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Verfahren und Anlage zur Gewinnung von reinem Eisen aus vorsortierten
Blechabfällen, paketierten Stahlspänen u. dgl. sowie Gewinnungsanlage zur Durchführung
des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur
Gewinnung von reinem Eisen aus vorsortierten Blechabfällen, paketierten Stahlspänen
und dergleichen Schrott unter Zumischung von die Verunreinigungen lösenden Stoffen.
Unter reinem Eisen ist ein Eisen mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99,85% zu
verstehen. Bekannte Verfahren zur Gewinnung technisch reinen Eisens sind verwickelt
und kostspielig. Es wurde seit langem versucht, über das Siemens-Martin-Verfahren
solches Eisen herzustellen. Dabei hat sich jedoch die Schwierigkeit gezeigt, daß
die Umwälzung der Schmelze in der Pfanne unzureichend ist, um die Verunreinigungen
in die geschmolzene Fe.04-SChCht bzw. Schlackenschicht rationell abzugeben. Die
Wärmedurchdringung der Streichflamme durch die Schlackenschicht ist äußerst unwirtschaftlich.
Es muß oft abgeschlackt und eine neue Fe304-Schicht gebildet werden, was mit großen
Eisenverlusten verbunden ist. Ähnliches gilt für die bekannten, induktiv beheizten
Vakuum-Tiegelöfen. Alle bisher unternommenen Versuche zur Gewinnung von reinem Eisen
auf diesem Wege sind deshalb gescheitert. Die größten Erfolge, technisch reines
Eisen herzustellen, wurden bisher durch das induktive Zonenschmelzverfahren erreicht.
Beim Zonenschmelzverfahren ist man jedoch dimensionalen Beschränkungen in bezug
auf Induktionstiefe unterworfen, weil die Schmelzzone möglichst 0,2 mm Stärke nicht
überschreiten soll. Die im Einsatz befindlichen Eisenmengen sind daher klein, und
das Verfahren wird dadurch äußerst kostspielig und unwirtschaftlich.
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Besondere Erwähnung verdienen verschiedene bekannte Schmelzofenkonstruktionen,
mit denen zwar eine gewisse Reinigung erzielt werden kann, die jedoch ebenfalls
keine Gewinnung von wirklich reinem Eisen wirtschaftlich interessanter Mengen in
einem kontinuierlichen Arbeitsprozeß erlauben. So ist beispielsweise ein gleichzeitig
elektrisch und gasbeheizter Schachtofen bekannt, dem der Schmelzeinsatz nur annähernd
kontinuierlich zuführbar ist; die Rauchgase werden nicht sicher abgeleitet, und
besonders nachteilig ist die Tatsache, daß das im übrigen nur mangelhaft gereinigte
Eisen diskontinuierlich, d. h. chargenweise bei Vornahme von Ab-
stichen
anfällt. Eine analoge Beurteilung verdient ein weiterhin vorbekannter, gasbefeuerter
Schachtofen mit einem ringförmigen Herdraum und zentraler Herdsohle, die der Auflagerung
des durch den darüberliegenden Schacht ungeordnet und folglich diskontinuierlich
eingeführten Einsatzes dient. Auch hier ist kein freier Rauchgasabzug, keine gleichmäßige
Vorerwärmung des Einsatzes, kein allseits gleichmäßiger Wärmeangriff im Bereich
der Schmelzzone mit entsprechend kontinuierlichem Abschmelzvorgang und vor allem
nicht die Erzielung eines hohen Reinheitsgrades sichergestellt, da die Reaktionszeit
für die Beseitigung und Ableitung der Verunreinigungen zwangläufig zu kurz ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
auf dem es möglich ist, technisch reines Eisen ausgehend von vorsortierten Blechabfällen,
paketierten Stahlspänen und dergleichen Schrott auf billigere und einfachere Weise
herzustellen und obendrein den gesamten Schmelz-und Reinigungsprozeß kontinuierlich
und nicht wie konventionell durch Chargieren ablaufen zu lassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß dieser
Einsatz kontinuierlich einem
senkrechten Ofenschacht aufgegeben,
vom Abgasstrom vorgewärmt, auf einen in Herdsohlemitte befindlichen Podest aufruhend
