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Verfahren zum Verhütten von kohlenstoff- und schwefelarmem Stahlschrott
oder Eisenschwamm auf Flußstahl im Schachtofen. Die Fernhaltung des Schwefels und
des Kohlenstoffs aus dem in Schachtöfen erschmolzenen Flußstahl hat zur Voraussetzung,
daß das Eisen im Ofen nicht mit festem Brennstoff in Berührung kommt.
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Andererseits aber bringt ein unter Verwendung einer Gasfeuerung betriebener
Stahlschrottschmelzvorgang mehr oder weniger große Abbrandverluste an Eisen mit
sich, weil sich die Kohlensäure mit dem Eisen zu Eisenoxvdul verbindet.
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Dieses Eisenoxydul ist aber im flüssigen Zustand bekanntlich ein sehr
brauchbares Oxydationsmittel zum Frischen von aus Erz erblasenem Roheisen und Rohstahl.
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Da in der Regel der Stahlschrott billiger ist als das aus Erz erblasene
Roheisen, ist man bestrebt, beim Frischen von Roheisen möglichst viel Stahlschrott
zuzusetzen.
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Das kann man jedoch nur erreichen, wenn der Stahlschrott im flüssigen
Zustande zugesetzt wird, wobei aber die auf billigste Art und Weise hergestellte
Schmelze weder Schwefel noch Kohlenstoff enthalten darf, was am besten durch Verwendung
von Lichtgas als Brennstoff geschehen kann. Da jedoch die Fernhaltung des festen
Brennstoffs aus dem Ofen gewöhnlich zu hohem Abbrand an Eisen führt, das als Eisenoxydul
in Erscheinung tritt, so ist das Ausmaß der Zusatzmöglichkeit an flüssigem Stahlschrott
einerseits durch den Sauerstoffbedarf beim Frischen von Roheisen und andererseits
durch den Sauerstoffgehalt des flüssigen, dem Schachtschmelzofen entnommenen Eisens
begrenzt.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung eines
schwefel- und kohlenstofffreien, flüssigen Gemisches von Eisen und Eisenoxydul aus
Stahlschrott im Schachtofen unter Verwendung eines Ofenwindes mit künstlich herabgesetztem
Sauerstoffgehalt oder eines brennbaren Kreislaufgases als Wärmeträger, von dem nach
erfolgter Vorerhitzung auf hohe Temperatur in Gaserhitzern unter nachträglicher
Zufuhr von Sauerstoff ein kleiner Teil verbrannt wird, um das Gas über die Schmelztemperatur
von Stahlschrott oder Eisenschwamm zu bringen, und zwar: a) in Verbindung mit einem
Frischverfahren von aus Erz erblasenem Roheisen oder Rohstahl durch Zusetzen des
erschmolzenen Eisen-Eisenoxydul-Gemisches zum Roheisen, das gefrischt werden soll,
b) in Verbindung mit der Weiterverwertung des Eisenoxyduls für den Hochofenbetrieb
und c) als unabhängiger Betrieb der Flußstahl-' erzeugung aus Stahlschrott oder
Eisenschwamm unter Verlust des geringen Eiseninhalts der Schlacke.
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Sofern es einen Baustoff für Winderhitzer geben würde, der gegen eine
Temperatur von rgoo bis aooo° C standhielte, könnte man einfach Stickstoff im Kreislauf
auf mittel
barem Wege bis zu dieser Temperatur aufheizen und damit
den Stahlschrott am weitestgehenden oxydfrei niederschmelzen. Da aber ein solcher
Baustoff nicht vorhanden ist. muß man sich vorläufig mit einer mittelbaÜ-#@'_-Winderhitzung
auf etwa 120o° begnügen und. die weitere Erhitzung auf i8oo bis --2oootr entweder
durch unmittelbare Brennstoffzufuhr in Form von hochwertigem Gas oder sonstigem
schwefelfreiem (flüssigem oder staubförmigem) Brennstoff bewerkstelligen oder aber
durch eine absichtliche Teilverbrennung von Stahlschrott mit dem Sauerstoffgehalt
des Windes, wobei der verbrannte Eisenanteil den Wärmebedarf oberhalb i2oo° zum
Schmelzen des anderen Teiles liefert, der nicht zu Fe 0 verbrannt wird.
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Hier kann aber nicht mehr der indifferente Stickstoff allein als Wärmeträger
benutzt werden und ebensowenig Luft in ihrer natürlichen Zusammensetzung, weil bei
a1 °/° Sauerstoffgehalt der Luft und i2oo° Heißwindtemperatur ein viel zu hoher
Abbrand an Eisen (als Eisenoxydul) entstehen würde.
