-
Verfahren und Vorrichtung zur unmittelbaren Herstellung von flüssigem
Eisen oder Stahl Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unmittelbaren Eisenerzeugung,
das ermöglicht, (lern Eisen einen beliebigen Kohlenstoffgehalt zu erteilen, so claß
man in an sich be-
kannter Weise nach Wahl Gußeisen oder Stahl oder bei Zugabe
von,entsprechenden Zusätzen Sonderstahl erhält. Bei dieseln `'erfahren werden drei
Grundstoffe, nämlich Erz, fester Brennstoff und Kohlenwassersboffe, vorzugsweise
in dem Zustand, in dem sie in der IN atui -oder im Handel vorkommen, also
ohne irgendwelche Vorbeliandlung verwendet. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens
liegt darin, (laß diese drei Grundstoffe von minderwertiger Beschaffenheit sein
können. So können die Erze und festen Brennstoffe pulverförmig oder bröckelig und
wasserhaltig sein. Als Kohlenwasserstoffe ldinnen schwere flüssige, sogar paraffinhaltige
Rückstände der Petroleumdestillation oder "leer verwertet werden, und alle oder
einzelne Grundstof=fe könlten irgendwelchen Schwefelgehalt aufweisen. Durch (las
Verfahren wird der Schwefel elitfernt, mag er sich im Erz oder in den Brennstoffen,
wie Lignit, Braunkohle, in flüchtiger, kolloidaler oder gebundener Forln befinden.
-
Die Erfindung bestellt in einem zweistufigen Verfahren, in dessen
erster Stufe feste Brennstoffe, wie Holz, Lignit, Braunkohle o. dgl., und Kohlemvassersroffe,
wie T.rer, oder Rückstände cler Petroleumdestillation zusammen mit Eisenerzen, die
gleichzeitig als Katalysator dienen, in einem von außen beheizten Destillationsofen,
der von üblicher Bauart sein kann, auf Temperaturen von etwa 5oo° erhitzt «-erden.
Hierbei entstehen ein metallurgischer Koks, leichte Kolilenwasserstoffe, die in
der zweiten, in einem Schachtofen durchgeführten Verfahrensstufe itn flüssigen Zustande
zum Fertigreduzieren und Schmelzen der in der ersten Verfahrensstufe aüfgerehenen,
vorreduzierten und Bekohlten Eisenerze benutzt werden. _ Es ist bekannt, Eisenerze
bestimmten Reaktionen in einer Vorstufe vor (lern Schmelzen zti unterwerfen, um
es zu verbessern oder zu agglomerieren. So ist ein Verfahren bekannt, hei (lern
man zwei Rohstoffe, nämlich ein Gemisch aus fein verteilten Eisenosvd@n Lind hohle,
zur Erzeugung einer Eisenkoksmasse einer Teruperatur von i=oo' aussetzt. Bei einem
anderen Verfahren benutzt man ein Gemisch aus Erzen, _ stickstoffhaltigen Stoffen
und Flnl.iinittelzus@itzen, tun durch trockene Erhitzung lioniogene :\gglomerate
herzustellen. Es ist auch bekannt, einen Katalysator aus Eisensauerstoffverbindungeli
zu biturnenhalti-eil Brennstoffen zuzusetzen, wobei die Brennstoffe nach umständlicher
Vorbehandlung bei Temperaturen von 16o bis 50@' verschwelt werden. Hierbei bildet
sich Teer und ein Brennstoff als Rückstand. Die
Aufgabe, einen Koks
zu erzeugen, liegt ebenfalls einem bekannten Verfahren zugrunde, bei dein durch
gemeinschaftliche Verkokung von entsprechend vorbehandeltem Manganerz und Kohle
ein manganlialtigerKoks leergestellt wird. Es ist auch bekannt, Eisenerz mit Kohle
teilweise zu reduzieren, um ein magnetisches Eisen zu erhalten, das magnetisch aufbereitet
ist.
