DE2306398A1

DE2306398A1 - Verfahren zur behandlung von schmelzfluessigen nichteisenmetallen, insbesondere kupfer, durch aufblasen von reaktionsgasen

Info

Publication number: DE2306398A1
Application number: DE2306398A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Ing Wuth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1973-02-09
Publication date: 1974-08-29
Also published as: DE2306398B1; BE810577A; YU32874A; US3902895A; YU39650B; ZM1174A1; JPS49112824A; HU167695B; GB1457175A; DE2306398C2; RO67583A; JPS5725623B2; PL90781B1

Description

Belegexemplar Darf nicht geändert werden

Anlage zum Patehtg'esücil.-fcan : ·..' H 73/5

Prof. Dr.-Ing. ¥. Wuth, Berlin Lg/Kr

vom 7. Februar 1973

Verfahren zur Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen, insbesondere Kupfer, durch Aufblasen von Reaktionsgasen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von in einem flüssigen Bad eines Nichtei.senxaetalles, insbesondere in Kupfer gelösten Begleitelementen durch Überführung der Begleitelemente in jeweils in dem flüssigen Metall unlösliche Verbindungen durch Aufblasen von Reaktionsgasen.

Die Abtrennung von in flüssigen Metallen, vor allem in Kupfer gelösten Begleitelementen, insbesondere von Begleitaetallen mit Hilfe von Reaktionsgasen wird bisher in der Weise durchgeführt, daß beispielsweise das flüssige, noch gelöste Begleitmetalle enthaltende Metall einem Drehflammofen, einen Raffinationskessel oder einem stationären Herdofen aufgegeben und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkt·« gehalten wird, während gleichzeitig auf oder in das Metallbad Reaktionsgase, in erster Linie Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft geblasen wird. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß sich relativ lange Blaszeiten ergeben und daß sich insbesondere beim Einführen der Reaktionsgase direkt in das Metallbad durch Erstarren

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von.Metall Im Bereich der Düsenmündungen die des Metallbad zugekehrte oder eingetauchte Düsenmündungen im Laufe der Zeit zusetzen, eo daß ein® genaue Kontrolle der Behandlungsdauer wesentlich erschwert wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 122 090 ist für das Frischen von Roheisen und anderen Eisenschmelzen mittels sauerstoffhaltiger Frischgase ein Verfahren bekannt, bei dea die sauerstoffhaltigen Gase in etwa senkrecht auf die mit einer relativ dicken Schicht einer metallurgischen Schlacke abgedeckte Badoberfläche aufgeblasen werden, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die Badoberfläche an der Stelle des Blasstrahleindraekes aufreißt und große Metallmengen in Tropfenfora in dl· Ofenatmosphäre hineinsprUhen, die nach der Reaktion mit den sauerstoffhaltig©!! Gasen der Ofenataoaphäre in die Schlacke fallen und dort wegen ihrer feinen Verteilung auf eine große Fläche des Bades einer guten und raschen Reaktion mit der das Bad bedeckenden metallurgischen Schlacke ausgesetzt sind. Ein derartiges Verfahren 1st für die Abtrennung von Beglelt»lementen aus NE-Metallen, insbesondere aus

Kupfer nicht anwendbar.

Die Erfindung hat das Ziel, unter Vermeidung der Nachteile des bekannten Verfahrens insbesondere dia Blaszelten bei der

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Abtrennung von Begleitelementen aus flüssigem Kupfer zu verkürzen, dantben aber auch reproduzierbare Stoffübergangsverhältnisse und damit die Voraussetzung für eine kontinuierliche Verfahrensweise zu schaffen.

Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß die Reaktionsgase Über wenigstens einen Gasstrahl in etwa senkrecht auf die im wesentlichen blanke Badoberfläche mit so großer Strahlkraft aufgeblasen werden, daß die um den im Staupunkt des Strahles auf der Badoberfläche befindlichen Blaseindruck ia wesentlichen toru3artig rotierende Schmelze zusammen mit dem Gasstrahl eine durch die konvektiven Verhältnisse des System· begrenzte Reaktionseinheit mit definiertem StoffUbergang ergibt. Dabei bilden das Strömungsfeld eine3 aufgeblasenen Gasstrahls und das nachfolgend näher beschriebene Strömungsfeld der darunter torusartig rotierenden Schmelze zusammen ein Reaktionssystem, das vorteilhafterweise sowohl im Bereich der Gasphase als auch im Bereich der flüssigen Phase hohe Stoffübergangsgeschwindigkeiten gewährleistet, die zu kurzen Bla»- zeiten führen.

