DE3307175A1 - Kompaktnodule zur metallproduktion und verfahren der metallproduktion unter verwendung derartiger nodule - Google Patents

Description

PE-203 28. 2.1983

4 DBr/hö

Anmelder: 1) Firma FUNDI(JAO TUPY S/A, Rua Albano Schmidt, No. 3400, Joinvi1Ie, Provinz Santa Catarina

2) Firma INDUSTRIA CARBOQUIMICA CATARINENSE S/A, Rua Manoel Florentino Machado, No. 298, Imbituba, Provinz Santa Catarina

3) Firma TECNOMETAL-ESTUDOS E PROJETOS INDUSTRIAIS S/A Rua Conselheiro Ferraz, No. 27, Provinz Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasilien

Kompaktnodule zur Metallproduktion und Verfahren der Metallproduktion unter Verwendung derartiger Nodule.

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Kompaktnodule zur Metallproduktion, ein Herstellungsverfahren für selbstreduzierende und selbst als Flußmittel dienendeKompaktnodule aus Metalloxyd, Verfahren der Metallproduktion unter Verwendung derartiger Nodule, sowie die Vorrichtung zur Herstellung von Metall in metallurgischen öfen.

Es ist allgemein bekannt, daß die Agglomerationsprozesse eine erhebliche Rolle gespielt haben, und zwar nicht lediglich bezüglich der Verwendung von natürlichem Erzstaub sondern darüberhinaus bezüglich der Verwendung von Staub, der sich aus industriellen Abfällen ergibt.

Unter den hauptsächlich bekannten Agglomerationsverfahren einschließlich der Brikettierung,des Röstens und der Produktion von Nodulen oder Pellets hat sich letzteres einer zunehmenden Anwendung bei der Produktion derartiger Nodule/wel tweit erfreut, und zwar aufgrund der Tatsache, daß es leicht durchführbar ist, und daß die Produktqualität hoch ist. Als ein Vorteil sollte auf die Ersparnisse und den hohen Wirkungsgrad bei der Verwendung im Reduktionsofen hingewiesen werden.

Mit der Entwicklung der Technologie bei der Nodulproduktion war es möglich, modifizierte Produkte mit speziellen Eigenschaften herzustellen, welche deren Verwendung in anderen Reduktionsverfahren neben der traditionellen Verwendung ermöglichen, bei welcher der Hochofen verwendet wird. Auf diese Weise erfolgte eine Entwicklung zur Verwendung modifizierter Agglomerate, ausgehend von den klassischen Pellets, welche lediglich aus Erzstaub und Bindemittel hergestellt waren, wobei Bentonit üblicherweise werwendet wird. Selbst als Flußmittel dienende Pellets beispielsweise stellen modifizierte Agglomerate dar, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß sie Gehalte an Kalk neben Erz und Bindemittel aufweisen. Der prozentuale Anteil an Kalk erhöht neben seiner Wirkung als Flußmittel den Widerstand der kalzinierten Nodule. Eine andere Möglichkeit (vgl. Brosch im ABM-BuIletin, September 1966) ist die Verwendung von Dolomit, wodurch gute mechanische Eigenschaften erzielt wurden, selbst bei einer Zugabe in niedrigen Gehalten (zwischen 0,5 und 1 %).

Eine andere Art von Pellets sind selbstreduzierende Pelltes, welche einen gewissen Prozentsatz an Reduktionsmittel zusätzlich zu den traditionellen Bestandteilen enthalten, beispielsweise Koks oder Kohlestaub oder sogar Teer und Pech. Es ist erforderlich zu erwähnen, daß letztere gleichzeitig als Bindemittel wirken und Bentonit zumindest teilweise ersetzen können.

Im Jahre 1963 wurden im IPT (Technological Research Institute) in Sao Paulo, Brasilien, einige Experimente durchgeführt, bei denen selbstreduzierende Pellets verwendet wurden, wobei Holzkohle als Reduktionsmittel erstmalig verwendet wurde. Die aus Einsenerz, Holzkohle und Teer als Bindemittel hergestellten Pellets wiesen einen Durchmesser von etwa 15 mm auf, und wurden in einem Kupolofen verwendet. Es wurde erwähnt, daß der Kompressionswiderstand der im Kupolofen zu verwendenden Nodule nicht nodwendigerweise so hoch sein muß wie für Nodule, die im Hochofen verwendet werden sollen.

Weitere Experimente mit seibstredzierenden Agglomeraten unter Verwendung von Pellets wie auch Briketts wurden im Kupolofen durchgeführt. Nach Goksel - AFS Transactions 1977, wäre der Widerstand dieser nicht ausgehärteten oder noch nichtmal getrockneten Materialen unzureichend. Auf diese Weise würden beim Transport, der Handhabung und der Reduktion im Kupolofen erhebliche Probleme auftreten, wie beispielsweise das Brechen der Agglomerate und den Ausstoß von Feinanteilen in den Abgasen. Aus diesem Grund wurde seit 1960 die Produktion von selbstreduzierenden und selbst als Flußmittel dienenden Nodulen mit hohem Widerstand untersucht. Diese Untersuchungen führten zur Entwicklung eines Agglomerationsverfahren mit Heißaushärtung, welches als "MTU" bezeichnet wird.

Neben Eisenerzstaub und Konzentraten können bei den MTU-Pellets Oxydabfälle aus eisenmetallurgischen Anlagen verwendet werden, wie Eisenzunder, Schmelzofenstaub gemischt mit Kohle, Kalk und Si 1i katstaub.

