Kontaktstellen der Teilchen miteinander und mit dem Brennstoff zu gehen und
poröse Brocken zu bilden. Wenn man mit sehr heißem Gas reduziert, wird es ferner
in eine große mehr oder weniger feste, aber poröse Masse eindringen, die schwierig
zu handhaben oder nach Austragung aus dem Gefäß weiter zu verwenden ist. Wenn jedoch
Schichten einer gewünschten Dicke in der obigen Weise gebildet werden, trennen sich
diese Schichten und brechen auf. Die Schichten können eine Dicke von etwa
10 bis 25 cm oder gewünschtenfalls auch eine andere Dicke haben. Der
Kalkstein wird vorzugsweise auf einer Größe zwischen 3 und 12 mm gebrochen,
und die sehr feinen Teilchen werden ausgesiebt. Wenn der Kalkstein eine solche Größe
hat, kann er dünn z. B. in einer Schicht von etwa 6 mm aufgeblasen werden,
und er kann caleiniert werden, ohne daß man damit Brennstoff vermischt. Der Kalkstein
dient dann als Flußmittel beim Schmelzen des reduzierten Schwammeisens.
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Wie vorstehend erwähnt, ist es mit dem Verfahren der Erfindung zweckmäßig
und wirtschaftlich, eine Erzbeschickung für die Verwendung auf dem offenen Herdofen
zuzubereiten. Zu diesem Zweck muß das Erz klumpig und porös, aber schwer sein und
bei hoher Temperatur zwischen etwa 1205 und 13151 C
vorbereitet sein.
Jede beliebige schwere Brockengröße wird dadurch erhalten, daß man die Beschickungsschichten
regelt und auch ein Rillennetzwerk auf jeder Schicht anbringt und die Rillen mit
Klkstein füllt. Nach dem Abstich wird die Masse aufbrechen und sich nicht nur in
Schichten, sondern in Brocken der gewünschten Größe längs den Rillenlinien zertrennen.
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Selbst wenn die Mindestwassermenge als Bindemittel in der Brennzone eingeführt
wird, geht das ganze Wasser in Dampf über, aber unmittelbar unter dieser Zone kondensiert
es sich wieder zu Wasser, ,und da dieses abwärts getrieben wird, hat es die Neigung,
etwas von den feinen Teilchen des kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes mitzunehmen,
die zum großen Teil durch den Filtriereffekt der Beschikkung wieder aufgefangen
werden und verbrennen, wenn die Brennzone sie erreicht. Der feinkörnige
Brennstoff
wird aber immer durch Ausfiltrierung abwärts befördert. Wenn die Beschickung des
Erzbettes tief genug ist, z. B. 1,2 bis 1,5 mm oder mehr',' neigt der Brennstoff
zur Ansammlung, so daß sein Prozentsatz in der Beschickung zu einem solchen Maß
ansteigt, daß beim Fortschreiten der Verbrennungszone zuviel Wänne entwickelt wird
und das Erz zu erweichen oder schmelzen beginnt.
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Um die Beschickung in einer erwünschten gleichmäßigen Weise gemäß
dem vorliegenden Verfahren zu erhitzen oder zu sintern, wird eine geringere Brennstoffmenge
in dem Gemisch an oder nahe dem Boden der Beschickung verwendet, und die Brennstoffmenge
in der Mischung wird stufenweise in der därüberliegenden Beschickung, beginnend
mit etwa l' bis 1,5 % am Boden und endend mit 2,5 bis
3 % an der Oberseite, gesteigert. Der Prozentsatz oder die richtige Verteilung
hängt zum großen Teil von der physikalischen Natur des Erzes und des Brennstoffes
ab und kann leicht von dem Betriebspersonal ermittelt werden. Die Erhitzung vieler
Erze ist mit verschiedenerlei Größen und Arten von festem Brennstoff erfolgreich
in solcher Weise mit der gewünschten Gleichförmigkeit durchgeführt worden.
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Außer der Verwendung von Luft oder Sauerstoff in der oben angegebenen
Weise kann die Einlaßluft mit einer gewünschten Brennstoffmenge an- der Oberseite
des Druckgefäßes oder vor Eintritt in das Druckgefäß verbrannt werden, um dann bei
einer vorbestimmten Temperatur durch die Beschickung zu gehen. Diese Einlaßluft
soll ausreichenden überschüssigen Sauerstoff enthalten, um den Brennstoff in der
Beschickung zu verbrennen.
