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Drehofenbehandlunz chemisch reaktionsfähiaer Materialien
"Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von nach dem Drehofen-Prinzip
arbeitenden Methoden wie sie allgemein bei der Behandlung von festem, chemisch reaktionsfähigem
Material zur Anwendung kommen, wie z.B. bei der Rüstung oder Reduktion von Erzen,
der Kalzinierung von Pigmenten, den Brennen von Kalkstein und Zement usw.
mit dem Ziel, eine wirksamere Betriebeweine bei höheren Beschickungegeschvindigkeiten
als seither zu erzielen.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen bei der
Direktreduktion von oxydischen Erzen, besondere von oxydhaltigen Einenerzen ohne
Schmelzung oder Sinterung in Gegenwart einen festen, kohlenstoffhaltigen Reduktionemitteln
und in einer Atmosphäre heißen Brenngasen, in welche in manchen Fällen genau dosierte'Mengen
von Sauerstoff und sauerstoffhaltigen Gasen eingeführt werden, Ein Drehofen, wie
er heute in der Industrie für die Röstung, Sinterung oder Reduktion von Erzen laufend
verwendet wird, ist der sogenannte Kopfbrenner-Typ, bei dem die einzige Wärmequelle
zur Ausführung der Behandlung oder Reaktion von einem am einen Ende den Ofens angebrachten
Brenner geliefert wird. Eine Fülle von Literatur ist über die Entwicklung solcher
üblichen Kopfbrenner-Drehöfen vom Versuchaofen zum Ofhn von industriellen
Aus-
maß veröffentlicht worden. Die meisten Vergrößerungsformeln haben eines
gemeinsam: Obwohl sie auf vernünftigen Wirmeleitgesetzen basieren, enthalten sie
so viele Voraussetzungen in Bezug auf die in nie eingehenden physikalischen Daten,
diß die Übereinstimmung mit der Praxis mehr oder weniger zufällig ist.' Außerdem
sind verschiedene wichtige physikalische Faktoren wie z.B. die Ofenrotation, die
Ofenneigung usw. gewöhnlich in den Formel'n nicht enthalten. Auch wurde diesen Faktoren
im industriellen Betrieb keine größere Bedeutung beigemessen.
So
wird.z.B. bei Anwendung dieser Vorgrößerungsformeln, die &la Faktoren gewöhnlich
nur den Ofendurchmesser und die Ofenlänge enthalten,' im allgemeinen nicht danach
gefragt, ob der zugrundeliegende Ofen, was die Ofengeschwindigkeit, Ofenneigung,
Wirtschaftlichkeit in Bezug auf Kraftstoff oder Kapazität betrifft, unter optimalen-Bedingungen
betrieben wurde.
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Da jede Vergrößerungsformel den Zweck verfolgen muß,
für den größeren Ofen eine optimale Produktion zu erzielen, ist es einleuchtend,
daß der zugrundeliegende Ofen unter optimalen Bedingungen betrieben werden muß,
ehe man für die Herstellung den größeren Ofens eine einfache Durchmesser/Länge-Formel
anwendet, es sei denn, daß die Vergrößerungsformel sämtliche variablen Faktoren
enthält.
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Außerdem sind die in Bezug auf Konstruktion und Betrieb solcher Kopfbrenner-Öfen
veröffentlichten Informationen von geringen Wert, soweit ie sich auf die Verarbeitung
gewisser Materialien gemäß der vorlieenden Erfindung beziehen, die am besten in
Drehöfen den Typs auageführt wird, wie er in dem USA-Patent 2 829
042 beschrieben ist, und dessen charakteristischen Merkmal darin besteht, daß er
mit in gewissen Abständen durch die Ofenwand geführten Gaseinlaßrohren versehen
ist, die zur Einführung von Breungasen oder Sauerstoff oder simerstoffhaltigen Gasen
dienen, deren Neugen so dosiert sind, daß die gewünschten Bedingungen in
Bezug auf Ofentemperatur und Ofenatmosphäre über die ganze Länge den Ofens in der
im Patent beschriebenen Weise geschaffen und beibehalten werden.
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Beim Bau und Betrieb von Drehöfen für die genannten Zwecke, wie sie
seither betrieben wurden, hat man die Ofenneigung in erster Linie nach dem Gesichtspunkt
gewählt, daß sie die erforderliche Beschickungsgeschwindigkeit ergab, basierend
auf der herkömmlichen Formel, nach der die Beschickungogeschwindigkeit um so höher
ist, je größer die Ofenneigung. Ferner hat man in herkömmlicher 'Weise eine
verhältnismäßig niedrige Ofeurotations-Geschwindigkeit gewählt, meistens etwa
3 bis 10 Nin. pro Umdrehung, hauptsächlich zu dem Zweck, die Schicht
losen Materials genügend umzuwälzen, so daß 4.kmtliche-.Teilchen beim Durchlaufen
der Reaktionazone den Ofens wiederholt den heißen Ofengasen ausgesetzt sind.
.Erfindungegewäß
wurde nun gefunden, daß bei der Reaktion chemisch reaktionsfähigän Naterialg in
einem Drehofen die für die Beendigung der Reaktion innerhalb der Ofenreaktionszone
erforderliche Zeit allmIklich geringer wird, wenn man die Uadrehungegeschvindigkeit
erhöht. Daraus folgt, daß sich die Ofenkapazität bei zunehmender Ofengeschwindigkeit
entsprechend steigert, da das Tempo, in dem das Material durch den Ofen geleitet
wird, mit zunehmender Ofengeschwindigkeit in dem gleichen Verhältnis gesteigert
werden kann wie die Reaktionszeit den Materials herabgesetzt wird, ohne daß die
übrigen Betriebsbedingungen den Ofens verändert werden.
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Weiter wurde gefunden, daß, wenn man die Beschickungsgeachwindigkeit
in diesen Verhältnis erhöht, es im allgemeinen nicht genügt, das Haterialvolunen
in Ofen konstant auf einem Bruchteil oder Prozentsatz den Ofenvolumenn zu
halten, was in der vorliegenden Anmeldung als *Ofenbelastungu bezeichnet wird. Hingegen
ist es höchst wünschenswert, daß die Ofenbelastung in wesentlichen konstant gehalten
wird, am besten auf die Weine, daß der Ofen jederzeit bis zu seiner höchatzulännigen
Kapazitätzgrenze belastet wird, um so den wirksamsten Betrieb den Ofens, wie weiter
unten beschrieben, zu ermöglichen. Da die Geschwindigkeit, mit der das Material
durch den Ofen bewegt wird, dem Produkt aus der Ofenneigung und der Drehofen-Geschwindigkeit
proportional ist, muß man, wenn man die Geschwindigkeit bei Konstanthaltung der
Neigung erhöht, die Beschickungegeschvindigkeit zur Beibehaltung einer konstanten
Ofenbelastung in direkten Verhältnis 1:1 zur Ofengeschwindigkeit steigern.
Wie gben angegeben, wird jedoch durch eine Erhöhung der Beschickungs geschvindigkeit
in einen solchen Verhältnis zur Ofengeschwindigkeit der sich gleichzeitig ergebende
Zeitgewinn in Bezug auf die vollständige Reaktion den Materials beim Durchgang durch
den Ofen mehr als wieder aufgehoben. Falls daher die Haterialbeschickungsgeschwindigkeit,
die Ofenneigung und der Ofenbetrieb für eine vollständige und optimale Reaktion
des Materials bei einer beliebigen Anfangsgeschwindigkeit eingestellt werden, so
hat dies zur Folge, daß bei Steigerung der Ofengeachwindigkeit und der Beschickungsgeschwindigkeit
in dem zur Konstanthaltung der Ofenbelastung erforderlichen Verhältnis
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wobei der Ofen selbst und der Ofenbetrieb unverändert bleiben
- die Beschickungegeschwindigkeit zu groß ist und die Reaktion bei der höheren
Geschwindigkeit unvollständig bleibt.
Da nun, wie oben angegeben,
die Durchgangsgeschwindigkeit des Materials durch den Ofen dem Produkt der Ofengeschwindigkeit
und der Ofenneigung proportional ist, kann man die Ofenneigung bei Erhöhung der
Ofengeschvindigkeit zum Ausgleich genau in dem Maß reduzieren, daß das Material
im richtigen Tempo durch den Ofen geleitet wird, d.h. mit der Geschwindigkeit, die
erforderlich ist, um während seinen Durchgangs durch den Ofen eine vollständige
und optimale Reaktion zu erzielen, während gleichzeitig die Ofenbelastung konstant
auf dem gewünschten Prozentsatz des Ofenvolumens gehalten wird.