Die nicht ausgehärteten MTU-Nodule, welche in Pelletisierern geformt werden, werden gesiebt und anschließend getrocknet. Danach werden sie in einem Autoklaven ein bis zwei Stunden lang bei 21 atm-Druck oder bei niedrigeren Drücken über längere Zeitspannen ausgehärtet. Aufgrund der Dehydration von gelähnlichen Kalziumsilikaten ist es erforderlich eine abschließende Trocknung durchzuführen, um den Widerstand der Produkte zu erhöhen.

Die MTU-Nodule benötigen folglich ein vergleichsweise kompliziertes Verfahren einschließlich sogar einer Autoklavbehandlung, welche notwendig ist, um ein Material mit hohem Widerstand zu produzieren. Dies Material stellt jedoch ein betriebsmäßiges Problem dar, da es einen Warmaushärtvorgang mit hohem Energieverbrauch bedingt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die mittels des MTU-Verfahrens hergestellten Pellets eine Reduktionsmittelmenge (Koks) enthalten, welcher die doppelte Menge "übersteigt, welche stöchiometrisch erforderlich ist, um das Eisenoxyd (Magnetitkonzentrat) zu reduzieren. Folglich weisen diese Pellets bei derartigen Mengen an Reduktionsmittel niedride Eisengehalte auf.

Bei diesen bekannten Verfahren zur Herstellung von Nodulen wird jedenfalls eine erhebliche Energiemenge zum Trocknen und zur Kalzinierung verschwendet, welche allgemein zugeführt wird, indem erhebliche Mengen von ülprodukten verbrannt werden. Nebenbei muß in die Betrachtung einbezogen werden, daß die Investitionen für die Trocknungs- und Kalzinierungsöfen sehr hoch sind.

Um den Brennstoffverbrauch zu reduzieren und insbesondere die damit verbundenen Kosten, wurde im Rahmen vorliegender Erfindung versucht, Agglomerate zu entwickeln, bei welchen die Anordnungen zum Trocknen und kalzinieren letztlich während der Herstellung der Pellets wegfallen können.

Hierzu bezogen sich beispielsweise die Forschungen der Grangesberg Company in Schweden auf die Produktion üblicher Nodule, welche durch Aushärtung mittels chemischer Reaktionen bei niedrigen Temperaturen zu hervorragenden Ergebnissen führten. Diese chemischen Reaktionen bieten physikalische und metallurgische Eigenschaften, welche geeignet sind, einen Einsatz im Schachtofen und im Elektroofen zu ermöglichen. Das erwähnte Verfahren bedingt geringere Investitionen im Vergleich mit dem üblichen Verfahren, wobei die Betriebskosten aufgrund der geringeren Verbrauchswerte an Heizölen, Energie, Arbeitskraft und anderen Eingangsfaktoren minimiert werden.

Nach den Berichten von Martins - ABM Annual Congress 1980 -ist die Technologie der Verwendung von kaltgebundenen Agglomeriermitteln wie Zement beispielsweise mehr als 60 Jahre bekannt, d.h. als mit diesem Bindemittel hergestellte Eisenerzbriketts in Deutschland patentiert wurden. Am Anfang gab es

einige Schwierigkeiten wegen der Haftung, welche zwischen den nassen Nodulen auftrat. Das Grangcold-Verfahren, welches Bindemittel wie Portlandzement und/oder Pozzuolanzement zur Herstellung kaltgehärteter Pellets verwendet, wurde anschließend entwickelt.

Das verwendete Bindemittel, welches in Werten bis zu 10 Gew.-% angewandt wird, wird aus Portlandzementklinker und granulierter und getrockneter Hochofenschlacke in einem Verhältnis von 3:2 hergestelIt.

Der Wirkungsgrad der selbstreduzierenden und selbst als Flußmittel wirkenden Pellets beruht auf einigen werkstoffeigentümlichen Aspekten, welche erheblich die nahezu vollständige Reduktion in kurzen Zeitspannen von etwa 15 bis 30 Minuten fördern. Bei dieser Art von Nodulen stehen das Eisenerz, das Reduktionsmittel und die fein verteilten Flußmittel selbst in sehr engem Kontakt. Auf diese Weise liegen vorzügliche Bedingungen zur Reduktion bei hohen Temperaturen in kurzen Zeiten vor.

Andererseits werden die üblichen Pellets in Berührung mit den Reduktionsgasen am Außenumfang reduziert und anschließend defundiert, daß CO des Gases in das Innere des Noduls und reduziert fortschreitend das Eisenoxyd entsprechend der gleichen Reaktion. Letzteres erfordert eine längere Zeitspanne um die Reaktion zu vervollständigen, im Vergleich mit der Reaktion am Außenumfang, was zu einer längeren Verweilzeit im Ofen führt. Es sollte erwähnt werden, daß die hohen Porositätsindizes der Pellets und die größeren Oberflächen Kontakte zwischen Pellet und Gas ebenfalls erforderlich sind. Dies zeigt deutlich den Bedarf Module kleinerer Durchmesser und ein starkes redukzierendes Gas zu verwenden.

Andererseits liegt bei Verwendung selbstreduzierender Pellets eine gleichmäßige Verteilung und eine große Kontaktoberfläche zwischen den Reduktionsmittelteilchen und dem Eisenoxyd vor,

so daß die Reaktion Fe₂O₃ +3C= 2Fe + 3CO im Inneren der Pellets bei hohen Temperaturen erfolgen kann. Das erzeugte CO reagiert anschließend im Inneren der Pellets selbst nach der Formel Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂.

Folglich ist es aufgrund der obenerwähnten Reaktionen möglich, eine schnellere Metallisation und schnelleres Schmelzen der Nodule im Schachtofen zu erreichen, beispielsweise im Vergleich zum Kupol- oder Hochofen.

