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Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Metalloxyden, insbesondere
Eisenerzen, ohne Schmelzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von
Metalloxyden, insbesondere Eisenerzen, ohne Schmelzen, bei dem das Erz in Anwesenheit
von Reduktionsmitteln durch eine auf :einer bestimmten Temperatur gehaltene Reduktionszone
stetig hindurchgeführt wird, in welcher von Heizkammern aus Wärme auf den Erzstrom
übertragen wird.
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Es sind schon Verfahren vorgeschlagen worden, bei welchen Erz und
Reduktionsmittel in der Reduktionszone unmittelbar beheizt wurden. Nun ist es für
ein Verfahren der vorliegenden Art von besonderer Wichtigkeit, daßeine bestimmte
Temperatur in der Reduktionszone aufrechterhalten wird und die Möglichkeit gegeben
ist, eine bestimmte Menge von Wärmeeinheiten zuzuführen. Wenn die die Temperatur
erzeugenden Mittel unmittelbar an die Retorte angrenzen, so besteht leicht die Gefahr,
daß das reduzierte Eisen an den Wandungen anhaftet.
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Diesen Nachteil vermeidet die vorliegende Erfindung, und zwar wird
gemäß der Erfindung die Übertragung der Wärme von den Heizkammern auf die Retorte
über eine zwischen beiden angeordnete Ausgleichzone bewirkt. Durch dieses Mittel
gelingt es, die Reduktionszone von einer Wärmeerzeugungszone aus zu beheizen, in
welcher eine Temperatur von über 1300' C aufrechterhalten werden kann, so
daß damit den Retorten eine erheblich größere Anzahl von Wärmeeinheiten zugeführt
und die Redul,-ti.onsgeschwindigkeit gesteigert werden kann. Die Ausgleichkammern
zwischen Wärmequelle und Reduktionszone machen es möglich, die Retortenwandungen
gefahrlos aus Metall herzustellen und dadurch die Arbeitsgeschwindigkeit zu steigern
und gleichzeitig die Herstellungskosten zu verringern.
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Beim Durchgang durch die Reduktionszone wird das Erz zweckmäßig in
einem Strom von verhältnismäßig großer Breite und geringer Tiefe geführt, so daß
der Ausgleichzone eine große Fläche des Erzstromes dargeboten wird. Insbesondere
sieht die Erfindung vor, daß das Erz durch die Ausgleichzone in zweckmäßig in einer
Ebene nebeneinander angeordneten und vom Speicherraum im wesentlichen allseitig
umschlossenen Einzelretorten geführt wird.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben.
In diesen ist Fig. 1 .ein lotrechter Querschnitt durch ein Paar benachbarter Einheiten,
die gemäß der Erfindung konstruiert sind.
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Fig.2 ein waagerechter Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1, der
im besonderen die bevorzugte Konstruktion und Anordnung der
\@erbreniiungskammern,
der Ausgleichkamniern und der auseinandergerückten Retorten zeigt, Fig. 3 ein lotrechter
Schnitt nach Linie 3-, der Fig. i, der die Art der Teilung des Brenners auf einer
Seite der Retorte zeigt, Fig. ,l ein ähnlicher Schnitt nach Linie 4.-¢ in Fig. i.
Er zeigt die Lage der Brenner an der anderen Retortenseite.
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Fig. 5 ist ein Schnitt nach Linie 5-5 in Fig.2 und zeigt die Art der
Anordnung der Gasauslaßrohre und die Bildung der Querabstände zwischen den auseinandergerückten
Retorten.
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Fig.6 ist ein vergrößerter Einzelschnitt eines Teiles des Gasauslaßrohres,
der die Art der Gasabnahme an einem beliebigen festgelegten Punkt zeigt, Fig. 7
ein Längsschnitt ähnlich Fig. i für eine andere Konstruktion der Reduktionsretorte,
Fig.8 eine schaubildliche Teilansicht einer Art der Retortenanordnung gemäß Fig.
7, Fig.9 ein lotrechter Schnitt einer Einheit zur Durchführung des Verfahrens.
