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Verfahren und Ofenanlage zur unmittelbaren Erzeugung von flüssigem Eisen oder Stahl.
Die direkte Eisengewinnung wird bekanntlich mit Hilfe von gasförmigen oder festen Reduktionsmitteln ausgeführt. Beim ersteren Verfahren wird die Beschickung vorzugsweise in Drehrohröfen im Gegenstrom zu dem reduzierenden Gas geführt, das die für das Verfahren notwendige Wärme in das Drehrohr mit einbringt, falls dieses nicht von aussen erhitzt wird. Bei diesem Verfahren gelangt man meistens nur zu Eisenschwamm, denn es ist schwierig und ausserdem kostspielig, das reduzierte Gut in reduzierender Atmosphäre bis auf die Giesstemperatur des Eisens zu erhitzen. Daher wird das reduzierte Gut gewöhnlich in einem besonderen Ofen eingeschmolzen, wenn flüssiges Eisen oder Stahl erzeugt werden soll.
Beim Arbeiten mit festen Reduktionsmitteln hat man Formlinge aus Erz und Reduktionsmittel mit einer Kohleschicht überkleidet und in einem Drehrohrofen erhitzt, den die Formlinge im Gegenstrom zu den Heizgasen durchwanderten. Der Kern der Formlinge wurde dabei zu Metall reduziert, während die Kohleschicht das Eindringen oxydierender Heizgase in den Kern verhinderte. Sollten Eisenlegierungen, z. B. Ferrosilizium, hergestellt werden, so mischte man dem Erz bei der Herstellung der Formlinge noch die hiefür erforderlichen Rohstoffe, z. B. Kieselsäure oder metallisches Silizium, zu.
Es ist auch schon angestrebt worden, das reduzierte Eisen vor Wiederoxydation durch Erzeugung einer Schlacke zu schützen. Zu diesem Zwecke wurden der stückig zu machenden Mischung aus den bei der Reaktion miteinander reagierenden Stoffen Zuschläge, wie Salz oder Ammoniumehlorid, Kieselsäure zusammen mit Sägespänen, flüssigem Pech, Teer, Melasse, Mergel, Karbonaten, Ton u. dgl., beigegeben.
Aus den Zuschlägen bildete sich eine glasige Schlacke, die die Berührung oxydierendwirkender Gase mit dem Eisen verhindern sollte. Die Schlackenbildung war naturgemäss nicht früher erforderlich als zu dem Zeitpunkt, in dem die Wirkung der Reduktionsmittel nicht mehr ausreichte, um die Wiederoxydation des bereits reduzierten Eisens zu verhüten. Von dieser Wirkung der Schlacken, die bei Erhitzung der reduzierten Beschickung auf Schmelztemperatur gebildet werden, machen natürlich auch die bekannten Verfahren Gebrauch, bei denen die Eisenreduktion unter unmittelbarer Beheizung der aus Eisenerz, Kohle und Flussmittel bestehenden Beschickung in einem Drehrohrofen chargenweise ausgeführt wird. Diese Verfahren sind wärmewirtschaftlich wesentlich vorteilhafter als die Reduktion mit Gasen.
Bei ihnen sowohl als auch bei der Reduktion von aus Erzen nach besonderen Verfahren erschmolzenen Eisensilikaten mittels festen Kohlenstoffes, der in das Schmelzbad eingetaucht wurde, entstanden indessen dadurch grosse Schwierigkeiten, dass das Ofenfutter nicht standhielt.
Nach der Erfindung wird flüssiges Eisen oder Stahl aus oxydischen Erzen oder Eisenverbindungen in einem waagrechtliegenden rotierenden Ofen, in den ein Gemisch des Gutes mit festem Brennstoff, vorteilhaft auch mit Flussmitteln und erforderlichenfalls mit Kieselsäure, chargenweise, am besten vorgewärmt eingebracht und mittels Flammengasen erhitzt wird, dadurch erzeugt, dass die oxydischen Eisenverbindungen, die auch verflüchtigungsfähige Metalle, wie Zink, Blei od.
dgl., enthalten können, bei ständig zunehmender Erhitzung teils zu festem metallischen Eisen reduziert und teils mit Hilfe der anwesenden Kieselsäure in eine Ferrosilikatschlacke übergeführt werden, worauf bei weiterer zunehmender Erhitzung die Ferrosilikatschlacke mit in irgendeinem vorhergehenden Zeitpunkt zugesetztem Kalk zersetzt und das aus der Schlacke freigemacht Eisenoxydul reduziert wird, während gleichzeitig das gesamte reduzierte Eisen geschmolzen wird.
