DE2650750A1

DE2650750A1 - Verfahren zum gewinnen von eisen aus schlacke

Info

Publication number: DE2650750A1
Application number: DE19762650750
Authority: DE
Inventors: Jagdish Chandra Agarwal; Paul Robert Ammann; Jonathan Jang-Ho Kim
Original assignee: Kennecott Copper Corp
Current assignee: Kennecott Corp
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-11-05
Publication date: 1977-07-14
Also published as: AU1868876A; JPS5282618A; SE7614639L; US4001011A; CA1075469A; SE420103B; SU645597A3; AU511137B2

Description

Verfahren zum Gewinnen von Eisen aus Schlacke

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Gewinnen von Eisen aus Konverterschlacke.

Zwar ist es seit langem bekannt, daß zusammen mit Schlacke, z.B. mit Schlacke von Kupferhütten, erhebliche Mengen an Eisen verloren gehen, doch steht bis jetzt kein Verfahren zum Gewinnen von Eisen aus Schlacke dieser Art zur Verfügung, das im Vergleich zu anderen Quellen für Eisen hinreichend wirtschaftlich ist. Obwohl während der letzten Jahre der Preis des Eisens erheblich angestiegen ist und trotz der Kosten, die der Transport von Eisen zu den Kupferhütten verursacht, bei denen Eisen für verschiedene Prozesse benötigt wird, ist außerdem die Gewinnung von Eisen aus der bei der Verhüttung von Kupfer anfallenden Schlacke offensichtlich deshalb vernachlässigt worden, weil kein geeignetes Verfahren zur Verfügung steht.

Wie in der Patentanmeldung P 24 10 457.2 beschrieben, kann man hochgradig oxidierte Kupferhüttenschlacke einer Behandlung unterziehen, um daraus Kupfer und Molybdän zu gewinnen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es nach der Gewinnung dieser Metalle möglich ist, die verbleibende Schlacke erneut zu behandeln, um Eisen aus der Schlacke zu gewinnen.

709828/05S5

-β*

Es ist natürlich seit langem bekannt, daß es möglich ist, Ferrosilikate, die in Schlacke enthalten sind, unter Verwendung von Kohlenstoff zu reduzieren, um aus der Schlacke Eisen zu gewinnen. Zu den zahlreichen Literaturstellen, die diese theoretische Möglichkeit belegen, gehören die US-PS 2 523 092, die Arbeit von Edlund mit dem Titel "Smelting Copper Reverberatory Slags to Recover Iron of Low Copper and Sulfur Content", Bureau of Mines Report of Investigations 6481 (1964) sowie die US-PS 3 232 742. Jedoch wird in keiner dieser Literaturstellen eine Angabe über die Zusammensetzung der Schlacke oder ein Verfahren zum Beschleunigen der Reaktion gemacht, d.h. über Punkte, die für eine wirtschaftliche Gewinnung von Eisen aus Schlacke von ausschlaggebender Bedeutung sind*

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zum Gewinnen von Eisen aus Schlacke zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen worden, das Maßnahmen umfaßt, um die Schlacke in einen Reaktionsbehälter einzuführen, um bei der Schlacke in dem Reaktionsbehälter zwischen CaO und SiO₂ ein Verhältnis im Bereich von 2,0 bis 3,3 aufrechtzuerhalten, um die Temperatur der Schlacke in dem Reaktionsbehälter auf einem Wert zu halten, bei dem die Schlacke zum Schmelzen gebracht wird, um der geschmolzenen Schlacke in dem Reaktionsbehälter ein festes kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel in einer zur Reduktion des FeO in der Schlacke ausreichenden Menge beizufügen, um das Reduktionsmittel mit der geschmolzenen Schlacke in dem Reaktionsbehälter mit Hilfe einer von innen her gekühlten, mit Flügeln aus Metall versehenen drehbaren Rühreinrichtung zu mischen, die mit einer solchen Drehzahl angetrieben wird, daß das Reduktionsmittel in die Schlecke hineingepumpt wird, um die Reduktion FeO zu fördern, und um von der Schlacke eine eisenhaltige Phase abzutrennen.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

709828/05BB

Fig. 1 ein Fließbild zur Veranschaulichung der auf bekannte Weise erfolgenden Gewinnung von Kupfer und Molybdän und der darauf folgenden erfindungsgemäßen Gewinnung von Eisen aus Konverterschlacke; und

Fig. 2 einen vereinfachten Schnitt eines einstufigen pyrometallurgischen Reaktionsbehälters für die erfindungsgemäße Gewinnung von Eisen aus Konverterschlacke.

