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Verfahren zum Betrieb eines Zink-Blasofens Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf das Schmelzen von Zinkerzen in einem Blasofen, d. h. einem Ofen,
bei dem der Einsatz oben eingeführt wird urid die festen Rückstände vom Boden des
Ofens in Form von geschmolzener Schlacke abgezogen werden, so daß der Ofen kontinuierlich
arbeiten kann. Die Erfindung betrifft insbesondere die Ausführung eines Blasofens,
der oben luftdicht verschlossen ist, bei dem sowohl oben als auch am Boden Luft
eingeblasen wird und der mit einem dazwischenliegenden Abzug für die Ofengase versehen
ist.
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Nach früheren Vorschlägen ist die oben in den Ofen eingeführte Luft
durch Düsen zugeführt worden, durch die die Luft von der Seite her unterhalb der
obersten Oberfläche des Einsatzes in den Ofen eingeblasen wurde. Es ist nun ermittelt
worden, daß dieses Arbeitsverfahren zum Verschlacken des Einsatzes im oberen Teil
des Ofens mit anschließender ungünstiger Zinkgewinnung führt.
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Wenn das Verschlacken in der Zone hoher Temperaturen in der Nähe des
oberen Teils des Ofens erfolgt, erstarrt diese Schlacke wieder, wenn sie in die
unmittelbar darunter befindliche kältere Zone gelangt. Die erstarrte Schlacke neigt
dazu, einen Zuwachs zu bilden, der von der Seite des Ofens ausgeht und den Ofen
fast überbrückt, so daß der Einsatz nicht mehr frei nach unten fließen kann. Diese
Wirkung stellt die am meisten unerwünschte Folge des Verschlackens im oberen Teil
des Ofens dar.
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Ein geringes Ausmaß einer beginnenden Schmelzung einiger Bestandteile
des Einsatzes ruft diese
unerwünschte Wirkung wahrscheinlich nicht
hervor.
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Die Erfindung bezweckt, irgendeine ins Gewicht fallende Verschlackung
des Einsatzes im oberen Teil des Ofens zu verhindern.
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Gemäß der Erfindung wird Luft in den oberhalb des obersten Teils des
Einsatzes gelegenen Ofenraum eingeführt. Hierdurch wird ein Luftstrom durch den
oberen Teil des Einsatzes von oben nach unten geführt, und der Luftdruck wird, wenn
er auf den Einsatz trifft, gleichmäßig über die obere Oberfläche des Einsatzes verteilt,
anstatt an einem Auslaß konzentriert zu werden.
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Es ist ferner ermittelt worden, daß gerade bei der Einführung von
Luft oberhalb des obersten Teils des Einsatzes bei einer bestimmten, in der Praxis
verwendeten Art des Einsatzes eine Grenze für den Anteil der Luft vorhanden ist,
die auf diese Weise eingeführt werden kann, wenn im oberen Teil des Ofens 'keine
Verschlackung eintreten soll.
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Die oberhalb des obersten Teils des Einsatzes eingeführte Luft übersteigt
gemäß der Erfindung nicht 6o%.
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Es ist ferner gefunden worden, daß die Höchsttemperatur im oberen
Teil des Ofens noch weiter erniedrigt werden kann, indem man endotherme Reaktionen
in der 'heißesten Zone stattfinden läßt. Zu solchen Reaktionen gehört die Reaktion
von Zinkoxyd mit Kohlenstoff, die gasförmiges Zink und Kohlenmonoxyd ergibt, die
Zersetzung von Calciumcarbonat, die das Oxyd und Kohlendioxyd ergibt, sowie die
Reduktion von Kohlendioxyd durch Kohlenstoff, die Kohlenmonoxyd ergibt.
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In der Praxis wird die erste dieser Reaktionen in der Weise durchgeführt,
daß mit kohlenstoffhaltigem Material brikettiertes, oxydiertes zinkhaltiges Material
zugesetzt wird, und die dritte Reaktion durch geeignete Auswahldes verwendeten Kokses,
um die erwünschte Umsetzung zu erhalten. Das Ausmaß, in dem die zweite Reaktion
in die Erscheinung tritt, wird natürlich durch die dem Einsatz zugefügte Calciumcarl>onatmenge
bestimmt.