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Eine der wichtigsten Aufgaben bei der Reduktion von Eisenerz ohne
Schmelzen ist die Anordnung von geeignet festgelegten Zonen, durch welche das Erz
hindurchgeht, und die Art und Zahl der Wärmeeinheiten, die in den verschiedenen
Zonen zugeführt werden. Die Erfindung ist hauptsächlich auf die Ausgestaltung der
Reduktionszone gerichtet und auf die Art der Regelung der \Värmeanwendung in dieser
Zone.
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Es wird vorzugsweise ein Satz von Einheiten vorgesehen. Von derartigen
Reduktionseinheiten sind zwei in Fig. i dargestellt. Sie sind als Ganzes mit den
Bezugsziffern 1 und 2 bezeichnet. Jede Einheit umfaßt insbesondere eine Vorwärmzone
3, eine Reduktionszone q. und eine Kühlzone 5. In der Ausführungsform ist jede Einheit
oder Retorte lotrecht insoweit, als Zufuhrtrichter 6, gesamte Retortenlänge und
Austrittskörper (Regelschieber) 6- lotrecht übereinanderliegen. Die Zufuhrtrichter
6 sind in der dargestellten Weise offen, weil die Einrichtung, die ununterbrochen
arbeitet und imstande ist, sehr feine Erze zu reduzieren, die Mündung jeder Retorte
bei sämtlichen Temperaturen so abgeschlossen hält, daß dadurch der Austritt von
Gasen verhütet wird.
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Es hat sich gezeigt, daß die wirksame Reduktion von Metalloxyden,
insbesondere von Eisenerzen, am besten dadurch erzielt wird, daß man getrennte Zonen
in der allgemeinen Reduktionszone bildet. Diese getrennten Zonen werden dann bei
einer bestimmten, vorher festgelegten Temperatur erhalten. Es ist hier angenommen,
daß drei solcher Zonen vorhanden sind, von denen die erste mit A, die zweite
mit B und die dritte mit C in Fig. i bezeichnet ist.
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Die Temperaturen, die in jeder besonderen Zone aufrechterhalten werden,
können sich beträchtlich unterscheiden und ebenso die Menge von Wärmeeinheiten,
die jeder Zone zugeführt wird. Bei der Reduktion von Eisenerz wurde festgestellt,
daß die bevorzugte Temperatur für die Reduktion von Fe" 03 zu Fei 04 in der ersten
Zone bis zu 5o0" C liegen soll, und zwar üi Anwesenheit eines entsprechenden Reduktionsmittels,
das in von den beiden unteren Zonen aufsteigenden kohlenstoff- oder wasserstoffhaltigen
Gasen bestehen kann. Die bevorzugte ,Temperatur für dis Reduktion von Fei O., zu
Fe O in der Zone B liegt zwischen 500 bis 700° C, wobei im hohen Maße die
aufsteigenden Gase der Zone C benutzt werden, die sich vorzugsweise m einem festgelegten
Mischverhältnis befind-en, das zwischen 30 % CO bei 70 % CO-und 6o % CO bei 40 %
C02 schwankt. Die in der Zone C aufrechterhaltene Temperatur liegt zwischen
700 und iioo° C, wobei der Betrag an CO zwischen etwa 6o % bis zu annähernd
95 % schwankt. Die Zufuhr von Wärmeeinheiten bei der Eisenerzreduktion beträgt 6o
% zur Zone C für die Ausführung der Schlußreduktion, etwa 22 % zur Zone A und etwa
18 % zur Zone B. Diese Einzelheiten sind nicht besonders wichtig für die
hier beanspruchte Erfindung, doch tragen sie zum Verständnis bei.
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Umeine möglichst völlige Reduktion der Metalloxyde in der Reduktionszone
zu erreichen, ist es vorteilhaft, im wesentlichen die gleiche Temperatur über den
ganzen Beschickungsquerschnitt in den verschiedenen Zonen zu erzielen. Mit anderen
Worten sollte die Durchdringung der Wärme im wesentlichen die gleiche in der Mitte
jedes Erzstromes sein wie am äußeren Rande.
