Die Stahlerzeugung tiber den Weg des Hochofens bleibt trotz der raschen technologischen Entwicklung der verschiedenen Direktre- duktionsverfahren in der jtingsten Zeit eindeutig dominierend. Der scharfe Wettbewerb auf dem Weltmarkt hat dazu geftihrt, daB die s ahlproduzierenden Lander ihre Hochofenbetriebe weiter op- timieren. Durch die Einftihrung von modernen Technologien wie z.B. GroBraumhochofen, besseren Begichtungsmethoden, Einblasen von Wind hoherer Temperatur, Anreicherung des Windes mit Sauerstoff, Einblasen von Zusatzstoffen, selektiver Molleraufbereitung und hoheren Regelungs- und Automatisierungsgraden wird die Wirt- schaftlichkeit und Leistung der Hochofen merklich gesteigert. Verscharfte Umweltbedingungen, hohe Erzkosten und Recyclingpro- zesse fordern den Einsatz von eisenhaltigen Abfallstoffen in den Hochofenwerken. Dies sind z.B. Gichtstaube, Walzenschlamme oder Konverterauswtirfe, die meist hohere Gehalte an Alkalien, Blei und Zink aufweisen. Diese Stoffe werden zum Teil aufbereitet und als Hochofeneinsatzmaterial wiederverwendet. Ihr Wiedereinsatz sowie die Verwendung von Koks mit hoheren Aschegehalten fuhren zu einer erhohten Belastung der Hochofen mit Kreislaufstoffen. Kreislaufstoffe sind diejenigen Stoffe im Hochofen, die wahrend des Absinkens in den unteren Teil des Hochofens reduziert und verdampft werden. Die Reaktionsprodukte steigen teilweise mit dem Schachtgas auf und kondensieren in den oberen kalteren Zonen des Of ens. Sie wandern mit dem sinkenden Moller wieder in den un- teren Teil des Of ens, werden reduziert und erneut von der Gaspha- se nach oben getragen. Dadurch bilden sich innere Kreislaufe in bestimmten Bereichen eines Hochofens. Kreislaufstoffe sind z.B. Zink, Blei, Natrium und Kalium, die mit dem Moller in den Hoch- of en gelangen.

Der steigende Weltstahlbedarf erfordert eine stetig wachsende Menge an Eisenerzen; so wird st ndig die Eisenerzf6rderung inten- siviert und werden neue Lagerstatten erschlossen (1). Urn die neben den Stuckerzen in gr6Berem MaBe anfallenden Fein- erze verhutten zu k6nnen, mussen diese agglomeriert werden 2-5. So werden heute durchschnittlich etwa 50 - 60% Sinter, 10 - 20% Pellets und 20 - 25% Stuckerz dem Hochofen zugefuhrt. Im Rahmen der Agglomerationsverfahren - Sintern, Pelletieren und Brikettieren - ist das Sintern von Feinerzen am meisten ver- breitet. Bei der Sinterung von Eisenerzen werden feink6rnige eisenhaltige Stoffe, wie Feinerze und Abfallprodukte der eisenhUtten nnischen Prozesse mit festen Brennstoffen, Zuschlagen und Wasser ge- mischt, auf einen Rost geschichtet und an der Oberfl che ge- zundet. Gleichzeitig wird von oben ein Luftstrom hindurchge- saugt oder gepreBt. Innerhalb der Mischung bildet sich eine so- genannte Brenn- und Sinterzone aus, die in Str6mungsrichtung des Luftstromes fortschreitet. Dabei findet eine Verfestigung der Teilchen infolge Platzwechsel der Atome im festen Zustand, Kornwachstum, Erweichung der Teilchenoberflachen oder Schlacken- bildung statt. Das Produkt ist ein mehr oder weniger festes por6ses und gut reduzierbares Agglomerat.

