DE2251606A1

DE2251606A1 - Verfahren zum herstellen eines festen brennstoffes fuer die erzreduktion

Info

Publication number: DE2251606A1
Application number: DE2251606A
Authority: DE
Inventors: Norman Schapiro; Ronald Wayne Schoenberger
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1971-10-22
Filing date: 1972-10-20
Publication date: 1973-04-26
Also published as: PL83612B1; BE790400A; FR2156908A1; IT969780B; GB1410649A; JPS4851001A; AU4798072A; ZA727490B

Description

USS EBTGEIJEEHS AIiD CONSULTANTS, IHC., 600 Grant Street
Pittsburgh, Pennsylvania USA

Verfahren zum Herstellen eines festen Brennstoffes für die Erzreduktion

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines festen Brennstoffes für die Erzreduktion sowie diesen Brennstoff selbst und seine Verwendung.

In der Technik besteht heute ein grosses Bedürfnis nach einem festen Brennmaterial, das anstelle der metallurgischen Qualitätsanforderungen genügenden Kohle, die zur Herstellung von metallurgischem Koks für die Durchführung der Metallherstellungsverfahren gebraucht wird, verwendet werden kann. Insbesondere besteht ein weltweites Bedürfnis für die Herstellung fester Brennstoffe, die in all ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften im wesentlichen dem ähnlich sind, was gewöhnlich als metallurgischer Koks für die Eisenreduktion im Hochofen bezeichnet

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wird. Es sind bereits verschiedene Anstre^jingen unternommen worden, Ersatzprodukte für den metallurgischen Koks durch Brikettieren, Granulieren oder anderweitiges Verpressen zu kleineren Formkörpern von feinverteiltem kohlenstoffhaltigen Material zu schaffen. Eine Übersicht über diese bekannten Verfahren findet sich im Journal of the Iron and Steel Institute (1971), Seiten 100 bis 108. Ein Abwägen der spezifischen Vorteile des Brikettierens gegenüber dem Verpressen zu tablettenartigen kleineren Formkörpern wurde im Metal Bulletin Monthly (1971), Seiten 17 bis 19, abgehandelt. Die früheren Versuche zum Herstellen fester Brennstoffe, die sich für metallurgische Verfahren eigneten und durch Verpressen hergestellt wurden, waren auf den Zusatz von Bindern und Schmiermitteln, typischerweise etwa von Bentonit und V/asser, zu dem kohlenstoffhaltigen Material ausgerichtet (vgl. Canadian Mining and Metallurgical Bulletin 57 (1964), Seiten 52 bis 56).

Der Nachteil all dieser bekannten Verfahren besteht vor allem in ihrer Unwirtschaftlichkeit, da zu ihrer Durchführung hohe Drücke, etwa zum Brikettieren oder zum Extrudieren, oder Hilfsstoffe, wie etwa Bentonit und Wasser, oder ein Verschmelzen des Kohlenstoffmaterials, das der Hauptbestandteil des festen Brennstoffs ist, erforderlich ist.

Es ist demgemäss Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das diese Nachteile vermeidet und in wirtschaftlicher Weise durch einfaches Vermischen der Komponenten und Ausnutzen ihrer Agglomerationsneigung einen festen Brennstoff liefert, dessen Korngrösse innerhalb eines für die direkte Beschickung von Hochöfen zur kontinuierlichen Erzreduktion geeigneten Bereichs liegt.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man feinverteiltes festes Kohlenstoff material mit ca. 10 - 60 Gew,-#» flüssigen Kohlenwasserstoffen, bezogen auf das Gewicht des Gesamtmaterials, so vermischt, dass homogene Partikel mit Abmessungen von ca. 0,16 mm bis 7»6 cm erhalten werden, wobei man Kohlenwasserstoffe verwendet, deren Siedepunkt unter Normaldruck über 121 ⁰C und deren Viscosität bei Temperaturen bis zu 399 °C bei 10 Poise oder darunter liegt, und dass man die Partikel bis zur Formbeständigkeit aushärtet und anschliessend bei 649 - 1260 ⁰C verkohlt.

Die Vorteile des Verfahrens gemäss der Erfindung liegen vor allem in seiner einfachen Durchführbarkeit. So ist es beispielsweise lediglich erforderlich, dass das kohlenstoffhaltige Material mit dem Kohlenwasserstoff einfach zu Stücken der gewünschten Korngrösse vermischt werden, wobei diese Korngrösse sich auch beim Verkohlen der gemischten und ausgeformten Stücke nicht wesentlich verändert. Die Stückbildung bzw. der Granuliereffekt der miteinander homogen vermischten Komponenten beruht dabei lediglich auf der normalen Agglomerationsneigung der Mischung. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung ist darin zu sehen, dass das hergestellte Brennmaterial, ohne dass eine weitere Kachbehandlung erforderlich wäre, direkt zur Beschickung der Hochöfen anstelle des oder zusätzlich zum metallurgischen Koks verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Mischen mit einfachsten Hilfsmitteln, beispielsweise durch Mahlen in einer Kugelmühle oder durch Kollern, bewirkt werden kann. Ausserdem zeigen die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung erhaltenen festen Brennstoffe physikalische und chemische Eigenschaften, die sie als Zuschlagsmaterial für Hochofenprozesse eignungsfähig machen. Die er-

