DE294160C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren zur Verhüttung von Erzen und bezweckt, den Verhüttungsprozeß in ^λ einem einzigen Arbeitsgange bis zur Gewinnung eines direkt, brauchbaren Metalls durchzuführen.

Das Verfahren bestellt im wesentlichen darin, daß man die Erze in einem niedrigen Stapel mit einer Mischung des Vielfachen

ίο ihres Volumens an kohlenstoffhaltigen Stoffen in einer Reduzierkammer unter Verwendung von solchen .Luftmengen behandelt, daß sich direkt das Metall in flüssiger und tropfenbildender Form bildet.

Man hat bereits vorgeschlagen, Erze, beispielsweise Eisenerze, unter Verwendung von reduzierenden Gasen direkt auf Metall zu verarbeiten, wobei man als Endprodukt lediglich ein schwammiges Eisen erhielt, welches noch

ao eine weitere, besonders schwierigeBearbeitung zu brauchbarem Metall benötigte. Nach vorliegender Erfindung erhält man infolge der Verwendung von überschüssigem, kohlenstoffhaltigem Material unter entsprechender Regelung der'Luft als Abgang der Reduktionskammer reduzierende Gase einerseits und unverbrauchte, mit dem Metall, eventuell auch noch mit der Gangart vermischte feste Bestandteile, die ständig von dem unteren Ende des Ofens weggenommen werden. Die aus der Reduktionskammer entweichenden Reduktionsgase werden abgeleitet und in geeigneter Weise unter Zuführung von Frischluft verbrannt und zur Vorwärmung der mit dem Brennmaterial vermischten Erze unter Vermeidung einer Oxydation benutzt. Zur Erhöhung der Menge an reduzierenden Gasen werden in die Reduzierkammer Kohlenwasserstoffgase entwickelnde Brennstoffe, wie bituminöse Kohle oder Holz, eingeführt, die in der Reduzierkammer verkoken bzw. sich in Holzkohle verwandeln. Der der Vorwärmung des Erzes und des Brennstoffes dienenden Kammer werden nur bereits destillierte Brennstoffe, also vornehmlich Koks oder Holzkohle, und in erster Linie natürlich die aus der Reduktionskammer mit den Erzen abgezogenen Kohlenmassen zugeführt.

Das neue Verfahren kann für alle Metalloxyde und Karbonate, insbesondere Eisen, Kupfer, Silber, Mangan, Blei, Zinkoxyde oder deren Karbonate, verwendet werden. Die Ausnutzung des Brennstoffes ist nach vorliegendem Verfahren eine bisher noch nicht erreichte. Das Verfahren kann direkt in der Nähe der Bergwerke durchgeführt werden; es benötigt keine Flußmittel, in den meisten Fällen genügt der natürliche Zug zum Zuführen der notwendigen Luftmenge. Bei der Herstellung von Schmiedeisen stellen sich die Herstellungskosten annähernd auf die Hälfte der bei den früheren Herstellungsweisen notwendigen Kosten. Wesentlich ist, daß die Reduzierung der Metalloxyde, wie beispielsweise Eisen, nicht wie bisher bei 770 bis 850⁰ C stattfindet, sondern daß man eine Temperatur von 1900⁰ und darüber an der heißesten Stelle erzeugt und allmählich bis etwa auf 1100⁰ heruntergeht.

Das neue Verfahren wird am besten durch

die beiliegenden Zeichnungen erklärt. Dieselben zeigen einen zur Ausführung des Verfahrens geeigneten Ofen.

Auf den beiliegenden Zeichnungen zeigt Fig. ι eine Seitenansicht eines Reduzierofens zur Ausführung des Verfahrens, und Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der Reduzierkammer und der anliegenden Teile.

Bei der dargestellten Vorrichtung bezeichnet A. die Reduzierkammer des Ofens, B eine Vorheizungsvorrichtung, welche im wesentlichen aus einer sich langsam drehenden geneigten Röhre besteht. C ist ein Schornstein, welcher mit dem oberen Ende der Röhre B verbunden ist.