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Eine Verkörperung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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Fig. i veranschaulicht einen senkrechten Schnitt nach der Linie i-i
der Fig. 2 und Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. i. Der Einsatz besteht
bei dieser Verkörperung der Erfindung aus oxydiertem Zinkerz, das durch Rösten von
Zinkblende in einer Weise 'hergestellt worden ist, die eine Beeinflussung der Korngröße
gestattet, d. h. daß ein Sinterprodukt hergestellt worden ist, das in Stücke mit
einer porösen, honigwabenförmigen Struktur zerbrochen werden kann, und Koks als
Hauptbestandteilen. Es werden solche :Mengen anderer Stoffe zugegeben, die erforderlich
sind, um die Gangart des Erzes und die Koksasche zu schmelzen, damit eine geeignete
flüssige Schlacke gebildet wird. Im allgemeinen werden Kalk und Kieselsäure als
Flußmittel zugegeben; ein typischer Einsatz besteht aus: oxydiertem Zinkerz ioo
Teile, Koks go Teile, Kalkstein 8 Teile, Sand oder Quarzit 9 Teile, wobei die Teile
Gewichtsteile darstellen.
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Es kann auch etwas mit 'kohlenstoffhaltigem Material brikettiertes,
oxydiertes zinkhaltiges Material eingesetzt «-erden.
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Der Einsatz wird vorzugsweise bei 8oo bis oo'C vorerhitzt und vermittels
einer Aufgabevorrichtung, die einen mit einer Glocke i i ansgerüsteten Trichter
io aufweist, in den oberen Teil eines senkrechten Blasofens von rechtwinkligem Querschnitt
eingeführt.
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Wenn die Aufgabevorrichtung geschlossen ist, bewirkt sie einen luftdichten
Abschluß an der Spitze des Ofens; das Ausmaß der Einführung des Einsatzes wird so
geregelt, daß ein beträchtlicher Raum oberhalb des obersten Teils des Einsatzes
verbleibt. Dieser Raum wird mit Luft. vorzugsweise mit vorgewärmter Luft angefüllt,
die durch Rohre 13 und 14 eingeblasen wird, so daß diese Luft über die ganze freie
Oberfläche 24 des Einsatzes in diesen eintritt.
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Am Boden des Ofens wird durch Düsen 15, 16, 17, 18, i9 und 2o ebenfalls
ein vorzugsweise vorgewärmter Luftstrom eingeführt und der Ofen in seinem unteren
Teil oberhalb des Bodens von einem Wassermantel 27 umgeben, um die dort durch den
Luftstrom erzeugte Temperatur und damit die Temperatur und den Flüssigkeitsgrad
der Schlacke regulieren zu können, die vom Boden des Ofens durch das Stichloch 12
abgezogen werden muß.
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In mittlerer Höhe sind in dem Ofen Gasabzüge 22 und 23 vorgesehen;
die Gase werden durch einen waagerecht angeordneten umgedrehten Trog 21, der sich
quer durch den Ofen erstreckt, den Abzug oder den Abzügen zugeleitet.
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Was die sich in dem Ofen abspielende Reaktion betrifft, wenn Luft
in ein heißes Gemisch aus Koks und oxydiertem zinkhaltigen :Material eingeführt
wird, so ist die erste vor sich gehende Reaktion die Oxydation von Kohlenstoff zu
Kohlendioxyd entsprechend der Formel C -f- 02 = CO, (Reaktion i) Unter der Voraussetzung,
daß der Einsatz auf mehr als 8oo° C vorerhitzt worden ist, ist das eine wirklich
starke Reaktion, und die Geschwindigkeit, mit der sie vonstatten geht, wird nur
durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der Sauerstoff zu der Koksoberfläche Zutritt
gewinnen 'kann. Infolgedessen schreitet diese Reaktion bis zu dein Punkt fort, bei
dem sehr wenig freier Sauerstoff innerhalb einer kurzen Entfernung von der Größenordnung
von etwa 30 cm von dem obersten Teil des Einsatzes an gerechnet in dem Gas
verblieben ist. Die Reaktion i verläuft stark exotherm, und die frei gewordene Wärme
neigt dazu, die Teriperatur beträchtlich zu erhöhen.
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Alsdann setzt eine zweite Reaktion, und zwar zwischen Kohlenstoff
und Kohlendioxyd ein: C + C 02 = 2 C O (Reaktion 2) Die Geschwindigkeit, mit der
diese Reaktion vonstatten geht, ist geringer als die der Reaktion i ;
ihr
wahres Ausmaß erhöht sich mit der Temperatur. Wenn infolgedessen Kohlendioxyd gebildet
wird und die Temperatur sich erhöht, beginnt, wenn die Reaktion i fortschreitet,
die endotherme Reaktion2, die somit dazu neigt, die Temperatur zu senken.