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Wenn für die Behandlung des Materials ausschließlich der Kopfbrennertyp
verwendet wird, muß diese ausgleichende Regulierung der Beschickungsgeschuindigkeit
auf diese Weine erfolgen, da die Reaktionszone eines solchen Ofens, d.h. die Zone
des Ofens, innerhalb derer die Reaktion erfolgt, eine verhältnismäßig feststehende
und unveränderliche Länge besitzt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die einzige
Wärmequelle zur Erhitzung den Ofens auf die Reaktionstemperatur den Materials von
dem Brenner am Austragsende den Ofens geliefert wird, von wo aus die Temperatur
allmählich und unkontrollierbar nach der Beschickungeöffnung des Ofens hin absinkt,
Daher erfolgt die Reaktion den Materials nur innerhalb einer verhältnismäßig kurzen-Zone,
in der Nähe des Austragsendes den Ofens, denn nur an dies6r Stelle kann die Tepperatur
durch den Brenner genügend hoch gehalten verdeng um das Material zur Reaktion zu
bringen.- Andererseits ist es möglich, falls ein Ofen den beaehriebenen
Typs für die Reaktion den Materials verwendet wird, die ausgleichende Regulierung,
auf die oben Bezug genommen wird, innerhalb gewisser Grenzen in der Weine vorzunehmen,
daß man die Länge der Reaktionszone mit steigender Ofengeschvindigkeit vergrößert,
anstatt die Ofenneigung zu reduzieren. Bei diesem Ofentyp kann die Reaktionazone,
wie in dem genannten Patent sowie im nachfolgenden Text beschrieben, auf jeden gewünschten
Abstand vom Austragnende des Ofens erweitert -werden -
natürlich innerhalb
der durch die Gesamtlänge des Ofens gegebenen Grenzen - indem man genau dosierte
Mengen -geeigneter Gase durchdie entlang den Ofens in Abständen angebrachten
Gaseinführnugerohre einbringt, wobei es sich je nach der Art des behandelten
Materials um Oxydationagase oder andere handeln kann. Wenn daher ein auf eine bestimmte
Neigung
eingestellter Ofen in Bezug auf seine Beschickungsgeschwindigkeit und Reaktionazonenlänge
auf die vollständige Reaktion den behandelten Materials bei einer niedrigen Anfangsolengeschwindigkeit
eingestellt ist und die Ofengeschwindigkeit unter Steigerung der Beachickungsgeschwindigkeit
im Verhältnis 1:1 erhöht wird - ein Verhältnis, das, wie oben angegeben,
ohne die Vornahme kompensierender Veränderungen zu hoch ist - kann nun dieser
Ausgleich vorgenommen werden, indem man die Reaktionszone einfach auf diejenige
Länge erweitert, die zur vollständigen Reaktion bei der neuen Benchickungsgeschwindigkeit
erforderlich ist. Durch eine Erweiterung der Reaktionszone auf diese Weine wird
gewährleistet, daß jeder Bruchteil den im Ofen behandelten Materials gerade so lange
in der Reaktionszone verbleibt wie dies für die vollständige Reaktion,- erforderlich
ist, wobei sowohl der reduzierten Reaktionszeit als auch dem hohen Beschickungstempo
bei der neuen Ofengeschwindigkeit Rechnung getragen wird.
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Wie oben angegeben, gibt es natürlich eine Grenze, über die hinaus
der Ofen nicht mehr in dieser Weine bei erhöhter Ofengeschwindigkeit für den optimalen
Betrieb eingestellt werden kann. Diese Grenze ist erreicht, wenn die Ofengeschwindigkeit
auf einen Wert erhöht wurde, bei dem die Reduktionszone praktisch die gesamte Länge
den Ofens einnimmtl mit Ausnahme einer verhältnismäßig kurzen Strecke hinter der
Beschickungsöffnung, die - wie weiter unten ausgeführt - als Vorwärmzone
benötigt wird. Wenn diese Grenze jedoch erreicht ist, läßt sich die Ofenkapazität
noch weiter erhöhen, indem man die Länge der Reaktionszone auf ihrem höchatzulässigen
Wert konstant hält, während man die Ofengeschwindigkeit unter entsprechender Steigerung
der Beschickungageschwindigkeit und Herabsetzung der Ofenneigung weiter erhöht,
bis optimale Reaktionsbedingungen bei jeder gewählten höheren Beschickungsgeschwindigkeit
erreicht sind.
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Es wurde weiterhin gefunden, daß für jede Ofengeschwindigkeit
die Reaktionszeit für das bearbeitete Material auch mit allmählicher Erhöhung der
Ofenbelastung, d.h. deajenigen Bruchteils den Ofenvolumens, das von der sich bewegenden
Schicht den darin enthaltenen Material* eingenommen wird, allmählich igbnimmtg Daraus
folgt, daß, je höher die Ofenbelantung innerhalb der zulässigen Grenzen, desto höher
die Ofenkapazität
bei jeder gegebenen Geschwindigkeit, was eine
weitere Erhöhung der Kapazität zusätzlich zu der durch die Erhöhung der Ofenge-'
schwindigkeit erreichten bedeutet, so daß die maximale Kapazität für jeden beliebigen
Ofen erreicht wird, wenn man dienen im höchatzuläseigen Maße belastet und mit der
höchatzulänzigen Geschwindigkeit rotieren läßt. Die obere Erfahrungsgrenze für die
Ofenbelastung liegt bei ea.45% den Ofenvolumens, insbesondere für Öfen mit
Gaseinleitungsrohren, die bis zur Ofenachne durchgeführt worden. Höhere Belastungswerte
würden zur Verstopfung der Rähre führen. Bei Ofenbelastungen bis hinunter zu ca.
15% sind in dieser Beziehung bedeutende Vorteile im Betrieb zu erzielen,
wobei die günstigsten Werte bei 25 bis 45 % liegen.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die Erfindung
neuartige Methoden zur Behandlung reaktionsfähigen Materials im Drehofen liefert,
die eine bedeutende*Erhöhung der Kapazität von Öfen jeder beliebigen Dimension sowie
eine Siteigerung der Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit bei der Materialbehandlung
dadurch ermöglichen, daß die Reaktionsgeschwindigkeit des Materials erhöht wird.
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Im Prinzip besteht also die Erfindung in einer Methode zur Behandlung
festen reaktionsfähigen Materials im Drehofen, die darin besteht, daß man den Ofen
im wesentlichen mit derjenigen Höchstgeschwindigkeit rotieren läßt, die zweckmäßig
und mit den physikalischen Begrenzungen der Anlage vereinbar ist, um so die zur
vollständigen Reaktion des Materials benötigte Zeit auf das erreichbare Minimum
herabzusetzen, im Ofen eine Reaktionazune zur Reaktion des Materials in demselben
zu schaffen und den Ofen mit dem Material in einem Tempo zu bezehicken, bei welchem
jeder Teil des Materials praktisch für die Dauer der angegebenen Mindeatzeit in
der Reaktionszone verweilt.
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In einer ihrer Abwandlungen umfaßt die Erfindung das oben genannte
Zaeinverfahren, wobei die Beschickungsgeschwindigkeit auch auf die Beibehaltung
einer festgelegten und vorzugsweise hohen oder nahezu maximalen Ofenbelastung mit
dem zu b6handelnden Material eingestellt und die Ofenneigung oder die Länge der
Reaktionazone oder beide so eingestellt oder festgelegt sind, daß die Ofenbelastung
praktisch konstant auf dem gewählten Wert gehalten werden kann.
Gemäß
einer anderen Abwandlung umfaßt die Erfindung die Methode zur Behandlung
den Materials in einem mit in Abständen angebrachten Gaseinführungsrehren
versehenen Drehofen, wie oben erwähnt. Diese Methode besteht darin, daß die Beschickungsgeschwindigkeit
des Materials entsprechend der-veränderten Ofengeschwindigkeit variiert wird, um
die Ofenbelantung praktisch konstant zu halten; sie sieht ferner vor, daß bei jeder
beliebigen Geschwindigkeit der Ofenrotation oder der Beschickung die Ofenneigung
oder die Länge der Reaktionszone oder beide so eingestellt werden, daß jeder Teil
des behandelten Materials praktisch lür die Mindentdauer der für die Reaktion erforderlichen
Zeit in der Reaktionozone verbleibt.
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Aus den oben erläuterten Gründen läßt sich die Erfindung am vorteilhaftesten
bei Öfen anwenden, die bei extrem hob en Ofengeschwindigkeiten betrieben werden,
und deren praktischer und wirksamer Bereich sich in der Größenordnung von
0,1 bis 2, vorzugsweise 0,1 - 1 Min./u bewegt. In Verbindung hiermit
liegt die erforderliche Ofenneigung gewöhnlich in der Größenordnung von 2
% und darunter. Wo bei vorhandenen Öfen solche Geschwindigkeiten nicht erreicht
werden können, lassen sich die Vorteile trotzdem erzielen, indem man derartige Öfen
mit ea.75-100% ihrer maximal errekehbaren Geechwindigkeit betreibt.
