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Verfahren und Vorrichtung zum unmittelbaren Gewinnen von Metall, insbesondere
Eisen, aus feinkörnigen Erzen oder Metallverbindungen Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum unmittelbaren Gewinnen von Metall, insbesondere Eisen, aus
feinkörnigen Erzen oder oxydischen Metallverbindungen.
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Es sind Verfahren bekannt, bei denen Erz durch Gase und Dämpfe reduziert
wird. Dabei werden die Erze z. B. in innen geheizten Ofen, in welchen endlose Bänder
laufen, die mit dem Erz beschickt werden, behandelt. Bei diesen Verfahren können
die Gase und Dämpfe nur oberflächlich auf das geschichtete Erz einwirken, da das
Eindringen in die innere Erzschicht schwer möglich ist. Die Reduktion kann daher
bei diesen Vyrfahren nur oberflächlich verlaufen oder das Erz muß sehr lange Zeit
dem Gas ausgesetzt werden, wobei eine wiederholte Umlagerung des Erzes erforderlich
würde.
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Im Gegensatz zu diesen bekannten Verfahren wird bei dem vorliegenden
Verfahren das Erz von den Gasen und Dämpfen ständig durchmischt unter gleichzeitiger
Einwirkung heißer und kälterer Gase, Dämpfe oder eines Gemisches von Gasen und Dämpfen,
so daß das Gut unter abwechselndem Erhitzen und Abschrecken reduziert wird.
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Das ständige Durchmischen des Gutes unter abwechselndem Erwärmen .und
Abschrecken desselben bewirkt eine außerordentlich innige Berührung aller Erzteilchen
mit den Reduktionsgasen. Weiter wird durch das ständige Durchmischen das sich an
der Oberfläche der Erzschicht bildende Metall immer sofort wieder von der Oberfläche
nach unten befördert, wodurch immer neue Teilchen des Gutes an die Oberfläche kommen
und der Reduktion immer wieder neu ausgesetzt werden. Der Reduktionsverlauf wird
hierdurch beschleunigt.
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Das abwechselnde Erwärmen und Abschrecken des Gutes verhindert zunächst
eine Verglasung der Oberfläche der einzelnen Teilchen und bewirkt weiter, daß eine
sehr schnelle Aufspaltung der einzelnen kleinen Teilchen eintritt. Diese Aufspaltung
bewirkt weiter, daß die Gase sehr tief in die einzelnen Teilchen eindringen und
damit die Reduktion beschleunigen.
Die Reduktion verläuft bei dem
vorliegenden Verfahren durch die obengenannte ständige Umschichtung des Gutes und
di,% ständige wechselnde Erwärmung und'-, schreckung sehr viel schneller als bei
deriile-. kannten Verfahren. Da an der OberflÜche der einzelnen kleinsten Teilchen
des Gutes keine Verglasung eintritt, kann mit einer niedrigeren Temperatur verarbeitet
werden, als bei den bekannten Verfahren möglich ist.
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Das Verfahren gestattet, rnif kleinen Ofeneinheiten in der Zeiteinheit
sehr hohe Durchsätze zu erreichen, die selbst die Durchsatzleistungen von Hochöfen
für die Eigengewinnung übertreffen.
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Die niedrigen Temperaturen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden
kann, bewirken, daß das Gut trocken, d. h. ohne zu schmelzen oder teigig zu werden,
reduziert wird.
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Der Gasverbrauch für die Durchführung des Verfahrens ist verhältnismäßig
niedrig. Bei der Reduktion von armen Erzen, z. B. sauren Eisenerzen, werden benötigt
für i kg Eisen etwa 4. m3 Hochofengas für die Durchmischung und Reduktion, wenn
das Gut noch 20 11, andere Reduktionsmittel, z. B. in Form von Braunkohlenbrikettstaub,
zugesetzt wurden. Für die Beheizung des Ofens werden weiter etwa :I m3 Hochofengas
benötigt, so daß für i kg Eisen zusammen etwa ä m3 Hochofengas oder y m3 ILoksofengas
mit 4ooo WE benötigt werden.
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Für die Gasreduktion von Eisen wird gewöhnlich ein Gasverbrauch angegeben,
der etwa fünfmal so hoch ist als bei der Eisenreduktion nach dem vorliegenden Verfahren.
Diese geringe Gasmenge wird bei dem vorliegenden -Verfahren erreicht durch die ständige
innige Durchmischung, die ständige wechselnde Erwärmung und Abschreckung, die schnelle
Aufspaltung der einzelnen kleinsten Teilchen des Gutes und den dadurch bedingten
schnellen Verlauf der Reduktion bei niedriger Temperatur.