Das Erz und das feste Brennmaterial werden in die Vorwärmeröhre durch einen Trichter ι eingeführt, welcher mit derselben durch eine geneigte Röhre 2 verbunden ist, welche

ao durch die Wand des Schornsteins C tritt. Die Röhre B muß mit einem schwer schmelzbaren Futter ausgekleidet sein. Bei einem Ofen, der ungefähr 100 Tonnen täglich verarbeitet, hat die Reduzierkammer etwa 6 m Durchmesser, während der Vorwärmer gewöhnlich einen Durchmesser von etwa 2,4 m und eine Länge von 36,6 m hat. Der Durchmesser des Schornsteins kann 2,4 m sein. Die Röhre B wird, wie üblich, von Rollen 3 getragen und durch eine Vorrichtung, welche nicht gezeichnet ist, gedreht. Das vorgewärmte Erz und der Brennstoff werden von dem Ende der Röhre B in an sich bekannter Weise durch einen Krümmer 4 in das obere Ende der Reduzierkammer oder Ofens A entladen. Die Kammer A hat meistens eine runde Form und besteht aus dem 'unteren Teil 5, welcher eine stumpf trichterförmige Innenfläche ζ^α hat. Derselbe wird überragt von einem Dom oder einer halbkugelförmigen Wand 6, welche an ihrem oberen Ende eine verengte Öffnung 6^a aufweist, durch welche das Erz und das Brennmaterial aus dem Krümmer 4 eintritt; j edoch darf der untere Teil der Kammer A an seiner inneren Seite nicht so eng ausgebildet sein, daß sich Verstopfungen einstellen können. Durch die Wände des Unterteiles 5 reichen Röhren 7, welche mit. Luftregelungsvorrichtungen y^a versehen sind. Durch den Krümmer 4 und den oberen Teil 8 der Reduzierkammer herabreichend ist eine Mittelröhre 9 angebracht, dereit unteres Ende sich etwas oberhalb der Ebene der Seitenröhren befindet. Die innere Seite der Röhre 9 ist durch schwer schmelzbares Material g^a geschützt und enthält einen Wasserkühler 9^δ. Das obere Ende der Röhre 9 ist mit einer Luftregelungseinrichtung g^c versehen: Der obere Teil der Kammer A kann mit einem Wasserkühler 10 versehen werden.

Wenn man es für zweckmäßig hält, kann man an der oberen Wand 6 der Kammer A Schüröffnungen mit Stöpsel 11 anbringen. Durch den Krümmer 4 reicht eine Röhre 12, welche mit einem Luftregelungsventil I2^(t versehen ist, und welche zur Einführung von Luft in den unteren Teil des Vorwärmers B dient. Die Röhren 7 und 9 müssen von. weiter Form sein, um genügend Luft zur Erzielung einer großen Hitze an den inneren Enden der Röhren zuzulassen. Bei dem Verhütten von Eisenerzen ist es zweckmäßig, die Temperatur in der Nachbarschaft der inneren Enden genannter Röhren bei ungefähr 1927⁰ C zu halten, wobei Kohlendioxyd an diesen Stellen erzeugt wird. Wenn die Gase aufwärts steigen, so verwandein sie sich in reduzierende Gase, und die Temperatur nimmt allmählich ab. Die Röhre 12 muß einen weiten Querschnitt haben, urn. genug Luft zum Verbrennen der brennbaren Gase, welche in die Vorheizröhre eintreten, einzulassen und um auf diese Weise die vollständige Verbrennung der Gase zu ermöglichen und Verlusten vorzubeugen. Es ist zweckmäßig, eine neutrale Flamme in der Vorwärmeröhre zu haben, d.h. eine solche, welche weder oxydierend noch reduzierend wirkt. Natürlich muß Luft in noch genügender Menge zugeführt werden, um eine vollständige Verbrennung der Gase zu erreichen, aber sie darf nicht das Brennmaterial in dem Vorwärmer angreifen und hauptsächlich keine Reduzierung der Erze in dem Vorwärmer bewirken, um einer Zerstörung des Vorwärmzylinders vorzubeugen. Die Temperatur in dem unteren Teil der Röhre B wird im wesentliehen, z. B. bei der Reduzierung von Eisenoxyd, auf ungefähr 1093⁰ C gehalten. Die Temperatur nimmt allmählich bis zu dem oberen Ende der Röhre B ab, und an dem oberen Ende der Röhre darf die Temperatur nicht über 260⁰ C hinausgehen.