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Die in der Beschickung vorhandene Menge von Kieselsäure muss so bemessen werden, dass die Schlacke sich gleichzeitig mit dem bei etwa 900-1000 C entstehenden Eisenschwamm bildet. Die Schlacke ist also bereits bei der Bildung des Eisenschwammes zähflüssig oder teigig, so dass durch die Bewegung des Ofens die einzelnen Eisenschwammteilchen gewissermassen schon bei ihrer Entstehung in die Schlacke eingewickelt werden. Die Wiederoxydation des Eisenschwammes wird dadurch mindestens zum grossen Teil vermieden, jedenfalls findet sie nicht in schädlichem Ausmasse statt, dass ein Angriff des Ofenfutters durch Eisenoxydul eintreten kann. Dieses wird vielmehr von dem Kieselsäuregehalt der Beschickung gebunden.
Ausserdem unterdrückt auch der Kohlenstoffgehalt der Beschickung, der so bemessen wird, dass er für die Reduktion ausreicht, bis die Beschickung völlig geschmolzen ist, eine starke Wiederoxydation.
Im weiteren Verlauf der Reduktion kommt infolge der Bewegung des Ofens der reduzierte Eisenschwamm in innige Berührung mit dem glühenden, im Überschuss vorhandenen Reduktionskohlenstoff.
Der Eisenschwamm nimmt demgemäss Kohlenstoff auf und beginnt zu schmelzen. Durch den zugeschlagenen Kalk wird mit zunehmender Temperatur die Eisenoxydulsilikatschlacke mehr und mehr zersetzt, und es bildet sich über Eisenoxydulsilikat Kalksilikat, so dass das Eisenoxydul zur Reduktion freigegeben wird. Die Reduktion des Eisenoxyduls wird zum Teil auch von dem Kohlenstoff des bereits
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raschend ist hiebei, dass der Kalkzuschlag die Eisenoxydulsilikatschlackenbildung, die zu Anfang der Reduktion erfindungsgemäss herbeigeführt wird, nicht stört.
Obzwar für die Zersetzung der Eisenoxydulsilikatschlacke nur wenig Kalk erforderlich ist, indem man manchmal schon mit 5% auskommt, kann man mit dem Kalkzusehlag ohne weiteres höher gehen, da ein Kalkzuschlag auch dann noch nicht schädlich wirkt, wenn, z. B. um das Ofenfutter noch mehr zu schonen oder aus sonstigen Gründen, das Vier-oder Fünffache der für'die Zersetzung'der'Eisenoxydulsilikatschlacke erforderliehen Menge oder sogar noch mehr verwendet wird.
Die für das Verfahren gemäss der Erfindung erforderliche Menge Kieselsäure kann dem Ausgangsgut, z. B. in Form kieselsäurehaltiger Stoffe, besonders zugeschlagen werden, wenn nicht Erze verwendet werden, die gerade die notwendige Menge Kieselsäure enthalten. Derartige Erze sind in der Regel für den Hochofen nicht besonders geeignet. Die Möglichkeit der Verwertung derartiger Erze ist daher ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung. Auch durch Mischen verschiedener Erze od. dgl. mit hohen und niedrigen Kieselsäuregehalten lässt sich eine Beschickung mit geeignetem Kieselsäuregehalt herstellen.
Die Bildung der Eisenoxydulsilikatsehlacke kann durch Zusatz bekannter Flussmittel, wie Röst- spat, Flussspat, Kryolith, Chlorkalzium, Soda usw., begünstigt werden.
