DE3307175C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kaltpellets zur Roheisenerzeugung und die Verwendung derartiger Kaltpellets.

Es ist allgemein bekannt, daß die Agglomerationsverfahren eine erhebliche Rolle gespielt haben, und zwar nicht lediglich bezüglich der Verwendung von natürlichem Erzstaub, sondern darüber hinaus 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 Pellets hat sich letzteres einer zunehmenden Anwendung bei der Produktion derartiger Pellets weitweit 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 Pelletproduktion 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 verwendet 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 Pellets. Eine andere Möglichkeit (vgl. Brosch im ABM-Bulletin, September 1699, Seiten 723-728) 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 Pellets, 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 Sau Paulo, Brasilien, einige Experimente durchgeführt, bei denen selbstreduzierende Pellets verwendet wurden, wobei Holzkohle als Reduktionsmittel erstmalig verwendet wurde. Die aus Eisenerz, 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 notwendigerweise so hoch sein muß wie für Pellets, die im Hochofen verwendet werden sollen.

Weitere Experimente mit selbstreduzierenden Agglomeraten unter Verwendung von Pellets wie auch Briketts wurden im Kupolofen durchgeführt. Nach Goksel - AFS Transactions, 1977, Seiten 327-332 - wäre der Widerstand dieser nicht ausgehärteten oder noch nichtmal getrockneten Materialien 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 Pellets mit hohem Widerstand untersucht. Diese Untersuchungen führten zur Entwicklung eines Agglomerationsverfahrens mit Heißaushärtung, welches als "MTU" bezeichnet wird.

Neben Eisenerzstaub und Konzentraten können bei den MTU-Pellets Oxidabfälle aus eisenmetallurgischen Anlagen verwendet werden, wie Eisenzunder, Schmelzofenstaub gemischt mit Kohle, Kalk und Silikatstaub.

Die nicht ausgehärteten MTU-Pellets, welche in Pelletisierern geformt werden, werden gesiebt und anschließend getrocknet. Danach werden sie in einem Autoklaven ein bis zwei Stunden lang bei 12 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-Pellets 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, welche die doppelte Menge übersteigt, welche stöchiometrisch erforderlich ist, um das Eisenoxid (Magnetitkonzentrat) zu reduzieren. Folglich weisen diese Pellets bei derartigen Mengen an Reduktionsmittel niedrige Eisengehalte auf.

Bei diesen bekannten Verfahren zur Herstellung von Pellets wird jedenfalls eine erhebliche Energiemenge zum Trocknen und zur Kalzinierung verschwendet, welche allgemein zugeführt wird, indem erhebliche Mengen von Ölprodukten 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 Grängesberg Company in Schweden auf die Produktion üblicher Pellets, 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 minimert werden.

Nach den Berichten von Martins - ABM Annual Congress 1980, Seiten (MP-2) 17-26 - 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 Pellets 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 hergestellt.

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 Pellets 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 diffundiert das CO des Gases in das Innere des Pellets und reduziert fortschreitend das Eisenoxid 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, Pellets kleinerer Durchmesser und ein starkes reduzierendes Gas zu verwenden.

Andererseits liegt bei Verwendung selbstreduzierender Pellets eine gleichmäßige Verteilung und eine große Kontaktoberfläche zwischen den Reduktionsmittelteilchen und dem Eisenoxid vor, so daß die Reaktion Fe₂O₃+3 C=2 Fe+3 CO im Inneren der Pellets bei hohen Temperaturen erfolgen kann. Das erzeugte CO reagierte anschließend im Inneren der Pellets selbst nach der Formel Fe₂O₃+3 CO=2 Fe+3 CO₂.

Folglich ist es aufgrund der obenerwähnten Reaktionen möglich, eine schnellere Metallisation und schnelleres Schmelzen der Pellets 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 400°C vier Stunden lang getrocknet, wonach sie 50 Gew.-% 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 Tuyèrerohre auf. Die Operation wurde mit einer Roheisencharge begonnen, wonach anschließend gemischte Chargen aus Roheisen und Pellets verwendet wurden und letztlich eine nur aus Pellets 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. Die Ausbeute an Metall während des Schmelzens könnte verbessert werden, falls der Gehalt an FeO in der Schlacke (37,9% bei Charge Nr. 1 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 der Pellets reduziert werden könnte.