Die selbstreduzierenden Pellets wurden bereits im Kupolofen zur Produktion flüssiger Metalle verwendet. In einer durch Brosch am IPT durchgeführten Arbeit wurden die Pellets bei 4-0-Q-⁰C vier Stunden lang getrocknet, wonach sie 50 Gew.-l Eisen und 25 Gew.-% Kohle enthielten.

Der experimentelle Kupolofen beim IPT, welcher bei den zwei Chargen verwendet wurde, wies einen Durchmesser von 220 mm und modifizierte Tuyererohre aufweist. Die Operation wurde mit einer Roheisencharge begonnen, wonach anschließend gemischte Chargen aus Roheisen und Nodulen verwendet wurden und letztlich eine nur aus Nodulen bestehende Charge. Der spezifische Koksverbrauch betrug 303 kg pro Tonne Roheisen und ein Metallisationsindex, d.h. die Beziehung zwischen dem metallischen Eisengehalt und dem Gesamteisengehalt betrug 88,5 % beim ersten Versuch und 90,4 % beim zweiten Versuch. Der Koksverbrauch wird bezüglich einer üblichen Roheisencharge als hoch angesehen, wobei, dieser etwa bei 150 kg Koks pro Tonne Roheisen liegt. Der Output an Metall während des Schmelzens könnte verbessert werden, falls der Gehalt an FeO in der Schlacke (37,9 % bei Charge Nr. t und 16 % bei Charge Nr. 2) und gleichzeitig das Relativvolumen an Schlacke (17,3 % bei der ersten Charge und 13 % bei der zweiten Charge) unter Verwendung reinerer Rohmaterialien bei. der Herstellung von Nodulen reduziert werden könnte.

Goksel beschreibt in AFS Transactions 1977 ferner Experimente bezüglich der Anwendung selbstreduzierender Pellets in Kupolöfen, welche nach dem MTU-Verfahren hergestellt sind. Diese Versuche wurden in einem experimentell modifizierten Kupolofen mit 220 - 300 mm Durchmesser durchgeführt, wobei dieser eine feuerfeste Auskleidung aufwies und mit einem Wasserkühlmantel ausgestattet war, sowie 3 Reihen von Tuyererohren und ein Heißgas einblasen in den unteren Reihen. Zur Verbesserung der Ofenleistung wurde das Einblasen von Sauerstoff ebenfalls durchgeführt.

Der Ofen wurde normalerweise mit Nodulgehalten von 75 - 100 % in vier Chargen betrieben, wobei Gußeisen unterschiedlicher Zusammensetzungen, entsprechend der verwendeten Chargen erzeugt wurde. Auf diese Weise betrug unter Verwendung von 100 % Pellets in der Charge die Endzusammensetzung 2,58 % C, 0,15 % Si, 0,10 % Mn, 0,06 % P und 0,37 % S.

Die obenerwähnte Arbeit beschreibt ferner ein Experiment in einem industriellen Kupolofen mit 1500 mm Durchmesser und einer Nominal kapazität von 12 Tonnen pro Stunde, zwei Reihen von Tuyererohren, wobei 5 % von MTU-Pellets in der Charge während drei Betriebsstunden verwendet wurden. Die Verwendung dieser Menge an Modulen hat die Betriebsbedingungen des Ofens nicht verändert, wobei die Metalltemperatur am Ausguß des Ofens zwischen 1510 und 1540⁰C gehalten wurde. Weder konnten Änderungen in der chemischen Zusammensetzung des Gußeisens noch in der Viskosität der Schlacke beobachtet werden.

In Iron and Steel Engineer, Mai 1980, beschreibt Render weitere Experimente, die/einem modifizierten industriellen Kupolofen mit 1500 mm Durchmesser durchgeführt wurden, wobei die Höhe der Lastsäule (7,6 bis 9 m) wegen der Brikettgröße optimiert war, wobei diese kugelförmig mit 50 bis 100 mm Durchmesser waren. Heißgas und Sauerstoffanreicherung in den Ofen mit 2 oder 3 Reihen von Tuyörerohren wurden angewandt, wobei eine Charge aus nahezu 100 % selbstreduzierenden und selbst Flußmittel dar-

stellenden Nodulen verwendet wurden. Lediglich geringe Schrottmengen wurden verwendet, um den Ofenbetrieb zu beeinflussen.

Die durch Verwendung einer Charge, welche ausschließlich ajs Nodulen bestand, erreichte Produktivität lag zwischen 4 bis 5 Tonnen pro Stunde, was für einen Kupolofen mit 1500 mm Durchmesser vergleichsweise niedrig ist. Es wird in dieser Arbeit jedpch erwähnt, daß durch Vergrößerung des Kohlenstoffgehaltes ^ in den Agglomeraten oder durch Zttfabe von Stahlschrott oder Gußeisen Rückführung in die Charge erhebliche Verbesserungen der Produktivität möglich sein sollten.

In einem anderen Absatz des- bereits erwähnten Autors in "Foundry M & T, April 1980" wird erwähnt, daß durch Verwendung eines Kupolofens mit zwei Reihen von Tuye*rerohren und einer Charge aus 100 % selbstreduzierenden Pellets es möglich sein sollte, lediglich 25 % der Produktivität im Vergleich zu einem üblichen Ofen zu erzielen, d.h. einen Ofen, der mit Roheisen, Stahlschrott oder Rückführung von Gußeisen arbeitet. Um die gleiche Produktion pro Stunde zu erreichen, soll es hiernach notwendig sein, einen Kupolofen mit dem doppelten Durchmesser zu verwenden.

