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Hochofenbetriebsverfahren mit gleichzeitiger Portlandzementerzeugung
Es ist ein Hochofenverfahren zur Erzeugung von Roheisen und einer unmittelbar als
Zement verwendbaren Schlacke bekannt, bei welchem eine hoch kalkhaltige oder hoch
tonerdehaltige Schlacke geführt und außerdem der Wind mit Sauerstoff angereichert
wird.
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Nach diesem Verfahren könnte es den Anschein haben, als ob es weiter
nichts bedürfte, als den Hochofenwind mit Sauerstoff anzureichern, um gleichzeitig
sowohl Roheisen als auch einen vollwertigen Portlandzement aus dem Hochofen zu erhalten.
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Obwohl dieses Ziel in der Tat sehr erstrebenswert ist, hat man es
aus guten Gründen bisher unterlassen, auch nur einen dahingehenden Versuch zu machen,
weil jeder Hochöfner weiß, daß die Übelstände, welche die Gewinnung eines vollwertigen
Schmelzzements bebindern, allein durch den Zusatz von Sauerstoff zum Ofenwind nicht
behoben werden können. Dazu sind vielmehr noch eine Anzahl anderer Bedingungen zu
erfüllen, ohne die der Sauerstoffzusatz zum Ofenwind für die Zementbildung sogar
nachteiliger ist als hocherhitzter Ofenwind ohne Sauerstoffzusatz.
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Wenn bei der Schilderung des bekannten Verfahrens angegeben ist, daß
mit Sauerstoffzusatz höhere Verbrennungstemperaturen erreicht werden können als
ohne diesen, so beweist das keineswegs, daß diese Temperaturerhöhung auch für das
Schmelzgut wirklich eintritt und daß allein auf diesem Wege für die Bildung vollwertigen
Schmelzzements tatsächlich etwas erreicht wird, denn um nur ein Beispiel anzuführen,
kann man im Innern eines Dampferzeugers auch bei einer mit reinem Sauerstoff betriebenen
Feuerung keine höhere Temperatur erzielen, als sie dem Dampfdruck entspricht, weil
die zugeführte Wärme bei konstanter Temperatur verbraucht wird, die hier von der
Verdampfungstemperatur des Wassers bestimmt wird.
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Bei der Erzverhüttung tritt an Stelle der Verdampfungstemperatur des
Wassers die Reduktionstemperatur des Eisenerzes. Diese liegt für Fe 0 bei 85o' C.
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Wenn nun das Erz nur bis Fe 0 reduziert in das Hochofengestelt gelangt,
was beim gewöhnlichen Hochofen die Regel ist, dann kann ohne besondere Maßnahmen
keine genügend hohe Temperatur im Ofengestell erreicht werden, um Portlandschmelzzement
zu erzeugen, wozu theoretisch i6oo ° erforderlich sind.
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Um i kg Fe aus Fe 0 direkt zu reduzieren, müssen neben 215
g Kohlenstoff noch 832 Cal. an fühlbarer Wärme zugeführt werden, je Tonne Eisenausbringen,
somit 832 600 Cal., also viel mehr als für die Verdampfung einer Tonne Wasser.
Die abkühlende.- Wirkung der Erzreduktion je Tonne Eisenausbringen kommt dem Einspritzen
von i5oo kg Wasser gleich, nur mit dem Unterschied, daß sie erst oberhalb i2oo °
vor sich geht.
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Ohne Winderhitzung entstehen bei der Verbrennung eines Kilogramm C
zu C 0 nur 243o Cal. fühlbare Wärme, mit Winderhitzung (beim Luftbetrieb) auf 8oo
° abs. aber 3430 Cal., d. h. um iooo Cal. mehr,
Beim Luftbetrieb
können 5,75 kg Ofenwind auf 80o ° erhitzt werden, wobei 5,75 X 800 X 0,23
= rund 1050 Cal. Mehrleistung an Wärme dem Ofengestell zugeführt wird.
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Wird dagegen der Ofenwind auf 42 Prozent 02 Gehalt angereichert und
auf 80o ° erhitzt, so beträgt diese zusätzliche Wärmezufuhr nur 525 Cal. je Kilogramm
verbrannten Kohlenstoff.
