DE2512042A1 - Verfahren zur direkten reduktion von erzen auf einem wanderrost - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur direkten Reduktion von Erzen, insbesondere Eisenerz, zwecks Herstellung fester desoxydierter Erzeugnisse, wie z.B. vorreduzierter Granulate, Eisenschwämme, Schwammeisen usw.

Derartige desoxydierte feste Produkte wurden zunächst nach solchen Verfahren wie dem mit Wirbelschicht auf der Ofensohle oder auch in Reduktionsofen mit Vertikalschacht oder mit Drehtrommel hergestellt.

Um erheblichere Produktionskapazitäten zu ermöglichen, hat man anschließend ein Verfahren zur direkten Reduktion auf einem Endloswanderrost eingeführt, bei dem als Reduktionsmittel ein Gasstrom von reinem Wasserstoff oder aus einem Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid

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verwendet wird. Dieses letztere Verfahren wurde besonders Gegenstand der DT-OS 2 320 846 der Anmelderin. Die direkte Reduktion auf dem Ketten wanderrost durch Wasserstoff, wie sie darin beschrieben ist, erfordert jedoch zum Erzielen einer guten Kinetik der Reduktionsreaktion, daß man über einen Wasserstoffstrom verfügt, der auf eine Temperatur von etwa 900 C gebracht ist; dies bringt ziemlich zahlreiche technologische Schwierigkeiten mit sich. Dieses Verfahren führt unter anderem dazu, daß die heißeste Zone der Erzschicht im Lauf der Reduktion allgemein die untere, den Roststäben nahe Zone ist; daraus ergeben sich Probleme der mechanischen Haltbarkeit der Roststäbe bei hoher Temperatur, die deren Zusammensetzung aus besonderen und daher aufwendigen Legierungen erforderlich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Überwindung dieser Nachteile ein Verfahren zur Reduktion von Erzen auf einem Endloswanderrost, auf dem das Erz nacheinander eine oxydierende Heiz- oder Brennzone durch neutrale oder oxydierende Brenngase, eine Zone zur primären Reduktion durch ein Gasgemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, wenigstens eine Zone zur sekundären Reduktion durch einen Wasserstoffgasstrom, eine Kühlrostzone und eine Entladezone durchläuft, zu entwickeln, bei dem es nicht notwendig ist, einen auf 900 C gebrachten Wasserstoffgasstrom vorzusehen und Roststäbe aus besonderen Legierungen zu verwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wanderrost mit einer dicken Unterschicht aus klassierten, chemisch inerten Stoffen vor Aufgabe der zu reduzierenden Erzschicht belegt wird und daß man in der oxydierenden Heiz- oder Brennzone die neutralen oder oxy-

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dierenden Brenngase die Erz-Inertstoffe-Doppelschicht von oben nach unten durchströmen und so die Unterschicht aus inerten Stoffen aufheizen läßt, in der primären Reduktionszone das mit einer Temperatur von etwa 1100 C eingeführte Gasgemisch die Doppelschicht von oben nach unten durchströmt und die Unterschicht dabei w eiter aufheizt, in der sekundären Reduktionszone der mit einer Temperatur von etwa 700 C eingeführte, von den Kühlzonen kommende Wasserstoffgasstrom die Doppelschicht von unten nach oben durchströmt, die Doppelschicht in der ersten Kühlteilzone von einem kalten Wasserstoffstrom von unten nach oben und dann in der zweiten Kühlteilzone von einem anderen kalten Wasserstoffstrom von oben nach unten durchströmt wird und daß diese beiden Wasserstoffströme nach Durchströmen der Doppelschicht in geeignetem Verhältnis gemischt werden, um ein Gemisch bei etwa 700 C zu erhalten, das in die sekundäre Reduktionszone eingeführt wird.

Nach einer bevorzugten besonderen Ausführungsart der Erfindung besteht die zwischen den Roststäben und dem zu reduzierenden Erz angeordnete dicke Unterlageschicht aus im wesentlichen kugelförmigen Elementen einer praktisch der des reduzierenden Erzes gleichen Korngröße aus einem eine hohe Dichte aufweisenden und bei den Betriebstemperaturen der Anlage auf dem Rost chemisch inerten Metall.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert| darin zeigen:

Fig. 1 und 2 eine schematische Darstellung der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Anlage, insbesondere des das Erz tragenden Wanderrostes, und zwar

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Fig. 1 einen schematischen Querschnitt des Rostes und der Gaszufuhr- und -abführhauben und Fig. 2 einen Teillängsschnitt längs der Rost achse,

Fig. 3 ein Material- und Gaszirkulationsschema in den verschiedenen Behandlungszonen, und

