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Verfahren zur unmittelbaren Herstellung von Eisen und Stahl aus Erzen
Es sind bereits eine ganze Reihe von Verfahren bekannt, die sich auf die unmittelbare
Herstellung von Eisen und Stahl aus Erzen beziehen. Fast alle Verfahren dieser Art
beschränken sich darauf, Eisenschwamm bei Temperaturen von goo bis tooo° herzustellen.
Das eine oder andere Verfahren geht dann weiter und schmilzt den Eisenschwamm durch
erhöhte Wärmezufuhr (vgl. hierzu die arrnerikanischen Patente 779 189, 707
638 und 802 493).
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Alle diese Verfahren setzen voraus, daß die Erze granuliert und bei
Temperaturen von unter rooo° reduziert werden. Bei derart niedrigen Temperaturen
geht die Reduktion nur außerordentlich langsam vor sich, da erstens das Eisenoxyd
bei solch niedrigen Temperaturen verhältnismäßig beständig ist und zweitens die
Verwandtschaft von Kohlenstoff zu Sauerstoff bedeutend geringer ist als bei höheren
Temperaturen. Es findet hier in der Hauptsache die indirekte Reduktion statt, d.
h. die Reduktion geht über die Gasphase. Infolgedessen muß bei diesen Verfahren
das Eisenerz in möglichst reiner Form vorhanden sein (vgl. hierzu D i c h m ann,
»Der basische Herdofenprozeß«, S. i28). Andernfalls wird der Reduktionsvorgang außenordentlich
@erschwert und das Verfahren undurchführbar oder mindestens unwirtschaftlich, insbesondere
auch deshalb, weil bei der im Anschluß an die Reduktion vorgenommenen Schmelzung
das an die Gangart chemisch gebundene Eisenoxyd in die Schlacke geht, d. h. also
verloren ist. Soweit jene vorbekannten Verfahren mit Kohlenstaub als Brennstoff
arbeiten, kommt noch hinzu, da.ß die entstehende Asche sich im Ofen auf dem Bade
niederschlägt. Hierdurch wird nicht nur eine vergrößerte Schlackenmenge und Erschwerung
der Schlackenführung hervorgerufen, sondern auch eine :unnötige "Schwefelaufnahme
des Bades sowie eine große Isolierschicht, die einen erhöhten Wärmeaufwand bedingt.
Aus all diesen Gründen haben sich jene vorbekannten Verfahren in der Praxis nicht
einführen können: Es ist auch schon von Siemens vorgeschlagen, das Erz zunächst
in einem Gasregenerativofen zu schmelzen und dann das geschmolzene Erz durch feste
Kohle unter Zugabe von Luft zu reduzieren. Auch dieses Verfahren hat sich aber nicht
durchsetzen können, weil es bestenfalls nur mit reinen Erzen möglich ist und auch
leicht eine Rückoxydation eintritt schon durch die Luftzuführung.
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Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung arbeitet nun ähnlich wie
beim Siemens-Verfahren in der Weise, _daß das Erz zunächst mit hoher Temperatur
geschmolzen und dann runter Beifügung von Kohle reduziert wird. Im Gegensatz zu
Siemens wird der Schmelz- und Reduziervorgang aber nicht in einem Gasregenerativofen
vorgenommen, sondern in einem basisch ioder neutral ausgemauerten Trommelofen mit
Kohlenstaubfeuerung, und zwar unter möglichst hoher Temperatur (im Gegensatz zu
den eingangs erwähnten Reduktionstrommelöfen). Sobald
dann das Erz
geschmolzen ist, wird die Kohlenstaubflamme mit einem überschuß an Kohlenstaub eingestellt
und unter Zufügung von Stückkohle die Reduktion des geschmolzenen Erzes vorgenommen.
Diese Redulz'tion, welche durch die hohe Temperatur wesentlich begünstigt wird,
kann nur vorteilhaft so weit getrieben werden bzw. das sich bildende Eisen kann
so weit mit Kohlenstoff angereichert werden, bis es etwa a 0;o Kohlenstoff enthält.
Das hat zur Folge, daß der Eisengehalt der Schlacke sich entsprechend stark vermindert
und somit die Wirtschaftlichkeit des ganzen Verfahrens wesentlich gesteigert wird,
während bei den vorbekannten Verfahren ein großer Teil des Eisens mit der Schlacke
verlorengeht.
