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Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Roheisen oder Stahl und
einer als Zement verwendbaren Schlacke Es ist schon versucht worden, im Hochofen
durch Anreicherung des Windes mit Sauerstoff Eisen gleichzeitig mit einer Schlacke
zu erzeugen, welche die Zusammensetzung des Portlandzementes hat. Hierbei treten
Betriebsschwierigkeiten u. a. durch Hängen des Ofens ein, deren Ursachen in einem
vorzeitigen Ausschmelzen von zähflüssigen Kalksilicaten. irn Schacht zu,suchen sein
dürften.
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Um dieses frühzeitige Ausschmelzen zu verhindern, ist auch, schon
vorgeschlagen worden, in den Schacht des Hochofens Kühlgase einzublasen. Da das
Kühlgas jedoch in der Hauptsache am Rande des Schachtes aufsteigt und nicht in das
Innere des Ofens eindringt, lassen sich durch diese Arbeitsweise das Sintern der
Beschickung und damit die Hängestörungen nicht mit Sicherheit verhindern. ' Das
Verfahren nach der vorliegenden Er= findung vermeidet diese Schwierigkeiten. Es
besteht darin, daß bei der gleichzeitigen Erzeugung von Eisen und Pörtlandzement
unter Anwendung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft der Erzreduktionsvorgang
und das Schmelzen des reduzierten Erzes und der Schlacke in gesonderten Vorrichtungen
durchgeführt werden und daß die Abgase, die beim Schmelzverfahren entstehen, einheitlich
und gleichmäßig gekühlt werden, ehe sie dem Reduktionsverfahren zugeführt werden.
Auf diese Weise wird es möglich, in der Schmelzvorrichtung die zur Schmelzung einer
Portlandzementschlacke notwendige hohe Temperatur einzuhalten, ohne daß gleichzeitig
die Beschickung, die von den heißen Abgasen der Schmelzzone erhitzt und reduziert
wird, durch, vorzeitiges Ausschmelzen ider Kalksilicate sintert.
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Die Durchführung des Verfahrens wird an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Der mit Kohle gemischte zerkleinerte Möller wird einer Reduktionsvorrichtung,
beispielsweise einem Drehofen, zugeführt und hier im Gegenstrom zu heißen reduzierenden
Gasen reduziert. Das reduzierte Gut tritt nach dem Verlassen des Drehofens in eine
gesonderte Schmelzvorrichtung, beispielsweise einen Nxederschachtofen, in dem durch
Verbrennung der in der Beschickung enthaltenen Kohle mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter
Luft die zum Schmelzen. von Eisen und Schlacke und gegebenenfalls zur Beendigung
der Reduktion -erforderliche Wärme erzeugt wird. Die heißen reduzierenden Abgase
der Schmelzvorrichtung werden über eine Gasmisch- und Kühlkammer zur Erhitzung und
Vorreduktion_ der Beschickung in den Drehofen geführt. Die Schmelztemperatur der
Schlacke in der Schmelzvorrichtung
liegt nun, da es sich um_ Portlandzementschlacke
hätldelt'um-z'ründ 2oo° höher als die von .gewöhnlicher Schlacke. Die Verhrennuhgsgase'
Ziehen. daher' aus der Schmelzvorrichtung mit einer Temperatur von i Sao bis
1700' ° ab; bei der sie die Beschickung im Drehofen unbedingt zum Sintern
bringen würden. Die Abgase des Schmelzofens werden vor ihrem Eintritt in den Drehofen
-auf eine Temperatur gekühlt, hei der sie wohl noch das Erz reduzieren können, --iedöch
die Beschickung nicht mehr versintern.
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Im allgemeinen werden die Gase mit- einer Temperatur zwischen 90o
und 1300', je nach der Neigung des Möllers zum Sintern, nach der Reduzierbarkeit
des Erzes und nach der besonderen Ausführung der Vorreduktion dem.Reduktionsverfahren:
zugeführt: Die Kühlung der aus dem Schmelzöfen abziehenden Gase auf die Temperatur,
mit der sie in den Reduktionsofen eintreten sollen, geschieht am besten durch Zumischung
von heißem oder kaltem Reduktionsgas oder auch durch Einblasen von Wasserdampf oder
Kohlensäure,. gegebenenfalls zusammen mit Kohlenstaub, wobei im letzteren Fall eine
bespn . ders starke Kühlung der heißen, vom Schmelz--. ofen 'kommenden Gase einsetzt.
