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Verfahren zur Herstellung von Metallen, besonders von Eisen
Die vorliegende
Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Gewinnung von Aletallen aus ihren
Erzen, z. ES. Eisen aus Eisenerz, Nickel aus Nickelerz usw.
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Es wurde bereits versucht, Erdgas für die Gewinnung von Eisen aus
Eisenerz nutzbar zu machen.
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Viele Versuche sind mißlungen, weil man das Erdgas direkt als \ irmequelle
und als Reduktionsmittel verwenden wollte. Erdgas ist ein unwirksames Reduktionsmittel,
und das Ergebnis der genannten Versuche hat zu der Annahme geführt, daß sich Erdgas
als Ensaizmittel für festen Brennstoff beim Schmelzen von Eisenerz nicht sonderlich
eignet.
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Erfindungsgemäß wird Erdgas beim Schmelzen von Erzen verwendet, indem
man es zuerst einer Behandlung unterwirft, die es in ein an freiem \\rasserstoff
reiches Gas umwandelt, und dieses Gas dann auf besondere Weise für die Reduktion
von Erzen verwendet. Letztere Stufe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man
pulverisiertes Erz, z. B. Eisenerz, in einem Strom des Gases derart suspendiert,
daß das Gemisch den Anschein einer siedenden Flüssigkeit erweckt, und das pulverisierte
Eisenerz sowie gebildetes pulverisiertes Eisen langsam in dem Gasstrom entlangführt.
Dies wird durch die Regelung der Gasgeschwindigkeit erreicht. Anders ausgedrückt,
wird eine im wesentlichen einheitliche Dispersion von pulverisiertem Eisen und Eisenerz
in einem Gasstrom mit einer Geschwindigkeit entlanggeführt, die kleiner ist als
die Geschwindigkeit des Gasstromes. Damit dies erreicht werden kann, wird diese
Reduktion bei einer Temperatur durchgeführt, die unterhalb der plastischen Temperatur
des metallischen Eisens liegt.
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Eine geeignete Temperatur liegt um 7ooC; die
Mindesttemperatur
bestimmt sich danach, welcher Wärmegrad zur Erhaltung der Reaktion zwischen Wasserstoff
und Eisenoxyd notwendig ist.
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In der Praxis ist es zweckmäßig, das Erdgas der thermischen Spaltung
zu unterwerfen, um es in Kohlenstoff und Wasserstoff zu verwandeln, weil in diesem
Fall der gebildete Kohlenstoff thermatomar ist und selbst sogleich zur Einführung
in einen fließenden Strom des pulverisierten Eisens zu dessen Aufkohlung dienen
kann. Im Bedarfsfall kann das Erdgas jedoch mit Dampf in Gegenwart eines Katalysators
unter Bedingungen zersetzt werden, die für die Herstellung von Wasserstoff und Kohlenoxyd
günstig sind, und das so hergestellte Gasgemisch kann als solches verwendet werden,
da beide Bestandteile wirksame Reduktionsmittel sind.
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Das Wesen der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, welche
schematisch eine für die praktische Ausübung der Erfindung geeignete Vorrichtung
in Vorderansicht zeigt.
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I bezeichnet einen Turm, auf dessen Boden ein Rost 2 angebracht ist,
unter dem sich ein Verteiler 3 befindet, der mit einer Rohrleitung 4 zur Einführung
des reduzierenden Heizgases verbunden ist. Das obere Ende von Kammer I wird am besten
zu einem Auslaß hin abgebogen, welcher in ein Scheidegefäß 5 einmündet, an dessen
oberem Ende sich ein Gasauslaß 6 befindet. Das untere Ende des Scheidegefäßes 5
ist mit einem zweiten Turm 7 verbunden, der einen kleineren Durchmesser hat als
Turm 1. An einer Stelle in der Mitte dieses Turmes ist ein Einlaß 8 für feinverteiltes
Eisenerz angebracht. Zweckmäßig besitzt dieser Einlaß die Form eines Trichters,
der der intermittierenden Einführung von pulverisiertem Erz in den Turm angepaßt
ist und zu anderen Zeiten luftdicht vom Turm abgetrennt werden kann. Das untere
Ende von Turm 7 wird ebenfalls am besten etwas abgebogen, so daß es mit dem unteren
Ende von Turm I verbunden wird. Ein Abzweigdurchgang g ist mit dem unteren Ende
von Turm 7 verbunden.
