Die Reduktion Der Eisenerze: Wissenschaftliche Grundlagen Und Technische Durchführung

ISBN-13: 9783642929366 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 540 str.

Ludwig Von Bogdandy; H. -J Engell

Opis

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."

Spis treści

Thermodynamische Tafeln.- Übersicht.- Abkürzungen und Bezeichnungen.- Tafeln für 17 Verbindungen.- 1. Grundlagen.- 1.1. Gleichgewichte.- 1.1.1. Das System Eisen-Sauerstoff.- 1.1.2. Die Systeme Eisen-Sauerstoff-Wasserstoff und Eisen-Sauerstoff- Kohlenstoff.- 1.1.3. Reduktionsgleichgewichte von Mischkristallen mit Eisenoxyden und von eisenoxydhaltigen Verbindungen.- 1.1.4. Das System FeO-CaO-SiO2 und die Gleichgewichte bei der Erzeugung von Sinter.- 1.2. Grundlagen der Reduktionskinetik.- 1.2.1. Die Erzreduktion als Reaktionsfolge.- 1.2.2. Gasdiffusion in der Strömungsgrenzschicht und den Poren.- 1.2.3. Adsorption.- 1.2.4. Chemisorption.- 1.2.5. Phasengrenzreaktion.- 1.2.6. Keimbildung.- 1.2.7. Transportvorgänge in festen Phasen.- 1.2.7.1. Grundgesetze der Festkörperdiffusion.- 1.2.7.2. Die Stabilität der Oberflächengestalt des Oxyds bei der Reduktion.- 1.2.7.3. Transportvorgänge bei der Reduktion von Mischoxyden und Oxydverbindungen.- 1.2.8. Die „direkte Reduktion“: Festkörperreaktion zwischen Kohlenstoff und Eisenoxyden.- 2. Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Reduktionskinetik.- 2.1. Verfahren und Versuchseinrichtungen zur Messung des Reaktionsablaufs.- 2.1.1. Gravimetrische Meßverfahren.- 2.1.2. Gasanalytische und volumetrische Verfahren.- 2.1.3. Sonderverfahren.- 2.1.4. Herstellung und Untersuchung der Oxydproben.- 2.2. Stoff- und Wärmeübergang durch die Strömungsgrenzschicht.- 2.3. Gas- und Festkörperdiffusion in Schichten der Reaktionsendprodukte.- 2.4. Untersuchungen der Phasengrenzreaktion.- 2.5. Gekoppelter Ablauf von Phasengrenzreaktion und Diffusion.- 2.5.1. Phasengrenzreaktion und Diffusion in den Reaktionsendprodukten.- 2.5.2. Phasengrenzreaktion und Diffusion in reagierenden Schichten.- 2.5.3. Zusammenfassende Betrachtung der Überlagerungen von Phasengrenzreaktion, Gasströmung, Diffusion in reagierenden Schichten und Diffusion in Reaktionsendprodukten.- 2.6. Beobachtungen von Keimbildung und Keimwachstum.- 2.7. Reduktionskinetik von Mischoxyden, Oxydverbindungen und Sinter.- 2.8. Reaktionskinetik der Vergasung von Kohle und Koks.- 3. Gasströmung und Wärmeübergang in körnigen Gütern.- 3.1. Ruhende Schüttgutschicht.- 3.1.1. Strömung in ruhender Schüttgutschicht.- 3.1.1.1. Gleichkornschüttungen.- 3.1.1.2. Mehrkornschüttungen.- 3.1.2. Wärmeübergang in ruhender Schüttgutschicht.- 3.2. Wirbelschicht und Übergang zur Flugstaubwolke.- 3.2.1. Existenzbereich der Wirbelschichten und Flugstaubwolken.- 3.2.2. Besonderheiten der technischen Reaktionsführung in Wirbelschichten.- 4. Technische Durchführungsmöglichkeiten der Eisenerzreduktion (außerhalb des Hochofens).- 4.1. Aufgabenstellung.- 4.1.1. Verfügbare Rohstoffe.- 4.1.1.1. Erze.- 4.1.1.2. Brennstoffe.- 4.1.2. Einteilung der außerhalb des Hochofens arbeitenden Reduktionsverfahren.