DE1542399C3 - Verfahren zur Steigerung der Durchsatzleistung von Drehrohröfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Durchsatzleistung von Drehrohröfen, in denen oxydische Erze nach dem Verfahren der Direktreduktion unter Zusatz von festem kohlenstoffhaltigem Material reduziert werden, wobei die Neigung der Längsachse des Drehrohrofens nicht mehr als etwa 2° und der Füllungsgrad 15 bis 45%, vorzugsweise 15 bis 25 %, beträgt und die Reaktionstemperatur in der Reaktionszone durch kontrollierte Verbrennung der brennbaren Gase im Ofen mittels durch Mantelrohre eingeleiteter geregelter Mengen von Sauerstoff enthaltenden Gasen gleichmäßig eingestellt wird.

Ein Drehrohrofen, wie er heute in der Industrie für die Röstung, Sinterung oder Reduktion von Erzen laufend verwendet wird, ist der sogenannte Zentralbrenner-Typ, bei dem die einzige Wärmequelle zur Ausführung der Behandlung oder Reaktion von einem am einen Ende des Ofens angebrachten Brenner geliefert wird.

Eine Fülle von Literatur ist über die Entwicklung solcher üblichen Zentralbrenner-Drehöfen vom Versuchsofen zum Ofen von industriellem Ausmaß veröffentlicht worden. Die meisten Vergrößerungsformeln haben eines gemeinsam: Obwohl sie auf vernünftigen Wärmeleitgesetzen basieren, enthalten sie so viele Voraussetzungen in bezug auf die in sie eingehenden physikalischen Daten, daß die Übereinstimmung mit der Praxis mehr oder weniger zufällig ist. Außerdem sind verschiedene wichtige physikalische Faktoren wie z. B. die Umdrehungsgeschwindigkeit, die Ofenneigung usw. gewöhnlich in den Formeln nicht enthalten. Auch wurde diesen Faktoren im industriellen Betrieb keine größere Bedeutung beigemessen.

So wird z. B. bei Anwendung dieser Vergrößerungsformeln, die als Faktoren gewöhnlich nur den

ίο Ofendurchmesser und die Ofenlänge enthalten, im allgemeinen nicht danach gefragt, ob der zugrunde liegende Ofen, was die Umdrehungsgeschwindigkeit, Ofenneigung, Wirtschaftlichkeit in bezug auf Brennstoff oder Kapazität betrifft, unter optimalen Bedingungen betrieben wurde.

Da jede Vergrößerungsformel den Zweck verfolgen muß, für den größeren Ofen eine optimale Produktion zu erzielen, ist es einleuchtend, daß der zugrunde liegende Ofen unter optimalen Bedingungen betrieben werden muß, ehe man für die Herstellung des größeren Ofens eine einfache Durchmesser-Länge-Formel anwendet, es sei denn, daß die Vergrößerungsformel sämtliche variablen Faktoren enthält.

Außerdem sind die in bezug auf Konstruktion und Betrieb solcher Zentralbrenner-Öfen "veröffentlichten Informationen von geringem Wert, soweit sie sich auf die Verarbeitung gewisser Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen, die am besten in Drehöfen des Typs ausgeführt wird, wie er in dem USA.-Patent 28 29 042 beschrieben ist, und dessen charakteristisches Merkmal darin besteht, daß er mit in gewissen Abständen durch die Ofenwand geführten Mantelrohren versehen ist, die zur Einführung von Brenngasen oder Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen dienen, deren Mengen so dosiert sind, daß die gewünschten Bedingungen in bezug auf Ofentemperatur und Ofenatmosphäre über die ganze Länge des Ofens in der im Patent beschriebenen Weise geschaffen und beibehalten werden.

Beim Bau und Betrieb von Drehofen für die genannten Zwecke, wie sie seither betrieben wurden, hat man die Ofenneigung in erster Linie nach dem Gesichtspunkt gewählt, daß sie die erforderliche Be-Schickungsgeschwindigkeit ergab, basierend auf der herkömmlichen Formel, nach der die Beschickungsgeschwindigkeit um so höher ist, je größer die Ofenneigung. Ferner hat man in herkömmlicher Weise eine verhältnismäßig niedrige Umdrehungsgeschwindigkeit gewählt, meistens etwa 3 bis 10 Min. pro Umdrehung, hauptsächlich zu dem Zweck, die Schicht iosen Materials genügend umzuwälzen, so daß sämtliche Teilchen beim Durchlaufen der Reaktionszone des Ofens wiederholt den heißen Ofengasen ausgesetzt sind.

Aus der DT-AS 1150 697 ist ein Verfahren zur Direktreduktion von Eisenoxyden mittels festem kohlenstoffhaltigem Reduktionsmittel bekannt, bei dem der Drehrohrofen mit einem geringen Neigungswinkel angeordnet ist, der Füllungsgrad 30 bis 50% beträgt und die Reaktionstemperatur in der Reaktionszone durch kontrollierte Verbrennung der brennbaren Gase im Ofen mittels durch Mantelrohre eingeleiteter geregelter Mengen von Sauerstoff ent-

haltenden Gasen gleichmäßig eingestellt wird. Dieses Verfahren ermöglicht zwar einen störungsfreien Ofenbetrieb, gibt aber keinen Hinweis auf eine Leistungssteigerung.

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3 4

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gestellt werden, so hat dies zur Folge, daß bei Steige-Durchsatzleistung von Drehrohrofen bei der Direkt- rung der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Bereduktion von Eisenerzen zu steigern. Schickungsgeschwindigkeit in dem zur Konstant-Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungs- haltung der Ofenbelastung erforderlichen Verhältnis gemäß dadurch, daß der Ofen mit einer Umdre- 5 — wobei der Ofen selbst und der Ofenbetrieb unverhungsgeschwindigkeit von mindestens 0,5 U.p.M. be- ändert bleiben — die Beschickungsgeschwindigkeit trieben wird und daß zunächst am Austragsende des zu groß ist und die Reaktion bei der höheren Ge-Drehrohrofens die maximale Reaktionstemperatur schwindigkeit unvollständig bleibt, eingestellt und der Ofen mit einer vorgewählten Be- Da nun, wie oben angegeben, die Durchgangsschickungsmenge pro Zeiteinheit von Q₁ beschickt io geschwindigkeit des Materials durch den Ofen dem und mit einer dem Füllungsgradbereich entsprechen- Produkt der Umdrehungsgeschwindigkeit und der den Umdrehungsgeschwindigkeit M₁ betrieben wird, Ofenneigung proportional ist, kann man die Ofendanach die Reaktionszone durch Zuführung Sauer- neigung bei Erhöhung der UmdrehungsgeschwindigstofE enthaltenden Gasen auf eine dem gewünschten keit zum Ausgleich genau in dem Maß reduzieren, Metallierungsgrad entsprechenden Länge L₁ ausge- 15 daß das Material im richtigen Tempo durch den dehnt wird, daraufhin eine geänderte vorgewählte Ofen geleitet wird, d. h. mit der Geschwindigkeit, die höhere Beschickungsmenge Q₂ chargiert und die Um- erforderlich ist, um während seines Durchgangs durch drehungsgeschwindigkeit auf M₂ entsprechend der den Ofen eine vollständige und optimale Reaktion Beziehung M₁ ■ Q₁IQ₂ geändert wird, so daß der zu erzielen, während gleichzeitig die Ofenbelastung Füllungsgradbereich erhalten bleibt, und daß an- 20 konstant auf dem gewünschten Prozentsatz des Ofenschließend die Reaktionszone auf eine Länge L₂ ent- volumens gehalten wird.

sprechend der Beziehung Wenn für die Behandlung des Materials ausschließlich der Zentralbrennertyp verwendet wird,

