DE198221C - - Google Patents

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

° 14. Dezember 1900

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ofenanlage zur.Reduktion von oxydischen oder ähnlichen Erzen, sowie anderen Oxyden oder Oxydverbindungen auf elektrischem Wege unter Verwendung von Kohle oder aus der Beschickungskohle hergestelltem Kohlenoxyd als Reduktionsmittel, wodurch es möglich ist, die betreffenden Reduktionsprozesse unter sehr vorteilhafter Ausnutzung des elektrischen Stromes durchzuführen.

Der.Erfinder hat schon früher ein Verfahren angegeben, um auf elektrischem Wege reduzierende Gase, besonders Kohlenoxyd, herzustellen, welche für die Durchführung metallurgischer Prozesse in besonderen Öfen benutzt wurden. Die praktische Durchführung dieses Verfahrens stieß indessen auf Schwierigkeiten, sobald für die Reduktion eine höhere Temperatur erforderlich wurde. Durch das nach jenem Verfahren hergestellte Gas war es nicht möglich, eine stärkere Hitze zu erzielen, einerseits wegen der geringen Wärmekapazität des Gases, andererseits wegen der großen Wärmeverluste bei Herstellung des Gases und der Durchführung des Reduktionsprozesses in verschiedenen Öfen.

Es ist ferner bekannt, metallurgische Prozesse derart auszuführen, daß der zu reduzierende Stoff und die Kohle in einen und denselben Ofen iij getrennten Schichten eingebracht werden, wobei der zu reduzierende Stoff unmittelbar der Wirkung eines elektrischen Lichtbogens ausgesetzt wird oder den Widerstand eines elektrischen Stromkreises bildet und Kohlenoxyd oder andere reduzierende Gase durch den Ofen hindurchgehen. Bei einem solchen Verfahren wird der zu reduzierende Stoff auf eine höhere Temperatur erhitzt als die benachbarten Kohlenschichten. Dieses Verfahren ist daher im allgemeinen nicht für die Reduktion solcher Stoffe. verwendbar, welche bei niedrigerer Temperatur unter Bildung von Kohlensäure reduziert werden, indem durch die Wärmebindung bei der Reduktion des Erzes die Temperatur der Reduktionszone auf der der Reduktionstemperatur des betreffenden Stoffes entsprechenden Höhe zu verbleiben strebt, so daß die Kohlenschichten eine niedrigere Temperatur aufweisen, als für die Reduktion der hierbei entstehenden Kohlensäure erforderlich wäre. Außerdem nehmen bei jenem Verfahren die Elektroden in beträchtlichem Maße an der Re-

duktion teil, so daß sie schnell verzehrt werden und so das herzustellende Produkt verteuert wird.

Vorliegende Erfindung betrifft nun ein Re- · duktions- und Schmelzverfahren, welches die durch den elektrischen Strom entwickelte Wärme in wirtschaftlicher Weise und bei geringem Verbrauch an Elektroden auszunutzen, sowie unabhängig von der Reduktionsteniperatur des zu behandelnden Stoffes das Regenerieren der bei der Durchführung des Prozesses angewandten kohlenhaltigen Gase gestattet.

Die Erfindung besteht im wesentlichen . darin, daß das Erz o. dgl. und die Kohle in einen und denselben Ofenraum, aber in voneinander getrennten senkrechten oder annähernd senkrechten Schichten, eingebracht .werden, und der elektrische Strom durch die " Kohlenschicht bzw. Kohlenschichten hindurchgeleitet wird. Die Kohle wird hierdurch der am stärksten erhitzte Teil der Beschickung und kann ohne Schwierigkeit auf die für eine tatsächliche Reduktion von Kohlensäure in Kohlenoxyd erforderliche Temperatur erhitzt werden, während gleichzeitig die der Beschickung den Strom zuführenden Elektroden in erheblichem Grade gegen Verzehrung geschützt werden können. Ferner kann die Wärmeübertragung von der Kohle nach den übrigen Teilen der Beschickung durch direkte Leitung und durch Übertragung mittels umlaufender Gase für die Durchführung der betreffenden Prozesse- immer genügend groß erhalten werden, indem Wärmeverluste und größere Temperaturabfälle' ausgeschlossen sind, weil die Beschickungsteile unmittelbar aneinander liegen.