In der Patentanmeldung BR Nr. 004 500/74 beschreibt Obenchain ein Verfahren zum Herstellen von Metall in einem Kupolofen, bei welchem von Metalloxydnodulen ausgegangen wird, welche kohlenstoffhaltiges Material in einer Menge enthalten, die groß genug ist, um das Metalloxyd zu oxydieren, wobei mittels eines üblichen Koksbettes am Boden des Kupolofens und aufeinanderfolgenden Schichten aus Pellets und Koks und einem Flußmittel darauf gearbeitet wird. Bis zu drei Reihen von Tuye"rerohren im Ofen werden verwendet, sowie gegebenenfalls eine Sauerstoffanreicherung.

Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, selbstreduzierende und selbst Flußmittel darstellende kaltgehärtete Kompaktnodule zu schaffen, welche mit einem widerstandsfähigen Oberzug versehen sind, welcher den mechanischen Widerstand dieser Nodule verbessert". Gleichzeitig wirde der Abriebswiderstand und die BrUchigkeit verbessert und die chemischen Reaktionen innerhalb

der Nodule unterstützt, was eine Verbesserung bereits bekannten Nodule darstellt. Aus diesem Grund können diese in verschiedenen Arten metallurgischer Ofen, wie sie zur Herstellung von Metall verwendet werden, eingegeben werden, beispielsweise zur Herstellung von Gußeisen oder von Eisenlegierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.

Weiteres Ziel vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung der selbstreduzierenden und selbst ein Flußmittel darstellenden Nodule in ökonomischer Weise vorzuschlagen und die Anwendung derartiger Nodule zur Herstellung flüssiger oder nicht flüssiger Metalle in verschiedenen Typen metallurgischer Öfen zu proportionieren.

Die Nodule nach vorliegender Erfindung werden aus Oxyden, vorzugsweise Eisenoxyd oder Pyritascheeisenoxyd, natürlicher oder gemahlener Eisenerzstaub, Staub aus den Staubsammlern eisenmetallurgischer und metallurgischer Ofenstaub allgemein, Zunder und Mischungen derartiger Oxyde in jeglicher Proportion hergestellt, ferner einem Reduktionsmittel, wie beispielsweise die verschiedenen Arten von Kohle einschließlich solcher mit hohem Aschegehalt wie Kesselkohle, den verschiedenen Arten von Holzkohle und den verschiedenen Arten von Koks, die gemeinsam verwendet oder in jeglicher Mischung gemischt sein können und einem Agglomeriermittel, wie beispielsweise Hochofenportlandzement, pozzuolanischen Portlandzement, gemeinen Portlandzement, Kohlenaschen mit pozzuolanischen Eigenschaften und Mischungen letzterer,

Diese Bestandteile sind in den Nodulen innerhalb folgender Grenzen enthalten:

Metalloxyde 50 bis 85 Gew.-%

Reduktionsmittel das "1- bis 2-fache der stöchiometrischen

Menge zur Oxydreduktion Bindemittel 2 bis 10 Gew.-%.

Diese kalthärtenden selbstredzierenden Kompaktnodule sind trotz gutem mechanischen Widerstand relativ brüchig, so daß für diese Nodule ein Oberzugsverfahren entwickelt wurde. Neben der Verbesserungen der Eigenschaften der Brüchigkeit der Nodule wird durch dieses Verfahren gleichzeitig der mechanische Widerstand vergrößert.

Das erwähnte überziehen wird mit einer dünnen Schicht eines in Wassersuspension befindlichen Bindemittels durchgeführt, wie beispielsweise Zement, Kalk, Bentonit und Natriumsilikat, wobei diese getrennt oder in jeder gewünschten Proportion miteinander mit dem Eisenoxyd gemischt verwendet werden können.

Diese Bestandteile liegen in Wassersuspension in folgenden Mengen vor:

Bindemittel 5 bis 50 Gew.-56
Oxydstaub bis zu 30 Gew.-%.

Aus obenstehenden Zusammensetzungen ist ersichtlich, daß nicht nur der Nodul selbst sondern auch der überzug gemäß der vorliegenden Erfindung Eigenschaften aufweisen, welche sich von den zuvor erwähnten Nodulen früherer Entwicklung unterscheiden. Die Unterschiede stehen in Beziehung zu der verwendeten Menge an Reduktionsmittel, welche kleiner ist, als die Menge in Pellets gemäß früherer Entwicklungen. Hierdurch wird folglich die Art und Menge des Eisengehalts an Oxyden des Noduls ,vorzugsweise Eisenoxyd, und die Bindemittelmengen vergrößert, wie«sie im Rahmen vorliegender Erfindung verwendet werden. In diesem Fall sind die Bindemittelmengen kleiner und diese Tatsache verringert neben der Vergrößerung der Eisenaxydmenge die Kosten erheblich. Die mit Oberflächenüberzug versehenen Nodule unterscheiden sich, wesentlich von den klassischen selbstreduzierenden oder nicht selbstreduzierenden Pellets. Sie weisen keine regelmäßige runde Form auf und werden nicht mit der Zielsetzung hoher Porosität hergestellt und sie werden inklusive mit kontinuierlichen Tropfen auf dem Scheibenrand hergestellt, so daß

- 14 -

eine richtige mechanische Kompaktibi1itat und Widerstand gewährleistet ist, wie es für eine gute Wirkung des Aggiomerats in geringen Prozentsätzen erforderlich ist. Folglich können sie in verschiedenen metallurgischen öfen zur Produktion von Metall aus dessen Oxyden eingesetzt werden. Figur 1 zeigt ein Flußdiagramm für die Herstellung von Nodulen, wobei der unten beschriebene Prozeß und entsprechende Vorrichtung verwendet werden.