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Am Boden der Schnittfläche ist eine Drehklappe 10 angebracht, die
den Strom von pulverisiertem Eisenerz entweder auf den Boden von Turm I oder in
Leitungg lenkt.
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Bei der Ausführung des Verfahrens wird das pulverisierte Erz in Turm
7 durch Leitung 8 eingebracht und ein Gasstrom von dem Verteiler 3 aus zugeführt.
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Die Einführung des Erzes wird bei einströmendem Gas fortgesetzt, bis
beide Türme I und 7 mit einer ganz dichten Suspension von pulverisiertem Eisenerz
in Gas gefüllt sind. Die Gasgeschwindigkeit wird so geregelt, daß ein Absetzen unmittelbar
über dem Rost verhindert und der Strom von Eisenerz in langsamer Bewegung gehalten
wird. Turm 7 beschickt kontinuierlich Turm I mit Erz, weil in Turm 7 eine viel dichtere
Erzsuspension vorliegt, nachdem das meiste Gas am oberen Ende des Scheidegefäßes
5 entfernt worden ist. Naturgemäß wird Scheidegefäß 5 im wesentlichen vollständig
mit der Eisenerzsuspension gefüllt, so daß das ganze Umlaufsystem in der Tat ein
Umlaufstrom von Eisenerz ist.
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Das eingeleitete Gas besitzt, wie gezeigt, reduzierende Eigenschaften
und ist vorzugsweise Wasserstoff. Mit dem Wasserstoff wird genügend Luft zugeführt,
um durch dessen Verbrennung genügend Wärme zur Erhaltung der gewünschten Temperatur
zu liefern, die um 700°C und auf jeden Fall unter der Erweichungstemperatur des
Eisens liegt. Wenn das Eisenerz die Anlage genügend lange durchlaufen hat, um vollständig
reduziert zu sein, wird die Klappe 10 geöffnet, so daß die Eisenteilchen in die
Ausflußleitung g abgedrängt werden.
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Das pulverisierte Produkt kann durch Leitung g zu jeder beliebigen
Verwendung abgezogen werden.
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Wenn das Oxyd von großer Reinheit war, ist das Eisenpulver entsprechend
rein; es kann für viele Zwecke direkt, ohne zu schmelzen, verwendet werden.
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Die Zeichnung erläutert außerdem schematisch Möglichkeiten, dieses
Pulver zu schmelzen, um beliebig verwendet zu werden.
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Leitung g ist mit einer Abzweigleitung II versehen, in der sich eine
Transportschnecke I2 befindet. Durch diese Abzweigleitung wird Kohlenstoff in den
Strom des reduzierten Eisens eingeführt. Dieser Kohlenstoff ist erfindungsgemäß
der thermatomare Kohlenstoff, der bei der thermischen Spaltung des Kohlenwasserstoffgases,
z. B. Methan, entsteht, das zur Herstellung des in der ersten Stufe benutzten Wasserstoffs
dient.
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An dieser Stelle können auch Schlackebildner, im Bedarfsfall oder
wenn das Eisen Bestandteile enthält, die ihre Anwendung notwendig machen, eingeführt
werden.
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Unmittelbar hinter der Abzweigung von Leitung II ist eine Transportschnecke
13 in Leitung 9 angebracht, die Eisen undx Kohlenstoff zusammen mit etwaigen Schlackebildnern
in ein Gefäß 14 hineintreibt, wo das Gemisch durch die Verbrennung von Gas, das
man durch Leitung 15 einführt, auf eine Temperatur von 1100 bis I600°C erhitzt wird.