Das reduzierte Metall schmilzt wenigstens teilweise durch die Einwirkung der starken Hitze in den Grenzlagen zwischen der Kohle und dem Erz und sammelt sich in einem geeigneten Bodenbehälter im Ofen. Diese Schmelzwirkung kann geg'ebenenfalls dadurch gesteigert werden, daß in der Schmelzmasse mittels Transformatoreinrichtungen starke sekundäre Ströme induziert werden.

Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine nach vorliegender Erfindung ausgeführte elektrische Ofenanlage schematisch dargestellt worden.

Fig. ι zeigt einen senkrechten Längsschnitt des Ofens.

Fig. 2 ist ein wagerechter Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt den Ofen.in senkrechtem mittleren Querschnitt.

Der in der Zeichnung dargestellte Ofen besitzt drei Schächte 1, 2 und 3, welche oben mit entsprechenden Beschickungsvorrichtungen 4, 5, 6 versehen sind. Die Schächte 1 und 3 werden mit Erz o. dgl. und der Schacht 2 mit Kohle beschickt. Unten stehen die Schächte miteinander in Verbindung, jedoch bleiben die Kohlen- und Erzschichten ungemischt, indem die Erzschichten die Kohlenschicht an den Seiten dicht umschließen. Dieser untere Teil des Ofens bildet die eigentliche Reduktionsund Schmelzzone. Zwecks Einführung des elektrischen Stromes in den Ofen sind unten an der Kohleiischicht in den Ofenwänden Elektroden 7, 8 vorgesehen, welche gar nicht oder nur wenig mit unreduziertem Erz oder mit den in unten näher angegebener Weise durch den Ofen hindurchgeschickten Gasen in Berührung kommen, so daß sie gegen Verzehrung wirksam geschützt sind. Am Boden des Ofens sind zwei rinnenförmige Behälter 9, 10 vorgesehen, welche am einen Ende in einen Sammelbehälter 11 ausmünden können, der mit auf verschiedener Höhe liegenden Abstichöffnungen 12, 13 für die Schlacke bzw. das geschmolzene Metall versehen ist. Am anderen Ende sind die Behälter 9, 10 miteinander, verbunden. Dort befindet sich ein mit Primärspule 14 versehener Transformatorkern 15, so daß im Schmelzbad starke Sekundärströme induziert werden können, welche die Schmelzung des reduzierten Metalles erleichtern.

In den Seitenwänden der Reduktions- und Schmelzzone des Ofens ist eine Anzahl von Kanälen 16, 17 vorgesehen, welche nach einem auf jeder Seite vorgesehenen Regenerator 18 bzw. 19 führen. Die äußeren Enden der letzteren sind durch eine Rohrleitung 20 und ein in dieser eingeschaltetes Gebläse o. dgl. 21 miteinander verbunden, so daß sie mit dem unteren Teil des Ofenraumes ein geschlossenes Zirkulationssystem bilden. Oben sind die Schächte 1 und 3 mit Ablaßrohren 22, 23 für den im System entwickelten Überschuß von Gas versehen.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Ofenanlage ist folgende:

Nachdem der Ofen etwa bis auf die in Fig. 1 angegebene Höhe beschickt worden ist, wird der untere Teil der Kohlenschicht in starkes Glühen versetzt, indem ein elektrischer Strom durch die Elektroden 7, 8 und den dazwischenliegenden Teil der Kohlenschicht geleitet wird. Hierbei werden selbstverständlich auch die am nächsten liegenden Teile der Erzbeschickung auf eine hohe Temperatur gebracht.

Nachdem die erforderliche Temperatur im unteren Teil des Ofens erreicht ist, wird das Gebläse 21 in Betrieb gesetzt, so daß die Gaszirkulation beispielsweise in der Richtung der Pfeile 24 stattfindet. Die im System befindlichen Gase bestehen beim Anlassen hauptsächlich aus Luft, welche bei der Zirkulation eine Verbrennung einesTeiles der Kohle in Kohlenoxyd bewirkt, so daß die Gase bei ihrem Durchströmen durch die Kohlenschicht stark