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In den beschriebenen Fällen erfolgt die beste Erhitzung, wenn die
Verfrennungsluft periodisch in das Beschickungsgemisch geführt wird. Durch periodischen
Druckwechsel wird frische Luft in unmittelbare Berührung mit dem Brenfistoff in
einer engen Brennzone gebracht, die sich quer über das Gefäß erstreckt, während
sie durch die Beschickung in Richtung des Luftflusses weiterschreitet. Sofern die
Verbrennung auf eine enge Zone in einer bestimmten Zeit beschränkt ist, ergibt sich
eine erwünschte Konzentrierung der Verbrennungsreaktion. Dies gestattet oder ergibt
eine intensivere örtliche Erhitzung -an der Verbrennungsfläche bei großer Ersparnis
an Brennstoff, um einen gegebenen Erhitzungs- oder Sinterungsgrad im Vergleich mit
der Erzielung ähnlicher Mindesterhitzung durch die ganze Beschickung durch Verbrennung
mit Luft, die in stetigem Fluß zugelassen wird, zu erzielen.
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Eine sehr gleichförmige Erhitzung oder Sinterung kann sehr rasch und
wirkungsvoll durch das Verfahren nach der Erfindung bewerkstelligt werden. Bei einer
gleichförmigen Vertteilung von Brennstoff und pulsierender Luft werden alle Teile
der Beschickung gleichmäßig und so rasch erhitzt, wie die Luft in jeden Querschnitt
des Gefäßes zugelassen wird. Dies gilt besonders beim Sintern, wo eine Mindesterweichungstemperatur
in allen Teilen der Beschickung erforderlich ist. Durch Anwendung des vorliegenden
Verfahrens braucht kein Teil der Beschickung übersintert zu werden, um eine Sinterung
alle Treile der Beschikkung sicherzustellen.
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Wenn man den Vorteil dieser engen Zone einer progressiven konzentrierten
Verbrennung ausnutzt, können lockere Mineralstoffe sehr lose gesintert oder nur
an den Kontaktstellen zwischen den Erzteilchen bzw. dort, wo Brennstoffteilchen
vorhanden sind, erweicht werden. Diese Art der Sinteruiig läßt sich sehr leicht
durch Messung des Brennstoffes und der Lufteinlaßtemperatur für jede Erzart kontrollieren.
Bei dieser Sinterung wird die Innenstruktur der Erzteilchen sehr wenig verändert,-
während die ganze Gefäßbeschickung zu einer halbfesten Masse erweicht wird, die
der scharfen Beanspruchung bei der späteren Behandlung widerstehen kann. Diese Behandlung
ist besonders der Sinterung agglomerierter, feingemahlener Erze, wie Taconit" und
anderer Flotationskonzentrate angepaßt. In diesem Falle müssen die agglomerierten
Teile in einem dauerhaften Zustand fixiert sein, so daß sie der scharfen Behandlung
wiederstehen können. Es ist zweckmäßig, das Innere der Granalien oder Pillen so
wenig wie möglich zu schmelzen, um die anschließende chemische Behandlung zu erleichtern.
Durch das vorliegende Verfahren ist es sehr leicht möglich, diesen Teilen eine durchgesinterte
Oberfläche von der erwünschten Dicke zu erteilen, während das Innere unverändert
bleibt. B e i s p i ei Das folgende Beispiel einer Anwendung des Verfahrens
nach der Erfindung auf- sehr feine Mineralien beschreibt die Behandlung. von, Taconitkonzentraten,
um -sie zu einer brauchbaren Form für weitere Abschmelzung zu sintern, sowie die
Behandlung zur Erzeugung von metallischem Schwammeisen unmittelbar in einem einzigen
Gefäß. Taconit ig ein Flotationskonzentrat von feinteiligeni Eisenerz der Größe
von ungefähr 200 bis 400 Maschen je Zoll, d. h. einer Größe von 0,74
mm und kleiner.