L₂ = Q₂ZQ₁(L₁- 10,97) + 10,97 muß diese ausgleichende Regulierung der Beschik-

25 kungsgeschwindigkeit auf diese Weise erfolgen, da

nachgeregelt wird. die Reaktionszone eines solchen Ofens, d. h. die Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß die für die Zone des Ofens, innerhalb derer die Reaktion erBeendigung der Reaktion innerhalb der Ofenreak- folgt, eine verhältnismäßig feststehende und unvertionszone erforderliche Zeit allmählich geringer wird, änderliche Länge besitzt. Dies ist darauf zurückzuwenn man die Umdrehungsgeschwindigkeit erhöht. 30 führen, daß die einzige Wärmequelle zur Erhitzung Daraus folgt, daß sich die Ofenkapazität bei zuneh- des Ofens auf die Reaktionstemperatur des Matemender Umdrehungsgeschwindigkeit entsprechend rials von dem Brenner am Austragsende des Ofens steigert, da das Tempo, in dem das Material durch geliefert wird, von wo aus die Temperatur allmähden Ofen geleitet wird, mit zunehmender Umdre- lieh und unkontrollierbar nach der Beschickungshungsgeschwindigkeit in dem gleichen Verhältnis ge- 35 öffnung des Ofens hin absinkt. Daher erfolgt die Resteigert werden kann wie die Reaktionszeit des Ma- aktion des Materials nur innerhalb einer verhältnisterials herabgesetzt wird, ohne daß die übrigen Be- mäßig kurzen Zone, in der Nähe des Austragsendes triebsbedingungen des Ofens verändert werden. des Ofens, denn nur an dieser Stelle kann die Tem-Weiter wurde gefunden, daß, wenn man die Be- peratur durch den Bienner genügend hoch gehalten Schickungsgeschwindigkeit in diesem Verhältnis er- 40 werden, um das Material zur Reaktion zu bringen. — höht, es im allgemeinen nicht genügt, das Material- Andererseits ist es möglich, falls ein Ofen des bevolumen im Ofen konstant auf einem Bruchteil oder schriebenen Typs für die Reaktion des Materials Prozentsatz des Ofenvolumens zu halten, was in der verwendet wird, die ausgleichende Regulierung, auf vorliegenden Anmeldung als »Ofenbelastung« be- die oben Bezug genommen wird, innerhalb gewisser zeichnet wird. Hingegen ist es höchst wünschenswert, 45 Grenzen in der Weise vorzunehmen, daß man die daß die Ofenbelastung im wesentlichen konstant ge- Länge der Reaktionszone mit steigender Umdrehalten wird, am besten auf die Weise, daß der Ofen hungsgeschwindigkeit vergrößert, anstatt die Ofenjederzeit bis zu seiner höchstzulässigen Kapazitäts- neigung zu reduzieren. Bei diesem Ofentyp kann die grenze belastet wird, um so den wirksamsten Betrieb Reaktionszone, wie in dem genannten Patent sowie des Ofens, wie weiter unten beschrieben, zu ermög- 50 im nachfolgenden Text beschrieben, auf jeden geliehen. Da die Geschwindigkeit, mit der das Material wünschten Abstand vom Austragsendc des Ofens durch den Ofen bewegt wird, dem Produkt aus der erweitert werden — natürlich innerhalb der durch Ofenneigung und der Umdrehungsgeschwindigkeit die Gesamtlänge des Ofens gegebenen Grenzen — proportional ist, muß man, wenn man die Geschwin- indem man genau dosierte Mengen geeigneter Gase digkeit bei Konstanthaltung der Neigung erhöht, die 55 durch die entlang des Ofens in Abständen ange-Beschickungsgeschwindigkeit zur Beibehaltung einer brachten Mantelrohre einbringt, wobei es sich je nach konstanten Ofenbelastung im direkten Verhältnis der Art des behandelten Materials um Oxydations-1:1 zur Umdrehungsgeschwindigkeit steigern. Wie gase oder andere handeln kann. Wenn daher ein auf oben angegeben, wird jedoch durch eine Erhöhung eine bestimmte Neigung eingestellter Ofen in bezug der Beschickungsgeschwindigkeit in einem solchen 60 auf seine Beschickungsgeschwindigkeit und Reak-Verhältnis zur Umdrehungsgeschwindigkeit der sich tionszonenlänge auf die vollständige Reaktion des gleichzeitig ergebende Zeitgewinn in bezug auf die behandelten Materials bei einer niedrigen Anfangsvollständige Reaktion des Materials beim Durchgang Umdrehungsgeschwindigkeit eingestellt ist und die durch den Ofen mehr als wieder aufgehoben. Falls Umdrehungsgeschwindigkeit unter Steigerung der Bedaher die Materialbeschickungsgeschwindigkeit, die 65 schickungsgeschwindigkeit im Verhältnis 1:1 erhöht Ofenneigung und der Ofenbetrieb für eine vollstän- wird — ein Verhältnis, das, wie oben angegeben, dige und optimale Reaktion des Materials bei einer ohne die Vornahme kompensierender Veränderunbeliebigen Anfangsumdrehungsgeschwindigkeit ein- gen zu hoch ist — kann nun dieser Ausgleich vor-

genommen werden, indem man die Reaktionszone einfach auf diejenige Länge erweitert, die zur vollständigen Reaktion bei der neuen Beschickungsgeschwindigkeit erforderlich ist. Durch eine Erweiterung der Reaktionszone auf diese Weise wird gewährleistet, daß jeder Bruchteil des im Ofen behandelten Materials gerade so lange in der Reaktionszone verbleibt wie dies für die vollständige Reaktion erforderlich ist, wobei sowohl der reduzierten Reaktionszeit als auch der hohen Beschickungsgeschwindigkeit bei der neuen Umdrehungsgeschwindigkeit Rechnung getragen wird.

Wie oben angegeben, gibt es natürlich eine Grenze, über die hinaus der Ofen nicht mehr in dieser Weise bei erhöhter Umdrehungsgeschwindigkeit für den optimalen Betrieb eingestellt werden kann. Diese Grenze ist erreicht, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit auf einen Wert erhöht wurde, bei dem die Reduktionszone praktisch die gesamte Länge des Ofens einnimmt, mit Ausnahme einer verhältnismäßig kurzen Strecke hinter der Beschickungsöffnung, die — wie weiter unten ausgeführt — als Vorwärmzone benötigt wird. Wenn diese Grenze jedoch erreicht ist, läßt sich die Ofenkapazität noch weiter erhöhen, indem man die Länge der Reaktionszone auf ihrem höchstzulässigen Wert konstant hält, während man die Umdrehungsgeschwindigkeit unter entsprechender Steigerung der Beschickungsgeschwindigkeit und Herabsetzung der Ofenneigung weiter erhöht, bis optimale Reaktionsbedingungen bei jeder gewählten höheren Beschickungsgeschwindigkeit erreicht sind.

Es wurde weiterhin gefunden, daß für jede Umdrehungsgeschwindigkeit die Reaktionszeit für das bearbeitete Material auch mit allmählicher Erhöhung der Ofenbelastung, d. h. desjenigen Bruchteils des Ofenvolumens, das von der sich bewegenden Schicht des darin enthaltenen Materials eingenommen wird, allmählich abnimmt. Daraus folgt, daß, je höher die Ofenbelastung innerhalb der zulässigen Grenzen, desto höher die Ofenkapazität bei jeder gegebenen Geschwindigkeit, was eine weitere Erhöhung der Kapazität zusätzlich zu der durch die Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit erreichten bedeutet, so daß die maximale Kapazität für jeden beliebigen Ofen erreicht wird, wenn man diesen im höchstzulässigen Maße belastet und mit der höchstzulässigen Umdrehungsgeschwindigkeit rotieren läßt. Die obere Erfahrungsgrenze für die Ofenbelastung liegt bei etwa 45% des Ofenvolumens, insbesondere für öfen mit Mantelrohren, die bis zur Ofenachse durchgeführt werden. Höhere Belastungswerte würden zur Verstopfung der Rohre führen. Bei Ofenbelastungen bis hinunter zu etwa 15% sind in dieser Beziehung bedeutende Vorteile im Betrieb zu erzielen, wobei die günstigsten Werte bei 25 bis 45% liegen.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die Erfindung neuartige Methoden zur Behandlung reaktionsfähigen Materials im Drehofen liefert, die eine bedeutende Erhöhung der Kapazität von öfen jeder beliebigen Dimension sowie eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit bei der Materialbehandlung dadurch ermöglichen, daß die Reaktionsgeschwindigkeit des Materials erhöht wird.

Im Prinzip besteht also die Erfindung darin, daß man den Ofen im wesentlichen mit derjenigen höchsten Umdrehungsgeschwindigkeit rotieren läßt, die zweckmäßig und mit den physikalischen Begrenzungen der Anlage vereinbar ist, um so die zur vollständigen Reaktion des Materials benötigte Zeit auf das erreichbare Minimum herabzusetzen, im Ofen eine Reaktionszone zur Reaktion des Materials in demselben zu schaffen und den Ofen mit dem Material in einem Tempo zu beschicken, bei welchem jeder Teil des Materials praktisch für dieDauer der angegebenen Mindestzeit in der Reaktionszone verweilt.

ίο In einer ihrer Abwandlungen umfaßt die Erfindung das obengenannte Basisverfahren, wobei die Beschickungsgeschwindigkeit auch auf die Beibehaltung einer festgelegten und vorzugsweise hohen oder nahezu maximalen Ofenbelastung mit dem zu behandelnden Material eingestellt" und die Ofenneigung oder die Länge der Reaktionszone oder beide so eingestellt oder festgelegt sind, daß die Ofenbelastung praktisch konstant auf dem gewählten Wert gehalten werden kann.

Gemäß einer anderen Abwandlung umfaßt die Erfindung die Methode zur Behandlung des Materials in einem mit in Abständen angebrachten Mantelrohren versehenen Drehofen, wie oben erwähnt. Diese Methode besteht darin, daß die Beschickungs-

25' geschwindigkeit des Materials entsprechend der veränderten Umdrehungsgeschwindigkeit variiert wird, um die Ofenbelastung praktisch konstant zu halten; sie sieht ferner vor, daß bei jeder beliebigen Geschwindigkeit der Ofenrotation oder der Beschickung die Ofenneigung oder die Länge der Reaktionszone oder beide so eingestellt werden, daß jeder Teil des behandelten Materials praktisch für die Mindestdauer der für die Reaktion erforderlichen Zeit in der Reaktionszone verbleibt.