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Bei der Reduktion von Erzen, besonders Eisenerzen, durch Kohlenoxyd
bilden sich bekanntlich große Mengen CO.-Gas. Es entstehen aus jedem Kilogramm Eisen
1,5 kg C 02- Gas, welches bei Zoo= ein Volumen von 1380 1 hat. Diese
große Menge CO2-Gas behindert den Zutritt von Reduktionsgasen zum Erz in den Schichten
unter der Oberfläche, wenn das CO.-Gas nicht sofort durch andere Mittel aus dem
zu behandelnden Gut ausgetrieben wird.
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Bei den bekannten Verfahren der Gasreduktion wird das sich bildende
CO2-Gas nur langsam aus dem Erz entweichen, da es als Bläschen das Erz umhüllt und
sich daran festhält, wenn die Erzschicht nicht ständig gerüttelt und umgelagert
wird. Bei den bekannten Verfahren wird also durch das sich ,.bildende C O@ Gas die
Reduktion behindert. ,bildende dem vorliegenden Verfahren dagegen wird das C O=
Gas durch das ständig nachströmende Durchmischungsgas zwangsläufig aus der Erzschicht
ausgetrieben. Damit kommen die einzelnen Teilchen des zu behandelnden Gutes ständig
immer wieder mit frischem Reduktionsgas in Berührung, so daß die Reduktionsgase
jedes kleinste Teilchen immer neu berühren und damit auch in das Innere desselben
eindringen können.
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Jede Reduktion vollzieht sich zunächst an der Oberfläche des zu behandelnden
Gutes. Bei den bekannten Gasreduktionsverfahren lagert sich das bei der Reduktion
gebildete Metall in Form eines dichten Pulvers von Metallschwamm an der Oberfläche
der Erzschicht ab, wodurch das weitere Eindringen der Reduktionsgase in die Erzschicht
behindert und die Reduktion aufgehalten wird. Bei dem vorliegenden Verfahren wird
das sich bei der Reduktion bildende Metall von der Oberfläche ständig sofort nach
unten wandern und frisches Erz an die Oberfläche kommen, da alle kleinsten Teilchen
des Gutes ständig umgeschichtet werden. Da die Reduktion an der Oberfläche schnell
verläuft und alle kleinsten Teilchen immer wieder an die Oberfläche der Schicht
kommen, wird das gesamte Gut schnell reduziert. Weiter wird durch die ständige Umlagerung
des Gutes auch ständig eine Umlagerung der zusätzlichen Reduktionsmittel und damit
eine innige Berührung derselben mit den kleinsten Erzteilchen bewirkt, was gleichfalls
zur Beschleunigung der Reduktion beiträgt.
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Es ist bekannt, daß die Reduktion von Erz sehr schnell verläuft, wenn
reaktionshindernde Umstände ausgeschaltet werden. Solche reaktionshindernde Umstände
sind dichte Schüttung des Erzes ohne ständige Durchrüttelung und Entfernung des
sich bildenden Metallschwamrnes von der Oberfläche der Erzschicht, wodurch das weitere
Eindringen der Reduktionsgase in das Erz behindert wird sowie das Nichtabführen
der sich bei der Reduktion bildenden CO= Gase, wodurch der Reduktionsverlauf gleichfalls
behindert wird. Diese reaktionshindernden Umstände bestehen bei den bekannten Verfahren
der Reduktion durch Gase, so daß bei diesen die Reduktion nur sehr langsam und unvollständig
verläuft. Dagegen werden bei dem vorliegenden Verfahren alle reaktionshindernden
Umstände ausgeschaltet, wodurch der Reduktionsverlauf beschleunigt wird.
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Der Verbrauch an Reduktionsmitteln wird i durch die innige Berührung
derselben mit den einzelnen kleinsten Teilchen des Gutes, wodurch
sich
eine sehr große Oberflächenberührung ergibt, infolge .der ständigen Durchmischung
auf ein Mindestmäß beschränkt. Bei Versuchen der Reduktion von armen Eisenerzen
genügten beim Laboratoriumsversuch Zoo kg Braunkohlenstaub zur Gewinnung von iooo
kg Eisenschwamm.
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Die praktischen Vorzüge des vorliegenden Verfahrens gegenüber bekannten
Gasreduktionsverfahren für die Gewinnung von Metallen bzw. Metallschwamm sind: kleiner
Ofenraum mit großem Durchsatz, hohes Ausbringen an Metall mit geringsten Verunreinigungen,
keine Zuschläge für die Schlackenbildung, Reduktion bei niedriger Temperatur, geringer
Gasverbrauch, geringer Verbrauch an zusätzlichen Reduktionsmitteln, geringe Kosten
für die Erwärmung.
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Für die Durchmischung werden Gase oder Dämpfe oder ein Gemisch aus
Gasen und Dämpfen verwendet.
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Als Gase werden bevorzugt solche Gase verwendet, welche eine Oxydation
bzw. eine Rückoxydation nacheingetretener Reduktion ausschließen bzw. weniger verursachen.
Solche Gase sind z. B. Hochofengas und Generatorgas.
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An Stelle von Gasen können auch Dämpfe benutzt werden, z. B. Dämpfe
von Benzin, Teer, Salzen.