Ein solches Reaktions system wird im wesentlichen durch die aiteinander in einem Kräftegleichgewicht stehenden "beiden Konvektionsströme des durch die Düse aufgeblasenen Gases und der

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unter und in einem bestimmten Bereich um die Auftreffstelle herum befindlichen Schmelze beschrieben. Der Konvektionsstrom der Schmelze ist eine Folge des Konvektionströme des Gasstrahlss, der auch die gasförmigen Reaktionsteilnehmer
heran, bzw. forttransportl^rt. An der Auftreffstelle eines
jeden Strahles entsteht auf der Badoberfläche ein Blaseindruck von bestimmter Tiefe, wodurch sich im wesentlichen ein Kräftegleichgewicht zwischen der Strahlkraft und der Aufkraft
der Flüssigkeit ausbildet. Die Reibung des im Staupunkt umgelenkten Strahles an den Wänden dieses Blaseindrucks ruft
in Zusaniaenwirkung mit den Wänden des Ofenraumes oder bei
mehreren Gasstrahlen mit der Begrenzungslinie des angrenzenden Reaktionseystems eine an Blaseindruck nach oben, an der Badoberflüche vom Eindruck weg und an der Ofenwand, bzw. an der Systembegrenzungslinie nach unten gerichtete, in Bezug
auf den Blaseindruck also im wesentlichen torusartig rotierende Strömung hervor. Auf diese Weise gelangt ständig aus der Badtiefe frische Schmelze an die Badoberfläche, wo sie alt
den Reaktionsgasen reagieren kann.

Bekanntlich ist es beispielsweise zur Entfernung von Begleitelementen aus flüssigem Kupfer notwendig, Sauerstoff in die Schmelzet hineinzubringen, und den in der Kupferachoelze gelösten Sauerstoff mit den in der Kupferschmelze gelösten Verunreinigungen zur Reaktion und Überschuß-Sauerstoff aus der

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Schmelze heraus zu bringen. Wenn aufgrund besonderer Maßnahmen die Einzelvorgänge schnell ablaufen, ist auch der Gesamtvorgang der Entfernung von Begleitelementen aus flüesigem Kupfer schnell. Das oben beschriebene Reaktion*system ermöglicht solche schnellen Abläufe. Z. B. beträgt die Stoffstromdichta des bei der Oxydation mit Luft in die Schmelze

-2 —1 gehenden Sauerstoffs ca. 0,1 kg.m .8 . Ein gleicher Wert wird bei der Reduktion sauerstoffhaltigen Kupfers für die Stoffstromdichte des aus dem Kupfer herausgehenden Sauerstoff· erreicht, wenn der Gasstrahl überwiegend au« Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht.

Die Strahlkraft, die durch eine Blaslanze erzielt wird, bestimmt den Wirkungsbereich eine» Reaktionssystems. Je größer der Durchmesser der im Lanzenkopf befindlichen Düse ist, bei sonst gleichen Ausströmbedingungen, desto größer ist auch die Strahlkraft und der Eindruckdurchmesser und damit die Abmessungen des Konvektionsfeldes der Schmelze.

Optimale Stoffstromdichten werden erreicht, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Schmelzbad der Reaktionseinheit senkrecht zur Strahlrichtung einen Durchmesser von etwa 2 bis 5, vorzugsweise 3 Blaseindruckdurchmeeaern aufweist und die Tiefe einem Wert von etwa der Hälfte de«

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^bra-Schmelzbaddurchmessers, vorzugaweise 1,5 Blaseindruckdurchiaessern entspricht.

Wenn mehrere Blaslanzen neben- und/oder hintereinander angeordnet werden, entspricht gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Abstand von Blasstrahl zu Blaastralil etwa dem 2 bia 5-fachen, vorzugsweise dem 3-fachen des Blaseindruckdurchmesaers.