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Nachdem aber die im Gestell erzeugte Wärme nur von i2oo ° aufwärts
für die Erzreduktion (von Fe0 zu Fe) nutzbar gemacht werden kann, so gehen beim
Heißluftbetrieb 1200 X 0,23 X 5,75 = rund 1500 Cal. Wärme dem Gestell verloren,
indem sie in den Schacht abgeführt werden, beim Betrieb mit 42prozentigem Sauerstoff
allerdings nur rund 750 Cal.
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Daraus ist aber zu ersehen, daß -selbst bei einer Anreicherung des
Ofenwindes auf 42 Prozent 02-Gehalt also auf das Doppelte des Sauerstoffgehalts
der Luft nebst Vorwärmung auf 80o ° zugunsten der Portlandzementerzeugung noch gar
nichts erreicht wird, obwohl die theoretische Verbrennungstemperatur sich von etwa
2500' auf rund 4ooo ° erhöht, da sich gleichzeitig die Windmenge und damit
auch die zusätzliche Wärmezufuhr durch die Winderhitzung um die Hälfte vermindert.
Temperaturen von 4000' sind aber zudem praktisch nicht mehr zulässig.
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Der Schwerpunkt für die Ermöglichung der Erzeugung von vollwertigem
Schmelzzement im Hochofen liegt im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren nicht etwa
bei der Anreicherung des Ofenwindes mit Sauerstoff, sondern bei der Minderung des
Wärmebedarfs im Gestell, und auf dieser Erkenntnis müssen sich alle Maßnahmen zu
einer Verbilligung sowohl der Eisenerzeugung an sich als auch im Zusammenhang mit
der Herstellung eines vollwertigen Schmelzzements aus Hochofenschlacke aufbauen,
ohne daß im Gestell höhere Verbrennungstemperaturen herbeigeführt werden, als das
Ofenfutter verträgt.
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In erster Linie ist die Ursache des großen Wärmeverbrauchs, nämlich
die direkte Erzreduktion im Hochofengestell einzuschränken, indem für eine weitgehendste
indirekte Reduktion im Schacht die erforderlichen Voraussetzungen geschaffen werden.
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Bei: der direkten Reduktion von Fe aus Fe 0 unter Verbrennung von
festem Kohlenstoff zu CO entstehen 243o Cal. frei werdende Wärme je Kilogramm Kohlenstoff,
der mit Erzsauerstoff verbrannt wird. Gleichzeitig sollen aber dabei 4,65 kg Fe
aus Fe 0 reduziert werden, wozu rund 630o Cal. Wärme zuzuführen sind. Der Abmangel
beträgt also rund 387o Cal. Wenn hingegen die Reduktion durch Verbrennen von C O
zu C02 vor sich gehen kann, dann entstehen bei der Verbrennung von 2 cbm CO (= i
kg festem Kohlenstoff) mit Erzsauerstoff, 560o Cal. frei werdende Wärme, die beinahe
ausreicht, um die 'erforderliche Reduktionswärme von 6300 Cal. zu liefern.
Nur 70o Cal. sind hier noch zusätzlich zuzuführen. Der Unterschied beträgt somit
3870-700 = 3170 Cal. je Kubikmeter bzw. 262o Cal. je Kilogramm abzubauenden Erzsauerstoff.
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Diese Wärmemenge wird aber dem Gestell entzogen und so ist leicht
einzusehen, daß ohne weitgehende indirekte Erzreduktion der erforderliche Wärmeüberschuß
für eine Zementerzeugung im Hochofengestell nicht vorhanden sein kann, weil durch
den großen Wärmebedarf für die direkte Reduktion eine genügende Überhitzung der
Schlacke nicht erreicht werden kann.
