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Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von Erzen, insbesondere Eisenerzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von oxydischen
Erzen, insbesondere Eisenerz, zu Eisenschwamm, wobei das Erz in bekannter Weise
in stetem Fluß unter Einhaltung bestimmter Zonen durch schmale, batterieartig aneinandergereihte
Kammern hindurchgeführt wird.
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Die Neuerungen bei diesem Verfahren bestehen einmal darin, daß der
größte Teil der bei der Reduktion entstehenden oxydierenden Gase oberhalb der Kühlzone
abgeführt wird, und weiter darin, daß zwischen der Reduktions- und Kühlzone eine
weitere Zone eingefügt ist, in der durch besondere Wärmequellen in einer reduzierenden
Atmosphäre eine so hohe Temperatur gehalten wird, daß die Metallteilchen sich zu
größeren Teilchen, gewissermaßen unter Tröpfchenbildung, zusammenschließen, wobei
die eingeführten nicht oxydierbaren Gase zwischen der Reduktions-und Tröpfchenbildungszone
entnommen und zur Unterhaltung eines Unterdrucks abgesaugt werden können.
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Es ist bereits vielfach vorgeschlagen oder versucht worden, Eisenerze
unter Verwendung von Feuerungen verschiedenster Art ohne Schmelzen zu einem handelsfähigen
Eisenschwamm zu reduzieren, der dem bisherigen Roheisen bei der Herstellung von
Eisen und Stahl in wirtschaftlicher Hinsicht gleichkommt. Manche Erfolge sind dabei
erreicht worden, sowohl was Güte als auch Erzeugungskosten anbetrifft. Obgleich
gefunden wurde, daß Eisenerz zu Eisenschwamm bei teilweise niedrigen Reduktionstemperaturen
reduziert werden kann, sind doch viele Schwierigkeiten vorhanden, die der Erlangung
einer vollständigen Reduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm entgegenstehen.
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Es gilt als festgestellt, daß ungenügende Reduktion bisher durch eine
Wiederoxydation des reduzierten Erzes eintrat, wenn letzteres beim Abkühlen mit
Luft in Berührung kam. Während aber das Metall abgekühlt wurde, um einer Wiederoxydation
durch die Atmosphäre vorzubeugen, ergab sich, daß eine Wiederoxydation schon durch
den Sauerstoff kalter Gase, wie CO. oder H20, eintritt.
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Erfindungsgemäß wird daher ein eingeschlossener Metalloxydstrom Heizzonen
zugeführt, in welchen schrittweise eine Erwärmung auf eine bestimmte Reduktionstemperatur
unter Hinzufügen von vorher gebildeten Gasen während und nach der Reduktion an vorher
bestimmten Punkten stattfindet, um die oxydierenden Gase auszuschalten und während
des Abkühlens einer Rückoxydation des reduzierten Metalls vorzubeugen.
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Wichtig ist dabei die Einführung des CO-Gases in den sich stetig bewegenden
reduzierten Strom von Eisenschwamm in dem Augenblick, wo er die Kühlzone durchläuft.
Dieses CO-Gas das am unteren Teil der Retorten
eingeblasen wird,
entfernt alles C02 oder andere oxydierende Gase, welche mit dem reduzierten Metall
herunterkommen.
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Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens.
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Abb. i ist eine Teilansicht eines Ofens, und Abb.2 ist eine schematische
Darstellung desselben, aus der ersichtlich ist, wie die Metalloxyde in aufeinanderfolgenden
Zonen behandelt und die Gase, die durch die Reduktion gebildet sind, abgeführt werden,
um die Wiederoxydation zu verhindern.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mag verschiedene Formen
haben, doch ist die bevorzugte Form, welche besonders zur Reduktion von Eisenerz
bestimmt ist, in Abb. i dargestellt. Dieser Ofen wird vorzugsweise aus einer Reihe
von Ofen oder Retorten gebildet, bei welchen, abgesehen von der Erdretorte, die
Heizmittel in jeder Zone zwischen den getrennten Erzströmen eingeschlossen sind.