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Diese und andere neue Aspekte der Erfindung werden nachstehend im
einzelnen erläutert unter Bezugnahme auf die zugrundeliegenden Versuchadaten und
die beiliegenden Zeichnungen. In letzteren ist Abb.1 eine schematische Darstellung
(in Längssehnittausicht) einer bevorzugten Drehofenkonstruktion mit in Abständen
angebrachten Einführungsrohren zur Ausführung der erfindungsgemäßen Methoden zur
Behandlung reaktionsfähiger Materialien; Abb.2 bis 6 einschließlich ze igen
die Ofentemperatur- und Metallisationskurven, die man für Schwelreduktionen von
Eisenerz in einem Drehofen den in Abb.1 gezeigten Typs bei verschiedenen
Beschickungsgeschwindigkeiten erhält, wobei die Ofenreduktionazone auf die optimale
Metallination bei jeder Beschickungsgeschwindigkeit eingestellt ist. lfie aus den
Zeichnungen hervorgeht,- betrug die Erzbeschickungs-Geschwindigkeit bei Abb.2
- 6 3,5 bzw. 4,5, 5,5, 6,5 und 7 t/h.
Abb.7
zeigt eine grafi4che Darstellung, in der die in Abb. 2 - 6 gezeigten Erzbeschickunge-Geachwindigkeiten
auf der Ordinate, die ebenfalls in Abb.2 - 6 enthaltenen Längen der entsprechenden
Ofenreduktionszonen auf der Abeziese'aufgetragen sind. Abb.7 zeigt zusätzliche,
hieraus abgeleitete Diagramme, die nachstehend erklärt worden.
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Abb.8 ist die graii4che Darstellung der Abgantemperaturen, der Drehofengeschwindigkeit
und der Länge der Reduktionszone gegenüber der Länge der Vorwärmsone für die Erzreduktionen
unter Bezuggnahne auf Abb.2-6 einschließlich.
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Ibbildungen 9a und 9b zeigen Diagramme über die Position der
Thermoelemente in der Auskleidung den Drehofenn gemäß Abb.1, mit deren Hilfe die
Ofenwandtemperaturen während bestimmter Erzreduktionn-Operationen gemäß Abb.2-6
gemessen werden, wie dies weiter unten erläutert wird. Abb.ga ist die Seitenansicht
einen Teils den Ofens am Auntragnende und AbbAb die Schnittannicht von
9b - 9b in AbbAa. Abb. 9c ist die schematische Ansicht den Ofenquerechnitte
in Abb.9b, zeigt aber die Anordnungepunkte der nebeneinander winkelig angebrachten
Thermoelemente, bei denen die Meseungen während der Ofeurotation vorgenommen wurden,
Abbildung 10 ist eine Querschnittannicht den Ofens, die weitgehend Abb.9c.euttipricht,
jedoch die-Anordnung zusätzlicher Thermoelemente in der Ofenwand zeigt, welche #ich
aber nacheinander in immer größer werdenden radialen Abständen in das Ofeninnere
erstrecken, um dort die Temperaturen auch während einiger der oben erwähnten Erzreduktionn-Operationen
zu messen.
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Abb.11 ist die grafische Darstellung der Ofentemperaturen, die an
den Thermoelementen gemäß Abb.10 während einer Erzreduktion, wie bereits
erklärt,genennen wurden.
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Die in Abb.1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Drehofen
10, der von feststehenden Eintragnende bin zu den Gehäusen am Austragsende
14 12, reicht. Der Ofen ruht drehbar auf Rollenlagern 13, 14 und wird über
ein geeigneten Getrieb6 16 durch einen Motor 15 in Gang gesetzt.
Die.oben beschriebene Vorrichtung ist auf einen Tragbalken 17 montiert, der
am einen Ende schwenkbar 18 auf einem Fundament 19 ruht, und an
seinem
entgegengesetzten Ende von einer vom Fundament gestützten Anhebevorrichtung 20 getragen
wird, mittels derer die Ofenneigung durch Verstellung
kann.
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.Der Ofen neigt sich vom Eintrags- zum Austragsende hin abwärts. Das
lose Behaudlungsmaterial wird in einen Beschickungskanten 21, von dort aus über
eine Förderschnecke 22 in den Ofen gefül.1t, wandert von dort aus während der Beaktionabehandlung
den Ofen entlang, wird am Austragsende in das Gehäuse 12 und von dort durch
die Austragaöffnung 23 nach außen befördert, in die eine Zellenradochleuse
24 montiert wurde, um ein Entweichen bedeutender Gaamengen zu Yerhindern.
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0
In das Gehäuse 12 am Austragoende wurden ein Brenner und eine
Vorkammer 25 montiert, die mit einer Brennstoffmischung, z.B. aus Erdgas
und einer begrenzten Menge Luft, versehen wird, wobei die Luft den Brennstoff unvollständig
verbrennt. Die entstehenden heißen Brenngase wandern von dort aus in und durch den
Ofen zum Schornstein 26., der das Gehäuse 11
am Beschickungsende überragt.
Der Schornstein enthält einen Ventilator 27 und eine Rauchklappe
29 zur Regulierung des Abzugs.
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Die Ofenwand 10 wird von einer Reihe von Gaseinführungsrohren
28 durchdrungen, die in Abständen über die Ofenlänge verteilt wind. Diese
Rohre erstrecken sich strahlenförmig in den Ofen hinein, hauptsächlich zur Ofenachse
hin, und öffnen sich dort wie bei 29a in Richtung des Gasstromes. An den äußeren
Rohrenden sind Kontrolleinlaßventile angebracht, wie bei 30, um den Zustrom
vdn Luft oder einem anderen aauerstoffhaltigen Gas und damit die Gastemperaturkurve
über die ganze Länge den Ofens in der nachstehend beschriebenen Weise zu regulieren.
Der Ofen ist ferner, wie bei 31, mit einer Reihe von Thermoelementen bestückt,
um die Schicht- und'Gantemperaturen längs den Ofens und innerhalb desselben während
der Erzreduktion und anderer Reaktionabehandlungen zu bestimmen.
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Wie oben erwähnt, wurden eine Reihe von Erzreduktionaverouchen in
einem. Versucheolen vorgenommen, der praktisch gemäß Abb.1 konstruiert war.
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Bei diesem Versuchsdrehofen war der äußere Durchmesser 297
m, ein Innendurchmenser 2,29 m und die Länge 45,72 m. Während dieser Versuche
betrug
die Ofenneigung 3 %. Diese Versuchoreihen-von
ja 2 bin-3 Wochen Dauer wurden mit ErzAoka-Chargen vou 3,5t 4,5,
5,5 bsv. 6,5 t/h ausgeführt, wobei entsprechend der jeweiligen Beachickungenenge/h
die Ofenrotationngeschviudigkeit gesteigert wurde, um die Schichthöhe bei' etwa
35 % konstant zu halten. Bei dem verwendeten Eisenerz handelte
es sich um Alabana Big Seam mit einem Einengehalt von ca. 34 - 40
das auf 13589 en verwahlen, gesiebt und so gemischt wurde, daß
en
30 % (-6 meah) Feinteile enthielt. Das Erz/Koka-Verhältnie von
1:0,58
und der Grad der Metallination, ca. 95 %, wurden in allen Versuchen
konstant gehalten. Während der Versuche wurden die durchschnittlichen Schicht- und
Gantemperaturen mittels der entlang den Ofens in Abständen angebrachten Thermoelemente
31, Abb.1, gemessen. Die Resultate sind in Abb. 2 - 5 aufgetragen.
Außerdem wurden für die Versuchsreihen mit 3,5,
4,5 und 6,5 t/h an
bestimmten Punkten der Schicht über die ganze Länge den Ofens während der Reduktionen.Muster
gezogen und auf ihre Gehalte an Gesamteinen, Eisenoxyd (Fe0), Metall und Metallisation
analysiert. Die Ergebnisse sind in Abb,2, 3 und 5 aufgetragen und
gralisch dargestellt. Die Gastemperaturkurve -wurde auch für die Beschickungsmenge
7 t/h bestimmt und die Ergebnisse in Abb.6, genau wie in Abb.2
- 5,
aufgetragen.