Gewöhnlich befindet sich die Kammer A oberhalb eines Gestelles 13, welches von zylindrischer Form sein kann und dazu dient, die hocherhitzte Mischung von Erz und Brennmasse, welche die Beschickung absetzt, aufzunehmen. In diesem Gestell setzt sich die Reduzierung fort. Die Temperatur nimmt gegen das untere Ende dieses Gestelles ab. Zum Abziehen des verhütteten Erzes mit Koks oder Holzkohlegemisch vom unteren Ende des Gestelles 13 ist eine entsprechende Vorrichtung allgebracht. In der Zeichnung ist ein hydraulischer Rammblock oder Schieber mit den Einschnitten 14* ,und 14^s verwendet, um das Material nach den Abfüllgruben 15 oder, wenn gewünscht, auf den Boden zu entladen. Die Grube kann Wasser enthalten, oder aber man kann Wasser auf das abgezogene Material durch einen Schlauch spritzen, um, wenn gewünscht, das Brennmaterial abzulöschen und hierauf dasselbe von dem Erz zu trennen, wor-

auf man es wieder in den Vorwärmer mit einer entsprechend kleineren Menge Erz bringen kann. Bei dem dargestellten Ofen hat die-Reduzierkammer bei oder in der Nähe ihres mittleren horizontalen Teiles einen Durchmesser von 6 m, während die Höhe der oben genannten Kammer in ihrem mittleren Teil ungefähr 3 m beträgt. Unterhalb des mittleren Teiles neigt sich die Innenkante der Kammer nach unten einwärts, wie aus der . Zeichnung ersichtlich. In der Regel wird eine größere Anzahl von Röhren 7 angewendet.

Acht solcher R-öhren, von welchen jede einen Durchmesser von 58 cm hat, sind genügend, um dem unteren Teil der Reduzierkammer Luft zuzuführen. Die mittlere vertikale Röhre 9 kann einen Durchmesser von 60 cm oder mehr haben.

Bei der Anwendung des neuen Verfahrens in dem beschriebenen Ofen wird das Erz, wenn es hart ist, gewöhnlich im zerstoßenen Zustand angewendet, etwa von einer Größe von 25 mm oder weniger Durchmesser mit einer Beigabe von Koks (oder Holzkohle), welche durch den Trichter 1 in das obere Ende des Vorwärmers B eingeführt werden. Wenn sich der Vorwärmer langsam herumdreht, so bewegen sich die Stoffe durch ihre Schwere nach dem unteren Ende desselben und entleeren sich in die Reduzierkammer A. Auf diese Weise werden die Stoffe praktisch ohne Un-. terbrechung in die Reduzierkammer entladen, so daß die Kammer durch die Mischung von Brennstoff und Erz voll oder wenigstens praktisch voll wird. In Fig. 2 ist der oben stumpf abgeschnittene Kegel der Beschickung in dem Ofen durch unterbrochene Linien 16 eingezeichnet.

Es ist vorteilhaft, in den Ofen destillierten, festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoff (Koks oder Holzkohle), welcher ein Vielfaches des Umfanges oder des Volumens des Erzes aufweist, einzubringen, und zwar soll derselbe ungefähr das doppelte oder mehr als das doppelte Gewicht des Erzes haben. Dies ist hauptsächlich bei der Verarbeitung hochgradiger Erze vorteilhaft. Es ist auch wünschenswert, unmittelbar in die Kammer A, z. B. durch die Einlaßvorrichtung 17, eine verhältnismäßig kleine Menge frischen, festen Brennstoffes, von welchem Kohlenwasserstoffe abdestillieren können, einzuführen, z. B. bituminöse Kohle oder Holz.

