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Verfahren zur Reduktion von Metalloxyden, insbesondere Eisenerzen,
in senkrechten, von Heizkanälen umgebenen geschlossenen Kammern Es sind Verfahren
und Vorrichtungen bekannt zum Reduzieren von Metalloxyden, insbesondere von Eisenerzen,
zu Metallen in einzelnen senkrechten, von Heizgasen umspülten geschlossenen Kammern,
in denen die Erze, mit Reduktionsmaterial gemischt, in stetem Fluß einem Vorwärme-,
Reduktions- und Kühlvorgang unterworfen werden. Die Erfindung besteht neben einer
an sich bekannten batterieartigen Zusammenfassung der Kammern, ähnlich wie bei Koksöfen,
in der Hauptsache darin, daß jede Kammer in bestimmten und begrenzten Zonen durch
gesonderte Wärmequellen erhitzt wird, und daß in den verschiedenen Stufen der Reduktionszonen
die für die Durchführung der Reaktionen günstigsten Temperaturen aufrechterhalten
werden, wobei der, letzten Reduktionsstufe, z. B. dem Übergang von Fe0 zu Eisenschwamm,
die größte Wärmemenge zugeführt wird unter Einhaltung einer Temperatur, die hoch
genug ist, um eine rasche und vollständige Reduktion zu gewährleisten, aber niedrig
genug, um ein Sintern, Erweichen oder Schmelzen des Gutes vor Vollendung des Reduktionsprozesses
auszuschließen: Die bekannten Verfahren, bei denen die Erze in Retorten oder retortenähnlichen
Kammern reduziert werden, haben sich "deshalb in der Praxis nicht bewährt, weil
bei - allen bisher bekannt gewordenen Verfahren einige Punkte von Bedeutung, insbesondere
die Notwendigkeit sorgfältiger Innehaltung bestimmter Temperaturgrenzen an bestimmten
Stellen, übersehen worden sind. Daher treten bei den bisher bekannten Verfahren
häufig Sinterungen, Erweichungen und Schmelzungen auf, so daß die Reduktion unvollkommen
ist, die Beschickung in den Öfen -oft hängenbleibt und die Gase nicht vollkommen
ausgenutzt werden. Bei einem dieser Verfahren sind zwar mehrere Kammern zu einer
Gruppe zusammengefaßt, indessen ohne daß Vorrichtungen zur Regelung der Temperaturen
und der in ihrem Verlauf davon abhängigen Reaktionen oder gesonderte Wärmequellen
zwischen den Kammern vorgesehen sind.
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Die Reduktion von Eisenoxyd zu Eisen verläuft bekanntlich in drei
Stufen, von denen die letzte einen höheren Wärmebedarf, höhere Temperaturen und
ein viel größeres Übergewicht von CO gegenüber CO.. verlangt - als die ersten beiden
Stufen. Um das Verfahren hinsichtlich des Wärmebedarfs so sparsam wie möglich zu
gestalten, ist
die Wärmezufuhr und die Temperatur dem Wärmebedarf
der einzelnen Zonen anzupassen. -Die notwendigen Wärmemengen und Temperaturen für
die Reduktionsvorgänge sind aus folgender Tabelle ersichtlich:
| i. Reduktion von Fe..03 zu Fe304 schwach etothermisch, verläuft
bei 3oo`. |
| Für je iooo kg Fe Wärmegewinn . . . .. .. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . ... . . . . . . . . . 16 5oo kg cal. |
| Für die Erwärmung auf 3oo ° Wärmebedarf . . . . . . . . : .
. . . . . . . . . . . . . . . . 241000 |
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| Wärmebedarf .... 224 500 kg cal. |
| 2. Reduktion von Fe304 zu Fe0 endothermisch, verläuft bei 7oo°. |
| Für je iooo kg Fe Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . ..
. . . . . . . . . . : . . . . . . . . 164 000 kg cal. |
| Für die Vorwärmung von 500' auf 7oo ° Wärmebedarf .
. . . . . . . . . . . . . . . 13 000 - - |
| Summe .... 177 000 kg cal. |
| 3. Reduktion von Fe0 zu Fe endotherniisch, verläuft bei goo°. |
| Für je iooo kg Fe Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . ... . : . 534 000 kg cal. |
| . Für die Erwärmung von 700' auf goo ° Wärmebedarf .
. . . . . . . . . . . . . . . 52000 - - |
| Summe .... 586 ooo kg cal. |
| Gesamtwärmebedarf .... 987 500 kg cal. |
In Prozenten ausgedrückt beträgt der Wärmebedarf: i. Fe.
0, zu Fe, 04 22,7
°/o des Gesamtwärmebedarfs, 2. Fe304 zu Fe0 18 °/o des Gesamtwärmebedarfs, 3. Fe0
zu Fe
59,3 % des Gesamtwärmebedarfs.
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\Tach der Erfindung werden die Erze in einer Reihe nebeneinander angeordneter
Kammern von an sich bekanntem langem, schmalem waagerechten - Querschnitt an den
Wärmequellen vorbeigeführt, um in jeder Stufe. der Reduktion genau die Temperaturen
aufrechtzuerhalten und genau die Wärnzemengen zuzuführen, die für den günstigen
Verlauf der Reduktion erforderlich sind.