Aus den oben erläuterten Gründen läßt sich die Erfindung am vorteilhaftesten bei öfen anwenden, die bei extrem hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten betrieben werden, und deren praktischer und wirksamer Bereich sich in der Größenordnung von 0,1 bis 2, vorzugsweise 0,1 bis 1 Min./U bewegt. In Verbindung hiermit liegt die erforderliche Ofenneigung gewöhnlich in der Größenordnung von 2 % und darunter. Wo bei vorhandenen öfen solche Geschwindigkeiten nicht erreicht werden können, lassen sich die Vorteile trotzdem erzielen, indem man derartige öfen mit etwa 75 bis 100% ihrer maximal erreichbaren Umdrehungsgeschwindigkeit betreibt.

Diese und andere neue Aspekte der Erfindung werden nachstehend im einzelnen erläutert unter Bezugnähme auf die zugrunde liegenden Versuchsdaten und die Zeichnungen. In letzteren ist

A b b. 1 eine schematische Darstellung (in Längsschnittansicht) einer bevorzugten Drehofenkonstruktion mit in Abständen angebrachten Mantelrohren zur Ausführung der erfindungsgemäßen Methoden zur Behandlung reaktionsfähiger Materialien;

A b b. 2 bis 6 einschließlich zeigen die Ofentemperatur- und Metallisationskurven, die man für Schwelreduktionen von Eisenerz in einem Drehofen des in A b b. 1 gezeigten Typs bei verschiedenen Beschikkungsgeschwindigkeiten erhält, wobei die Ofenreduktionszone auf die optimale Metallisation bei jeder Beschickungsgeschwindigkeit eingestellt ist. Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, betrug die Erzbeschickungs-Geschwindigkeit bei Abb. 2 bis 6 3,5 bzw. 4,5, 5,5, 6,5 und 7 t/h;

A b b. 7 zeigt eine grafische Darstellung, in der die in A b b. 2 bis 6 gezeigten Erzbeschickungs-Ge-

i O

schwindigkeiten über der Ordinate, die ebenfalls in A b b. 2 bis 6 enthaltenen Längen der entsprechenden Ofenreduktionszonen über der Abszisse aufgetragen sind. A b b. 7 zeigt zusätzliche, hieraus abgeleitete Kurven, die nachstehend erklärt werden;

A b b. 8 ist die grafische Darstellung der Abgastemperaturen, der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Länge der Reduktionszone gegenüber der Länge der Vorwärmzone für die Erzreduktionen unter Bezugnahme auf A b b. 2 bis 6 einschließlich;

A b b. 9 a und 9 b zeigen die Position der Thermoelemente in der Auskleidung des Drehofens gemäß Abb. 1, mit deren Hilfe die Ofenwandtemperaturen während bestimmter Erzreduktions-Operationen gemäß Abb. 2 bis 6 gemessen werden, wie dies weiter ¹S unten erläutert wird. A b b. 9 a ist die Seitenansicht eines Teils des Ofens am Austragsende und A b b. 9 die Schnittansicht von 9 b-9 b in A b b. 9 a;

A b b. 9 c ist die schematische Ansicht des Ofenquerschnitts in A b b. 9 b, zeigt aber die Anordnungspunkte der nebeneinander winklig angebrachten Thermoelemente, bei denen die Messungen während der Ofenrotation vorgenommen wurden;

Abb. 10 ist eine Querschnittansicht des Ofens, die weitgehend Abb. 9c entspricht, jedoch die An-Ordnung zusätzlicher Thermoelemente in der Ofenwand zeigt, welche sich aber nacheinander in immer größer werdenden radialen Abständen in das Ofeninnere erstrecken, um dort die Temperaturen auch während einiger der obenerwähnten Erzreduktions- 3 ο Operationen zu messen;

Abb. 11 ist die grafische Darstellung der Ofentemperaturen, die an den Thermoelementen gemäß Abb. 10 während einer Erzreduktion, wie bereits erklärt, gemessen wurden.

Die in A b b. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Drehofen 10, der vom feststehenden Eintragsende bis zu den Gehäusen am Austragsende 11, 12 reicht. Der Ofen ruht drehbar auf Rollenlagern 13,14 und wird über ein geeignetes Getriebe 16 durch einen Motor 15 in Gang gesetzt. Die oben beschriebene Vorrichtung ist auf einen Tragbalken 17 montiert, der am einen Ende schwenkbar 18 auf einem Fundament 19 ruht, und an seinem entgegengesetzten Ende von einer vom Fundament gestützten Anhebevorrichtung 20 getragen wird, mittels derer die Ofenneigung durch Verstellung variiert werden kann.

Der Ofen neigt sich vom Eintrags- zum Austragsende hin abwärts. Das lose Behandlungsmaterial wird in einen Beschickungsbunker 21, von dort aus über eine Förderschnecke 22 in den Ofen gefüllt, wandert von dort aus während der Reaktionsbehandlung den Ofen entlang, wird am Austragsende in das Gehäuse 12 und von dort durch die Austragsöffnung 23 nach außen befördert, in die eine Zellenradschleuse 24 montiert wurde, um ein Entweichen bedeutender Gasmengen zu verhindern.

In das Gehäuse 12 am Austragsende wurden ein Brenner und eine Vorkammer 25 montiert, die mit einer Brennstoffmischung, z. B. aus Erdgas und einer begrenzten Menge Luft, versehen wird, wobei die Luft den Brennstoff unvollständig verbrennt. Die entstehenden heißen Brenngase wandern von dort aus in und durch den Ofen zum Schornstein 26, der das Gehäuse 11 am Beschickungsende überragt. Der Schornstein enthält einen Ventilator 27 und eine Rauchklappe 29 zur Regulierung des Abzugs.

Die Ofenwand 10 wird von einer Reihe von ManDüü

telrohren 28 durchdrungen, die in Abständen über die Ofenlänge verteilt sind. Diese Rohre erstrecken sich strahlenförmig in den Ofen hinein, hauptsächlich zur Ofenachse hin, und öffnen sich dort wie bei 29 a in Richtung des Gasstromes. An den äußeren Rohr- ■ enden sind Kontrolleinlaßventile angebracht, wie bei; 30, um den Zustrom von Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas und damit die Gastemperatur über die ganze Länge des Ofens in der nachstehend beschriebenen Weise zu regulieren. Der Ofen ist ferner, wie bei 31, mit einer Reihe von Thermoelementen bestückt, um die Schicht- und Gastemperaturen längs des Ofens und innerhalb desselben während der Erzreduktion und anderer Reaktionsbehandlungen zu bestimmen.

Wie oben erwähnt, wurden eine Reihe von Erzreduktionsversuchen in einem Versuchsofen vorgenommen, der praktisch gemäß A b b. 1 konstruiert war. Bei diesem Versuchsdrehofen war der äußere Durchmesser 2,74 m, der Innendurchmesser 2,29 m und die Länge 45,72 m. Während dieser Versuche betrug die Ofenneigung 3%. Diese Versuchsreihen von je 2 bis 3 Wochen Dauer wurden mit Erz/Koks-Chargen von 3,5, 4,5, 5,5 bzw. 6,5 t/h ausgeführt, wobei entsprechend der jeweiligen Beschickungsmenge/h die Umdrehungsgeschwindigkeit gesteigert wurde, um die Schichthöhe bei etwa 35% konstant zu halten. Bei dem verwendeten Eisenerz handelte es sich um Alabama Big Seam mit einem Eisengehalt von etwa 34'bis 40%, das auf 1,589 cm vermählen, gesiebt und so gemischt wurde, daß es 3O°/o ( — 3,36 mm) Feinteile enthielt. Das Erz/Koks-Verhältnis von 1:0,58 und der Grad der Metallisation, etwa 95%, wurden in allen Versuchen konstant gehalten. Während der Versuche wurden die durchschnittlichen Schicht- und Gastemperaturen mittels der entlang des Ofens in Abständen angebrachten Thermoelemente 31, Abb. 1, gemessen. Die Resultate sind in A b b. 2 bis 5 aufgetragen. Außerdem wurden für die Versuchsreihen mit 3,5, 4,5 und 6,5 t/h an bestimmten Punkten der Schicht über die ganze Länge des Ofens während der Reduktionen Proben gezogen und auf ihre Gehalte an Gesamteisen, Eisenoxyd (FeO), Metall und Metallisation analysiert. Die Ergebnisse sind in A b b. 2, 3 und 5 aufgetragen und grafisch dargestellt. Die Gastemperaturkurve wurde auch für die Beschickungsmenge 7 t/h bestimmt und die Ergebnisse in A b b. 6, genau wie in A b b. 2 bis 5, aufgetragen.