erhitzt werden. Das gebildete Kohlenoxyd bewirkt die Reduktion eines Teiles des unterhalb des Schachtes ι liegenden Erzes unter Bildung von Kohlensäure, die das zirkulierende Gasgemisch verdünnt. Das Gasgemisch gelangt dann durch die Kanäle 1.6 in den Regenerator 18 und gibt dort den wesentlichsten Teil seiner Wärme ab, so daß es in verhältnismäßig kaltem Zustande durch die Leitung 20 und das Gebläse 21 hindurchgeht, wodurch Wärmeverluste in der genannten Leitung und Beschädigungen des Gebläses, die zufolge zu starker Erhitzung entstehen könnten, vermieden werden. Die Gase strömen dann durch den Regenerator 19, die Kanäle 17 und die unterhalb des Schachtes 3 liegende Erzschicht, worauf sie wieder durch die glühende Kohlenschicht unterhalb des Schachtes 2 hindurchgehen, wo sie wieder auf hohe Temperatur erhitzt werden, und wobei gleichzeitig die in ihnen enthaltene Kohlensäure durch Aufnahme von Kohle aus der Kohlenschicht zu Kohlenoxyd reduziert wird. Bei ihrer Ankunft in der unterhalb des Schachtes 1 befindlichen Erz-Schicht vermögen die Gase daher wieder eine neue Menge von Erz zu reduzieren, und zwar unter Verbrauch eines Teiles des sich mit dem Sauerstoff des Erzes in Kohlensäure umsetzenden Kohlenoxyds. In dieser Weise rindet die Zirkulation dauernd statt, was zur Folge hat, daß die im System befindlichen Gase in das aus dem Sauerstoff des Erzes und der Beschickungskohle gebildete Kohlenoxyd umgewandelt werden, wobei der Gasüberschuß durch die Schächte. 1, 3 und die Ablaßrohre 22, 23 abgeht. Nachdem die Hauptmasse des zirkulierenden Gases in Kohlenoxyd verwandelt ist, findet die Reduktion unter ständiger Oxydation des Kohlenoxyds in.der Erzschicht und darauffolgender Reduktion der gebildeten Kohlensäure in der Kohlenschicht in völligwirksamer Weise statt. Gleichzeitig ergibt sich eine Wärmeübertragung durch das zirkulierende Gas nach, der Erzschicht unter dem Schacht 1 und nach dem Regenerator 18, welcher' den Wärmeüberschuß des Gases aufnimmt. Durch diese Wärmeübertragung und direkte Wärmeleitung von der glühenden Kohlenschicht schmilzt das reduzierte Metall, das in die Rinne 9 hinabtropft.

Nachdem der Regenerator 18 eine gewisse Wärmemenge aufgesammelt hat, wird das Gebläse 21 umgestellt, so daß das Gas jetzt von dem Gebläse durch die Rohrleitung 20, Regenerator 18, Kanäle 16, die Erzschicht unterhalb des Schachtes 1, die Kohlenschicht unterhalb des Schachtes 2, die Ersschicht unterhalb des Schachtes 3, die Kanäle 17 und durch den Regenerator 19 nach dem Gebläse 21 zurückströmt. Das mit Kohlensäure gemischte .Kohlenoxyd nimmt jetzt im Regenerator 18 Wärme auf, so daß es in verhältnismäßig stark erhitztem Zustande durch die teilweise reduzierte Erzschicht unterhalb des Schachtes 1 hindurchgeht, so daß eine Abkühlung dieser Schicht verhindert wird. Beim Durchströmen durch die glühende Kohlenschicht wird die Kohlensäure des Gases reduziert und die ganze Gasmenge stark erhitzt, so daß sie beimDurchgang durch die Erzschicht unterhalb des Schachtes 3 stark reduzierend auf diese Schicht wirken kann. Die Wärme, welche das Gas nach dem Durchgang durch die genannte Schicht enthält, wird im Regenerator 19 aufgesammelt, so daß die Gase, welche durch das Gebläse und die übrigen äußeren Teile des Zirkulationssystems strömen, verhältnismäßig kalt sind.

Nachdem der Regenerator 19 im erforderlichen Grad erhitzt und der Regenerator 18 genügend abgekühlt worden ist, wird die Gasrichtung wieder umgekehrt. Dieses Spiel wiederholt sich, so oft es mit Rücksicht auf die Erhitzung oder Abkühlung der Regeneratoren erforderlich oder für die Durchführung des Prozesses sonst vorteilhaft ist.