Fig. 4 parallel zu Fig. 3 den Verlauf der in verschiedenen Tiefen der Doppelschicht im Laufe der verschiedenen Behandlungsphasen erfaßten Temperaturen.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist die Schicht 1 aus zu verarbeitenden Stoffen mit einer angenäherten Dicke von 30 cm und einer mittleren Körnung von 10 mm über einer Schicht 2 von etwa 50 cm Dicke aus Spezialstahlkügelchen mit Durchmessern der gleichen Größenordnung wie der der zu verarbeitenden Stoffe angeordnet. Die Schichten 1 und 2 werden von Roststäben 3 getragen, die sich ihrerseits auf mit den Seitenflanken 5 des Wanderrostes fest verbundenen Querstücken 4 abstützen. Bei 6 ist symbolisch die Halte- und Mitnahmevorrichtung des Endloswanderrostes dargestellt, der zwischen einer Anzahl von festen oberen Hauben 7. und unteren Hauben 8 durchläuft. Die seitliche Abdichtung zwischen den Hauben und den Seitenflanschen des Wanderrostes wird durch Dichtungen 9 gesichert, die hier nur symbolisch dargestellt sind, da sie sich aus der Technologie für den Fachmann in einfacher Weise ergeben und nicht eigentlicher Gegenstand der Erfindung sind. Aus dem gleichen Grunde sind auch in Fig. 2 die Querabdichtungsanordnungen zwischen den aufeinanderfolgenden Behandlungszonen nicht dargestellt.

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Es sollen nun die Fig. 3 und 4 näher erläutert werden, um die verschiedenen Phasen des Verfahrens und den Verlauf der Temperaturen in der Erzschicht und in der zwischen dem Erz und dem Rost angeordneten Unterlageschicht zu verfolgen. In Fig. 3 ist mit starken ausgezogenen Strichen der Weg der Gase dargestellt, wie sie sowohl die Erzschicht 1 als auch die inerte Unterschicht 3 durchströmen. Die in unterbrochenen Strichführungen (gestrichelt) dargestellten Wege der Gasströme entsprechen den Strömungen außerhalb der Schichten 1 und 2 und auch außerhalb des Wanderrostes. In Fig. 4 entspricht der ausgezogene starke Kurvenverlauf, der an der Oberseite der Schicht 1 von zu reduzierenden Stoffen erfaßten Temperatur Ts. Der schwach und ununterbrochen gezeigte Kurvenv'erlauf gibt die Änderungen der an der Grenze zwischen den Schichten 1 und 2 ermittelten Temperatur Tm wieder. Der gestrichelt dargestellte Kurvenverlauf zeigt die Änderungen der an der Unterseite der inerten Schicht 2, d.h. auf Höhe der Stäbe des Rostes erfaßten Temperatur Ti wieder.

Die Zone 10 ist eine Belade- und Trocknungszone der zu reduzierenden Stoffe. Diese Stoffe können klassierte Erze, klassierter Sinter, oxydierte und vorab indurierte Granulate oder "grüne", d. h. feuchte oxydierte Granulate sein, die direkt von den Granuliervorrichtungen kommen und in dieser Zone eine geeignete Trocknung erfahren. Diese Stoffe werden bei 19 auf die dicke inerte Schicht 2 geschüttet. Diese Schicht bleibt dauernd auf dem Rost, wenn dieser vom horizontalen kreisförmigen Typ ist; falls es sich um eine geradeaus verlaufende Rostkette mit einem umgekehrten Rücklauftrum handelte, würde die inerte Schicht 2 selbstverständlich laufend am Kopf des aktiven Teils des Rostes erneuert. Die Trocknung in dieser Zone wird in völlig bekannter Weise durch Zir-

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kulation von Rauchgasen oder Heißluft vorgenommen, und daher ist der Umlauf dieser Gase für diesen Teil nicht dargestellt.

Die Zone 11 ist eine Hdz- oder Brennzone, in der neutrale oder oxydierende Rauchgase die Schichten 1 und 2 von oben nach unten durchströmen- Diese heißen Gase werden in ganz üblicher Weise in einer Vorrichtung 20, z. B. durch Verbrennen von Gas, erzeugt, wobei eine völlige oder teilweise Wiedergewinnung der fühlbaren oder latenten Wärme der aus den folgenden Reduktionszonen kommenden Gase möglich ist. Diese Rauchgase bringen beim Durchströmen der Schicht allmählich die Gesamtheit der Schicht von zu reduzierenden Stoffen auf eine Temperatur von etwa 1100 C und erhitzen zur gleichen Zeit die darunter befindliche inerte Schicht 2, bevor sie abgeführt oder eventuell wieder erfaßt werden. Am Ausgang dieser Zone 11 haben die Temperaturen Ts und Tm also etwa 1100 C erreicht, während der untere Teil der inerten Schicht und die Stäbe des Rostes nur auf einer Temperatur Ti von 300 bis 400 C sind.

