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Vorrichtung zur Herstellung von praktisch cadmiumfreiem Zink aus cadmiumverunreinigtem
Zinkdampf Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von praktisch
cadmiumfreiem Zink aus cadmiumverunreinigtem Zinkdampf, der bei der Vakuumdestillation
von geschmolzenem zink- und cadmiumenthaltendem Blei entsteht, und die ein evakuiertes
Gefäß mit einem äußeren Ringraum aufweist, über den das zink- und cadmiumenthaltende
Blei bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Zinks fließt, und einen inneren
Ringraum mit Kühlanordnungen aufweist, durch die zunächst festes und sodann flüssiges
Zink auf dem inneren Ringraum aus den von dem eingesetzten Blei abdestillierten
cadmiumenthaltenden Zinkdämpfen kondensiert.
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Die neuartige Vorrichtung ist demgegenüber dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb eines äußeren Gefäßes ein Auffanggefäß oder Schale so angeordnet ist,
daß dasselbe durch das über einen äußeren Ringraum übergeflossene, entzinkte Blei
umflossen und beheizt wird, und dieses Auffanggefäß den kondensierten Anteil der
cadmiumenthaltenden Zinkdämpfe aufnimmt, der von dem zunächst gebildeten festen
Zink abtropft.
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Bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen sind einmal dadurch
gekennzeichnet, daß im Inneren einer ringförmigen Kühlanordnung eine Kondensationsfläche
zum Verfestigen einer Zink-Cadmium-Legierung, die von dem Auffanggefäß verdampft,
eine Heizanordnung zum erneuten Verdampfen eines wesentlichen Anteiles der Legierung
und eine Kühlfalle angeordnet sind, in der das an Cadmium angereicherte Zink gesammelt
wird bzw. der mit Cadmium verunreinigte Zinkdampf teilweise auf dem festen Zink
kondensiert wird, und dieser einen geringeren Cadmiumgehalt als der Dampf aufweisende
Anteil teilweise von der Schale oder Auffanggefäß erneut so verdampft wird, daß
durch bevorzugtes Verdampfen des Cadmiums das in dem Auffanggefäß zurückbleibende
Zink praktisch cadmiumfrei wird.
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Cadmium kommt gewöhnlich in kleinen Mengen in Zinkerzen vor. Das gesamte
in den Zinkschmelzofen gegebene Cadmium wird reduziert und zusammen mit dem Zink
verdampft und daher in dem geschmolzenen Blei im Kühler gelöst.
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Die aus dem Schmelzofen kommenden Gase enthalten neben Zinkdampf auch
eine beträchtliche Menge von nicht kondensierbaren Gasen, in der Hauptsache Stickstoff,
Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd. Wenn diese Gase durch den Kühler strömen, erhöht
sich die Temperatur des geschmolzenen Bleis, wobei die von ihm aufgenommene Eigenwärme
nicht nur der bei der Kondensation des Zinkdampfes, bei der das Zink im Blei in
Lösung geht, entspricht, sondern zusätzlich hierzu auch noch der von den inerten
Gasen bei ihrer Kühlung durch das Blei abgegebenen Wärme. Der Wärmeverlust des Kühlers
auf Grund von Strahlungen und Konvektion ist verhältnismäßig gering. Die Wärmemenge,
die aus dem Blei vor seiner Rückkehr aus dem Kühler abgeführt werden muß, ist demnach
größer als die Wärmemenge, die zur Verdampfung des im Kühler aufgenommenen Zinks
erforderlich ist.
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Die für die erneute Verdampfung benötigte Wärme wird somit durch die
Eigenwärme des geschmolzenen Bleis geliefert.
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Der Zinkdampf kann aus dem Blei, welches auf an sich bekannte Weise
aus dem Kühler kommt, durch Vakuumverdampfung von einer großen Oberfläche von geschmolzenem
Blei gewonnen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig.
1 einen senkrechten Schnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, Fig. 2 eine entsprechende Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung und Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2, in welchem ein weiteres
Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
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Nach der Zeichnung wird Blei, welches durch einen Kühler gegangen
ist, - durch den die aus einem Zinkschmelzofen stammenden Gase geschickt werden,
mit einer Temperatur von etwa 560 bis 620° C durch ein dicht unter der Oberfläche
in dem geschmolzenen Blei mündenden Rohr 2 in den Ringraum 3 eines Gefäßes 1 geleitet.
Das Blei steigt in diesem Raum bis zur Höhe eines rechtwinkligen Flansches 4 auf,
der um die obere Öffnung des Verteilungsrohrs 5 angeordnet ist. Im Flansch 4 sind
eine Anzahl von Öffnungen 6 angebracht, durch die das Blei gleichmäßig um den Umfang
des Verteilungsrohrs 5 verteilt hindurchsickert.
