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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem der Nichteisenmetallgehalt
der Schlacke, welche in der Produktion von Nichteisenmetallen, wie
zum Beispiel Kupfer oder Nickel in einem Suspensionsschmelzofen
erzeugt wird, reduziert wird, in dem metallurgisches Koks in den
Ofen zugeführt
wird, dessen Größe von 1–25 mm variiert.
Es ist vorteilhaft Leitbleche zu platzieren, welche von der Ofendecke
ausgehend nach unten weisen, mittels welchen kleine Kupfer und Nickel
enthaltende Partikel davon abgehalten werden, zum Ende des Ofens zu
strömen
und zusammen mit der Schlacke ausgestoßen zu werden. Die Leitbleche
zwingen kleine Partikel dazu, sich in der Reduktionszone des Ofens abzusetzen.
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Es
ist schon bekannt, dass Schlacke mit geringem Kupfergehalt in Suspensionsschmelzöfen, wie
zum Beispiel Schwebeschmelzöfen,
produziert werden kann, wenn fixiertes Koks oder eine andere kohlenstoffhaltige
Substanz in der Reduktion der Schlacke und des sich darin auflösenden Kupferoxids
und insbesondere Magnetit genutzt wird, welches die Viskosität der Schlacke
erhöht
und die Trennung von geschmolzenen, in der Schlacke enthaltenen
Steinpartikeln durch Absetzung verlangsamt.
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Im
US Patent 5,662,370 ist ein Verfahren beschrieben, in welchem es
wesentlich ist, dass der Kohlenstoffgehalt des dem Reaktionsschacht
zuzuführenden
kohlenstoffhaltigen Materials wenigstens 80% ist, dass wenigstens
65% der Materialpartikel unter 100 μm und wenigstens 25% zwischen
44 und 100 μm
sind. Die Partikelgröße ist präzise definiert, da,
gemäß dieses
Patents, die Reduktion von Magnetit mit unverbranntem Koks unter
zwei Mechanismen stattfindet und die Partikelgröße ist hinsichtlich dieser
Mechanismen von entscheidender Bedeutung. Wenn die grobe Kokspulvergröße etwa
100 μm oder
größer ist,
ist die unverbrannte Partikelgröße ebenfalls
groß und
aus diesem Grund bleibt der Koks auf der Schlackenoberfläche treibend
und die Reaktionen sind langsam. Wenn die Partikelgröße reduziert
wird, tritt das Kokspulver in die Schlacke ein und dann in direkten
Kontakt mit dem zu reduzierendem Magnetit, was die Reaktionsrate
beschleunigt.
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In
der japanischen Patentanmeldung 58-221241 ist ein Verfahren beschrieben,
in welchem Koksgrus oder Koksgrus zusammen mit pulverisierter Kohle
durch einen Konzentratbrenner in den Reaktionsschacht eines Schwebeschmelzofens
zugeführt
werden. Das Koks wird dem Ofen so zugeführt, dass die gesamte Oberfläche der
Schmelze in dem unteren Ofen gleichmäßig mit dem unverbrannten pulverisierten
Koks bedeckt ist. Gemäß der Anmeldung
verringert sich der Reduktionsgrad von Magnetit, wenn die Korngröße ultrafein
ist, so dass die verwendete Korngröße vorzugsweise zwischen 44 μm und 1 mm
liegt. Die durch unverbranntes Koks, welches auf dem geschmolzenen
Schlackenbad verbleibt, bedeckte Schlackenschicht verringert erheblich
den Partialdruck von Sauerstoff. Die von der Koksschicht ausgehende
stark reduzierende Atmosphäre
verursacht zum Beispiel Schäden
an der Verkleidung des Ofens.
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Im
JP Patent 90-24898 ist ein Verfahren beschrieben, in welchem pulverisiertes
Koks oder Kohle mit einer Partikelgröße von unter 40 mm in einen Schwebeschmelzofen
zugeführt
wird, um das Öl
zu ersetzen, welches als eine Zusatzbefeuerung genutzt wird und
um die gewünschte
Temperatur in dem Ofen zu erhalten.
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Die
JP Patentanmeldung 9-316562 betrifft dasselbe Verfahren wie die
vorher erwähnte
US 5,662,370 Patentschrift.