Bei den vorgenannten erfindungsgenäßen Werten handelt eo sich um die günstigste Einstellung. Bei größeren Werten verlängert

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sich die Reaktionszeit, da/infolge des größeren Badvolumens zwangsläufig der Konzentrationsausgleich innerhalb des Bades verlängert. Dies ist Jedoch bei großtechnischen Anlagen durchaus noch wirtschaftlich, so daß auch größere Werte noch in Rahmen der Erfindung liegen.

Um das Verspritzen der Schmelze zu verhindern, darf «in· bestimmte Tiefe des Blaseindrucke nicht Überschritten werden. Da die Blaseindrucktiefe sowohl durch zunehmende Strahlkraft als auch durch abnehmenden Abstand zwischen DUsenmündung und Badoberfläche in bekannter Weise vergrößert wird, muß mit zunehmender Strahlkraft der Abstand vergrößert werden und umgekehrt. Die kritische Eindrucktief·, bei der bestmöglich· Konvektionsverhaltnisse in der Schmelze herrschen^ ©fass daß dies·

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verspritzt, Ist nicht nur für Jedes Metall ein spezifischer Wert, sondern hängt wesentlich vom Typ der ablaufenden Reaktion ab. So vird für die Oxydation des Kupfers ein Wert von ca, 1,8 cm gemessen; bei der Reduktion jedoch nur ca. 1,9 ca. Das Maß des zulässigen Verspritzens wird durch wirtschaftlich· Faktoren wie z. B. Mauerwerksverschleiß, zusetzen von Arbeiteöffnungen etc. begrenzt. Geringes Verspritzen ist für dl· Durchführung des Verfahrens ohne Bedeutung. Besonders vorteilhaft für das Verfahren Ist es, wenn erfindungsgemäß die Strahlkraft und der Abstand der DüsenmUndung von der Badoberfläche entsprechend der durchzuführenden Reaktion (Oxydation oder Reduktion) so eingestellt sind, daß das Metallbad an der Blaseindruck stelle gerade nicht spritzt.

Die Verwendung einer Lavaldtlse an Stelle einer einfachen konvergenten Düse hat bekanntlich den Vorteil, durch die störungsfreie Nachexpansion des Strahls höhere Austrittsgeschwindigkeiten und damit höhere Strahlkräfte unter sonst gleichen Bedingungen zu ermöglichen. In bezug auf die vorliegende Erfindung hat die störungsfreie Nachexpansion aus einer LavaldUse den Vorteil, den Grenzwert der kritischen Strahlkraft heraufzusetzen, bzw. den Wert des kritischen Abstandes DUsenmündung-Badoberfl'iche herabzusetzen. Die Abmessungen der Lavaldüsen müssen zu diesem Zweck den verwendeten Gasdrücken angepaßt werden, damit Verdichtungsstoße vermieden werden.

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Die Sauerstoffaufnahme beispielsweise von flüssigem Kupfer mit Hilfe des vorerwähnten Reaktionssystems iet so schnell, daß der Übliche Grenzwert von ca, Λ% nach ca. 4 Minuten trreicht ist* Die Oxydation der im Kupfer gelösten Verunreinigungen durch den im Kupfer gelösten Sauerstoff iat zwar langsamer, wird aber durch höhere Säuerstoffgehalte im Kupfer beschleunigt. Es ist deshalb insbesondere bei hohen Anforderungen an die Reinheit des Raffinade-Kupfers in bezug auf bestimmte Verunreinigungen zweckmäßig, den Sauerstoffgehalt bis dicht unter die Sättigungsgrenze ansteigen zu lassen.

Da davon ausgegangen werden kann, daß die Reaktion des flüssigen Motallbades, beispielsweise Kupfer, mit den Reaktionsgasen im wesentlichen im Bereich der Eindruckstelle erfolgt, die Fläche der Eindruckstelle aber bestimmbar ist, erhält man die Möglichkeit, mit Hilfe gemessener Stoffstromdichten des Reaktionssystems die Leistungsfähigkeit entsprechender kontinuierlich oder diskontinuierlich betriebener Reaktoren zu kalkulieren. Anhand eines solchen Beispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.

