DE262968C

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Publication number: DE262968C
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Description

KAISERLICHES A

PATENTAMT.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Metallen unmittelbar aus Erzen mittels reduzierender Gase sowie einen zur Ausführung dieses Verfahrens dienenden

5 Ofen. Das Verfahren ist besonders zur Gewinnung von E'.sen bestimmt, kann aber auch zur Gewinnung von anderen Metallen dienen. Der Zweck der Erfindung ist, die Gewinnung der Metalle in einer einfacheren und billigeren Weise als bisher herbeizuführen.

• Das Verfahren, welches in an sich bekannter Weise in zwei Stufen ausgeführt wird, in deren ersterer das Erz bei einer unter der

: Schmelzhitze des Metalles liegenden Temperatur reduziert und nach beendeter Reduktion so hoch erhitzt wird, daß ausschließlich die schlackcnbiklcndcn Bestandteile des Erzes geschmolzen werden und beseitigt werden

■ können, besteht in . der Hauptsache darin.

daß das Erz und das Reduktionsgas bei einer Temperatur, niedriger als 900⁰ C, gehalten werden, daß als Reduktionsgas ein praktisch von Stickstoff, Sauerstoff · und Kohlensäure freies Gas verwendet wird, und daß sowohl während der Reduktion

. ■ als ..mich während der Schmelzung der Zutritt von Sauerstoff und anderen oxydierenden Stoffen verhindert wird. Sowohl die Vorwärmung als auch die Reduktion und die Schmelzung des Erzes kanu hierbei zweckmäßig in demselben Ofen durchgeführt werden, und zwar durch eine äußere Wärmequelle, beispielsweise durch in der Ofenwand vorgesehene elektrische Heizwiderstände.

Zur Herstellung des erforderlichen Gases kann man verschiedene Verfahren verwenden, die aber nicht den Gegenstand der Erfindung bilden. Ein geeignetes Verfahren besteht darin, daß kohlenhaltige, an Kohlenwasserstoffen reiche Stoffe, wie bituminöse Kohlen, Holz, Torf usw., in einem Gaserzeuger auf elektrischem Wege auf eine Temperatur, niedriger als 900⁰ C, erhitzt werden, bis die flüchtigen Kohlenwasserstoffe herausgetrieben werden, worauf diese Kohlenwasserstoffe, welche das reduzierende Gas bilden, durch Kanäle in den Reduktionsofen bzw. Öfen geleitet werden, aus welchen man das verbrauchte Gas entweichen läßt. Als Nebenprodukt erhält man hierbei Koks oder Holzkohle.

Nachdem der Reduktionsofen auf eine Temperatur, niedriger als goo° C., erhitzt worden ist,, wird er mit vorgewärmtem Reduktionsgut beschickt. Dieses Gut (z. B. Eisenerz) kann aus Erzstücken bestehen, welche so groß sein sollen, daß sie durch ein Sieb mit einzölligen Maschen hindurchgehen können, nebst einer geeigneten Menge Kalk oder andern schlacken-' bildenden Stoffen. Zweckmäßiger ist es indessen, das Erz zu zermahlen und aufzuberei-

ten und mit entsprechender Menge von ebenfalls zermahlcnen schlackcnbildcnden Stoffen zu mischen und dann daraus Briketts zu

•pressen. Diese Briketts werden zweckmäßig in einer oxydierenden Atmosphäre gesintert, worauf sie in Stücke zerkleinert werden, die so groß sind, daß sie durch ein Sieb mit zwcizölligen Maschen hindurchgehen können. Das Erz soll in beiden Fällen, bevor es in den Reduktionsofen eingeführt wird, in einer stark oxydierenden Atmosphäre vorgewärmt werden, um den Schwefel zu entfernen und das Ferrooxyd in Ferrioxyd zu überführen.

Nachdem der Reduktionsofen gefüllt und seine Temperatur, wenn es sich um Reduktion von Eisenerz handelt, auf 800 bis 900⁰ C. geregelt worden ist, wird der vorgewärmte Gaserzeuger mit Brennstoff beschickt.