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Trockener Taconit wird in eine normale Granuliertrommel gegeben und
mit Wasser versetzt. Das Erz wird zu Pillen oder Granalien in einer Größe im Bereich
von 6 bis 25 mm, in! Idealfall 13 mm, verarbeitet. Größere
Teile sintern, nicht so leicht, und kleinere Teile behindern den Gasfluß
in einer späteren Stufe. Die Wassermenge ist in dieser Stufe wesentlich, da zu viel
Wasser die Granalien oder Pillen zerstört und später, wie oben beschrieben, hinderlich
ist. Durch Verwendung eines organischen Bindemittels, wie Bier, Celluloseablauge
od. dgl., kann die notwendige Wassermenge herabgesetzt,werden.
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Nach Abtrennung des überkbmg werden 2 bis 2,5 Gewichtsprozent
Kohle in Form von Koksgruß den Erzpillen zugesetzt. Diese Kohle soll zu kleinen
Teilchen im Verhältnis zur Pillengröße, also weniger als 20 Maschen, d. h.
weniger als 0,84 mm, gebrochen sein, obgleich auch gröberer Brennstoff mit
Erfolg verwendet worden ist. Der Brennstoff und das Erz werden in dem Trommelmischer
weiter durchgemischt, bis der ganze Kohlenstoff in die Oberfläche der feuchten Pillen
eingepreßt ist oder an diesen in einer praktisch gleichförmigen Verteilung haftet.
Die Pillen oder Granalien werden nun in ein Gefäß der in der Zeichnung dargestellten
Art eingebracht. Wenn sie in der oben beschriebenen Weise hergestellt sind, haben
sie ausreichende Festigkeit, um der Behandlung bei der überführung aus dem Mischer
in das Druckgefäß zu widerstehen.
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Nachdem das Druckgefäß mit dem genannten Erzgemisch beschickt ist,
wird der, Deckel verschlossen und das Gefäß gasdicht gemacht. In das Gefäß werden
durch die Einlaßleitung mit Ventil 16 vorerhitzte Luft oder übergeblasene
Verbrennungsprodukte eingelassen.
Nötigenfalls kann glühende Holzkohle
auf der Oberseite der Beschickung zur Einleitung der Sinterung verwendet werden.
Verbrennungsprodukte und Dampf werden durch die Auslaßleitung mit Venteil
18 abgesaugt. Der Sintervorgang wird bis zur Beendigung in der oben beschriebenen
Weise fortgesetzt.
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Wenn die Brennzone durch die Beschickung abwärts wandert, wird das
zur Herstellung der Pillen verwendete Wasser verbraucht, während die Verbrennungsfläche
sich einem bestimmten Teil des Erzes nähert. Dieser Wasserdampf vereinigt sich mit
Strom der Verbrennunngsprodukte und bewegt sich gegen den Abzug. Auf diese Weise
wird den Gasen eine stoßweise oder schwingende Bewegung durch feste Masse erteilt,
um ihre Wärme an diese am wirksamsten abzugeben. Nach Verlassen der Brennzone kühlen
daher diese Verbrennungsprodukte sehr rasch durch Wänneaustausch mit dem Erz auf
niedrigere Temperaturen ab, und der Wasserdampf in dem Strom kondensiert sich. Es
ist leicht ersichtlich, daß dieses Wasser sich unter der Brennzone ansammelt und
mit dieser abwärts bewegt. Wenn Wasser im Überschuß in der Ausgangsmischung von
Erz und Brennstoff verwendet wird, wäscht dieses angesammelte Wasser einen großen
Teil des Brennstoffes abwärts zum Boden der Beschickung, und die Wärmeverteilung
wird im unteren Teil der Beschickung unter übersinterung gerade am Boden ziemlich
schlecht. Diese Schwierigkeit ist noch bedeutungsvoller bei Taconit oder anderem
feinem Material, das in Pillenform nur eine Feuchtfestigkeit besitzt und in einem
Wasserüberschuß, rasch zerfällt. Diese Wasser-ansammlungen können die Taconitpillen
zum Zerfall bringen und so eine völlige Unterbrechung des beschriebenen Gasflusses
hervorrufen. Wenn man Mesabi-Taconit verwendet, der mit der Mindestmenge Wasser
als Bindemittel zu Pillen verformt ist, so ist eine Beschickungstiefe von etwa 1,2
bis 1,5 m das Maximum, das eine übermäßige Wasseransammlung beim Brennen
nach dieser Methode vermeidet. Gewisse Pyriterze erfordern so viel Wasser beim Verformen
zu Pillen, daß nur weniger als 0,3 m Beschikkungstiefe ohne Zerreißen der
Pillen und Störung des Gasflusses zugelassen werden kann.