Gemäß A b b. 2 bis 6 wurde der Gastemperaturverlauf in jedem Fall mit Hilfe des Brenners 25 und der Mantelrohre 28 (A b b. 1) so eingestellt, daß das Erz zu etwa 95 % am Austragsende des Ofens metallisiert wurde. Wie aus den Kurven der Abb. 2, 3 und 5, die die prozentuale Metallisation zeigen, hervorgeht, setzt die Metallisation in jedem Fall in einer Entfernung vom Ofenaustragsende ein, bei der die Gastemperatur sich auf etwa 981° C erhöht. Danach steigert sie sich allmählich entlang des Ofens zum Austragsende hin bis zu einem Endwert von etwa 95%, während die Gastemperatur auf wenig unter 1093⁰C ansteigt. Die Ofenlänge, innerhalb derer sich die Metallisation auf diese Weise vollzieht, ist die Reaktions- oder Reduktionszone. Wie ersichtlich, erhöht sich innerhalb der Reduktionszone die prozentuale Metallisation in annähernd linearem Verhältnis zur Ofenlänge, gemessen vom Beginn dieser Zone.

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Gemäß A b b. 2 wurden die optimalen Bedingungen für die Anfangsbeschickungsgeschwindigkeit von 3,5 t/h wie folgt festgelegt: Nach Erhitzung des Ofens durch eine vom Brenner 25 erzeugte Gasflamme (Abb. 1) begann man mit einer Beschikkungsgeschwindigkeit von 3,5 t/h und stellte die Ofengeschwindigkeit so ein, daß man eine Ofenbelastung von etwa 35% des Ofenvolumens erhielt. Die so erzielte Umdrehungsgeschwindigkeit betrug 5 Min./U. Die Temperatur am Austragsende der Reduktionszone wurde dann allmählich auf die höchstzulässige Temperatur erhöht, ohne daß Sinterung eintrat. Die Temperatur in der Reduktionszone wurde daraufhin stufenweise nach dem Eintragsende zu allmählich durch Einführung dosierter Mengen Luft durch die Mantelrohre angehoben, bis eine gleichmäßige, hochgradige Metallisation auf kontinuierlicher Basis erreicht war. So erhielt man die optimalen Bedingungen für den Ofen bei vorgegebener Neigung (3 %) und der genannten Eintragsmenge von 3,5 t/h. Die sich auf diese Weise ergebenden Gas- und Schichttemperaturkurven bei 3,5 t/h sind aus der A b b. 2 zu entnehmen.

Für die nächste Beschickungsmenge von 4,5 t/h wurde die Umdrehungsgeschwindigkeit im Verhältnis 4,5 : 3,5 t/h von 5,5 auf 4,5 Min./U gesteigert, so daß die Ofenbelastung von 35% beibehalten wurde. Hierdurch wurde die Verweilzeit des Materials im Ofen entsprechend herabgesetzt und folglich die Metallisation reduziert. Der Brenner 25 wurde mit mehr Brennstoff gespeist, und unter Beibehaltung der Temperatur in der Reduktionszone wurde letztere erweitert, indem man die Temperatur nach dem Eintragsende hin stufenweise und allmählich durch Einleitung von Luft durch die Mantelrohre 28 erhöhte, bis wiederum eine gleichmäßige, hochgradige Metallisation auf kontinuierlicher Basis erreicht war. Auf diese Weise hatte man die optimalen Bedingungen für eine Menge von 4,5 t/h gewonnen. Die so erhaltenen Temperaturkurven für 4,5 t/h sind aus der A b b. 3 ersichtlich.

Die gleiche Methode der Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit und Erweiterung der Reduktionszone wurde für die Ofenbeschickungen Von 5,5 und 6,5 t/h angewandt, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeiten 3,6 bzw. 3,25 Min./U betrugen und die in Abb. 4 und 5 gezeigten Temperaturkurven ergaben. Der einzige Unterschied im Betrieb

ίο bestand darin, daß bei Aufstellung der Kurven für 6,5 t/h Wasser in das Gehäuse am Eintragsende gespritzt werden mußte, um durch Kühlung der Gase den Absaugventilator zu schützen. Die vorausberechnete Kurve in der Vorwärmzone wurde daher auf die gestrichelte Linie für die Durchschnittsgastemperatur berichtigt, wie sie in A b b. 5 gezeigt wird.

Bei Ausführung dieser Versuche wurde festgestellt, daß die Erhöhung der Kapazität durch Erweiterung der Reduktionszone die Gefahr der Sinterung des Materials in der Reduktionszone nicht erhöhte. Tatsächlich waren Anzeichen dafür vorhanden, daß sich diese Gefahr mit zunehmender Umdrehungsgeschwindigkeit verringerte. Die vier Beschickungen wurden genügend lange gefahren (jeweils 2 bis 3 Wochen), um die Gewißheit zu haben, daß in der Reduktionszone keine Sinterung auftritt.

Bei einem Versuch zur Auswertung der Versuchsergebnisse war ,es sehr aufschlußreich, zunächst die Reduktions- oder Reaktionszone zu studieren. In den vorliegenden Versuchen bedeutet Reduktionszone den letzten Teil des Ofens von der Stelle an, wo das metallische Eisen sich zu bilden beginnt, bis zum Austragsende des Ofens.

Die nachstehende Tabelle zeigt die den verschiedenen Beschickungsmengen gemäß A b b. 2 bis 6 entsprechenden Umdrehungsgeschwindigkeiten, die Reduktionslängen und Vorwärmzonen, die vergleichsweisen Verweilzeiten in der Reduktionszone, die Abgastemperaturen und den Brennstoffverbrauch.

Tabelle 1	Reduk	Vorwärm	Umdrehungsgeschwindigkeit	U/Min.	Vergleichs	Abgas	Gasverbrauch
Be-	tionszone	zone		0,182	weise Verweil	temperatur
schickungs-				0,222	zeiten in der
geschwindig-				0,278	Reduktions
keit				0,308	zone
	m	m	Min./U	0,364		0C	I/t Erz
t/h	22,86	22,86	5,5		100	438	106,28
3,5	25,91	19,81	4,5	88	549	103,19
4,5	29,57	16,15	3,6	82	621	100,27
5,5	33,53	12,19	3,25	79	660	110,1
6,5	35,05	10,67	2,75	76	693	110,44
7,0

In der obigen Tabelle wurden die Werte für die vergleichsweisen Vcrweilzcitcn in der Reduktionszone aus den Beschickungsmengen und ReduktionszOncnlängcn auf der Basis errechnet, daß die Zeit, die erforderlich ist, bis jeder Bruchteil des behandelten Materials die Keduktionszonc passiert hat, der J<':'iukiifjrr-./ontnlängc direkt proportional und der J}':v.)ji'.kufj;?/:rntn^c umgekehrt proportional ist. Die vj Ihr 'U-. liohcjcn Jleschickungsmcngen/h erhaltenen V/··.;».'-.. 'Jjvj'Ji<;M durch den Wert bei 3,5 t/h ergeben •i.i jjj Λ'-.r 'JaWIc angegebenen vergleichsweisen Verweilzeiten in der Reduktionszone. Es zeigt sich, daß diese Zeit mit zunehmenden Beschickungsmengen und Umdrehungsgeschwindigkeiten abnimmt, wodurch die grundlegende Voraussetzung der genannten Erfindung experimentell bestätigt wird. Die vergleichsweisen Verweilzeiten in der Reduktionszone beweisen auch, daß eine Erhöhung der Beschickungsmenge/h mit steigender Umdrehungsgeschwindigkeit im Verhältnis 1:1 zur Konstanthaltung der Ofenbelastung zu groß war, um die sich vermindernde Reduktionszeit für das behandelte Material gerade

auszugleichen, was sich aus der Notwendigkeit ergibt, die Reduktionszonenlänge mit zunehmender Umdrehungsgeschwindigkeit zu vergrößern, um bei jeder Geschwindigkeit auf optimale Reduktionsbedingungen einzustellen. .]

Eine grafische Darstellung der Beschickungsgeschwindigkeiten und entsprechenden Reduktionszonenlängen zeigt Abb. 7 (KurveΛ). Wie daraus ersichtlich, ist das Verhältnis zwischen diesen beiden praktisch eine gerade Funktion innerhalb des gemessenen Bereichs. Aus dieser Kurve leitet sich folgende Formel ab:

zonenlänge von 25,91 m und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2,76 Min./U müßte die Ofenneigung auf

25,91
35,05

2,2%

verändert werden, und die Kapazität würde dann

IO 25,91
35,05

= 5,2 t/h

β = 0,2921,-3,23,
Q = Kapazität in t/h,
L = Länge der Reduktionszone in m.