. Als Einblasgas - ist.das ' Abgas, des. Drehofens, aus. dem gegebenenfalls das
Kohlendioxyd in bekannter- Weise abgeschieden wird, geeignet: Die Einführung der
Kühlgase in die Mischkammer zwecks Mischung mit den -.heißen Abgaserz aus dem Schmelzrau
geschieht ,zweckmäßig in der Weise, daß die Kühlgase gleichzeitig die Wandungen..
der Mischkammer vor dem Angriff der_,-'heißeri- Gase, schützen.
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Temperatur und Menge des Einbläsega@es weiden .so au°teinander abgestimmt,
daß die Mischung mit dem Schmelzrauniabgas die erforderliche Eintrittstemperatur
in den Reduktionsofen besitzt und : außerdem ihr Wärmeinhalt -`zwischen Eintrit',stemperatur
und Gichttemperatur gerade den Wärme-« bedarf des Reduktionsofens deckt: Bei gegebener
Sauerstoffkonzentration und Windtemperatur ist also für eine bestimmte Reduktions--und
Schmelzleistung nur eine Einblasemenge und eine Einblasetemperatnr zulässig. Je
niedriger z. B. die -Sauerstoffkonzentration oder die Windtemperatur .im Schmelzofen
-ist, desto mehr Schmelzofenabgase entstehen bei der Erzeugung der gleichen Schmelzleistung
durch die. Verbrennung von - festem Brennstoff. Da dem Reduktionsofen eine bestimmte
Gasmenge bestimdter Temperatur zugeführt werden muß, um seinen Wärmebedarf gerade
zu decken, sinkt dementsprechend die Gasmenge, welche als- Kühlgas in -die Misclikatnmer
eingeblasen werden darf. Je höher umgekehrt die Sauerstoffkonzentration bzw. die
Temperatur des Windes ist, desto -größere Mengen Einblasegas sind notwendig, um
die in diesem Falle verringerte Menge Schmelzafenabgabe so weit zu ergänzen, daß
die durch den Drehofen ziehdnde Gasmenge innerhalb der zulässigen Temperaturgrenzen
genügend Wärme an den Ofen abgeben kann. Die Verwendung von Wasserdampf bzw. Kohlensäure
ols Einblasegas, die sich bei Anwesenheit von Kohlenstaub zu Kohlenoxyd bzw. Kohlenox'yd
und Wasserstoff unter starkem Wärmeverbrauch umsetzen, ist besonders dann angebracht,
wenn eine starke Kühlwirkung notwendig ist, jedoch nur geringe Mengen von Einblasegas
zulässig sind. Ein besönderer Vorteil des Einblasens von Kohlendioxyd und Wasserdampf
mit Kohlenstaub besteht darin, daß die zur Verhinderung des Sinterns im Drehofen
unumgängliche Temperatursenkung der Schnielzofenabgäse in diesem Fall zur Leistung
chemischer Arbeit durch Erzeugung von wertvollem Reduktionsgas ausgenutzt wird:
Je höher die Sauerstoffkonzentration oder die Temperatur= des Windes ist, desto
höher wird die Temperatur der Flammengase. Um unzuträglich hohe Flammentemperaturen
zu vermeiden, Tann man einen Teil des Einblasegases kalt oder vorgewärmt schon dem
Schmelzofen selbst mit oder neben dem Ofenwind zuführen und nur den Rest in die
Mischkammer hinter dem Schmelzraum einblasen. Auf diese Weise wird neben .der Senkung-
der Arbeitstemperaturen im Schmelzraum eine einfache -Abstimmung der Wärmehaushalte
von Schmelz- und Reduktionsraum erreicht.