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Erfindungsgemäß soll nun entweder dem Ofenwind annähernd in dem Ausmaße
Sauerstoff entzogen werden, als dieser durch das mittelbare Erhitzen des Ofenwindes
auf etwa 120o° entbehrlich wird, oder es wird an Stelle des Ofenwindes ein brennbares,
sauerstofffreies Gas im Kreislauf umgesetzt, auf 1200° in Gaserhitzern vorerhitzt
und durch nachträgliches Einleiten von Sauerstoff unter teilweiser Verbrennung desselben
auf 180o bis 2000° gebracht.
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Theoretisch würde ein Sauerstoffgehalt von etwa 5 °/° genügen, praktisch
wird man es wohl bei etwa io °/° belassen müssen, da bei jeder Verbrennung ein gewisser
Sauerstoffüberschuß vorhanden sein muß, wenn man nicht mit großem Brenstoffüberschuß
arbeiten will, was dann in Frage kommt, wenn der Abbrand noch geringer als io °/°
oder fast ganz vermeidbar werden soll, wie es beim Schmelzen von Eisenschwamm erwünscht
ist.
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Bei io °/° Sauerstoffgehalt im Ofenwind ist ein Abbrand von etwa 18
°/° der Schmelzleistung zu Fe0 zu erwarten, wenn nach dem Erhitzen des Ofenwindes
auf etwa i2oo° kein Brennstoff dem Wind zugeführt wird, sondern durch absichtliche
Teilverbrennung von Stahlschrott der Schmelzwärmebedarf oberhalb i2oo° gedeckt werden
soll, und von etwa io °/°, wenn dem Wind nach der mittelbaren Erhitzung noch Brennstoff
zugeführt wird.
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Der Sauerstoffgehalt ist somit im ersteren Falle 18 - o,28 = rund
5 kg in ioo kg flüssigem Eisen-Eisenoxydul-Gemisch und im letzteren io - 0,28 -
2,8 kg.
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Wenn nach dem Vorfrischen von phosphorhaltigein Roheisen im Windfrischbetrieb
mit sauerstoffangereichertem Gebläsewind noch etwa 9 kg Kohlenstoff und i8 kg Phosphor
iü einer Tonne enthalten sind, zu dessen ;:ekydation rund 35k g Sauerstoff
gebraucht :.irden, so. können bei 5 °/° Sauerstoffgehalt des Stahlschrotteisens
flüssiges Gemisch zugesetzt werden, in welchem 665 kg Eisen enthalten sind und bei
2,8 °/° Sauerstoffgehalt etwa 1250 kg mit 1215 kg Eiseninhalt.
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Sofern jedoch die Bestrebungen, aus dem Hochofen einen Rohstahl mit
i 50o bis 160o° auszubringen, der, gegebenenfalls nach erfolgtem Vorfrischen mit
gasförmigem Sauerstoff, nicht mehr Kohlenstoff als Phosphor enthalten soll, in absehbarer
Zeit zum Ziele führen sollte, dann könnte dieser Rohstahl in einem mit dem Hochofen
in Verbindung stehenden Röllkonverter ausschließlich mit flüssigem Eisenoxydul gefrischt
werden, wobei ein Sauerstoffbedarf bis zu 45 kg je Tonne Rohstahl auftritt, der
bei 2,81/o Sauerstoffgehalt im geschmolzenen Stahlschrott eine Zusatzmöglichkeit
bis zu 160o kg ergibt.
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Soweit die Stahlschrottverhüttung in Verbindung mit dem Frischen von
aus Erz erblasenem phosphorhaltigem Roheisen oder Rohstahl durch Zusetzen des in
der beschriebenen Weise erschmolzenen Eisen-Eisenoxydul-Gemisches betrieben wird,
muß eine hochbasische Schlacke im Stahlschrottschmelzofen geführt werden, wenn das
Eisenoxydul zum Frischen dienen soll.
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Der Zusammensetzung nach ergibt sich somit ein Gemisch aus Eisen,
hochbasischer Schlacke und möglichst geringem Anteil an Eisenoxydul. Das Friechen
von Roheisen mit diesem Eisen-Kalk-Oxvdul-Geinisch erfolgt natürlich getrennt vom
Stahlsehrottschmelzverfahren durch einfaches Zusetzen dieses Gemisches zum flüssigen
Roheisen in einer Pfanne, einem Konverter oder in einem Herdofen.