(1)

Bei einem Vergleich zwischen 3,5 t/h und 7 t/h ergibt sich, daß die Erweiterung der Reduktionszone von 22,86 m auf 35,05 m, d. h.

anstatt 4,5 t/h bei einer Ofenneigung von 3 °/o und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 4,5 Min./U betragen. Allgemeiner ausgedrückt, würde sich bei Veränderung der Reduktionszone auf eine andere Länge L bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2,75 Min./U die Ofenneigung auf

/35,05-22,86^
V 22,86 ,

53,4%, 35,05

L = 0,0856 L

und die Beschickungsgeschwindigkeit auf

zu einer lOOVoigen Kapazitätserhöhung führt. Dies ist auf die bessere Wärmeleitung und höhere Reaktionsgeschwindigkeit zurückzuführen, die man durch Erhöhung der Ofentemperatur in der erweiterten Zone und Verdopplung der Umdrehungsgeschwindigkeit erhält. Aus Tabelle 1 geht hervor, daß eine Erweiterung der Reduktionszone von 22,86 auf 35,05 m eine Erhöhung der Abgastemperatur von 427 auf 704° C zur Folge hat.

Auf A b b. 7 zurückkommend stellt die bedeutende Kapazitätserhöhung durch Erweiterung der Reduktionszone von 22,86 auf 35,05 m keinen guten Vergleich in bezug auf die Reduktionszone von 22,86 m dar, denn der Ofen wurde nur mit halber Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben, d. h. mit 5,5 Min./U bei einer Reduktionszone von 22,86 m gegenüber 2,75 Min./U bei einer Reduktionszone von 35,05 m. Dies legt die Frage nahe, was in bezug auf die Kapazität geschehen würde, wenn man bei einer Reduktionszone von 22,86 m die gleiche Umdrehungsgeschwindigkeit anwendete, wie für die Reduktionszone von 35,05 m. Dies kann in der Weise geschehen, daß man die Ofenneigung im Verhältnis der Reduktionszonenlängen reduziert, d. h.

02 =

35,05

L = 0,1997 L

²²'⁸⁶

_ ι 95

^N - ³ 35,05

N = Neigung in %.

(2)

Die Ofenkapazität erhöht sich also in direkter Proportion zum Verhältnis der Längen der Reduktionszonen von 22,86 und 35,05 m basierend auf 7 t/h gemäß der.Formel

Q₁ = 7

22,86
35,05

= 4,55 t/h.

(3)

6o

Mit anderen Worten erhöht sich die Ofenkapazität bei einer Ofenneigung von 1,950/0, einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2,75 Min./U und einer Reduktionszone von nur 22,86 m auf 4,55 t/h gegenüber 3,5 t/h bei 3% Ofenneigung und 5,5 Min./U Umdrehungsgeschwindigkeit. Bei einer Reduktionsverändern. Letztere Gleichung ist in Abb. 7 als Kurve B aufgetragen.

Um nochmals auf Abb. 7, Kurve A, zurückzukommen: Die dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß die durch Erweiterung der Reduktionszone und Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit erzielte Verbesserung der Ofenkapazität eine gerade Funktion innerhalb einer Reduktionszonenlänge von 22,86 bis 35,05 m bei Umdrehungsgeschwindigkeiten von 5,5 bis 2,75 ist. Obwohl längere Reduktionszonen und höhere Geschwindigkeiten nicht geprüft wurden, kann logischerweise angenommen werden, daß die gerade Funktion auch über eine Reduktionszonenlänge von 35,05 m hinaus Gültigkeit hat. Dieser Schluß beruht auf folgenden Tatsachen: Während der Versuche wurde bei Verlängerung der Reduktionszone von 22,86 auf 35,05 m keine Neigung zur Sinterung in dieser Zone festgestellt. Im Gegenteil, bei einer Länge von 35,05 m zeigte sich eine geringere Sinterungstendenz. Auf Grund der Berechnungen der Wärmeleitzahlen aus der Versuchsreihe zeigt es sich, daß die Oberflächentemperaturen der Ofenschicht durch eine schnellere Wirbelbewegung der Schicht bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten reduziert werden. Höhere Geschwindigkeiten ermöglichen offenbar auch die Anwendung höherer Gastemperaturen.

Offenbar gibt es jedoch eine Grenze, jenseits derer die Funktion keine Gerade mehr ist. Diese Grenze ist wohl erreicht, wenn der Ofen sich so schnell dreht, daß die auf die Schichtoberfläche übertragene Wärme während der endothermischen Reaktion in der Eintauchphase aus Zeitmangel nicht absorbiert werden kann, d.h., wenn die Reduktionsgeschwindigkeit niedriger ist als die Wärmeübertragung. In diesem Fall erhöht sich die Schichttemperatur, und wenn sie genügend hoch ist, tritt Sinterung ein. Aus Laborversuchen geht weiterhin hervor, daß bei ausreichender Wärmeübertragung die Reduktionsgeschwindigkeit selbst sehr hoch ist und daß die oben-

genannte Funktion folglich auch bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten Gültigkeit hat.

Unter Bezugnahme auf A b b. 7 wurde oben festgestellt, daß, wenn man ausgeht von der bei einer Ofenneigung von 3% erhaltenen Beschickungsgeschwindigkeit von 7 t/h, einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2,75 Min./U und einer Reduktionszonenlänge von 35,05 m wie in Punkt α der Kurve A dargestellt, und wenn man die Reduktionszonenlänge auf 22,86 m, die Ofenneigung auf 1,95% reduziert und den Ofen weiter bei 2,75 Min./U rotieren läßt, die Ofenkapazität sich auf 4,55 t/h verändert, wie dies in Punkt b der Kurve B dargestellt ist. Wenn man auf Basis dieser Bedingungen die Umdrehungsgeschwindigkeit weiter erhöht und die Reduktionszonenlänge erweitert, erhöht sich die Ofenkapazität gemäß der als Kurve C in Abb. 7 dargestellten neuen linearen Funktion, die Punkt b der Kurve B und Punkt c der Kurve A durchläuft, bei dem die experimentell bestimmte Kurve A die Reduktions- ao zonenlängen-Achse durchschneidet, wenn die Beschickungsgeschwindigkeit auf Null reduziert wird. Die so erhaltene Kurve C wird durch die folgende, aus ihr hergeleitete Funktion dargestellt:

Q =

10,97

L₁-10,97

L₂ - 10,97
22,86 - 10,97

= ⁴'⁵⁵

(4 a)

= 0,38 L -4,16.

Hierbei sind Q₁ und L₁ die Werte bei Punkt b in Abb. 7.

Aus der Kurve C in A b b. 7 und der aus ihr abgeleiteten Formel 4 a ist ersichtlich, daß bei Erweiterung der Reduktionszone auf 35,05 m sich die Kapazität auf 9,1 t/h erhöht, wie dies Punkt d der Kurve C zeigt. Um dies zu erreichen, muß jedoch die Umdrehungsgeschwindigkeit im umgekehrten Verhältnis der alten zur neuen Beschickungsgeschwindigkeit folgendermaßen erhöht werden:

M₂ = Q₁ZQ₂M₁ = 4,55/9,1 · 2,75 = 1,38 Min./U.

(4b)

Weiterhin muß, falls die Reduktionszone nur 22,86 und nicht 35,05 m beträgt und die neue Umdrehungsgeschwindigkeit von 1,38 Min./U beibehalten wird, die Ofenneigung im Verhältnis dieser Reduktionszonenlängen, d. h. von l,95°/o auf

1,95

22,86
35,05

= 1,27%,

reduziert werden. Die Ofenkapazität ermäßigt sich dann im direkten Verhältnis zur Ofenlänge von 9,1 auf 5,9 t/h gemäß der Gleichung

Q₃ =

9,1

35,05

L = 0,259 L.

(5)

Die obige Prüfung und Analyse der Testdaten zeigt folgendes:

1. die Wichtigkeit des Prinzips der Erhöhung der Ofenkapazität durch Erweiterung der Reduktionszone und Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit;

2. die durch Reduktion der Ofenneigung und Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit erzielbare beträchtliche weitere Kapazitätserhöhung;

3. daß bei öfen mit gleichem Durchmesser die herkömmliche maßstabgerechte Vergrößerung im direkten Verhältnis zur Reduktionszonenlänge nur dann gilt, wenn man die Neigung des längeren Ofens im Verhältnis zur erhöhten Kapazität vergrößert und gleichzeitig dieselbe Umdrehungsgeschwindigkeit beibehält (s. Funktion Q = 0,2L, KurveB, Abb. 7).

Wenn man z. B. 3,5 t/h, 22,86 m Reduktionszone, 3 % Neigung und 5,5 Min./U als Basis für eine Erweiterung auf 35,05 m Reduktionszone nimmt, muß man den Ofen auf eine Neigung von

3% · 35,05
22,86

= 4,6%

und eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 5,5 Min./U einstellen, um auf eine Kapazität von 5,2 t/h entsprechend der herkömmlichen Vergrößerungsformel zu kommen. Wenn der Ofen andererseits gemäß der obigen Gleichung Q = 0,292 L — 3,23 unter Beibehaltung der 3%igen Neigung für den längeren Ofen und bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2,75 Min./U vergrößert wird, so beträgt die Kapazität bei einer Reduktionszone von 35,05 m 7 t/h. Wenn dann die Neigung auf 1,95% reduziert und der Ofen mit 1,38 Min./U rotiert wird, erhöht sich die Kapazität für die 35,05-m-Reduktionszone auf 9 t/h (s. Gleichung Q = 0,38 L - 4,16 in Abb. 7). Wenn man nun annimmt, daß die Daten für die Basisbeschickung bekannt sind und der Ofen im Verhältnis zur Länge auf eine Geschwindigkeit Q vergrößert werden soll, welche Vergrößerungsformel gilt dann? Es gibt 4 Möglichkeiten:

FaIU

Wenn der Ofen unter Beibehaltung der Umdrehungsgeschwindigkeit und bei entsprechender Veränderung der Neigung vergrößert wird, gilt die herkömmliche Vergrößerungsformel.