-
Zu den bekannten Verfahren gehört auch die Maßnahme, drei Grundstoffe,
nämlich ein fein verteiltes Gemisch aus Eisencarbonat, Teer und Steinkohle, ein°r
Verkokung bei Tieftemperatur zu unterwerfen, um einen Halbkoks zu erzeugen. Nach
einem anderen bekannten Vorschlag erhitzt man ein Gemisch aus fein zerkleinertem
Eisenerz und Weichkohle und bringt den erhaltenen Eisenschwamm in ein Ülbad, um
ihn vor Oxydation zu schützen.
-
Die Verwendung voll schweren Kohlenwasserstoffett erfolgt bei einem
anderen bekannten Verfahren in der Weise. daß die Kohlenwasserstoffe nach besonderer
Erhitzung unter ständigem Umrühren bei Temperaturen voll .4oo bis 70o° im Gegenstrom
zum Eisenerz geführt werden, wobei (las Eisenerz teilweise reduziert wird. Hieraus
ergibt sich eilte geringe Metige Spaltungskoks, der bröckelt, stark verunreinigt
und daher für metallurgische Zwecke unbrauchbar ist.
-
Bei allen bekannten Verfahren handelt es sich nicht um die Aufgabe,
aus drei minderwertigen, gegebenenfalls schwefelhaltigen Grundstoffen drei wertvolle
Erzeugnisse, und zwar vorbehandeltes Erz, Koks und leichte, flüssige Kohletiwasserstoffe,
zu gewinnen, die ein Anschluß hieran zur Herstellung voll Eisen, Stahl oder Sonderstahl
verwendet werden, ohne daß es der Hinzufügung eines weiteren Brennstoffes für diese
Verarbeitung bedarf.
-
Nach Beendigung der ersten Verfahrensstufe in der bereits geschilderten
Weise wird die zweite Verfahrensstufe in einem abweichend voll einem Hochofen ausgebildeten
Schachtofen durchgeführt, der mittels der in der ersten \-erfalirenssttife erhaltenen
leichten, fleissigen hohlenwasserstofte unter Zuführunheilten Windes beheizt wird.
Beim Betriebe von Schmelzöfen ist es zwar all sich bekannt. Gase der unteren Ofenzone
zum Reduzieren von Erzen in tler oberen Ofenzone zu verwenden. Bei diesem bekannten
Verfahren handelt es sich aber lediglich uin die Durchführung in Hochöfen und uni
eilte Schilielzung, bei der eilte sehr große Menge Kohlenstoff (über _1'l f)i in
das Eisen gelangt und als EnderzeliZilis eilt Roheisen entstellt. 1-s ist ;tucli
Litt Vorschlag bekannt, einen Gashochofen allzuwenden, in welchen Generatorgas und
Wasserstoff eingeblasen werden soll, um ein kohlenstoffarmes Eisen zu erzeugen.
Diese Arbeitsweise setzt jedoch außer einem Gashochofen noch verwickelte Einrichtungen
zur Erzeugung voll Generatorgas und Wasserstoff voraus. Bei (lern Verfahren nach
der Erfindung wird dagegen ein viel kleinerer Schachtofen benutzt, um in der -zweiten
Verfahrensstufe den Kohlenstoffgehalt des Eisens in beliebig regelbarem Maße ohne
Verwendung besonders dargestellten Wasserstoffes herabzusetzen und für diesen Zweck
die in der ersten Verfahrensstufe erzeugten Kohlenwasserstofie im Schachtofen mitzbar-zu
machen.
-
Bei <lern in der zweiten Verfahrensstufe nach der Erfindung verwendeten
Schachtofen wird voll einer Wasserkühlung Gebrauch gemacht, bei der die Kiihlwasserzuftihr
zur Überwachung des Abschmelzens des Futters regell)ar ist. Zur Durchführung der
ersten Stufe des den Gegenstand der Erfindung bil-(lenden Verfahrens kann malt folgende
Grundstoffe verwenden: 1. einen minderwertigen festen Brennstoff, wie Holz, Lignit
oder unverkokbare Kohle, selbst solche mit Schwefelgehalt, z. ein Eisenerz. in Stucken
oder Brocken, das außer Eisenoxyd Mangan, Silicium, Chrom oder andere Stoffe enthält
und ebenfalls schwefelhaltig sein. kann,
3. einen Rückstand der Petroleutndestillation.
der auch paraffinreich sein kann, oder Teer.