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Das Verteilungsrohr 5 ist mit einem nach außen gerichteten oberen
Rand 7 versehen, über den das Blei in einer dünnen, die Innenseite des Rohres 5
bedeckenden Schicht überläuft. Durch den in dem Gefäß herrschenden Unterdruck verdampft
ein Teil des im Blei enthaltenen Zinks und Cadmiums, während das Blei an der Innenseite
des Rohrs 5 nach unten fließt. Das Blei bildet am Boden des Gefäßes ein Bad
B. Ein seitlich angeordnetes Rohr 9 führt in ein weiteres Bad von
Blei 10 in dem Gefäß 11, von wo aus das Blei in ständigem Strom zum Kühler zurückfließt.
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Das senkrechte Kühlerrohr 12, das aus einem geeigneten wärmeleitfähigen
Material, wie Gußeisen, gefertigt ist, weist eine obere Verlängerung 13 auf, die
mit einer wärmeisolierenden Auskleidung 14 versehen ist. Die obere Verlängerung
13 ist an einem entfernbaren Deckel 25 aufgehängt. Das Kühlerrohr ist mittels
einer entfernbaren Kühlfalle 15 an der Vakuumleitung 16 angeschlossen. Die Verbindung
mit der Vakuumleitung 16 ist so angeordnet, daß dieselbe durch den Deckel
25 hindurchtritt, der mittels eines zwischengeordneten, zusammendrückbaren
Abdichtungsringes 26 hermetisch abgedichtet auf der Vakuumkammer aufliegt. Ein ähnlicher
Ring 17 dichtet die entfernbare Kühlfalle 15 an der Vakuumkammer ab.
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Das Kühlrohr ist von einer Kühlschlange 18 umgeben, durch die Kühlwasser
fließt. Wenn die Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird, kondensiert das aus dem geschmolzenen,
zinkhaltigen Blei, während dieses über die innere Fläche des Verteilungsrohrs 5
läuft, verdampfende Zink und Cadmium in festem Zustand an der Außenseite des Kühlrohrs
12 sowie an dessen oberer Verlängerung 13 wie auch um die Kühlschlange 18. Dieser
Niederschlag von festem Zink wächst bei weiterem Betrieb somit an, bis ein ausgeglichener
Zustand erreicht wird, wenn eine Hülle aus festem Zink 19 das Kühlrohr und die Kühlschlange
umgibt und weiteres, kondensiertes Zink als flüssiges Metall abtropft, welches in
einem Trog 20 aufgefangen wird. Der Trog steht über ein Rohr 21 mit einem Bad aus
geschmolzenem Zink im Gefäß 22 in Verbindung.
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Damit das geschmolzene Zink in tem Trog 20 gehalten wird und nicht
aus demselben überfließt, wird die Höhe des Zinks in dem Gefäß 22 geringfügig größer
als ein barometrischer Druck des Zinks unter dem Rande des Troges 20 gehalten,
der aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist. Die Höhe des im
Gefäß 11 stehenden Bleis 10 wird in gleicher Weise auf einer etwas größeren Höhe
gehalten, als es dem Druck der Zinksäule unterhalb des Randes des Troges 20 entspricht,
so daß das Blei ständig den unteren Teil des Troges umgibt, jedoch nicht über den
Rand in den Trog hineinfließt.
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Axial im Kühlrohr ist ein Strahlungserhitzer 23 angeordnet, der eine
Verstopfung des Kühlrohrs 12 durch festes Zink verhütet.
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Das Blei gelangt mit einer Temperatur von etwa 560 bis 620° C in den
Kühler. Der Zinkgehalt dieses Bleis kann zwischen 0,8 und 2,5 % betragen. Bei einem
typischen Betriebsfall tritt das Blei mit 560° C ein und enthält 1% Zink. Während
das Blei am Verteilerrohr 5 nach unten fließt, verdampfen 0,25 % Zink, so daß das
im Bad 8 befindliche Blei 0,75% Zink enthält. Das verdampfte Zink kondensiert zum
größten Teil an der Außenseite der Hülle 19, wodurch sich der nicht kondensierte
Teil, sobald er in das Kühlrohr eintritt, mit Cadmium anreichert. Die weitere Kondensation
findet an der Innenseite des Kühlrohrs in der Nähe des nicht isolierten Teils 12
statt, so daß der von hier abströmende Zinkdampf weiterhin an Cadmium angereichert
ist.
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Das an der Hülle 19 kondensierte Zink, das sich durch Berührung mit
festem Zink gebildet hat, hat notwendigerweise eine dem Schmelzpunkt von Zink entsprechende
Temperatur von 420° C. Es fällt in den Trog 20, wo es durch das geschmolzene Blei
des Bades 8 erwärmt wird, so daß ein Teil des Zinks verdampft. Die Verdampfung von
0,25% Zink aus dem Blei, während dieses am Verteilungsrohr 5 nach unten fließt,
verbraucht genügend Wärme, um das Blei von 560° C um 40° abzukühlen. Das Blei im
Bad 8 kann sich bis auf 480° C abkühlen und ist dennoch in der Lage, Wärme an das
im Trog 20 befindliche Zink abzugeben, da bei dem vorliegenden Unterdruck Zink selbst
noch bei einer Temperatur von 450° C verdampfen kann: Das Blei weist daher noch
genügend Wärme auf, um eine beträchtliche Menge von Zink im Trog 20 wieder zu verdampfen.