Der Unterschied zu dem Verfahren des US Patents ist, dass kohlenstoffhaltiges
Material dem unteren Teil des Reaktionsschachts des Schwebeschmelzofens
zugeführt
wird, um das kohlenstoffhaltige Material am verbrennen zu hindern,
bevor es die Schlacke und das darin enthaltene zu reduzierende Magnetit
erreicht. Die Partikelgröße des kohlenstoffhaltigen
Materials ist im Wesentlichen dieselbe, wie die in dem US Patent
beschriebene Verteilung.
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Darüber hinaus
offenbart US-A-4,857,104 einen Prozess zur Reduktion der Schmelze
eines Nichteisenmetalls, durch welchen Prozess ein Verfahren zur
Reduktion von Nichteisenmetallen der Schlacke angewandt wird, in
dem metallurgisches Koks in den Ofen zugeführt wird. Dieses dem Ofen zugeführte Koks
ist metallurgisches Koks, welches eine Korngröße in dem Bereich von 1 bis
25 mm hat.
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In
einigen der zuvor beschriebenen Verfahren stellt die kleine Partikelgröße des Koks
eine Schwäche
dar, da sich nämlich
kleine Kokspartikel nicht vollständig
aus der Gasphase absetzen, sondern mit der Gasphase zum Schornstein
mitströmen und
weiter zu dem Abwärmekessel
als ein reduzierendes Mittel. In dem Kessel reagieren die Kokspartikel
und erzeugen unnö tige
Energie am falschen Platz, welche sogar die gesamte Prozesskapazität einschränken kann,
da sich die Kapazität
des Abwärmekessels
reduziert.
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In
einem Suspensionsschmelzofen strömt nicht
nur pulverisiertes Material, wie zum Beispiel Kupferoxid mit der
Gasphase zu dem Ende des Ofens und zu dem Schornstein, sondern auch
Kupfersteinpartikel. Wenn sich diese kleinen Partikel von der Gasströmung an
dem Ende des Ofens trennen und an der Oberfläche der Schlackephase absetzen, ist
dieses Phänomen
aufgrund exakt der kleinen Partikelgröße sehr langsam. Da die Schlacke
hauptsächlich
von dem Ende oder der Seite des Ofens abgezogen wird, schaffen es
diese Partikel nicht, sich durch die Schlackephase abzusetzen, sondern
stattdessen strömen
sie in Verbindung mit dem Schlackeabzug aus dem Ofen und erhöhen den
Kupfergehalt der Schlacke.
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Um
die oben beschriebenen Probleme zu lösen, wurde nun ein Verfahren
nach Anspruch 1 entwickelt, mittels welchem die Nachteile der vorherigen Verfahren
vermieden werden können.
In dem neu entwickelten Verfahren ist es das Ziel den Nichteisenmetallgehalt
der Schlacke, welche in der Produktion von Nichteisenmetallen, wie
zum Beispiel Kupfer oder Nickel in einem Suspensionsschmelzofen
erzeugt wird, zu reduzieren, so dass die Schlacke ablegbare Schlacke
sein würde,
welche keine weiter Verarbeitung mehr benötigen würde. In diesem Verfahren wird
metallurgischer Koks, dessen Größe von 1–25 mm variiert,
genutzt, um die Schlacke zu reduzieren, wobei sich das meiste des
durch den Reaktionsschacht zuzuführenden
Koks in dem unteren Ofen des Suspensionsschmelzofens von der Gasphase
trennt und auf der Oberfläche
der Schlackephase absetzt, in welchem Verfahren eine Reduktion der
Schlacke in einem Bereich stattfindet, wo der Hauptteil des als
Stein und Schlacke erhaltenen Produkts sich voneinander trennt.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden aus den beigefügten Patentansprüchen hervor
gehen.
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In
diesem Verfahren wird es bevorzugt metallurgisches Koks zu benutzen,
da die Menge der darin enthaltenen volatilen Substanzen klein ist.
Daher kann der Hauptteil des Reduktionspotentials der in Frage kommenden
rohen Materialien bei der Reduktion verwendet werden, ohne redundante
zusätzliche
thermische Energie zu erzeugen, wenn die volatilen Substanzen in
dem Reduktionsmaterial verbrennen. Zur selben Zeit wird die Anzahl
der sauerstoffbindenden Reaktionen, welche dem Koks in dem Reaktionsschacht
geschehen, verringert, was eine bessere Kontrolle der Qualität des resultierenden Steins
ermöglicht.
Diese Steuerung wurde traditionell durch Einstellung des Luftkoeffizienten
in dem Verfahren (Sauerstoff/Konzentrat-Menge Nm3/t)
erreicht.