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haltenen festen Brennstoffe sind dabei praktisch ausschliesslich aus feinverteiltem kohlenstoffhaltigen Material und Kohlenwasserstoffen hergestellt.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden feinverteilte,feste,kohlenstoffhaltige Materialien, wie beispielsweise Holzkohlen, geschwelte Kohlen, .destillierte Kohlen oder Koks, oder Gemische solcher Kohlen,mit flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise mittel- und hochsiedende Kohlenwasserstofföle, so zusammen gemischt, dass sie zu definierten Stücken agglomerieren, die anschliessend verkohlt werden und so ein festes Brennmaterial liefern, das zur Reduktion von Metallerzen zu Metallen verwendet werden kann.

Als feinverteiltes, festes, kohlenstoffhaltiges Material, wie es zur Durchführung des Verfahrens benötigt wird, wird ein Material verwendet, das im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Als Beispiele für solche Materialien seien Kohlen im allgemeinen, insbesondere solche mit hohem Kohlenstoffgehalt, Koks oder Holzkohlenarten, ebenso wie geschwelte und destillierte Kohlen genannt. Die verwendeten kohlenstoffhaltigen Materialien können Restschwefel und Ascheanteile sowie auch geringe Wasserstoffmengen neben dem Hauptbestandteil Kohlenstoff enthalten. Unter feinverteilt wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung ein Material verstanden, das auf herkömmlichen Agglomerationsgeräten, beispielsweise Granulier- oder Brikettiermaschinen, verarbeitet werden kann, Die Korngrösse dieser Stoffe wird in der Regel bei einer Normalverteilung maximal bei 0,64 cm liegen, jedoch können auch feine Siebfraktionen, beispielsweise solche, die noch zu 100 % ein Sieb mit einer Maschenöffnungsweite von 0,074 mm passieren, verwendet werden. Dabei ist lediglich zu beachten, dass der Anteil an zuzusetzendem Kohlenwasserstoff mit

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abnehmender Korngrösse des kohlenstoffhaltigen Materials erhöht werden muss.

Insbesondere wird im Hinblick auf das kohlenstoffhaltige Material ein Material vorgezogen, dessen Schwefelgehalt die Herstellung fester Endproduktbrennstoffe mit einem Schwefelgehalt von weniger als 1 % und vorzugsweise mit weniger als 0,6 % bis hinunter zu 0,35 % ermöglicht. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass das verwendete kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial die Herstellung eines Brennstoffes ermöglicht, dessen Aschengehalt unter 8,5 %, vorzugsweise unter 4,5 %, liegt. Ein für die Durchführung des Verfahrens ausserordentlich geeignetes kohlenstoffhaltiges Material ist eine Form der sogenannten destillierten Kohle, die durch Verkohlungsprozesse im Wirbelbett erhalten wird. Zu ihrer Herstellung wird eine Kohle auf eine Korngrösse von ca. 0,32 cm zerkleinert und in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei Temperaturen zwischen ca. 426 und 760 ⁰C bei Drücken, die geeigneterweise über Atmosphärendruck liegen und vorzugsweise bis zu 21 at, und insbesondere in erster Linie bevorzugt ca. 6,7 at,verkohlt und entschwefe.lt. So erhaltenes verkohltes Material weist in der Regel weniger als 0,6 Gew.-% Schwefel und einen geringen Aschenanteil auf. Im Verfahren gemäss der Erfindung können jedoch nicht nur Koks, Kohle oder verkohltes Material für sich als kohlenstoffhaltige Ausgangssubstanz, sondern im Gemisch miteinander oder anderen kohlenstoffhaltigen Stoffen als kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial verwendet werden.

Die Kohlenwasserstoffe, mit denen das feinverteilte kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial vermischt wird, wirken als anteigendes Schmiermittel und als Binder für das nach dem Mischen erhaltene Korngut. Insbesondere ist es zur Durchführung des Verfahrens wünschenswert, dass die hergestellten