Der linke Teil von Fig. 1 zeigt in einem Fließbild die Gewinnung von Kupfer und Molybdän aus Konverterschlacke, wie sie in der eingangs genannten Patentanmeldung beschrieben ist. Nach der Behandlung zur Gewinnung von Kupfer und Molybdän wurde die entkupferte Schlacke (in Fig. 1 bei 10 angedeutet) bis jetzt als Abfallprodukt betrachtet, und das in der entkupferten Schlacke vorhandene Eisen ging vollständig verloren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen die entkupferte Schlacke 10 als Ausgangsmaterial für einen Schlackebehandlungsofen verwendet, der zur Gewinnung von Eisen eingerichtet ist. Die zu behandelnde entkupferte Schlacke 10 enthält unter anderem folgende Bestandteile:

40 bis 70% FeO 25 bis 40% SiO₂ 5 bis 10% Al₂O₃

Unter den üblichen Betriebsbedingungen beträgt der Al₂O₃-Gehalt der zugeführten Schlacke 5 bis 10%. Jedoch kann auch eine Schlacke verarbeitet werden, bei der der Al₃O₃-GeIIaIt 1 bis 10% beträgt.

Der Ofen kann chargenweise oder kontinuierlich betrieben werden. In jedem Fall werden dem Ofen weitere Stoffe zugeführt, und zwar ein festes Reduktionsmittel, z.B. Kohle oder Koks, sowie andere Schlackebestandteile, die erforderlich sein können, um die richtige Zusammensetzung der Schlacke aufrechtzuerhalten. Bei der bevorzugten Zusammensetzung der Schlacke, die weiter unten in der Tabelle I angegeben ist, können zu den

709828/05BS

sonstigen Stoffen, deren Beigabe erforderlich sein kann, Kalk (CaO), FeS₂ , AIoO₃ usw. gehören. Dem Behandlungsofen werden zwei Produkte entnommen, und zwar eine eisenhaltige Phase, bei der es sich gewöhnlich um ein eisenreiches Steinerzeugnis handelt, das 85 bis 90% eisen enthält und sich am Boden des Behandlungsofens absetzt, sowie um gereinigte Schlacke als Abfallprodukt.

Fig. 2 zeigt einen Reaktionsbehälter 12, der Schlacke 14 enthält, welche über einem eisenhaltigen Steinmaterial 16 schwimmt. Der Reaktionsbehälter ist so ausgebildet, daß ein kontinuierlicher Betrieb möglich ist. Die durch den Pfeil 10 bezeichnete entkupferte Schlacke wird in den Reaktionsbehälter durch eine Rinne 18 eingeleitet, und das kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel sowie die sonstigen zur Aufrechterhaltung der richtigen Schlackezusammensetzung erforderlichen Stoffe werden entsprechend dem Pfeil 22 über einen Aufgabebehälter bzw. eine Rutsche 20 zugeführt.

Da der Inhalt des Reaktionsbehälters 12 auf beliebige bekannte Weise erhitzt werden kann, ist die Heizeinrichtung in Fig. 2 der Einfachheit halter weggelassen. Der erhitzte Inhalt des Reaktionsbehälters wird mittels einer mechanischen Rühreinrichtung 24 gemischt, die gemäß der eingangs genannten Patentanmeldung vorzugsweise als von innen her gekühlte mechanische Rühreinrichtung mit Flügeln aus Metall ausgebildet ist. Neben dem Durchmischen des Behälterinhalts besteht eine wichtige Aufgabe der Rühreinrichtung 24 darin, das normalerweise leichte teilchenförmige Reduktionsmittel von der Oberfläche der Schlacke aus nach unten zu fördern, damit die Berührungsfläche zwischen dem Reduktionsmittel und der Schlacke erheblich vergrößert wird, um höhere Reaktionsgeschwindigkeiten hervorzurufen, die eine wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens zum Gewinnen von Eisen aus der Schlacke ermöglichen.

Die behandelte Schlacke wird über einen Auslaß 26 als Abfallprodukt abgezogen, während die eisenhaltige Phase über einen Auslaß 28 abgestochen wird. Der Auslaß 26 kann zu einer

709828/0555

weiteren Stufe einer mehrstufigen Reaktionsanlage zum Gewinnen von Eisen führen, denn es wird niemals eine vollständige Gewinnung des in der Schlacke vorhandenen Eisens erreicht, und es kann zweckmäßig sein, eine weitere Stufe zur Gewinnung weiterer Eisenmengen nachzuschalten.