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Eine Retorte langen und schmalen, rechteckigen Querschnittes erfüllt
diese Aufgabe insbesondere dann, wenn ein verhältnismäßig grobes Erz und Reduktionsmittel
gebraucht werden, weil üi diesem Falle die kleinen Gastaschen zwischen den Erzteilchen
die Durchleitung der Wärmeeinheiten durch die Masse gestatten, wodurch es möglich
wird, diese annähernd gleichförmig zu erhitzen. Um vorzüglich die gleichen Ergebnisse
bei der Reduktion von feinen Erzen zu erzielen, ist jede Haupteinheit 1, 2 usw.
in ,eine Mehrzahl von in der Längsrichtung parallel liegenden Retorten 7 unterteilt,
wie am besten aus Fig.2 erkennbar ist. Jede Retorte 7, deren einzelne Teile durch
Gasräume 8 getrennt sind, besitzt vorzugsweise rechteckigen Querschnitt. Dadurch
bilden die
Retorten zusammengenommen, wie Fig. zeigt, wieder eine
Reduktionseinheit oder Gesamtretorte langen und schmalen Querschnittes.
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Dadurch, daß man jede Retorte als Ganzes in bekannter Weise in eine
Mehrzahl von kleinen Retorten zerlegt, hat man offenbar nicht nur den Vorteil eines
langen, dünnen Erzstromes beibehalten, sondern bat außerdem diesen langen und dünnen
Strom in eine Mehrzahl von getrennten Strömen zerlegt, wodurch es den Wärmeeinheiten
ermöglicht wird, zwischen den Teilen hindurchzuströmen und dadurch die mittleren
Teile der sich stetig bewegenden Erzströme besser zu erhitzen. Es werden nicht nur
in dieser ZÄ'eise ZVärmeeinheiten durch den allgemeinen Strom von Erz hindurchgeleitet,
sondern es ist auch in jede Retorte 7 eine Gasausleitungsröhre oder ein Abgasrohr
9 eingesetzt worden. Diese Abgasrohre sind vorzugsweise aus Metall. Da sie mit ansteigenden
Gasen gefüllt sind, so ist .es klar, daß die Wärmeeinheiten nach der Mitte jeder
Retorte zu befördert werden.
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Jedes Abgasrohr 9 reicht vorzugsweise, wie am besten aus Fig. i erkennbar
ist, bis zu einem Punkt unmittelbar über der Schlußreduktionszone abwärts; an bestimmten
Punkten über dem Boden jedes Gasableitrohres sind vorzugsweise zusätzliche Aufnahmeöffnungen
io zur Abführung der Gase an den bestimmten Punkten nach Maßgabe ihres Entstehens
angeordnet. Eine Anordnung für die Ausbildung dieser Aufnahmepunkte ist in Fig.6
im größeren T#Iaßstab.e wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß infolge der verschiedenen
.Temperaturzonen und bei der Verwendung von verschiedenen Oxyden und Reduktionsstoffen
verschiedenartige Gase an verschiedenen Retortenpunkten entstehen; in manchen Fällen
kann es sogar zweckmäßig sein, das Rohr 9 .abwärts durch die Reduktionszone hindurch
fortzusetzen.
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Die Wärmeeinheiten zur Bewirkung der Reduktion können von verschiedenen
Quellen aus zugeführt werden. In der vorliegenden Ausführung wird die Wärme durch
Brenner geliefert. Es sei zunächst die Konstruktion der Reduktionszone betrachtet.
Hier ist ein Satz von in der Längsrichtung sich erstreckenden und im lotrechten
Abstand liegenden Verbrennungskammern i i vorgesehen; diese Kammern sind am anderen
Ende bei 1 2 verbunden, derart, daß ein schlangenförmig gewundener Weg für die Verbrennungserzeugnisse
entsteht.
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Die Brenner in jeder Zonenhöhe sind im Wechsel angeordnet; beispielsweise
ist, wie Fig. 2 zeigt, der Brenner 13 an einem Ende der Verbrennungskammer ,an der
gegenüberliegenden Seite der Reduktionsretorte angebracht. Auch Fig. 3 und 4. zeigen
die besondere Art der Brenneranordnung.