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In diesem Zusammenhang ist auch die Schlackenführung selbst von besonderer
Wichtigkeit, und zwar wird zur Erzielung einer besseren Schlackenführung einerseits
eine basische oder neutrale Ausmauerung des Ofens verwendet, weil bei sauerem Futter
das niedergeschmolzene basische Eisenoxyd sich mit dem Futter verbinden und dadurch
die gewünschte Reduktion vereiteln würde. Auch wird dafür Sorge getragen, daß ein
Niederschlag von Verbrennungsrückständen der Feuerung auf dem Bade nach Möglichkeit
vermieden wird. Zu diesem Zweck kann von teilhaft die Verbrennungsluft in an sich
bekannter Weise mit so hohem Druck bzw. mit solcher Geschwindigkeit zugeführt werden,
daß die entstehende Asche -im wesentlichen mit durch den Ofen hindurchgeblasen wird
und sich nicht in diesem niederschlagen kann. Gleichzeitig wird durch Fernhaltung
der Verbrennungsrückstände vom Bade erheblich an Schmelzwärme gespart sowie eine
Beeinträchtigung des Schmelzgutes durch Schwefel o. dgl. vermieden.
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Wie die Versuche efgeben haben, läßt sich nach diesem Verfahren auf
wirtschaftliche und vorteilhafte Weise Eisen und Stahl von hervorragender Güte unmittelbar
aus dem Erz herstellen, ebenso ist auf diese Weise auch eine vorteilhafte Herstellung
von Ferrolegierungen, z. B. Ferromangan, möglich.
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In der Literatur ist zwar bereits die Verwendung eines kohlenstaubgefeuerten
Trommelofens in Verbindung mit einem Durchblasen der Asche empfohlen. Diese Empfehlung
geschah jedoch ausschließlich zum Niederschmelzen von Gußeisen in einem Trommelofen
mit saurer Ausmauerung. Soweit in jener älteren Literaturstelle von einer Reduktion
gesprochen wird, handelt es sich lediglich um die in nur winziger Menge (o,oi o/Q)
im flüssigen Eisen gelöst vorhandenen Eisenoxyde (Fe0) und deren Reduktion durch
den ebenfalls im flüssigen Eisen gelösten Kohlenstoff. Es handelt sich also hierbei
um einen Reduktionsvorgang anderer Art, wie er auch z. B. in einer gewöhnlichen
Gießpfanne, in der das Eisen längere Zeit absteht, stattfindet und nicht zu vergleichen
ist mit der vorliegenden Erfindung, bei. der fester bzw. gasförmiger Kohlenstoff
auf freie Oxyde einwirkt.
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Auf der Zeichnung ist ein zur Ausführung des Verfahrens bestimmter
Ofen in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. i
einen Längsschnitt durch den Ofen, Fig. z einen Querschnitt.
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Unter Benutzung eines solchen Ofens kann das Verfahren im einzelnen
beispielsweise wie folgt durchgeführt werden: Das Erz wird zusammen mit den erforderlichen
Flußmitteln, wie Kalk, Flußspat usw., durch die öffnung a in den Ofen eingebracht.
Letzterer besteht, wie an sich bekannt ist, im wesentlichen aus einer Blechtrommel
b, die innen mit einem Futter aus feuerbeständiger Masse ausgekleidet- ist und auf
Rollen c um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. Die Drehbewegung kann durch eine
Antriebswelle d unter Vermittlung einer der Rollen c bewirkt werden. In das eine
Ende des Ofens mündet der Kohlenstaubbrenner, welcher aus einem inneren Rohr f unci
einem äußeren Rohr g besteht, welche mit ihrem vorderen Ende die Brennerdüse bilden.
In das innere Rohr/ wird durch die Leitung h Luft und durch die Leitung
i der Kohlenstaub zugeführt. Das weitere Rohr g dient @ebenfalls zur Zuführung der
Verbrennungsluft.
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Die Abgase entweichen durch die öffnüng a, welche gleichzeitig zur
Beschickung dient. Um die Beschickung des Ofens zu erleichtern, kann das Mundstück
m zur Seite geklappt und dadurch die Beschickungsöffnung vergrößert werden.
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Schließlich ist seitlich an der Trommelwandung noch eine Öffnung h
für den Abstich und eine ebenfalls verschließbare öffnung o für den Abzug der Schlacke
vorgesehen. Die ganze Länge des Ofens kann etwa 5 m betragen.
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In dem beschtiebenen Trommelofen wird nun der aus Erz und Flußmittel
bestehende Einsatz durch die im Ofen befindliche Kohlenstaubfl,amme niedergeschmolzen.
Die Flamme braucht dabei nicht reduzierend zu wirken, sondern sie kann auch neutral
sein oder mit Luftüberschuß arbeiten. Wichtig ist vielmehr, daß die Flamme eine
recht große Hitze erzeugt, so daß das Erz möglichst schnell heruntergeschmolzen
wird. Zur Erzielung einer möglichst hohen Temperatur kann zweckmäßig vorgewärmte
Verbrennungsluft benutzt werden. Das verwandte Erz kann
feinkörnig
oder stüclfig sein, in jeder beliebigen Form im Gegensatz zu den bekannten Verfahren.
Hierdurch werden die Separationskosten des Erzes gespart. Auch braucht das Erz nicht
frei von Gangart zu sein. Es kann so gebraucht werden, wie es beim Erzbergbau entfällt.
Auch der Hochofen kann Feinerze nicht in beliebiger Menge verarbeiten, sondern nur
zu einem geringen Prozentsatz. Sollen Feinerze trotzdem im Hochofen Verwendung finden,
so müssen sie agglomeriert oder brikettiert werden.
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Sobald das Erz geschmolzen ist, wird die Flamme mit einem Kohlenstaubüberschußeingestellt
und gleichzeitig Reduktionskohle in Form von Stückkohle dem Einsatz zugegeben. Zweckmäßig
wird dabei eine Kohle genommen, die arm an Schwefel und Rückständen ist. Weiter
ist es wichtig, durch @entsprechende Regelung des Winddruckes die Geschwindigkeit
der Verbrennungsgase so einzustellen, daß die entstehende Asche im wesentlichen
durch den Ofen durchgeblasen wird und sich nicht auf dem Schmelzbad niederschlagen
kann. Die Schlackenmenge wird dadurch möglichst gering gehalten. Diese Schlacke
sollte zweckmäßig nur aus der unvermeidlichen Gangart des Erzes bestehen, da eine
Vergrößerung der Schlackenmenge auch eine Eisenverdünnung in der Schlacke mit sich
bringt und somit die Reduktionswirkung erschwert.
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Die Reduktion bzw. die Aufgabe von Kohle wird nun so, weit getrieben,
daß sich das entstehende Eisen mit Kohlenstoff anreichert, z. B. auf etwa z %. Hierdurch
wird mit Sicherheit erreicht, daß die Endschlacke praktisch eisenfrei geworden ist
bzw. nur noch einen geringen Prozentsatz Eisen enthält, der jedenfalls unter 8 bis
io % liegt und sich sogar auf 2 bis 40/6 herabdrücken läßt. Die praktische Durchführung
des Verfahrens kann beispielsweise wie folgt geschehen: Es werden 6ookg Eisenerz
mit 6o,5 % Fie = 363 kg Fe zusammen mit ioo kg Kalk eingeschmolzen. Dabei ergibt
sich -ein Bad mit 5 i % Fe und i 8 % Si 02. Diesem Bade werden 75 kg Kohle zugegeben,
welche mit dem Bad in Reaktion .treten, so daß sich nach etwa q.o Minuten eine eisenarme
Schlacke mit Eiseneinschlüssen ergibt. Nach vorgenommenen Versuchen ergab die Analyse
der Schlacken 140/0 Fe und 2o % Si02. Dann werden 3o kg Flußspat zugegeben und weitere
25 kg Kohle. Nach etwa einstündiger Blasdauer ergibt sich dann: 3q.okg Eisen mit
2,o2 % Kohlenstoff, Schlacke mit 4,8% Fe. Auf diese Weise erhält man aus dem Ofen
ein kohlenstoffreiches Eisen, das gegebenenfalls auch andere Legierungsstoffe, wie
z. B. Mangan, enthalten kann. Man kann aber auch .durch entsprechende Legierungszusätze
und Frischwirkung jede andere Eisenart herstellen.
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Wird z. B. ein Grauguß mit etwa 3,5 % Kohle, 2 % Silicium, o,6 % Mangan
und o, i % Phosphor verlangt, so wird die Auf -kohlung des Eisenbades so weit getrieben,
bis der verlangte Kohlenstoffgehalt von 3,5 % erreicht wird. Den Mangangehalt
von o,6 erreicht man dann durch Zugabe von entsprechenden Mengen Manganerz oder
Feiromangan. Um den Siliciumgehalt von 20/6 zu erreichen, gibt man die entsprechende
Menge von Silicium in Gestalt von Ferrosilicum zu. Auf ähnliche Art erreicht man
den Phosphorgehalt von o, i %.
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Ebenso kann auf die gleiche Weise auch Temperguß hergestellt werden.
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Wird ein weiches Flußeisen gewünscht, so wird dem kohlenstoffreichen
Eisenbad wieder frisches Erz zugegeben, wodurch eine Oxydation der Legierungsbestandteile
des Bades, z. B. Kohlenstoff, Mangan usw., herbeigeführt wird. Die Oxydation wird
so weit getrieben, bis die verlangte Zusammensetzung des Eisens erreicht ist. Ebenso
kann man auf dieselbe Art und Weise jeden legierten Stahl erzeugen.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt,
sondern es sind auch andere Ausführungen möglich. Insbesondere braucht nicht allein
Erz zugegeben zu werden, sondern es kann auch ähnlich wie im Hochofen das Erz mit
Schrott, Eisenbruch und anderen Beimengungen versehen werden.