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Eine Reduktion von Fe aus Fe 0 durch Verbrennung von C 0 zu C 02 ist
aber nur in Abwesenheit von festem Kohlenstoff möglich, denn bei der hohen Temperatur
von über 85o', die als unterste Grenze für eine solche Reduktion bekannt ist, würde
sich in Gegenwart von festem Kohlenstoff die bei der Reduktion mit C O entstandene
Kohlensäure unter Verbrauch von Wärme und festem Kohlenstoff wieder zu C 0 reduzieren,
so daß sich dies wärmewirtschaftlich im Grunde nicht anders auswirkt als eine direkte
Reduktion, selbst wenn sie nicht im Gestell selbst, sondern schon im Schacht vor
sich geht, denn die " fehlende Wärmemenge muß beim bisher üblichen Hochofenbetrieb
stets aus dem Gestell geliefert werden. Es ist jedoch bekannt, daß im Hochofen eine
indirekte Reduktion von Fe0 zu Fe in nennenswertem Ausmaß überhaupt, nicht stattfinden
kann, denn eine solche kann nur in. dem Temperaturbereich zwischen 850 und
iooo ° erfolgen. Über iooo ° beginnt aber schon die Sinterung des Erzes, und dadurch
wird es für jede Reduktion durch Gas unzugänglich. Nachdem aber beim bisher üblichen
Hochofenbetrieb die Gase mit mindestens 1400' -aus dem Gestell in den Schacht abziehen,
läßt sich ohne besondere Maßnahmen die Sinterung der Erze nicht vermeiden.
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Die Abwesenheit von festem Kohlenstoff zur Ermöglichung einer Erzreduktion
durch Verbrennen von C O zu CO, ist aber nur eine von den Bedingungen, die
zu erfüllen sind; die zweite Voraussetzung ist- eine Brikettierung der Erze nach
vorausgegangenerFeinmahlung,indem der zur Zementerzeugung erforderliche Kalkstein
ebenfalls gemahlen und in die Brikette mit eingebunden wird, denn der Kalk hat einen
viel höheren Schmelzpunkt als das Erz und würde als Stückkalk sehr unregelmäßig
abschmelzen. Eine als vollwertiger Zement zu betrachtende Schlacke setzt aber auch
ein stets gleichbleibendes Mischungsverhältnis von Kalk und Kieselsäure oder Tonerde
voraus.
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Das ist aber nur durch eine gemeinsame Brikettierung von Erz und Kalk
möglich, und
zwar muß der Kalk oder Kalkstein schon in demjenigen
Ausmaß dem Erz beigemischt werden, als es die Zusammensetzung eines vollwertigen
Portlandzements verlangt, der bekanntlich aus etwa 6o Teilen Kalk und etwa q.o Teilen
Kieselsäure und Tonerde besteht.
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Die Brikettierung in diesem Verhältnis von Ca 0 zu Si 02 und Ale 03
führt nämlich schon vor dem eigentlichen Schmelzen zur Zementbildung durch Sinterung,
ähnlich der Klinkererzeugung im Drehrohrofen, wo die fein gemahlene Mischung von
Kalk und Kieselsäure bzw. Tonerde durch die Beheizung bei hoher Temperatur zu Klinkern
zusammengesintert wird.
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Die Begichtung darf nicht wie allgemein üblich so vor sich gehen,
daß Erz und Brennstoff gemischt oder in so kurzer Folge nacheinander gegichtet wird,
daß die bei der Erzreduktion sich bildende Kohlensäure ausgiebige Gelegenheit findet,
kurz hintereinander oder gleichzeitig mit Erz und Brennstoff in Berührung zu komirien
und dabei wieder zu C O reduziert zu werden.
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Die Aufgabe des Brennstoffs durch den Schacht kann aber nicht gut
durch eine andere Art des Einbringens von Brennstoff in den Ofen (etwa durch einen
Seitenschacht) ersetzt werden, weil es auf andere Weise nicht möglich ist, den Brennstoff
im Gestell unter das Schmelzgut zu bringen. Das Gestell muß aber ständig bis zu
einer gewissen Mindesthöhe mit Brennstoff gefüllt sein. Da dieser fortwährend verbraucht
wird, kann demgemäß eine Ergänzung desselben nur durch den Schacht erfolgen. Das
muß aber geschehen können, ohne daß damit in größerem Ausmaß eine Wiederreduktion
der Kohlensäure zu C O herbeigeführt wird.