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Die lotrecht übereinanderliegenden undverbundenen Kanäle i i sind
an ihren unteren Enden mit einem Satz von schlangenförmig gewundenen Kühlzügen 15
verbunden und am oberen Ende mit einer Folge von lotrecht übereinanderliegenden
Vorwärmzügen 16, wie Fio-. 1, 3 und ? zeigen. Die Vorwärmzüge sind vorzugsweise
am oberen Ende an einen Fuchs angeschlossen, der geregelt werden kann, damit die
Aufwärtsbewegung der Heizgase in den Kanälen geregelt werden kann, die die Reduktionszone
bestimmen, sowie auch in den Kanälen, die die Vorwärmzone festlegen.
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Durch Anordnung der Brenner zu beiden Seiten der Reduktionsretorte
in der durch Fig. z veranschaulichten Weise wird die Temperatur offenbar in der
besonderen Zone im Mittel ausgeglichen sein. Beispielsweise könnte die Temperatur
an der Eintrittsseite des einen Brenners bei etwa i3ao" C liegen und am gegenüberliegenden
Ende des Zuges etwa auf iogo° abfallen. Der Brenner an der gegenüberliegenden Retortenseite
wird selbstverständlich so angeordnet, daß hier dieselben Verhältnisse vorliegen,
mit dem Ergebnis, daß die Temperatur über die ganze Retortenlänge dann im wesentlichen
konstant ist. Um aber mit noch größerer Sicherheit einen Temperaturausgleich über
die Retortenlänge in einer bestimmten Ebene zu erhalten, ist ein Satz von lotrecht
auseinandergerückten Ausgleichkammern 17 (Fig. 1 und 2) vorgesehen, die zwischen
jeder Verbrennungskammer i i und der Längsreihe von Retorten 7 angeordnet ist.
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Die Ausgleichkammern 17 sind durch die Querkanäle 8 miteinander verbunden,
so daß die Temperatur rings um die Retorte 7 ziemlich genau die gleiche ist und
für eine bestimmte Ebene oder für bestimmte Ebenen vorher festgelegt ist. Mit anderen
Worten schaffen, wie sich aus Fig. i erkennen läßt, zur Aufrechterhaltung der Temperatur
der Retorten in der Höhe der Zone C die gegenüberstehend angeordneten Brenner in
den Enden der Verbrennungskammern i i in diesen Kammern eine bestimmte Temperatur,
die über die Retortenlänge in der Zone C durch die zwischengefügten Ausgleichkainmern
ausgeglichen wird.
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Jede Ausgleichkammer kann von der benachbarten Verbrennungskammer
i i getrennt sein. In Fig. a ist eine bevorzugte Anordnung dargestellt, wonach die
.Trennwand i 8 am :einen Ende im gewissen Grade durchlässig ausführbar ist. Die
Durchlässigkeit nimmt nach dem Ende der Kammer zu;
gleiche Ergebnisse
könnten auch erzielt werden, indem man die Dicke der -Trennwand an dem vom Brenner
entfernt liegenden Ende geringer werden läßt, derart, daß: mit dem Abfall der Flammtemperatur
des Brenners 13 auch die Dicke der Trennwand abnimmt, so daß die Wärmeeinheiten
leichter durch die \%"and hindurch übertragen werden und eine gleichmäßige Temperatur
in den Ausgleichkammern 17 aufrechtzuerhalten suchen. Auch die Retorte selbst könnte
etwas porös, und die Wandungen 18 könnten gegen die Verbrennungskammer abgedichtet
sein. Ob man die Wandungen 18 oder die Wandungen der Retorte 7 porös ausführen will,
richtet sich danach, ob man ein festes oder gasförmiges Reduktionsmittel verwendet
oder nicht. In einem Falle können die Verbrennungserzeugnisse in die Ausgleich-
oder Speicherkammer eintreten, und im anderen Falle können die Gase aus den Retorten
in die Ausgleichkammern übertreten und umgekehrt; in diesem Falle können die reduzierenden
Gase durch die Ausgleichkammer zufließen.