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Ausgangsgemische praktisch frei von anorganischen Feststoffen, wie beispielsweise Bentonit oder anderen Tonen, und ebenfalls frei von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, sind. Solche unerwünschten Beimengungen erhöhen entweder den Aschengehalt im Koks oder machen extra Trockenprozesse erforderlich, die dennoch nicht ganz verhindern können, dass in dem hergestellten metallurgischen Koks ein Restgehalt an Oxiden verbleibt. Einer der wünschenswerten und vorteilhaften Eigenschaften des Verfahrens gemäss der Erfindung liegt darin, dass allein die benutzten Kohlenwasserstoffe als Anteigmittel und als Binder wirken und ausreichen, um das stückige bzw. körnige Rohgut auszuformen, das dann ohne weitere Arbeitsvorgänge nach einfachem Aushärtenlassen bzw. Abbindenlassen der Verkohlung zum Endprodukt, dem festen Brennstoff, unterworfen werden kann. In dem im Rahmen dieser Beschreibung benutzten Sinn werden mit dem Ausdruck "Kohlenwasserstoffe" bzw. "Kohlenwasserstoff material" solche Stoffe gemeint, die im wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, jedoch auch geringere Anteile an Sauerstoff, Stickstoff und/oder Schwefel enthalten können. Die für das Verfahren gemäss der Erfindung geeigneten Kohlenwasserstoffe haben einen ursprünglichen Erweichungspunkt von 121 ⁰C und eine Viscosität von 10 Poise oder weniger im Bereich von 65 bis 399 °C. Unter Kohlenwasserstoffe dieser Art sind Mittelöle, Schweröle, Strassenteer, Pech und Asphalt zu rechnen. Die Mittelöle sieden im allgemeinen im Bereich von 121 bis 399 ⁰C, während die Schweröle einen Siedepunkt von über 399 ⁰C haben. Zu den Kohlenwasserstoffen, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind, gehören, um weitere Beispiele zu nennen, auch Substanzen, wie beispielsweise Erdasphalte, teerartige Pechkohle der höheren und höchsten Fraktionen, mit Kohleaustrag aufgeschlossenes Pech und Extrakte von Kohleausträgen. Die Quellen, aus denen solche Kohlenwasserstoffmaterialien

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stammen, können unterschiedlichster Art sein. Am häufigsten werden sie beider Erdölraffination und bei Kokereien anfallen. Andererseits können diese Kohlenwasserstoffe aber auch durch synthetische Verfahren, wie beispielsweise die Kohleverflüssigung, hergestellt werden. In der Regel fallen sie nach dem Übergehen der leichteren Fraktionen als Rückstände bei diesen Prozessen an.

Die Kohlenwasserstoffe, die im Rahmen des Verfahrens verwendet werden können, haben typischerweise etwa die in.der nachstehenden Tabelle 1 zusammengestellten Eigenschaften:

Tabelle 1

Erweichungspunkt in ⁰C (Ring & Ball) 25 - 150

Kokswert nach Conradson in Gew.-?6 18 - 60

unlösliche Anteile in Chinolin in Gew.-?6 4 - 12

Unlöslichkeit in Benzol in Gew.-96 10 - 20

C/H 1,0 - 2,0

Bei den Temperaturen, bei denen das stückige Vorprodukt, das Gemisch aus feinverteiltem kohlenstoffhaltigen Material und Kohlenwasserstoffen hergestellt wird, sind die verwendbaren Kohlenwasserstoffe flüssig. Vorzugsweise haben diese Kohlenwasserstoffe eine Viscosität von 10 Poise oder darunter im Temperaturbereich von 65 bis 399 °C. Die zuvor als Beispiele angeführten Kohlenwasserstoffe können auch zu einem einheitlichen Gemisch miteinander vermischt werden, können noch einmal destilliert oder mit Luft oder Sauerstoff abgeblasen werden. Diese Verfahren sind dem Fachmann bekannt als Mittel zur Verbesserung der Fliesseigenschaften. Zusätzlich aber führen sie dazu, dass die verwendeten Kohlenwasserstoffe zu einem Koks mit ausgezeichneten Festigkeits-

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eigenschaften führen. Den verwendeten Kohlenwasserstoffen können aber ausserdem noch weitere Modifizierungsmittel zugesetzt sein, so beispielsweise niederviscose Verdünnungsmittel, wie beispielsweise leichtere Kohlenwasserstofföle, Terosone oder tiefere Teerfraktionen. Solche Zusätze wirken wie Flussmittel und verbessern die Fliesseigenschaften des Grundmaterials. Auch kann es in gewissen Fällen wünschenswersein, die Kohlenwasserstoffe mit ultrafeinen Kohlenstoffmaterialien zu versetzen, beispielsweise mit solchen, die noch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 44 /um passieren.

Das feinverteilte, kohlenstoffhaltige Material und die Kohlenwasserstoffe werden so miteinander vermischt, dass, bezogen auf das fertige Gemisch, der Kohlenwasserstoffanteil im Bereich von ca. 10 bis ca. 60 Gew.-$ liegt. Als bevorzugter Bereich gilt dabei ein Kohlenwasserstoffanteil von ca. 24 bis 38 %, bezogen auf das Gesamtgemisch. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann als Grundregel gesagt werden, dass, wenn die Korngrösse des feinverteilten, kohlenstoffhaltigen Materials abnimmt und im wesentlichen sehr feine Korngrössen vorliegen, der Anteil der Kohlenwasserstoffe im Gemisch zunehmen wird. Wenn beispielsweise das feinverteilte, kohlenstoffhaltige Material eine Korngrösse von unterhalb ca. 0,63 mm aufweist, so ist es in der Regel empfehlenswert, einen Anteil von 27 bis 28 % an Kohlenwasserstoffen am Endgemisch einzustellen. Wenn auf der anderen Seite aber die Korngrösse des kohlenstoffhaltigen Materials unterhalb ca. 0,149 mm liegt, so wird der Kohlenwasserstoffanteil am Gesamtgemisch vorzugsweise im Bereich von 32 bis 38 % liegen. Im Korngrössenbereich von weniger als 0,074 ram wird in der Regel der Kohlenwasserstoffanteil auf den Bereich von ca. 38 Gew.-% der Gesamtmischung einzustellen sein. Der im Einzelfall spezielle Anteil der einzelnen Komponenten am Gemisch bestimmt sich letztlich jedoch nach den Agglomerationseigen-

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schäften des Gemisches, den Temperaturen, bei denen der Prozess durchgeführt wird, und nicht zuletzt auch nach den angestrebten Eigenschaften des zu erzeugenden festen Brennstoffs.