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Ein Kubikmeter Erzbrikette mit eingebundenem Kalkstein wiegt im Mittel
etwa viermal soviel wie i cbm Koks. Wenn der Ofenschacht beispielsweise einen Inhalt
von ioo cbm besitzt und jeweils zur Hälfte nur mit Erzbriketten und zur anderen
Hälfte nur mit Koks beschickt wird, dann befindet sich über einer Erzsäule von 5o
cbm eine Kokssäule von ebenfalls 50 cbm, und das Koksgewicht ist dabei etwa
1/4 des Erzgewichts.
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Die Schachttemperatur soll am oberen Ende der Erzsäule noch 90o bis
iooo ° betragen und am unteren Ende (also oberhalb der Schmelzzone) nicht mehr als
iooo bis iioo °. Wenn das Gas aus der Erzsäule mit iooo ° in die Kokssäule übertritt,
enthält es etwa =o .Volumenprozent = 2o Gewichtsprozent Kohlensäure,-die durch Verbrennung
des Erzsauerstoffs mit C O entstanden ist.
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Bei oberflächlicher Betrachtung könnte man annehmen, daß diese Kohlensäure
auch hier beim . nachträglichen Durchgang durch die Kokssäule wieder zu CO reduziert
wird. Eine solche Reduktion setzt aber zufolge ihres stark endothermen Verlaufs
nicht nur die Anwesenheit von festem Kohlenstoff, sondern auch eine beträchtliche
Zufuhr von Wärme voraus. Das Gas besitzt eine Temperatur von iooo °, die Reduktion
von C02 zu C 0 geht nur von 75o' aufwärts vor sich. Die zugeführte fühlbare Wärmemenge
ist daher =000--75o X 0,23 = rund 6o Cal. je Kilogramm Gas. Da aber zur Reduktion
von = kg C02 rund 80o Cal. fühlbare Wärme zuzuführen sind, so kann je Kilogramm
Gasumsatz nur ein Betrag von
Kohlensäure zu C O reduziert werden, während o,- -.kg im Gas enthalten sind. 3/5
des C02-Gehaltes bleiben also bestehen, in Wirklichkeit aber 4/5, weil mit dem Wärmeinhalt
des Gases auch noch der sonstige Wärmebedarf des Schachtes gedeckt werden muß.
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Ist nun aber der Erzsauerstoff der Brikettsäule zum größeren Teil
reduziert und diese niedergeschmolzen, dann hört auch die C02 Bildung auf, und die
jetzt nachfolgende Kokssäule kann sich nunmehr höher erhitzen, weil die abkühlende
Wirkung der CO,-«Reduktion fehlt. Inzwischen ist aber auch im Gestell eine entsprechende
Koksmenge verbraucht worden, so daß die nachfolgende Kokssäule dort Platz finden
kann und der Schacht wieder frei wird für den Niedergang der Brikettsäule, worauf
sich der Vorgang mit dem erneuten Einsetzen der Erzreduktion wiederholt.
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Wenn jedoch, wie es hier der Fall ist, im Schacht keine Mischung der
Erzbeschickung mit dem aufgegebenen Koks stattfinden soll, dann darf auch die Beschickung
nicht höher als etwa iooo bis iioo ° erhitzt werden, weil sonst die Erzbrikette
im Schacht zusammensintern und damit die Beschickung zufolge der fehlenden Auflockerung
durch den Koks für den Gasdurchgang undurchlässig würde. Die Sinterung behindert
zudem auch die Erzreduktion durch CO.
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Es ist demnach als dritte Maßnahme erforderlich, dem Schacht die Wärme
in Form von aktivem und erhitztem Reduktionsgas mit einer Temperatur zuzuführen,
welche mit Sicherheit das Sintern der Erzkalksteinbrikette vermeiden läßt, denn
die Temperatur der aus dem Gestell aufsteigenden Gase ist hierzu viel zu hoch.