Z. B. kann man bei der Verarbeitung eines hochgradigen Eisenerzes Rohstoffe in folgenden Verhältnissen verwenden: Auf 400 kg Koks 100 kg bituminöse Kohle und 250 kg Erz, wobei der Brennstoff ungefähr das doppelte Gewicht des Erzes und ungefähr fünfmal so großes Volumen als dasselbe hat. Wenn Holz und Holzkohle an Stelle von Koks und Kohle verwendet wird, ist die Ungleichheit in dem Volumen bedeutend größer. In jedem Fall ist es vorzuziehen, den Brennstoff in verhältnismäßig großen Klumpen oder Blöcken zu verwenden, jedoch ist dies nicht unerläßlich. Klafter- oder Tafelholze von 40 cm Länge sind zur Verwendung geeignet; der Koks oder die Holzkohle wird immer wieder verwendet, die Stücke werden hierbei kleiner, und sie werden dauernd durch frischgeformten Koks oder Holzkohle ersetzt, wenn das Verfahren seinen normalen Gang erreicht hat.

Beim Durchgang durch den Vorwärmer wird das Erz und der Brennstoff stark vorgewärmt und bewirkt auf diese Weise einen schnellen Durchgang des Sauerstoffes in der Reduzierkammer, wodurch die Temperatur auf einer genügenden Höhe gehalten wird. Auf diese Weise werden die Metalle reduziert, und die Metallteilchen werden flüssig und ballen sich zu Tropfen oder zu Massen von tropfenartigen Klumpen zusammen, wobei die Erzgruppen oder Büschel in der Tat voneinander getrennt sind und von Stücken, Klumpen oder Blöcken fester kohlehaltiger Brennstoffe eingeschlossen werden. Auf diese Weise wird kein reinigendes Bad gebildet, und vor allem wird ein allgemeines Untereinanderfließen der erdigen Materialien oder der Gangart des Erzes vermieden. Wenn das Metall sich in das Gestell nach abwärts bewegt, so setzt sich die Reduzierwirkung auf die Metalloxyde fort, wenn es sich aber dem unteren Ende des Gestelles nähert, so wird die Temperatur allmählich niedriger. Wenn das Erz und der Brennstoff durch die Reduzierkammer hindurchtritt, hängen tausende von kleinen Metallteilchen oder Tröpfchen an dem Koks oder der Holzkohle, und wenn der Koks oder die Holzkohle nochmals durch den Ofen hindurchgelassen wird, so schmelzen diese Teilchen und wachsen zusammen, indem sie Tropfen oder tropfenartige Massen oder Massen von Tropfen und Tröpfchen bilden, und auf diese Weise bringen sie das Metall in solche greifbare Form oder Gestalt, daß man es durch irgendeine bekannte Arbeitsweise trennen oder sammeln kann. Die Gestalt der Metallteilchen kann sehr verschieden sein, aber wenn sie entweder sehr kleinen oder selbst einen Umfang von 2 cm oder noch größer besitzen, so ist" eine Rückoxydierung ausgeschlossen. Es kann besonders bei reichem Eisen oder Manganerz vorkommen, daß sich getrennte Sümpfe von Metall bilden, und daß dieselben bei dem Herabgleiten des Materials unter die heißeste Zone erstarren. Es kann auch vorkommen, daß, wenn die Gangart natürliche Flußmittel enthält, sich kleine, abgetrennte, geschmolzene Teile oder Sümpfe von Gangart bilden, welche eine zusammen-

hängende Masse bilden, wenn sich die Charge langsam nach unten bewegt. Auf jeden Fall müssen die kohlehaltigen Materialien, welche den Zwischenraum zwischen den Erzen aufrechterhalten, in einem solchen Überfluß vorhanden sein, und der Luftzug muß so geregelt werden, daß ein Bad oder ein allgemeines Untereinanderfließen der Charge vermieden wird. Es ist zu beachten, daß die Vorwärmeröhre

ίο und der Schornstein verhältnismäßig weiten Durchmesser haben," so daß die Gase frei hindurchtreten können, während die Reduzierkammer A. eine verhältnismäßig geringe Höhe und einen weiten horizontalen Durchmesser oder Inhalt hat. Hieraus folgt, daß es durchaus praktisch ist, den Verhüttungsprozeß bei natürlichem Zug vorzunehmen. Auf diese. Weise vermeidet man die hohen Ausgaben, welche sich bei Gebläseöfen einstellen, wie sie heute allgemein zur Erzeugung von Eisen in Anwendung sind. Bei einem Ofen von geringem Fassungsvermögen kann die Höhe der Beschickung, durch welche die Luft hindurchgezogen wird, größer sein als der Durchmesser der Kammer, aber verglichen mit einem Gebläseofen ist die Höhe ganz besonders gering.