Die Reduktionsmittel werden aufgenommen und gespeichert in einem gedeckten Schuppen in einem speziellen Bereich. Anschließend werden sie in einer Mühle gemahlen um eine Korngröße kleiner 70 Mesh zu erhalten und danach in Speichern 3 gespeichert. Das Reduktionsmittel wird pneumatisch von diesen Speichern durch Förderer 4 in einen Speicher 11 überführt, welcher an der Mischungsvorbereitungseinheit installiert ist.

Die Agglomeriermittel werden in Speichern 5 aufgenommen und gespeichert und durch pneumatische Förderer 6 zu den Speichern 11 gefördert.

Die Oxydstäube werden aufgenommen und schließlich in einer Kugelmühle 7 gemahlen, so daß 80 Gew.-% des Oxyds eine Korngröße kleiner 70 Mesh erhält. Sie werden dann durch pneumatische Förderer 8 zu dem Zwischenspeicher 9 gefördert. Anschließend werden sie zu den Zentralspeichern 11 mittels pneumatischer Förderer 10 gefördert, wobei ein Anteil der erwähnten Oxyde zu den Aushärtspeichern 19 geleitet wird. Am Anfang sollten die Speicher mit dem gemahlenen Oxyd gefüllt sein, wobei gleichzeitig, während die Oxydstaubspeicher geleert werden, diese von der Oberseite mit Nodulen gefüllt werden, so daß auf diese Weise die Disintegration der Agglomerate vermieden wird, welche geladen werden, welche jedoch noch nicht ausgehärtet sind (grüne Nodule).

Auf diese Weise gespeichert, werden das Reduktionsmittel, das Bindemittel und das Eisenoxyd in zwei kontinuierliche Mischer 11 gefördert, welche für die Herstellung der zu agglomerierenden Mischung vorgesehen sind, wobei ein Teil des Befeuchtungswassers der Mischung zugeführt wird. Dieses Wasser wird in einer Menge zugeführt, welche bis zu 10 Gew.-% der Mischung betragen kann. Die bereits homogenisierte und angefeuchtete Mischung wird kontinuierlich in ScheibenpelIetisierer 15 ausgestoßen, welche die Nodule in eine Gruppe von Sieben 16 und 17 abgeben, wobei diese dazu dienen, die Nodule größer 12 mm und kleiner 35 mm zurückzuhalten. Das nicht zurückgehaltene Material wird automatisch in den Pelletisierer 15 zurückgeführt. In diesen Scheiben erfolgt der Agglomeriervorgang in Form von Nodulen mit Mischungen aus Oxydon, Bindemittel, Reduktionsmittel und der Zugabe von 20 % Wasser.

Nachdem sie granumetrisch in obenerwähnter Weise klassiert sind, können die Module mit einer dünnen Schicht aus einer Bindemittel-Wassersuspension und Oxydstaub wie oben beschrieben, überzogen werden. Der Vorgang des Überziehens der Nodule kann dadurch erfolgen, daß diese in Tanks 13 getaucht werden oder durch Aufsprühen des Überzuges (bei 14).

Nach dem Vorgang des Überziehens werden die Nodule durch ein Fb'rderbandsystem 22 zu Aushärtspeichern 19 gefördert, wo sie zwischen 15 bis 45 Tagen bei Raumtemperatur aushärten. Nach dieser Aushärtzeit haben die Nodule bereits den mechanischen Widerstand gegen Brüchigkeit, um in verschiedenen metallurgischen Ofen zum Einsatz zu gelangen.

Ein typisches Beispiel mit Kesselkohle weist 71 Gew.-% Eisenoxyd, 23 Gew.-ft Kesselkohle mit etwa 40 Gew.-% Asche und 6 Gew. % Zement auf.

Natürlich und in Abhängigkeit von der Menge der selbstreduzierenden Nodule als Bestandteil der Ofen-charge kann der Schwefel gehalt des Metalls nach einer Entschwefelungsbehandlung des Metalls bestimmt werden, wobei dies aufgrund des hohen Schwefelgehaltes der Kesselkohle (etwa 3 Gew.-% Schwefel) erforderlich sein kann.

Eine besondere Bedeutung weist die Erfindung für die Herstellung von Roheisen auf, da dies für die Eisenmetallurgie ein wesentliches Verfahren darstellt.

üblicherweise wird das primäre eisenmetallurgisehe Produkt Gußeisen (primär metallisches Eisen) durch Hochöfen hergestellt, welche nach den Prinzipien der Erzeugung einer reduzierenden Atmosphäre innerhalb des Ofens betrieben werden. Diese Atmosphäre, welche das Umwandlungsmittel der Eisenoxyeharge in metallisches Eisen darstellt, wird durch die unvollständige Verbrennung eines Koks erzeugt. Der Koks selbst wird durch Verkokung einer Mischung der richtigen Kohlearten, der sogenannten verkokbaren Kohlen, hergestellt.

Die vorliegende Erfindung stellt eine radikale Änderung der tatsächlichen Betriebsweise eines Hochofens dar.

Beim klassischen Verfahren zur Herstellung von Roheisen im Hochofen mittels Koks oder Holzkohle wird nach vorliegendem Modell vorgegangen:

Das reduzierende Gas wird am Boden des Ofens mittels Heißgaseinblasen erzeugt, welches für die unvollständige Verbrennung des Koks dosiert wird, welcher in Schichten zusammen mit der metallischen Charge enthalten ist, die aus natürlichen Erz oder Agglomeraten (Pellets oder Sinter) oder Mixturen dieser Elemente besteht.