Die Reduktion des Eisenoxids mit Hilfe des als Reduktionsmittel verwendeten Kohlenstoffs führt dazu, daß die Schlacke Gase abgibt. Der Reaktionsbehälter 12 kann mit einer beliebigen Einrichtung zum Abführen der Gase versehen sein, z.B. gemäß Fig. 2 mit einer Öffnung 30, durch welche die Welle 32 der Rühreinrichtung 24 nach außen ragt.

Bei den Schlacken von Kupferhütten handelt es sich allgemein um Fayalitschlacken (2FeCSiO₂), die geringe Prozentsätze an Al₂O₃ und CaO sowie einige wenige weitere Stoffe (MgO, K₃O usw.) enthalten. Zusätzlich enthält die Fayalitschlacke gewöhnlich einen geringen Prozentsatz Schwefel, insbesondere dann, wenn sich die Schlacke in einem niedrigen Oxidationszustand befindet.

Man kann eine Fayalitschlacke dadurch im geschmolzenen Zustand halten, daß man eine Sättigung mit Siliziumdioxid verhindert, indem man CaO und Al₃O₃ nach Bedarf zusetzt, und zwar auch dann, wenn der Gehalt an Eisenoxid auf 10% reduziert wird. Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß es bei Schlacken, bei denen das Verhältnis zwischen SiO₂ und CaO im Bereich von 2,0 bis 3,3 liegt, auf besonders wirtschaftliche Weise möglich ist, Eisen zu gewinnen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Zusammensetzung der Schlacke besteht darin, daß Al₂O₃ in einer Menge von 5 bis 10% vorhanden sein soll. Das Vorhandensein des richtigen Verhältnisses zwischen SiO₂ und CaO sowie die Einhaltung des richtigen Gehalts an Al₂O₃ ermöglichen es der Schlacke, noch bei der uncharakteristisch niedrigen Temperatur von 1400 C im geschmolzenen Zustand zu verbleiben. Unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Kriterien sind Schlackezusammensetzungen, die als besonders geeignet betrachtet werden, um die Gewinnung

709S28/0B5S

von Eisen nach dem anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren zu ermöglichen, in den nachstehenden Tabellen angegeben.

Sowohl in der Beschreibung als auch in den Ansprüchen sind alle Prozentangaben als Angaben in Gewichtsprozent zu verstehen.

709828/0555

Tabelle I

Gewählte Zusammensetzung der Abfallschlacke
Kalkbedarf und Eisengewinnung

709	Schlacke	SiO	2	Zusammensetzung GaO PeO S	8,6 0,4	Al	1° 2°3	andere	,.6	Theoretischer Kalkbedarf to/to Schlacke	Gewonnene Eisenmenge to/to Schlacke	» 7°
UJ					10,0 0,4				,9
00· ■~*	A	51,	0	25	6	,4	8	O₁	0,33	87
O cn 01 '.η	B	55,	5	17	9	,2	7	O₁	0,33	87

»15
,08

2 6 5 Q 7 5 Π AO

Wenn die Betriebstemperatur des Ofens bestimmt werden soll, muß man natürlich die Zusammensetzung des metallhaltigen Kupfersteins sowie die Zusammensetzung der Schlacke berücksichtigen. Der Schmelzpunkt des metallhaltigen Produktes wird sowohl durch den Grad der Reduktion des Eisens in der Schlacke als auch durch den Grad der Schwefelung, z.B. durch Beifügen von Pyrit, beeinflußt. Zwar sind in der Schlacke von Kupferhütten auch kleine Mengen an Sb, Bi, Äs, Pb und Nz anzutreffen, die in einem unterschiedlichen Ausmaß reduziert werden, doch ist anzunehmen, daß diese Elemente den Schmelzpunkt des metallhaltigen Erzeugnisses nur wenig beeinflussen. Die hochgerechnete Zusammensetzung des Metallerzeugnisses, das aus der Schlacke B nach der Tabelle I gewonnen wird, ist aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich:

Tabelle II Hochgerechnete Zusammensetzung des Kupfersteins

Gehalt, % Fe Cu Mo S Sonsti- _Summe

ges

87 1,6 0,8 5,7 4,9 100 Menge* 30,5 0,57 0,28 2,0 1,75 35,13

* to/100 to Schlacke bei 87% Eisenausbeute

Der Pyritbedarf wird auf etwa 0 bis 4% der behandelten Schlakke angesetzt, damit sich ein unter etwa 1400⁰C liegender Schmelzpunkt des Metallerzeugnisses ergibt.