Das Transportschneckenende I3 wird am besten gegen die strahlende Hitze der Schmelzzone
abgeschirmt und durch geeignete Mittel gekühlt, um ein Erhitzen des Eisenpulvers
bis zum plastischen Zustand, bevor es von der Schnecke abgegeben wird, zu vermeiden.
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Das verwendete Gas ist Kohlenwasserstoffgas im Gemisch mit gerade
so viel Luft oder Sauerstoff, daß die gewünschte Temperatur erreicht, der vorherrschend
reduzierende Charakter des Gases aber nicht verändert wird..
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In Gefäß 14 vereinigen sich Eisen und Kohlenstoff und bilden eine
niedrigschmelzende Legierung (Roheisen), die sich zu Boden setzt und durch Leitung
16 abgestochen werden kann. Ein Schlackenabstich 17 ist auch vorgesehen, und am
oberen Ende von Gefäß 14 befindet sich eine Entleerungsöffnung 18 für Gas.
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Naturgemäß kann die Aufkohlungsstufe nach Wunsch entfallen. Ferner
kann der Kohlenstoff, wenn eine Aufkohlung erwünscht ist, gleich mit dem Eisenerz
oder mit dem reduzierenden Gas eingeführt werden, weil die Temperatur in der Reduktionszone
unter dem Schmelzpunkt der Eisen-Kohlenstoff-Legierung gehalten wird. Erfindungsgemäß
kann der Kohlenstoff, der bei der thermischen Spaltung von z. B. Methan entsteht,
mit dem Wasserstoff in der Reduktionszone mitgeführt und dort mit dem reduzierten
Eisen sogleich nach dessen Bildung gemischt
werden. In dieser Weise
kann ohne nennenswerte Preisgabe der Überwachung des Eisen-Kohlenstoff-Verhältnisses
verfahren werden, indem kontinuierlich Proben des einströmenden reduzierenden Gases
gezogen und dessen Kohlenstoffgehalt bestimmt und durch Verwendung eines Kohlenstoffscheidegefäßes
zwischen der thermischen Spaltzone und der Reduktionszone überwacht wird. Das in
der Zeichnung erläuterte Verfahren jedoch gestattet eine leichtere Überwachung.
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Es wurde dargelegt, daß mit dem Wasserstoff genügend Luft in den
Verteiler 3 eingeführt wird, um die gewünschte Temperatur durch Verbrennung des
Wasserstoffs aufrechtzuerhalten. Einer der Vorteile der Erfindung ist, daß der bei
der thermischen Spaltung von z. B. Methan gewonnene Wasserstoff sich auf einer Temperatur
über Io00°C befindet, wodurch die Verwendung von zusätzlicher Luft weitgehend oder
sogar ganz vermieden werden kann.
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In manchen Fällen ist es zweckmäßiger, die Luft an einer Stelle zuzusetzen,
die von der Einlaßöffnung für Wasserstoff entfernt liegt, z. B. durch Einlaßöffnung
19.
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Die Erklärung der Zeichnung diente nur der Erläuterung einer einzigen
Ausführungsform der Erfindung; andere Ausführungsformen ergeben sich für den Fachmann
von selbst. Die Erfindung ist beispielsweise nicht auf die Behandlung von Eisenerz
beschränkt, sondern ist anwendbar auf die Gewinnung von Metall aus jeder reduzierbaren
Metallverbindung.
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Das Prinzip des Verfahrens, nach dem ein geschlossener Bewegungskreislauf
des zu behandelnden pulverisierten Materials geschaffen und das Fließmittel, gewöhnlich
Gas, als bewegende Kraft für die Bewegung des Materials im Kreislauf angewandt wird,
ist allgemeiner Anwendbarkeit fähig. Dieses Prinzip ist besonders auf jede Reaktion
zwischen einem festen Stoff und einem Gas anwendbar.