Das erzeugte reduzierende Gas dringt durch die Oxydcharge, welche im Inneren des Ofens befindlich ist von unten nach oben

-. 17 -

und überträgt auf diese die durch die exotherme Reaktion der

Vergasung des Kokses (C + 1/2 O₂ > CO) erzeugte Wärme an

diese und reagiert in aufeinanderfolgenden Stufen von der Reaktion im Gegenstrom bis zur vollständigen Metallisierung¹¹ / Schmelzen (Fig. 2). Figur 2 zeigt einen klassischen Hochofen mit den verschiedenen Reduktionsstufen.

Die heutzutage angewandte Technologie hängt von der Interaktion zwischen Gas und Feststoff ab und weist einen begrenzten Wirkungsgrad aufgrund der Reaktionskinetik auf, einschließlich der Teilchen und der Ofenatmosphäre.

Zunächst ist die Reaktionsaktivität der Gasphase gering, da diese durch Vergasung des Koks zu CO durch vorgeheizte atmosphärische Luft erzielt wird, welche durch die Tuyererohre eingeblasen wird. Auf diese Weise, selbst in Fällen in denen die Blasluft mit O₂ angereichert ist, ergibt sich lediglich ein reduzierender Bruchteil (CO + H₂) von etwa nur 50 Volumen-% des Gesamtvolumens innerhalb des Ofens. Hierdurch wird der Parti.aldruck der reduzierenden Phase verringert und folglich auch der Wirkungsgrad.

Andererseits ist die natürliche Reaktivität des Erzes, insbesondere solcher Erze die dichter und reiner sind wie z.'· B. die brasilianischen Erze, ebenfalls naturgemäß niedrig. Diese Tatsache führte zu aufeinanderfolgenden technologischen Entwicklungen in den letzten 20 bis 30 Jahren, welche zu der generalisierten Erzeugung von Sintern und Pellets führten. Die Hochöfen in modernen eisenmetallurgischen Anlagenwerden überwiegend mit derartigen Sintern und Pellets beschickt und nicht mehr mit Erz.. Trotz all dieser Anstrengungen bei der Vorbereitung der Charge, einschließlich der Begrenzung der Tei1-chengröße und das Vermeiden von Feinanteilen wird maximal lediglich etwas mehr als 50 % der Reduktionskraft des Gases in einem Hochofen genutzt. Dies bedeutet eine kritische energetische Begrenzung, welche, obwohl diese durch die Wiederverwendung eines Teiles dieser Energie während des Vorheizens

- 18 -

der Blasluft und in anderen Teilen der Anlage gemildert werden, zu hohen Investionskosten und hoher Wärmeverschwendung führt. Aufgrund der Tatsache, daß dieses Hochofengas einen niedrigen Heizwert (etwa 750 kg/Nm ) wegen des hohen N₂~Gehaltes aufweist, ist dessen Verwendung in Wärmöfen für die ei senmetällurgische Industrie charakteristisch und gleichzeitig teuer, da dies zu einem niedrigen thermischen Wirkungsgrad führt, was die Lösung dieser Problebem nahezu unmöglich macht.

Die niedrige Reaktionskraft des üblichen Hochofens einerseits wird durch die hohe Verdünnung der reduzierenden Gasanteile in N₂ von der Verbrennungsluft erklärt und andererseits aufgrund der Schwierigkeiten der Gasphase beim Eindringen in Mikroporen der Agglomerate oder des Erzes bis zum Kern, um dadurch eine richtige Metallisierung der Teilchen zu erreichen, was letztlich das Ziel dieses Verfahrens ist.

Das Resultat dieser Probleme ist die Notwendigkeit einer langen Verweilzeit der Teilchen (Sinter, Pellets oder Erz) in dem Reduktionsofen. Dies bedeutet eine Zeitspanne von 6 bis 7 Stunden zum Durchlaufen von Oberende des Ofens zum Boden, zusammen mit einer geringen Nutzung der reduzierenden Gasphase. Di^/geringe Nutzung wird durch einen hohen Koksverbrauch (etwa 500 kg pro Tonne an erzeugtem Roheisen) angezeigt. Letztere beiden Faktoren führen zu einem niedrigen volumetrischen Output der Anlage und zu einer Energieverschwendung.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll diese Nachteile vermeiden und stellt eine radikale Änderung der Philosophie zum Leiten des Betriebsverfahrens eines Hochofens dar. Folglich wird vorgeschlagen, die bisher verwendete metallische Charge aus Sintern, Pellets oder Erz durch kaltgebundene halb oder voll- · ständig selbst Flußmittel darstellende und selbstreduzierende Nodule zu ersetzten. Mit dieser metallischen Charge aus einem derartigen Einsatz wird der Hochofen in neutraler oder geringfügig oxydierender Atmosphäre betrieben. Das Lufteinblasen soll dazu dienen, den Koks vollständig zu COo zu verbrennen. Die Kohlenstoffatome, welche für die Oxydreduktion erforder-

lieh sind, werden bei deren Herstellungsvorgang eingeführt und sind auf diese Weise in der agglomerierten Masse enthalten, so da3 die hauptsächliche Begrenzung einer höheren Produktivität des Hochofens, d.h. die schwierige Durchdringung der reduzierenden Atome in den Kern der Teilchen, welcher reduziert werden soll, beseitigt wird. Auf diese Weise erfolgt die Reduktion während einer sehr kurzen Zeitspanne (etwas mehr als 50 Minuten nach Erreichen des Temperaturniveaus von 900°, welches erforderlich ist eine direkte Reduktion von Fe₂O, durch Kohle zu erzielen), da das Reduktionsmittel gleichmäßig in der agglomerierten Masse verteilt ist.