- 4.1.3. Grenzbetrachtung zum Bedarf an Reduktionsmitteln und Wärme.- 4.1.4. Produkte der außerhalb des Hochofens arbeitenden Reduktionsverfahren und ihre Weiterverarbeitung.- 4.2. Erzreduktion in Flugstaubwolken und Rieselwolken.- 4.2.1. Grenzen des Anwendungsbereichs.- 4.2.1.1. Maximale Reduktionsgeschwindigkeiten.- 4.2.1.2. Günstigste Betriebsdaten und maximale Belastung des Reaktionsraumes.- 4.2.1.2.1. Verbrauch an Reduktionsgas für die chemische Reaktion.- 4.2.1.2.2. Verbrauch an Wärmeträgern.- 4.2.1.2.3. Maximale Belastung des Reaktionsraumes.- 4.2.2. Möglichkeiten einer technischen Durchführung der Erzreduktion in Flugstaubwolken und Rieselwolken.- 4.3. Reduktion in der Wirbelschicht.- 4.3.1. Einsatzmöglichkeiten und Grenzen.- 4.3.2. Verfahrensübersicht.- 4.3.3. Energieverbrauch der Wirbelschichtverfahren und Leistungsvergleich mit dem Hochofen.- 4.4. Reduktion in Retorten.- 4.4.1. Grundlagen des Umsatzes in der Retorte.- 4.4.2. Numerische Berechnung der Reduktion in der Retorte.- 4.4.3. Experimentelle Untersuchung.- 4.4.4. Technische Durchführung der Reduktion in der Retorte.- 4.5. Reduktion im Drehgefäß.- 4.5.1. Arbeitsmöglichkeiten und Problemstellung.- 4.5.2. Reaktionskinetik.- 4.5.3. Vergleich mit dem Experiment.- 4.5.4. Wärmeübergang.- 4.5.5. Vorausbestimmung der Leistung von Drehofenreduktionsanlagen.- 4.5.5.1. Bemessung der Vorwärmzone.- 4.5.5.2. Bemessung der Reduktionszone und der Gesamtanlage.- 4.5.6. Technische Durchführung der Reduktion im Drehofen.- 4.5.6.1. Erzeugung von Eisenschwamm.- 4.5.6.2. Erzeugung von flüssigem Roheisen.- 4.5.6.3. Erzeugung von Rennluppen.- 4.5.6.4. Vorreduktion.- 4.6. Reduktion im Schachtofen (ohne Schmelzung).- 4.6.1. Einsatzbereich.- 4.6.2. Theoretische Grundlagen der Reduktion im Schachtofen mit festem Austrag.- 4.6.2.1. Strömungstheoretische Durchsatzgrenze.- 4.6.2.2. Kinetik der Reduktion im Gegenstrom.- 4.6.2.3. Erste Näherung (rein reaktionskinetische Näherung).- 4.6.2.3.1. Grundsätzliches zu den Rechenbeispielen.- 4.6.2.3.2. Eigenschaften der eingesetzten Stoffe.- 4.6.2.3.3. Rechenbeispiele.- 4.6.2.3.4. Einschränkung der Ergebnisse.- 4.6.2.4. Zweite Näherung (Aufstellen eines mathematischen Modells unter Berücksichtigung des Wärmeübergangs).- 4.6.2.4.1. Temperaturdifferenz zwischen Kern und Oberfläche der Pellets.- 4.6.2.4.2. Reduktion einer (Gleichkorn- bzw. Kugel-) Schüttung im Gegenstrom; Aufstellen der Differentialgleichungen.- 4.6.2.4.3. Lösen der Differentialgleichungen.- 4.6.2.4.4. Ergebnisse des mathematischen Modells.- 4.6.3. Technische Realisierung der Gegenstromreduktion im Schachtofen.- 4.7 Elektroreduktionsverfahren.- 4.7.1. Elektroreduktionsbett mit darüberstehender stückiger Möllersäule.- 4.7.2. Elektroreduktionsbett mit feinkörniger wirbelnder Möllersäule.- 4.7.3. Elektroreduktion mit vorreduziertem Einsatz.- 4.7.4. Sonstige Möglichkeiten der Elektroreduktion.- 4.8. Vorbereitung der Brennstoffe für die Erzreduktion.- 4.8.1. Feste Brennstoffe und Reduktionsmittel.- 4.8.2. Gasförmige Brennstoffe und Reduktionsmittel.