Die zur Reduktion erforderliche Hitze wird,

ao wie oben erwähnt, zweckmäßig auf elektrischem Wege erzeugt, und zwar vermittels Leiter, die in den Wänden des Ofens angebracht und mit einer geeigneten Stromquelle verbunden sind. Die Erhitzung des Reduktionsofens braucht natürlich nicht notwendig mittels Elektrizität vorgenommen zu werden, vielmehr kanu sie auch durch Heizung mit Gas oder anderem Brennstoff außerhalb des Ofens oder durch Einpressen von überhitztem Gas in denselben stattfinden. Falls Elektrizität verwendet wird, wird der in beliebiger Weise erzeugte elektrische Strom, am besten unter verhältnismäßig hoher Spannung, z.B. , 500 Volt, durch Transformatoren, die so eingerichtet sind, daß. man verschiedene Sekundärspannungen erhalten kann, an die Widerstandsleiter geleitet. Diese sollen aus einem Material von so hohem Widerstand bestehen, daß sie vom Strom zur Schmelzung gebracht

.40 werden. Die von den Leitern.erzeugte Wärme kann dabei leicht durch Änderung der Sekundärspannung der Transformatoren geregelt werden. Die Wärme wird von den feuerfesten Ofenwänden aufgenommen und durch Leitung und Strahlung an den Ofen selbst und das zu erhitzende Gut übergeführt.

Nachdem die Herstellung des reduzierenden Gases begonnen hat, wird das Gas in den Reduktionsofen geleitet, und der Reduktions- prozeß beginnt. Das Gas, welches beim Ein· ,tritt in den Reduktionsofen etwa dieselbe Temperatur wie die Beschickung des Ofens hat, besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen. Das Gas ist von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlensäure praktisch frei und besitzt die größtmögliche Reduktionsfähigkeit. Mittels der beschriebenen Widerstandsleiter wird, wenn es sich um Reduktion von Eisenerz

. handelt, die Beschickung des Reduktionsofens bei einer Temperatur von 800 bis 900 ° C. gehalten, bei welcher Temperatur, die Reaktion zwischen dem Eisenoxyd und dem reduzierenden Gas am stärksten ist. Hierbei erzeugen die Leiter eine genügende Mengt· Wärme, um das Eisenoxyd mit Hilfe der Gase zu raluzicrcn und die Strahlungsverluste zu ersetzen. Da die Temperatur nicht hoch genug ist, um den etwa vorhandenen Wasserdampf und die λ Kohlensäure zu dissoziieren, kann keine Rcoxydation vorkommen, und die Reduktion erfolgt vollständig und schnell.

Das aus den Reduktionsofen entweichende Gas besteht, praktisch genommen, ausschließlich aus Kohlensäure und Wasserdampf.

Wenn die Beschickung des Rcduktionsofcns vollständig reduziert und die Gaszufuhr abgesperrt worden ist oder aufgehört hat, wird durch die Widerstandslcitcr in den Wänden des Reduktionsofens ein Strom von höherer Spannung geleitet, so daß die Temperatur in dem Reduktionsofen in den Grenzen von 1200 bis 1400⁰ C. gesteigert wird. Diese Temperatur wird während einer genügend langen Zeit beibehalten, um die schlackcnbildendcn Stoffe der Beschickung zu schmelzen. Die sich im unteren Teil des Ofens etwa ansammelnde Schlacke wird abgezapft, und das reduzierte schwammähnlichc Eisen wird heraus-, genommen und mittels Presse oder Hammer bearbeitet.

Auf den Zeichnungen ist als Beispiel eine Ausführungsform einer Ofenlage zur Ausführung dieses Verfahrens dargestellt, welche zur Reduktion von Eisenerz bestimmt ist. Fig. ι ist eine Oberansicht der Anlage bei teilweisem Schnitt; Fig. 2 und 3 sind senk- ' rechte Schnitte nach den Linien 2-2 bzw. 3-3 der Fig. 1; Fig. 4 zeigt in größerem Maßstabe einen elektrischen Widerstandsleiter zur Erhitzung des Ofens.