Vorteilhaft ist es, die Beschickung auch bis auf Reduktionstemperatur und selbst höher vorzuwärmen, weil dadurch die Dauer der Reduktionsvorgänge abgekürzt wird. Auch die Reduktionswirkung des Kohlenstoffes wird dabei beschleunigt, so dass die Bildung des Eisenschwammes rasch vor sich geht.
Durch diese Vorwärmung findet auch keine nennenswerte Abkühlung des Reduktionsofens statt, und Zerstörungen des Ofenfutters werden vermieden, die bei Verwendung einer nichtvorgewärmten Beschickung durch den bei der Verdampfung ihres Feuchtigkeitsgehaltes im Ofen entstehenden Wasserdampf hervorgerufen werden würden. Der für die Zersetzung der Eisenoxydulsilikatschlacke notwendige Kalkstein wird rascher zerlegt, so dass das Kalziumoxyd mit dem noch nicht vollständig verflüssigten Eisenoxydulsilikat entsprechend schnell reagieren und Kalksilikat bilden kann, während das Eisenoxydul zu Eisen reduziert wird.
Die Vorwärmung kann so geleitet werden, dass dabei gleichzeitig schädliche Stoffe, z. B. Schwefel,
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Drehrohrofen durchgeführt werden, der mit den Abgasen des Reduktionsofens beheizt wird. Auch andere Bestandteile können bei der Vorwärmung aus der Beschickung ganz oder teilweise verflüchtigt werden, z. B. Zink, Blei, Zinn u. dgl. Auch Röstverfahren kann man in bekannter Weise zur Vorwärmung heranziehen, wenn als eisenhaltiges Ausgangsmaterial Spateisenstein, Kiesabbrände oder anderes schwefeleisenhaltiges Gut verwendet wird.
Die Austreibung der genannten Beimischungen aus dem Ausgangsgut durch Vorwärmung ist aber nicht unbedingt erforderlich, da auch durch das Reduktionsverfahren selbst verflüchtigungsfähige Elemente, wie Zinn, Blei, Zink, Antimon, Arsen u. dgl., sehr weitgehend aus der Beschickung entfernt werden. Sie können z. B. in Form ihrer Oxyde aus den Abgasen des Ofens gewonnen werden. Selbst Schwefel wird bei der Reduktion zum Teil ausgetrieben.
Der Kalkzuschlag, der zur Zersetzung der Eisenoxydulsilikatschlacke notwendig ist, kann in irgendeinem ihrer Zersetzung vorhergehenden Zeitpunkt zugesetzt werden. Entweder gleich von vornherein der Beschickung oder vor oder nach ihrer Vorwärmung oder erst an einer geeigneten Stelle des Reduktionsofens selbst.
Ist die Reduktion weit genug vorgeschritten, so wird die Silikatsehlacke aus dem Ofen abgezogen und das Eisen entweder im Ofen selbst oder in einem zweiten Ofen (Drehofen, Herdofen, Elektroofen), in den der aus dem Reduktionsofen abgestochene Rohstahl flüssig eingesetzt wird, fertiggemacht. Das Fertigmachen in einem besonderen Ofen wird z. B. dann vorgezogen, wenn der Reduktionsofen in bezug
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auf seine Beschickung zwangsläufig mit einer andern, für die Vorbereitung der Beschickung dienenden Einrichtung (Wälzofen, Dwight-Lloyd-Apparat, Vorwärmeofen) gekuppelt ist.
In der Zeichnung sind zwei verschiedene Anlagen zur Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung beispielsweise schematisch dargestellt. Nach Fig. J gelangt das Rohgut, das vorher zwecks Röstung oder Agglomerierung auf einem Bandsinterapparat behandelt sein kann, nach Vermischung mit etwa 30% Reduktionskohle, beispielsweise in Form von Koksgrus, zerkleinert oder unzerkleinert mittels des Transportbandes 1 und des Aufgaberohres 2 in den Drehofen 3. In diesem Ofen werden aus dem Gut leichterflüchtige Metalle, wie Zink, Blei u. dgl., nach bekannten Verfahren, z. B. nach dem Wälzverfahren, entfernt. Aus dem Ofen 3 wandert das von den flüchtigen Metallen befreite Gut unter möglichster Vermeidung von Wärmeverlusten über die Rutsche 4 in den Reduktionsofen 5, der durch den Kohlenstaubbrenner 6 beheizt wird.