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Die Kammern sind zu diesem Zweck durch schlangenförmig übereinander
angeordnete Heizkanäle, die zur Aufnahme der Wärmequellen bestimmt sind, eingeschlossen.
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Weitere 'Merkmale des Verfahrens bzw. der Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung
dargestellt. Abb. i ist eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht eines
Ofens, der mit--ierKammern versehen ist, von denen zwei im Schnitt dargestellt sind.
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Abb. 2 ist ein senkrechter Querschnitt durch eine der Kammern nach
Abb. i und veranschaulicht die Beheizung.
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Abb.3 ist ein der Abb.2 entsprechender Querschnitt durch eine abgeänderte
Ausführungsform, bei der die Reduktionswärme durch elektrische Widerstände geliefert
wird.
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Abb.4 ist ein teilweise senkrechter Querschnitt der Bauart nach Abb.3
und- veranschaulicht die Art der Regelung der Temperaturen der Kammern.
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Abb.5 ist ein teilweiser senkrechter Querschnitt, ähnlich wie bei
AM. 2 und 3, der eine abgeänderte Ausführung der Beheizung veranschaulicht,
und Abb.6 ein teilweise' Querschnitt der Bauart nach Abb. 5.
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Der folgenden Beschreibung wird zunächst die Abb. i zugrunde gelegt.
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In dem Bauwerk i sind batterieartig- eine beliebige Zahl von Kammern
2 nebeneinander angeordnet, deren Querschnitt die allgemeine Form eines sehr schmalen
Rechteckes hat. Die Kammern 2 sind 'von übereinander -angeordneten Heizkanälen 3
umgeben, wobei als Material für die Trennwände zwischen Kammer und Heizkanälen in
der Vorwärme- und Kühlzone Eisen, in der Reduktionszone feuerfestes, gut wärmedurchlässiges
Material, wie Karborundum, vorgesehen ist. Die Eisenwände 4 der Kühlzone sind so
ausgebildet, daß übereinanderliegende Kanäle 5 für Kühlluft entstehen, die durch
Leitungen 6 zugeführt wird. Mit 7 sind Öffnungen an der Vorder- bzw. Hinterseite
der Heizkanäle für Brenner 8 bezeichnet. Bei g wird die in den Kanälen 5 der Kühlzone
vorgewärmte Luft in die Heizkanäle 3 geleitet. Durch den Kanal 1o werden die Abgase
der Heizkanäle nach Kühlung an den Wänden der Vorwärmezone. der Kammern angeleitet.
ir sind Aufgabetrichter für die Beschickung, 12 drehbare Zellenräder zur Einbringung
der Beschickung in die Kammern 2 unter Luftabschluß, 13 sind Bedienungsöffnung en.
Das aufgegebene Gut, Erz und Reduktionsmittel, gleitet in stetem Fluß durch die
Kammern 2 hindurch, wird in der Vorwärmezone von den Abgasen aus den Heizkanälen
3 vorgewärmt, in der Reduktionszone unter genauer Einhaltung bestimmter- Temperaturen
reduziert
und in der Kühlzone gekühlt, um schließlich durch die drehbaren Austragzellenräder
r5 auf beliebige Fördervorrichtungen, $. B. Wagen zg, zu gelangen. Die Reduktionsgase
können an beliebige Stellen durch Leitungen 2o und 2x aus den Kammern 2 abgeführt
werden.
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Statt einer Beheizung der Heizkanäle mit Gas, Ö1, Kohlenstaub o. dgl.
ist auch eine Beheizung mit elektrischen Heizkörpern 23 (Abb. 3 und q.) möglich.
In diesem Falle wird die Kühlluft der Kühlzone durch die Kanäle 25 den Vorwärmekanälen
24 zugeführt, so daß diese Luft lediglich als Wärmeträger dient. Die Beschickung
kann durch Kippwagen 22 aufgegeben werden.
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Durch Zusammenfassung der Kammern unter Einschluß der Heizkanäle zu
Gruppen oder Batterien, ähnlich den Koksöfen, werden zunächst die Strahlungsversuche
aufs äußerste vermindert. Die einzelnen Kammern bestehen aus langen, schmalen, tiefen
Räumen. Jede von ihnen hat in bestimmter gleicher Höhe eine Reduktionszone.
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Die Reduktionsmittel werden den Erzen bei der Beschickung-in fester
Form oder durch Einführung von Kohlenwasserstoffen oder reduzierenden Gasen, z.
B. CO, beigegeben. Die Speisung der Kammern mit Erzen unter Zusatz von festen Reduktionsmitteln
und die Abführung des Eisenschwammes und der Gangart wird unter Luftabschluß, z.