und selbsttätig nachrückend von neutral geführten Flammen geschmolzen wird, worauf
die entstehende Schmelze in den Abschnitt der Vorreinigung eintritt, entgegen dem
Flammenweg allseits über das treppenförmig abfallende Podest filmartig abfließt,
sich dabei unter zunehmender Erhitzung vielfach durchmischt, in einem den Podestfuß
umschließenden, induktiv heizbaren Ringbehälter sammelt, dort hocherhitzt in ständiger
Bewegung gehalten wird, daraus über mehrere den Schmelzspiegelstand regulierende
Überlaufkanäle abfließt, darauf wieder vereinigt in den Abschnitt der Nachreinigung
eintritt und in einem unterhalb des Podestfußes beginnenden, induktiv heizbaren
Treppenkanal, ständig durchmischt, stufenweise abfließt, sich in einer Absetzpfanne
ansammelt, aus der die spezifisch leichtere, Verunreinigungen und Fe,04 enthaltende
Schlacke kontinuierlich über einen überlauf abfließt, während die nachgereinigte
Eisenschmelze in den Abschnitt der Feinreinigung gelangt und über einen am Boden
der Absetzpfanne befindlichen Kanal in eine bedarfsweise induktiv heizbare Vorratspfanne
eintritt, von dort unter Nutzung des herrschenden barometrischen Luftdruckes und
in Korrespondenzsteuerung mit dem anliegenden Schmelzspiegelniveau über das mit
einer primärseitigen Induktionsspule umgebene, lotrechte Ansaugrohr in den waagerechten
Teil eines Vakuumbü els gefördert wird, in dem der Querschnitt der 9 Z,
Eisenschmelze
während des überfließens über mehrere in dem waagerechten Teil des, Vakuumbügels
angeordnete, hochfeuerfeste Schwellen verringert wird und die Eisenschmelze, neben
ihrer Entgasung, an diesen Stellen mittels des in die Schmelze induzierten Sekundärstromkreises
zwecks Abdampfen der Verunreinigtingen mit niedrigerem Siedepunkt hoch überhitzt
und anschließend in die Vorratskammer fein gereinigt zurückgegeben wird, in der
mittels einer durch wassergekühlte in der Mitte der Vorratspfanne angeordnete Rohre
erstarrten Eisenwand die nachgereinigte von der feingereinigten Eisenschmelze getrennt
gehalten wird. Mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung ist es erstmals möglich,
ausgehend vom kalten Einsatz des Stahlschrotts (oder alternativ auch der Zuführung
flüssiger Stahlschmelze mit Fe,04 und Hilfsmitteln), unter Anwendung jeweils optimal
günstiger Beheizungsarten und unter wechselweiser Anordnung von der Eisenreinigung
dienenden Reaktionsstrecken und der ausgleichenden Durchmischung dienenden Sammelbehältern
in kontinuierlichem Ofengang flüssiges, technisch reines Eisen zu gewinnen. Der
hohe Reinheitsgrad des erzielten Eisens wird in dem erfIndungsgemäßen kontinuierlichen
Herstellungsverfahren dadurch erzielt, daß die zu reinigende Schmelze dünnschichtig
zu großflächiger Berührung mit dem Reinigungsmittel gezwungen und bei Nachbehandlung
unter Hochvakuum einer mehrmaligen -kurzfristigen starken Erhitzung in dünner
Schicht unterworfen wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich nach der
Erfindung eine Gewinnungsanlage für reines Eisen als besonders vorteilhaft herausgestellt,
gekennzeichnet durch Kombination folgender Merkmale: a) Beschickungsvorrichtung
bestehend aus einer e C,3 Förderstraße für dievorsortiertenEinsatzpakete, die durch
einen Trockentunnel führt, und einer fotoelektrisch gesteuerten Ofenchargiereinrichtung;
b) Ofen zum Schmelzen und Vorreinigen, bestehend aus einem mit Durchbrüchen
verseheneu Zufuhrkanal aus korrosionsfestem Stahl, in dessen Bereich die Abgasleitungen
angeordnet sind, für die vertikale Einsatzsäule, einem Ofenschacht, dessen Schachtwände
mit vier hochhitzebeständigen, luftgekühlten Führungsrohren ausgerüstet sind, einer
Schmelzzone, die sich oberhalb des in Herdsohlemitte angeordneten, der Vorreinigung