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Gemäß Abb.2 - 6 wurde der Gastemperatnrverlauf in jedem Fall
mit Hilfe des Brenners 25 und der Luftrohre 28,Abb.1, so eingestellt, daß
das Erz zu ca. 95 % am Austragsende des Ofens metallisiert wurde. Wie aus
den Diagrammen der Abbildungen 2, 3 und 5, die die prozentuale Metalliaation
zeigen,hervorgeht, setzt die Metallisation in jedem Fall in einer Entfernung vom
Ofenaustragsende ein, bei der die Gastemperatur sich auf ca. 1000 0 C erhöht.
Danach steigert sie sich allmählich entlang des Ofens zum Austragsende hin bis zu
einem Endwert von ea.95 0, während die Gantemperatur auf wenig unter 1145oC
ansteigt. Die Ofenlänge, innerhalb derer sich die Metallisation auf diese Weise
vollzieht, ist die Reaktionn- oder Reduktionszone. Wie ersichtlich, erhöht sich
innerhalb der Reduktionszone die prozentuale Metallination in annähernd linearem
Verhältnis zur Ofenlänge gemessen vom Beginn dieser Zone.
Gemäß
Abb.2 wurden die optimalen Bedingungen für die Anfangsbeschikkungegeschwindigkeit
von 3t5 t/h wie folgt fentgelegti Nach Erhitzung den Ofen& durch eine
vom Brenner 25 erzeIggte Ganflamme (Abb.1) begann man mit einer Beschickungegeschvindigkeit
von 3,5 t/h und stellte die Ofengeschwindigkeit so ein, daß man eine Ofenbelastung
von ca. 35 %
den Ofenvolumens erhielt. Die so erzielte Ofeurotationn-Geschwindigkeit
betrug 5 Min./U. Die Temperatur am Austragnende der Reduktionssone wurde
dann allmählieWauf die höchatzulänzige Temperatur erhöht, ohne daß Sinterung eintrat.
Die Temperatur in der Reduktionszone wurde daraufhin stufenweise nach den Eintragnende
zu allmählich durch Eintährung dozierter Mengen Luft durch die Einlaßrohre angehoben,
bis eine gleichmäßige, hochgradige Metallisation auf kontinuierlicher Basis erreicht
war. So erhielt man die optimalen Bedingungen für den Ofen bei vorgegebener Neigung
(3 %) und der genannten Eintragemenge von 3,5 t/h. Die sich auf diese
Weine ergebenden Gas- und Schichttemperaturkurven bei 3,5 t/h sind aus den
entsprechenden 'Diagrammen in Abb.2 zu entnehmen.
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Für die nächste Beschickungsmenge von 4,5 t/h wurde die Ofengeschwindigkeit
in Verhältnis 4,5:3,5 t/h von 5,5 auf 4,5 Min./u gesteigert, so daß
die Ofenbelastung ton 35 % beibehalten wurde. Hierdurch wurde die Verweilzeit
des Materials im Ofen entsprechend herabgesetzt und folglich die Metallination reduziert.
Der Brenner 25 wurde mit mehr
und unter Beibehaltung der Temperatur in der Reduktionszone wurde letztere erweitert,
indem man die Temperatur nach dem Eintragsende hin stufenweise und allmählich durch
Einleitung von Luft durch die Rohre 28 erhöhte, bis wiederum eine gleichmäßige,
hochgradige Metallisation auf kontinuierlicherBasie erreicht war. Auf diese Weine
hatte man die optimalen Bedingungen für eine Menge von 4,5 t/h gewonnen. Die so
erhaltenen Temperaturkurven für 4,5 t/h sänd aus den Diagrammen in Abb.3 ersichtlich.
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Die gleiche Methode der Erhöhung der Ofengeschwindigkeit und Erweiterung
der Reduktionszone wurde für die Ofenbeschickungen von 5,5
und 6,5
t/h angewandt, wobei die Ofengeschwindigkeiten 3,6 bzw. 3,25
Min./IU
betrugen und die in Abb.4 und 5 gezeigten Temperaturkurven ergaben. Der einzige
Unterschied im Betrieb bestand darin, daß bei Aufstellung der Kurven für
6,5 t/h Wasser in das Gehäuse am Eintrags-
ende genpritzt
werden mußte, um durch Kühlung der Gane den Abeaugventilitor zu schützen. Die voraueberechnete
Kurve in der Vorwärmzone wurde daher auf die gestrichelte Linie für die Durchschnittsgastemperatur
berichtigt, wie sie in Abb.5 gezeigt wird.
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Bei Ausführung dieser Versuche wurde festgestellt, daß die Erhöhung
der Kapazität durch Erweiterung der Reduktionszone die Gefahr der Sinterung den
Materials in der Reduktionszone nicht erhöhte. Tatsächlich waren Anzeighen--difür
vorhanden,daß sich diese Gefahr mit zunehmender Ofengeschwindigkeit verringerte.
Die vier Beschickungen wurden genügend lange gefahren (jeweils 2 r 3 Wochen),
um die Gewißheit zu haben, daß in der Reduktionazone keine Sinterung auftritt.
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Bei einem Verauch zur Auswertung der Verauchnergebnione war es sehr
aufschlußreich, zunächst die Reduktionn- oder Reakt ionszone zu studieren. In den
vorliegenden Versuchen bedeutet Reduktionazone den letzten Teil den Ofens von der
Stelle an, wo das Metallische Einen sich zu bilden beginnt, bis zum Austragsende
den Ofens.
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Die nachstehende Tabelle zeigt die den verschiedenen Beschickungsmengen.gemäß
Abb.2
- 6 entsprechenden Ofengeschwindigkeiteng die Reduktionnlängen und
Verwärmionen, die vergleichsveisen Verweilzeiten in der Reduktionazone, die Abgantemperaturen
und den Brönnstoffverbrauch.
| Tabelle 1 |
| Beachickunge- Reduktions- Vorvärm- Ofengeschwin- Vergl. Abgas-
Gaaver- |
| geschwindigkeit zone Zone digkeit weine temp. brauch |
| t/h m Z Mi#/ü U/Bin Verweil- o 1/t Erz' |
| zeiten C |
| i.d. |
| - Reduktv |
| zone |
| 3,5 22,86 22,86 515 09182 100 437-? 106,4 |
| 4,5 25,91 19,81 4,5 0,222 88 548 103,3 |
| 595 29,57 16915 3,6 0,278 82 621 100Y4 |
| 6,5 33,53 12,19 3"25 0,308 79 670 111 |
| 7sO 35,05 10,67 2975 0,364 76 693 112 |
In der obigen Tabelle wurden' die Werte für die vergleichswei'sen Verweilzeiteü
in der Reduktionszone aus den Beschickungsmen#en und Reduktionszonenlängen auf der
Basis errechnet, daß die Zeit, die
erforderlich ist, bis jeder
Bruchteil des behandelten Materials die Reduktionazone passiert hat, der Reduktionszonenlänge
direkt proportional und der Beschicknngemenge umgekehrt proportional ist. Die so
für die höheren Beschicknugemengen/h erhaltenen Werte, dividiert durch den Wert
bei
3,5 t/11 ergeben die in der Tabelle angegebenen vergleicheweisen Verweilzeiten
in der Reduktionazone.
Es zeigt sich, daß diese Zeit mit zunehmenden Beachickungemengen
und Ofengeschwindigkeiten abnimmt, wodurch die grundlegende Voraussetzung der genannten
Erfindung experimentell bestätigt wird. Die vergleichaweisen Verweilzeiten in der
Reduktionszone beweisen auch, daß eine Erhöhung der Beschickungsmenge/h mit steigender
Ofengeschwindigkeit im Verhältnis
1:1 zur Konstanthaltung der Ofenbelastung
zu groß war, um die sich vermindernde Reduktionszeit für das behandelte Material
gerade auszugxleichen, was sich aus der Notwendigkeit ergibt, die Reduktionazonenlänge
mit zunehmender Ofengeschwindigkeit zu vergrößern, um bei jeder Geschwindigkeit
auf optimale Reduktionabedingungen einzustellen.
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Eine grifische Darstellung der tBeschickungsgesühwindigkeiten und
entsprechenden Rednktionazonenlängen zeigt Abb.7 (Kurve A). Wie daraus ersichtlich,
ist das Verhältnis zwischen diesen beiden praktisch eine gerade Funktion innerhalb
den gemessenen Bereiche. Aus diesem Diagramm leitet sich folgende Formel ab: Q
- 0,292 L - 3,23
Q - Kapazität in t/h L - Länge der I#oduktionazone
in m Bei einem Vergleich zwischen 3,5 t/h und 7 t/h ergibt sich, daß
die Erweiterung der Reduktionszone von 22,86 m auf 35,05 M, d.h.
zu einer 100 %igen Kapazitätserhöhung führt. Dies ist auf die bessere Wärmeleitung
und höhere Reaktionsgeschwindigkeit zurückzuführen, die man
durch Erhöhung
der Ofentemperatur in der erweiterten Zone und Verdopplung der Ofenumdrehungs-Geschwindigkeit
erhält. Aue Tabelle 1 geht hervor, daß eine Erweiterung der Reduktionszone
von 22,86 auf 35905 m eine Erhöhung der Abgantemperatur von 437 auf
693 0 C zur Folge hat.