Die Zone 12 ist eine Zone zur primären Reduktion oder Vorreduktion, in der man ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff verwendet, das in der Vorrichtung 21, z. B. durch unvollständiges Verbrennen von Erdgas mit heißer Luft, mit einem Oxydationsgrad von 0,15 bis 0,30 erzeugt ist und mit einem spezifischen Durchsatz in der Größenord-

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nung von 3000 Nm /t behandeltes Eisen je Stunde eingesetzt wird. Diese Gase auf etwa 1100 C durchströmen die Schichten 1 und 2 von oben nach unten. In dieser Zone erfolgt die Vorreduktion bei praktisch konstanter Temperatur, d.h. daß Ts und Tm ziemlich genau bei 1100 C bleiben, während die inerte Schicht 2 weiter aufgeheizt wird, bis sie am Ende der Zone 12 eine Temperatur von 700 C erreicht, die als

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die maximal zulässige Temperatur für die üblichen und wirtschaftlich herstellbaren Roststäbe anzusehen ist- Die Durchlaufdauer der Stoffe in dieser Zone 12 ist etwa 15 Minuten. Es sei festgestellt, daß die Vorrichtung 21 zur Erzeugung des Gasgemisches in üblicher Weise die fühlbare und latente Wärme der Gase wiedergewinnen kann, de aus den weiteren, späteren Reduktionszonen austreten.

Die Zone 13 ist die Hauptreduktionszone, in der man einen Wasserstoffstrom mit sehr geringem Oxydationsgrad und einem spezifischen Durchsatz gleicher Größenordnung wie dem in der primären Reduktionszone verwendet. Der Wasserstoffgasstrom kommt in der Zone 13 mit etwa 700 C von der stromab liegenden Kühlzone her an. Der Wasserstoffstrom durchströmt die Schichten 2 und 1 von unten nach oben. Unter diesen Bedingungen bleibt die Temperatur Ti nahe den Roststäben gleich 700 C, doch erhitzt sich der Wasserstoff allmählich beim Durchströmen der Schicht 2, und die Reduktion des Erzes erfolgt bei einer Temperatur zwischen 850 und 1100 C, was einer ausgezeichneten Reaktionskinetik entspricht. Die Durchlaufdauer der Stoffe in dieser Hauptreduktionszone liegt in der Größenordnung von 30 bis 40 Minuten.

Die von dieser zweiten Reduktion stammenden und hauptsächlich aus Wasserstoff und Wasserdampf zusammengesetzten Gase werden in eine an sich bekannte Behandlungseinheit 22 geleitet, in der man ihre fühlbare Wärme wiedergewinnt, um sie z. B. in der Vorrichtung 21 oder einer anderen Anlage 23 nutzbar zu machen, während der abgekühlte und getrocknete Wasserstoff die Einheit bei 24 verläßt, um wiederverwendet zu werden.

Die Kühlzone nach der Reduktion weist in Wirklichkeit zwei Teilzonen

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auf· In jeder der beiden Teilzonen verwendet man als Kühlgas kalten Wasserstoff, der von der Behandlungseinheit 22 stammt und mit neuem Wasserstoff, der von 25 kommt, gemischt wird.

In der ersten Kühlteilzone 14 der Kühlzone wird der kalte Wasserstoff unter den Rost geleitet und durchströmt die Schichten 2 und 1 von unten nach oben, womit ermöglicht wird, daß die Temperatur der Roststäbe nicht erhöht oder sogar diese Temperatur und jene der Unterlageschicht 2 schneller als die der Erzschicht 1 gesenkt werden.

In der zweiten Kühlteilzone 15 wird der kalte Wasserstoff oberhalb der Schicht 1 zugeführt und durchströmt beide Schichtei von oben nach unten, um die Abkühlung des Erzes zu beschleunigen; die untere Temperatur der Schicht 2 neigt dann zu einem leichten Anstieg, jedoch ohne Gefahr, die Grenze von 700 C zu überschreiten. Die Regulierung der Temperatur wird durch Aufteilung des Durchsatzes zwischen den beiden Kühlströmen und eventuell durch Vorheizung des ersten Stromes unter Ausnutzung der in der Anlage 23 wiedergewonnenen Wärme vorgenommen. Man kann ebenso durch Aufteilung des Durchsatzes die Temperatur des Gemisches der beiden Ausgangsströme, das den unter den Rost in der vorhergehenden Zone 13 geleiteten Hauptreduktionsstrom bildet, auf etwa 700 C regulieren.

Die Zone 16 ist eine völlig übliche Endkühlteilzone, in der man ein neutrales, in geschlossenem Kreis über einen Wärmeaustauscher 26 zirkulierendes Gas verwendet. Durch Einstellen der Zusammensetzung dieses Gases kann man ggf. die Passivierung der Eisenschwämme sicherstellen, d.h. sie weniger anfällig gegenüber einer möglichen späteren Reoxydation machen.