Das feinverteilte, kohlenstoffhaltige Material und die Kohlenwasserstoffe werden so miteinander vermischt, dass unter den Mischbedingungen die Kohlenwasserstoffe flüssig sind oder werden und dass die einzelnen Komponenten der herzustellenden Mischung relativ zueinander beweglich sind. Auf die Art und V/eise entstehen stückige Produkte, die aus den homogen miteinander verbundenen Einzelkomponenten bestehen. Nach einer eingangs zunächst stattfindenden.Granulation wird durch Erzeugen einer fortgesetzten relativen Bewegung zwischen den Anfangsteilchen und den Stoffkomponenten ein auf Anlagerungsprozesse gegründetes Wachstum der Teilchen so lange herbeigeführt, bis die jeweils für das Endprodukt spezifizierte Korngrösse, die sich nach der entsprechenden Hochofenbeschickung richtet, erreicht ist. Die einheitliche Verteilung der einzelnen Komponenten über das gesamte Volumen der einzelnen Mischungsstücke bzw. Mischungsteilchen trägt wesentlich dazu bei, dass ein fester Brennstoff erhalten wird, dessen Eigenschaften denen eines guten metallurgischen Kokses vergleichbar sind.

Die einzelnen Komponenten können nach an sich bekannten Verfahren unter Benutzung an sich bekannter Vorrichtungen durchgeführt werden, beispielsweise in Wannengranulierapparaten, Kollern oder Kugelmühlen. Die bei der Teilchenbildung und beim Anwachsen der Mischungsteilchen wirksam werdenden Mechanismen, die zur Bildung des nach dem Verfahren gemäss der Erfindung erforderlichen stückigen Produktes führen, sind in "Agglomeration" von Kneepger, Interscience Publishers, New York (1962), Seiten 179-186, 229-249 und 931-964 beschrieben.

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Insbesondere sind für die praktische Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung die Granuliervorrichtungen aufgrund ihrer einfachen Betriebsweise, der erzeugbaren einheitlichen Korngrösse und des möglichen hohen Durchsatzvolumens bevorzugt.

Aufgrund der für die Durchführung des Mischens gemäss der Erfindung gewählten Bedingungen fällt das nach dem Stand der Technik unter Aufbringung hoher Drücke erforderliche Komprimieren, Brikettieren oder Extrudieren fort. Darüber hinaus erfordert der Mischvorgang gemäss der Erfindung nicht das Plastifizieren des kohlenstoffhaltigen Materials, wie es für die Herstellung von eierbrikettartigen Presskörpern oder nierenförmigem Material erforderlich ist. Gewöhnlich wird das für die Durchführung des Verfahrens erforderliche Mischen praktisch bei Atmosphärendruck und bei einer Temperatur durchgeführt, bei der die verwendeten Kohlenwasserstoffe ausreichend flüssig sind. Das Mischen und der Prozess des Wachsens der Teilchen durch Anlagerung von Material im Rahmen der Erfindung geschieht wahrscheinlich in der Weise, dass das durch das Ausgangskomponentengemisch transportierte Gemischteilchen auf seinem Weg durch das Komponentengemisch die Komponenten anlagert und dabei bis zu seiner endgültig angestrebten Teilchengrösse anwächst.

In Verbindung mit dem vorstehend erwähnten Granulieren und/ oder Vermählen in Kugelmühlen können auch andere Mischverfahren zum Mischen der Kohlenwasserstoffe mit dem kohlenstoffhaltigen Material herangezogen v/erden. So kann beispielsweise heisse feinverteilte Holzkohle oder destillierte Kohle in einem Wirbelbett fluidisiert v/erden, indem die Kohlenwasserstoffe als Fluid verwendet werden. Die auf diese Weise mit einem Überzug versehenen Kohleteilchen können zum Einbringen des Kohlenwasserstofffluids in einen Scheibengranulierer verwendet werden. Auf diese W_pise werden An-

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fangskeime erhalten, die rasch bis auf die jeweiXs gewünschte Grosse des Vorprodukts anwachsen. Ebenso können feste Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Pech, mit heissen Kohlenteilchen zu einem heissen Fluid aufgewirbelt werden, das dann auf das feste kohlenstoffhaltige Material einer Granuli ervorrichtung aufgegeben werden kann und dort zur Bildung der dann zu verkohlenden Vorprodukte führt.