-
Mit fliesen Grundstoffen, deren Mengenverhältnisse den herzustellenden
Erzeugnissen entsprechen, wird eine voll außen geheizte Destillationsvorrichtung
bei atmosphärischem Druck beschickt. Diese Verfahrensstufe wird bei verliiiltnismäßig
niedriger Temperatur von ungefiilir 300° C durchgeführt. wobei (las Eisenosv(1 bzw.
(las l*rz als Katalysator wirkt, der die Reaktionen bei niedriger Teinheratur ernii3gliclit.
1)ie Vorgänge, welche währetul dieser Verfahrensatufe gleichzeitig zwischen den
Grundstoffen bzw. zwischen den in staut nascendi befindlichen Erzeugnissen der Destillation
oder des hrackens und in Gegenwart des genannten Katalysators stattfinden. sin(1
sehr verwickelt und kiititten noch nicht vollständig erklärt werden.
-
1->rr ein Breinistoti (xler itn 1?rz enthaltene Schwefel wird in (ler
ersten \'erfalirensstufe entfernt. in(letn sich unter (lei- Hinwirkung von Sanersto@ti
und « asserstott entweder ein t las mler kolloidaler Schwefel bildet, (ler in d;is
Pech oder die Asche über-elit.
-
Diese erste Stufe des erfahrens gibt :tl;o: t. inctalltirgischen Koks,
d. h. ;@incll hochwertigrii Brennstoff aus vinem inii@@lcrtvertigen, selbst bröckeligen
Brennstatt, dessen
Wärmeinhalt durch den aus der Umwandlung der
eingeführten Petroleumrückstände oder des Teeres stammenden Kohlenstoff, welcher
gleichzeitig eine bindende Wirkung besitzt. vermehrt worden ist, 2. urgeschmolzenes,
zusammengebackenes, vorreduziertes und in derselben Weise wie der Brennstoff Bekohltes
Erz, 3. leichte Kohlenwasserstoffe, die reich an Aromaten sind, welche aus dem Teer
stammen, sowie auch an Isoparaffinen und Olefinen.
-
Die hierauf folgende zweite Stufe wird in dem weiter unten näher beschriebenen
Schmelzofen durchgeführt, in welchen die in der ersten Verfahrensstufe erhaltenen
Erzeugnisse, d. h. der Koks, das Erz und die Kohlenwassersboffe, in Mengenverhältnissen
eingeführt werden, welche den gewünschten Ergebnissen entsprechen. Beispiel Um die
erste Stufe des Verfahrens durchzuführen, wurden verwendet i So kg Rückstände der
Rohpetroleumdestillation, 50k- bröckeliges mangan- und etwas schwefelhaltiges Eisenerz,
ioo kg Holz mit einem Wärmeinhalt von 2;oo bis 3000 cal/kg.
-
Daraus entstanden: a) .45 kg vorreduziertes, Bekohltes, zusammengebackenes
und schwefelfreies Erz, b) q.8 kg metallurgischer, zusammengebakkenerKoks mit einem
Wärmeinhalt von etwa Sooo cal/kg und ' c) i5o kg leichte Kohlenwasserstoffe. Diese
Kohlenwasserstoffe zeichneten sich durch folgende Eigenschaften aus: Die bis zur
Temperatur von 95° C überdestillierten . Fraktionen betrugen etwa 3a,07 ü'o und
die bis zur Temperatur von :!co- C überdestillierten vtwa 89,50'o der gesamten Menge.
-
Die bis zu i5o' C überdestillierten Fraktionen enthielten kein Phenol.