Gegebenenfalls kann die Umkehrung der Strömungsrichtung der Gase in so geringen Zwischenräumen stattfinden, daß die an den Reaktionen teilnehmende Gasmenge im wesentliehen nur eine pendelnde Bewegung zwischen der Kohlenschicht und den auf beiden Seiten dieser letzteren liegenden Erzschichten ausführt.

Die mittlere Kohlenschicht wird kontinuier-Hch durch den durch sie hindurchgehenden elektrischen Strom erhitzt, welcher somit teils die für die Reduktion der bei der Erzreduktion gebildeten Kohlensäure in Kohlenoxyd erforderliche und teils die für die Erhitzung des ioo Erzes und die teilweise oder vollständige Schmelzung des reduzierten Metalles erforderliche Wärme liefert. Der Zweck der Regeneratoren ist, Wärmeverluste, welche infolge der von den zirkulierenden Gasen verursachten Wärmeversetzung entstehen könnten, zu vermeiden, da bei der beschriebenen Einrichtung des Ofenraumes das zirkulierende Gas beim Austritt durch die Kanäle 16 bzw. 17 noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur besitzt.

Zwecks Beschleunigung der Schmelzung des reduzierten Metalles, kann man den Transformator· 14, 15 in Tätigkeit setzen, wodurch in dem von der Schmelzmasse gebildeten geschlossehen Sekundärleiter ein kräftiger Strom induziert wird. Letzterer erhitzt das Schmelzbad, so daß es Wärme an die benachbarten reduzierten Teile der Beschickung abgeben kann.

Gegebenenfalls kann ein Teil der Gase durch die Schächte I und 3 geleitet werden, wodurch

das Erz in den genannten Schächten vorgewärmt wird und zur Wärmeaufspeicherung dient,, so daß die Regeneratoren wesentlich verkleinert oder bei genügend hohem Schacht sogar ganz überflüssig werden können.

Um das Inbetriebsetzen zu beschleunigen, kann man von vornherein den einen oder beide Regeneratoren erhitzen, z. B. durch Verbrennen von Gas in denselben. Auch könnte man

ίο gegebenenfalls das ganze Ofensystem mit Kohlenoxydgas füllen, bevor der Betrieb beginnt.

In der Zeichnung sind zwei Erzschichten mit einem Regenerator auf jeder Seite des Ofens dargestellt. Unter gewissen Umständen kann es jedoch genügen, die Beschickung mit nur einer Erzschicht auszuführen, wobei selbstverständlich die Richtung des Gastimlaufes unverändert bleiben muß. Um dem Ofen die Wärme zurückzuführen, die durch den Gasumlauf ihm weggenommen wird, kann man in solchem Fall zwei Regeneratoren verwenden, welche abwechselnd vor oder nach dem Ofenraum in der Zirkulationsrichtung eingeschaltet werden können. Dabei muß selbstverständlich das Gebläse bzw. eine entsprechende Zirkulationseinrichtung ständig in derselben Beziehung zum Ofenraum beibe-. halten werden. Andererseits kann man größere Anlagen auch mit einer beliebigen Anzahl von Schächten .nacheinander ausführen, von denen zwei aufeinanderfolgende immer je eine Kohlenschicht und eine Erzschicht aufnehmen.

Handelt es sich darum, flüchtige Metalle, wie Zink, zu reduzieren, so kann man zweckmäßig eine Kohlenschicht auf jeder Seite einer Erzschicht anordnen. Das bei der Reduktion des Erzes gebildete Gemisch aus Metalldämpfen und Kohlensäure wird hierbei unabhängig von der Zirkulationsrichtung stets eine durch die Einwirkung des elektrischen Stromes zu hoher Temperatur erhitzte Kohlenschicht durchströmen, wodurch die Kohlensäure möglichst vollständig zu Kohlenoxyd reduziert wird, so daß das die Reduktionszone verlassende Gasgemisch im wesentlichen nur Metalldämpfe und Kohlenoxyd enthält. Die Metalldämpfe können daher außerhalb des Reduktionsraumes leicht kondensiert und ohne Gefahr, wieder zu oxydieren, in einer Vorlage aufgenommen werden, während das Kohlenoxyd abgeschieden mit den zirkulierenden Gasen wieder vermischt wird.