Bei der dargestellten Ausführungsform bezeichnen A¹ und A² zwei Gaserzeuger, von denen jeder groß genug ist, um eine genügende Menge eines an Kohlenwasserstoffen¹ reichen Brennstoffes zur Herstellung von Gas zum Reduzieren von vier Beschickungen Erz aufzunehmen. B\, B², B^s und B⁴ sind vier Reduktionsofen, welche in Reihenfolge vereinigt sind, und von denen immer drei zusammen arbeiten sollen, während der vierte geleert und no wieder gefüllt wird.

Jeder Gaserzeuger besteht aus einem zentralen Brennstoffbehälter 2, einem lösbaren, mit Wasserverschluß versehenen Deckel 3, einem lösbaren, mit AVasserverschluß versehenen Boclen 4 und Kanälen 5 und Cf, welche am ■ -oberen'Ende mit dem Behälter 2 in Verbindung stellen und unten mit anderen Kanälen 7 .\. uhd 8 verbunden sind. Die Kanäle 7 und 8 der beiden Erzeuger führen nach Ventilen 9 bzw. 10, welche durch Kanäle 11 und 12 mit dem Kanal 13 in Verbindung stehen. Dieser Kanal

erstreckt sich längs den vier Reduktionsöfen und ist mittels der vier Kanäle 14. 15, 16 und 17 mit diesen verbunden.

Jeder Reduktionsofen besteht aus einem zentralen Erzbehälter 22, einem lösbaren, mit Wasserverschluß versehenen Deckel 23, einem lösbaren, mit Wasserverschluß versehenen Boden 24, Kanälen 25 und 26, die nach dem unteren Teile der Behälter 22 führen, und' einem Kanal 27, vor vom oberen Teile der Behälter 22. ausgeht.

Jeder Kanal 14, 15, 16 und 17 steht durch ein Ventil 19 mit einem Kanal 18 in Verbindung, während der Kanal 18 seinerseits mit dem Kanal 20 verbunden ist. Das vordere Ende eines jeden Kanals 20 steht mit dem Kanal 25 an der Vorderseite des Reduktionsofens in Verbindung. Das hintere Ende eines jeden Kanals 20, mit Ausnahme des ersten in ao der Reihe, steht durch eine Ventilöffnung 21 mit einem Kanal 28 in Verbindung, der seinerseits mit dem Kanal 27 des dahinter befindlichen Reduktionsofens verbunden ist. Jeder Kanal 28 steht auch durch eine Ventilöffnung 29 mit einem Kanal 30 in Verbindung, während sämtliche Kanäle 30 durch Ventile 31 mit einem größeren Kanal 32 verbunden sind, weither sich längs den Reduktionsofen erstreckt und in den Schornstein 33 einmündet. 34 sind A^entile, welche, mit Ausnahme von dem letzten in der Reihe,- dazu dienen, in einer Lage die entsprechenden Kanäle 28 und 20 und in einer anderen Lage die Kanäle 28 und 30 zu verbinden. Das letzte Ventil 34 in der Reihe ist dazu bestimmt, den letzten Kanal 28 entweder mit dem entsprechenden Kanal 30 oder mit einem Kanal 35 zu verbinden, welcher sich nach hinten längs des Apparates erstreckt und mit demjenigen Kanal 20 in Verbindung steht, der in den ersten Reduktionsofen B¹ fuhrt.

Die Vorrichtung zur Erhitzung der Gaserzeuger, und der Reduktionsöfen besteht aus Widerstandsleitern 40, welche sich durch die feuerfesten Wände der öfen erstrecken, und Transformatoren 41, die so eingerichtet sind, daß sie verschiedene Sekundärspannungen liefern können, z. B. 20, 30 und 40 Volt. (Auf den Zeichnungen sind A'orrichtungen zum Er-

zeugen von zwei verschiedenen Sekundärspannungen dargestellt.) Kupferschienen 42 verbinden die Transformatoren mit den' Widerstandsleitern und.diese letzteren miteinander in Reihe, während Speisekabel 43 von