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Da- im Schmelzofen- eine Kokssäule, wie der ».tote Mann« des Hochofens,
sich nicht ausbilden- kann, ist es möglich, durch Bemessung der Menge und Konzentration
des zugeführten Sauerstoffs im- Verhältnis zum Brennstoffsatz die Flamme reduzierend,
neutral öder. oxydierend in bezug auf das Schmelzerzeugnis - -zu führen und so,
wie an sich bekannt ist; durch die Oxydations-,virkung einerseits die Menge der
Eisenbegleitstoffe, wie Silicium, Mangan, Kohlenstoff, Phosphor und Sch-,vefel,
zwecks Erzeugung von Stahl und Halbstahl willkürlich zu verändern und andererseits
eine für ,die Verwendung -der Schlacke als Portlandzement schäd zche Cälciumcarbidbildüng
zu vexhin-Bern. Auch läßt sich auf diese Weise ein ebenfalls an sich bekanntes Erzfrischverfahren
im Schmelzofen durchführen,. für das das benötigte Erz entweder von außen oder durch
nur teilweise Vorreduktion des Möllers der Schmelzvorrichtung zugeführt wird, wobei
dann das unr eduzier te Erz mit aufgekohltem Eisenschwamm reagiert. -Sollte bei
- oxydie-
Tender Schmelzung ein für die Vorreduktion unerwünscht
hoher Kohlensäuregehalt der Schmelzofenabgase auftreten, so läßt er sich durch Einblasen
von Kohlenstaub in die Mischkammer beseitigen.
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Die Trennung von Schmelz- und Reduktionsverfahren ermöglicht. es,
die Schmelzvorrichtung ähnlich einem Konverter so zu gestalten, daß in an sich bekannter
Weise Wind als Frischmittel durch das flüssige Metall geführt werden kann. Die Schlacke
wird hierbei den für den Frischvorgang.erforderlichen metallurgischen Bedingungen
angepaßt, wobei die hohe Basizität der Portlandzementschlacke die Entfernung von
Fremdstoffen aus dem Eisen besonders begünstigt.
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Ein weiterer Vorteil der Trennung von Schmelz- und Reduktionsraum
für die gleichzeitige Erzeugung von Eisen und Zementschlacke besteht darin, daß
der Schmelzraum von außen unmittelbar leicht zugänglich ist. Hierdurch wird es z.
B. möglich, der Schlacke noch im Schmelzofen Kieselsäure zuzuführen, falls durch
eineunvorhergesehene Anreicherung des Eisens mit Silicium zu wenig Siliciumdioxyd
im Verhältnis zum Calcxumoxyd für die Schlackenbildung übrigbleibt. Diese Möglichkeit,
die Schlacke noch kurz vor Beendigung des ganzen Verfahrens auf den gewünschten
Endgehalt einzustellen, ist sowohl aus Gründen der Betriebsführung wie für die Verkäuflichkeit
der Schlacke als Zement von besondere; Bedeutung. Ebenso lassen sich zum Eisen an
sich bekannte Zusätze, wie Chrom oder Nickel, voor dem Abstich geben.
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Es ist an sich bekannt, bei der Herstellung von Eisen die Reduktion
und Schmelzung des Eisens in einem Drehofen vorzunehmen, der mittels Kohlenstaubflammen
beheizt wird. Von diesem bekannten Verfahren unterscheidet sich die vorliegende
Erfindung durch die gleichzeitige Erzeugung von Eisen und Portlandzement und die
hierdurch bedingte Anwendung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft als
Ofenwind sowie durch die Kühlung der Schmelzofenabgase vor ihrer Einführung in die
Reduktionsvorrichtung.
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Es ist weiterhin schon vorgeschlagen worden, flüssiges Eisen und Zementschlacke
dadurch herzustellen, daß die Reduktion in einem mit Kohlenstaubflammen beheizten
Ofen vorgenommen wird und die nachträgliche Schmelzung in einem Elektroofen erfolgt.
