Grundlagen für die Drehofenreduktion von Eisenerzen mit feinverwachsener Gangart PDF
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FORSCHUNGSBERIClITE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2530 Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz KUhn vom Minister fOr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Dres. h. c. Hermann Schenck Prof. Dr. -Ing. Werner Wenzel Dr. -Ing. Srirama Rao Chatty Institut f11r Eisenhiittenwesen der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Grundlagen fur die Drehofenreduktion von Eis enerzen mit feinverwachsener Gangart Westdeutscher Verlag 1975 © 1975 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: .Westdeutscher Verlag ISBN-13: 978-3-531-02530-8 e-ISBN-13: 978-3-322-88303-2 001: 10.1007/978-3-322-88303-2 I n hal t 1. Einleitung und Aufgabenstellung 2. EinfluB von Fremdoxiden auf das 3 Reduktionsverhalten von Eisenoxiden 2.1 EinfluB von Fremdoxiden auf das Reduktionsverhalten durch Legierungs 4 bildung 2.2 EinfluB von Fremdoxiden auf das Reduktionsverhalten durch Mischkristall- 6 oder interoxidische Phasenbildung 2.3 EinfluB von Fremdoxiden auf die 7 Reduktionskinetik 3. Beschreibung der Einsatzstoffe 8 3.1 Erze und andere eisenhaltige Produkte 8 3.1. 1 Moglichkeiten zur metallurgischen 10 Verwertung von BauxitrUckstanden 3.2 Reduktionsmittel 11 4. untersuchungen zur thermisch metallurgischen Anreicherung 12 (Reduktionskonzentrierung) von Eisenerzen mit feinverwachsener Gangart 4.1 Tiegelversuche an Erz-Kohle-Schichten 12 4.1.1 Ziel der Versuche 13 -N- 4.2 Versuchsapparatur 13 4.3 Versuchsdurchftlhrung 14 4.4 Versuchsergebnisse und deren Diskussion 14 4.4.1 Visuelle Beobachtungen 14 Die Abtrennung grober Eisenpartikel 16 aus der Schlacke 4.4.3 EinfluB von Reduktionstemperatur, Behandlungsdauer und Kohlenstoff uberschuB im Erz-Kohle-Gemisch auf 16 den erreichbaren Reduktionsgrad 4.4.4 EinfluB von Reduktionstemperatur, Behandlungsdauer und Kohlenstoff 18 uberschuB auf den abtrennbaren Eisen anteil und den Eisenverlust in der Schlacke 4.4.5 EinfluB von Reduktionstemperatur, Behandlungsdauer und Kohlenstoff tlberschuB auf den erzielbaren Auf 20 kohlungsgrad des abtrennbaren Eisens 4.4.6 EinfluB von Reduktionstemperatur, Behandlungsdauer und Kohlenstoff 21 tlberschuB auf die Endschwefelgehalte im abgetrennten Eisen 4.4.7 EinfluB der ErzkorngroBe auf den 22 Reduktionsgrad, den abgetrennten Eisen anteil und den analytisch bestimmten Eisengehalt - V - 4.4.8 Zusanunensetzung der "trockenkriimeligen" Schlacke aus der Reduktionskonzen 22 trierung von Eisenerzen mit Braunkohle 4.4.9 Untersuchung der Erweichungs-, Schmelz-, 23 und FlieBeigenschaften der trockenkriime ligen Schlacken mit dem Erhitzungsmikros kop 4.4.9.1 Beschreibung der Untersuchungsmethode 24 mit dem Erhitzungsmikroskop 4.4.10 EinfluB der Schlackenbasizitat 25 (CaO/Si02-Verhaltnis) auf die End schwefelgehalte im abgetrennten Eisen 4.4.11 Entschwefelung des Eisens nach einem 26 Zweistufen-Verfahren 4.4.12 Verwertung der bei der Reduktions 28 konzentrierung von Bauxitriickstanden anfallenden Schlacken 4.4.13 Die Gaszusammensetzung oberhalb des 29 Erz-Kohle-Gemisches wahrend der Reduktion 4.4.14 SchluBfolgerungen aus den stationaren 30 Versuchen 4.4.15 Vergleich der Reduktionskonzentrierung 34 von Eisenerzen unterhalb und oberhalb der Erweichungstemperatur der Gangart 5. Mechanismus der "Reduktionskonzentrierung" 36 des Eisens bei der