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Somit kann man, statt die Wände 18 dazu zu benutzen, das bewegliche
Material in den Retorten abzugrenzen, Flammgase in den Verbrennungszügen, Ausgleichkammern
ringsum und zwischen den verschiedenen Retorten 7 anbringen, die die im allgemeinen
verhältnismäßig langen und schmalen Reduktionseinheiten umgeben. Auf diese Weise
kann man eine verhältnismäßig hohe Reduktionstemperatur in der Mitte der Säule oder
des Stromes erzielen, ohne zu hohe Temperaturen in der Nähe der Außenfläche der
Erzsäule oder des Erzstromes zu haben. Man kann ,also bei der Reduktion von Eisenerz
beispielsweise eine konstante Temperatur von etwa ioq.o° C in den die Reduktionszone
umgebenden Ausgleichkammern haben, was dazu führt, daß in der Mitte der Erzsäule
eine Temperatur von etwa 925° C vorliegt und daß man dabei eine endothermische,
reduzierende Reaktion unterhält, indem man Fe O zu Fe reduziert. Dies beseitigt
jede Tendenz des reduzierten Eisens, an den Retortenwandungen anzubacken, wie es
bei .Temperaturen über etwa io4o° C eintreten würde; dadurch wird ein kontinuierlich
frei sich bewegender Strom des Stoffes in jeder Retorte ge-:>ichert.
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In Fig. 7 und 8 ist eine leicht abgeänderte Gestaltung wiedergegeben.
Hier sind die einzelnen Retorten aus einem Satz von miteinander verbundenen Stücken
2o hergestellt, die durch Anschlüsse, wie bei 21 gezeigt, veri)unden sind. Die Ausgleichkammern
17 sind hier genau in der gleichen Weise ausgeführt wie bei Fig. i, aber
die Wandungen der Rohreinheiten 2o bilden die Trennwände zwischen den Ausgleichkammern
und den sich ununterbrochen bewegenden Erzströmen.
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Es ist ferner bei dieser Ausführung ein vergleichsweise großer Durchlaß
22 zwischen den Ausgleichkammern 17 hergestellt mit dem Ergebnis, daß alle vertikal
auseinandergerückten Ausgleichkammern gewünschtenfalls in Verbindung sein können.
Die Rohre 2o können aus Metall oder aus keramischem Stoff bestehen. Dadurch, daß
man Speicher oder Ausgleichkammern mit den angeführten Temperaturen anwendet, wird
man offenbar metallische Retortenwände über die ganze Höhe jeder Einzelretorte benutzen
können.
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In der Ausführung nach Fig.9 ist eine Einheit gemäß der Erfindung
von verhältnismäßig großer Höhe wiedergegeben; hier ist bei 23 die Vorwärmzone angegeben,
bei 24 die Reduktionszone und die Kühlzone bei 25. Es ist nicht allein wichtig,
die Temperatur jeder gegebenen Zone genau zu regeln und zu erhalten, sondern es
ist auch weiter von Bedeutung, daß man genügende Wärmemengen an jedem oder an allen
nötigen Punkten zuführt. Durch Vergrößern der Oberfläche der Retorte in der Vorwärmzone
und der Reduzierzone wird nicht nur eine unbegrenzte Zufuhr von Wärmemenge sichergestellt,
sondern man kann auch mehr Wärme zuführen, wenn es gewünscht wird, und demnach kann
man die Reduktionsgeschwindigkeit vergrößern und damit auch den Durchfluß von Behandlungsgut
durch jede Retorte.
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Um diese wesentlich gesteigerte Geschwindigkeit von Reduktion und
Strömung zu erreichen, ist die Einheit nach Fig.9 mit einem Satz von untereinander
verbundenen Stücken 2o ähnlich den in Fig. 7 und 8 dargestellten. Diese sind in
der Längsrichtung ähnlich der Anordnung gemäß Fig. 2 ausgestattet. Die Ausgleichkammern
17 liegen zu beiden Seiten jeder Reihe von Rohren 2o, und die Verbrennungs- oder
Heizkammern i i liegen längs jeder Ausgleichkammer ähnlich der Anordnung nach Fig.
i, 2 und 7.
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Die Brenner in den Verbrennungskammern der vertikal übereinanderliegenden
Zone liegen einander gegenüber, wie Fig. 2 es zeigte, und selbstverständlich kann
jeder Brennersatz in jeder Verbrennungskammer -unabhängig geregelt werden, damit
genau die Temperatur an den verschiedenen Punkten über die Höhe der Reduktionszone
hin geregelt werden kann, womit gleichzeitig die Zufuhr der Wärmemenge an beliebig
gewünschten Punkten gesteuert wird.
