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Verfahren zum Verfestigen mit Brennstoff vermischter feiner;-Eisenerze
u. dgl. im Schachtofen. _ Beim Agglomerieren von Zusammenballungen aus feinen Eisenerzen
mittels Koksgrus im Schachtofen wurde vereinzelt ein Erzeugnis erhalten, welches
bei beträchtlicher Festigkeit eine wesentlich höhere Porosität aufwies,- als sie
beim normalen Sintervorgang auftrat. Mit dem letzteren ist infolge des teilweisen
Schmelzens nämlich * immer eine gewisse Verglasung verbunden. Die guten Eigenschaften
des eingangs erwähnten Erzeugnisses gaben darum zur Nachforschung nach den Bedingungen,
unter denen es sich bilden konnte, Veranlassung und weiter auch zu der Aufgabe,
den Ofenbetrieb im Sinne dieser Bedingungen zu führen. Für die Weiterverarbeitung
im Hochofen hat nämlich dasjenige Agglomerat den größeren Wert, welches bei annähernd
gleicher Festigkeit am wenigsten verglast ist.
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Als Ursache für das Auftreten eines sehr porösen Agglomerates in dem
mit Koksgrus befeuerten Schachtofen wurden Ausnahmebedingungen erkannt, die in Zufallsmomenten
der Feuerführung liegen, und die darauf hinauslaufen, daß das in der eigentlichen
Sinterzone noch nicht verglaste Stück kurz danach in Berührung mit außerordentlich
heißer Luft kommt, aus welcher es Sauerstoff unter Überführung von Oxydul oder Oxyduloxyd
zu Oxyd aufnimmt. Diese Anlagerung von Sauerstoff wirkt ähnlich einem Kristallisationsvorgange,
der sich gleichmäßig im Innern des Stückes vollzieht und eine Verkittung der einzelnen
Stückchen innerhalb des Skeletts bei entsprechender Raumvermehrung zur Folge hat.
Da aber die Menge des angelagerten Sauerstoffs verhältnismäßig nur gering ist, so
tritt die Abnahme des Porenraumes kaum in Erscheinung, dagegen ist die Festigkeitszunahme
infolge der Sauerstoffanlagerung ganz bedeutend.
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Das neue Verfahren ermöglicht es nun unter anderen, die Bedingungen
für das Auftreten der erwähnten Erscheinung dauernd im Ofen- -betrieb einzuhalten,
so daß danach ein für die Weiterverarbeitung hervorragend geeignetes Agglomerat
erhalten wird.
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Das Verfahren besteht darin, daß man dem Schachtofen Zusammenballungen
mit etwas darin gleichmäßig verteiltem, feinem Kohlenstoff zuführt, daß man sie
in einer verhältnismäßig niedrigen Schicht über der Verbrennungszone bei nur mäßiger
Versinterung schnell erhitzt, um durch den beigemischten Kohlenstoff Eisenoxyd zu
Oxydul zu reduzieren, und daß man die Erhitzung durch gasförmigen Brennstoff (z.
B. Gichtgas, Generatorgas, Mischgas o. dgl.) bewirkt, wobei dieses Gas in die Verbrennungszone
eingeführt und mittels im Ofen aufsteigender Luft verbrannt wird.
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Man kann das Verfahren auch noch so ausführen, daß man die Zusammenballungen
durch Beimischen von genügendem Kohlenstoff und durch Regelung der Gaszufuhr oberhalb
der Verbrennungszone und in der letzteren in höherem Grade reduzierend erhitzt,
also
größere Mengen von Oxydul oder Metall erzeugt, ohne sie dabei überhaupt oder doch
stärker zu versintern, und dann die eigentliche Verfestigung unterhalb der Verbrennungszone
durch die mit der Rückoxydation verbundene Anlagerung von heißem Sauerstoff in Verbindung
mit der dabei unter den genannten Betriebsbedingungen auftretenden, bedeutenden
Temperaturzunahme bis zur Sinterhitze herbeiführt.