Wie bereits erwähnt, ist es beim Mischen erforderlich, dass die einzelnen Ausgangsstoffe sich auf einer Temperatur befinden, bei der die Kohlenwasserstoffe flüssig sind, und zwar zumindest so lange, bis die Vorprodukte endgültig ausgeformt sind. In der Regel bedeutet das, dass die verwendeten Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen zwischen 65 399 ⁰C flüssig sein müssen. Dabei ist es normalerweise wünschenswert, dass das feinverteilte, kohlenstoffhaltige Material eine Temperatur von mindestens 65 ⁰C aufweist. Jede der beiden zu mischenden Komponenten, sowohl das kohlenstoffhaltige Material als auch der Kohlenwasserstoff, können getrennt voneinander vor dem eigentlichen Mischen erwärmt werden. Wenn jedoch, beispielsweise aus Vorprozessen, diese Stoffe bereits bei den erforderlichen Temperaturen oder höheren Temperaturen anfallen, so kann die sonst erforderliche vorherige Erwärmung selbstverständlich fortfallen. Wenn nur eine der beiden Komponenten oberhalb der erforderlichen Mischtemperatur zur Verfügung steht, während die andere unterhalb dieser Temperatur anfällt, so kann dafür gesorgt v/erden, daiss beide Komponenten so miteinander vermischt werden, dass das Gemisch auf die für den eigentlichen Mischvorgang erforderliche Temperatur durch Mischen der beiden Komponentenströme vor der eigentlichen Aufgabe zum Mischgerät, beispielsweise den Granulierer oder der Kugelmühle, erreicht wird. Das Verfahren kann aber auch dann noch einwandfrei durchgeführt werden, wenn die unterschiedlich heissen Materialströme erst bei der Aufgabe auf die Mischvorrichtung

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in den nach Hassgabe der Temperaturen erforderlichen Verhältnissen miteinander gemischt werden. Erforderlichenfalls kann eine zusätzliche Erwärmung auch beim eigentlichen Mischvorgang selbst erfolgen. So kann beispielsweise für eine Heizung der Pfanne beim Pfannengranulieren gesorgt werden oder kann die Kugelmühle mit heissem Gas beschickt weiden. Auch können die Komponenten während des Hischens gegebenenfalls Strahlungswärmequellen ausgesetzt werden.

Wenn das nach dem Mischen erhaltene stückige Vorprodukt nicht bereits durch die Verfestigung des verwendeten Kohlenwasserstoffs verfestigt und ausgehärtet wird, so sollte zu diesem Zweck eine anschliessende Erwärmung auf ca. bis 538 ⁰C erfolgen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die im Mischprozess erhaltene Körnung auch bei der Handhabung für die anschliessende Verkohlungsstufe nicht zerstört wird. Vorzugsweise werden dazu Temperaturen im Bereich von ca. 260 bis 538 ⁰C angewendet. Eine solche Aushärtung des Kohlenwasserstoffbinders führt zu Vorprodukten, die eine besondere Festigkeit aufweisen und für die verschiedensten Verkohlungsverfahren einsetzbar sind. So können die stückigen Körnungen der Mischstufe beispielsweise auch dadurch ausgehärtet werden, dass sie bei 260 C in luft- oder sauerstoffhaltiger Atmosphäre ausgehärtet werden. Weiterhin ist ein Aushärten in Abwesenheit von Luft oder Sauerstoff bei Temperaturen bis zu ca. 482 ⁰C empfehlenswert. Die für die Aushärterwärmung angewendete Aufheizgeschwindigkeit kann dabei sowohl langsam als auch schnell gewählt werden, jedoch hat sich ein schnelles Aufheizen als besonders brauchbar erwiesen.

Das stückige bzw. körnige Vorprodukt wird dann anschliessend bei Temperaturen von ca. 649 bis 1260 ⁰C verkohlt. Dabei werden als Endprodukt feste Brennstoffe erhalten, die sich hervorragend zum Einsatz bei der Erzreduktion eignen. Die

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Verkohlung kann dabei sowohl in gesonderte'n Reaktoren erfolgen als auch In Reaktoren, in denen durch eine stufenweise oder anderweitig programmierte Temperaturerhöhung sowohl das Aushärten und Ausreifen der Vorprodukte als auch die Verkohlung der Endstufe durchgeführt werden können. Für die Verkohlung können zahlreiche an sich bekannte Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden, beispielsweise vertikale Schachtofen, Öfen mit Wanderrost, Lehmöfen sowie Rotations- oder Trommelöfen, die als Verkohlungsvorrichtungen einsetzbar sind. Gleicherweise können die erzeugten Vorprodukte in Sand oder kohlenstoffhaltigem Material eingebettet und in dieser.Form durch die Heizzone der Verkohlungsstufe transportiert werden.

Das auf diese Weise erhaltene verkohlte Produkt weist dann bereits alle Eigenschaften auf, die es zum direkten Einsatz als festes Brennmaterial für die Reduktion von Metallerzen geeignet sein last. Das kohlenstoffhaltige Material und die Kohlenwasserstoffe sind über das ganze Produkt homogen miteinander vermischt. Das erhaltene feste Brennmaterial weist alle Eigenschaften eines guten metallurgischen Kokses auf. In der nachstehenden Tabelle 2 sind die Eigenschaften eines solchen Kokses mit denjenigen eines nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Materials verglichen.