Goksel beschreibt in AFS Transactions 1977, Seiten 327-332, 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 sowie 3 Reihen von Tuyèrerohren und eine Heißgaseinblasung in den unteren Reihen ausgestattet war. Zur Verbesserung der Ofenleistung wurde das Einblasen von Sauerstoff ebenfalls durchgeführt.

Der Ofen wurde normalerweise mit Pelletgehalten 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, Rest Eisen.

Die obenerwähnte Arbeit beschreibt ferner ein Experiment in einem industriellen Kupolofen mit 1500 mm Durchmesser und einer Nominalkapazität von 12 Tonnen pro Stunde, zwei Reihen von Tuyèrerohren, wobei 5% von MTU-Pellets in der Charge während drei Betriebsstunden verwendet wurden. Die Verwendung dieser Menge an Pellets hat die Betriebsbedingungen des Ofens nicht verändert, wobei die Metalltemperatur am Ausguß des Ofens zwischen 1510 und 1540°C 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, Seiten 31-33, beschreibt Rehder weitere Experimente, die in 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 dem Ofen mit 2 oder 3 Reihen von Tuyèrerohren wurden angewandt, wobei eine Charge aus nahezu 100% selbstreduzierenden und selbst Flußmittel darstellenden Pellets verwendet wurde. Lediglich geringe Schrottmengen wurden verwendet, um den Ofenbetrieb zu beeinflussen.

Die bei Verwendung einer Charge, welche ausschließlich aus Pellets 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 jedoch erwähnt, daß durch Vergrößerung des Kohlenstoffgehaltes in den Agglomeraten oder durch Zugabe von Stahlschrott oder Gußeisenrückführung in die Charge erhebliche Verbesserungen der Produktivität möglich sein sollten.

In einem anderen Aufsatz des bereits erwähnten Autors in "Foundry M & T, April 1980", Seiten 68-72, wird erwähnt, daß durch Verwendung eines Kupolofens mit zwei Reihen von Tuyèrerohren 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 Metalloxidpellets ausgegangen wird, welche kohlenstoffhaltiges Material in einer Menge enthalten, die groß genug ist, um das Metalloxid zu oxidieren, 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 Tuyèrerohren im Ofen werden verwendet sowie gegebenenfalls eine Sauerstoffanreicherung.

Weiterhin ist aus der DE-AS 23 60 595 ein Verfahren zum Herstellen kaltgebundener Pellets aus Feinerz, Zement und Wasser bekannt. Dieses Verfahren dient jedoch nur dazu, die Staubbildung bei Verwendung pulverförmiger Erze im konventionellen Verhüttungsverfahren zu verringern. Die Pellets gemäß diesem Stand der Technik enthalten kein Reduktionsmittel.

Außerdem ist es aus der GB-PS 15 72 566 bekannt, Pellets herzustellen, die aus verschiedenen, bei der Verhüttung anfallenden Abfallstäuben bestehen. Diese müssen jedoch unter Wärmeeinfluß gehärtet werden und dann einem speziellen Reduktionsschritt unterworfen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Kaltpellets zu schaffen, die einfach hergestellt werden und die eine wesentlich schnellere Verhüttung erlauben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Die Pellets nach vorliegender Erfindung werden aus Oxiden, vorzugsweise Eisenoxid oder Pyritascheeisenoxid, natürlicher oder gemahlener Eisenerzstaub, Staub aus den Staubsammlern eisenmetallurgischer und metallurgischer Ofenstaub allgemein, Zunder und Mischungen derartiger Oxide 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, Kohlenaschen mit pozzuolanischen Eigenschaften und Mischungen letzterer.

Diese Bestandteile sind in den Pellets innerhalb folgender Grenzen enthalten:

Metalloxide 50 bis 85 Gew.-%,
Reduktionsmittel das 1- bis 2fache der stöchiometrischen Menge zur Oxidreduktion,
Bindemittel 2 bis 10 Gew.-%.

Diese kalthärtenden selbstreduzierenden Pellets sind trotz gutem mechanischen Widerstand relativ brüchig, so daß für diese Pellets ein Überzugsverfahren entwickelt wurde. Neben den Verbesserungen der Eigenschaften der Brüchigkeit der Pellets 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 Eisenoxid gemischt verwendet werden können.