Die Zugabe von Reduktionskohle und sonstigen für die Eisenreduktion notwendigen Zuschlägen kann ebenfalls auf der Rutsche 4 erfolgen, auf welche die Reduktionskohle und die Zuschläge aus seitlich angeordneten Vorratsbunkern gelangen. 7 ist der Kohlenstaub-
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die Rutsche 4 durch den Ofenkopf 9 in den Ofen 3 geleitet, in dem sie einen Teil ihrer Wärme an das zu behandelnde Gut abgeben. Aus dem Ofen 3 gelangen die Abgase in den Ofenkopf 10 und von diesem in den Luftvorwärmer 11, um dann mittels Leitung 12 einer Filtereinrichtung zugeführt zu werden, in der die Metalloxyde aus den Abgasen abgeschieden werden. Ein Ventilator 13 drückt die Verbrennungsluft durch den Wärmeaustauscher 11 und die Leitung 14 in den Kohlenstaubbrenner 6 des Ofens 5.
Die Pfanne 15 dient dazu, den Inhalt des Ofens 5 nach Beendigung der Reduktion aufzunehmen. Werden in einer derartigen Anlage Erze verarbeitet, die keine verflüchtigungsfähigen Metalle enthalten, so dient der Ofen 3 lediglich zum Vorwärmen des Gutes. Sehwefelfreies oder schwefelarmes Gut kann ohne vorherige Röstung unmittelbar mittels der Fördereinrichtung 1 dem Ofen 3 zugeführt werden. Auch für die Röstung des Ausgangsgutes kann der Ofen 3 benutzt werden. Die Anlage kann auch so ausgebildet sein, dass die für die Reduktion im Ofen 5 benötigten Kohlemenge und Zuschläge dem Gut bereits zugemischt werden, bevor es in den Ofen 3 gelangt.
Bei der Einrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist, fehlt der Ofen 3. Von einem Rost-oder Sinterapparat 20 fällt das Gut zunächst in die Brechwalzen 16. Nach der Zerkleinerung rutscht es über eine
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gesammelt, um dann z. B. als Rostbelag für den Röstapparat zu dienen. Die Aufgaberinne 18 fördert das Erz in den Reduktionsofen 5, nachdem auf der Rinne der Brennstoff, z. B. Koks, und die Zuschläge, z. B. Kalk und Kieselsäure, die für die Eisenreduktion benötigt werden, dem Gut beigemischt worden sind. Die Beheizungseinriehtungen für den Ofen 5 und die Einrichtungen für die Luftvorwärmung und Luftzu-und-ableitung können dieselben sein wie 11, 13, 14 in Fig. 1.
Die Abgase des Ofens J gelangen durch den Ofenkopf 10 und, falls sie metallhaltig sind oder entstaubt werden sollen, die Leitung 12 in
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in die Esse. Die Pfanne 15 dient auch hier zur Aufnahme des Inhaltes des Ofens 5.
Ausführungsbeispiel : Kiesabbrände mit 42-1% Fe, 8% Zn, 3-4% S, 10-9% SiOund 15% H20 werden auf einem Dwight-Lloyd-Sinterapparat unter Zugabe von etwa 6% Koksgrus abgeröstet. Das Agglomerat enthält dann 48% Fe, 8. 6% Zn, 0. 1% Sund 12. 5% Si02. Das Agglomerat wird entweder in dem Zustand, in dem es von der Sintereinrichtung abgeworfen wird, oder nach vorangehender Zerkleinerung unter Zugabe von etwa 20% Koksgrus in einem Drehrohrofen nach dem bekannten Wälzverfahren entzinkt. Enthält das Gut noch andere leichterflüchtige Metalle, so können diese natürlich gleichzeitig mit dem Zink aus dem Gut entfernt werden. Aus den Abgasen des Wälzofens wird in einer Filteranlage (Elektrofilter, Sackfilter usw.) das flüchtige Metalloxyd gewonnen.