einer geeigneten ElektrizitätsqueHe zu" Umschaltern 44 führen und primäre Leitungen 45 . dtesc letzteren mit den entsprechenden Transformatoren verbinden. .
Die Widerstandsleiter 40 bestehen aus Me-

tall wie z. B.. Schmiedeeisen, Stahl, Gußeisen, Nickel usw. oder Legierungen, und ihre mitt

leren Teile, die in den Ofenwänden liegen, haben einen kleineren Querschnitt als die Enden, welche außerhalb der Ofenwändc hcr-.-uisragcn, um deren Verbindung mit den Schienen 42 zu ermöglichen. Durch diese Anordnung wird der Zutritt der Luft an die schmaleren Teile der Leiter verhindert, wodurch diese vor schneller Zerstörung infolge von Oxydation geschützt werden.

Die Wärme wird in den schmaleren Teilen der Leiter erzeugt, und zwar infolge des größeren Widerstandes dieses Teiles. Wenn ein genügend starker Strom durch die Leiter fließt, werden die schmaleren Teile derselben zur Schmelzung gebracht und verbleiben in diesem Zustande, ohne daß die Strombahn unterbrochen wird. Die Wärmeentwicklung pro Zeiteinheit wird durch Umschaltung des Primärstromes an den Transformatorenöl ge-' regelt, so daß diese eine niedrigere oder höhere Sekundärspannung liefern. Auf diese Weise kann man also die Temperatur in den öfen regeln. Die Enden der Widcrstandslciter können mittels Wasserrohre 46 gekühlt werden (Fig. 4).

. Der beschriebene Apparat ist dazu bestimmt, eine ununterbrochene Ausnutzung des Verfahrens und auch eine vollständige Verwertung der Reduktionsfähigkeit des Gases zu ermöglichen, ehe dieses entweicht.

Bei der Verwendung des Apparates werden die Erzeuger A¹ und A" abwechselnd zur Herstellung des reduzierenden Gases für die Reduktionsofen benutzt. Von letzteren dienen immer drei für die Reduktion, während der vierte geleert und wieder gefüllt wird.

Wenn man annimmt, daß der Generator /J¹ in einem gewissen Zeitpunkt das reduzierende Gas erzeugt, und daß dieses nacheinander durch die Reduktionsöfen B², B³ und B* geleitet wird, so ist das Ventil 9 offen, während das Ventil 10 geschlossen ist. Dasjenige . Ventil 19, welches die Gaszufuhr aus dem Kanal 15 in den Reduktionsofen B² regelt, ist offen, _los während die übrigen Ventile 19, die die Gaszufuhr aus den Kanälen 14, 16 und 17 in die öfen B¹, B³ bzw. B* regeln, geschlossen sind. Das reduzierende Gas wird somit nur in den Ofen B² direkt eingeleitet. Sämtliche Ven-uo tile 31, welche die Ableitung des Gases in den Schornstein regeln, sind geschlossen, mit Aus- '··' nähme desjenigen, das mit dem Ofen B⁴ in Verbindung steht. Diejenigen Ventile 34, welche die Gaskanäle aus den Öfen B² und B³'115 beherrschen, liegen auf ihren Sitzen 29, wodurch das Gas veranlaßt wird, nacheinander. · durch die Öfen.B², B³ und B⁴ zu gehen. Das Ventil 34, das die Ableitung des Gases aus dem Ofen B⁴ regelt, liegt gegen seinen Sitz lao 21, so daß die Abgase aus dem letztgenannten ' Ofen veranlaßt werden, durch das offene Ven-

til 31 in den Kanal 32 und von da in den Schornstein 33 zu strömen. Das Ventil 34 in dem Kanal zwischen den Öfen B¹ und B- liegt gegen seinen Sitz 21, und die entsprechenden Ventile 31 und 1.9 sind beide geschlossen, weshalb, wie oben erwähnt, das Gas von dem Ofen B¹ vollständig abgesperrt ist.