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Schließlich sind die Zonen 17 und 18 eine Zone zum Abführen der reduzierten Stoffe, z. B- mit magnetischen Einrichtungen, bzw. eine Zone zur eventuellen Reinigung der dicken inerten Schicht; im Fall eines kreisförmig umlaufenden Rostes entspricht das Ende der Zone 18 dem Anfang der Zone 10.

Man bemerkt, daß das vorstehend beschriebene Verfahren Phasen umfaßt, in denen man einen Teil der fühlbaren Wärme der Behandlungsgase unter Aufheizen der inerten Schicht 2 speichert. Diese fühlbare Wärme wird anschließend in der Hauptreduktionsphase so gut wieder entnommen, daß die Aufheizung des Reduktionswasserstoffes auf etwa 1100 C hier an Ort und Stelle und direkt vor der eigentlichen Reduktion erfolgt. Das Verfahren erfordert schließlich nur kalten Wasserstoff, der allmählich auf die Temperatur von 1100 C, die die beste Reduktionskinetik sichert, in zwei Stufen gebracht wird, nämlich einerseits durch Verwendung des Wasserstoffs zum Abkühlen der reduzierten Stoffe , was ihn auf etwa 700 C bringt, und andererseits durch die zweite Temperaturerhöhung beim Durchströmen der Schicht 2 von unten nach oben vor Erreichen der Schicht 1, wo die gewünschte Reduktion erfolgt.

Man stellt weiter fest, daß das Abwechseln der Strömungsrichtungen der Gase durch die Doppelschicht eine Begrenzung der Temperatur des unteren Teils der Unterlageschicht 2 und der Temperatur der Roststäbe auf etwa 700 C ermöglicht; diese könne wirtschaftlich verfügbarem Material bestehen.

stäbe auf etwa 700 C ermöglicht; diese können daher aus üblichem,

Außerdem sei festgestellt, daß aufgrund der sehr hohen Temperaturen, bei denen die Reduktion leicht ablaufen kann, die reduzierten Stoffe nur sehr wenig einer Luftentzündlichkeit und Reoxydation ausgesetzt sind.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Reduktion von Erzen auf einem Endloswanderrost, auf dem das Erz nacheinander eine oxydierende Heiz- oder Brennzone durch neutrale oder oxydierende Brenngase, eine Zone zur primären Reduktion durch ein Gasgemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, wenigstens eine Zone zur sekundären Reduktion durch einen Wasserstoffgasstrom, eine Kühlrostzone und eine Entladezone durchläuft, dadurch gekennzeichnet , daß der Wanderrost (3) mit einer dicken Unterschicht (2) aus klassierten, chemisch inerten Stoffen vor Aufgabe der zu reduzierenden Erzschicht (l) belegt wird und daß man in der oxydierenden Heiz- oder Brennzone (ll) die neutralen oder oxydierenden Brenngase die Erz-Inertstoffe-Doppelschicht (l, 2) von oben nach unten durchströmen und so die Unterschicht (2) aus inerten Stoffen aufheizen läßt, in der primären Reduktionszone (12) das mit einer Temperatur von etwa 1100 C eingeführte Gasgemisch die Doppelschicht (l, 2) von oben nach unten durchströmt und die Unterschicht (2) dabei weiter aufheizt, in der sekundären Reduktionszone (13) der mit einer Temperatur von etwa 700 C eingeführte, von den Kühlteilzonen (14, 15) kommende Wasserstoffgasstrom die Doppelschicht (l, 2) von unten nach oben durchströmt, die Doppelschicht (1, 2) in der ersten Kühlteilzone (14) von einem kalten Wasserstoff strom von unten nach oben und dann in der zweiten Kühlteilzone (15) von einem anderen kalten Wasser stoff strom von oben nach unten durchströmt wird und daß diese beiden Wasserstoffströme nach Durchströmen der Doppelschicht (l, 2) in geeignetem Verhältnis gemischt werden, um ein Gemisch bei etwa 700 C zu erhalten, das in die sekundäre Reduktions zone (13) eingeführt wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die beiden Kühlteilzonen (14, 15) noch eine dritte Kühlteilzone (16) anschließt, in der die Doppelschicht (1, 2) von einem neutralen, passivierenden Gasstrom von oben nach unten durchströmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht (2) aus im wesentlichen kugelförmigen Elementen einer praktisch der des zu reduzierenden Erzes der Schicht (l) gleichen Korngröße aus einem eine hohe Dichte aufweisenden und bei den Betriebstemperaturen der Anlage chemisch inerten Metall besteht.

4. Verfahren-nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Unterschicht (2) unmagnetisch oder sehr schwach magnetisch sind.

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