Auf Tabelle 7 zurückkommend
stellt die bedeutende Kapazitäteerhöhung durch Erweiterung der Reduktiouszone von
22e86 auf-35,05 x keinen guten Vergleich in Bezug auf die Reduktionnzone
von 22,86 x dar, denn, der Ofen wurde nur mit halber Geschwindigkeit betrieben,
d.h. mit 5,5
Min/U bei einer Reduktionszone von 22,86 m gegenüber 2,75-Min/U
bei einer Reduktionazone von 35,05 m. Dies legt die Frage nahe, was in Bezug
auf die Kapazität geschehen würde, wenn man bei einer Reduktionszone von
22,86 m die gleiche Umlaufgeschwindigkeit anwendete wie für die Reduktionszone
von 35,05 m. Dies kann in der Weine geschehen, daß man die Ofenneigung im
Verhältnis der Reduktionazonenlängen reduziert, d.h.
N - Neigung in %
Die Ofenk apazität erhöht sich also in direkter
Proportion zum Verhältnis der Längen der Reduktionazonen von 22,86 und
35,05 m basierend auf 7 t/h gemäß der Formel
Mit anderen Worten erhöht sich die Ofenkapazität bei einer Ofenneigung von
1,95 X, einer Umdrehungegeschwindigkeit von 2,75 Min/u und einer Reduktionszone
von nur 22,86 m auf 4,55 t/h gegenüber 3,5 t/h bei 3 % Ofenneigung
und 5,5 Min/U Ofengeschkindigkeit. Bei einer Reduktionazonenlänge von
25,91 m und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2,76 Min/U müßte die
Ofenneigung auf
verändert werden, und die Kapazität itürde dann
anstatt 4,5 t/h bei einer Ofenneigung von 3 % und einer Umdrehungsgeachwindi'gkeit
von 4,5 Min/U betragen. Allgemeiner Ausgedrückt, würde zieh bei Veränderung der
Reduktionszone auf eine andere Länge L bei einer Ofengeschwindigkeit von
2,75 Min/U die Ofenneigung auf
und die Beschickungageschwindigkeit auf
verändern. Letztere Gleichung ist in Abb.7 als Diagra= B aufgetragen.
Um nochmals auf Abhj, Kurve A, zurückzukommen: Die dargestellten Veraucheorgebniese
zeigen, daß die durch Erweiterung der Reduktionazune und Erhähung der Undrohungegeschwindigkeit
erzielte Verbesserung der Ofenkapazität eine gerade Funktion innerhalb einer Reduktionazonenlänge
von 22,86 bis 35,05 x bei Ofenuadrehungsgeschwindigkeiten von
5,5 - 2,75 ist. Obwohl längere Reduktionszonen und höhere Geschvindigkeiten
nicht geprüft wurden, kann logischerweise angenommen werden, daß die gerade Funktion
auch über eine Reduktionazonenlänge von 35,05 a hinaus Gültigkeit hat. Dieser
Schluß beruht auf folgenden Tatsachen: Während der Versuche wurde bei Verlängerung
der Reduktionszone von 22,86 auf 35,05 m keine Neigung zur Sinterung
in dieser Zone festgestellt. Im Gegenteil, bei einer Länge von 35,05 m zeigte
sich eine geringere Sinterungstendenz. Auf Grund der Berechnungen der Wirmeleitzahlen
aus der Versuchareihe zeigt es sich, daß die Oberflächentemperaturen der Ofenschicht
durch eine schnellere Wirbelbevegung der Schicht bei höheren Unlaufgeschwindigkeiten
reduziert werden. Höhere Geschwindigkeitin ermöglichen offenbar auch die Anwendung
höherer Gantemperaturen.
-
Offenbar gibt es jedoch eine Grenze, jenseits derer die Funktion keine
Gerade mehr ist. Diese Grenze ist wohl erreicht, wenn der Ofen sich so schnell dreht,
daß die auf die Schichtoberfläche übertragene Wirne während der endothernischen
Reaktion in der Eintauchphane au@ Zeitmangel nicht absorbiert werden kann, d.h.
wenn die Reduktionsgeschwindigkeit niedriger ist als die Wärmeübertragung. In diesen--Fall
erhöht sich die Schichttemperatur, und wenn sie genügend hoch ist, tritt Sinterung
ein. Aus Laborversuchen geht weiterhin hervor, daß ,bei ausreichender Wärmeübertragung
die Reduktionageschwindigkeit selbst sehr hoch ist und daß die oben genannte Funktion
folglich auch bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten Gültigkeit hat.
Unter
Bezugnahme auf Abb.7 wurde oben festgestellt, daß, wenn man ausgeht von der bei
einer Ofenntigung von 3 % erhaltenen Beachickungegeechwiadigkeit von
7 t/h, einer Ofenigeschwindigkeit von 2,75 Min/U und einer Beduktionstonenlänge
von 35,05 m wie in Punkt a der Kurve A
dargestellt, und wenn man die
Bediaktionasonenlinge auf 22,86 mg die Ofenneigung auf 1t95
% reduziert und den Ofen weiter bei 2975 Min/u rotieren läßt,
die Ofenkapazität sich auf 4,55 t/h verändert, wie die* in Punkt b'der Kurve B dargestellt
ist. Wenn man auf Basis dieser Bedingungen die Ofeauwdrthungageschvindigkeit weiter
erhöht und die Reduktionazonenlänge erweitert, erhöht *ich die Ofenkapazität
gemäß der als Kurve 0 in Abb.7 dargestellten neuen linearen
Funktiou,-die Punkt b
der Kurve B und Punkt o der Kurve A durchläuft,
bei dem die experimentell bestimmte Kurve A die Reduktionazonenlängen-kohne
durchschnei-. det, wenn die Beschickungsgeachvindigkeit auf Null reduziert wird.
-
Die 4o erhalten* Kurve C wird durch die folgende, aus ihr hergeleitete
Funktion dargestellt:
Hierbei sind q, und L, die Worte bei Punkt b in Äkbb-7-.Aue der Kurve
C in Abb.'7 und der.aus ihr abgeleiteten Formel 4a ist ersichtlich, daß bei
Erveiterung der Reduktionszone auf 35905 m sich die Kapazität auf
9,1 t/b erhöht, wie dies Punkt d der Kurve C zeigt. Um dies
zu erreichen, muß jedoch die Ofengeschwindigkeit in umgekehrten Verhältnis der alten
zur neuen Demehickungegeachwindigkeit folgendermaßen erhöht verdent (4b) K2
- ql/q2"1 - " 9 55/9 p 1 - - 2,75 - 1938»Min/u. Weiterhin miß,
falle die Reduktionazone nur 22,86 und nioht 35,05 m beträgt
und die neue Ofengeachvindigkeit von 1,38 Min/U beibehalten wird, die Ofenneigung
im Verhältnis dieser Reduktionazonenlängen, d.h. von 1,95 % auf
reduziert werden. Die-Ofenkapazität ermäßigt sich dann im direkten Vprhältnie zur
Ofenlänge von 9,1 auf 5,9 t/h gemäß der Gleichung
Diese Gleichung ist als Kurve D in Abb.7 aufgetragen, in welcher die Ofenkapasität
bei einer Beduktionazontal änge von 22,86 mit Ptukt o
b#Ozeichnet ist.
-
Die obige Prüfung und Analyse der Tentdaten zeigt folgendenz
1. die Wichtigkeit den Prinzips der Erhöhung der Ofenkapamität durch
Erweiterung der Beduktionazone und Erhöhung der Botationageaohwindigkeit; 2. die
durch Reduktion der Ofenneigung und Erhöhung der Ofengeachwindigkeit erzielbare
betrUhtliche weitere Kapazitätzerhöhung; 3. daß bei Öfen mit gleichem-Durchmenner
die herkömmliche maß$-kabgerechte Vergrößerung im direkten Verhältnis zur Reduktionamenenlänge
nur dann gilt, wenn man die Neigung den längeren Ofen* in Verhältnis zur
erhöhten Kapazität vergrößert und gleichzeitig dieselbe Ofengeschwindigkeit beibehält.