Obwohl die Anwendung von Gebläseluft unnötig ist, so muß bemerkt werden, daß man, wenn gewünscht, ein Gebläse in Verbindung mit dem beschriebenen Ofen verwenden kann, wobei dann die Röhren entsprechend enger gewählt werden; und solch ein Gebläse kann mit verhältnismäßig geringen Kosten betrieben werden, weil nur ein geringer Druck angewendet werden muß. Da außerdem ein sehr hoher Prozentsatz der Wärmeeinheiten bei diesem Prozeß ausgenutzt wird und die Kohlenwasserstoffe, welche aus dem frischen Brennstoff, der unmittelbar in die Reduzierkammer eingeführt wird, entstehen, zu Reduzierz\vecken verwendet werden, und ein Schmelzen der ganzen Masse. vermieden wird, so wird, wie leicht einzusehen, bei dem Verfahren nach der Erfindung weniger Luft verbraucht als wie bei der Verwendung des Gebläseofens. Der beschriebene Ofen läßt für das unvermeidliche Anschwellen des Materials in dem oberen Teil der Reduzierkammer einen weiten Raum, und die Reduzierkammer hat auch eine solche Form, daß die Materialien und besonders das Eisen weit von der Berührung mit der Ausfütterung des oberen Teiles derselben entfernt bleiben, so daß die Wände der Kammer nicht zerstört werden. Bei der Anwendung des neuen Verfahrens kann man ein praktisch reines Eisen erzeugen, welches, wie allgemein bekannt, ungefähr den doppelten Marktwert von Roheisen hat. Bei Erzen, welche ein natürliches Flußmittel, wie z. B. eine Mischung von Kalk oder Magnesium oder beides mit dem hitzebeständigeren Silikat enthalten, werden die schlackenbildenden Bestandteile bei einer niederen Temperatur geschmolzen werden als in dem Fall, wenn SiIikat oder Kalk allein vorhanden ist. Auf jeden Fall muß das Verfahren so geleitet werden, daß das allgemeine Schmelzen der erdigen Bestandteile oder der Gangart vermieden wird ebenso wie das Entstehen eines Bades; dies ist sehr wichtig, um die Verunreinigung der Metalle zu verhindern, welche eintritt, wenn alle Metalle zusammenfließen, wie dies bei dem Blaseverfahren der Fall ist.

Bei der Verarbeitung von Eisenerz ist es nach dem neuen Verfahren durchaus möglich, verhältnismäßig große Mengen von zusammengewachsenen oder zusammengeballten Kugeln oder Tropfen von Eisen zu erhalten, ohne jedoch ein Bad oder ein allgemeines Zusammenfließen der Gangart zu erzeugen, wobei das Metall eine große Reinheit aufweist und in fester Form von dem Ofen abgestochen, werden kann.

Mangan kann in verhältnismäßig großen kugelartigen Massen ebenso wie in kleineren, aber noch durchaus greifbaren Tröpfchen durch dieselbe Behandlung, wie sie für Eisenerz beschrieben worden ist, erhalten werden. Kupfer kann auf dieselbe Art gewonnen werden, und einige Metalle, wie Kupfer und Eisen, können durch ein und denselben Arbeitsgang hergestellt werden. Bei der Behandlung von Kupfererz allein wird etwas weniger Heizmaterial benötigt, und Kupfer kann bei einer etwas niederen Temperatur hergestellt werden, als das bei Eisen der Fall ist.

In Anbetracht der Tatsache, daß Zink und Blei sich bei einer Temperatür von annähernd 1200⁰ C verflüchtigen, müssen dieselben entweder getrennt von hochflüssigen Metallen, wie Eisen, Kupfer, Mangan und Silber, behandelt werden, oder es müssen gewisse besondere Vorsichtsmaßregeln getroffen werden, um die Dämpfe aufzufangen und zu kondensieren. Bei der Behandlung von Blei- oder Zinkerz oder von beiden zusammen nach dem neuen Verfahren muß man große Vorsicht üben, wenn diese Elemente in metallischer Form erhalten werden sollen, und außerdem muß man vermeiden, daß dieselben mit der Luft in Berührung kommen, wenn sie in der Nähe ihrer Verdampfungstemperatur angelangt sind. Sie müssen hierfür sorgfältig behandelt und besonders in der Reduzierzone gekühlt werden.