Die neue Beschickungsgeschwindigkeit beträgt:

Q = a

Die neue Neigung beträgt dann

M — ^- Q

Diese Gleichung ist als Kurve D in A b b. 7 auf- 65 Hierbei sind q, η und / die Anfangs-Beschickungsgetragen, in welcher die Ofenkapazität bei einer geschwindigkeit, die Anfangsneigung bzw. die An-Reduktionszonenlänge von 22,86 mit Punkt e be- fangs-Reduktionszonenlänge und Q, N und L die zeichnet ist. entsprechenden erhöhten Werte.

Fall 2

Wird der Ofen durch Erweiterung der Reduktionszone unter Beibehaltung der Ofenneigung und entsprechender Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit vergrößert, so lassen sich aus A b b. 7 folgende Gleichungen ableiten:

L- 10,97
/ - 10,97

(8)

Die neue Beschickungsgeschwindigkeit ist dann:

M = m ■

I - 10,97

L- 10,97

Hierin bedeuten M und m Min./U.
Fall 3

Wird der Ofen durch Erweiterung der Reduktionszone unter Beibehaltung der Ofenneigung und entsprechender Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit mit darauffolgender Verkürzung der Ofenlänge und Veränderung der Ofenneigung vergrößert, d. h., daß lediglich die Umdrehungsgeschwindigkeit erhöht »5 und die Ofenneigung entsprechend verändert wird, so lassen sich aus A b b. 7 folgende Gleichungen ableiten:

Die neue Beschickungsgeschwindigkeit beträgt:

L- 10,97

* ~ "* / - 10,97
Die neue Umdrehungsgeschwindigkeit beträgt:
L - 10,97

(10)

35

M =

m.

I - 10,97
Die neue Ofenneigung beträgt:

N = η

Fall 4

(H)

(12)

Wird der Ofen durch Erweiterung der Reduktionszone unter Beibehaltung der Ofenneigung und entsprechender Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit mit darauffolgender Änderung der Neigung und entsprechender Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit vergrößert, so ergeben sich folgende Relationen:

Q _ L-10,97
q~ I- 10,97

_n__ L-10,97

/ - 10,97

(13)

(14)

Hierin sind z. B. Q, L und q, I die Beschickungsgeschwindigkeiten und Reduktionszonenlängen bei Punkt α bzw. e der Kurve A in Abb. 7.

L_

(15)

wobei q₂ z. B. die Beschickungsgeschwindigkeit bei Punkt b der Kurve B in A b b. 7 ist.

L- 10,97
/ - 10,97

(16)

worin Q₂ z. B. die Beschickungsgeschwindigkeit bei Punkt d der Kurve C in A b b. 7 ist.

Wenn man q₂ aus (15) und (16) eliminiert und in (14) Q durch Q₂ ausdrückt, erhält man:

Q:

Γ 10,971 ² _/_
~ ^i-[_ 10,97 J ' L '

(17)

Die neue Beschickungsgeschwindigkeit ist dann:

Die neue Ofenneigung beträgt:

(19)

Die neue Umdrehungsgeschwindigkeit ist:
Γ / - 10,97 Ί ² '

Ll- 10,97 J

M = m

(20)

In der obigen Analyse wurde der Einfluß der erweiterten Reduktionszone dargestellt. Um ein vollständiges Bild vom Gesamteinfluß auf den Ofen zu

erhalten, müssen auch die Vorwärmzone und die Abgastemperatur in Rechnung gestellt werden. Aus Abb. 2 bis 6 und Tabelle 1 ist ersichtlich, daß sich die Vorwärmzonen in den Versuchen mit Erweiterung der Reduktionszone zunehmend verkürzten.

Gleichzeitig erhöhte sich die Abgastemperatur, wenn auch nicht im erwarteten Ausmaß. Die verhältnismäßig geringe Erhöhung ist auf die verstärkte Wärmeübertragung in den Vorwärmzonen auf Grund der erhöhten Umdrehungsgeschwindigkeit zurückzu-

führen. Diese Daten aus Tabelle 1 sind in A b b. 8 grafisch dargestellt.

Aus Abb. 2 (3,5 t/h) ist ersichtlich, daß 10,67 m der Ofenlänge erforderlich sind, um die Ofengase von etwa 954 auf etwa 693° C abzukühlen. A b b. 6 (7 t/h) zeigt, daß auch in diesem Fall 10,67 m Ofenlänge benötigt wurden, um die Gase von etwa 954 auf 693° C abzukühlen. Hieraus geht hervor, daß in dieser Zone praktisch die gleiche Ofenlänge erforderlich ist, um die doppelte Erzmenge zu erwärmen, vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit entsprechend erhöht wird. Die Abgastemperatur ist dann praktisch die gleiche.

Abb. 2 zeigt, daß 12,19 m Ofenlänge benötigt wurden, um die Gase von etwa 693 auf 438° C abzukühlen. Wenn man in dieser Zone die gleiche Relation in bezug auf die Wärmeübertragung voraussetzt, so ist es erforderlich, den Ofen in Abb. 6 (7 t/h) um 12,19 m zu verlängern, um dieselbe Ab-

509 539/146

gastemperatur wie in A b b. 2 (3 t/h) zu erzielen. Mit anderen Worten beträgt die Gesamtlänge der Vorwärmzone bei 3,5 t/h 22,86 m bei einer Abgastemperatur von 438° C. Diese Länge scheint bei größeren Beschickungsmengen und entsprechend höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten praktisch konstant zu bleiben. A b b. 6 zeigt die Gastemperaturkurve für einen Ofen, bei dem die Vorwärmzone um 12,19 m verlängert wurde.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Abgastemperaturen mit zunehmenden Beschickungsmengen und kürzeren Vorwärmzonen ständig stiegen. Wie jedoch aus Tabelle 1 weiter hervorgeht, blieb der Gasverbrauch per t Erz praktisch konstant. Der Grund hierfür ist offensichtlich, daß der höhere Wärmeaustrag durch die heißeren Gase durch einen entsprechend geringeren Ofenausstrahlungsverlust per t Erz kompensiert wurde.

Weitere Versuche haben erbracht, daß die Strahlungsverluste bei 3,5 t/h 11,47% der Gesamtwärme pro t Erz und bei 6,5 t/h 5,53 °/o der Gesamtwärme pro t Erz betrugen. Die Eigenwärme in trockenen Abgasen betrug 12,12% der Gesamtwärme pro t Erz bei 3,5 t/h und 17,81% bei 6,5 t/h. Die Differenz beträgt in beiden Fällen praktisch 5%. Der höhere Wärmeaustrag durch die Abgase wird also durch geringere Wärmeverluste per t Erz durch den Ofen selbst ausgeglichen.

Ferner ist es interessant festzustellen, daß die Differenz zwischen dem Ausblasen der Gase bei 438 und bei 660° C etwa 5% des Gesamtbrennstoffverbrauchs ausmacht. Andererseits benötigt man einen 12,19 m längeren Ofen, um die Gase von 660 auf 438° C abzukühlen. Die Frage, ob man einen um 12,19 m längeren Ofen oder 5% mehr Brennstoff verwenden soll, ist natürlich im Einzelfall durch einen Kostenvergleich zu entscheiden.

Nachdem man auf diese Weise die Relationen zwischen Umdrehungsgeschwindigkeit, Beschickungsmenge, Ofenneigung und/oder Reduktionszonenlänge für die optimale Behandlung loser Mengen reaktionsfähigen Materials festgestellt hat, wird nun der Einfluß der Ofenbelastung untersucht. Wie oben ausgeführt, wurde in dieser Hinsicht herausgefunden, daß, je höher bei jeder beliebigen Umdrehungsgeschwindigkeit die Ofenbelastung innerhalb der zulässigen Grenzen ist, um so höher die Reaktionsgeschwindigkeit im behandelten Material ist, woraus sich eine entsprechende weitere Erhöhung der Ofenkapazität ergibt. Die Versuchsdaten, die dieser Feststellung zugrunde liegen, werden im folgenden unterbreitet.