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Gase und Dämpfe können für die Durchmischung des Gutes auch miteinander
gemischt werden.
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Die Erwärmung des Gutes kann in an sich bekannter Weise durch Gasfeuerung,
Kohlenstaubfeuerung; Ölfeuerung, elektrische Beheizung usw. erfolgen.
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Der Verbrennungsvorgang bei einer unmittelbaren Beheizung wird zweckmäßig
so geleitet, daß durch Anordnung einer Vorverbrennungskammer und durch eine schnelle
Abführung der Verbrennungsgase aus dem Ofen möglichst wenig Berührung des Gutes
mit den Verbrennungsgasen besteht.
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Außerdem kann zum Schutz des Gutes gegen Oxydation durch die Verbrennungsgase
noch Schutzgas durch Schlitze, welche in den Seitenwänden des Ofens angebracht werden
können, über das Gut geblasen werden, womit zwischen Gut und Verbrennungsgase ein
Gasschleier gelegt wird.
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Die zusätzlichen Reduktionsmittel aus festen, flüssigen, dampfförmigen
oder gasförmigen Stoffen oder Gemischen aus diesen können zusammen mit dem Gut oder
getrennt davon, z. B. nach einer V orbehandlung des Gutes, in den Ofen eingeführt
werden.
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Die Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens besteht aus einer
an sich bekannten Kammer, welche in feuerfesten Bodenplatten Düsen mit feinsten
Öffnungen enthält, durch «-elche die Gase oder Dämpfe oder ein Gemisch daraus in
das Gut zwecks Durchinischung desselben eingeführt werden.
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Vor den Düsen mit feinsten Öffnungen in den feuerfesten Bodenplatten
können Gewebe oder Siebe aus Metall oder anderen Stoffen, z. B. Asbest, Glas oder
Kunstharz, angeordnet werden.
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Ausführungsformen von Kammern mit Düsen feinster Öffnungen in den
Bodenplatten sind in den angefügten Zeichnungen dargestellt.
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In Abb. i wird eine Kammer i gezeigt, welche mit feuerfesten Bodensteinen
#" ausgemauert ist. Die Bodensteine können auch treppenförmig oder schuppenförmig
übereinander angeordnet werden. Ausführungsformen solcher Bodensteine mit feinsten
Düsenöffnungen werden in Abb. 3, 4, 5 und 6 gezeigt. Die Gewebe oder Siebe 3 werden
vor den Düsen der Bodensteine angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung
des Durchmischungsgases zu erhalten, das aus der Kammer 4 durch die Düsen der Bodensteine
in das Gut einströmt. Durch die Zuleitung 5 wird das Gas in die Kammer 4 geleitet.
Die Gewölbesteine 6 der Ofenkammer i enthalten Brenneröffnungen 8, durch welche
das Verbrennungsgas aus der Vorkammer io in den Ofen eintritt. i i ist die Gaszuleitung
nach den Brennern. 8, 7 sind Gasschlitze für das Schutzgas.
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Abb. a ist ein O_uerschnitt durch den Ofen. Abb. 3 zeigt treppenförmig
überlagerte Bodensteine mit Düsen 9 und den Sieben 3 vor den Düsen.
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Abb. 4 zeigt eine schuppenförmige Anordnung von. Bodensteinen mit
den Sieben 3 und den Düsen 9.
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Abb. 5 zeigt Bodensteine mit feinsten Löchern 9 und den Sieben 3.
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Abb. 6 zeigt Bodensteine mit feinsten Schlitzen und den Düsen 9 und
den Sieben 3 vor den Düsen.
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Die wechselnde Erwärmung und Abschrekkung des Gutes kann in der Weise
geschehen, daß z. B. aus den feinen Düsen in den Bodenplatten kälteres Gas, d. h.
ein Mittel mit niedrigerer Temperatur als die Wärmequelle, in das Gut eingeblasen
wird, oder es kann auch die Wärmequelle im Boden angebracht werden und kälteres
Gas aus der Ofendecke in das Gut strömen. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum unmittelbaren
Gewinnen von Metall, insbesondere Eisen, aus feinkörnigen Erzen oder oxydischen
Metallverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe gleichzeitig
der
Einwirkung heißer und kälterer reduzierender Gase, Dämpfe oder einem Getnisch von
Gasen und Dämpfen ausgesetzt werden, die das Gut durchmischen und unter abwechselndem
Erhitzen und Abschrecken reduzieren.
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2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, die
aus einer Kammer mit Düsen zum Einführen von Gasen, Dämpfen oder Gemischen aus Gasen
und Dämpfen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichmäßigen Verteilung der
einzuführenden Gase oder Dämpfe vor den aus feuerfesten Platten mit feinsten Öffnungen
bestehenden Düsen Gewebe oder Siebe aus Metall oder anderen Stoffen, z. B. Asbest,
Glas oder Kunstharz, angeordnet sind.