Erhitzung von Erz-Kohle Schichten - VI - 5.1 Versuchsapparatur 36 5.2 VersuchsdurchfUhrung 37 5.3 Ergebnisse der lichtmikroskopischen 37 Beobachtungen der Probenoberflachen 5.4 Ergebnisse der Raster-elektronen 40 mikroskopischen Beobachtungen der Probenoberflachen 5.5 SchluBfolgerungen aus den licht- und 41 Raster-elektronenmikroskopischen Beobachtungen 6 • Die Bildung gasformiger Suboxide bei 43 der "Reduktionskonzentrierung" von Eisenerzen und deren Bedeutung fUr das Whiskerwachstum 7. Die Klarung der Kristallisationsformen 47 des Eisens und der Gangart bei der Reduktionskonzentrierung" von Eisen erzen 8. Nutzung der Ergebnisse fUr die Praxis 50 9. Zusammenfassung 51 10. Literaturverzeichnis 53 57 Anhang a) Tabellen b) Abbildungen 67 1. Einleitung und Aufgabenstellung Die stets wachsenden Anforderungen, die heute an Eisenerze gestellt werden, und der Mangel an reichhaltigen Eisenerz vorraten in der Welt, erfordern entweder die ErschlieBung neuer Erzlagerstatten mit geringprozentigem Eisengehalt oder die wirtschaftliche Ausnutzung eisenhaltiger industrieller Abfallprodukte. Ein groBer Teil der zur Verfugung stehenden Eisenerzquellen enthalt hahere Anteile unerwlinschter Gangelemente, die die direkte Verwendung solcher Erze zur Eisenverhuttung wesent lich erschweren. Zur Erhahung des Eisengehaltes und zur Aus scheidung der Begleitelemente ist eine Aufbereitung dieser Erze unbedingt erforderlich. Es sind in den letzten Jahren zahlreiche Verfahren entwickelt worden wie z.B. die physikalischen, die chemischen und die naBchemischen Verfahren, deren Ziel es ist, Erze mit geringem Eisengehalt an Eisen anzureichern. Eine wirtschaftlich opti male Anreicherung an Eisen wird aber durch Anwendung dieser Verfahren entweder unmaglich oder zu teuer, wenn der im Erz vorhandene Eisenoxid mit anderen Oxiden der Gangart in einem sehr feinverwachsenen Zustand vorliegt. Fur die Erze mit feiner Verteilung der Bestandteile sind ther misch-metallurgische Anreicherungsmethoden erforderlich. Therrnisch-metallurgische Aufbereitungsverfahren zeichnen sich gegenUber den physikalischen, chemischen und naBchemischen Methoden durch die folgenden verfahrenstechnischen Vorteile aus: 1) Hahere Reaktionsgeschwindigkeiten durch Anwendung von haherer Arbeitstemperatur; 2) Gunstige Einstellung des Reaktionsgleichgewichtes durch Variation der Arbeitstemperatur und des Druckes im Reak tionsraurn; - 2 - 3) Weitgehende Entfernung der unerwlinschten Eisenbegleit elemente wie z.B. Schwefel und Phosphor durch Auswahl geeigneter Temperatur und Schlackenzusammensetzung; 4) Moglicher Einsatz von Erzen unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung durch Anwendung selektiver Reduktions methoden; 5) Einfache physikalische Trennung des reduzierten Eisens von der Gangart. Das Ziel der thermisch-metallurgischen Aufbereitung besteht darin, eine Reduktion von Eisenoxiden zu metallischem Eisen unter Anwendung der fUr eine vollstandige Reduktion erfor derlichen Temperatur vorzunehmen. Die Trennung des Eisens von der Gangart erfolgt danach durch die Ausnutzung der unter schiedlichen physikalischen Eigenschaften des Metalls und der Gangart. Zur thermisch-metallurgischen Aufbereitung von Erzen mit ge ringem Eisengehalt ist es oft erforderlich, diese einem Agglo merationsvorgang, wie z.B. das Sintern, das Pelletieren oder das Brikettieren, zu unterziehen. Dies gilt besonders fUr die jenigen Erze, die in feinkornigem Zustand