Nach dieser Behandlung enthält das Gut etwa 54-2% Fe, 1. 5% Zn, 0-08% S und 15% SiO2. Es gelangt dann chargenweise in den Eisenreduktionsofen, der zweckmässig durch einen Kohlenstaubbrenner von der der Aufgabeseite gegenüberliegenden Stirnseite des Ofens aus beheizt wird. Der Charge werden etwa 30% Koksgrus und 5% Kalkstein zugeschlagen. In dem Ofen nimmt die Beschickung allmählich immer höhere Temperaturen an. Es bilden sich Eisenoxydulsilikatsehlacke und Eisenschwamm. Aus der Eisenoxydulsilikatschlacke wird dann durch die Einwirkung des Kalks das Eisenoxydul allmählich frei, das ebenfalls zu metallischem Eisen reduziert wird, während das bereits reduzierte Eisen allmählich Kohlenstoff aufnimmt und schmilzt.
Das geschmolzene Eisen sondert sich infolge der Drehbewegung des Ofens aus der Schlacke ab, die während des grössten Teiles der Reduktion sich in teigigem bis zähflüssigem Zustande befindet. Bei diskontinuierlichem Eintrag des Gutes in den Ofen ist nach etwa zwei Stunden die Silikatschlacke geschmolzen und im wesentlichen vom Eisen befreit. Sie wird dann flüssig abgestochen. Zur Nachbehandlung des geschmolzenen Stahles setzt man dann noch etwas Kalk, etwa 5% Röstspat und etwa 0-6% Ferromangan zu. Nach kurzer Raffination kann dann auch der flüssige Stahl von folgender Zusammensetzung abge-
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Das Ausbringen an flüssigem Stahl beträgt etwa 92% des im Erz enthaltenen Eisens. Der Schmelzpunkt des gewonnenen Stahles liegt bei 1400-1450 C. Die Ofentemperatur steigt bis zu 1600-1700 C.
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Das Verfahren kann auch in der Weise ausgeführt werden, dass das zinkhaltige Agglomerat direkt dem Eisenreduktionsofen zugeführt wird. In diesem erfolgt dann neben der Eisenreduktion die Ver-
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statt Koksgrus Magerkohle, Grudekoks, Holzkohle u. dgl. Brennstoffe als Reduktionsmittel verwendet werden. An die Stelle der Drehtrommel3 können auch andere bekannte Rost-oder Vorwärmeofen treten.
Ebenso können an Stelle eines Bandsinterapparates andere Sintereinrichtungen, z. B. Sinterpfannen, für die Röstung oder Agglomeration des Gutes benutzt werden. In vielen Fällen kann man auf jede vorbereitende Behandlung des Gutes verzichten und dieses direkt in den Eisenreduktionsofen einführen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur unmittelbaren Erzeugung von flüssigem Eisen oder Stahl aus oxydischen Erzen oder Eisenverbindungen im waagrechtliegenden rotierenden Ofen, in den ein Gemisch des Gutes mit festem Brennstoff, vorteilhaft auch mit Flussmitteln und erforderlichenfalls mit Kieselsäure, chargenweise, am besten vorgewärmt eingebracht und mittels Flammengasen erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die oxydischen Eisenverbindungen, die auch verflüchtigungsfähige Metalle, wie Zink, Blei od.
dgl., enthalten können, bei ständig zunehmender Erhitzung teils zu festem metallischen Eisen reduziert und teils mit Hilfe der anwesenden Kieselsäure in eine Ferrosilikatschlacke übergeführt werden, worauf bei weiterer zunehmender Erhitzung die Ferrosilikatschlacke mit in irgendeinem vorhergehenden Zeitpunkt zugesetztem Kalk zersetzt und das aus der Schlacke freigemacht Eisenoxydul reduziert wird, während gleichzeitig das gesamte reduzierte Eisen geschmolzen wird.