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Infolge des Aufteilens jedes Längsstromes von Erz in ,eine Mehrzahl
von Strömen und Anordnung einer Ausgleich- oder Speicherkammer ringsum die kleinen
Retorten wird
offenbar durch starke Vergrößerung der Oberfläche
in der Reduktionszone und Anordnung von engeren Abstufungen darin die Möglichkeit
geschaffen, mehr Wärme zuzuführen und damit die endothermische Wirkung in der Reduktionszone
zu erreichen, wodurch die Bewegungsgeschwindigkeit des Stoffes durch die Retorten
wesentlich zunimmt. Durch Vergrößerung der Retortenhöhe in Verbindung mit den Ausgleichkammern
ist die Anordnung praktisch in Größe und Reduktionsgeschwindigkeit unbegrenzt.
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Diese vergrößerte Bewegungsgeschwindigkeit gestattet offenbar ;eine
stark gesteigerte Zufuhr von Wärmemenge. Dem muß aber entgegengewirkt werden durch
:eine größere Absorption merkbarer Wärme in der Kühlzone. Um dieser Aufgabe Rechnung
zu tragen, ist eine Anfangskühlzone z6 vorgesehen, die vorzugsweise mit Flüssigkeit
oder Flüssigkeitsdämpfen gespeist wird, und die die Aufgabe hat, die Temperatur
des reduzierten Erzes rasch von etwa 925 auf etwa 2oo° C herunterzubringen,
und eine zweite Kühlzone 27, in welcher das Kühlmittel vorzugsweise kalte Luft ist,
die in den Verbrennungskammern nach Aufnahme von Wärme aus dem Erzstrom, und nachdem
sie diesen von Zoo auf etwa 38°C abgekühlt hat, benutzt wixd.
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Das -obere Ende der Retorte in Fig.9 ist offen gelassen mit Rücksicht
darauf, daß das verhältnismäßig feine Erz und das verwendete Reduktionsmittel ausreicht,
die Retorte ständig abzuschließen. Der Boden der Retorte ist zweckmäßig durch einen
Schieber 28 abgeschlossen, der den Schiebern 6a unter den Retorten 7 der ersten
Ausführungsform ,ähnelt und der einen peri.odischen Abzug des reduzierten Erzes
gestattet, ohne daß gleichzeitig Luft zur Retorte strömt. Die Einheit nach Fig.9
ist nicht mit einem Gasabzug ausgerüstet, weil es klar ist, daß ein solcher Abzug
nicht unbedingt nötig für den praktischen Betrieb der Einheit ist. Es kann ,aber
auch der Abzug 9 gemäß Fig. 7 gewünschtenfalls verwendet werden, um ein gasförmiges
Reduktionsmittel einzuführen, statt die durch die Reaktion gebildeten Gase abzuleiten.
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Die neue Ausgleich- und Speicherkammer ist gleich gut verwendbar sowohl.
für kleine wie für große Einheiten und zur Reduktion beliebiger Erzarten. Die Wirkung
ist in allen Fällen die gleiche.
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Die reichliche Umspülung jeder Stelle durch die Möglichkeit unbegrenzter
Zufuhr von Wärme bestimmter Temperatur, wie sie durch die Speicherkammern geschaffen
wird, ist jedoch bei großen Einheiten besonders wertvoll. Die Steigerung der Bewegungsgeschwindigkeit
des Erzes ist fast unbegrenzt, weil ohne Rücksicht auf die notwendigen Wärmeeinheiten
im Verhältnis zur Reduktionsgeschwindigkeit diese Wärmemenge immer verfügbar ist,
ohne daß die Wandtemperatur der Retorte zu hoch gesteigert werden müßte.
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Soweit das Verfahren der Wärmeübertragung in Frage kommt, können die
Retortenwände, die das Erz leiten und umschheßen, fast beliebig gebaut sein; in
Fig. i erfolgt der UmsIchluß durch keramische Wandungen, in Fig.8 durch Metallwandungen
oder Rohre bzw. durch Metallkästen. Er kann ,auch durch Metallkästen erfolgen, welche
durch die Ausgleichkammern hindurchgeführt werden.