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Das durch die Reaktion 2 erzeugte Kohlenmonoxyd reagiert alsdann mit
Zinkoxyd, um Zinkdampf zu erzeugen: C O + Zn O = Zn (gasförmig) + C 02 (Reaktion
3) Die Reaktion 3 ist endotherm, verläuft aber zum Unterschied von der Reaktion
2 sehr schnell; ihre Geschwindigkeit wird nur durch die Geschwindigkeit bestimmt,
mit der Kohlenmonoxyd Zutritt zu dem Zinkoxyd gewinnt, und durch das Gleich gewicht;
je höher die Temperatur ist, um so mehr kann sie in der dargestellten Weise von
links nach rechts verlaufen. Sobald infolgedessen durch die Reaktion 2 etwas Kohlenmonoxyd
erzeugt ist, beginnt es, Zinkoxyd gemäß der Reaktion 3 zu reduzieren.
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Wenn man von der Spitze des Ofens ausgeht, wo die Luft eintritt, so
ist infolgedessen ein steiler Anstieg der Temperatur und des Kohlendioxydgehalts
bis zu dem Punkt vorhanden, bei dem der gesamte Sauerstoff verbraucht ist; dieser
Punkt liegt etwa 30 cm unterhalb der obersten Oberfläche des Einsatzes. Dort
tritt dann in einer Zone, in der sowohl die Reaktion 2 als auch die Reaktion 3 schnell
vonstatten geht, ein scharfer Abfall der Temperatur ein; das kann in der Zone zwischen
etwa 30 und 6o cm unterhalb der obersten Oberfläche des Einsatzes vor sich
gehen. Diese beiden endothermen Reaktionen gehen zum Teil auf Kosten der gleichzeitigen
Abnahme des Gehalts der Gase an fühlbarer Wärme und zum Teil auf Grund der Wärme
vonstatten, die durch Strahlung und Leitung von der benachbarten Zone herkommt,
in der sich die Reaktion i vollzieht. Wenn die Temperatur fällt, verläuft die Reaktion
2 langsamer, während die Reaktion 3 weiterhin schnell vonstatten geht. Infolgedessen
wird bald ein Zustand erreicht, bei dem die Reaktion 3 bis zum Gleichgewicht bei
der vorherrschenden Temperatur fortgeschritten ist.
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Bezüglich der Frage der Einführung der gesamten Luft im oberen Teil
des Ofens ist durch Versuche ermittelt worden, daß es nicht ratsam ist, mehr als
60% der Gesamtluft oben zu verwenden. Wenn 80% der Luft im oberen Teil und 20% am
Boden eingeführt wird, werden oben Temperaturen von mehr als 120o° C erreicht, und
es tritt dort Verschlackung ein. Der Grund hierfür ist leicht zu erkennen. Das Verhältnis
des Kohlenstoffs zum Zinkoxyd muß so sein, daß das gesamte Zink reduziert und in
Dampfform übergeführt werden kann; ein Gas, das nicht mehr als 8% Kohlendioxyd,
vorzugsweise noch weniger, enthält, wird schließlich aus dem Ofen abgezogen. Wenn
die gesamte Luft im oberen Teil eingeführt wird, bedeutet die Art und Weise, in
der die Reaktionen dort vor sich gehen, daß in einem bestimmten Stadium das gesamte
Zink in Dampfform übergeführt und der gesamte Sauerstoff in einem Punkt verbraucht
ist, in dem der Kohlendioxydgehalt des Gases groß ist, und daß ferner die Reaktion
dieses Kohlendioxyds gemäß der Reaktion 2 mit folgendem Temperaturabfall vor sich
geht, bevor die Gase den Ofen verlassen. Wenn die Gesamtwärmebilanz des Ofens ausgeglichen
ist, bedeutet das, daß die Wärmebilanz in der oberstenZone nur ausgeglichen werden
kann, wenn die Temperatur dort sehr hoch ist.
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Es ist offensichtlich, daB, je schneller die Reaktion 2 verläuft,
um so weniger stark die Zone höher Temperatur in der Nähe des obersten Teils ist.
