-
Anordnung und Verfahren zur Beheizung von Retorten für die kontinuierliche
Gewinnung von Magnesium Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur kontinuierlichen
Gewinnung von Magnesium aus magnesiumhaltigem Ausgangsmaterial durch Reduktion mit
Silicium, Aluminium und anderen nichtflüchtige Oxydationsprodukte liefernden Stoffen
im Vakuum das Reaktionsmaterial durch vorzugsweise senkrecht oder nahezu senkrecht
stehende, aus Siliciumcarbid oder keramischen Materialien gefertigte Retorten wandern
zu lassen, die in einem evakuierbaren Ofenraum eingeschlossen sind und durch eine
innerhalb dieses Ofenraumes angeordnete elektrische Heizung von außen erhitzt werden.
-
Um eine schnelle Durchheizung des Reaktionsgutes zu erreichen, ist
es zweckmäßig, im Ofenraum eine größere Anzahl von Retorten von verhältnismäßig
kleinem Querschnitt anzuordnen.
-
Die Erfindung betrifft die Ausbildung dieser Heizung für die Retorten,
welche besondere Bedingungen erfüllen muß.
-
Für die Reduktion der magnesiumoxydhaltigen Ausgangsstoffe mit den
erwähnten Reduktionsmitteln sind Temperaturen von 1200 bis 1300° C erforderlich.
Dementsprechend muß die Heizung Temperaturen von 1300 bis 1600° C erreichen, damit
ein genügend starker Wärmestrom durch die Retortenwand zum Reaktionsgemisch fließt.
Weiterhin ist eine gleichmäßige Verteilung der von der Heizung gelieferten Wärme
auf die einzelnen Retorten notwendig, damit die Reaktion in diesen mit annähernd
gleicher Geschwindigkeit abläuft.
-
Für die angegebenen Temperaturen sind Heizwendel aus Chrom-Nickel-Legierungen
nicht mehr zu verwenden. Als Heizleiter sind daher Stäbe aus Siliciumcarbid, gesinterten
Metallen, Kohle oder Graphit vorgeschlagen worden. Damit die erforderliche Wärme
bei nicht zu hoher Heizleitertemperatur übertragen werden kann, benötigt man eine
große Heizleiteroberfläche, d. h., es muß eine große Anzahl von Heizleitern eingebaut
werden. Die Anordnung der Heizleiter im Vakuum erfordert eine weitere Unterteilung,
da unter den angewandten Druckbedingungen schon kleine Spannungsdifferenzen von
30 bis 60 V zu Überschlägen und dadurch zur Zerstörung der Heizleiter führen können.
Das bedingt eine große Zahl von im allgemeinen wassergekühlten Durchführungen durch
die Ofenhaut, die vakuumdicht und elektrisch isoliert und außerdem noch so ausgebildet
sein müssen, daß ein Auswechseln von Heizleitern in kurzer Zeit möglich ist. Daraus
ergibt sich eine außerordentlich komplizierte und empfindliche Ofenkonstruktion.
-
Diese aufgezeigten Schwierigkeiten werden durch die Erfindung in einfacher
Weise dadurch behoben, daß die Retorten innerhalb des evakuierten Ofenraumes in
Kohlegrus eingebettet sind, dem der Heizstrom mit Hilfe von vakuumdichten Durchführungen
zugeleitet wird. Dies kann mittels Metall-, Graphit-oder Kohleelektroden, die isoliert
und vakuumdicht den Ofenraum durchdringen, erfolgen. Im allgemeinen werden diese
Elektroden so angeordnet, daß der Strom den Kohlegrus im wesentlichen in der Achsrichtung
der Retorten durchfließt. Dazu ist gegenüber den bisher vorgeschlagenen Heizstäben
nur eine relativ kleine Zahl von Durchführungen durch die Ofenhaut erforderlich.
-
Die Kohlegrus- (Kohlegrieß-, Kryptol-) Heizung ist bereits früher
bei Laboratoriums- und Versuchsöfen für hohe Temperaturen angewendet worden; sie
ist aber, seitdem Heizrohre aus Kohle oder Graphit leicht zu beschaffen waren, wegen
der nachstehend angegebenen Mängel fast vollständig durch solche Heizrohre verdrängt
worden.
-
Der elektrische Widerstand von Kohlegrus ist nur in geringem Maße
durch den Widerstand der Kohlekörner, im wesentlichen aber durch den »Engewiderstand«
ihrer Berührungsstellen bestimmt. Es wird daher vor allem selbst durch einen nur
kleinen Oberflächenabbrand an den Kontaktstellen der Kohlekörner und auch durch
Änderung des Berührungs- (Kontakt-) Druckes beeinflußt. Die bei gegebener Spannung
aufgenommene Leistung ist daher sehr veränderlich. Dies
macht eine
dauernde Nachregulierung der Spannung entweder auf Grund einer Temperatur- oder
einer Leistungsmessung erforderlich. Eine solche Regulierung bedingt bei einem kleinen
Ofen einen zu großen meßtechnischen Aufwand.