Kontinuierlich arbeitende Stahlerzeugungsprozesse werden moglicherweise gegenuber den heute betriebenen, absatz- weise arbeitenden Prozessen - z.B. LD - in naher Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Zur Steuerung solcher kon- tinuierlicher Prozesse benotigt man Methoden zur konti- nuierlichen Analyse des flussigen Eisens. 1m vorliegen- den Bericht werden die spektroskopischen Verfahren, die zur Analyse in Frage kommen - Spektralanalyse, Rontgen- fluoreszenz- und Aktivierungsanalyse - kurz dargestellt und auf ihre Anwendbarkeit untersucht. Bisher sind nach den genannten Methoden nur Verfahren bei Raumtemperatur fur Feststoffe oder Flussigkeiten bei kontinuierlicher Betriebsweise untersuchtworden. tiber diese Verfahren wird ein tiberblick gegeben. Des weiteren wird uber die ersten von anderer Seite durchgefuhrten Untersuchungen an Hochtemperaturschmelzen berichtet. In weiten Bereichen der Industrie hat sich bei der konti- nuierlichen Steuerung und Uberwachung von Prozessen be- sonders die Rontgenfluoreszenzanalyse bewahrt. Der vor- liegende Bericht beschaftigt sich vornehmlich mit der An- wendung dieser Methode auf die kontinuierliche Analyse des flussigen Eisens. Insbesondere wird untersucht, ob man RontgenfluoreszenzmeBgerate auch fur die Analyse von flussigem Eisen auslegen kann, da hieruber bislang keine Angaben vorliegen. Die Rontgenfluoreszenzanalyse von flussigen Eisenschmel- zen bringt eine Reihe von Problemen, wie die Konstant- haltung der Temperatur von Bad und RontgenmeBgerat, die Konstanthaltung des Badspiegels, die Vermeidung von Oberflachenwellen und die Schlackenbildung, mit sich, die erortert werden und anhand einer selbstgebauten Ront- genfluoreszenzanlage untersucht wurden. In der Versuchs- 66 anlage gelang es, Roheisen- und Stahlproben aufzuschmel- zen und im flussigen Zustand zu analysieren.

Bei den metallurgischen Reakt'ionen, die zur Reinigung der Hetalle dienen, findet ein Stoffaustausch zwischen verschiedenen Phasen statt. Es wird meist angestrebt, durch Schlacke-Bad-Heaktionen die Begleitelemente des Hetalls auf einen moeglichst niedrigen Gehalt zu bringen. Oie Bntfernung eines Begleitelementes ist umso schwie- riger, je kleiner der zulassige Gehalt des unerwunschten Elementes ist. Zur ntfernung einzelner Elemente wurden spezielle Verfahren entwickelt, wie z. B. das SU-Ver- fahren oder das Vakuum-Verfahren zur i, ntfernung von Gasen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren mit transi- torischem Phasenkontakt angewendet, um in relativ kurzer Zeit eine Haffination des Metalls durchzufuhren. Der transitorische Phasenkontakt zeichnet sich durch einen gunstigen Grenzflachenkontakt zwischen den beteiligten Phasen aus. Fur Schlacke-Metall-Heaktionen wurde dies zum ersten Iall von H. I'errin 1) eroertert und von H. Schenck 2) weitergefuhrt. lJurch die Vergroesserung der Kontaktflache zwischen Metall und Schlacke bei der Raffination wird eine ( uali ta tsverbesserung und "ostensenkung erreicht. In Anlehnung an das Spruhfrischverfahren wird das in die- ser Arbeit an{', 'ewandtc Verfahren "Spruhraffinationsver- fahren" genannt. - 2 - 2, 'Theoretische Grundlagen t.l. Theorie des Stoff'tiberganges zwischen verschiedenen Phasen Die Grundlagender theoretischen Betrachtungen zum Stoff- transport zwischen flussigem Metall und Schlacke sind von H. Schenck und Mitarbeiter 2-7), l . Ploeckinger und H. Straube 8) sowie H. Krainer und Mitarbeiter 9-13) behandelt worden. Die Heaktionsgeschwindigkeit eines heterogenen Stoffaus tausches wird durch einen der folgenden Teilschritte be- stimmt. Dabei ist der Vorgang, der am langsamsten ablauft, geschwindigkeitsbestimmend: 1. Transport der Heaktionsteilnehmer aus dem Innern der beteiligten Phasen zur Grenzflache der betreffenden Phasen.