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Da nun beim bisher üblichen Heißwindhochofenbetrieb auch die aus dem
Gestell in den Schacht abziehende Gasmenge schon etwas reichlicher ist als dem Wärmebedarf
des Schachtes entspricht, so besteht ohne Vergrößerung der Wärmeverluste durch Erhöhung
der Gicht gasabzugstemperatur keine Möglichkeit, Kühlgas zuzumischen, um die Schachttemperatur
auf das erwünschte Maß herabzusetzen, denn dieses Kühlgas darf nicht weniger als
80o ° heiß sein, weil es vor dem Mischen auf die Schachtbe-
Schickung
auftrifft und diese sonst teilweise zu stark abkühlen würde, und weil dem Schacht
auf diese Weise die fehlende Wärmemenge zugeführt werden soll, da beim Sauerstoffbetrieb
des Hochofens durch den Ausfall der Winderhitzung ein Wärmemangel im Schacht entsteht.
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Nachdem aber die Temperatur des aus dem Gestell in den Schacht abziehenden
Gases nicht beeinflußt werden kann, besteht ein Ausweg nur in der Herabsetzung der
Gasmenge, welche aus dem Gestell nach dem Schacht abzieht. Diese Gasmenge beläuft
sich je Kilogramm Eisenausbringen beim üblichen Heißwindhochofen im Mittel auf etwa
3,6 kg je Kilogramm verbrannten Kohlenstoff, was im allgemeinen schon etwas über
den Wärmebedarf des Schachtes hinausgeht. Diese Menge darf also durch Zusatz von
Kühlgas auf keinen Fall überschritten werden, es muß demnach die aus dem Gestell
abziehende Gasmenge möglichst weitgehend vermindert werden, was zunächst in an sich
bekannter Weise durch.die Ausscheidung des Stickstoffs aus dem Ofenwind und sodann
durch Herabsetzung des Wärmebedarfs im Hochofengestell und damit der dort erforderlichen
Gasmenge erzielt werden soll. Die Stickstoffausscheidung hat somit nicht nur den
Zweck, eine höhere Temperatur zu erzielen, sondern auch die aus dem Gestell mit
zu hoher Temperatur in den Schacht abziehende Gasmenge zu vermindern, um oberhalb
der Schmelzzone noch Gas von niedrigerer Temperatur einblasen zu können, damit eine
Mischgastemperatur erzielt wird, - die noch unterhalb der Sinterungstemperatur des
Erzes liegt. Nachdem die Mischtemperatur =ioo ° nicht überschreiten soll, die Gase
aus der. Schmelzzone aber mit i4oo ° in die Mischzone eintreten, so ergibt sich
daraus, daß für eine Mischtemperatur von iioo 'nur die Hälfte der Gesamtgasmenge
aus dem Gestell kommen darf, denn
Wenn das Erz im Schacht durch Verbrennung von C O zu CO, mit dem Erzsauerstoff
bereits bis etwa 75 Prozent reduziert werden kann, beschränkt sich der Wärmebedarf
im Gestell auf das Reduzieren der letzten 25 Prozent sowie auf die Erhitzung der
Beschickung von iioo ° bis zur Schmelztemperatur und auf das Schmelzen -von Eisen
und Schlacke nebst Deckung der Wärmeverluste im Gestell.
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Bei der Ausscheidung des gesamten Stickstoffs aus dem Sauerstoff würden
rund iooo kg Gas entstehen, aber ein. solcher Betrieb ist der hohen Verbrennungstemperatur
wegen nicht durchführbar. Die im Gestell entstehende Gasmenge soll auf etwa 3 kg
je -Kilogramm verbrannten Kohlenstoff eingestellt werden (= z 8oo kg Gas je Kilogramm
Roheisenausbringen) um eine Verbrennungstemperatur (ohne Winderhitzung) von 25oo°
nicht zu überschreiten, woraus sich ein Ofenwind mit etwa q.o bis 50 Prozent
02 Gehalt ergibt, der noch mit 6o bis q0 Prozent Stickstoffgehalt belastet ist.
Demnach können noch i8oo kg Reduktionsgas oberhalb der Schmelzzone mit 8oo zugeführt
werden, um die erforderliche Gesamtgasmenge von 36oo kg zu erhalten.