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Das Verfahren wird z. B. so ausgeführt, daß man einen zylindrischen
oder sich nach unten mäßig erweiternden Ofenschacht oben mit Preßkörpern aus einer
Mischung von Feinerz mit einer geringen Menge von feinem Koks beschickt. Ziemlich
dicht unter der Oberfläche, z. B. in i m bis 1,5 m Abstand, führt man durch Düsen
Gichtgas unter Druck in regelbarer Menge ein. Die Verbrennungsgase werden oben abgesaugt,
wodurch ständig Luft von unten nachdringt, die sich im Gegenstrome an dem fertigen
Erzeugnis vorwärmt und mit hoher Temperatur in der Verbrennungszone auf das Gas
trifft. Der unterhalb der Gasdüsen liegende Kühlraum ist dabei zweckmäßig erheblich
höher, z. B. 3 bis 5 m, als der Ofenteil oberhalb der Gasdüsen. Der Ofen wird vorteilhaft
durch geeignete Vorrichtungen ununterbrochen beschickt, und ebenso wird das fertige
Erzeugnis nach Maßgabe des Feuerfortschrittes entleert.
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Die durch das neue Verfahren ermöglichten Verbesserungen gegenüber
der Beheizung mit festen Brennstoffen lassen sich am besten an Hand eines Zahlenbeispiels
nachweisen. Im letzteren Falle verbrennt Kohlenstoff und im ersteren Falle hauptsächlich
Kohlenoxyd; das Verbrennungserzeugnis ist in beiden Fällen Kohlensäure. Nun entwickelt
i kg Sauerstoff beim Verbrennen von Kohlenstoff zu Kohlensäure
z kg Sauerstoff entwickelt dagegen beim Verbrennen von Kohlenoxyd zu Kohlensäure
Mit anderen . Worten heißt dieses, daß zur Entwicklung gleicher Wärmemengen beim
Verbrennen von Kohlenoxyd nur 72 Prozent der für Kohlenstoff erforderlichen Luftmenge
nötig sind. Diese beträchtlich geringere Luftmenge vermag sich aber beim Aufsteigen
im Ofen an dem fertigen Sintererzeugnis auf eine entsprechend höhere Temperatur
vorzuerwärmen. Die heißere Luft bewirkt dann aber auch mit Priel größerer Intensität
die Rückoxydation unterhalb der Verbrennungszone, zumal sie infolge ihrer geringeren
Menge bei der gleichzeitig einsetzenden Wärmeentwicklung auch weniger Wärme zur
Erhöhung der Eigentemperatur verbraucht. Sehr heiße Luft ist deshalb sogar imstande,
die Rückoxydation finit einer solchen Wärmesteigerung auszuführen, daß dadurch die
höchste Temperatur unterhalb der Verbrennungszone liegt und sich hier der Vorgang
der Versinterung vollzieht. Eine solche Versinterung wird aber in ihrem Grade auf
das zulässige Maß beschränkt, weil sie an das Eindringen von Sauerstoff in das Innere
der Stücke gebunden ist und dieses Eindringen bei zunehmender Verdichtung aufhört.
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Der Unterschied in der Temperatur der vorgewärmten Luft bei Kohlenoxyd
gegenüber Kohlenstoff ist nun für das Ergebnis noch wesentlich größer, als es das
obige Zahlenverhältnis ausdrückt. Auch dieses zeigt ein Zahlenbeispiel. Rechnet
man damit, daß in. einem Fall 8 Prozent Koksgrus vom fertigen Sintererzeugnis gebraucht
werden, daß x kg Koksgrus mit dem praktisch erforderlichen Luftüberschuß 1o cbm
Luft verbraucht, daß die Sinterung bei 125o ° erfolgt, daß die spezifische Wärme
des Sintererzeugnisses im Mittel o,18 ist, und daß zur Erhöhung der Temperatur von
i cbm Luft um i° 0,3i W. E. gebraucht werden, daß ferner eine vollständige und verlustlose
Wärmeübertragung aus dem Sintererzeugnis an die Verbrennungsluft stattfindet, so
ergibt sich folgende Rechnung für die Temperatur T der in die Verbrennungszone eintretenden
Luft
Beim Verbrennen von Kohlenoxyd sind nur 72 Prozent der obigen Luftmenge erforderlich,
deren Temperatur T1 wird also beim Eintreten in die Verbrennungszone 226o° betragen.