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Die Verwendung eines besser als gewöhnlich reagierenden Kokses oder
anderen kohlenstoffhaltigen Brennstoffs kann die Verwendung eines größeren Luftanteils
im oberen Teil ermöglichen, ohne daß durch Unterstützung der Reaktion 2 übermäßige
Temperaturen entstehen; bei Verwendung der im Handel verfügbaren Koksarten, und
zwar sowohl von Gaswerkskoks als auch Hüttenkoks, ist jedoch eine obere Begrenzung
der oben zugeführten Luft mit 60% notwendig.
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Preßlinge, die Kohlenstoff und oxydiertes Zinkhaltiges Material enthalten,
ergeben, wenn sie über eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, ebenfalls Zinkdampf
und Kohlenmonoxyd nach der Reaktion Zn O + C = Zn (gasförmig) + C O (Reaktion .4)
Diese Reaktion verläuft im einzelnen wie die Reaktionen 2 und 3, aber da die beiden
Reaktionsbestandteile in inniger Berührung miteinander stehen, verläuft die Gesamtreaktion
in ihrer Wirkung nach der Gleichung 4. Diese sehr enidotherme Reaktion hilft mit,
daß die Temperatur sich nicht übermäßig erhöht. Ein Grund dafür, das zinkhaltige
Material in brikettierter Form zuzuführen, liegt darin, die Verarbeitung von Dämpfen
und Schlacken zu erleichtern, die ihrerseits nicht in einer geeigneten physikalischen
Form vorliegen, um in den Ofen eingesetzt werden zu können. Diese Verwendung von
Preßlingen ist mit dem Vorteil verbunden, daß sie eine sehr endotherme Reaktion
an einer Stelle verursacht, an der die exothermen Reaktionen vorherrschen.
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Die Dämpfe und Schlacken können Nebenerzeugnisse eines Blasofenzinkschmelzverfahrens
sein. Die aus dem Ofen kommenden Gase werden zu einem Kondensator geleitet, wo so
viel Zinkdampf wie möglich zu flüssigem Metall kondensiert wird. Es tritt eine geringe
Oxydation von Zink ein, die Anlaß zur Schlackenbildung gibt. Irgendwelches Zink,
.das dem Kondensator entrinnt, kann als Dampf gesammelt werden. Es hat sich als
günstig herausgestellt, alle diese Stoffe zum Einsatz in den Ofen zu brikettieren
und Kohlenstoff, z. B. Koksgrus, den Preßlingen einzuverleiben. Nebenerzeugnisse
aus anderen Quellen können natürlich in ähnlicher Weise verarbeitet werden.
Ferner
wird Kalkstein oder eine andere Form von Calciumcarbonat in dem Einsatz zersetzt,
sobald die Temperatur genügend hoch wird: CQ CO3 = C.0 + CO, (Reaktion 5)
Diese endotherme Reaktion trägt dazu bei, der heißesten Zone Wärme zu entziehen.
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Schließlich wind die Wärme von der heißesten Zone zu der anliegenden
kälteren Zone geleitet und gestrahlt, wo die Reaktionen 2 und 3 stattfinden. In
der Zeichnung zeigt die Höhenlage 25 die Stelle an, wo die höchste Temperatur erreicht
wird, während zwischen den Höhenlagen 25 und 26 die Stelle liegt, an der auf Grund.
der endothermen Reaktionen 2 und 3 ein scharfer Temperaturabfall in die Erscheinung
tritt. Der Raum zwischen den Höhenlagen 25 und 26 stellt den Raum dar, der benötigt
wird, um der Reallotion 2 Zeit zur Durchführung zu geben. Die heiße Zone 25 ist
über eine weite Fläche und auf eine verhältnismäßig kurze Entfernung von der kälteren
Zone 26 getrennt; aus diesem Grunde findet eine beträchtliche Wärmeübertragung statt,
so daß eine wesentliche Senkung der Temperatur, die sonst in der Höhenlage 25 erreicht
werden würde, eintritt. Wenn andererseits Luft durch Düsen unterhalb des obersten
Teils des Einsatzes eingeführt wird, wird die heißeste Zone an einer kleinen Fläche
rund um jede Düse erreicht und die Wärme kann nicht so wirksam in die kältere Zone,
in der die Reaktion 2 vonstatten geht, übertragen werden. Bei der Anwendung solcher
Düsen erreichen daher die lokalisierten heißen Zonen eine höhere Temperatur als
in dem Fall, in dem Luft über die ganze obere Oberfläche des Einsatzes eingeführt
wird.