Wenn die verschiedenen Ventile sich in den beschriebenen Stellungen befinden und die öfen B", B³ und B* auf eine Temperatur von 800 bis.900⁰ C. erhitzt worden sind, so wird das Erz in dem Ofen B² vollständig reduziert, und falls die Reduktionsfähigkeit des Gases. im Ofen I?² nicht völlig ausgenutzt worden ist, so verrichtet es auch noch eine gewisse Reduklionsarbeit in den Öfen B³ und Bⁱ, und zwar besonders in dem ersteren, so daß das Gas, wenn es in den Schornstein gelangt, praktisch genommen, nur aus Kohlensäure und Wasser-

aö dampf bestellt.

■ Während die Reduktion auf diese Weise in den öfen ß², B³ und B* stattfindet, wird die Beschickung des Ofens B¹, die vorher reduziert worden ist, einer Temperatur von 1200 bis 1400⁰ C. ausgesetzt, bis sämtliche schlackenbildende Bestandteile des reduzierten Erzes darin geschmolzen sind. Die sich im unteren Teil des Reduktionsofens ansammelnde Schlacke wird durch das Loch 36 abgelassen, worauf der Deckel 23 und der Boden 24 entfernt werden und das schwammfönnigc Metall herausgenommen wird. Die Vorrichtungen zum Füllen und Leeren· der Reduktionsofen sind auf der Zeichnung nicht dargestellt.

Wenn der Ofen B¹ geleert worden ist, wird er mit neuer Erzbeschickung versehen. Nachdem das Erz im Ofen B² reduziert worden ist, öffnet man das Ventil 19, welches die Gaszufuhr aus dem Kanal 16 in den Ofen B^s regelt.

Die Verbindung zwischen Ofen B* und dem Schornstein wird abgesperrt und die Verbindung zwischen den öfen B⁴ und B¹ durch den Kanal 35 geöffnet. Die Verbindung zwischen Ofen B¹ und dem Schornstein wird ebenfalls geöffnet. Die Verbindung aus dem Kanal 15 in den Ofen B² wird abgesperrt, und schließlich wird auch die Verbindung zwischen den öfen B² und JS³ abgesperrt. Bei diesen Stellungen der verschiedenen Ventile strömt das Gas nacheinander durch die öfen B^s, B* und B¹. In der Zwischenzeit wird die Beschickung des Ofens B² derjenigen höheren Temperatur ausgesetzt, die erforderlich ist, um die Schlacke zu schmelzen, worauf sie abgezapft wird. Der Eisenschwamm'wird dann

- herausgenommen, und der Ofen B² erhält eine neue Erzbeschickung usw.

Wenn die flüchtigen Bestandteile des Brennstoffes im Gaserzeuger A¹ ausgetrieben worden sind, wird der Erzeuger A²,. der inzwischen eine neue Brennstoffbeschickung erhalten hat, mit dem Kanal 13 verbunden, während die Verbindung /.wischen Erzeuger A¹ und Kanal, 13 abgesperrt wird. Der beschriebene Gang wiederholt sich jetzt, während der im Erzeuger A¹ gebildete Koks oder die Holzbzw. Torfkohle herausgenommen wird.

Wenn das reduzierende Gas aus guten bituminösen Kohlen hergestellt wird, bestehend aus 37 Gewichtsprozent flüchtigen Be- standtcilen, 51 Prozent Kohle, 5 Prozent Feuchtigkeit und 7 Prozent Asche, so enthält das Gas etwa 42,1 Volumenprozent Wasserstoff, 41,8 Prozent Kohlenwasserstoffe, 5,5 Prozent Kohlenoxyd, 2,8 Prozent Stickstoff, Sauerstoff und Kohlensäure zusammen und etwa 7,8 Prozent Wasserdampf.

Die wichtigen Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind: 1. Herstellung eines reduzierenden Gases von größter Wirkungskraft, da es von Stickstoff (der das Gas verdünnt), und von Sauerstoff (der Reoxydation verursacht) praktisch frei ist, und Beibehaltung einer Atmosphäre in dem Reduktionsofen, die keine oxydierende Einwirkung hat, und 2. die Verwendung einer Wärmequelle, durch welche die Temperatur vollständig beherrscht und leicht geregelt werden kann.