Um die Temperaturbedingungen zu untersuchen, wie sie während der gemäß A b b. 2 bis 5 beschriebenen Erzreduktion innerhalb der Ofenwand vorherrschen, wurden gemäß Abb. 9a und 9b Thermoelemente in der in A, B und C dargestellten Weise in die Ofenwand eingelassen, und zwar in Entfernungen von 6,35, 12,7 und 25,4 mm von der Innenfläche 40 der Ofenwand 41. Gemäß Abb. 9c wurden an diesen Thermoelementen während der Ofenumdrehung Temperaturmessungen in den durch Ziffer 1 bis 16 bezeichneten Winkelpositionen vorgenommen und die Resultate in nachstehender Tabelle 2 aufgeführt, wobei die Temperatur bei jeder der Positionen

1 bis 16 einmal um 17 Uhr und zum anderen um

2 Uhr während eines 24-Stunden-Versuchs abgelesen wurde, während man den Ofen unter gleichbleibenden Bedingungen rotieren ließ.

Tabelle 2

Temperatur der Ofeninnenwand

Bedingungen: _l

1) Koks und Erzaustrag

2) Nr. 3 Thermoelement-Temperatur, 1085⁰C

3) Umdrehungsgeschwindigkeit, 4/40 Min./U

Position der	1	Gemessene ° C	B	C	Gemessene ° C	B	C
Thermo elemente	2	um 17 Uhr	954	914	um 2 Uhr	954	903
	3	A	954	909	A	954	906
ß-i	4	997	957	909	1000	951	906
	5	997	957	909	1000	951	906
	6	997	957	909	1000	951	906
	7	997	957	909	1000	954	906
ß-2	8	997	957	909	1000	954	906
	9	997	957	909	1000	954	903
	10	994	957	909	1000	954	903
	11	994	957	909	1000	954	903
ß-3	12	991	957	909	1000	954	903
	13	991	957	909	1000	954	903
	14	991	957	909	1000	954	906
	15	994	957	909	1000.	954	906
ß-4	16	994	957	909	1000	954	906
	994	954	909	1000	954	906
	997-		1000
	997		1000

Wie aus den vorstehenden Daten hervorgeht, waren die Temperaturen bei Thermoelement C, das in 25,4 mm Entfernung von der Ofeninnenfläche angebracht war, während der Rotation des Ofens konstant. Dies gilt auch für die Temperaturen bei Thermoelement^, das 12,7mm tief in die Ofenauskleidung eingelassen war. Weiterhin ist festzustellen, daß .die Temperaturen bei Thermoelement Λ, das nur 6,35 m tief in der Ofenauskleidung saß, ebenfalls praktisch konstant waren. Aus diesen Versuchen geht also hervor, daß alle während des Durchgangs durch die Gasphase von der Ofenauskleidung absorbierte Wärme, die an das Bett abgegeben wird, während diese die Ofenauskleidung bedeckt, in einer sehr dünnen Oberflächenschicht der Auskleidung von weniger als 6,35 mm Dicke absorbiert sein muß. Die auf diese Weise übertragene Wärmemenge ist, gemessen am Wärmebedarf der Ofenlast, praktisch unbedeutend.

Gemäß Abb. 10 wurden die Temperaturen im Ofeninnern während der Rotation mittels der drei verschieden langen Thermoelemente D, E und F gemessen, die sich jeweils in radialen Abständen von 203, 406 bzw. 610 mm in das Ofeninnere erstreckten, wobei der Innenradius des Ofens 1140 mm betrug. Mit den Thermoelementen wurden in den Positionen D-I, E-I und F-I, d. h. beim Austritt der Elemente aus dem Bett K, Temperaturmessungen vorgenommen, ebenso in den Positionen D-2, E-2 und F-2, d. h. beim Wiedereintritt der Thermoelemente in das Bett. Die so ermittelten Temperaturen sind in der Zeichnung angegeben. Wie ersichtlich, erhöht sich die mit Thermoelement D gemessene Temperatur von 1082° C beim Austritt aus dem Bett K auf 1104⁰C beim Durchgang durch die Gasphase und Wiedereintritt in das Bett, so daß die Temperaturdifferenz 22° C beträgt. Bei Thermoelement E erhöht

sich die gemessene Temperatur von 1088 auf 1119⁰C, also um 31⁰C, bei Thermoelement F von 1096 auf 1135° C, d. h. um 39° C.

In-Abb. 11 sind die Temperaturen aus Abb. 10 gegen die Entfernung von der Ofenmitte aufgetragen; durch Einzeichnung der niedrigen Temperaturen in Positionen D-I, £-1, F-I sowie der hohen Temperaturen in Positionen D-2, F-2, E-I erhält man die Kurven G und H. Die Extrapolation dieser Kurven ergibt, daß die Temperaturdifferenz zwischen Punkten gleichen Abstands an der Schichtoberfläche von 17° C an der Ofenwand auf 61° C in der Ofenmitte ansteigt. Mit anderen Worten wird ein Materialteilchen in der Nähe der Ofenwand beim Eintritt in das Bett eine um 17° C höhere Temperatur haben als beim Austritt aus derselben; ein Teilchen, das sich in der Bettoberfläche nahe der Ofenmitte befindet, wird dagegen eine Temperaturdifferenz von 6I⁰C aufweisen. Die so auf Grund dieser Temperaturdifferenz auf das Bett übertragene Wärme wird in der Schicht für die endothermische Reaktion verbraucht und soll Wärmeverluste kompensieren.

Die auf diese Weise auf das behandelte Material übertragene Wärmemenge läßt sich in der Weise errechnen, daß man die während einer Ofenrotation so auf das Bett übertragene Wärmemenge mit der Anzahl der Ofenumdrehungen während der Verweilzeit des Materials in der Reduktionszone multipliziert. Diese Rechnung kann wie folgt vorgenommen werden: Aus den Kurven der Abb. 1 geht hervor, daß die mittlere Temperaturdifferenz für die behandelten Materialteilchen zwischen dem Eintritt und dem Austritt aus dem Bett 29° C beträgt. Bei einem speziellen Erzreduktionsversuch wurde festgestellt, daß die spezifische Wärme des Bettes 0,2 beträgt. Die Ofenbelastung betrug etwa 35%, die angewandte Umdrehungsgeschwindigkeit 6 Min./U, und die Verweilzeit in der Reduktionszone 6 Stunden, so daß das Material während insgesamt 60 Umdrehungen in der Reduktionszone verblieb. Bei der genannten Ofenbelastung von 35% betrug die Anzahl der Umwälzungen des Bettes pro Umdrehung drei, die Gesamtzahl der Umwälzungen während der Verweilzeit also 180. Hieraus errechnet sich, daß die in dem Bett insgesamt absorbierte Wärme pro t eingebrachten Erzes 1000 kg · 0,2 -29-180 = 1 050 000 Kalorien oder 4,2 Mio. B. t. u. (British thermal unit) beträgt. Zum Vergleich sei bemerkt, daß der theoretische Wärmebedarf für die Reduktion der Eisenoxyde des behandelten Erzes mit 4,2 Mio. B. t. u. festgestellt wurde. Daraus ergibt sich, daß die auf das Bett übertragene Wärme praktisch dem theoretischen Wärmebedarf für die Erzreduktion entspricht, d. h. also, daß die Wärmeübertragung im Ofen durch direkte Wärmeübertragung aus der Gasatmosphäre des Ofens auf die Bettoberfläche erfolgt. Wie oben gezeigt, ist die auf die Ofenwand übertragene Wärmemenge außerordentlich gering; sie genügt gerade, um den Wärmeverlust durch die Ofenwand zu kompensieren.

Aus den obengenannten Versuchsergebnissen geht weiter hervor, daß die Wärmeübertragung in der Nähe des Bettzentrums um ein Mehrfaches größer ist als in der Nähe der Ofenwand. Es folgt daraus, daß das nahe dem Zentrum des Bettes ein- und austretende Material um ein Mehrfaches rascher reduziert wird als das Material in den äußeren Teilen des Bettes. Demzufolge wird sich, wenn die Ofenbelastung bei einer bestimmten Ofengeschwindigkeit erhöht wird, die Reaktionsgeschwindigkeit des Materials entsprechend steigern, da die Bettoberfläche allmählich immer näher an das Ofenzentrum herankommt, wo die Temperatur der Ofengase am

höchsten ist. _;

Die meisten Drehöfen werden mit einer verhältnismäßig geringen Ofenbelastung oder Bettiefe gefahren, gewöhnlich in der Größenordnung von 8 bis 12% des gesamten inneren Ofenvolumens. Wie oben

ίο gezeigt, ist ein solcher Betrieb höchst unrationell sowohl in bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit als auch auf die Ausnutzung der vorhandenen Ofenkapazität bei einer bestimmten Umdrehungsgeschwindigkeit. Zur Demonstration dieser Tatsache verweisen wir auf den Vergleich zwischen einem Betrieb des Ofens bei 35% Belastung und einem solchen bei Vs dieser Belastung.

Die Bettiefe bei einer Belastung von 35% beträgt etwa 0,4 D oder 0,8 /?, wobei D und R den Innen-

so durchmesser bzw. den Radius des Ofens bedeuten. Bei einer um zwei Drittel niedrigeren Ofenbelastung, d.h. bei 11,7%, beträgt die Bettiefe 0,21 D oder 0,42/?. Die Länge der durch die Oberfläche gebildeten Sehne bei einer Ofenbelastung von 35% beträgt 1,95/?, bei einer Ofenbelastung von 11,7% 1,628/?. Die Wärmeoberfläche bei einer 35%igen

Belastung beträgt dann

= l,20mal mehr als

die Wärmeoberfläche bei einer ll,l%igen Belastung.