Diese Bestandteile liegen in Wassersuspension in folgenden Mengen vor:

Bindemittel 5 bis 50 Gew.-%,
Oxidstaub bis zu 30 Gew.-%.

Aus obenstehenden Zusammensetzungen ist ersichtlich, daß nicht nur das Pellet selbst, sondern auch der Überzug gemäß der vorliegenden Erfindung Eigenschaften aufweisen, welche sich von den zuvor erwähnten Pellets 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 Oxiden des Pellets, vorzugsweise Eisenoxid, 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 Eisenoxidmenge die Kosten erheblich. Die mit Oberflächenüberzug versehenen Pellets 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. Sie werden inklusive mit kontinuierlichen Tropfen auf dem Scheibenrand hergestellt, so daß eine richtige mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gewährleistet ist, wie es für eine gute Wirkung des Agglomerats in geringen Prozentsätzen erforderlich ist. Folglich können sie in verschiedenen metallurgischen Öfen zur Produktion von Metall aus dessen Oxiden eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm für die Herstellung von Pellets, 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 Oxidstäube werden aufgenommen und schließlich in einer Kugelmühle 7 gemahlen, so daß 80 Gew.-% des Oxids 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 Oxide zu den Aushärtspeichern 19 geleitet wird. Am Anfang sollten die Speicher mit dem gemahlenen Oxid gefüllt sein, wobei gleichzeitig, während die Oxidstaubspeicher geleert werden, diese von der Oberseite mit Pellets gefüllt werden, so daß auf diese Weise das Zerfallen der Pellets vermieden wird, welche geladen werden, welche jedoch noch nicht ausgehärtet sind (grüne Pellets).

Auf diese Weise gespeichert, werden das Reduktionsmittel, das Bindemittel und das Eisenoxid in zwei kontinuierliche Mischer 12 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 Scheibenpelletisierer 15 ausgestoßen, welche die Pellets in eine Gruppe von Sieben 16 und 17 abgeben, wobei diese dazu dienen, die Pellets 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 Pellets mit Mischungen aus Oxiden, Bindemittel, Reduktionsmittel und der Zugabe von 20% Wasser.

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

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

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

Natürlich und in Abhängigkeit von der Menge der selbstreduzierenden Pellets als Bestandteil der Ofencharge kann der Schwefelgehalt 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 eisenmetallurgische Produkt Roheisen (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 Eisenoxidcharge 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 natürlichem Erz oder Agglomeraten (Pellets oder Sinter) oder Mixturen dieser Elemente besteht.

Das erzeugte reduzierende Gas dringt durch die Oxidcharge, welche im Inneren des Ofens befindlich ist, von unten nach oben 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 Metallisierung und Schmelzen (Fig. 2). Fig. 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 Tuyèrerohre 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 Partialdruck der reduzierenden Phase verringert und folglich auch der Wirkungsgrad.

Andererseits ist die natürliche Reaktivität des Erzes, insbesondere solcher Erze, die dichter und reiner sind als 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 Anlagen werden 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 Teilchengröße 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 der Blasluft und in anderen Teilen der Anlage gemildert werden, zu hohen Investitionskosten und hoher Wärmeverschwendung führt. Auf Grund der Tatsache, daß dieses Hochofengas einen niedrigen Heizwert (etwa 750 kg/Nm³) wegen des hohen N₂-Gehaltes auf­ weist, ist dessen Verwendung in Wärmöfen für die eisenmetallur­ gische Industrie charakteristisch und gleichzeitig teuer, da dies zu einem niedrigen thermischen Wirkungsgrad führt, was die Lösung dieser Probleme 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 auf Grund 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 vom Oberende des Ofens zum Boden, zusammen mit einer geringen Nutzung der reduzierenden Gasphase. Diese geringe Nutzung wird durch einen hohen Koksverbrauch (etwa 500 kg pro Tonne an erzeugten Roheisen) angezeigt. Letztere beiden Faktoren führen zu einer niedrigen volu­ metrischen Ausbeute der Anlage und zu einer Energieverschwendung.