- 4.8.2.1. Problemstellung.- 4.8.2.2. Gleichgewichte.- 4.8.2.3. Reaktionsgeschwindigkeiten und technische Realisierung.- 4.8.2.3.1. Endotherme Spaltverfahren.- 4.8.2.3.2. „Autotherme“ Spaltverfahren.- 5. Das Hochofenverfahren.- 5.1. Ansatzpunkte für die physikalisch-chemische Behandlung.- 5.2. Vorbereitung des Möllers.- 5.2.1. Grundzüge der Verfahrenstechnik.- 5.2.1.1. Erzbrech- und Siebanlagen.- 5.2.1.2. Sinteranlagen.- 5.2.1.3. Pelletisierungsanlagen (für Feinsterze).- 5.2.1.4. Sonstige Agglomerierverfahren.- 5.2.2. Anwendung der Reaktionskinetik auf die Möllervorbereitung und betriebliche Ergebnisse.- 5.2.2.1. Sicherung der Gleichmäßigkeit der Durchgasung.- 5.2.2.2. Behandlung der Stückerze.- 5.2.2.2.1. Begrenzung der Erzkörnung nach oben.- 5.2.2.2.2. Begrenzung der Erzkörnung nach unten.- 5.2.2.2.3. Fahrweise der Erzbrech- und Siebanlage.- 5.2.2.3. Behandlung der Feinerze.- 5.2.2.3.1. Züchtung optimal reduktionsgeeigneter Phasen beim Sintervorgang.- 5.2.2.3.2. Selbstgängiger Sinter.- 5.2.2.3.3. Betriebsergebnisse.- 5.2.2.4. Behandlung der Feinsterze.- 5.2.2.4.1. Vorgänge im Pellet während des Brennens.- 5.2.2.4.2. Betriebsergebnisse mit Pellets im Hochofen; Vergleich mit Sinter.- 5.3. Prüfung der Erze für den Hochofen.- 5.3.1. Korngrößenverteilung.- 5.3.2. Mechanische Beständigkeit.- 5.3.3. Dekrepitationsempfindlichkeit.- 5.3.4. Verstaubungsempfindlichkeit.- 5.3.5. Erweichung.- 5.3.6. Reduzierbarkeit.- 5.4. Verhalten von Austauschbrennstoffen im Hochofen.- 5.4.1. Aufgabenstellung.- 5.4.1.1. Heizmittel.- 5.4.1.2. Reduktionsmittel.- 5.4.1.3. Stützgerüst der Beschickung.- 5.4.2. Grundsätzliches zur Vorausberechnung von Hochofenbetriebsdaten bei Austauschbrennstoffen.- 5.4.3. Durchführung der Berechnung.- 5.4.3.1. Vergasung der Austauschbrennstoffe vor den Formen.- 5.4.3.2. Beeinflussung der Reaktionen im Hochofen durch Austauschbrennstoffe, wenn die Formengastemperatur konstant gehalten wird (d. h. Erhöhung der Windtemperatur).- 5.4.3.3. Beeinflussung der Reaktionen im Hochofen durch Austauschbrennstoffe bei konstant gehaltener Windtemperatur (d. h. Absenkung der Formengastemperatur).- 5.4.4. Vergleich mit der Praxis.- 5.4.4.1. Erdgas.- 5.4.4.2. Heizöl.- 5.4.4.3. Feinkohle.- 5.5. Mathematische Erfassung, Vorausberechnung und Grenzen des Hochofenverfahrens.- 5.5.1. Aufgabenstellung.- 5.5.2. „Klassische“ Modelle des Hochofenverfahrens.- 5.5.2.1. Bilanzierende Modelle auf Grund des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik.- 5.5.2.2. Bilanzierende Modelle auf Grund des 1. und 2. Hauptsatzes der Thermodynamik.- 5.5.2.3. Verfeinerte bilanzierende Modelle mit reaktionskinetischer Korrektur.- 5.5.2.4. Mathematisch-statistische Modelle.- 5.5.3. Ansatzpunkte für voraussetzungsfreie Modelle des Hochofenverfahrens.- 5.5.4. Leistungsgrenze.- 5.5.4.1. Theoretischer Maximalwert der Leistung.- 5.5.4.2. Praktisch erreichte Maximalwerte der Hochofenleistung.- 5.5.5. Grenze des Brennstoffbedarfs.- 5.5.5.1. Theoretisch mögliche Bestwerte.- 5.5.5.2. Praktisch erreichte Mindestwerte des Koksverbrauchs.- Schrifttum.- Namenverzeichnis.