Auf ein Metallbad aus flüssigem Kupfer wurde zur Abtrennung der gelösten Begleitmetalle Luft aufgeblasen, wobei die Strahlkraft und der Abstand Düsenauindung Badoberfläche so eingestellt war, daß ein Eindruck von 1,78 cm entstand, ohne

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daß nennenswerte Spritzer auftraten. Hierdurch wurde eine Stoffstromdichte von 0,1 kg Sauerstoff pro m Blaseindruckfläche und Sekunde in das Kupferbad hinein erzeugt. Die Leistung des Reaktors ist das Produkt aus diesem Wert und der

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spezifischen Reaktionsoberfläche in m /m , die das Reaktionssystern zur Verfügung stellt. E3 ist charakteristisch für die letztere Größe, daß sie mit zunehmenden Blaseindruckdurchmessor kleiner wird. Deshalb dürfen die Abstände Düsenmündung BadoberflSche nich - zu groß, die Anzahl der Blaslanzen nicht zu klein gewählt werden. Für eine Produktion von 100.000 Jato Raffinade-Kupfer, entsprechend 3,85.10 kg Sauerstoff pro β, wenn bis zu einem Gehalt von Λ% Sauerstoff oxidiert wird, sind z.B. 20 Blaslanzen mit Blaseindruckdurchmesaern von 0,157 » erforderlich.

Wenn die Produktion z.B. in 2 kontinuierlich betriebenen öfen mit 2 Reihen zu Je 5 Lanzen durchgeführt wird, beträgt wegen der voranstehenden geometrischen Beschreibung des R·- alctionssystems die Ofenbreite 0,157 ο .3.5« 2,36 m und die Badtiefe 0,157 m . 1,5 « 0,236 m. Für die nachgeordnete Reduktion gilt entsprechendes. Die übrigen Abmessungen des Ofens richten sich Jeweils nach den üblichen wärmetechnischen und metallurgischen Bedingungen für die Verarbeitung des entsprechenden Metalles. Ira Falle eines kontinuierlich betriebenen Ofens .kann es zweckmäßig sein, die Blaslanzen in Durch-

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'.Laufrichtung der Schmelze soweit zu neigen, daß der Durchfluß des Metalles unterstützt wird, ohne daß die Tiefenwirkung der. torusartig um den Blaseindruck rotierenden Schmelze hierdurch beeinträchtigt wird.

Patentanspruch

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Claims

Pa tan tan sp rU ehe

1. Verfahren zur Abtrennung von in einem flüssigen Bad eines Nlchteisenmetalles, insbesondere in Kupier gelösten Begleitelemanten durch Überführung der Begleitelemente in jeveils in dem flüssigen Metall unlösliche Verbindungen durch Aufblasen von Reaktionsgasen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgase über wenigstens einen Gasstrahl in etwa senkrecht auf die im wesentlichen blanke Badoberfläche mit so großer Strahlkraft aufgeblasen werden, daß die um den im Staupunkt des Strahls befindlichen Blaseindruck im wesentlichen torusartig rotierende Schmelze zusammen mit dem Gasstrahl eine durch die konvektlven Verhältnisse des Systems begrenzte Reaktionseinheit mit definierten Stoffübergang ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzbad der Reaktionseinheit senkrecht zur Strahlrichtung einen Durchmesser von etwa 2 bis 5, vorzugsweise 3 Blaseindruckdurchmesaern aufweist und die Tiefe einem Wert von etwa der Hälfte des Schmelzbaddurchmessers, vorzugsweise 1>5 Blaseindruckdurchmessern entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anordnung mehrerer Blaslanzen neben- und/oder hin-

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tereinander der Abstand von Blasstrahl zu Blasstrahl etwa dem 2 bis 5-fachen, vorzugsweise dem 3-fachen des Blaseindruckdurchmessers entspricht.

4« Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlkraft und der Abstand der DUsenmUndung von der Badoberfläche Je nach Art der verwendeten Reaktionsgase so eingestellt sind, daß das Metallbad an der Eindruckstelle gerade nicht spritzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von angepaßten Laval-DUsen die Spritzgrenze des Metalls erst bei höheren Gasdrücken erreicht wird, wodurch größere Gasmengen aufgeblasen werden können.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3» 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Behandlung einer Kupferschmelze mit oxidierenden Reaktionsgasen die Sauerstoffgehalte des Kupfers je nach Größe des gewünschten Mindestgehaltes von einem oder mehreren Begleitelementen bis dicht unter die Sättigungsgrenze ansteigen.

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