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Es ist ersichtlich, daß die Abgastemperatur nahe 1001 C liegt,
wie sich aus der Gegenwart angesammelten Wassers ergibt. Die Auslaßtemperatur bleibt
ständig in diesem Bereich, bis eine Reihe von Momenten vor der Beendigung der Erhitzung
auftritt. Bei einer Erzbeschickungstiefe von 1,5 ra, die 20 Minuten erhitzt
wurde, geht die Endtemperatur von einem stetigen Wert von 931 C auf eine
schließliche Abgastemperatur von 925' C in weniger als einer Minute über.
Dies beweist die Konzentration von Wärmeaustausch- und Verbrennungszonen und die
große Wärinewirtschaftlichkeit, die durch das Erhitzungsverfahren unter Verwendung
eines pulsierenden Gasflusses erzielt werden kann.
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Eine Abwandlung der vorstehend beschriebenen Methode zur Behandlung
von Taconiten kann angewandt werden, um Ansammlungen von Wasser zu verhindern, die
die Behandlung der Beschickung beeinträchtigen. Durch Verlegung des in der Zeichnung
oben dargestellten Einlasses zum Boden und des Auslasses vom Boden zur Oberseite
oder in manchen Fällen auch bei Fortlassung des Gefäßdeckels und unmittelbare Gasabführung
in die Atmosphäre kann dasselbe Verfahren angewandt werden, um eine Wasseransammlung
zu vermeiden. Die Pillen aus Taconit-Brennstoff-Gemisch werden mit vorerhitzter
Luft gezündet. An der Oberseite der Beschickung wird die Temperatur unmittelbar
beträchtlich über 100' C ansteigen und eine Ansammlung von Wasser an der
Oberseite verhindern, während übermäßiges Wasser als Dampf abgeführt wird. Durch
Einspeisen neuen Beschickungsmaterials mit einer Geschwindigkeit, bei der die Verbrennung
im Gefäß progressiv aufsteigt, wie durch eine konstante Temperatur an der Beschickungsoberfläche
ün Gefäß gemessen werden kann, läßt sich das Gefäß vollständig füllen. Während der
Zeit, wo das Gefäß gefüllt wird, ist die Sinterung beinahe vollständig, und das
Gefäß kann, wie angegeben, geschlossen werden und die heiße Beschickung weiterbehandelt
werden. Innerhalb einer kurzen Periode wechselnder Lufteinführung durch die Beschickung
werden die letzten Spuren an Kohlenstoff oder Schwefel in dem Erz entfernt, Als
Bindemittel zur Herstellung der für das Sintern nach der Erfindung geeigneten Pillen
sind flüssige Brennstoffe, wie Leuchtöl, verwendet worden. Der Verfahrensgang ist
derselbe, abgesehen davon, daß man den Heizwert des Brennstoffes in Betracht ziehen
und einen gleichwertigen Abzug in der Menge des zugesetzten festen Brennstoffes
machen muß. Im Fall von Pyriten kann der ganze Kohlenstoff oder sonstige Brennstoff
ersetzt werden, und die Verbrennung kann durch Verwendung von kühler Luft oder durch
Verdünnung der Luft mit zusätzlichem Dampf gemäßigt werden, um eine Übersinterung
zu verhindem. In Fällen, wo die Schwefeldioxydkonzentrationen es rechtfertigen,
können die Abgasprodukte durch Schwefelgewinnungsgeräte geleitet werden.
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In allen obengenannten Fällen kann ein intermediäres Ergebnis eine
Oxyderzbeschickung sein, die auf jede gewünschte Temperatur in einem Druckkessel
erhitzt ist. Eine zustätzliche Stufe bei der Erfindung würde die Reduktion dieses
Erzes an Stelle einer weiteren Behandlung in demselben Gefäß durch wiederholte Einführung
und Absaugung von Reduziergas durch dieselben Ventile sein, wobei man auf jeden
gewünschten oder- möglichen Grad unter den chemischen und thermischen Bedingungen
reduziert, die für eine Gasreduktion unterhalb der Schmelz- oder Erweichungstemperatur
zur Verfügung stehen.