In den letzten Jahren wurden aus mehreren GrUnden, von denen die Verwendung von Erdgas, 01 oder Kohle der wichtig- ste ist, groBe Anstrengungen gemacht, bei der Stahlerzeu- gung den indirekten Weg Uber das im Hochofen erzeugte Roh- eisen zu vermeiden, um auf direktem Weg Stahl herzustellen. Zwischenprodukt dieser Verfahren ist hochmetallisierter Eisenschwamm, der sich durch Einsatz im Elektroofen direkt zu Stahl verarbeiten laBt. Auch bei dem Einsatz im Hochofen und in den traditionellen Stahlerzeugungsver- fahren ergeben sich betrachtliche Vorteile. Der Eisenschwamm wird durch eine Reduktion der Eisenerze im festen Zustand erzeugt, wobei das meist in Form von Pellets eingesetzte Erz seine Form behalt, durch den Sauer- stoffabbau aber sehr pores wird. Durch die mit dieser Porositat von 50 bis 70% verbundene groBe spezifische Oberflache des Eisenschwamms tritt bei Lagerung und Transport eine starke RUckoxidation des Eisen- schwamms ein, die bei der ertlichen Trennung der Eisen- schwammerzeugung und -weiterverarbeitung - wie sie fUr die Zukunft haufig angestrebt wird - groBe Probleme aufwirft. Unter dem Begriff der RUckoxidation sind aIle die Vorgange beim Eisenschwamm zusammengefaBt, die allgemein als Korro- sion von metallischen Werkstoffen bekannt sind, nicht aber die Oxidationsvorgange bei heheren Temperaturen, die beim Einschmelzen von Eisenschwamm in oxidierender Atmosphare auftreten. Die RUckoxidation bewirkt eine st rke Wertminderung - - des Eisenschwamms, da die mit Kosten verbundene Metalli- sation verI oren geht. Es mlissen sornit MaBnahrnen ergriffen werden, urn die Rlickoxidation des Eisenschwamms zu rnildern oder ganz zu vermeiden.

Es handelt sich bei dieser Arbeit urn die geplante Dissertation von Manfred KEMPKES, vor deren V ollendung dieser leider verstorben ist. An der Durchfuhrung und V ollendung dieser Arbeit waren folgende Mitarbeiter beteiligt: Dipl.-Ing. HANS HOLLINGSHAUSEN Dipl.-Ing. HARALD HELMENSTEIN Besonderer Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. PETERS EN fur die Beratung in den Brikettierungsfragen. 3 lnhalt 1. Einleitung und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 Zweck und Bedeutung des Sinters in der Eisenhuttenindustrie . . . 7 1.2 Problemstellung........................................... 7 2. Bisherige MaGnahmen zur Verbesserung der Gasdurchlassigkeit ...... 8 2.1 Rollieren................................................. 8 2.2 Getrennte V orbehandlung der Einsatzstoffe mit hohem Feinstko- gehalt und gemeinsame Sinterung aller Mischungsanteile . . . . . . . . 8 2.3 Hartschaum-Verfahren ..................................... 8 2.4 Kernpellet-Sinterverfahren.................................. 9 3. Neue Maglichkeiten zur Verbesserung der Gasdurchlassigkeit . . . . . . . 10 . 3.1 Grundgedanke einer Zwangskrumelung ...................... 10 3.2 Verdichtung (Brikettierung) von Sintermischungen auf einer Walzenpresse ............................................. 10 3.3 Sinterung der Erzbrikettbruchstucke ......................... 11 4. Versuchsergebnisse bei Anwendung verschiedener zwangsgekrumelter Sintermischungen .............................................. 12 4.1 Sinterversuche mit Mischung A 12 4.2 Sinterversuche mit Mischung B 16 4.3 Sinterversuche mit Mischung C 18 4.4 Sinterversuche mit Mischung D 21 4.5 Sinterversuche mit in feinkarnigem Koksgrus eingehullten Erzbriketts (Mischung A) .................................. . 22 4.6 Zusammenfassung der Versuchsergebnisse mit zwangsgekrumelten Sintermischungen ........................................ . 24 5. Ursachen fur die hohen mit zwangsgekrumelter Sintermischung er zielten Leistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 26 . . . . . . . . . . . ."