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Jeder Einzelofen besteht aus einer Retorte i, welche sich durch die
ganze Höhe des Ofens erstreckt und vollkommen geschlossen ist. Eine solche Retorte
hat vorzugsweise einen langen und schmalen Querschnitt und besitzt oben einen Trichter
für die Speisung mit Eisenerz, der zweckmäßig auf ein Verschlußgehäuse 2 mit Flügelklappe
3 aufgesetzt wird, die stetig oder absatzweise arbeitet. Der Boden jeder Retorte
ist mit einer ähnlichen Abschlußklappe q. ausgerüstet.
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Die Wände jeder Retorte werden aus Heizkanälen gebildet, welche die
entsprechenden Heizzonen bestimmen. Der obere oder Vorwärmeteil ist mit 5, die mittlere,
die Reduktionszone, mit 6, der Teil, in dem die Tröpfchenbildung auftritt, mit 7
bezeichnet. Diese drei Absätze der Heizkanäle sind miteinander verbunden. Ferner
ist jeder Kanal auf jeder Seite der Retorte mit besonderen Heizmitteln versehen,
um eine genaue Kontrolle jeder Retorte und jeder Heizzone für sich zu ermöglichen.
Die unteren Heizkanäle 7 können mit besonderen Brennern versehen sein wie bei B.
Der zweite Abschnitt 6 ist mit Brennern 9 versehen, um festgesetzte, abgegrenzte
Heizzonen in jedem Abschnitt der Kanäle zu erhalten. Hierbei sind die die Düsen
der einen Retorte umgebenden, in einer Horizontalenangeordneten Heizkanäle an entgegengesetzten
Enden angeordnet, um durch eine gegenläufige Flammenrichtung eine gleichmäßige Wärmeverteilung
zu erhalten.
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Die besondere Form jeder Retorte und die reihenweise Anordnung der
Öfen im allgemeinen ist bei dieser Erfindung nicht wichtig; es sollen nur örtlich
genau festgelegte Zonen vorgesehen werden. Das Wichtige sind die Gasführungen zwischen
den Heizzonen. Eine Auslaßführung i o ist zwischen der Zone, die durch die Kanäle
6 bestimmt ist, und der Zone der Tröpfenchenbildung, die durch den Kanal 7 bestimmt
ist, angeordnet. Diese Auslaßführungen oder Kanäle io erstrecken sich quer zur Achse
der Retorte. Die Gase werden durch geeignete Führungen i i fortgeführt, welche sich
in der Längsrichtung der Retorten erstrecken und mit dem Schornstein oder ähnlichen
Auslaßvorrichtungen verbunden sind. Es können mehrere Querdurchgänge 1o an der Retortenwand
entlang vorgesehen sein, um die Gase an mehreren waagerecht in Abstand voneinander
liegenden Stellen abführen zu können.
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Ein weiterer Satz von Ouerauslaßzügen 1:2 und Abführkanälen 13 ist
zwischen der Reduktionszone, die durch die Kanäle 6, und der Vorwärmezone, die durch
die Züge 5 bestimmt ist, vorgesehen. Die Querführungen 12 liegen in Abstand von
den Seitenwänden der Retorte, um dadurch einen möglichst gleichmäßigen Gaszug aus
dem verhältnismäßig dünnen Erzstrom, wie er sich in der Retorte bewegt, zu erhalten.
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Reihen von Zügen 14 zur- gewundenen Führung des Kühlmittels bilden
die unteren Wände der Retorte i und sind verhältnismäßig hoch, so daß ein schnelles
und wirkungsvolles Kühlen des reduzierten Metalls beim Durchgang durch die Retorte
erreicht wird. Die Züge 14 sind mit den Heizkanälen 6 und 7 oder den Vorwärmekanälen
5 verbunden, um die durch beim Kühlen des reduzierten Erzes aufgespeicherte Wärme
auszunutzen.
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Geeignete Einlaßführungen 15 sind am Boden der Retorte angeordnet,
um in bekannter Weise nicht oxydierende Gase einzuführen und zu verhindern, daß
Gase, die beim Reduktionsprozeß gebildet werden, mit dem reduzierten Erz herunterkommen.
Diese Gase dienen ebenfalls zum Kühlen des reduzierten Metalls.