In manchen Fällen, damit der Strom nicht zum wesentlichen Teil durch das Erz hindurchgeht, kann man die Trennungswände zwischen den Beschickungsschächten gegen die Ofensohle verlängern und lediglich. Durchtrittskanäle für die Gase in denselben anordnen, wodurch eine direkte Berührung zwischen den verschiedenen Schichten der Beschickung verhindert wird. In solchen Fällen dient die Kohlenschicht hauptsächlich zum Erhitzen der umlaufenden Gase auf eine hohe Temperatur und zum Reduzieren der Kohlensäure zu Kohlenoxyd. Die Erzschicht wird in solchem Fall zum wesentlichen Teil von dem zirkulierenden Gas erhitzt, jedoch dürfte im allgemeinen eine besondere Wärmezufuhr zu ihr erforderlich sein, um das reduzierte Metall zum Schmelzen zu bringen.

Diese besondere Wärmezufuhr kann entweder dadurch erhalten werden, daß man die Erzschicht als Widerstand in einem primären elektrischen Stromkreis mit Elektroden einschaltet, oder daß man, wie in der Zeichnung dargestellt, die geschmolzene Masse als Sekundärleiter eines Transformators verwendet. _

Die beschriebene Erfindung kann mit Vorteil auch bei Herstellung von Ferrosilicium durch Schmelzen von Eisenschrot oder Eisenerz und Kieselsäure bzw. von stark kieselsäurehaltigen Erzen mit Kohle verwendet werden. Dabei wird die Kohle für sich beschickt, so daß sie eine Säule oder Schicht zwischen den Elektroden bildet und diese gegen Verzehrung schützt. Die von der Beschickungskohle gebildete Kohlensäure wird durch den elektrischen Strom auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß sie die übrige Beschickung reduzieren und schmelzen kann. Gegebenenfalls können hierbei Öfen derselben Gattung verwendet werden, wie die bei Karbidherstellung verwendeten, welche einen tiegelförmigen Ofenraum und eine Bodenelektrode sowie eine zentrale obere Elektrode besitzen, so daß sowohl die Gaszirkulation als die Erhitzung des Schmelzbades durch induzierte Ströme weggelassen werden können. ioo

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Reduktion oxydischer Erze o. dgl. mit kohlenstoffhaltigen Gasen unter Zuhilfenahme der elektrischen Erhitzung und mit getrennter Zuführung von Erz und Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlensäure in der Reduktionszone in unmittelbarer Berührung mit der Erzsäule, aber ohne sich wesentlich damit zu vermischen, steht und durch einen mittels in sie hineinragender Elektroden zugeführten elektrischen Strom auf die zur Verarbeitung des Erzes erforderliche Temperatur erhitzt wird.

2. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Verwendung von kreisenden oder hin und her bewegten reduzierenden Gasen zwecks Beschleunigung der Reduktion, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase mittels der durch den elek-

irischen Strom erhitzten Kohlensäure auf eine hohe Temperatur gebracht und gleichzeitig reduziert werden, um in der benachbarten Erzsäule selbst wieder reduzierend zu wirken, wobei der Wärmeüberschuß der Gase nach der Reduktionsarbeit mittels entsprechender Regeneratoren in bekannter Weise aufgespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzsäule durch die elektrisch erhitzte Kohlensäule bzw. die durchgeleiteten erhitzten Gase nur auf die Reduktionstemperatur, nicht aber bis zur Schmelzung erhitzt wird, und die Schmelzung des ausreduzierten Metalls in an sich bekannter Weise durch in der schon geschmolzenen, in geschlossenen Rinnen gesammelten Masse induzierte Ströme bewirkt wird.

4. Ofenanlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Einrichtungen zur Einführung der Kohle und des Erzes in voneinander getrennten senkrechten, sich nicht mischenden Schichten versehene Ofen mit einem Gebläse oder einer anderen Vorrichtung zur Bewegung der Gase durch die Erz- und Kohlensäulen und mit Kammern zur Aufspeicherung des ,Wärmeüberschusses der Gase nach deren Durchgang durch die Beschickung zusammengeschaltet ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.