Das erfindungsgemäße Pellet soll diese Nachteile vermeiden. Folglich wird vor­ geschlagen, die bisher verwendete metallische Charge aus Sintern, Pellets oder Erz durch kaltgebundene halb oder voll­ ständig selbst Flußmittel darstellende und selbstreduzierende Pellets zu ersetzen. Mit dieser metallischen Charge aus einem derartigen Einsatz wird der Hochofen in neutraler oder gering­ fügig oxidierender Atmosphäre betrieben. Das Lufteinblasen soll dazu dienen, den Koks vollständig zu CO₂ zu verbrennen. Die Kohlenstoffatome, welche für die Oxidreduktion erforder­ lich sind, werden bei deren Herstellungsvorgang eingeführt und sind auf diese Weise in der agglomerierten Masse enthalten, so daß die hauptsächliche Begrenzung einer höheren Produktivität des Hochofens, d. h. die schwierige Durchdringung der redu­ zierenden 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 Fe₂O₃ durch Kohle zu erzielen), da das Reduktionsmittel gleichmäßig in der agglomerierten Masse verteilt ist.

Die obenerwähnten Beispiele zeigen die Schwierigkeiten beim Reduzieren eines Oxidteilchens, beispielsweise eines bekannten Pellets beim Durchgang durch die reduzierende Atmosphäre eines Hochofens, wobei die erste Behinderung darin besteht, daß die CO-Moleküle bereits beim Eindringen in die Mikroporen eines Pellets oder eines Sinters in N₂ verdünnt sind, um mit dem Oxid der auf­ einanderfolgenden weiter innen liegenden Schichten derselben Pellets oder Sinter zu reagieren. Folglich, obwohl die Reaktion in der Außenschicht des Teilchens vergleichsweise leicht er­ folgt, nimmt in tieferen Schichten in Richtung des Kernes die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell ab, so daß hohe Verweil­ zeiten 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/CO₂ ausgedrückt werden kann, welche bei bekannten Öfen am Oberende etwa 1 : 1 beträgt.

CO|22%
CO₂	24%
N₂	52%
H₂O und andere	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 Gas­ permeabilität führt zu den Reduktionen in Hochöfen mit großer "Koksrate", welche zwei Jahrzehnte zuvor berühmt wurden. Die Möglichkeiten neuer Fortschritte in dieser Richtung sind je­ doch nahezu erschöpft.

Die Investitionskosten zusammen mit den Produktionskosten be­ züglich der Vorbereitung der Charge eines Hochofens, d. h. die Verwendung von Sinter oder Pellets an Stelle von Erz sind be­ reits Teil der üblichen Abläufe bei der eisenmetallurgischen Produktion. Diese Vorbereitung zielt jedoch dahin, ein Teil­ chen zu erzeugen, welches für ein Reduktionsgas permeabel ist und welches eine richtige Permeabilität der Gesamtcharge für dieses Gas garantiert, und zwar auf Grund der gleichbleibenden Teilchengröße und des Fehlens an Feinstoffen. Mit anderen Wor­ ten wird versucht das Gas-Feststoffmodell zu optimieren, wel­ ches der bestimmende Faktor zur Zeit der Verwendung von Erz war, welches jedoch nicht notwendigerweise zur Zeit das rich­ tige Modell ist, wenn in Betracht gezogen wird, daß man be­ reits mit intensiver Chargenvorbereitung begonnen hat.

Das erfindungsgemäße Pellet vermeidet im Gegensatz hierzu das Reduktionsgas-Feststoffmodell, welches durch Konstruktion eines Teilchens ersetzt wird, das bereits die Kohlenstoffatome enthält, die für die Reduktion erforderlich sind und welches als individulle 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 vor­ liegenden 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 eine reduzie­ rende 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 auf Grund des Luftüberschusses die Umkehr von CO₂ zu CO auf ein Minimum absenkt.

Die Erfordernisse an Koks zum Schmelzen von Metall und Schrott und Reaktionschargen bei der Oxidreduktion als Funktion der vorliegenden Erfindung liegen bei etwa 150-250 kg pro Tonne produziertem Metall an Stelle 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 schreitet, nahezu augen­ blicklich vom Umfangsbereich zum Kern fort, so daß die 6- bis 7stündige Verweilzeit auf ein Maximum von 2 Stunden ver­ ringert wird. Die Zeit ist lediglich durch die Wärmeübertragung vom Gas auf die Materialien beschränkt, so daß die Produktions­ kapazität 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, Holz­ kohlestaub und Koksstaub verwendet. Es ist daher möglich, die Reduktionskosten erheblich zu senken im Vergleich mit dem der­ zeitigen Verfahren, bei welchem diese Reduktionsmittel aus auf­ bereiteten und teuren Stoffen, wie metallurgischen Koks, stammen.