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In der. weiteren Entwicklung des Ver fahrens kann nun aber das hier
unvermeidlich entstehende Eisenoxydul durch die Führung einer hochsaueren Schlacke
im StahIschrottschachtschmelzofen von dieser, wie an sich bekannt ist, nahezu restlos
aufgenormnen werden, so daß fertiger schwefel- und kohlenstofffreier Flußstahl aus
dem Ofen ausgebracht wird, der in üblicher Weise nur noch von dem im Eisen gelösten
Oxydul durch Desoxvdation befreit werden muß.
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Da die sauere Schlacke bis zu ihrer Sättigung über 5o °/° Eisenoxydul
aufnehmen kann und je Tonne Schmelzleistung nur 128 kg Fe 0 anfallen, so ergibt
dies einen Schlackenbedarf
von etwa z50 kg je Tonne Schmelzleistung
an Stahlschrott, wovon sich bei io °/o Abbrand ioo kg Fe mit 28 kg O. zu 128 kg
Fe O verbinden.
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Es ist wichtig, daß die Schlacke möglichst hoch mit Fe0 angereichert
wird, weil sich sonst die hier vorgesehene Weiterverwertung derselben als Rohstoff
für den Hochofeneinsatz nicht lohnen würde.
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Der Eisenabbrand beim Stahlschrottschmelzen kann aber auch noch dadurch
verringert werden, daß Koksofen- oder Generatorgas im Überschuß dem auf i2oo° vorerhitzten,
in diesem Falle bis auf 5 % Sauerstoffgehalt gebrachten Ofenwind zugesetzt
wird, anstatt einen Sauerstoffüberschuß vorzusehen, denn der Zweck einer vollständigen
Nutzbarmachung des Sauerstoffgehaltes für die Verbrennung vori Koksofen- oder Generatorgaswird
ebensogut erreicht, ob man mit weniger Heizgas von 8 bis io °/o Sauerstoffgehalt
des Ofenwindes nur 4. bis 5 °/o zur Verbrennung des Gases verwertet oder bei ioo
°/o Gasüberschuß einen Wind mit nur 4 bis 5 °h Sauerstoffgehalt anwendet, aber der
Abbrand wird im letzteren Falle wesentlich geringer sein, da sich im Ofengas neben
95 % Stickstoff und 4 bis 5 % Kohlendioxyd noch 4 bis 5
% unverbranntes Koksofengas vorfindet ; das nicht verlorengehen wird, da
es bei der nachträglich erfolgenden Kohlendioxydausscheidung aus dem Abwind des
Ofens im Stickstoff verbleibt, der im Kreislauf unter Zumischen von Luft wieder
dem Ofen zugeführt wird. Der Koksofen- oder Generatorgaszusatz kann daher ohne Nachteil
auch auf das Dreifache des Wärmebedarfs gebracht werden, so daß der nicht verbrannte
Teil desselben im Verhältnis 2 : i zum Kohlendioxydgehalt des Ofengases steht und
somit die Oxydationswirkung der Kohlensäure fast ganz aufzuheben vermag.
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Man kann aber noch einen Schritt weiter gehen und an Stelle des sauerstoffarmen
Ofenwindes ein sauerstofffreies, brennbares Gas als Wärmeträger für den Schmelzvorgang
benutzen, in Gaserhitzern auf etwa 12000 vorerhitzen und durch nachträgliche Zufuhr
von stickstofffreiem oder sticksto@Ffarmem Sauerstoff mittels teilweiser Verbrennung
auf i8oo bis 2000 ° bringen.
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Hier braucht auch dann das an sauere Schlacke gebundene Eisenoxydul
seiner Geringfügigkeit wegen nicht mehr im Hochofenbetrieb verwertet oder als Sauerstoffträger
zum Frischen von Roheisen und Rohstahl benutzt zu werden. Somit kann auf diesem
Wege auch Eisenschwamm sehr wirtschaftlich geschmolzen werden.
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In den beiden ersten Fällen wird der Eiseninhalt des Oxyduls durch
Reduktion zurückgewonnen, in allen vier Fällen aber findet das Schmelzen im Stahlschrottschachtofen
mit sauerstoffarmem Wind (bzw. mit brennbarem Kreislaufgas) statt, nur die Beschaffenheit
der Schlacke in bezug auf ihren Eisenoxy dulgehalt ändert sich.