Tabelle 2

Metallurg!- fester Brennstoff gemäss scher Koks Erfindung

Sollwert Istwert

Korngrösse. 3,18*1,9 cm 2,54- ,6*1,9 3,18.1,9 cm

Festigkeit nach dem

Tumbler-Test

(4,54 kg;1400 Umdrehungen)

Plus 3/4» Index 34 69

Plus 1/4» Index 74 +70 74

Tabelle 2 (Fortsetzung)

	Metallurgi	fester Brennstoff	gemäss
	scher Koks	Erfindung
		Sollwert	Istwert
Kompressionsdruck
festigkeit
Kuben mit Kantenlänge
1,27 cm, at	171,5	+140	150,5
ganze Formpartikel,
kg	24	-«■363	430
S.p.G. (scheinbar)	0,94	0,8-1,1	1,00
S.p.G. (tatsächlich)	1,90	1,85-2,05	1,93
Porosität	50-1/2	45-55	48

Dichte des kompakten Materials kg/m-⁵ 465

432-560

512

Ausserdem zeigen die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten festen Brennstoffe eine Abriebbeständigkeit, die mit der Kompressionsdruckfestigkeit zunimmt. Diese Eigenschaft ist dem in der Figur dargestellten Diagramm zu entnehmen. Die Ordinate des Diagramms gibt die Abriebfestigkeit von 3,18 cm · 1,9 cm -Stücken gemessen nach dem +1/4"-Tuiablerindex nach 1400 Umdrehungen wieder. Auf der Abszisse ist die Druckfestigkeit des ganzen Korns bzw. des ganzen Formkörpers wiedergegeben. Die im Diagramm dargestellte Abhängigkeit ist insofern eine wertvolle und vorteilhafte Eigenschaft des erhaltenen Brennstoffs, da die festeren Brennstoffe auch gegen den in der Praxis im Hochofen auftretenden Abrieb wesentlich beständiger sind.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von praktischen Aiasführungsbeispielen näher beschrieben.

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Beispiel 1

Ein Koks wurde zerkleinert und so gesiebt, dass er zu 100 % ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von ca. 0,63 mm passierte. Die erhaltene Fraktion hatte folgende Korngrössenverteilung:

Siebmaschengrosse in mm zurückgehaltener Anteil in %

0,59 0,3

0,297 16,8

0,149 ■ 43,7

0,074 · 72,7

Das erhaltene Material hatte einen Anteil an flüchtigen Komponenten von 6 %. Es wurde auf 161 ⁰C erwärmt und als Schicht in einer Granulierpfanne - ausgebreitet. Anschliessend wurde auf ca. 182 ⁰C erhitzter Strassenteer auf die Pfanne gegeben, und zwar in einer Menge von 29 %, bezogen auf das Gesamtgemisch. Der verwendete Strassenteer hatte folgende Eigenschaften:

Erweichungspunkt in ⁰C (Ring & Ball) 40

Kokswert nach Conradson in Gew.~% 50

in Chinolin unlöslicher Anteil in Gew.-% 9

in Benzol unlöslicher Anteil in Gew.-% 16

C/H 1,6

Zusätzlich werden die Feststoffe und der Teer kontinuierlich auf die Pfanne gegeben. Die Stoffe werden so lange miteinander vermischt, bis die entstehenden Körner Durchmesser im Bereich von ca. 1,90 bis 3,18 cm erreicht haben. Diese Formkörner werden anschliessend in einem Ofen bei 260 ⁰C gereift, wobei die Aufheizgeschwindigkeit 37,78 ⁰C pro Stunde betrug. Anschliessend werden die so ausgehärteten

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Vorprodukte im Heizkanal bei einer Temperatur von ca. 1093 ⁰C
verkohlt und aus dem Ofen ausgetragen, wenn die Temperatur

im Zentrum des Korns 960 ⁰C betrug. Das so erhaltene Pro- \

dukt wurde anschliessend in einer Kugelmühle auf seine Ab- ί

riebfestigkeit geprüft. Der Abriebindex des erhaltenen Ma- j

terials mit einer Korngrösse von grosser als 0,63 cm betrug j

96,5· Die Bruchfestigkeit betrug 363 kg und das scheinbar I

spezifische Gewicht 0,97. (

Beispiel 2 J

Holzkohle und Pechkoks mit einer Korngrösse, die zu 100 %
ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 mm pas- : sierte, werden im Verhältnis von ca. 88 % Holzkohle zu 12 % \ Pechkoks miteinander vermischt und auf 135 ⁰C erwärmt. Das > Feststoffgemisch wird auf eine Granulierpfanne gegeben, ) auf die ausserdem Steinkohlenteer mit einem Erweichungspunkt ' von 38 ⁰C hinzugefügt wird. Der Steinkohlenteer ist auf (