Die obenerwähnten Beispiele zeigen die Schwierigkeiten beim Reduzieren eines Oxydteilchens, beispielsweise eines bekannten Noduls beim Durchgang durch die reduzierende Atmosphäre eines Hochofens, wobei die erste Behinderung, daß die CO-Moleküle bereits in N₂ verdünnt beim Eindringen in die Mikroporen eines Pellets oder eines Sinters besteht, um mit dem Oxyd der aufeinanderfolgenden weiter innen liegenden Schichten derselben Pellets oder Sinter zu reagieren. Folglich, obwohl die Reaktion in der Außenschicht des Teilchens vergleichsweise leicht erfolgt, nimmt in tieferen Schichten in Richtung des Kernes die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell ab, so daß hohe Verweilzeiten in bekannten Hochöfen erforderlich sind (etwa 6 bis 7 Stunden wie bereits erwähnt). Die Konsequenz dieser Vorgänge ist, daß nahezu die Hälfte des Reduktionsgases aus dem Ofen ohne Reaktion nach außen tritt, was durch die Relation CO/CO« ausgedrückt werden kann, welche bei bekannten öfen am Oberende etwa 1:1 beträgt.

co	und	andere	- 22	%
CO2		- 24	%
		- 52	%
H2O		- 2	%

Die niedrige Reaktivität der aus natürlichem Erz bestehenden Charge und die Nachteile von Erzstaub führen zur Entwicklung von Eisenerzagglomeraten, die als Ersatz zum Erz verwendet werden. Die Entwicklung der externen Chargenvorbereitung und deren Konditionierung hinsichtlich der Optimierung der Gaspermeabi1itat führt zu den Reduktionen in Hochöfen mit großer "Koksrate", welche zwei Jahrzehte zuvor berühmt wurden. Die Möglichkeiten neuer Fortschritte in dieser Richtung sind jedoch nahezu erschöpft.

Die Investitionskosten zusammen mit den Produktionskosten bezüglich der Vorbereitung der Charge eines Hochofens, d.h. die Verwendung von Sinter oder Pellets anstelle von Erz sind bereits Teil der üblichen Abläufe bei der eisenmetallurgischen Produktion. Diese Vorbereitung zielt jedoch dahin, ein Teilchen zu erzeugen, welches für ein Reduktionsgas permeabel ist und welches eine richtige Permeabilität der Gesamtcharge für dieses Gas garantiert, und zwar aufgrund der gleichbleibenden Teilchengröße und des Fehlens an Feinstoffen. Mit anderen Worten wird versucht das Gas-Feststoffmodell zu optimieren, welches der bestimmende Faktor zur Zeit der Verwendung von Erz war, welches jedoch nicht norwendigerweise zur Zeit das richtige Modell ist, wenn in Betracht gezogen wird, daß man bereits mit intensiver Chargenvorbereitung begonnen hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet im Gegensatz hierzu, daß Reduktionsgas-Feststoffmodell , welches durch Konstruktion eines Teilchens ersetzt wird, das bereits die Kohlenstoffatome enthält, die für die Reduktion erforderlich sind und welches als individuelle reaktive dosierte Packung wirksam wird. Auf diese Weise wird das Teilchen selbst zur Reduktionsumgebung und nicht die Festphase-Gasphase innerhalb des Ofens. Die Reduktion ist autogen, weshalb sie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Selbstreduktion bezeichnet wird,

Resultate aus dieser Änderung der Prozeßkonzeption und der Strategie der Prozeßführung sind tatsächlich von großer Be-

deutung.

Zunächst arbeitet der Ofen lediglich als Schmelzofen, wobei der Koks vollständig zu CO₂ verbrannt wird, so daß ein reduzierende Atmosphäre nicht aufrechterhalten werden muß. Das CO₂ löst sich in dem in der Luft vorhandenen N₂. welches nach Zuführung zu der als klein zu bezeichnenden Anwesenheit von Kokspartikeln in der Charge und aufgrund des Luftüberschusses die Umkehr von COo zu CO auf ein Minimum absenkt.

Die Erfordernisse an Koks zum Schmelzen von Metall und Schrott und Reaktionschargen bei der Oxydreduktion als Funktion der vorliegenden Erfindung liegen bei etwa 150 - 250 kg pro Tonne produziertem Metall anstelle von 500 kg pro Tonne nach dem Stand der Technik.

Die Verweilzeit der Partikel ist extrem kurz, da die Reduktion nunmehr ein autogener Prozeß ist. Er schaltet nahezu augenblicklich vom Umfangsbereich zum Kern fort, so daß die 6- bis 7-stündige Verweilzeit auf ein Maximum von 2 Stunden verringert wird. Die Zeit ist lediglich durch die Wärmeübertragung vom Gas auf die Materialen beschränkt, so daß die Produktionskapazität mehr als verdoppelt wird, im Vergleich zu Anlagen die mit reduzierender Atmosphäre betrieben werden. Der für die Reduktion innerhalb des Partikels erforderliche Kohlenstoff kann verschiedenen Ursprungs sein. In bereits durchgeführten Versuchen wurden erfolgreich Kohlestaub, Anthrazitstaub, Holzkohlestaub und Koksstaub verwendet. Es ist daher möglich, die Reduktionskosten erheblich zu senken im Vergleich mit dem derzeitigen Verfahren, bei welchem diese Reduktionsmittel aus aufbereiteten und teuren Stoffen, wie metallurgischen Koks, stammen.

Mit dem verdoppelten volumetrischen Output und dem durchgängigen halbreduzierten Verbrennen von Koks ist die Verwendung von Koks mit hohen Aschegehalten als Reduktionsmittel möglich. Die Steigerung der Produktivität, welche sich aus

der Verringerung der Verweilzeit aufgrund höherer Reaktionsgeschwindigkeiten ergibt, ist sicher höher als die Verringerung der Produktivität aufgrund des hohen Aschegehaltes des Reduktionsmittels und des verwendeten Brennstoffs. Andererseits ermöglicht der gleiche Output an volumetrischer Produktivität die Verwendung schlechterer Koksarten als solcher wie sie tatsächlich erforderlich sind. Dies bedeutet, daß es sogar möglich wäre, diese Kokssorten aus einer Mischung verkokbarer und nicht verkokbarer Kohlen herzustellen.