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Die Erfindung wird am besten aus der in Abb. 2 schematisch dargestellten
Ansicht erkennbar. Diese Abbildung entspricht im allgemeinen der Abb. i mit der
Ausnahme, daß die verschiedenen Heizzonen durch elektrische Widerstandsglieder 16
bestimmt sind. Es sind vier getrennte Zonen vorgesehen, nämlich die -Vorwärmezone
17, in der eine Temperatur von etwa 425' C aufrechterhalten wird, eine Reduktionszone
18 mit einer Durchschnittstemperatur von 87o° C, eine Zone der Tröpfchenbildung
i9 bei etwa 10q.0° C und eine Kühlzone 2o.
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In jeder Retorte wird das Erz stetig nachgefüllt, um sie gefüllt zu
halten. Dieser Erzstrom, gemischt mit Reduktionsmitteln, wie
Kohle,
geht in der Retorte nieder und wird dabei zunächst vorgewärmt. Während dann die
Mischung allmählich weiter erhitzt wird, verbindet sich der Kohlenstoff mit dem
Eisenoxv d nach der Formel: (Fe20R) :2 -i- 3 C =q. Fe + 3 CO--. Beim weiteren Sinken
des Erzes und Steigen der Temperatur auf etwa 870° C verbindet sich CO., mit Kohlenstoff
und bildet 2 CO. An dieser Stelle ist das Eisenoxyd dann vollkommen reduziert und
würde, wenn die Retorte geschlossen wäre, zusammen mit etwas CO in die Kühlzone
sinken, und beim Abkühlen würde unter Abspalten eines "teils C CO., entstehen; dieses
CO., würde mit dem Eisen durch Wiederoxydation wieder Eisenoxyd bilden.
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Wäre H Eisenoxyd der Reduktionskammer vorhanden, so würde H20 bei
dem Reduktionsprozeß gebildet werden, das beim Eindringen in die Kühlzone ebenfalls
O an das Eisen abgeben und H freilassen würde.
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Erfindungsgemäß werden nun die Gase zwischen den Zonen 17 und
18 abgezogen, wodurch das bei der ersten Reaktion gebildete CO. und einiges CO,
das bei der vollständigen Reduktion entsteht, entfernt werden. Während das reduzierte
_Eisen und bei der Reduktion gebildetes CO weiter niedergehen, wird der größere
Teil des CO zwischen den. Zonen 18 und ig abgesaugt, und das reduzierte Eisen belangt
im allgemeinen frei von allen Gasen, die eine Wiederoxydation herbeiführen könnten,
in die Kühlzone.
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Um eine Tröpfchenbildung oder ein Zusammenschließen der Eisenteilchen
in größere Teilchen oder Tröpfchen zu bewirken, durchläuft das Eisen eine dritte
Heizzone, in welcher eine Temperatur von 98o° bis i 0400 C und darüber aufrechterhalten
wird. In dieser Zone ziehen sich die Eisenteilchen etwas zusammen und gehen aus
offener reduzierter Form in geschlossene Teilchen über, welche aneinanderhaften
und neue Teilchen oder Tröpfchen von größerem Ausmaße bilden. Dies ändert die Oberfläche
der ursprünglichen Eisenteilchen, so daß das Eisen zusammengeschlossen in größeren
Tröpfchen innerhalb der Gangart enthalten ist und leichter abgetrennt werden kann.
Sollte noch einiges C02 vorhanden sein, so würde hier die größere Hitze dazu führen,
daß es sich in CO verwandelt, das durch den Abzug fortgeführt wird.
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Um alles C02 oder alle oxydierenden Gase sicher zu entfernen, wird
CO bei 2i eingeblasen und im Gegenstrom durch das reduzierte Eisen geführt. Etwa
nach unten mitgeführtes CO., wird ausgespült, bevor es die Kühlzone erreicht. Mit
anderen Worten, das unter Druck aufwärts durch die Kühlzone eingeführte CO verhindert,
daß etwa vorhandenes O, CO., oder H_,0 aus der letzten Heizzone in
die Kühlzone gelangt.
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Das zusätzliche CO kann auch, statt eingeblasen zu werden, eingesaugt
werden. Bei Unterdruck wird die Umwandlung von etwa in der Reduktionszone vorhandenen
CO, in Gegenwart von C in CO beschleunigt. -Durch dieses Verfahren wird eine vollständige
Reduktion erreicht, während eine solche in anderen Ausführungsarten nur nahezu erreicht
wird. Darin, daß der Ofen verhältnismäßig langsam arbeiten kann, um die I@ühlwirkung
zu fördern, und dadurch, daß CO-Gas am Boden der Retorte eingeblasen wird, ist es
möglich, das reduzierte Eisen bis zu dein notwendigen besonderen Grad mit Kohlenstoff
zu verbinden.