Es ist ersichtlich, daß der neue Prozeß-in solchen Gegenden von großem Vorteil ist, in welchen große Lager hochgradiger Eisenerze gefunden werden und große Lager von Kohle oder große Vorräte von Holz nahe bei der Hand liegend, aber nicht ebenso Flußmittel

oder Kalk gefunden werden. In gewissen anderen Gegenden :vieder sind große Niederlagen von Kupfer-, Zink-, Bleioxyden und der Karbonate dieser Metalle vorhanden, welche. bis heute wegen ihres geringen Gehaltes für die Behandlung nicht zugänglich sind und infolgedessen ungenutzt bleiben.

Das vorliegende Verfahren macht es durchaus möglich, die Kupferoxyde zu verhütten,

ίο indem man z. B. Metalltropfen oder Kugeln, welche in der Größe eines unverwendbaren Tropfens vorhanden sind, auf die Größe einer Erbse bringt. In einem solchen Fall muß das Erz, nachdem es dem Verhüttungsprozeß unterworfen ist, grob zermahlen und einem Siebprozeß unterworfen werden, um die großen Metallkugeln zu entfernen, worauf das Erz schließlich fein pulverisiert oder zermalmt werden muß und einer Tablierung oder anderen Konzentrierungsoperation unterworfen werden muß. Es kann auch irgendeine andere Methode, um das Metall aus dem Erz zu gewinnen, angewendet werden. Es wurde gefunden, daß das Kupfererz, z. B. nachdem es dem hier- beschriebenen Verhüttungsprozeß unterworfen ist, der Behandlung nach dem Verfahren von tovett zugänglich ist, welches in dem amerikanischen Reissue Nr. 13517 beschrieben ist, und daß die Konzentrierung auf sehr sparsame .Weise bewirkt werden kann, sogar wenn die Metalle sich in sehr feiner. Korngröße vorfinden.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch, wenn man will, in einem Ofen mit einer Reduzierkammer, die mit abwärts gerichtetem Luftzug arbeitet, ausgeführt werden.

Es möge noch hinzugefügt werden, daß man auch schwer schmelzbare Blöcke oder Klumpen, wie z. B.-Kieselrollsteine, mit dem Koks oder der Holzkohle durch den Ofen laufen lassen kann. In diesem Fall können auch beide, entweder der Koks oder andere Brennstoffstücke und die Rollsteine dazu dienen, um in praktischer Weise die Erzgruppen abzusondern. Jedenfalls ist es jedoch notwendig, genügend Brennmaterial zuzuführen, um das notwendige reduzierende Gas und eine so hohe Temperatur zu entwickeln, wie sie notwendig ist, um einen schnellen Wechsel von Sauerstoff zu erzeugen und das Schmelzen der Metalle zu bewirken, um sie in den Stand zu setzen, Tropfen zu bilden oder ein Zusammenwachsen zustande zu bringen, wobei man jedoch immer Rücksicht darauf nehmen muß, daß kein Bad der schlackenbildenden Bestaridteile des Erzes gebildet wird.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Verfahren zur Verhüttung von Erzen, darin bestehend, daß die Erzstücke in einer Reduzierkammer in verhältnismäßig flacher Schicht und mit dem Mehrfachen ihres Volumens an festem kohlenstoffhaltigen Brennstoff behandelt werden, der die einzelnen Erzstücke voneinander isoliert,

   - so daß unter der Wirkung von hinreichender Luftmenge eine reduzierende Atmosphäre bei einer das Metall schmelzenden und zu Kugeln formenden Temperatur entsteht, ohne daß ein allgemeines Schmelzen der schlackenbildenden Bestandteile stattfindet, während die Metalle und die erdigen Bestandteile gewonnen, der abgestochene Brennstoff und die an ihm anhängenden

   . kleinen Metallteilchen aber wiederholt mit frischen Erzmassen und genügendem frischen Brennmaterial in die Reduzierkammer eingeführt werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.