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Das vorliegende Verfahren unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren
dadurch, daß die Schmelzung durch Verbrennen von vorgewärmtem festem Brennstoff
mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft erfolgt und die dabei in weit
größerer Menge als bei der Elektroschmelzung aus dem Schmelzofen abziehenden Gases.rnach
.ihrer Kühlung zur Heizung des Reduktionsofens verwendet werden. Durch die -Anwendung
von Sauerstoff für die Verbrennung und das Einblasen von Reduktionsgas wird außerdem
der Kohlenoxydpartialdruck in der Reduktionsvorrichtung beim vorliegenden Verfahren
weit größer als bei der Anwendung einer Kohlenstaubflamme vor der Elektroschmelzung,
wobei die Reduktionsbedingungen wesentlich verbessert werden. Die Gegenströmvorwärmung
des Brennstoffs und seine Ausnutzung für die Schmelzung zusammen mit der Sauerstoffanreicherung
des Ofenwindes ermöglichen es, in wirtschaftlicher Weise die Reduktion des- Erzes
im Drehofen ausschließlich mit heißen reduzierenden Gasen durchzuführen, während
bei allen anderen Verfahren durch die Anwendung einer gesonderten Beheizung des
Reduktionsofens mit kalt eingeführtem Kohlenstaub nur eine geringere Wärmeausnutzung
des Brennstoffes bei hohen Temperaturen möglich ist.
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Im Betrieb des Drehofens können die in Verbindung mit der Erzeugung
von Portlandzement oder Eisenschwamm für den Wärmeaustausch oder den Wärmehaushalt
vorgeschlagenen Maßnahmen getroffen werden, so z. B. Gasentnahme aus bestimmten
Zonen des Ofens, Nachverbrennung eines Teiles des Reduktionsgases im Drehofen, Beschickung
mit vorgewärmtem Möller usw., -vorausgesetzt, daß dabei den veränderten Betriebsbedingungen
durch entsprechende Bemessung von Menge und Temperatur des Einblasgases Rechnung
getragen wird. Insbesondere kann zur Verbesserung des Wärmeaustausches im Drehofen
die unter dem , Namen Lepol=Verfahren (s. z. B. U 11 m a n n Enzyklopädie der technischen
Chemie a. Aufl. Bd. 7 S. 695) bekanntgewordene Arbeitsweise angewendet werden, schließlich
kann mit dieser Arbeitsweise eine Verfestigung, Vorsinterung oder Röstung des Möllers
vor seiner Einführung in den Drehofen verknüpft werden. , Im vorstehenden Ausführungsbeispiel
ist beschrieben, daß Möller und Brennstoff ge- i mischt aufgegeben werden und daß
als Reduktionsvorrichtung ein Drehofen benutzt wird. Die Arbeitsweise der Erfindung
ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. Es kann auch jede andere Vorrichtung
benutzt : werden, die es gestattet, den Möller und, den Brennstoff nach irgendwelcher
Vorbereitung gemischt oder getrennt voneinander mit heißem reduzierendem Gas ohne
Versinterung mit den gekühlten Abgasen des Schmelz- i ofens im Gegenstrom zu erhitzen,
zu reduzieren und nachträglich gesondert zu schmelzen.
Die Vorbehandlung
des Möllers (Zerkleinerung, Röstung, gegebenenfalls Brikettierung usw.) und- die
Wahl des Brennstoffs erfolgen in der für das gewählte Reduktionsverfahren -im einzelnen
erforderlichen - und bekannten Weise.
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Die Vermischung von Möller und Brennstoff wirkt auflockernd und vermindert
.die Neigung des Reduktionsgutes zum Sintern. Die Trennung von Erzreduktion und
Brenn-, stoffvorwärmung hat dagegen den Vorteil, daß die bei der mittelbaren Erzreduktion
aus dem Gas gebildete Kohlensäure sich nicht wieder an heißem Brennstoff zu Kohlenoxyd
reduzieren kann. Weiterhin kann der Brennstoff mit ungekühlten Schmelzofenabgasen
vorgewärmt werden: Das vorliegende Verfahren eignet sich besonders dazu, arme kalkhaltige
Erze, wie kalkige Minetten, zu verhütten.
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Außer auf die Erzeugung von Eisen zusammen mit Pbrtlandzement kann
es aber auch auf die Erzeugung eines jeden anderen Metalls angewendet werden, das
durch Reduktion und°Schmelzung zusammen mit einer hochschmelzenden Schlacke gewonnen
wird.