(Siehe Funktion 0,2 L, Kurve B,
Abb.7). Wenn man z.B. 3,5 t/h, 22986
m Beduktionszone, 3 % Neigung und 5,5 Min/U als Basis für eine Erweiterung
auf 35,05 a Beduktionazone nimmt, muß man den Ofen auf eine Neigung von
und eine Rotation von 595 Min/u einstellen, um auf eine Kapazität
von
5,2 t/h entsprechend der herkömmlichen Vorgrößerungeformel zu kommen.
Wenn der Ofen andererseits gemäß der obigen Gleichung Q m 0,292 L
- 3,23
untur Beibehaltung der 3 %igen Neigung für den längeren OfolL
und bei einer Botationage4chwindigkeit von 2,75 Min/u vergrößert wird, so
be-
trägt die Kapazität bei einer Beduktionemone von 35,05 a 7 tik.
Wenn dann die Neigung auf 1,95 % reduziert und der Ofen mit 1938 Min/u
rotiert wird, erhöht sich die Kapazität für die 35,05 in-Boduktionasone auf
9 t/h. (Siehe Gleichung Q m 0938 L - 4916 in Abb.7.)
Wenn
man nun annimmt, daß die Daten für die Baniabeachiekung bekannt sind und
der Ofen im Verhältnis zur Länge auf ein* Geschwindigkeit Q vergrößert worden
soll, welche Vergrößerungefermel gilt dann? Es gibt 4 Möglichkeitent
Z-all 1: Wenn der Ofen unter Beibehaltung.der Botationageachwiadigkeit
und bei entsprechender Veränderung der Neigung vergrößert wird, gilt die herkömmliche
Vorgrößerungsformel.
-
Die neue Beachickungegeachwindigkeit beträgts
Die neue Neigung beträgt dann
Hierbei sind q, u und 1 die Anfangs-Beschickungegeschwindigkeit, die
Anlangeneigung bzw. die Anfangs-Roduktionazon4nlänge und Q, N und L die entsprechenden
erhöhten Worte.
-
Fall 2: Wird der Ofen durch Erweiterung der Reduktionszone unter Beibehaltung
der Ofenneigung und entsprechender Erhöhung der Rotationngeschtindigkeit vergrößert,
so lassen sich aus Abb.7 folgende Gleichungen ableiten:
Die neue Beschickungegeschwindigkeit ist dann:
Rierin bedeuten M und m Hin/U.
-
NAll
3: Wird dur Ofen durob'Erweiterung der Reduktionszone
unter BeibehaltiLug der Ofenneigung und entsprechender Erhöhung der Rotationageachwindigkeit
mit darauffolgender Verkärzung der Ofeplänge und Veränderung der Ofenneigung vergrößert,
d.h. daß lediglich die Rotationsgenehwiadigkeit erhöht und die.Ofenneigung entsprechen&
verändert wird, so lannen-eich
aus Abb.7 folgende Gleichungen ableiten:
Die
neue Beechickungegeachwindigkeit beträgt:
Die neue Ofengsachwindigkeit beträgt:
Die neu* Ofenneigung beträgt1
t: Wird der Ofen durch Erweiterung der Redukti0U4zOne unter 'eibekaltung
der Ofenneigung und enteprechender.ErhÜhung der Rotationsgeeobwiadigkeit mit darauffolgender
Änderung der Neigung und entsprechender Erhäkung der Retationsgeschvindigkeit vergrößert,
no ergebea sieh folgende Relationent
Maria sind z.B. Q, L und
q, 1 die BeschickungsgeschKir.digkeiten und ReduktionazonenUngen
bei Punkt
a bzw. e der Kurve
A in
Abb-7-
wobei
q 2 z.B. die Beschickungsgeschwindigkeit bei Punkt
b der Kurve
B in Abb.7 ist.
| worin Q 2 z.B. die Beschickungegeschwindigkeit bei Punk';#
J de.- K-ne 9 C |
| in Abb.7 ist. |
| Wenn man q 2 -aus (15) und (16) eliminiert
und in (14j ## #ureh Q2 |
| drückt, erhält man: |
Die neue Beschickungegeschwindigkeit ist dann:
Die neue Ofenneiguug beträgt:
Die neue Rotationsgeschwindigkeit istt
In der obigen Analyse wurde der Einfluß.der erweiterten Reduktionszone dargestellt.
Um ein vollständigen Bild vom Gesamteinfluß auf den Ofen zu erhalten, müssen auch
die Vorwärmzone und die Abgastemperatur in Rechnung gestellt werden. Aus Abb.2
- 6 und Tabelle
1 ist ersiehtlieh, daß sich die Vorwärmzonen in den
Versuchen mit Erweiterung der Reduktionazone zunehmend verkürzten. Gleichzeitig
erhöhte sich die Abgantemperatur, wenn auch nicht im erwarteten Ausmaß. Die verhältnismäßig
geringe Erhöhung ist auf die verstärkte Wärmeübertragung in den Vorwärazonen auf
Grund der erhöhten Umdrehungsgeschvindigkeit zurückzuführen. Diese Daten ans Tabelle
1 sind in Abb.8 grafisch dargestellt.
-
Ans Abb.2 (3,5 t/h) ist ersichtlich, daß 10,67 m der»Ofenlänge
erforderlich sind, um die Ofengase von etwa 9730C auf etwa 6940C abzukühlen.. Abb.6
(7 t/h) zeigt, daß auch in diesem Fall' 10,67 m Ofenlänge benötigt
wurden, um die Gase von etwa 973 6 C auf 6940C abzukühlen. Hieraus geht hervor,
daß in dieser Zone praktisch die gleiche Ofenlänge erforderlich ist, um die doppelte
Brzmenge zu erwärmen, vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit entsprechend erhöht
wird. Die Abgastemperatur ist dann praktisch die gleiche. Abb. 2 zeigt, daß
12,19 nf Ofenlänge benötigt wurden, um die Gase von ea.694 auf'438
0 C abzukühlen. Wenn man in dieser Zone die gleiche Relation in Bezug auf
die Wärmeübertragung voraussetzt, so ist es erforderlich, den Ofen in Abb.6
(7 t/h) um 12919 m zu verlängern, um dieselbe Abgastemperatur wie
in Abb.2 (3 t/h) zu erzielen. Mit anderen
Worten beträgt
die Geeamtlänge der Vorwärzzone bei 3,5 t/Ii 22,86 m bei einer Abgantemperatur
von 438 0 C. Diese Länge scheint bei größeren Beachickungsinengen und entsprechend
höheren Ofengeschwindigkeiten praktisch konstant zu bleiben. Abb.6 zeigt die Gantemperaturkurve
für einen Ofen, bei dem die Vorwärmzone um 12,19 m verlängert wurde. Aus
Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Abgantemperaturen mit zunehmenden Beschickungemengen
und kürzeren Verwärmzeien ständig stiegen.
-
Wie jedoch aus Tabelle 1 weiter hervorgeht, blieb der Ganverbrauch
per t Erz praktisch konstant. Der Grund hierfür ist offensichtlich, daß der höhere
Wärmeaustrag durch die heißeren Gase durch einen entsprechend geringeren Ofenausstrahlungsverlunt
per t Erz kompensiert wurde.
-
Weitere Versuche haben erbracht, daß die Strahlungsverluste bei
3,5 t/h 11,47 % der Gesamtwärme pro t Erz und bei 6,5 t/h 5t53
% der Gesamtwärme pro t Erz betrugen. Die Eigenwärme in trock * enen
Abgasen betrug 12,12 % der Gesamtwärme pro t Erz bei 3,5 t/h und
17,81 % bei 695 t/h. Die Differenz beträgt in beiden Fällen praktisch
5 %. Der höhere Wärmeaustrag durch die Abgase wird also durch geringere Wärmeverlunte
per t Erz durch den Ofen selbst ausgeglichen.
-
Ferner ist es interessant festzustellen, daß die Differenz zwischen
dem Ausblasen der Gase bei 438 0 C und bri 660 0 C etwa
5 % den Gesamtbrennstoffverbrauche ausmacht. Andererseits benötigt man einen
12,19 m längeren Ofen, um die Gase von 660 0 C auf 438 0 C
abzukühlen. Die Frage, ob man einen um 12,19 m längeren Ofen oder 5 % mehr
Brennstoff verwenden soll, ist natürlich im Einzelfall durch einen Kostenvergleich
zu entscheiden.
-
Nachdem man auf diene Weine die Relationen zwischen Ofengeschwiadigkeit,
Beschickungemenge, Ofenneigung und/oder Reduktionazonenlänge für die optimale Behandlung
loser Mengen reaktionefähigen Materials festgeätellt hat, wird nun der Einfluß der
Ofenbelantung untersucht. Wie oben ausgeführt, wurde in dieser Hinsicht herausgefunden,
daß,
je
höher bei jeder beliebigen Ofengeschwindigkeit die Ofenbelastung
innerhalb
der zulässigen Grenzen ist, u«'ne höher ilie Reaktionsgeschvindigkeit im behandelten
Material ist, voraus sich eine entaprechende weitere ErhÖhung der Ofenkapazität
ergibt. Die Vereuchsdaten, die dieser Feststellung zugrundeliegen, worden in folgenden
unterbreitet.