177 °C erwärmt. Die Menge des zugegebenen Steinkohlenteers _; beträgt ca. 33 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der i Mischung. Die erhaltenen körnig-stückigen Formkörper werden
im Heizkanal bei einer Temperatur von 788 bis 1093 ⁰C ver- ί kohlt, wobei die Aufheizgeschwindigkeit 37,78 ⁰C pro Stunde
betrug. Wenn die Stücke eine Temperatur von 1010 ⁰C erreicht < haben, werden sie abgekühlt und untersucht. Die Stücke des , Endprodukts wiesen gegenüber dem Vorprodukt einen Gewichts- { verlust von 20 % auf. Die erhaltenen Koksstücke haben eine
Bruchfestigkeit von ca. 431 kg und ein S.p.G. (effektiv) ' von 1,0. Der Tumblerhärteindex betrug 74. Demgegenüber hatten ' die Stücke des Vorprodukts vor der Verkohlung eine Bruchfestigkeit zwischen 90,8 und 182 kg. Im allgemeinen lag der
ASTM-Tumblerindex für das feste kohlenstoffhaltige Material
über 70 für das +14"-Material, d.h. für Material mit einer
Korngrösse von grosser als 0,63 cm. :

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Beispiel 3 -

Eine Kohle Illinois Nr. 6 mit hohem Schwefel- und Aschegehalt wird auf eine Korngrösser kleiner als 0,52 cm pulvrisiert und auf eine Fraktion abgesiebt, aus der die Korngrössen kleiner als 0,-1-49 mm entfernt sind. Die auf diese Weise erhaltene Körngrössenfraktion zwischen Oy.32. und 0,0149 cm wird durch Fluidisieren mit einem wasserstoffreicheii Gas verkohlt und entschwefelt, so dass eine destillierte Kohle mit einem Schwefelgehalt von weniger als 1 % erhalten wird. Die so erhaltene Kohle wird mit einem Pechkoks gemischt und auf eine Granulierpfanne aufgegeben.

In verschiedenen Chargen wurden die nachstehend zusammengestellten Binder und Anteigmittel für das kohlenstoffhaltige Material verwendet:

Typ

Petrolasphalt

Steinkohlenteerpech, hohe Fraktion

Steinkohlenpech, fliessend gemacht und aufgeschlossen

Thermisch behandeltes, in den Fliesseigenschaften verbessertes und aufgeschlossenes Steinkohlenpech

Fliessverbesserter Kohlenextrakt

in den Fliesseigenschaften verbesserter Kohleextrakt und Kohlenstoffstaub

Beschreibung (AC 2000 und FC 800)

Srweichungs-)

(Ring & Ball
punkt bei 38

(01a Teer, 20 %, Wachsöl, 9 %t und normales plastifiziertes Steinkohlenpech, 71 %)

wie vorstehend, zusätzlich 72 h bei 93 C wärmebe-handelt

30 % Mittelöl,· 8 % Karbolsäure Nr. 2, 62 % Kohleextrakt

wie vorstehend, jedoch mit 3 % Holzjkohle einer Korngrösse kleiner als 44 /um

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- te· -

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Die vorstehend aufgeführten Kohlenwasserstoffe würden erwärmt und den Feststoffen auf der Granulierpfanne zugesetzt. Die Komponenten wurden so lange miteinander vermischt, bis die sich bildenden Kornstücke die vorgegebene Grosse erreicht hatten. Diese wurden anschliessend auf einem Förderband in den Verkohlungsgenerator überführt. Die Vorproduktforralinge werden in ein kohlenstoffhaltiges Granulat eingebettet und zunächst auf 53Ö °C und anschliessend zur eigentlichen Verkohlung auf 982 ⁰C erhitzt, wobei der feste Brennstoff als Endprodukt erhalten wird.

Die auf diese Weise erhaltenen festen Brennstoffe aus dem Steinkohlenteerpech der hohen Fraktion, dem durch Wärmebehandlung in den Fliesseigenschaften verbesserten und aufgeschlossenen Steinkohlenpech und dem Gemisch des Kohleextraktes mit dem ultrafeinen Kohlenstoffstaub weisen hervorragende physikalische Eigenschaften im Hinblick auf ihre Festigkeit und Porosität auf. Der Tumblerhärtefaktor betrug mindestens 74 und die Bruchfestigkeit mindestens 422 kg.

Zum Mischen können das heisse kohlenstoffhaltige Material und der Kohlenwasserstoff auch schubweise zum Anwachsen der Kornkörper auf die gewünschte Grosse aufgegeben werden. Gleicherweise kann aber auch eine Anfangeschicht von kohlen^ stoffhaltigem Material hergestellt werden, zu der sowohl dae kohlenstoffhaltige Material als stuck der Kohlenwasserstoff kontinuierlich hinzugefügt werden. Graraailerscheibem und ähnliche formgebende Vorrichtungen können dabei kontinuierlich in einer Weise betrieben werden, dass mit den erfindungsgemäss zu verwendenden Stoffen Durchsätze bis zu 12 bis 12,5 t pro Stunde erreicht werden.

Der bevorzugte Bereich für die Abmessungen der Brennstoff-, formlinge hängt von der Körnung des mit diesem Brennstoff

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im Hochofen zu reduzierenden Erzes ab. Nierenförinige Erze können mit Brennstoffformlingen von etwa 1,9 bis 3,18 cm Durchmesser reduziert werden. Für gebrochenes Roheisenerz werden Brennstofformlinge der Grosse von etwa 1,9 bis 7,6 cm Durchmesser erforderlich sein. Als Zuschlag für die Beschickung der meisten Hochöfen für die Erzreduktion wird man in der Regel als Richtwert mit Brennst©fformlingen im Abmessungsbereich von ca. 1,6 bis ca. 7,6 cm rechnen können.