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Diese Rechnung wurde unter der Annahme einer verlustlosen Wärmeübertragung
durchgeführt, die aber für praktische Verhältnisse natürlich nicht zutrifft. Die
gesamte vom Ofenschacht unterhalb der Verbrennungszone ausgestrahlte Wärme ist so
aufzufassen, daß sie auf Kosten der Luftvorwärmung erfolgt und eine entsprechend
niedrige Lufttemperatur zur Folge hat. Deshalb werden auch bei festem Brennstoff
keine 9o6° erreicht, sondern beträchtlich weniger, vielleicht 750° bei einem schnell
betriebenen Ofen. Ebenso gilt dieses für Kohlenoxyd, wobei das obige Rechnungsergebnis
allerdings nur hypothetischen Charakter hat, denn die Luftvorwärmung kann natürlich
nicht über die mit 125o° angenommene Sintertemperatur hinausgehen; man darf aber
wohl mit iooo bis 105o° rechnen. Erst bei einer so hohen Temperatur erfolgt aber
überhaupt die Rückoxydation genügend lebhaft, während sie bei der kälteren Lufttemperatur
im
normalen Koksbetrieb überhaupt nicht eintritt und nur infolge zufälliger Ofenstörungen
an den eingangs erwähnten Erzeugnissen auftreten und beobachtet werden konnte.
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Besonders wichtig ist aber die hohe Luftvorwärmung dann, wenn durch
die Rückoxydation unterhalb der Verbrennungszone eine Temperatursteigerung des Sintererzeugnisses
zwecks teilweiser Verfestigung auch durch Sintern erreicht werden soll. Bei der
Oxydation von 1 kg Fe in der Form von Fe 0 zu Fee 03 wird eine Wärmemenge von 571
W. E. frei. Nimmt man nun an, daß in 1 kg Erz nur o,2 kg Fe vorher zu Fe 0 reduziert
und nachher zu Fee 03 rückoxydiert werden, so werden damit 114,2 W. E. frei. Diese
Wärmemenge erhöht die Temperatur des Erzstückes (dessen spezifische Wärme bei dieser
Temperatur zu 0,2o gesetzt sei) und der Luft um
Hat nun die Luft vor Eintreten der Reaktion bereits die hohe Temperatur von zooo
° gehabt, so genügt diese mäßige Steigerung zur Herbeiführung der Sinterhitze; denn
man braucht nur 125o°, während hier 13o2° zu erreichen sind. Trotzdem findet keine
Schmelzung statt; denn die Oxydation und damit auch die Wärmezufuhr hört auf, sobald
das Gefüge durch die Sinterung eine gewisse Verdichtung erreicht hat. Der Ofenbetrieb
läßt sich also in sehr einfacher Weise führen.
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Eine solche Arbeitsweise hat außerdem noch den großen Vorteil, daß
man dadurch selbst ein heizschwaches Gas verwenden kann; denn in und oberhalb der
Verbrennungszone soll die Temperatur gar nicht auf volle Sinterhitze steigen. Die
bei der Rückoxydation frei werdende Wärmemenge nimmt ferner noch ganz beträchtlich
zu, wenn man Eisenoxyd zu Metall reduziert, selbst wenn dieses nur bei einem geringen
Anteil der Fall ist. Vor allem erfolgt aber die Rückoxydation ebenso wie die Reduktion
vorwiegend im Innern der Zusammenballungen, und dort entwickelt sich auch die Wärme.
Dadurch bekommen die einzelnen Zusammenballungen in sich eine hohe Festigkeit, äber
sie neigen weniger dazu, zu größeren Klötzen zusammenzuschweißen. Letzteres geschieht
dagegen, wenn die zur Sinterung erforderliche Wärme durch Verbrennen von festen
oder gasförmigen Brennstoffen zwischen den Zusammenballungen entwickelt wird.
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Der Gedanke, die bei der Rückoxydation des vorher reduzierten Erzes
auftretende Wärme zur Sinterung heranzuziehen, ist an sich bereits bekannt und z.
B. in den Patentschriften 263773, 286607 und 294708 behandelt. In der Ausführung
unterscheidet sich das vorliegende Verfahren davon aber dadurch, daß ein besonders
poröses Erzeugnis an Stelle einer Schlacke oder große Stücke an Stelle kleiner erhalten
werden, und daß man die Beheizung durch, vollkommen verbrennendes Gas, die Reduktion
dagegen durch wenig im Erz fein verteilten Kohlenstoff bewirkt.