Um die Tomperaturbedingungen zu unterauchen.wie nie während
der gemäß Abb.2#-
5 beschriebenen Erzroduktion innerhalb der Ofenwand vorherrschon,
wurden'gemäß Abb.9a und
9b Thermoeleiaente in der in ki
, B und
C dargestellten Weine in die Ofenwand eingelausen, und zwar in Entfernungen
von
6,5, 12,7 und 25,4 m von der Innenfläche 40 der Ofenwand 41.
Gemäß Abb.9c wurden an diesen Thermoelementen während der Ofenumdrohung Temperaturmessungen
in den durch Ziffer
1 - 16 bezeichneten Winkelpoeitionen vorgenommen und
die Resultate in nachstehender Tabelle 2 aufgeführt, wobei die Temperatur bei jeder
der Positionen
1 - 16 einmal um
17 Uhr und zum anderen um 2 Uhr während
eines 24vStunden-Versuche abgelesen wurde, während mqn den Ofen unter gleichbleibenden
Bedingungen rotieren ließ.
Tabelle 2 Temj2eratur der Ofeninnenwand Bedingungen:
1 Koks und Erzaustrag
0
2 Nr.3 Thermoelement-Temperatur,
1085 C
3 Ofengeschwindigkeit, 4740 Min7IJ
| ]Position d. Gemessene 0 C Gemessene
0 C |
| Thermoelemente um 17 Uhr um 2 Uhr |
| A B C A B C |
| 1 997 954 914 1000 954 903 |
| 2 997 954 909 1000 954 906 |
| 3 997 957 909 1000 951 906 |
| 4 997 957 909 1000 951 906 |
| Q-2 5 997 957 909 1000 951 906 |
| 6 997 957 909 1000 954 906 |
| 7 994 957 909 1000 954 906 |
| 8 994 957 909 1000 954 903 |
| Q-3 9 991 957 909 1000 954 903 |
| 10 991 957 909 1000 954 903 |
| 11 991 957 909 1000 954 903 |
| 12 994 957 909 1000 954 903 |
| Q-4 13 994 957 909 1000 954 906 |
| 14 994 957 909 1000 954 906 |
| 15 997 957 909 1000 954 906 |
| 16 997 954 909 1000 954 906 |
Wie aus den vorstehenden Daten hervorgeht, waren die Temperaturen
bei Thermoelement
C, das in 25,4 mm Entfernung von der Ofeninnenfläche angebracht
war, während der Rotation des Ofens konstant. Dies gilt auch für die Temperaturen
bei Thermoelement.B, das
12,7 mm tief in die Ofeaauskleidung eingelassen
war. Weiterhin ist festzustellen, daß die Temperaturen bei Thermoelement
A, das nur
6,3 m tief in der Ofenauskleidung naß, ebenfalls praktisch
konstant waren. Aus diesen Versuchen geht also hervor, daß alle während des Durchgangs
durch die Gasphase von der Ofenaunkleidung abeorbierte Wärme,-die an die Ofenschicht
abgegeben wird, während diese die Ofenauskleidung bedeckt, in einer sehr dünnen
Oberflächenschicht der Auskleidung von weniger als
6,3 mm Dicke abeorbiert
sein muß. Die auf diese Weise übertragene Wärmemenge ist, gesessen an Wirmebedarf
der Ofenlast, praktisch unbedeutend.
-
Gemäß Abb.10 wurden die Temperaturen im Ofeninnern während der Rotation
mittels der drei verschieden langen Thermoelemente D, E und F gemessen, die
sich jeweils in radialen Abständen von 203, 406 bzw. 610 mm in das Ofeninnere
erstreckten, wobei der Innenradius des Ofens 1140 mm betrug. Mit den Thermoelementen
wurden in den Positionen D-lt E-1 und F-1, d.h. beim Austritt der Elemente
aus der Ofenschicht K, Temperaturmessungen vorgenommen, ebenso in den Positionen
D-2,
F.-2 und F-2, d,.h. beim Wiedereintritt der Thermoelemente in die Ofenschicht.
Die so ermittelten Temperaturen sind in der Zeichnung angegeben. Wie ersichtlich,
erhöht sich die mit Thermoelement D gemessene Temperatur von 10820C beim
Austritt aus der Ofenschicht K auf 1104 0 C beim Durchgang durch die Gasphase
und Wiedereintritt in die Ofenschicht, so daß die Temperaturdifferens 22
0 C beträgt. Bei Thermoelement E erhöht sich die gemessene Temperatur
von 1088 auf 1119 0 et also um 31 0 ct bei Thermoelement F
von 1096.auf 1135oC, d.h. um 39 0 C.
-
In Abb.11 sind die Temperaturen aus Abb.10 gegen die Entfernung von
der Ofenmitte aufgetragen; durch Einzeichnung der niedrigen Temperaturen in Pos.
D-19 F.-1$ F-1 sowie der hohen Temperaturen in Pos.D-2, F-2, Fi-2 erhält man die
Kurven G und H. Die Extrapolation dieser Kurven ergibt, daß die Temperaturdifferenz
zwischen Punkten gleichen Abstands an der Schichtoberfläche von 170C an der Ofenwand
auf 610C
in der Ofenmitte ansteigt. Mit anderen Worten wird ein
Haterialteilchen in der Nähe der Ofenwand beim Eintritt in die Schicht eine um
17 0 C höhe'-, re Temper atur haben als beim Austritt aus derselben; ein
Teilchen, das sich in der Schichtober'fläche nahe der Ofenmitte befindet, wird dagegen
eine Temperaturdifferenz von 61 0 C aufweisen. Die so auf Grund dieser Temperaturdifferenz
auf die Schicht übertragene Wärme wird in der Schicht für die endothermische Reaktion
verbraucht und soll Wärmeverlunte kompensieren.
-
Die auf diese Weine auf das behandelte Material übertragene Wärmemenge
läßt sich in der Weise errechnen, daß man die während einer Ofenrotation so auf
die Schicht übertragene Wärmemenge mit der Anzahl der Ofenumdrehungen während der
Verweilzeit des Materials in der Reduktionszone, multipliziert. Diese Rechnung kann
wie folgt vorgenommen verdent Aus den Kurven der Abb.1 geht hervor, daß die
mittl.ere Temperaturdifferenz für die behandelten Materialteilchen zwischen dem
Eintritt und dem Austritt aus der Ofenlast 29 0 C beträgt. Bei einem speziellen
Erzreduktionaversuch wurde festgestellt, daß die spezifische Wärme der Ofenlast
0,2 beträgt. Die Ofenbelastung betrug etwa 35 %, die angewandte Rotationsgeschwinekeit
6 Min/U, und die Verweilzeit in' der Reduktionszone 6'Stunden, so daß das
Material während insgesamt 60 Umdrehungen in der Reduktionszone verblieb.
Bei der genannten Ofenbelastung von 35 % betrug die Anzahl der Umwälzungen
der Ofenlast pro Umdrehung drei, die Gesamtzahl der Umvälzungen während.der Verweilzeit
also 180.
Hieraus errechnet sich, daß die in der Schicht insgesamt absorbierte
Wärme pro t eingebrachten Erzen 1000 kg x 0,2 x 29 x 180 - 1 050
000
Kalorien oder 4,2 Mio. B.t.u. (British thermal unit) beträgt. Zum Vergleich
sei bemerkt, daß der theoretische Wärmebedarf für die Reduktion der Eisenoxyde des
behandelten Erzes mit 4,2 Mio e.u. festgestellt wurde. Daraus ergibt sich, daß die
auf die Schicht übertragene Wärme praktisch dein theoretischen Wärmebedarf für die
Erzreduktion entspricht" d.h. also, daß die Wärmeübertragung im Ofen durch direkte
Wärmeübertragung aus der GasatmosphEre den Ofens auf die Sellichtoberfläche erfolgt.
Wie oben gezeigt, ist die auf die Ofenwand übertragene Wärmemenge außerordentlich
gering; sie genügt gerade, um den Wärmeverlust durch die Ofenwand zu kompensieren.