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In
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist das verwendete metallurgische
Koks von einer bestimmten Korngröße, so dass
sich das meiste des durch den Reaktionsschacht zugeführten Koks
von der Gasphase in dem unteren Ofen des Suspensionsschmelzofens
trennt und an der Oberfläche
der Schlackenphase absetzt, wo die Schlackenreduktion in einem Bereich
stattfindet, in welchem sich auch Stein und Schlacke, welche ein
Hauptteil der Produkte sind, von der Gasphase trennen. Die Reduktion findet
in einem Bereich statt, welcher vom Punkt der Wärmeökonomie gesehen optimal ist:
die zur Reduktion benötigte
Wärme kommt
von dem Wärmegehalt der
Produkte, welche von dem Reaktionsschacht kommen, ohne dass zusätzliche
Energie bei der Reduktion benötigt
wird.
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Die
Korngröße des metallurgischen
Koks beträgt
1 bis 25 mm. Größer dimensioniertes
Koks hat eine so kleine spezifische Fläche, dass es nicht effektiv
mit der Schlacke reagieren wird. Wenn eine kleinere Korngröße verwendet
wird als zum Beispiel die zuvor erwähnten 1 bis 25 mm, wird das
Koks schon aktiv in dem Reaktionsschacht reagieren und mehr davon
wird mit der Gasphase zu dem Schornstein strömen und der gewünschte Schlackenkontakt
und der Reduktionseffekt werden schlecht sein. Wenn Koks mit feiner
Korngröße mit der
Gasphase zu dem Schornstein und/oder Abwärmekessel strömt, erzeugt
es Energie zu einem Zeitpunkt, wenn sie nicht benötigt wird
und wird daher die Kapazität
des Kessels verringern. Die Kokszuführung ist derart gesteuert,
dass sich keine erhebliche Menge an Koks in dem Ofen ansammelt,
höchstens
einige wenige Zentimeter; sondern stattdessen wird das gesamte Koks in
den Reduktionsreaktionen verbraucht.
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Auch
in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verursacht das Absetzen
von pulverisiertem Steinmaterial auf der Oberfläche der Schlackenphase immer
noch zu einem gewissen Grad dasselbe Problem wie vorhin beschrieben:
kleine Kupfer oder Nickel enthaltende Partikel schaffen es nicht,
sich durch die Schlackephase abzusetzen, sondern verbleiben in der
Schlacke, wodurch der Kupfer und Nickel Gehalt der abgezogenen Schlacke
erhöht
wird. In unserem Verfahren wird dieses Problem auf die im Folgenden
beschriebene Weise überwunden:
Durch Positionierung von Leitblechen von dem Dach der unteren Ofensektion
des Suspensionsschmelzofens. Diese werden das Mitströmen von
feingekörnten
Partikeln mit der Gasphase zu dem Ende des Ofens nahe der Abzugslöcher verhindern.
Die Leitbleche sind von dem Dach des Ofens nach unten positioniert,
so dass sie an ihrem unteren Teil entweder das geschmolzene Schlackenbad
erreichen oder nahe an dessen Oberfläche sind. Die Leitbleche sind
vorzugsweise aus wassergekühlten
Kupferelementen konstruiert, welche mit einem feuersfesten Material, wie
zum Beispiel Ziegel oder einem anderen feuerfesten Material, geschützt sind.
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Dank
der Leitbleche wird Stein, welches das am feinsten gekörnte Kupfer
oder Nickel enthält, dazu
gebracht, sich in der Reduktionszone abzusetzen. Auf diese Weise
enthält
die Schlacke in dem Abzugsbereich nicht länger Substanzen, welche sich aus
Nichteisenmetallpartikeln zusammensetzen, welche sich langsam setzen
und den Kupfergehalt der Schlacke erhöhen. Die von den Abzugslöchern abgezogene
Schlacke hat einen geringeren Kupfer- oder Nickelgehalt, als wenn
ohne Koksreduktion und Leitbleche gearbeitet würde.
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Die
Ofenkonstruktion der vorliegenden Erfindung wird detaillierter in
den beigefügten
Zeichnungen beschrieben; wobei
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1 ein Querschnitt eines Suspensionsschmelzofens
ist, und
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2 den Effekt der Zufuhrmenge
von Koks auf die Endprodukte des Suspensionsschmelzofens zeigt.