Die zwischen 150 und Zoo' C destillierten Fraktionen enthielte" 1,760,10
Phenol, und die schtvercren Fraktionen ,enthichen 3,ioo '@o Phenol.
-
Man erhielt also aus diesen roo kg BrennstOff mit -250,o bis
3000 cal/kg Wärmeinhalt 48 kg, d. h. .18 a%0, metallurgischen Koks mit 800o
cal/l:g, d. 1i. einen Brennstoff, dessen gesamter @V:irnieinlialt größer war als
derjenige des ursprünglichen Brennstoffes, während man nach anderen Verfahren nur
ungefähr 3oo@,o Holzkohle mit 7000 cal/l;- erhalten hätte.
-
Es sei hier erwähnt, daß bei anderen ähnlichen Versuchen, die nach
demselben Verfahren mit Lignit finit etwa 3500 cal/kg durchgeführt wurden, 60, bis
70% metallurgischer, schwefelfreier Koks. mit 7700 cal/kg erhalten wurden.
- .-Da die Ergebnisse der Versuche, zu denen obiges Beispiel gehört, beweisen, daß
die ganze Menge des erhaltenen Kokses mehr Wärmeeinheiten enthält, als der Menge
des verwendeten Holzes entspricht, muß angenommen werden, däß dieser Erfolg nur
der Tatsache zugeschrieben werden kann, daß die aus den schweren, in die Reaktion
eingeführten Kohlenwasserstoffen herrührenden, an fettem Kohlenstoff reichen, in
Form von Dämpfen befindlichen Derivate sich auf dem Brennstoff festsetzen, und zwar
infolge einer Wirkung, welche mit einer Zementierung verglichen werden kann, oder
infolge einer gegenseitigen Durchdringung, die zwischen dem destillierenden Brennstoff
und den dissozierenden schweren Kohlenwasserstoffen stattfindet. Der destillierende
Brennstoff entwickelt zunächst leichte Gase, wie Wasserstoff und Methan, welche
sich in der Atmosphäre von schweren Kohlenwasserstoffen verbreiten, während der
von der Umwandlung herrührende fette Kohlenstoff unter der Form von Kohlenoxvd in
den Brennstoff eindringt, wo er sich nach der Formel 2 C O = C O., -', C verwandelt,
wobei sich der freie Kohlenstoff auf dem Brennstoff festsetzt. Diese Reaktion dauert
so lange, bis der Brennstoff beginnt, selbst Teer zu entwickeln, der in Berührung
mit den Erzeugnissen der Dissoziation der Kohlenwasserstoffe eine bindende Wirkung
auslöst, von neuem in den Brennstoff eindringt und sein Zusammenbacken bewirkt.
-
Aus den Ergebnissen des Beispiels sieht man ferner, daß aus den i
5o kg verwendeten schweren Kohlenwasserstoffen sich 69.5o,'o leichte Kohlenwasserstoffe
ergeben haben, welche auch als Treibstoffe für Motoren geeignet sind, und es sei
hier bemerkt, claß man bei verständiger Leitung des Verfahrens bis zu roo#.'o leichte
Kohlenwasserstoffe erhalten kann.
-
Die Ergebnisse der Versuche beweisen noch einen anderen besonderen
Vorzug des neuen Verfahrens, welcher darin besteht, daß die Erzeugnisse der bei
niedriger Temperatur durchgeführten Destillation des verwendeten kohlenstoffhaltigen
Brennstoffes sich sofort nach ihrem Entstellen mit den verwendeten Kohlenwasserstoften
irischen und mit den letzteren dem .1`racken unterworfen werden, wodurch eine Ausbeute
an leichten Stoffen erzielt wird, die größer ist, als wenn man nur die verwendeten
l,-,oliletiw@tsserstoffe dem hracl:en unterworfen hätte.
-
Die I?rgef@nisse zei-eti ferner, daß die nach dem Verfahren der Erfindung
durchgeführte Umwandlung der schweren Kohlenwasserstoffe andere zwischen c50, und
20o' destil-
Tierende leichte Kohlenwasserstofe ergibt, welche frei
von Phenolen sind. Die Katalysatoren, wie (las Erz, das vorzugsweise reich an Maligin
bzw. an Manganoxvden ist, begünstigen die synthetische Bildung von Kohlenwasserstoffen.