Infolge der erläuterten Verwendung von ' elektrischer Energie zu der Erhitzung ist es möglich, im Reduktionsofen eine konstante Temperatur, niedriger als 900⁰ C, bcizubehalten, die'Temperatur dann zu steigern bis auf einen Punkt, der zum Schmelzen der Schlacke erforderlich ist und die Temperatur mit größerer Sicherheit zu regeln und zu kontrollieren, · als dies bisher möglich war. Eine Temperatur von 800 bis 900⁰ C. ist die zweckdienlichste zur Reduktion besonders von Eisenerz, sie ist aber zu niedrig, um die Kohlensäure und den Wasserdampf zu dissoziieren, welche etwa in der Beschickung vorhanden sind oder während der Gasherstellung oder der Reduktion gebildet werden können. Infolgedessen ist jede Möglichkeit zur Reoxydation des Metalles ausgeschlossen.

Da die schlackcnbildenden Stoffe der Beschickung ebenfalls in einer nicht oxydierenden Atmosphäre geschmolzen werden, so wird kein Metall (außer mechanisch beigemischtes) mit der Schlacke weggeführt, weil es im metallischen Zustande mit diesen schlackenführenden Bestandteilen keine Verbindung, nicht einmal bei hoher Temperatur, eingehen kann. Der Verlust von Metall wird dadurch wesent-Hch vermindert oder ganz und gar verhindert.

Ein besonders wichtiger Vorteil des Verfahrens besteht auch darin, daß Reoxydation durch Kohlensäure und Wasserdampf (welche eintreten würde, falls man die Temperatur im iao Reduktionsofen wesentlich über 900⁰ C. steigen ließe) und durch Luft (welche eintreten

würde, falls das Metall vor der Schmelzung der Schlacke herausgenommen werden würde) ganz und gar oder wenigstens praktisch ge nommen dadurch vermieden ist, daß die Temperatur auf einem verhältnismäßig niedrigen Punkt gehalten wird, und daß die schlackcnhildcnden Stoffe ohne Luftzutritt und in einer nicht oxydierenden Atmosphäre herausgeschmolzen werden.

Claims

Patent-An Sprüche:

i. Verfahren zur Gewinnung von Metallen, insbesondere von Eisen, unmittelbar aus Erzen mittels reduzierender Gase in zwei Stufen, in deren ersterer das Erz bei einer unter der Schmelzhitze des Metalles liegenden Temperatur reduziert und nach beendeter Reduktion so hoch erhitzt wird, daß ausschließlich . die schlackenbildenden Bestandteile des Erzes geschmolzen werden und beseitigt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß das Erz und das Reduktionsgas bei einer Temperatur niedriger als 900⁰ C. gehalten werden, daß als Reduktionsgas ein praktisch von Stickstoff, Sauerstoff und Kohlensäure freies Gas verwendet wird, und daß sowohl während der Reduktion als auch während der Schmelzung der Zutritt von Sauerstoff und anderen oxydierenden Stoffen zu dem Erz verhindert wird.
2. Ausführungsart des Verfahrens nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Vorwärmung als auch die Reduktion und die Schmelzung des Erzes in demselben Ofen durchgeführt wird, und zwar durch eine äußere Wärmequelle, beispielsweise durch in der Ofenwand vorgesehene elektrische Heizwiderstände.
3. Ofen zur Ausführung des Verfallrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wänden des Ofens gegen den Zutritt der Luft geschützte Widerstandsleiter (40) angebracht sind, die aus einem Stoff, wie z. B. Schmiedeeisen, " Stahl oder Nickel bestehen, der vom Strom zum Schmelzen gebracht werden kann, ohne daß der Stromkreis dabei unterbrochen wird.
4. Ausführungsform des Ofens nach _go Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsleiter (40) mit Transformatoren (41) leitend verbunden sind, die so eingerichtet sind, daß sie verschiedene Spannungen liefern können, so daß die Wärmeentwicklung in' dem Ofen durch Änderung der Spannung der Transformatoren geregelt werden kann.

. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.