Mit der raschen Entwicklung der modernen Zivilisation steigt standig die An forderung an die Stahlerzeugung der Welt. Stahl wird heute ausschliesslich aus Roheisen und Schrott hergestellt. Durch die immer kleiner werden Schrottmengen in den Industrielandern und den Mangel an Schrott in den Entwicklungslandern ist die Stahlindustrie weitgehend auf Roheisen angewiesen. Das Roheisen wird heute zum grossten Teil im klassischen Hochofen erzeugt, der erhebliche Anspruche an die Qualitat der Rohstoffe stellt. Mit der Zunahme der Roheisenerzeugung ist auch der Bedarf an verkokbarer Kohle gestiegen, die im Vergleich zu den in der Welt vorhandenen Erzen in viel geringeren Mengen vor kommt. Auch sind die Abbaukosten in der neueren Zeit erheblich gestiegen. Die ungleichmassige Verteilung der Rohstoffe auf der Welt und die damit verbundenen Transportprobleme erschweren noch die wirtschaftliche Herstellung des Roh eisens. Man ist aus diesen Grunden zunachst gezwungen, Massnahmen zu treffen, die die teure Kokskohle einsparen, d. h. den spezifischen Koksverbrauch im Hochofen verringern, des weiteren aber neue Verhuttungsverfahren zu finden, die den ortlichen Verhaltnissen angepasst sind. Der Hochofen kann aus Wirtschaftlichkeitsgrunden nur in grosseren Einheiten gebaut werden. In den nichtindustrialisierten Landern ist aber heutzutage die Tendenz vorhanden, die Verhuttungsanlagen in kleineren Einheiten zu bauen und uber das Land zu verstreuen und dabei gleichzeitig fur die Verminderung der Transportprobleme Sorge zu tragen."

Die starke Ausweitung der Eisengewinnung in den letzten Jahren und die zu erwartende immer weitergehende Steigerung der Produktionsziffern in diesem Industriezweig hat im gleichen Masse zu einer erheblichen Inten sivierung der Forschung auf allen Gebieten der Eisenmetallurgie gefuhrt. Im Mittelpunkt der Produktionserhohung steht nach wie vor der Hochofen, bei dem die Forschungsarbeiten zu einer noch etwa vor zwei Jahrzehnten nicht fur moglich gehaltenen Verbesserung sowohl hinsichtlich der Reak tionsraumausnutzung wie auch in den Rohstoffverbrauchszahlen gefuhrt hat. Diese Ergebnisse sind nur moglich geworden, dadurch, dass man die Ein zelvorgange im Hochofen einer genauen Nachprufung unterzogen hat und insbesondere die schwierigen Austauschvorgange im Ofenschacht zwischen den einzelnen dort anwesenden Phasen sorgfaltig erfassen konnte. Die vorliegende Arbeit hat den Zweck, einen Beitrag zu leisten zu einer moglichst genauen Kenntnis der physikalischen und chemischen Vorgange, die bei der Verhuttung von Eisenerzen im Hochofen sich abspielen, um weitere Hinweise hieraus zu erhalten fur eine moglichst wirtschaftliche Lenkung des Hochofenprozesses. Es wurde fur notwendig erachtet, in an betracht der bereits vorliegenden umfangreichen Ergebnisse auf einigen Teilgebieten der Hochofenforschung den Kreis der im Rahmen dieser Ver suche zu bearbeitenden Fragen moglichst einzuengen, um so genaue De tailkenntnis dieser Einzelfragen zu erhalten."