Bei einem pyrometallurgischen System läßt sich eine gute Schlacke problemlos abschöpfen, wenn die Viskosität der Schlakke einen Wert zwischen etwa 5 und 10 Poise annimmt. Es ist anzunehmen, daß die Viskosität der Fayalitschlacke mit zunehmendem Grad der Reduktion von FeO zunimmt. Die Gefahr der Schaumbildung vergrößert sich bei abnehmendem Gehalt an FeO und CaO. Daher dürfte die in Tabelle I mit B bezeichnete Schlacke in der Nähe einer Untergrenze sowohl für FeO als auch für CaO liegen, bei der der Ofen noch betrieben werden kann.

709828/0555

In diesem Zusammenhang sei erneut die Bedeutung der Zusammensetzung der zu behandelnden Schlacke betont; im folgenden wird auf die Wirkung der zu verwendenden Zusatzstoffe näher eingegangen. Der wichtigste Parameter, der bei der Anwendung der Erfindung zu beachten ist, besteht darin, daß das Verhältnis zwischen SiO₂ und CaO im Bereich von 2,0 bis 3,3 gehalten wird, da hierin die wirtschaftlichste Möglichkeit zur Senkung der Betriebstemperatur besteht. Bei den meisten Schlacken muß man CaO zusetzen, um dieses Verhältnis aufrechtzuerhalten. Wenn die als Ausgangsmaterial verwendete Schlacke nicht eine Schwefelmenge enthält, die 5% des Gesamtgewichts entspricht, ist es zweckmäßig, Pyrit (FeS₂) beizufügen, um den Schmelzpunkt der Schlacke auf einen unter 1400⁰C liegenden Wert zu bringen. Ferner ist es wichtig, die Zugabe von Pyrit so festzulegen, daß der Wert des Verhältnisses zwischen dem Schwefel im erzeugten Eisen und dem Schwefel in der das Abfallprodukt bildenden Schlacke gleich 10 ist oder darunter liegt. Ferner ist es vorteilhaft, bei der Schlacke einen Gehalt an Al₂Oq von 5 bis 10% aufrechtzuerhalten. Allerdings enthalten die meisten Schlacken eine ausreichende Menge an Al₃O₃, so daß normalerweise kein weiteres Al₃O₃ zugesetzt zu werden braucht.

Natürlich ist es erwünscht, aus der Schlacke eine möglichst große Eisenmenge zu gewinnen. Die Anwendung der Erfindung wUrfte eine maximale Gewinnung von 88% des Eisens ermöglichen, das in der das Ausgangsmaterial bildenden Schlacke enthalten ist. Somit erhält man als Abfallprodukt eine Schlacke, die insgesamt etwa 10% Eisen enthält. Die jeweils angestrebte Gewinnung von Eisen richtet sich natürlich nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Gewöhnlich ist es möglich, 60 bis 80% der insgesamt in der Schlacke vorhandenen Eisenmenge zu gewinnen, so daß die Abfallschlacke schließlich noch 8 bis 10% Eisen enthält. Die Erfindung wird im folgenden durch weitere Beispiele veranschaulicht, auf die sich die Erfindung jedoch nicht beschränkt.

709828/0555

Beispiel I

Eine Versuchsanlage mit einem eine Rühreinrichtung aufweisenden Elektroofen der in der eingangs genannten Patentanmeldung beschriebenen Art wurde mit zehn Tonnen geschmolzener Konverterschlacke beschickt, die anfänglich 57% Eisenoxid, 28% SiO₂, 5% Al₃O₃ und 10% an sonstigen Bestandteilen enthielt. Diese Zusammensetzung der Schlacke wurde entsprechend den weiter oben gemachten Angaben durch Beifügen von Kalk (CaO) so verändert, daß das Verhältnis zwischen SiO„ und CaO im Bereich von 2,0 bis 3,3 lag. Die Schlacke wurde bei etwa 1300⁰C im geschmolzenen Zustand gehalten. Außerdem wurde der Ofen mit etwa 180 kg Koks beschickt, und zwei mechanische Rühreinrichtungen, die gemäß der eingangs genannten Patentanmeldung ausgebildet waren, wurden mit 120 bzw. 150 U/min betrieben, um den leichteren Koks in die Schlacke hineinzupumpen. Innerhalb von drei Stunden wurden 1,2 to eines Kupfersteins mit einem hohen Gehalt an metallischem Eisen erzeugt. Dies entsprach 26% des vorhandenen Eisens. Die Eisenproduktionsleistung betrug etwa 0,139 to Eisen je Stunde und je Quadratmeter Herdfläche.