«-elche einerseits reich an Metlivl sind, welches die Bildung von Phenolen verhindert,
und andererseits an Acetvlen, welches sich durch Polv inerisation in Benzol verwandelt.
'Man erfiiilt auf diese Weise eine ganze Reihe leichter Kohlenwasserstoffe, «-elche
zum Betrieb von Motoren geeignet sind.
-
Die in der ersten Stufe des Verfahrens erhaltenen wertvollen L'srzeugnisse,
(l. 1i. (las vorreduzierte, bekohlte, zusammengebackene und von Schwefel befreite
Erz, der metallurgische. ebenfalls von Schwefel befreite Koks und die leichten Kohlenwasserstofe,
die frei von Phenolen und anderen Sauerstoff enthaltenden Verbindungen sind, werden,
obwohl sie auch anderweitig verwendet werden können, geinäll vorliegender Erfindung
in einer zweiten Stufe zur Vollendung des Verfahrens. (l. 1i. zur Erzen-un- von
Gußeisen, Stahl oller Sonderstahl, in einem einzigen Rcduktions- und Sclimelzverfaliren
weiterbehandelt. Zu diesem Zweck werden jene Stoffe in einen zweckentsprechenden
Ofen, vorzugsweise in den eiprobten, erfindungsgeniiil' ausgebildeten, int folgenden
beschriebenen Ofen eingeführt. Außer diesen Stoffen führt inan noch Zuschläge an
Fluiltnitteln ,und inan-anreichen l-rzen ein, uni die Oxydationsvor:g<inge zu
regeln und in Brennstoff oder I?rz verbliebene Schwefelspuren zu entfernen.
-
Der erwähnte Ofen ist in den Zeichnungen in einem Ausfiihrungsbuispiel
dargestellt, und zwar zeigt
| Fig. i einen senkrechten Schnitt durch die |
| gesamte Ofenanlage flach der 1_inie i-i der |
| Fig. 2. |
| Fig. = zeit einen Ouerschnitt durch (1e11 |
| Ofen nach Linie 2-2 der I# ig. i. |
| 3 zeigt einen L:ingssclmitt durch (len |
| Ofen nach Linie 3-3 der Fig. 2. |
| Flg. 4 zeigt einen 1_:iii#,ssclinitt in "riil'erelil |
| _%lalfStahe durch <1e11 Ofenschacht nach |
| U nie 3-3 der 1' i'r _. |
| Feg. 5 zeigt einen Längsschnitt in größerem |
| Mal:'stabedurch den Ofenschacht il:tch |
| Linie ;-; der Fig. =. |
| Fig. (i zci"@t cinc-n (Auerschnitt in @riil:(irem |
| llaiastaf@e durch einen "feil des ()feil:. |
| 7 zeil-t eilten Quei-Schnitt »ach Linie;-; |
| ,ler Ft-. ; und ._ |
| Feg. @@ einen ()tlei'scltititt nach l.inic `- (1(-r |
| Der Ofen arbeitet hei sehr h(ilier Tenipera- |
| tttr, (lie 1(1s =ooo C steigen kann und (lie (furch |
| Jasini@Iasrn von K(@hlentvasserstoffen und |
heißer Luft erzeugt wird, wobei bekanntlich selbst Kieselsäure reduziert «-erden
kann.
-
Der obere Teil A des Ofens ist der Beschickungsschacht, der in den
Reduktionsraum B mundet.
-
In den Ratten I> «-erden heiße Luft und ein Lberschuß an flüssigen,
aus der ersten Verfahrensstufe stammenden Brennstoffen eingeblasen. Der untere Teil
C des Ofens stellt die Oxydationszone dar, in der die Schmelzung durchgeführt wird,
indem man die :Menge flüssigen Brennstoffes im Verhältnis zur Menge heißer Luft
verringert.