-
Ferner kommt es bei kleinen Querschnitten der Grusfüllung leicht zur
Ausbildung von Lichtbögen innerhalb des Materials, wobei nicht nur in diesem eine
unerwünschte ungleiche Temperaturverteilung entsteht, sondern auch die hohen Lichtbogentemperaturen
zu einer Zerstörung des angrenzenden keramischen Materials führen würden.
-
Auf Grund dieser schlechten Erfahrungen bei Laboratoriums- und Versuchsöfen
hat man die Verwendung der Kohlegrusheizung für größere Öfen kaum in Betracht gezogen.
Bei einem Vorschlag, eine unter anderem auch zur Magnesiumgewinnung dienende gasdichte
Retorte von außen mit Kohlegrus zu beheizen, hat man zur Behebung der Kontaktschwierigkeiten
Preßplatten mit regelbarem Anpreßdruck vorgesehen, aber anscheinend ohne ausreichenden
Erfolg, denn eine technische Ausführung dieses Ofens ist in den 15 Jahren, die seit
seiner Patentierung verflossen sind, nicht bekanntgeworden, so daß die Schwierigkeiten
der Kohlegrusheizung auch bei diesem Ofen trotz des Einbaues von Preßplatten nicht
überwunden werden konnten. So ist auch die Kohlegrusheizung in dem bekannten Werk
von Ullmann, »Enzyklopädie der technischen Chemie«, Bd.l, »Chemischer Apparatebau
und Verfahrenstechnik«, 1951, im Abschnitt VI B, Ziffer 7, unter den dort erwähnten
Bauarten elektrischer Öfen nicht aufgeführt worden.
-
Trotz dieser ablehnenden Haltung der Ofenbautechnik gegenüber der
Kohlegrusheizung wurde nun bei der in größerem Maßstab durchgeführten Entwicklung
eines Verfahrens zur kontinuierlichen Gewinnung von Magnesium durch Reduktion von
magnesiumoxydhaltigem Ausgangsmaterial mit Silicium, Aluminium od. dgl. unter Vakuum
von weniger als 10 Torr, vorzugsweise von weniger als 1 Torr, unter Verwendung von
nicht vakuumdichten Retorten aus Siliciumcarbid oder keramischen Materialien, die
in einem evakuierten Ofenraum, vorzugsweise senkrecht oder nahezu senkrecht stehend,
eingebaut sind, der Versuch gemacht, diese Retorten dadurch zu beheizen, daß sie
innerhalb des evakuierbaren Ofenraumes in Kohlegrus eingebettet wurden, dem der
Heizstrom mit Hilfe von vakuumdichten Durchführungen zugeleitet wurde. Diese in
dem angewandten hohen Vakuum arbeitende Kohlegrusheizung hat sich als überraschend
einfach und betriebssicher erwiesen, ohne daß sich die anderweitig beobachteten
Mängel der Kohlegrusheizung irgendwie bemerkbar gemacht hätten.
-
Gegenüber der bekannten Heizung mit Stäben aus Silit, gesinterten
Metallen, Graphit oder Kohle hat sie den Vorteil, daß nur eine wesentlich kleinere
Anzahl von Durchführungen durch die Ofenwandungen erforderlich ist und daß der Kohlegrus
gegen die unvermeidlichen Erschütterungen des Ofens viel weniger empfindlich ist.
Außerdem sind die Materialkosten für Kohlegrus niedrig, und es ist einfach, z. B.
zum Auswechseln einer Retorte die Füllung herauszunehmen und wieder einzubringen.
-
Andererseits vermeidet die Anordnung des Kohlegruses in dem hohen,
bei der Magnesiumgewinnung verwendeten Vakuum von weniger als 10 Torr, vorzugsweise
von weniger als 1 Torr, jeden Abbrand desselben. Damit fallen alle früher durch
den Abbrand verursachten Kontaktschwierigkeiten zwischen den Zuleitungen und den
Kohlekörnern untereinander fort.
-
Als Kohlegrus eignen sich aschearme Kohlematerialien, wie kalzinierter
Petrolkoks, Graphit oder Elektrodenkohle. Die Korngröße des Kohlegruses soll 1 mm
nicht unterschreiten. Vorzugsweise hat sich eine Korngröße zwischen 1 und 30 mm,
insbesondere zwischen 5 und 10 mm, als zweckmäßig erwiesen. Diese ist je nach dem
erwünschten Widerstand der Heizmaterialsäule auszuwählen.