vorliegen. Andern falls liegt das reduzierte Eisen mit der Gangart in einer sehr feinen Verteilung vor, so daB eine physikalische Trennung des Eisens und der Gangart nicht moglich ist. In solchen Fallen kann das metallische Eisen von der Gangart nur durch ein Aufschmelzen des reduzierten Produktes voneinander getrennt werden. Dies bedeutet: 1) Anwendung von hoheren Temperaturen im VerhUttungsaggregat mit entsprechend hohem VerschleiB des feuerfesten Futters des Of ens; 2) Moglicher Ubergang der unerwUnschten Beqleitelemente der Gangart in das l-1etallbad. Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit besteht darin, die Grund lagen eines Verfahrens zur "Reduktionskonzentrierung" von - 3 - feinkorniger und feinverwachsener Eisenerze oder eisen- hal tiger Abfallprodukte zu entwickeln. Unter dem hier ein gefuhrten Begriff "Reduktionskonzentrierung" wird eine ther misch-metallurgische Behandlung von Eisenerzen bzw. anderer eisenhaltigen Mineralien mit feinem Verwachsungsgrad ver standen, bei der das Eisen in korniger oder Tropfenform ortlich angereichert ist, so daB es mit geringem Aufwand von der Gangart abgetrennt werden kann. Zur Intensivierung der "Koagulation" der gebildeten Eisentropfchen und zur Gewahr leistung einer maximalen Eisentrennung vom Gangart, kann ~er ReduktionskonzentrierungsprozeB auch in einem Drehrohrofen bei entsprechender Temperatur durchgefuhrt werden. Der Mechanismus der Eisenbildung und Eisentrennung vom Gang artmatrix wird durch Keimbildungs- und Whiskerwachstumsvor gange im Mikrobereich erklart 1) 2. E.infl uB von Fremdoxiden auf das Reduktionsverhal ten von Eisenoxiden Die naturlich vorkommenden oxidischen Erze oder die aus anderen Erzen gewonnenen oxidischen Produkte, die die Ausgangsstoffe der meisten Reduktionsverfahren darstellen, sind meist Misch kristalle, Verbindungen oder Gemische mehrere Oxide. Die Re duktionsgleichgewichte fur viele Oxidmischkristalle und binare Oxidverbindungen wurden von H. Schenck 2, 3, 4) fur naturlich vorkommende Eisenerze von J. Klarding 5) untersucht. Das Ergebnis dieser Untersuchungen kann nach H. Schenck 6) wie folgt zusammengefaBt werden: 1) Die chemische Reduzierbarkeit einer Eisenoxidstufe wird erniedrigt, a) wenn sie freiwillig mit den Fremdoxiden chemische Verbindungen eingeht, - 4 - b) wenn sie sich in den Fremdoxiden lost. 2) Die chemische Reduzierbarkeit einer Eisenoxidstufe wird erhoht, c) wenn das Reduktionsprodukt freiwillig mit den Fremd oxiden Verbindungen eingeht, d) wenn sich das Reduktionsprodukt in den Fremdoxiden lost. In Abhangigkeit von der Zusammensetzung der Fremdoxide und von ihrem Mischverhaltnis mit den Eisenoxiden konnen aIle vier FaIle gleichzeitig in Erscheinung treten. 2.1 EinfluB von Fremdoxiden auf das Reduktionsverhalten durch . Legierungsbildung BezUglich der Wirkung von Fremdoxiden auf ein Me-O-System lassen sich drei Moglichkeiten unterscheiden 7): a) Das Fremdoxid setzt sich mit dem durch die Zersetzung des Metalloxides entstehenden Metall urn. b) Das Fremdoxid bildet Verbindungen mit dem Metalloxid. c) Das Fremdoxid reagiert sowohl mit dem Metall als auch mit dem Metalloxid. Die Anderung der Reduzierbarkeit bzw. des Sauerstoffdruckes des Metalloxides durch ~in Fremdoxid laBt sich mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes wie folgt veranschaulichen: 1 HeO ---lo. He + '2 O2 ~ ( 1 ) 1/2 Po ~1e kp 2 ~eO
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