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In 1 besteht ein Suspensionsschmelzofen 1 aus
einem Reaktionsschacht 2, einem unteren Ofen 3 und
einem Schornstein 4. Metallurgisches Koks wird mit Kupferkonzentrat,
einem Flussmittel und sauerstoffhaltigem Gas über einen Konzentratbrenner 5 zugeführt, welcher
oben auf dem Reaktionsschacht 2 des Ofens angeordnet ist.
In dem Reaktionsschacht reagieren die zugeführten Materialien miteinander,
mit der Ausnahme des Koks, und bilden eine Steinschicht 6 auf
dem Boden des unteren Ofens, über
welcher eine Schlackeschicht 7 ist. Die in dem Reaktionsschacht
auftretenden Reaktionen zwischen dem metallurgischen Koks und anderen
darin zugeführten
Materialien sind aufgrund der gewählten Korngröße gering,
und das Koks setzt sich als eine Schicht 8 auf der Schlackenschicht
ab, worin die gewünschten
Reduktionsreaktionen auftreten.
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Das
Dach 9 des unteren Ofens ist mit einem oder mehreren Leitblechen 10A und 10B ausgestattet,
welche von dem Dach nach unten aufgehängt sind, um entweder in die
geschmolzene Schlackenschicht 7 (10B) oder nahe
zu der geschmolzenen Schlackeoberfläche (10A) zu reichen.
In der Zeichnung kann auch gesehen werden, dass die Leitbleche vorzugsweise
entweder vor oder hinter dem Schornstein, vor dem Abzugsloch platziert
sind. Gase, die durch Reaktionen in dem Reaktionsschacht erzeugt
werden, werden über
den Schornstein 4 zu einem Abwärmekessel 11 entfernt.
Die Schlacke und der Kupferstein in dem unteren Ofen werden durch Abzugslöcher 12 und 13 abgezogen,
welche an dem Ende des Ofens angeordnet sind.
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Beispiel
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Der
Effekt von metallurgischem Koks wurde in einem verkleinertem Schwebeschmelzofen (MFSF)
durch Zufuhr einer exakten Dosierung von 100 bis 150 kg/h von Konzentrat
in den Ofen demonstriert. Die Analyse des Konzentrats ergab im Durchschnitt
25,7% Cu, 29,4% Fe und 33,9% S zusammen mit einer Konverterschlacke
und nötigem Silikatfließmittel.
Die Menge an Fließmittel
und zugeführter
Konverterschlacke entspricht 26 bis 33% der Menge an Konzentrat.
Der Kupfergehalt des produzierten Steins war 63–76% Cu. An Testpunkten, wo die
Zufuhr auch Koks enthielt, war die Kokszufuhr 2 bis 6 kg/h oder
zwischen 1,0 und 3,1% der Konzentratzufuhr. Es wurde 80% Cfix Koks verwandt, mit einem Aschegehalt
von 16,3% und volatilen Mengen von 3,3%. Zwei verschiedene Koksfraktionen
und ihre Zusammensetzungen wurden in den Tests verwendet, eine 1
bis 3mm Fraktion und eine 3 bis 8mm Fraktion.
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Bei
der Reise dauerte ein Test zwischen 3 und 5 Stunden, wonach das
Produkt von dem Ofen abgezogen wurde. In einigen der Testläufe wurde
aus Vergleichsgründen
kein Reduktionskoks verwendet. Die Resultate der Reise sind in 2 dargestellt, welche die
Verteilung von in der Schlacke verbliebendem Kupfer zu der gesamten
Kupferzufuhr als eine Funktion des Kupferprozentsatzes in dem Kupferstein
zeigt. Die Grafik zeigt, dass selbst eine kleine Zufuhr von Koks
zu einer bemerkenswerten Verbesserung des Kupfergehalts in der Schlacke
in diesem Ofen führt:
in einer Charge von weniger als 3 kg/h Koks verbleibt etwa 77,5%
des Kupfers in der Schlacke, verglichen mit den Testläufen ohne
die Verwendung von Kupfer. Wenn größere Mengen an Koks verwendet
wurden, war die Menge an Kupfer in der Schlacke nur 54,7% verglichen
mit den Tests ohne Koks. Daher ist die Effektivität des Verfahrens
offensichtlich. Ein besseres Reduktionsresultat wurde mit der gröberen Fraktion
erreicht, als bei der Verwendung der feineren, wo bis zu einem Drittel
des Koks schon in dem Reaktionsschacht des MFSF reagierte, und eine
effektive Reduktion der Schlacke nicht erreicht wurde.