Das Gichtgas, welches im Vergleich zur vorliegenden Praxis auf etwa 1/3 verringert ist, weist ebenfalls einen verringerten C0₂-6ehalt von 6 bis 8 % im Vergleich von 22 bis 24 % wie bisher, auf, so daß die bisherige Verschwe-ndung von CO im Ofen nahezu auf 10 % verringert wird. Dieses Gas kann in dem Hochofen in den Regeneratoren oder Cowpern verwendet werden, wo eine vorgeheizte Luft niedriger Temperatur erzeugt wird.

Durch die vorliegende Erfindung kann ferner eine der hohen thermalen Spitzen im klassischen Kreis der traditionellen integrierten Eisenmetallurgie vermieden werden, d.h. die Agglomeratproduktion, da die erfindungsgemäßen selbstreduzierenden Einsatzstoffe kalthärtend sind. Die Bedeutung dieser thermalen Spitze bei der Koksproduktion wird verringert, und zwar aufgrund der Reduktion ,deren Notwendigkeit auf 1/3, so daß hierdurch eine weitere Quelle der Energiewirtschaft vorliegt.

Aufgrund der Tatsache, daß die vorhandenen Anlagen leicht der vorliegenden Erfindung angepaßt werden können und gleichzeitig die Produktionskapazität der Hauptanlagen der Reduktionsverfahren multipliziert werden, kann das beschriebene Verfahren innerhalb kürzester Zeit eingeführt werden. Lagerkosten werden gleichzeitig verringert und wegen der anschließenden Ersparnisse ist mit hoher Rentabilität zu rechnen.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. D-8023 München-Pullach. Wiener Str. 2; Tel* .'08?)) 7-S"3.30 7i; T-elex.!Hi2147*hros d;„Cäbles: -Patentibus» München

   Anmelder: 1) Firma FUNDigAO TUPY S/A, Rua Albano Schmidt, No. 3400, Joinville, Provinz Santa Catarina
2. 2) Firma INDUSTRIA CARBOQUiMICA CATARINENSE S/A, Rua Manoel Florentino Machado, No, 298, Imbituba, Provinz Santa Catarina
3. 3) Firma TECNOMETAL-ESTUDOS E PROJETOS INDUSTRIAIS S/A, Rua Conselheiro Ferraz, No. 27, Rio de Janeiro, Provinz Rio de Janeiro - Brasilien

   Ihr Zeichen: Your ref:

   PE-203

   τ»β: 28. Februar 1983 ^Date: DBr/hö

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Kompaktnodule zur Metallproduktion, welche aus einer Mischung von Oxyden, Reduktionsmitteln und Agglomeriermitteln bestehen, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

   a) Metalloxyde in Gehalten zwischen 50 und 85 Gew.-%

   b) Reduktionsmittel besteherti aus Kohle, Holzkohle, Koks oder einer Mischung dieser Elemente im Bereich zwischen dem ein- bis zweifachen der stöchiometrisch erforderlichen Menge zur Oxydreduktion und

   c) Zement in Gehalten zwischen 2 und 10 Gew.-%.

   2. Kompaktnodule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxyde aus den Ascherückständen vom Pyritrösten, Eisenerzfeinanteilen bzw. Staub (natürlich oder durch Mahlen hergestellt), Eisenoxydstaub aus der Staubsammlung von eisenmetallurgischen öfen und metallurgischen üfen allgemein,

   Zunder und Mischungen dieser Oxyde in beliebigen Zusammensetzungen bestehen.

   3. Kompaktnodule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmittel aus verschiedenen Koksarten, Holzkohle und mineralischer Kohle zusammengesetzt sind, einschließlich solcher mit hohem Aschegehalt, wie beispielsweise Kesselkohle.
4. 4. Kompaktnodule nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Agglomeriermittel aus Hochofen-Portland-Zement, Pozzuolan-Portland-Zement, Portland-Zement mit Kohle-/ Aschegehalten, welche pozzuolanische Eigenschaften aufweisen und Mischungen letzterer hergestellt sind.
5. 5. Kompaktnodule nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nodule oberflächlich mit einer dünnen Bindemittelschicht überzogen sind, wie beispielsweise Zement, Kalk, Bentonit, Natriumsi1icat, welche getrennt oder in Mischungen von Anteilen verwendet werden, welche zwischen 5 und 50 Gew.-% in wässriger Suspension schwanken, wobei das Bindemittel bis zu 30 Gew.-% Eisenoxyd enthält.
6. 6. Verfahren zur Herstellung von Kompaktnodulen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nodule durch aufeinanderfolgende Kompressionen am Rande einer Pelletisierungsscheibe hergestellt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstreduzierende Überzug der Nodule in wässriger Lösung verwendet wird, welche in Tauchtanks aufgenommen ist oder durch Sprühen über Zerstäuber aufgebracht wird.
8. 8. Verfahren der Metallproduktion unter Verwendung von Modulen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nodule in verschiedenen Arten metallurgischer öfen verwendet werden, wie beispielsweise Hochöfen, Elektroöfen und Laboröfen .·
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen mit derartigen Nodulen bis zu 100 Gew.-%, bezogen auf die metallische Charge, beschickt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nodule in einen Hochofen chargiert werden, welcher mit neutraler oder lediglich geringfügig reduzierender oxydierender Atmosphäre betrieben wird.