Aue
den oben genannten Versuchsergebnissen geht weiter hervor, daß die Wirmeübertragung
in der Nähe den Schichtzentrums um ein Mehrfache* größer ist als in der
Nähe der Ofenwand. Es folgt daraus, daß das nahe dem Zentrum der Ofenlast
ein- und austretende Material um ein Mehrfachen rascher reduziert wird als das Material
in den äußeren Teilen der Ofenlaut. Demzufolge wird sich, wenn die Ofenlast bei
einer bestimmten Ofengeschwindigkeit erhöht wird, die Reaktionsgeschwindigkeit den
Materials entsprechend steigern, da die Schichtoberfläche allmählich immer näher
an das Ofenzentrum herankommt, wo die Temperatur der Ofengane an höchsten
ist, Die meisten Drehöfen werden mit einer verhältnismäßig geringen Ofenlast oder
Schichttiefe gefahren, gewöhnlich in der Größenordnung von 8 - 12
%
den gesamten inneren Ofenvolumens. Wie oben gezeigt, ist ein solcher Betrieb
höchst unrationell sowohl in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit als auch auf
die Ausnutzung der vorhandenen Ofenkapazität bei einer bestimmten Rotationageschwindigkeit.
Zur Demonstration dieser Tatsache verweisen wir auf den Vergleich zwischen einem
Betrieb den Ofens bei 35 % Belastung und einem solchen bei 1/3 dieser
Belastung._ Die Schichttiefe bei einer Belastung von 35 % beträgt etwa 0,4
D oder 098 R, wobei D und R den Innendurchmenser bzw. den Radius
den Ofens bedeuten. Bei einer um zwei Drittel niedrigeren Ofenbelantung, d.h. bei
11,7 % beträgt die Schichttiefe 0,21 D oder 0,42 B. Die Länge
der durch die Oberfläche gebildeten Sehne bei einer Schichtbelantung von
35 % beträgt 1,95 R, bei einer Schichtbelastung von 11,7 % 1,628
B.
Die Wärmeoberfläche bei einer 35 %igen Belastung beträgt dann:
1,20 mal mehr als die Wärmeoberfläche bei einer 11,1 %igen Belastung.
-
Wird der Ofen bei beiden Belastungen mit derselben Geschwindigkeit
rotiert, so wird mit der höheren Belastung dreimal so viel Material über eine um
20 % größere Wärmeoberfläche gewälzt als mit der niedrigeren Last. Wenn man
annimmt, daß die Wärmeoberfläche in beiden Fällen die gleiche ist, so ergibt sich
der Effekt einer dreifachen Umwälzmenge aus der oben erläuterten Rotationawirkung.
In diesem Fall käme man auf dasselbe
Ergebnis, wenn man
den Ofen mit der geringeren Belastung dreimal rascher' rotieren ließe. Dieser Effekt
laßt sich auf Basis der unter Bezugnahme auf Abb.7 entwickelten Formeln errechnen.
Das heißt also, daß bei Erhöhung der Geschwindigkeit auf das Dreifache die Kapazität
um den glei' chen Faktor gesteigert wird. Angenommen, die Reduktionazone
für die kleinere Belastung beträgt 22986 x, so verlängert sie sich bei der
höheren Belastung auf 48,8 x und bei erhöhter Geschwindigkeit gemäß den Formeln
für Fall 2 oben. Bei Verkürzung der Reduktionnzone auf 22,86 m unter Beibehaltung
der Geschwindigkeit und Veränderung der Ofenneigung beträgt die Kapazitätt
Die relative Erhöhung beträgt:
Addiert man beide Effekte, so ergibt sich 1) der Eliekt der vergrößerten
Wärmeoberfläche - 20 %
2) der Effekt der gesteigerten Haterialumwälzung
über die Wirmeoberfläche - 40 %.
-
Gesamterhöhung der Wärmeübertragung - 20 % +'40
% * 60
Mit anderen Worten erhöhen sich-Wärmeübertragung und Kapazität
um 60 %, wenn man einen Ofen mit einer Belastung von 35 % anstatt
11,7 % fährt.
-
Wir befassen uns nun mit dem Einfluß den Ofendurchmessers auf die
Betriebemethoden und die oben genannten Formeln. Wie erwähnt, wurden die in Tabelle
1 und Abb.2 - 6 gezeigten Ergebnisse in einem Versuchsofen mit einem
Innendurchmesser von 2,29 m und einer Länge von 45,7 m erzielt. Zum Vergleich
wählen wir in der vorliegenden Erörterung einen Ofen mit einem doppelt so großen
Durchmesser und von gleicher Länge, nämlich 4,57 m Innendurchmeaser und 45,7
m Länge. Die Abmessungen der Reduktionazone sollen in beiden Öfen gleich sein, nämlich
22,86 m, so daß die vergleichbaren Abmessungen wie folgt wären: Versuchaofen
- 2,29 m Innen-# - 22,86 m L Großer Ofen m 4,57 m Innen-g
- 22,86 m L
Die Warmeoberfläche den Versuchsofens ist nur
halb so groß wie die-Jenige den größeren Ofens. Erweitert man die Reduktionszone
des Ver-Buch80fen8 auf die doppelte Länge, d.h. auf-45,7 m, so hätte der Ofen folgende
Abmessungen: 2,29 m Innen-# X.45,7 m Länge. Der Versuchaofen hat eine Kapazität
von 3,5 t/h bei 3 % Neigung, 5,5 Min/u und 22,86 m Reduktionszeuenlänge.
Bei Erweiterung der Reduktionszone auf 45,7 m unter Beibehaltung der Ofenneigung
und Beschleunigung der Ofenrotation auf 1988 Min/U beträgt die Kapazität
den erweiterten Versuchsofens, abgeleitet aus den Kurven der Abb.7, in der oben
erwähnten Weine:
Diener erweiterte Versuchaofen hat die gleiche-Wärmeoberfläche wie der
Ofen mit größerem Durchmesser bei 22,86 m Länge (4,57 m Innen-# x
22,86 a Länge). Letzterer enthält jedoch zweimal so viel Material wie der
vergrößerte Versucbsofen, d.h. daß, wenn beide Öfen mit derselben Rotationsgeschwindigkeit
bewegt werden (1,88 Min/U), in -111em Ofen mit dem größeren Durchmesser zweimal
so viel Material über dieselbe OberflEche geleitet wirdg Mit anderen Worten ist
die Wärmeübertragung im großen Ofen (4,57 x Innen-# x 22,86«m Länge)
praktisch die gleiche wie in dem erweiterten Verauchaofen (2,29 m Innen-#
x 45,7 m Länge), wenn letzterer doppelt so rasch wie der große Ofen rotiert wird.
Der vergrößerte Vereuchsofen hat eine Kapazität von 10,2 t/h bei 3 % Ofenneigung
und 1988 Min/U. Läßt man diesen Ofen mit 0,94 Min/U unter ehtsprechender
Veränderung der Ofenneigung rotieren, so steigt die Kapazität von 10,2 t/h
um 30 % auf 13,26 t/h an. Dies entspricht der Kapazität den Ofens
mit dem größeren Durchmesser.
-
Wenn man nun - die Kapazität des kleinen Ofens(2,29 m Innen-#
x 22,86 m Länge) mit derjenigein des großen Ofens (4,57 m Innen-# x
22,86 m Länge) vergleicht, so ergibt sich folgendes: Großer Ofen
= 13,26 t/h bei 1,88 Min/U Kleiner Ofen = 5,1 t/h bei
1,88 Min/U Bei der gleichen Rotationsgeschwindigkeit ergibt sich folgendes
Verhältnis-.
Überträgt man dies auf.das Verhältnis der Ofendurchinenner, so
ergibt sich:
Intereenant ist die Feststellung, daß diese Funktion für das Durchmenner/Kapasitäts-Verhältnis
die gleiche ist wie die aus den Wurmeberechnunge-Vormeln erhaltene. Es muß
jedoch darauf hingewiesen werden, daß diese Funktion nur gilt, wenn man beide Öfen
mit derselben Undrehungegeschwindigkeit rotieren läßt. Eine weitere Wichtige Überlegung
ist, daß die Neigung des größeren Ofens entsprechend einzustellen ist, um die raschere
Durchgangegeschwindigkeit der Ofenlast in einem Ofen mit größeren Durchmesser zu
kompens6eren.
-
Wie oben ausgeführt, ist die Formel
nur dann gültig, wenn man beide Öfen mit gleicher Geschwindigkeit rotieren läßt.
Wird die Geschwindigkeit verändert, so muß die Formel entsprechend auf
abgeändert worden.
-
Unter Berücknichtigung von Durchmesser und Länge erhält man folgende
allgemeine Kurzformel für die maßetabgerechte Vergrößerung: Fall 1:
Gleichbleibende Neigung und erhöhte Ofengeschwindigkeit:
fall 2: Veränderte Neigung und erhöhte Ofengeschwindigkeit: