Die Reduktion der Eisenerze: Wissenschaftliche Grundlagen und technische Durchführung

553 Pages·1967·43.386 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Ludwig von Bogdandy, Prof. Dr. rer. nat. Hans Jürgen Engell (auth.)

Die Reduktion der Eisenerze
Die Reduktion der Eisenerze
Wissenschaftliche Grundlagen und
technische Durchfiihrung
Von
Prof. Dr.-Ing. Ludwig von Bogdandy
und
Prof. Dr. rer. nat. Hans-Jiirgen Engell
Mit 381 Bildern und 54 Tafeln
1967
Verlag Stahleisen mbH I Diisseldorf
Springer-Verlag Berlin I Heidelberg I New York
Prof. Dr.-lng. LUDWIG VON BOGDANDY
Huttenwerk Oberhausen AG, Oberhausen
Prof. Dr. rer. nat. HANS JURGEN ENGELL
Max-Planck-lnstitut fiir Metallforschung,
lnstitut fur Metallkunde, Stuttgart
DK 669.051
669.046.46 : 669.162.12
669.162.263.23
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@ by Verlag Stahleisen m.b.H., Dllsseldorf and Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1967
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1967
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Bestell·Nummer 106 Titel Nr. 1354
Verlag Stahlelsen m.b.H., Dusseldorf Springer· Verlag, Berlin/Heidelberg/New York
Vorwort
1m Jahre 1838 erstieg ROBERT BUNSEN den Hochofen der Herrschaft.
lichen Eisenwerke Veckerhagen und senkte in die Begichtung eine Rohre,
die aus mehreren zusammengeschweiBten Flintenlaufen bestand und mit
einer feuerfesten Bekleidung versehen war. Mit Hilfe eines Bleirohres,
mehrerer Glasrohrchen, etwas Gummischlauch und einer Luftpumpe ent·
nahm BUNSEN uber dieses Rohr dem Schacht des Of ens Gasproben, die
er auf Kohlensaure, Kohlenoxyd, Wasserstoff und Grubengas analysierte.
Er stellte fest, daB es sich durchaus lohnen wiirde, diese Gase aufzufangen
und zur Beheizung der Henschelschen Dampfmaschine zu verwenden,
die das Geblase des Of ens antrieb und bei der bisherigen Betriebsweise
35 Pfund Buchenholz stundlich verbrauchte. BUNSEN selbst sagte: "Sind
auch die darin angefiihrten Versuche keineswegs als den Gegenstand er·
schopfend zu betrachten, so durften sie doch schon einer vorlaufigen
Mittheilung nicht unwerth seyn, da sie die wichtigsten Momente umfassen,
welche bei practischen Untersuchungen uber diesen, fur die gesammte
Metallurgie so wichtigen Gegenstand zur Basis dienen konnen."
Niemand, der den damaligen Stand der Dinge in Wissenschaft und
Technik und die von dieser Sachlage ausgehende Entwicklung vor Augen
hat, kann dieser Ansicht widersprechen. Wege und Ziele der metallurgischen
Forschung werden in diesem Beispiel klar. Das Ziel ist die Verbesserung
der Ausnutzung der eingesetzten Rohstoffe und die Erhohung der Er.
zeugungsleistung, der Weg besteht in der Entwicklung geeigneter MeB.
verfahren - hier der Gasanalyse - in Verbindung mit einer wissenschaft.
lich grundlegenden Auswertung der Versuchsergebnisse. Zusammen mit
der theoretischen Durchdringung des Verfahrensablaufs und mit der Ent·
wicklung besserer Anlagen und leistungsfahiger Hilfsaggregate fur den
Hochofen, ist hier die Grundlage zu suchen fur die Entwicklung des nacho
sten Jahrhunderts. Zahlreiche Forscher und Ingenieure haben sich in der
Folgezeit um das Hochofenverfahren bemiiht mit dem Ergebnis, daB der
Hochofen heute als eine der leistungsfahigsten verfahrenstechnischen
Apparaturen anzusehen ist.
In der vorliegenden Monographie werden zunachst die thermodyna
mischen und reaktionskinetischen Grundlagen der Erzreduktion zusammen·
VI Vorwort
gefaBt. Dann folgt ein trberblick iiber die Gesetze der Gasstromung und
des Warmeiibergangs in Schiittschichten. Mit diesen Grundlagen wird ver
sucht, den technischen ProzeB im Hochofen wissenschaftlich zu beschreiben
und seine Leistungsgrenzen zu berechnen. Dabei werden besonders die
Vorbereitung des Moners nach verlahrenstechnischen und reaktionskine
tischen Gesichtspunkten, die Bedeutung der chemischen und physikalischen
Eigenschaften der Einsatzstoffe und die Verlahren zu ihrer Ermittlung
sowie das Verhalten von Austauschbrennstoffen ausfiihrlich erortert. Be
sonders eingehend behandelt wird hierbei der "trockene" Teil des Hoch
ofe ns, in dem Reaktionen zwischen Gasen und Feststoffen vorherrschen.
Mit Hilfe dieses theoretischen Riistzeugs ist es in vielen Fallen moglich,
Zufalliges yom Grundsatzlichen zu unterscheiden, die Wirkung bestimmter
Eigenschaften der Einsatzstoffe und der betrieblichen Parameter auf die
Herstellkosten und die Betriebsergebnisse, z. B. Erzeugungsleistung und
spezifischen Brennstoffverbrauch, im voraus zu berechnen und damit die
Grundlage fiir eine Optimierung und Automatisierung des Hochofen
betriebs zu schaffen und abzuschatzen, ob und welche Verbesserungen in
Zukunft moglich sind.
Neben dieser Aufgabenstellung, die im wesentlichen der Verleinerung
des zur Zeit dominierenden Hochofenprozesses dient, wird auch die Re
duktion auBerhalb des Hochofens, die sogenannte direkte Reduktion, be
handelt. Seit Jahrzehnten hat man sich bemiiht, die Reduktion der Eisen
erze zum Metall in anderen Apparaturen als dem Hochofen vorzunehmen,
wobei als Produkt entweder fliissiges Roheisen oder Eisen in fester Phase,
z. B. als Eisenschwamm, gewonnen wird. Zwar hat noch keines dieser Ver
fahren die Leistungsfahigkeit des Hochofens erreicht. Die steigende Ver
fiigbarkeit preisgiinstiger gasformiger und fliissiger Brennstoffe, besonders
von Erdgas, z. B. in Nahost, Mittel- und Siidamerika, laBt jedoch die Aus
arbeitung von Verfahren zur Reduktion der Eisenerze mit diesen Energie
trage rn und Reduktionsmitteln an Stelle des Kokses immer wichtiger werden.
Die Reduktion der Eisenerze auBerhalb der Hochofens konnte die Losung der
Aufgabe sein, die Nationalwirtschaften dieser Lander unter Nutzung ihrer
heimischen Roh- und Brennstoffe zu auBerst wirtschaftlichen Bedingungen
mit dem Eisen zu versorgen, das zum Aufbau der einheimischen Industrie
und zur Steigerung des allgemeinen W ohlstands unerlaBlich ist.
Wir hoffen, daB diese Monographie dem Wissenschaftler ebenso wie dem
Praktiker eine Hille bei der Losung dieser und anderer Aufgaben sein kann
und ihm Anregungen geben wird, durch sinnvolle und gezielte Anderung
der Betriebsweise die Eisenerzeugung zu verbessern und zu verbilligen. Wir
wenden uns mit diesem Beitrag aber auch an den Studierenden und mochten
ihm die Moglichkeit geben, mit den Grundlagen der Reduktion von Eisen
erzen und ihrer Anwendung auf den technischen ProzeB naher bekannt
Vorwort VII
zu werden und die oft recht verwickelten Zusammenhange leichter zu
uberblicken.
Es war nicht beabsichtigt, ein Handbuch zu verfassen, das alle Mei
nungen, Anschauungen und Versuche berucksichtigt. Wir haben vielmehr
aus dem Schrifttum ausgewahlt, was wir als weiterfuhrende Ansatze an
sahen und was uns fur die dargestellte Arbeits- und Denkrichtung als
beispielhaft erschien und hieran eigene Betrachtungen, BerechnungeIi und
Bewertungen angeknupft. Damit ist gesagt, daB die Auswahl des behandel
ten Schrifttums nach subjektiven Gesichtspunkten erfolgte; es ist hinzu
zufugen, daB sie im einzelnen auch nicht ganz frei von Zufalligkeiten ist.
Fur die Kapitell und 2 zeichnet der zweitgenannte'Verfasser, fUr die
Kapitel3 bis 5 der erstgenannte Verfasser verantwortlich.
Zu danken haben wir unseren Mitarbeitern, die uns bei der Zusammen
stellung des Schrifttums, bei den Berechnungen, der sprachlichen Dar
stellung und den Korrekturen geholfen haben. Besonders hervorheben
mochten wir die tatkraftige Unterstutzung durch die Herren Dr.-Ing.
G. GROSS und Dr.-Ing. U. PucKoFF-Dortmund, Dr.-Ing. H.-D. PANTKE,
Dipl.-Ing. H. SINGER und Dr.-Ing. D. TERLAAK - Oberhausen sowie Dipl.
Ing. W. PLUSCHKELL - Stuttgart. FUr die Bekanntgabe von nicht ver
offentlichten Ergebnissen und fruchtbare Diskussionen danken wir einer
groBen Anzahl von Fachgenossen in der eisenschaffenden Industrie, an den
Hochschulen und Forschungsinstituten. Herr Dipl.-Ing. H. KEGEL, Dussel
dorf, hat durch manches vermittelnde und klarende Gesprach zum Ge
lingen des Vorhabens beigetragen. Die Anregung zur Abfassung der
vorliegenden Monographie ging aus von dem Vorsitzenden des Vereins
Deutscher Eisenhuttenleute, Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. H. SCHENCK,
dem wir hierfur herzlichen Dank aussprechen mochten.
Oberhausen u. Stuttgart,
im Oktobe.r 1966
L. von Bogdandy und H.-I. Engell
Inhaltsverzeichnis
Seite
ZU8ammenstellung baufig verwendeter Symbole XIII
Tbermodynamiscbe Tafeln . . . . I
"Ubersicht . . . . . . . . . . . I
Abkurzungen und Bezeichnungen I
Tafeln fur 17 Verbindungen . 2
1. Grundlagen . . . . . . . . 18
1.1. Gleichgewichte. . . . . 18
1.1.1. Das System Eisen-Sauerstoff 18
1.1.2. Die Systeme Eisen-Sauerstoff-Wasserstoff und Eisen-Sauerstoff
Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.1.3. Reduktionsgleichgewichte von Mischkristallen mit Eisenoxyden und
von eisenoxydhaltigen Verbindungen . . . . . . . . . . . . . 38
1.1.4. Das System FeO-CaO-Si0 und die Gleichgewichte bei der Erzeugung
2
von Sinter. . . . . . . . . 40
1.2. Grundlagen der Reduktionskinetik 47
1.2.1. Die Erzreduktion als Reaktionsfolge 47
1.2.2. Gasdiffusion in der Stromungsgrenzschicht und den Poren 49
1.2.3. Adsorption 60
1.2.4. Chemisorption . . . 65
1.2.5. Phasengrenzreaktion 72
1.2.6. Keimbildung. . . . 79
1.2.7. Transportvorgange in festen Phasen 83
1.2.7.1. Grundgesetze der Festkorperdiffusion 83
1.2.7.2. Die Stabilitat der Oberflachengestalt des Oxyds bei der Re-
duktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.2.7.3. Transportvorgange bei der Reduktion von Mischoxyden und
Oxydverbindungen ., . . . . . . . . . . . . . . . 93
1.2.8. Die "direkte Reduktion": Festkorperreaktion zwischen Kohlenstoff
und Eisenoxyden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98
2. Ergebnisse der experimentellen Untersucbungen der Reduktionskinetik 99
2.1. Verfahren und Versuchseinrichtungen zur Messung des Reaktionsablaufs 99
2.1.1. Gravimetrische MeBverfahren . . . . . . . 101
2.1.2. Gasanalytische und volumetrische Verfahren . . 103
2.1.3. Sonderverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.1.4. Herstellung und Untersuchung der Oxydproben . 107
2.2. Stoff- und Wil.rmeubergang durch die Stromungsgrenzschicht . 109
Inhaltsverzeichnis IX
Seite
2.3. Gas- und Festkorperdiffusion in Schichten der Reaktionsendprodukte 119
2.4. Untersuchungen der Phasengrenzreaktion. . . . . . . . . . . . . . 128
2.5. Gekoppelter Ablauf von Phasengrenzreaktion und Diffusion . . . . . 138
2.5.1. Phasengrenzreaktion und Diffusion in den Reaktionsendprodukten 138
2.5.2. Phasengrenzreaktion und Diffusion in reagierenden Schichten .. 144
2.5.3. Zusammenfassende Betrachtung der Uberlagerungen von Phasen-
grenzreaktion, Gasstromung, Diffusion in reagierenden Schichten
und Diffusion in Reaktionsendprodukten . . . . 151
2.6. Beobachtungen von Keimbildung und Keimwachstum. . . . .. 156
2.7. Reduktionskinetik von Mischoxyden, Oxydverbindungen und Sinter 164
2.8. Reaktionskinetik der Vergasung von Kohle und Koks . 174
3. Gasstriimung und Wiirmeiibergang in kiirnigen Giitern . 181
3.1. Ruhende Schiittgutschicht 182
3.1.1. Stromung in ruhender Schiittgutschicht. 182
3.1.1.1. Gleichkomschiittungen. . . . . 182
3.1.1.2. Mehrkomschiittungen . . . . . 188
3.1.2. Warmeiibergang in ruhender Schiittgutschicht . 193
3.2. Wirbelschicht und tJbergang zur Flugstaubwolke • . 195
3.2.1. Existenzbereich der Wirbelschichten und Flugstaubwolken 198
3.2.2. Besonderheiten der technischen Reaktionsfiihrungin Wirbelschichten 201
'4. Technische Durchfiihrungsmiiglichkeiten der Eisenerzreduktion (auBer-
halb des Hochofens) 204
4.1. Aufgabenstellung. • • • . . 204
4.1.1. Verfiigbare Rohstoffe . 207
4.1.1.1. Erze. . . . . 207
4.1.1.2. Brennstoffe. . 207
4.1.2. Einteilung der auBerhalb des Hochofens arbeitenden Reduktions
verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4.1.3. Grenzbetrachtung zum Bedarf an Reduktionsmitteln und Warme 210
4.1.4. Produkte der auBerhalb des Hochofens arbeitenden Reduktions-
verfahren und ihre Weiterverarbeitung . . . . 213
4.2. Erzreduktion in Flugstaubwolken und Rieselwolken . 217
4.2.1. Grenzen des Anwendungsbereichs. . . . . . . 217
4.2.1.1. Maximale Reduktionsgeschwindigkeiten 217
4.2.1.2. Giinstigste Betriebsdaten und maximale Belastung des Re
aktionsraumes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.2.1.2.1. Verbrauch an Reduktionsgas fiir die chemische
Reaktion. . . . . . . . , . . . . 220
4.2.1.2.2. Verbrauch an Warmetragem ..... 221
4.2.1.2.3. Maximale Belastung des Reaktionsraumes .. 221
4.2.2. Moglichkeiten einer technischen Durchfiihrung der Erzreduktion
in Flugstaubwolken und Rieselwolken . . . . . . . . . . . . 223
x
Inhaltsverzeiohnis
Seite
4.3. Reduktion in der Wirbelsohioht . . . . . 225
4.3.1. Einsatzmogliohkeiten und Grenzen . . 225
4.3.2. Verfahrensiibersioht. . . . . . . . . 234
4.3.3. Energieverbrauoh der Wirbelsohiohtverfahren und Leistungsver-
gleioh mit dem Hoohofen . . . . . . . . 239
4.4. Reduktion in Retorten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
4.4.1. Grundlagen des Umsatzes in der Retorte. . . . . . . 244
4.4.2. Numerisohe Bereohnung der Reduktion in der Retorte 249
4.4.3. Experimentelle Untersuohung . . . . . . . . . . . . 253
4.4.4. Teohnisohe Durohfiihrung der Reduktion in der Retorte 255
4.5. Reduktion im DrehgefaB . . . . . . . . . . . 259
4.5.1. Arbeitsmogliohkeiten und Problemstellung 259
4.5.2. Reaktionskinetik . . . . . . . 262
4.5.3. Vergleioh mit dem Experiment . . . . . 270
4.5.4. Warmeiibergang . . . . . . . . . . . . 274
4.5.5. Vorausbestimmung der Leistung von Drehofenreduktionsanlagen 276
4.5.5.1. Bemessung der Vorwarmzone ............ 276
4.5.5.2. Bemessung der Reduktionszone und der Gesamtanlage 276
4.5.6. Teohnisohe Durohfiihrung der Reduktion im Drehofen . 277
4.5.6.1. Erzeugung von Eisensohwamm. . 277
4.5.6.2. Erzeugung von fliissigem Roheisen 282
4.5.6.3. Erzeugung von Rennluppen . . 284
4.5.6.4. Vorreduktion . . . . . . . . . 284
4.6. Reduktion im Sohaohtofen (ohne Sohmelzung) 286
4.6.1. Einsatzbereioh . . . . . . . . . . . . 286
4.6.2. Theoretisohe Grundlagen der Reduktion im Sohaohtofen mit festem
Austrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
4.6.2.1. Stromungstheoretisohe Durohsatzgrenze . . . . .. 286
4.6.2.2. Kinetik der Reduktion im Gegenstrom . . . . .. 288
4.6.2.3. Erste Naherung (rein reaktionskinetisohe Naherung) 289
4.6.2.3.1. Grundsatzliohes zu den Reohenbeispielen 289
4.6.2.3.2. Eigensohaften der eingesetzten Stoffe 290
4.6.2.3.3. Reohenbeispiele. . . . . . . . . . . . 291
4.6.2.3.4. Einschrankung der Ergebnisse. . . . . 297
4.6.2.4. Zweite Naherung (Aufstellen eines mathematisohen Modells
unter Beriioksiohtigung des Warmeiibergangs) . . . . . 297
4.6.2.4.1. Temperaturdifferenz zwisohen Kern und Ober-
flaohe der Pellets ............. 298
4.6.2.4.2. Reduktion einer (Gleiohkorn-bzw. Kugel-) Sohiit
tung im Gegenstrom; Aufstellen der Differential-
gleiohungen . . . . . . . . . . . . . 299
4.6.2.4.3. Losen der Differentialgleiohungen . . . . . . 303
4.6.2.4.4. Ergebnisse des mathematischen Modells . . . 304
4.6.3. Technisohe Realisierung der Gegenstromreduktion im Schaohtofen 307
4.7. Elektroreduktionsverfahren .................... 313
4.7.1. Elektroreduktionsbett mit dariiberstehender stiickiger Mollersaule 315
4.7.2. Elektroreduktionsbett mit feinkorniger wirbelnder Mollersaule 319
4.7.3. Elektroreduktion mit vorreduziertem Einsatz 320
4.7.4. Sonstige Mogliohkeiten der Elektroreduktion . . . . . .. 322
Inhaltsverzeichnis XI
Selte
4.8. Vorbereitung der Brennstoffe fiir die Erzreduktion 322
4.8.1. Feste Brennstoffe und Reduktionsmittel . . 322
4.8.2. Gasforroige Brennstoffe und Reduktionsmittel . 324
4.8.2.1. Problemstellung. . . . . . . . . . . 324
4.8.2.2. Gleichgewichte . . . . . . . . . . . 326
4.8.2.3. Reaktionsgeschwindigkeiten und technische Realisierung. 330
4.8.2.3.1. Endotherme Spaltverfahren . 331
4.8.2.3.2. "Autotherme" Spaltverfahren . . . . . . . . 332
o.
Das Hochofenverfahren . 337
5.1. Ansatzpunkte fiir die physikalisch-chemische Behandlung 337
5.2. Vorbereitung des Mollers . . . . . . . . 343
5.2.1. Grundziige der Verfahrenstechnik . 343
5.2.1.1. Erzbrech- und Siebanlagen . 345
5.2.1.2. Sinteranlagen. . . . . . . 347
5.2.1.3. Pelletisierungsanlagen (fiir Feinsterze) 354
5.2.1.4. Sonstige Agglomerierverfahren . . . 358
5.2.2. Anwendung der Reaktionskinetik auf die Mollervorbereitung und
betriebliche Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . 358
5.2.2.1. Sicherung der GleichmaBigkeit der Durchgasung . 358
5.2.2.2. Behandlung der Stiickerze . . . . . . . . . . . 362
5.2.2.2.1. Begrenzung der Erzkornung nach oben. 366
5.2.2.2.2. Begrenzung der Erzkornung nach unten 369
5.2.2.2.3. Fahrweise der Erzbrech- und Siebanlage 371
5.2.2.3. Behandlung der Feinerze. . . . . . . . . . . . 374
5.2.2.3.1. Ziichtung optimal reduktionsgeeigneter Phasen
beim Sintervorgang . 376
5.2.2.3.2. Selbstgangiger Sinter 380
5.2.2.3.3. Betriebsergebnisse. . 383
5.2.2.4. Behandlung der Feinsterze. . 390
5.2.2.4.1. Vorgange im Pellet wahrend des Brennens 390
5.2.2.4.2. Betriebsergebnisse mit Pellets im Hochofen; Ver-
gleich mit Sinter . 394
5.3. Priifung der Erze fiir den Hochofen . 396
5.3.1. KorngroBenverteilung . . . . 397
5.3.2. Mechanische Bestandigkeit .. 400
5.3.3. Dekrepitationsempfindlichkeit 405
5.3.4. Verstaubungsempfindlichkeit. 406
5.3.5. Erweichung . . . . . . . . 408
5.3.6. Reduzierbarkeit ...... . 412
5.4. Verhalten von Austauschbrennstoffen im Hochofen 422
5.4.1. Aufgabenstellung. . . . 422
5.4.1.1. Heizmittel . . . . . . . . 424
5.4.1.2. Reduktionsmittel . . . . . 424
5.4.1.3. Stiitzgeriist der Beschickung 425
5.4.2. Grundsatzliches zur Vorausberechnung von Hochofenbetriebsdaten
bei Austauschbrennstoffen .................. 433