dienenden, treppenförmigen Podest befindet, Brennern sowie zusätzlichen Heißluft
führenden Regelkanälen, die konzentrisch auf das treppenförmige Podest und die Schmelzzone
gerichtet sind, und einem den Fuß des treppenförmigen Podestes umfassenden, Netzfrequenzwicklungen
aufweisenden, induktiv beheizten, feuerfesten Ringbehälter, der mit überlaufkanälen
versehen ist; c) Vorrichtung zum Nachreinigen, bestehend aus einem durchgehend oder
feldweise mit Netzfrequenzwicklungen ummantelten, induktiv heizbaren Treppenkanal,
der ein langgezogenes, stufenförmiges Gefälle zur überführung des langsam durchwandernden,
dünnschichtigen Schmelzganges in eine am Kanalende angeordnete, durch Ummantelung
mit einer Netzfrequenzwicklung induktiv heizbare Absetz»-pfanne bildet;
d) Vorrichtung zum Feinreinigen mit einer Vorratspfanne, in die das nachgereinigte
Eisen aus der Absetzpfanne über einen Bodenkanal eintritt, einer nachgeschalteten
Reibeisenpfanne und einem zwischen den Pfannen angeordneten Kontaktkanal, in dessen
Mittelabschnitt ständig mit Flüssigkeit gekühlte Rohre als Kern einer aus starrem
Eisen bestehenden Barriere verlegt sind, sowie einem an sich bekannten Hochvakuumbügel,
der in die Vorratspfanne bzw. die Reineisenpfanne ragende lotrechte Arme, von denen
einer mit einem Induktionssatz aus-m gerüstet ist, und eine waagerecht in der Bügelbasis
verlaufende Verdampfungsstrecke aufweist, in die mehrere höchstfeuerfeste Schwellen
einschließlich einer verstärkten Eckschwelle derart sind, daß die Streckensohle
die durchfließende überragend Schmelze eingebettet mehr- -malige der Leitweg Querschnittsverengungen
des durch den angelegten aufweist, Induk- jedoch -
tionssatz erregten, sekundären
Induktionsstromes kurzgeschlossen erhalten bleibt.
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An dieser Stelle ist zu bemerken, daß man sich einer induktiven Beheizung
rinnenförmiger Konstruktionen zum Aufheizen oder überhitzen von Schmelzen zwischen
Ofenabstich oder Vorratsbehälter und Transportpfanne bedient, ohne allerdings dadurch
eine dünnschichtige Reaktion zwischen den Schmelzebestandteilen in steter Durchmischung
und Durchwirbelung auf einer treppenförmigen Rinne zu erreichen. Außerdem sei erwähnt,
daß das Entgasen von Metallschmelzen in einem induktiv beheizten, unter Vakuum stehenden
Ofen mit kontinuierlicher Zu- und Ableitung der Schmelze unter Ausnutzung der Druckdifferenz
bekannt ist. Das Vakuum wirkt jedoch auf den Spiegel einer großvolumigen Schmelze.
Da nicht die gesamte Schmelze erfaßt
wird und auch keine mehrmalige
kurzfristige Überhitzung der durchgehenden Schmelze stattfindet, ist der Entgasungseffekt
ähnlich gering zu bewerten wie bei den ebenfalls bekannten, induktiv beheizten Vakuum-Tiegelöfen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung, und zwar zeigt F i g. 1 einen
Längsschnitt durch eine Gewinnungsanlage für reines Eisen nach der Erfindung und
F i g. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie A -B
in
F i g. 1.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, werden die zu schmelzenden, aus
vorsortierten Blechabfällen und anderen leichten Schrottsorten vorgefonnten Einsatzpakete
1 auf eine Förderstraße 3 aufgelegt. Oberhalb der Förderstraße
3 ist eine Sprühdüse 2 angeordnet, mit deren Hilfe die Einsatzpakete
1 bei ihrem Weitertransport mit einer Emulsion, die aus Fe 304 und einer
Normalglassehmelze (Na20.Ca0-6 SiO 2 ) besteht, überzogen werden. Die Pakete
1
wandern automatisch gesteuert in Abhängigkeit von der Schmelzleistung des
Ofens durch einen Trockentunnel 5, in dem sie durch die Abgase des Ofens
vollkommen getrocknet werden. Die aufgesprühte Emulsion wird noch durch einen ihr
beigefügten unschädlichen Binder aus Wasserglas an der Oberfläche des Bleches gebunden.