Mit dem verdoppelten volumetrischen Output und dem durch­ gängigen halbreduzierten Verbrennen von Koks ist die Ver­ wendung von Koks mit hohen Aschegehalten als Reduktionsmittel möglich. Die Steigerung der Produktivität, welche sich aus der Verringerung der Verweilzeit auf Grund höherer Reaktions­ geschwindigkeiten ergibt, ist sicher höher als die Verringe­ rung der Produktivität auf Grund des hohen Aschegehaltes des Reduktionsmittels und des verwendeten Brennstoffs. Anderer­ seits ermöglicht der gleiche Output an volumetrischer Produk­ tivität 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 verringer­ ten CO₂-Gehalt von 6 bis 8% im Vergleich von 22 bis 24% wie bisher, auf, so daß die bisherige Verschwendung 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 er­ zeugt wird.

Durch die vorliegende Erfindung kann ferner eine der Spitzen des Wärmeverbrauchs im klassischen Kreis der traditionellen integrierten Eisenmetallurgie vermieden werden, nämlich die Agglomeratproduktion, da die erfindungsgemäßen selbstredu­ zierenden Einsatzstoffe kalthärtend sind. Die Bedeutung des hohen Wärmeverbrauchs bei der Koksproduktion wird ver­ ringert, und zwar auf Grund der Verringerung des Koksbedarfes auf 1/3. Hierdurch wird ebenfalls viel Energie eingespart.

Auf Grund der Tatsache, daß die vorhandenen Anlagen leicht der vorliegenden Erfindung angepaßt werden können und gleich­ zeitig die Produktionskapazität der Hauptanlagen der Re­ duktionsverfahren vervielfacht werden kann, kann das beschriebene Verfahren innerhalb kürzester Zeit eingeführt werden. Lager­ kosten werden gleichzeitig verringert und wegen der anschlie­ ßenden Ersparnisse ist mit hoher Rentabilität zu rechnen.

Claims (6)

1. Kaltpellet zur Roheisenerzeugung, welches aus einer Mi­ schung von Oxiden, Reduktionsmittel und Bindemittel be­ steht, gekennzeichnet durch fol­ gende Zusammensetzung:

• a) Eisenoxide in Gehalten zwischen 50 und 85 Gew.-%,
• b) Reduktionsmittel bestehend aus Kohle, Holzkohle oder Koks oder einer Mischung dieser Stoffe im Bereich zwischen dem ein- bis zweifachen der stöchiometrisch erforderlichen Menge zur Oxidreduktion und
• c) Zement in Gehalten zwischen 2 und 10 Gew.-%.

2. Kaltpellet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenoxide aus Pyritabbrand, Eisenerzfeinanteilen, Ei­ senoxidstaub aus der Staubsammlung von eisenmetallurgischen Öfen, Zunder und Mischungen dieser Oxide in beliebigen Zu­ sammensetzungen bestehen.

3. Kaltpellet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Reduktionsmittel aus verschiedenen Koksarten, Holzkohle und Kohle zusammengesetzt ist, einschließlich solcher mit hohem Aschegehalt.

4. Kaltpellet nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichent, daß das Bindemittel aus Hochofen- Portland-Zement, Pozzuolan-Portland-Zement, Portland-Ze­ ment, Kohlenaschen mit pozzuolanischen Eigenschaften und Mischungen letzterer besteht.

5. Kaltpellet nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Pellet oberflächlich mit einer dünnen Schicht eines in Wassersuspension befindlichen Bindemittels überzogen ist, welches aus Zement, Kalk, Ben­ tonit oder Natriumsilicat - einzeln oder in Mischung - be­ steht, wobei in der Wassersuspension der Anteil an Binde­ mittel 5 bis 50 Gew.-% und an Eisenoxidstaub bis zu 30 Gew.-% beträgt.

6. Verwendung des Kaltpellets nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Beschickungsmaterial für Hochöfen bis zu 100 Gew.-%, bezogen auf den eisenhaltigen Einsatz.