Wird der Ofen bei beiden Belastungen mit derselben Geschwindigkeit rotiert, so wird mit der höheren Belastung dreimal so viel Material über eine um 20% größere Wärmeoberfläche gewälzt als mit der niedrigeren Belastung. Wenn man annimmt, daß

die Wärmeoberfläche in beiden Fällen die gleiche ist, so ergibt sich der Effekt einer dreifachen Umwälzmenge aus der oben erläuterten Umwälzwirkung. In diesem Fall käme man auf dasselbe Ergebnis, wenn man den Ofen mit der geringeren Belastung dreimal

rascher rotieren ließe. Dieser Effekt läßt sich auf Basis der unter Bezugnahme auf A b b. 7 entwickelten Formeln errechnen. Das heißt also, daß bei Erhöhung der Geschwindigkeit auf das Dreifache die Kapazität um den gleichen Faktor gesteigert wird.

Angenommen, die Reduktionszone für die kleinere Belastung beträgt 22,86 m, so verlängert sie sich bei der höheren Belastung auf 48,8 m und bei erhöhter Geschwindigkeit gemäß den Formeln für Fall 2 oben. Bei Verkürzung der Reduktionszone auf 22,86 m

unter Beibehaltung der Geschwindigkeit und Veränderung der Ofenneigung beträgt die Kapazität:

3 · 3,5 · 22,86

48,8

Die relative Erhöhung beträgt:
4,9

= 4,98 t.

3,5

= 1,40 oder 40%.

Addiert man beide Effekte, so ergibt sich

1) der Effekt der vergrößerten Wärmeoberfläche = 20%,

2) der Effekt der gesteigerten Materialumwälzung über die Wärmeoberfläche = 40%.

Gesamterhöhung der Wärmeübertragung = 20% + 400/e = go »Ό.

Mit anderen Worten erhöhen sich Wärmeübertragung und Kapazität um 60 ⁰Zo, wenn man einen Ofen mit einer Belastung von 35% anstatt 11,7% fährt.

Wir befassen uns nun mit dem Einfluß des Ofendurchmessers auf die Betriebsmethoden und die obengenannten Formeln. Wie erwähnt, wurden die in Tabelle 1 und A b b. 2 bis 6 gezeigten Ergebnisse in einem Versuchsofen mit einem Innendurchmesser von 2,29 m und einer Länge von 45,7 m erzielt. Zum Vergleich wählen wir in der vorliegenden Erörterung einen Ofen mit einem doppelt so großen Durchmesser und von gleicher Länge, nämlich 4,57 m Innendurch- *5 messer und 45,7 m Länge. Die Abmessungen der Reduktionszone sollen in beiden öfen gleich sein, nämlich 22,86 m, so daß die vergleichbaren Abmessungen wie folgt wären:

20

Versuchsofen = 2,29 m Innen-0 = 22,86 m L,
Großer Ofen = 4,57 m Innen-0 = 22,86 m L.

. Die Wärmeoberfläche des Versuchsofens ist nur halb so groß wie diejenige des größeren Ofens. Erweitert man die Reduktionszone des Versuchsofens auf die doppelte Länge, d. h. auf 45,7 m, so hätte der Ofen folgende Abmessungen: 2,29 m Innen-0 ■ 45,7 m Länge. Der Versuchsofen hat eine Kapazität von 3,5 t/h bei 3 % Neigung, 5,5 Min./U und 22,86 m Reduktionszonenlänge. Bei Erweiterung der Reduktionszone auf 45,7 m unter Beibehaltung der Ofenneigung und Beschleunigung der Umdrehungsgeschwindigkeit auf 1,88 Min./U beträgt die Kapazität des erweiterten Versuchsofens, abgeleitet aus den Kurven der A b b. 7, in der obenerwähnten Weise:

des großen Ofens (4,57 m Innen-0 · 22,86 m Länge) vergleicht, so ergibt sich folgendes:

Großer Ofen = 13,26 t/h bei 1,88 Min./U,
Kleiner Ofen == 5,1 t/h bei 1,88 Min./U .

Bei der gleichen Umdrehungsgeschwindigkeit ergibt sich folgendes Verhältnis:

13,26
5,1

= 2,6.

(22)

überträgt man dies auf das Verhältnis der Ofendurchmesser, so ergibt sich:

⁴'⁵⁷

'·⁴

(23)

Interessant ist die Feststellung, daß diese Funktion für das Durchmesser/Kapazitäts-Verhältnis die gleiche , ist wie die aus den Wärmeberechnungs-Formeln er- ν haltene. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß diese Funktion nur gilt, wenn man beide öfen mit derselben Umdrehungsgeschwindigkeit rotieren läßt. Eine weitere wichtige Überlegung ist, daß die Neigung des größeren Ofens entsprechend einzustellen ist, um' die raschere Durchgangsgeschwindigkeit der Beschickung in einem Ofen mit größerem Durchmesser zu kompensieren.

Wie oben ausgeführt, ist die Formel

_dia

/-10,97

(21)

40 nur dann gültig, wenn man beide öfen mit gleicher Geschwindigkeit rotieren läßt. Wird die Geschwindigkeit verändert, so muß die Formel entsprechend auf

Dieser erweiterte Versuchsofen hat die gleiche Wärmeoberfläche wie der Ofen mit größerem Durchmesser bei 22,86m Länge (4,57m Innen-0 · 22,86m Länge). Letzterer enthält jedoch zweimal so viel Material wie der vergrößerte Versuchsofen, d. h., daß, wenn beide öfen mit derselben Umdrehungsgeschwindigkeit bewegt werden (1,88 Min./U), in dem Ofen mit dem größeren Durchmesser zweimal so viel Material über dieselbe Oberfläche geleitet wird. Mit anderen Worten ist die Wärmeübertragung im großen Ofen (4,57 m Innen-0 -22,86 m Länge) praktisch die gleiche wie in dem erweiterten Versuchsofen (2,29 m Innen-0 -45,7 m Länge), wenn letzterer doppelt so rasch wie der große Ofen rotiert wird. Der vergrößerte Versüchsofen hat eine Kapazität von 10,2 t/h bei 3% Ofenneigung und 1,88 Min./U. Läßt man diesen Ofen mit 0,94 Min./U unter entsprechender Veränderung der Ofenneigung rotieren, so steigt die Kapazität von 10,2 t/h um 30% auf 13,26 t/h an. Dies entspricht der Kapazität des Ofens mit dem größeren Durchmesser.

Wenn man nun die Kapazität des kleinen Ofens (2,29 m Innen-0 · 22,86 m Länge) mit derjenigen

,1.4

Jl A

(24)

abgeändert werden.

Unter Berücksichtigung von Durchmesser und Länge erhält man folgende allgemeine Kurzformel für die maßstabgerechte Vergrößerung:

Fall 1

Gleichbleibende Neigung und erhöhte Umdrehungsgeschwindigkeit :

D^iA „ L- 10,97

/-10,97
Fall 2

(25)

Veränderte Neigung und erhöhte Umdrehungsgeschwindigkeit:

^iA

L- 10,97η² /

(26)

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Steigerung der Durchsatzleistung von Drehrohrofen, in denen oxydische Erze nach dem Verfahren der Direktreduktion unter Zusatz von festem kohlenstoffhaltigem Material reduziert werden, wobei die Neigung der Längsachse des Drehrohrofens nicht mehr als etwa 2° und der Füllungsgrad 15 bis 45%, vorzugsweise 15 bis 25°/o, beträgt und die Reaktionstemperatur in der Reaktionszone durch kontrollierte Verbrennung der brennbaren Gase im Ofen mittels durch Mantelrohre eingeleiteter geregelter Mengen von Sauerstoff enthaltenden Gasen gleichmäßig eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von mindestens 0,5 U.p.M. betrieben wird und daß zunächst am Austragsende des Drehrohrofens die· maximale Reaktionstemperatur eingestellt und der Ofen mit einer vorgewählten Beschickungsmenge pro Zeiteinheit von Q₁ beschickt und mit einer dem Füllungsgradbereich entsprechenden Umdrehungsgeschwindigkeit M₁ betrieben wird, danach die Reaktionszone durch Zuführung Sauerstoff enthaltenden Gasen auf eine dem gewünschten Metallierungsgrad entsprechenden Länge L₁ ausgedehnt wird, daraufhin eine geänderte vorgewählte höhere Beschickungsmenge Q₂ chargiert und die Umdrehungsgeschwindigkeit auf M₂ entsprechend der Beziehung M₁ · Q₁ZQ₂ geändert wird, so daß der Füllungsgradbereich erhalten bleibt, und daß anschließend die Reaktionszone auf eine Länge L₂ entsprechend der Beziehung

   L₂ = QJQ₁(L₁ -10,97) + 10,97
   nachgeregelt wird.