Unter den in den Hochöfen anzutreffenden hohen Temperaturen und Gasatmosphären zeichnen sich die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Brennstoffe vor allem durch ihre .Festigkeit und Formbeständigkeit aus. Weiterhin zeigt der Brennstoff bei Erwärmung auf hohe Temperaturen-(ca. 1650 ⁰C) eine Kornoberflächenoxidation. Auch wird darüber hinaus ein verfrühter Verlust an Kohlenwasserstoffen aus den Stücken während der Oxidation vermieden. Auf diese Weise verfügt der erfindungsgemäss hergestellte feste Brennstoff über alle von einem hochwertigen metallurgischen Koks geforderte!Eigenschaften.

Ebenso wie es aus der Verfahrenspraxis beim Umgang mit Koks bekannt ist, so hängt auch bei der Verwendung von Brennstoffen gemäss der Erfindung die erforderliche Mindestfestigkeit des Brennstoffes von der Art der Erzreduktion und der Grosse des benutzten Ofens ab. Dabei werden die höchsten Festigkeiten für Brennstoffe zu fordern sein, die in grossen Öfen, mit schweren B_eschickungen verwendet werden sollen. Auf der anderen Seite v/ird man beispielsweise für die Reduktion eines Phosphorerzes mit weniger festem Brennstoffmaterial auskommen, als es für die Reduktion von Eisenerzen erforderlich ist. Auch können festere und weniger festere Chargen des festen Brennstoffes miteinander vermischt werden und können weiterhin wahlweise mit anderen Koksarteii verschiedener

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Festigkeit entsprechend den spezifischen -Anforderungen ?

vermischt und für die Erzreduktion eingesetzt werden. I

ORIGINAL INSPECTED 17/0296

Claims

P a t e η; t a η s p· r ü c h e

1. Verfahren zum Herstellen eines festen Brennstoffes für die Erzreduktion,,- dadurch gekennzeichnet,, dass man feinverteilt© s festes -Kohlens toffmaterial mit ca., 1G - 6ö-Gew.-% flüssigen Kohlenwasserstoffen,;, bezogen auf das Gewicht des. Gesamtmaterials., so- vermischt,, dass homogene Partikel mit Abmessungen von ca. 0,16 mm bis- 7,6 cm erhalten werden, wobei man Kohlenwasserstoffe verwendet,. deren Siedpunkt unter Normaldruck über 12t ⁰C und deren Viseosität bei Temperaturen bis zu 399 °C bei 10 Boise oder darunter liegt,, und dass man die Partikel bis zur Formbeständigkeit aushärtet und anschließend bei 649 ΐ26ό ⁰C verkohlt.

Zm- Verfahrem nach Anspruch Ύ, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung durch Erwärmen der Partikel auf Temperaturen im Bereich von ca. 100 bis 538- ⁰C erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^, dass die Härtung der Parti.ke.1 bei Temperaturen im. Bereich von ca. 260 bis 53Ü ⁰C durchgeführt wird.,

4. Verfahren nach einem; der Ansprüche I- bis 3,.. dadurch gekennzeichnet, dass· man zum Mischen zunächst eine Schicht des kohlenstoffhaltigen Materials herstellt und zu dieser die Kohleiiuasserstoffe hinzufügt und dass man ansehliessend eine Relativbewegung zwischen den aufgegebenen stoffen erzeug t.

Verfahren nach Anspruch, 4,. dadurch- gekymni^ icliiMet,. da ^j man unter Bedingungen mlsciat:,_; wie sie heim; ArbeLiet* mit

BAD

einer Granulierpfanne auftreten. '

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man unter Bedingungen mischt, wie sie bein Arbeiten mit einer Kugelmühle auftreten.

7. Fester, nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellter Brennr. to ff, gekennte Lehnet durch eine Bruchfe s tigkei t von mindestens ca. ^K) kg gemessen an Stückgut mit Abmessungen von 1,9 cm * 3»IB cm.

8. Brennstoff nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch, eine Bruchfestigkeit von in indes tens ca. jG[5 kg.. '

9. Brennstoff nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch eine Bruchfestigkeit von mindestens 3üb kg...

1-0. Brennstoff nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Bruchfestigkeit von mindestens 408 kg.

IM. Verwendung des Brennstoffs nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zum Reduzieren von Metallerzen durch Mischen des Erzes mit dem Brennstoff und anschliessendes Erhitzen.

12". Verwendung nn.^%.h Anspruch 11,. dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Erz iStsenerz ist.

13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekeniize lehnet _r dass das Eisenerz Rohfüsenerz ist.

lh.. Ve,'tv/*-ti(lun_ i..u,h Anspruch \1\ dricluioh p;ekcraizeichno ι:,, lirifii¹. dai.» BiL;u;ii; /.: a i eren f TtrraLg i;:t.

BAD ORIGINAL

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