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Nicht nur die besonders eingebrachten CO-Gase, sondern auch die bei
Durchführung des Verfahrens entstehenden Gase bilden hochwertige Verbrennungsgase,
welche als Brennmittel in den Kammern verwendet werden können. So sind in Abb. i
bis 3o elektrische Widerstandsglieder dargestellt, welche in der unterer. Heiz-
oder Tröpfehenbildungszone angeordnet sind, um die Hitze aufzubringen, die über
die von den Gasen in den Retorten selbst erzeugte hinausgeht. Mit anderen Worten,
in manchen Fällen werden die aus den Retorten erhaltenen brennbaren Gase ungefähr
70"j" der gesamten notwendigen Wärmemenge für die Reduktion und die Tröpfchenbildung
abgeben, während eine elektrische Widerstandsheizung die weiterhin notwendigen 3o"/"
hergibt. Diese Art der Ergänzung der Reduktionswärme, die durch und während der
Reduktion des Erzes erzeugt wird, durch Einschaltung einer elektrischen Widerstandsheizung
ist dann sehr vorteilhaft, wenn die elektrische Kraft billig zur Verfügung steht.
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Im Falle, daß Wasserstoff als Reduktionsstoff benutzt wird, wird sich,
wenn die Beschickung erhitzt wird, der Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu 11,0 verbinden,
das durch die Auslässe in gleicher Weise abgeführt wird wie das C02 und CO, um ein
Rückoxydieren des reduzierten Erzes zu vermeiden.
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Es wird so ein neuer Weg gewiesen, um C02 oder 11,0 während und nach
der Reduktion und vor dem Abkühlen abzuführen, so daß eine Wiederoxydation vermieden
wird. Ferner wird durch die Bildung der Tröpfchen außer der vollständigen Reduktion
des Eisenerzes eine größere Form der Teilchen erreicht, wodurch der Wirkungsgrad
des Prozesses weiterhin verbessert wird.
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Will man die CO-Gewinnung aus den Retorten
vermehren,
so wird man das CO, namentlich wenn es leicht zu beschaffen ist, in den Boden der
Retorte einblasen, wobei es gleichgültig ist, welcher Druck in der Reduktions- und
Tröpfchenbildungszone unterhalten wird. Wenn jedoch CO-Gas nicht verfügbar ist,
so wird man davon absehen und die Geschwindigkeit der CO-Bildung und der Reduktion
durch Aufrechterhaltung eines Unterdruckes innerhalb der Retorte erhöhen. Dies beschleunigt
erheblich die Umbildung von CO., in CO in Gegenwart von Kohlenstoff. Dieser
Unterdruck kann durch Absaugen der Gase an einem oder mehreren Punkten erreicht
werden. Gleichzeitig kann ein leichter Unterdruck mit zusätzlicher Hinzuführung
von CO am Bogen der Kühlzone vereinigt werden.
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In Abb. i sind vollständig getrennte Heizmittel für die Reduktions-
und Tröpfchenbildungszone vorgesehen. Das ist wichtig, weil die notwendigen Wärmemengen,
die der Reduktionszone zugeführt werden müssen, größer sind als die, die zur Tröpfchenbildung
notwendig sind, obgleich die Temperatur in der Reduktionszone geringer ist als die
der Tröpfchenbildungszone. Die Brennerelemente können auch einander entgegengesetzt
angeordnet sein, so daß die Flamme aus einem Brenner einwärts von einem Ende der
Retorte und die Flamme aus dem anderen Brenner in derselben Zone einwärts vom anderen
Ende der Retorte gerichtet ist, wie dies die Brenneranordnung in der Reduktionszone
der zweiten Retorte (Abb. i) zeigt.
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Eine solche Anordnung der Brenner erzeugt eine gleichmäßige, auf der
ganzen Länge der Retorte verteilte Temperatur. Bei Verwendung von elektrischen Widerstandseinheiten
wird wie bei 30 eine solche wechselseitige Anordnung unnötig.