Dieses wiederverdampfte Zink ist erheblich reicher an Cadmium als das flüssige Zink,
aus welchem es entstanden ist. Wenn dieses wiederverdampfte Zink wiederum zum größten
Teil an der Hülle 19, insbesondere an der Innenseite des Kühlrohres 12, kondensiert
wird, steigt der Cadmiumgehalt im nicht kondensierten Teil abermals. Es ist demnach
möglich, einen kleinen Teil von Zinkdampf, der außerordentlich hoch mit Cadmium
angereichert ist, durch den oberen isolierten Teil des Kühlrohres abströmen zu lassen
und ihn als festen Niederschlag 24 in der Kühltasche 15 zu gewinnen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zusammen mit einer Vorrichtung
benutzt werden, die mit einer zusätzlichen Zinkrückkühlung, bestehend aus einer
Anzahl von geneigten, ringförmigen Rieselflächen, über die geschmolzenes Zink fließt,
arbeitet. Eine derartige kombinierte Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Das
Zink, welches an dem Verteilungsrohr 5 verdampft, kondensiert zu geschmolzenem Zink,
welches über die nach außen geneigten Flächen 33 fließt und verdampft wieder aus
dem über die nach innen geneigten Flächen 34 fließenden Zink. Das erneut verdampte
Zink wird größtenteils auf der Außenseite der Hülle 19 kondensiert, und das Verfahren
verläuft
sodann weiter in der oben beschriebenen Weise.
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Bei der Kondensation von Zink an der Hülle 19 ist der jeweils nicht
kondensierte Zinkdampf verhältnismäßig cadmiumreicher als das kondensierte Zink.
Um sicherzustellen, daß ein guter Anreicherungsgrad an Cadmium erzielt wird, ist
der Trog 20 im Verhältnis zu dem unteren Ende der Hülle 19 derart angeordnet, daß
zwischen der Unterseite der Hülle 19 und dem flüssigen Zink im Trog 20 ein verhältnismäßig
schmaler Spalt besteht, um hierdurch, soweit als möglich, ein Gleichgewicht in der
Verteilung von Cadmium auf Flüssigkeit und Dampf herzustellen. Hierdurch wird erreicht,
daß der am unteren Ende in den Kühler eintretende Zinkdampf im Vergleich zu dem
kondensierten Zink eine hohe Konzentration von Cadmium aufweist. Um die Anreicherung
an Cadmium des zuletzt kondensierten Teils von Zinkdampf weiter zu unterstützen,
ist der untere Teil 12 des aus Metall bestehenden Kühlrohres an seiner Innenseite
nicht isoliert, so daß an dieser Stelle eine weitere Kondensation von Zinkdampf
stattfindet, wobei das Zink zurückfließt, so daß der diesen Abschnitt des Kühlers
verlassende Zinkdampf erneut an Cadmium angereichert ist. Der obere Teil des Kühlrohres
ist mit einer isolierenden Auskleidung 14 an seiner Innenseite versehen.
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Der mit Cadmium angereicherte Zinkdampf gelangt nach oben in eine
wassergekühlte Tasche 15 (Fig. 1 und 2), wo er kondensiert und in Form einer festen
Ablagerung 24 anfällt. Die Tasche kann leicht abgenommen werden, um das mit Cadmium
angereicherte Zink herauszunehmen. Das hier anfallende Zink beträgt etwa 1% des
gesamten, ausgeschiedenen Zinks und enthält etwa 90 % des gesamten Cadmiums. Wenn
z. B. der Cadmiumgehalt 0,1% des Zinks ausmacht, enthalten die im Gefäß 22 gesammelten
99 0/0 Zink etwa 0,01% Cadmium, während das 1% Zink, das in der Kühltasche 15 anfällt,
etwa 9 % Cadmium enthält.
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Eine andere und ebenso wirksame Weise, die am Ende des Verfahrens
anfallende Ablagerung von mit Cadmium angereichertem Zink zu sammeln, besteht darin,
einen Rückflußkühler 29 nach Fig. 3 zu verwenden. Bei einem derartigen Kühler fließt
Wasser durch das Rohr 30 in den Kühler hinein, welchen es nach Durchfließen des
durch ein äußeres Rohr gebildeten Ringraumes 31 wieder verläßt. Der restliche
Teil von Zinkdampf schlägt sich als feste Schicht 32 an der Außenseite des Kühlers
29 nieder. Verschiedene Abwandlungen sind im Rahmen der Erfindung möglich.