-
An den Ofen ist ein Sammelraum Z angeschlossen, in den inan in an
sich bekannter \Veise Zusätze einführen kann. Dieser Rauen Z wird durch die aus
der Oxv(fationszone kommenden heißen Gase und durch die Düsen J (Fig.4) eingeblasene
Kohlenwasserstoffe erhitzt. Man kann (lein in diesem Rauen befindlichen Eisen eiltscliwefeln(le
Stoffe, z. B. Manganerze, zusetzen, um die etwaigen letzten Spuren von Schwefel
zu entfernen.
| hie aus (lein Ofen entweichenden Gase wer- |
| den in einer i-inf;fiirniigeil Rohrleitung D |
| (Fig..4 und ;) ges:uliltlelt, durch eine Lei- |
| tung (i in neben (lein Ofen angeordnete, all- |
| -,t-eclisclnd arbeitende. an sich bekannte Rege- |
| ner:itie--IJtiftei'liitzer _\- 1 Feg,. i l geführt,
111 |
| welchen die @@:irnle (wr Gase zur Erhitzung |
| der l-nlt ausgenutzt "viril. Uni zu verhindern, |
| date 1(c1 fnlietriellsetzttng oder beint Unt- |
| schalten der f@egeneratiy-I?rhitzer in diesen |
| hefndliche Gase mit der Luft eilt explodier- |
| bares Gemisch bilden. sind Brenner H vorge- |
| sehen. (lie Zündtlaininen erzeugen, durch |
| welche fliese Ga.c sofort verbrannt werden. |
| Zti dieseni Zweck werden (lic Brenner 1I mit |
| irgendeinem Breillist(itgespeist, dessen |
| I# lainine auch dazu (liehen kann. (lie Erhitzer |
| v(trzuw<innen. Die in den hegenerativ- |
| kanunern erhitzte I_iirt sti'("iiiit durch Rohre I |
| und K und ringförmige f.eitttiigen E und F |
| nach l)iiseii. mittels welclicr die Luft in die |
| entsprechenden ()feiizoiieii B und C ein- |
| geleitet wird. |
| Der flüssige. aus der ersten 'Stufe des Ver- |
| fahrens stannnen(le Brennstoff wird aus |
| cinein an einem «-armen Ort der Anlage auf- |
| grstellt,n 1'rliährr V V:rtcilerrühren Q und R |
| zugeführt und belangt nach den fleit.;itift- |
| diisen. durch die er in den Ofen eingeführt |
| wird. |
| Irr Ofen wird in an ;ich inrkamiter Weise |
| mittels Wassers L#ukiililt, (las aus einem Be- |
| li:iitei' [U durch eile ini Mauerwerk des Ofens |
| cin:;cl>autes l,,f(lirsvsteili geleitet wird und |
| (les,cn l itlrchrlul.lmenge durch I1;ihne o. dgl. |
| für die einzelnen (-)tenaltteilungen regelbar |
| ist, tim (lie durch I tampfl(il(lung bemerkbar |
| «-erdende, gegebenenfalls eintreten-le Über- |
hitzung von Teilen des Ofenfutters beseitigen zu können. Gleichzeitig
kann an der betreffenden überhitzten Stelle des Ofens die Menge des eingeblasenen
Brennstoffes vermindert werden.
-
Der Ofen besitzt ein Futter, das an den Reaktionen teilnimmt und reichliche
Schlacken erzeugt, welche ununterbrochen aus dem Reaktionsraum ausfließen. Die Schlacken
werden in üblicher Weise in einem mit Wasser gefüllten Graben X (Fig. 3) aufgefangen
und können, da sie zementartig sind, als Bindemittel verwendet werden.
-
Selbstverständlich kann das Verfahren auch dazu dienen, um Mangan-,
Chrom- oder andere ähnliche Erze zu behandeln; auch kann der Ofen zum Reduzieren
und Schmelzen von anderen Metallen verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung
zu überschreiten.