Beispiel II

Nachstehend sind Stoffbilanzen für die Behandlung einer anderen Schlacke nach dem Verfahren gemäß dem Beispiel I angegeben.

a) Ausgangsschlacke c) Zuschläge

Tonnen %

SiO₂ 3,0 30 1. Gebrannter Kalk 1,6 to FeO 5,1 51 2. Pyrit 0,1 to

Al₂O₃ 0,8 8

Cu 0,05 0,5 d) Temperatur 1400⁰C S 0,15 1,5 Behandlungszeit 10 Stunden

Sonstiges 0,8 8 Spezifische Reaktionsgeschwin-

Summe 10,0 100 digkeit

12,4xlO~^ to Eisen/m^d Schlacke/h 3.5x10"° ton iron/(ft) slag hr

709828/055$

b) Produkt	mit hohem	Fe	to	%	e) Abfallschlacke	to	7,7	%	6
Eisengehalt	Cu	3,2	93		3,0		41,
	S	0,04	1		1,6	22
Sonstiges	0,17	5	SiO₂	0,8	11
Summe	0.04	_1	CaO	1,0	14	3
	3,45	100	^A12°3	0,02	o,
			FeO	Sonstiges 0.8	11	9
		S	Summe	99,

Kohleverbrauch: 1 to Koks, 85% Kohlenstoff.

Patentansprüche:

709828/0555

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Gewinnen von Eisen aus Schlacke, dadurch gekennzeichnet , daß die Schlacke in einen Reaktionsbehälter eingeleitet wird, daß bei der Schlacke in dem Reaktionsbehälter das Verhältnis zwischen CaO und SiO₃ im Bereich von 2,0 bis 3,3 gehalten wird, daß die Temperatur der Schlacke im Reaktionsbehälter auf einem Wert gehalten wird, bei dem sich die Schlacke im geschmolzenen Zustand befindet, daß der geschmolzenen Schlacke im Reaktionsbehälter ein festes kohlenstoffhaltiges Reduktionsmittel in einer Menge zugesetzt wird, die ausreicht, um in der Schlacke vorhandenes FeO zu reduzieren, daß das Reduktionsmittel im Reaktionsbehälter mit der geschmolzenen Schlacke mit Hilfe einer von innen her gekühlten drehbaren Rühreinrichtung mit Flügeln aus Metall gerührt wird, die mit einer ausreichenden Drehzahl angetrieben wird, um das Reduktionsmittel in die Schlacke hineinzupumpen und die Reduktion von FeO .zu fördern, und daß von der Schlacke eine eisenhaltige Phase getrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen CaO und SiO₃ dadurch im Bereich von 2,0 bis 3,3 gehalten wird, daß nach Bedarf der Schlacke CaO und SiO₂ zugesetzt werden, und daß die Menge des in der Schlacke vorhandenen Al₃O₃ auf 5 bis 10% gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Ausgangsmaterial verwendete Schlacke die folgende Zusammensetzung hat:

Bestandteil Gewichtsprozent

FeO 40 bis 70

SiO₂ 25 bis 40

CaO 2 bis 5

Al₃O₃ 1 bis 10

S 0,8 bis 2

709828/0555 original inspected

daß die Abfallschlacke die folgende Zusammensetzung hat:

Bestandteil Gewichtsprozent

FeO unter 20%

SiO₂ 40 bis 60

CaO 15 bis 35

Al₂O₃ 5 bis 10

und daß die Schlacke und die metallhaltige Phase bei einer

Temperati

bleiben.

Temperatur von unter 1400⁰C im geschmolzenen Zustand ver-

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pyritmenge von 0 bis 4%, bezogen auf die behandelte eisenhaltige Phase, nach Bedarf zugesetzt wird, um den Schwefelgehalt der Schlacke auf einem Wert zu halten, der mindestens 5% des in der eisenhaltigen Phase vorhandenen Eisens entspricht.

atentanwalt:

709828/0555