Die Bindung muß nämlich so fest sein, daß die Emulsion von einem normalen Luftstrom
von 20 m/Sek. nicht abgeblasen werden kann. Die Pakete 1 gelangen unter Zuhilfenahme
einer fotoelektrisch gesteuerten Ofenehargiereinrichtung 6 automatisch in
den Ofenschacht 4 des Schmelzofens, in dem sie zu einer Einsatzsäule 7
gestapelt
werden. Die Führung erfolgt in der oberen kalten Zone des Ofens durch einen Zufuhrkanal
8
aus korrosionsfestem Stahl, der am unteren Ende Durchbrüche 9 aufweist,
durch die die gekrackten, öligen Verunreinigungen des Bleches entweichen können.
Im heißen Teil des Ofenschachtes 4 werden die Einsatzpakete 1 durch vier
luftgekühlte Chrom-Nickel-Rohre 10 geführt, die kurz vor der Schmelzzone
rechtwinklig nach außen zu den Gas- bzw. ölbrennern 11 hinabgebogen sind.
Die Krümmer dieser Rohre sind innen durch eine Verriegelung12 gegen zu hohes Erwärmen
geschützt.
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In der Schmelzzone 13 ruhen die Einsatzpakete 1
auf einem
treppenförmigen Podest 14 aus feuerfestem basischem Futtermaterial. Die vier oder
mehr Flammen aus den vorzugsweise als Oberflächen-Rotations-ölbrenner ausgebildeten
Brennern 11, die mit schwefelfreiem Öl arbeiten, gelangen über das
Treppenpodest 14 auf die bereits abgekrackten, zusammengesehrumpften und glühenden
Einsatzpakete 1. Dabei ist die Flammen- bzw. Rauchgasführung so eingestellt,
daß die Flamme hinter der Rotationsfeuerung weder reduzierend noch oxydierend wirkt.
In der Schmelzzone bzw. vor dieser wird jedoch durch Regelkanäle 10' über
die Führungsrohre 10 zugeführte Heißluft von 75011 C so zugesetzt,
daß beim Abschmelzen der Einsatzpakete 1
etwa 201/o der Schmelze aus Fe,04
und geschmolzener Emulsion und etwa 80% der Schmelze aus Eisen und dessen Verunreinigungen
besteht. Auf Grund des höheren Flüssigkeitsgrades im Vergleich zur Eisenschmelze
sowie des unterschiedlichen spezifischen Gewichtes fließt der Fe 3 04-Anteil
der über das Treppenpodest 14 hinabtretenden Schmelze in dünnem Film über dem Eisenanteil
schnell voraus und reinigt diesen.
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Die Erfahrung hat insbesondere beim Zonenschmelzverfahren gezeigt,
daß die Verunreinigungen des Eisens immer zum flüssigeren Bereich übertreten. Diese
Tatsache wird beim Grundprinzip der Eisenraffinierung ausgenutzt. Je größer die
Wirkoberflächen der reinigenden und der zu reinigenden Schmelze ist, desto wirkungsvoller
ist das Verfahren.