-
Besonders konstante Widerstandsverhältnisse erhält man, wenn in einen
Ofen Kohlematerial von möglichst nahezu gleicher Korngröße eingefüllt wird, z. B.
in den Größen 2 bis 5 mm oder 25 bis 30 mm u. ä. Die Körnung wird mit Hilfe von
Modellversuchen darauf hin erprobt, welches die günstigsten Werte für die Ofenspannung
und den Ofenstrom sind.
-
Bei der Kohlegrusheizung besteht außerdem die Möglichkeit, den entwickelten
Magnesiumdampf durch Bohrungen in den Retortenwänden durch den als Heizwiderstand
dienenden Kohlegrus hindurch in den Kondensator zu leiten, so daß der Kohlegrus
gleichzeitig als Filter für den erzeugten Magnesiumdampf dient und mitgerissene
staubförmige Teile des Reaktionsmaterials abscheidet.
-
Die erfindungsgemäße Beheizungsart ist an dem in den Fig. 1 und 2
wiedergegebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne die Erfindung auf dieses
Beispiel zu beschränken.
-
In den Figuren 1 und 2 ist der Ofen 1 mit einer Ausmauerung
versehen und mit einer vakuumdichten Ofenhaut 2 aus Stahl umgeben. Das Reaktionsgut,
das in Form von gepreßten Briketts eines Durchmessers von z. B. 40 mm und einer
Höhe von 25 mm dem evakuierten Ofen durch die Eintragsschleuse 3 zugegeben wird,
wandert durch die aus Siliciumcarbid bestehenden Retorten mit einem Durchmesser
von z. B. 150 mm und einer Heizlänge von 2000 mm nach der Austragsschleuse
5. Die Retorten 4 sind im Kohlegrus 6 einer Korngröße von 2 bis 5
mm (spezifischer Widerstand bei 1400° C = 13600 Ohm - mrn2 - m-1) eingebettet, der
als Heizwiderstand dient. Ihm wird aus dem regelbaren Transformator 7 ein Strom
von 417 A bei 118 V über die Ringschienen 8 und die Graphitelektroden 9 zugeführt.
Der Querschnitt des Heizwiderstandes (q) ergibt sich aus dem Querschnitt des Ofenraumes,
vermindert um den Querschnitt der vier Retorten, und beträgt also 19,6 - (4 - 2,5)
dm2 = 9,6 dm2 = 9600 mm2, die mittlere Länge der Strombahn = 2 m (Elektrodenabstand
l), sein Widerstand
bei einer Heizleistung von 50 kW ergibt sich folgender Strom (I) und Spannungswert
(E)
E=I-R=417-0,285=118V. Die Temperatur des Heizwiderstandes beträgt 1400° C. In die
Elektroden 9 sind wassergekühlte Rohre 10 eingeschraubt, die mit vakuumdichten Stopfbuchsen
11 durch abnehmbare Deckel 12 geführt
sind. Die abnehmbaren Deckel
12 sind vakuumdicht auf Stutzen 13 aufgesetzt, die an die Ofenhaut 2 angeschweißt
sind. Die Durchmesser der Stutzen 13 sind so groß, daß die Elektroden 9 durch
sie eingesetzt und herausgezogen werden können.
-
Das Reaktionsgut tritt aus der Eintragsschleuse 3 mit Raumtemperatur
in die Retorten 4 ein, in denen ein Ofendruck von 0,8 Torr herrscht, und
wird im oberen Drittel der Retorten auf 1300° C aufgeheizt. Die Hauptmenge des Magnesiumdampfes
wird bei 1300° C im mittleren Drittel der Retorten 4 entwickelt. Der Gleichgewichtsdruck
der Magnesiumdampfentwicklung beträgt hierbei ungefähr 70 Torr. Im unteren Drittel
der Retorten werden die Briketts ausreagiert und durch die Austragsschleuse 5 ausgetragen.
-
Die Wände der Retorten 4 besitzen nicht eingezeichnete Bohrungen
von 5 mm Durchmesser (eine Bohrung je Quadratzentimeter). Durch diese strömt der
entwickelte Magnesiumdampf durch den Kohlegrus 6 über den Ringkanal
14 in den Kondensatorstutzen 15 und dann in den nicht gezeichneten evakuierten
Kondensator, aus dem die Permanentgase mit einer Vakuumpumpe abgepumpt werden.
-
Die vom Magnesiumdampf aus dem Reaktionsgut mitgerissenen Feststoffteile
werden durch Filterwirkung im Kohlegrus 6 abgeschieden. Dieser wird von Zeit zu
Zeit erneuert, indem der Ofen nach Abkühlung mit Luft gefüllt wird, der verschmutzte
Kohlegrus 6 durch einen Stutzen am Boden des Ofens (nicht gezeichnet) abgezogen
und neuer Kohlegrus 6 durch einen Stutzen am Kopf des Ofens (nicht gezeichnet) eingefüllt
wird.