B. durch Zellenräder, bewirkt. Die Heizkammern der Reduktionszone bestehen, wie
gezeigt, aus übereinander angeordneten Kanälen, durch die die Heizgase beispielsweise
schlangenförmig hindurchgeführt werden. Hierbei sind je nach Bedarf an den Umführungsstellen
(Krümmern) Vorrichtungen vorgesehen, . um eine genaue Regelung der Wärmemenge zu
bewirken. Diese Vorrichtungen können beispielsweise in Ventilen und Zusatzdüsen
für Einbringung frischer Verbrennungsgase bestehen. Derartige Regelungsorgane können
in beliebiger Art und Zahl in der ganzen Reduktionszone angeordnet sein.
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In bekannter Weise geht in der Reduktionszone die Reduktion des Erzes
in einzelnen Stufen entsprechend den bestimmten Temperaturen vor sich, wobei der
Kohlenstoff des Reduktionsmittels sich mit dem Sauerstoff des Erzes verbindet. Es
entwickelt sich dabei ein brennbares Gas. das wegen des Abschlusses der Luft praktisch
keinen Stickstoff und bei richtiger Durchführung des Verfahrens nur sehr geringe
Mengen von CO. enthält. Je nach der Natur des Reduktionsmittels werden auch verschiedene
Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf in dem Gas enthalten sein. Das Gas wird in seiner
Zusammensetzung in den einzelnen Zonen verschieden sein und kann an verschiedenen
Stellen des Ofens aus den Reduktionskammern entnommen und zur Beheizung der sie
umgebenden Heizkammern oder zu anderen Zwecken benutzt werden.
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In allen Zonen, besonders in der heißesten, ist für einen ständigen,
Überschuß an Reduktionsmitteln zu sorgen. Der im fertigen Erzeugnis noch vorhandene
Kohlenstoff (Koks, Holzkohle u. dgl.) kann leicht von dem reduzierten Erz getrennt
und wieder als Reduktionsmittel verwendet werden.
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Wird das in der Reduktionskammer entstehende stickstoffarme, an Kohlenoxyd
und Kohlenwasserstoffen reiche Gas abgezogen und in den Heizkammern unter Zuführung
von Verbrennungsluft verbrannt, so leuchtet ein, daß auf diese Weise eine vollkommene
Ausnutzung der insgesamt in den Ofen eingebrachten Wärmemenge erreichbar ist. Es
hat sich herausgestellt, daß bei Anwendung dieses Verfahrens für die Tonne metallischen
Eisens nur- etwa .40o bis 5oo kg Kohlenstoff notwendig sind, womit es beispielsweise
dem Hochofen, der bekanntlich im besten Falle je Tonne Eisen etwa goo kg Kohlenstoff
'verbraucht, weit überlegen ist. Durch die in zwei getrennten Stufen, aber im gleichen
Ofen vor sich gehende vollkommene Verbrennung des gesamten Kohlenstoffs zu
CO.
entsteht ein Gichtgas, -das praktisch außer einem Rest von fühlbarer
Wärme keine Energie mehr besitzt. - Dies zeigt deutlich die Vorzüge des Verfahrens
gegenüber dem Hochofen, bei dem es bekanntlich nicht gelingt, die Energie des Reduktionsmittels
innerhalb der sich in ihm abspielenden Vorgänge auszunutzen.
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Die Verbrennungsgase der Heizkanäle können zur Vorwärmung der Vorwärmezone
ausgenutzt werden, so daß sie kühl entweichen.
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Will man, ähnlich wie beim Hochofen, das brennbare, aus der Reduktion
entstehende Gas zu anderen Zwecken, d. h. außerhalb des Ofens, verwenden, z. B.
zum Trocknen oder Brennen anderer Stoffe oder zu Kraft- oder Leuchtzwecken, so steht
dem nichts im Wege, und es ist möglich, die Beheizung der Heizkanäle durch andere
Wärmequellen, z. B. Öl, Naturgas, Generatorgas, Kohlenstaub usw., oder auf elektrischem
Wege vorzunehmen.
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Zur weiteren besseren Ausnutzung der Wärmemengen wird in der Kühlzone
die Verbrennungsluft für die Heizkanäle vorgewärmt; ist die ZU-' führung von Verbrennungsluft
nicht notwendig, z. B. bei Benutzung von elektrischen Heizkörpern in den Heizkanälen,
so kann diese Luft in besonderen Kanälen innerhalb des Ofens der Vorwärmezone der
Kammern zugeführt werden, so daß die Luft nur als Wärmeträger dient.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber allen bisher bekannten
Verfahren bestehen darin, daß die Wärme dort erzeugt und in sparsamster «"eise verwendet
wird, wo
sie nach der Eigenart der verschiedenen Reaktionen t gebraucht
wird, daß die Temperaturen so geregelt werden können, daß jede unnötige und schädliche
Wirkung, z. B. Sinterung oder Reduktion der Gangart, vermieden wird und daß sowohl
in den Reduktionskammern` wie in den Heizkammern ein an Kohlenoxyd äußerst reiches
Gas zur Verwendung gelangt. Die batterieartige Zusammenfassung bringt insbesondere
den Vorteil mit sich, da ß jede Wärmequelle wesentlich durch das zu
reduzierende
Erz gewissermaßen utrschlossen wird und für den sich in unmittelbarer N ähe von
ihr sich abspielenden Reduktionsvorgang vollkommen ausgenutzt wird.