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Die Durchführbarkeit des oxydierenden Schmelzbetriebes unter Beseitigung
des hierbei entstehenden Eisenoxyduls durch Bindung an sauere Schlacke als Oxydulsilikat
setzt aber voraus, daß der Abbrand weitgehend eingeschränkt wird, denn schon bei
20 °;o FeO-Bildung würde eine Schlackenmenge von 50o kg je Tonne Stahlschrotteinsatz
erforderlich werden, worin mindestens z50 kg Fe0, d. h. 195 kg Eisen, enthalten
sind, so daß auf ein Ausbringen an fertigem Flußstahl von 1000 - 195 =
805 kg ein Schlackengewicht von 50o kg entfallen müßte und somit
der in Flußstahl umgesetzten Stahlschrottmenge + 250 kg Kieselsäure dem Hochofen
zuzuführen sein würden, was natürlich die Wirtschaftlichkeit sehr beeinträchtigen
würde. Es ist daher unerheblich, daß z. B. die Verwertung eisenoxydulhaltiger Schweißeisenschlacke
als Rohstoffeinsatz für den Hochofen bereits bekannt ist, denn in Verbindung mit
dem oxydierenden Schachtofenschmelzbetrieb der Stahlschrottverhüttung ist dies nur
unter den im vorliegenden Fall gegebenen Voraussetzungen durchführbar, weil beim
Schachtofenschmelzbetrieb im Verhältnis zum Sauerstoffgehalt des Ofenwindes ein
viel höherer Abbrand entsteht als in Herd- und Schweißöfen, der nur durch die Herabsetzung
des Sauerstoffgehalts im Ofenwind auf ein wirtschaftlich erträgliches Ausmaß gebracht
werden kann und eine entsprechend hohe mittelbare Vorerhitzun.g des Windes bedingt.
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Der Brennstoffverbrauch ist, wenn der Schmelzwärmebedarf teilweise
durch Verbrennen von Schrott aufgebracht werden soll, sehr gering. Er beträgt einschließlich
Wärmeverluste und 15 °/o Kalkzuschlag nur 50o ooo cal Gichtgas je Tonne Schmelzleistung
und im Falle des selbständigen Betriebes auf fertigen Flußstahl 50o ooo cal Lichtgas
und 200 000 cal Koksofen- oder Generatorgas bei 9o °/o Ausbringen an Flußstahl
und 25 % verwertbarer Schlacke mit 4o %
Fe-Gehalt oder 95
% Ausbringen ohne verwertbare Schlacke.
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Zum Aufheizen der Winderhitzer bzw. Gaserhitzer auf etwa 1300° mit
Lichtgas soll die Luft entweder auf 25 °/a Sauerstoffgehalt angereichert oder auf
300 bis 50o° vorerhitzt worden.
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Wie bereits angeführt, soll der Ofenwind nur etwa 5 bis io°/o Sauerstoff
enthalten
Dieser Zustand kann in dem Falle, in dem mit dem Sauerstoffgehalt
des Ofenwindes Stahlschrott verbrannt werden soll, ohne daß Brennstoff dem Ofenwind
zugeführt wird, ganz von selbst herbeigeführt werden, indem man dem Abwind aus dem
Ofen, der seinen 'Sauerstoff schon mindestens zur Hälfte an das Eisen abgegeben
hat, fortlaufend nur so viel Luft zufügt, daß der Sauerstoffgehalt im Wind 5 bis
io°/a nicht überschreitet.
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Sobald man aber in den Wind Koksofen-oder Generatorgas einleitet oder
an Stelle von sauerstoffhaltigem Ofenwind ein brennbares, sauerstofffreies Gas als
Wärmeträger benutzt werden soll, das zu einem kleinen Teil durch Sauerstoffzufuhr
verbrannt wird, wie dies bei der selbständigen Flußstahlerzeugung aus Stahlschrott
oder Eisenschwamm vorgesehen ist, dann entsteht Kohlensäure, und der Abwind bzw.
das brennbare Abgas aus dem Ofen kann daher nicht mehr wie im ersten Fall im Kreislauf
verwendet werden, ohne daß zuvor die Kohlensäure ausgeschieden wird, was -aber durch
Tiefkühlung nach einem neuen, jedoch nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung
gehörenden Verfahren sehr wirtschaftlich betrieben werden kann.
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Wenn auf dem Hüttenwerk eine Sauerstoffgewinnungsanlage vorhanden
ist, was in Zukunft wohl ganz allgemein zutreffen dürfte, dann fällt dieser Aufwand
weg (soweit nicht ein brennbares Gas im Kreislauf als Wärmeträger dienen soll),
weil man dann den Abfallstickstoff aus der Sauerstoffanlage zum Betrieb des Stahlschrott-
oder Eisenschwammschmelzofens benutzen und diesen durch Mischen mit Luft auf io°1o
Sauerstoffgehalt (oder weniger) anreichern wird.