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Die über der Schmelzzone eingeblasene Gichtgasmenge wird entweder
direkt mit einer Kohlenstaubfeuerung oder indirekt in Gaserhitzern auf etwa 8oo
° erhitzt.
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Auf beiliegender Zeichnung ist ein für die Durchführung des Verfahrens
vorgesehener neuartiger Hochofen in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt.
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Er besteht aus dem Schacht a, dem Gestell b,
den beiden Kohlenstaubverbrennungsschächten
c' und c" zur Erhitzung des Kreislaufgichtgases für den Zusatzwärmebedarf des Schachtes
mit den Zuführungsdüsen für den Sauerstoff und das Brennstaubgichtgasgemisch f und
den Sauerstoffgichtgasdüsen g. Der Schmelzzement wird Ms flüssige Hochofenschlacke
bei h entnommen und das erzeugte Eisen bei k abgestochen.
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Aus der Zeichnung ist auch zu ersehen, wie die Beschickung vor sich
gehen muß, um die Wiederreduktion der Kohlensäure zu vermeiden; welche bei der Verbrennung
von C O mit dem Erzsauerstoff entsteht.
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Durch die Düsen f wird der Sauerstoff für die Gaserhitzung auf etwa
8oo ° in den Verbrennungsschächten c' und c" zugeführt -und getrennt vom Sauerstoff
das Gichtgaskohlenstaubgemisch. In das Gestell wird Sauerstoff mit 40 bis
50 Prozent OZ Gehalt durch die Düsen g eingeblasen.
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Das kennzeichnende Hauptmerkmal der Erfindung besteht neben der an
sich neuen Begichtungsart sowie der vorbereiteten Mischung und Bindung von Kalk
oder Kalkstein. mit der Kieselsäure und dem Tonerdegehalt des Erzes durch gemeinsame
Brikettierung, im Zusammenwirken der beschriebenen Maßnahmen, nämlich der Minderung
des Wärmebedarfs im Gestell durch Herbeiführung einer weitgehenden indirekten Erzreduktion
auf dem Weg über die an -sich bekannte Erzbrikettierung unter Anwendung eines sehr
aktiven stickstoffarmen Reduktionsgases und durch ein neues Beschickungsverfahren
zur Vermeidung einer Wiederreduktion der Kohlensäure, dessen Anwendbarkeit durch
die Verhinderung des Zusammensinterns der Brikette gesichert wird, indem die mit
zu hoher Temperatur aus dem Gestell in den Schacht abziehende Gasmenge durch Ausscheiden
des Stickstoffs aus dem Ofenwind sowie durch die Minderung des Brennstoffbedarfs
im Gestell weitgehend verringert und dafür über der Schmelzzone ein -auf weniger
hohe
Temperatur erhitztes Reduktionsgas eingeblasen wird, so daß sich eine Mischtemperatur
einstellt, welche nicht zum Sintern der Beschickung führen kann.
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Der gemeinsamen Brikettierung des Erzes mit dem Kalkstein zur Herbeiführung
eines gemeinsamen Schmelzpunktes und eines richtigen, stets gleichbleibenden Mischungsverhältnisses
von Kalk und Kieselsäure oder Tonerde kommt dabei eine besonders große Bedeutung
zu, desgleichen der neuen Begichtungsart zur Fernhaltung des festen Kohlenstoffs
aus dem Erzbereich der Schachtbeschickung.
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Das Brikettieren von Natur aus kalkhaltiger Erze ist bekannt, es bestehen
auch bereits Vorschläge, in die Erzbrikette den Kalksteinzuschlag mit einzubinden,
aber dabei wurde im Gegensatz zu vorliegender Erfindung stets besonders Bedacht
darauf gelegt, daß der Kalkgehalt das übliche Ausmaß für den normalen Hochofenbetrieb
von 4.o bis 5o Prozent nicht übersteigt, was aber für die Erzeugung von vollwertigem
Portlandzement keine Grundlage abgeben kann, zumal diese Brikettierung allein noch
nicht die Voraussetzung für einen Hochofenbetrieb mit gleichzeitiger Portlandzementerzeugung
erfüllen kann.