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Im Verlauf der Abwärtsbewegung werden beide Filme schwächer, weil
die Oberfläche des Podestes 14 größer wird und sich die Temperaturen beider Schmelzenanteile
erhöhen. Der Wirkweg der Fläche wird durch das stufenförmige Podest 14 einmal vergrößert,
und zum anderen werden die beiden Schmelzenanteile turbulent vermischt, und dadurch
wird die Wirkung der Reinigung erheblich vergrößert. Vom Podest fließen die beiden
Schmelzen in einen ringförmigen Behälter 15. In diesem Ringbehälter
15
wird die Eisenschmelze durch eine Netzfrequenzwicklung r überhitzt und
außergewöhnlich stark durcheinandergewirbelt, bevor sie durch vier überlaufkanäle
16 austritt, die sich zu einem Treppenkanal 17 vereinigen. Diesem
Treppenkanal 17 ist eine weitere Netzfrequenzwicklung rl zugeordnet, über
die der Schmelze zusätzliche Energie zugeführt wird, um eine erneute Durchwirbelung
und damit Reinigung zu erzielen. Das Schmelzgut verläßt den Ofen am treppenförmigen
Auslauf 18 und strömt in eine Absetzpfanne 19, in der sich das Fe,04
vom Eisen abscheidet. Das spezifisch leichtere Fe,04 fließt durch einen separaten
Auslauf zu einer Stelle ab, an der es auf nicht näher beschriebene Weise zu Roheisen
umgewandelt wird. Durch einen am Boden der Absetzpfanne 19 befindlichen Kanal
20 strömt das Eisen zu einer Vorratspfanne 21, die durch eine Wand von der Pfanne
19 getrennt ist. Den in den Pfannen 19 und 21 befindlichen Schmelzen
kann im Bedarfsfall durch eine Netzfrequenzwicklung r2 Energie zugeführt werden,
was beim Anfahren der Anlage von großer Bedeutung ist.
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Bei der anschließenden Endraffinierung werden im Hochvakuum
N2, Sii, Zii, Cu und Al und anderes durch Destillation ausgeschieden.
Hierzu wird ein feuerfester U-förmiger Bügel 24 verwendet, der, ausgehend von der
horizontalen Bügelbasis, zwei lotrechte Arme umfaßt, von denen der eine einen Induktionssatz
22 trägt. In der Mitte der Bügelbasis ist ein Verunreinigungen abführender und Vakuum
erzeugender Kanal 23 mit einer Verlängerung 23'
angeschlossen. In der
waagerechten Bügelbasis befinden sich höchst feuerfeste Schwellen 25 und
eine verstärkte Eckschwelle 25'.
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Diese Vorrichtung zum Feinreinigen arbeitet wie folgt: Entsprechend
dem Barometerstand werden in den lotrechten Armen Eisensäulen 26 und
26' so hochgehoben, daß das geschmolzene Metall über die Schwellen
25 und 25' in die Reineisenpfanne 21' fließen und von dort über einen
Ausguß 27 auf eine Masselbahn 28 gelangen kann. Mit Hilfe des Induktionssatzes
22 wird in einem kurzgeschlossenen sekundären Induktionsstromkreis auf dem Leitweg
über die Säule 26, die horizontale Bügelbasis mit den Schwellen 25,
25' zur Säule 26', die Pfanne 21', einen in der Wand 30 zwischen
den beiden Pfannen befindlichen Kontaktkanal 29, 29' mit einer wasser-Z,
Clekühlte Rohre umfassenden Eisenbarriere 31 und die Vorratspfanne 21 eine induktive
Heizung vorgenommen.
Dabei bilden sich an den Schwellen
25
und 25' Querschnittsverengungen, an denen sich das Eisen außergewöhnlich
hoch erhitzt und seine im Siedepunkt niedriger liegenden Verunreinigungen abdampfen,
so daß sie über den Kanal 23 nach außen abgefördert werden können. Der Reineisenpfanne
21! ist ebenfalls eine Netzfrequenzwicklung r3 zugeordnet, mit deren Hilfe ihr bei
Bedarf Energie zugeführt werden kann. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die
Pfannen 21 und 21! durch einen Deckel gegen Wärmeabstrahlung geschützt.
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An dieser Stelle ist noch ergänzend zu bemerken, daß die, aus dem
Ofen austretenden Rauchgase mit den gekrackten öligen Verunreinigungen durch eine
Abgasleitung 32 zu einer gründlichen Nachverbrennung geleitet werden. Die
anfallende Energie wird zur Elektrizitätsgewinnung und/oder zur Luftvorwärmung benutzt.
Die vorgewürmte Luft erreicht den Schmelzofen übrr eine mit den Führungsrohren
10
in Verbindung stehende Leitung 33.