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BESCHREIBUNG
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Verfahren zum Aufblasen von Xeaktions- un brenngasen auf Stand der
Technik und Abgrenzung Schmelzbäder Das Verfahren zur Beh-ndlung von schmelz.flüssigen
Nichteisenmetallen, inshesonderc Kupfer, durch Aufblasen von Reaktionsgasen ist
in der deutschen Patentschrift 2306 398 beschrieben.
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Eine Reihe anderer Patentschriften des In- und Auslandes bezieht sich
auf das Aufblasen auf Schmelzen, insbesondere auf Roheisen, mit unterschiedlichen
Verfahrenstechniken. Aus der Schweißtechnik sind für das Brennschneiden Düsenkonstruktionen
bekannt, die die gleichzeitige Verwendung von Brenngas und einem besonderen Schneidgas
(Sauerstoff) ermöglichen.
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Der dieser Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht in der Verwendung
einer ähnlichen Düsenkonstruktion zur Erzeugung einer Zwei-Schichten-Staupunktströmung
auf der Oberfläche eines Schmelzbades.
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Funktionsweise und Vorteile Beim Aufblasen sollte aus kinetischen
und hydrodynamischen Gründen die Übertragung von Wärmc auf die Schmelze und die
Reaktion der Gase mit der Schmelze möglichst an der gleichen Stelle, nämlich im
Brennfleck stattfinden, jedoch sind für die Wärmeübertragung andere Gaszusammensetzungen
und -geschwindigkeiten als für den Stoffübergang optimal. Es ist deshalb von Vorteil,
wenn Reaktions- und Brenngase zwar gemeinsam, aber ohne Vermischung aus einer Lanzenspitze
austreten können und daß das Reaktionsgas - nicht das Brenngas - mit der durch die
Schmelzbadoberfläche dargestellten Phasengrenze unter stoffübergangsbegünstigenden
Bedingungen in Kontakt tritt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb die in der Abb.
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darstellte Funktionsweise vor: Der auf die Schmelze (1) auftreffende
Gasstrahl besteht aus einem Reaktionsgasstrahl (2) und mehreren Brenngasstrahlen
(3). Der Reaktionsgasstrahl wird im Staupunkt (4) umgelenkt und tritt während des
Abströmens im Bereich des Brennfleckes (5) als dünner Film mit
hoher
Gcschwindigkcit in Kontakt mit der Schmelze. Abhängig vom Düsenvordruckverhältnis,
von Temperatur und Gaszusammcnsetzung tritt während des Abströmens die Vermischung
des Brenngase mit dem Reaktionsgas ein. Die Wärmeübertragung durch die dünne Reaktionsgasschicht
an die Schmelze erfolgt durch Strahlung und Leitung. In der Lanzenspitze (6) sind
die zentrale Reaktionsgasdüse sowie dazu konzentrisch mehrere Brenngasdüsen untergebracht,
deren Anstellwinkel (7) so bemessen sind, daß sich das Brenngas gerade nicht mehr
mit dem Reaktionsgas (Ausbreitungswinkel (8)) vermischt. Durch Wahl eines geeigneten
Düsenvordruckverhältnisses Brenngas/Reaktionsgas können die kinetischen und hydrodynamischen
Bedingungen für den Stoffübergang an der Düsengrenze optimiert werden.
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Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind: a)
Durch die Konzentrierung des Wärmeübergangs auf den Brennfleck werden günstige Bedingungen
an der Stelle eingestellt, an der auch der Stoffübergang stattfindet. Dies führt
insbesondere bei Reduktionsvorgängen zu einer Einsparung an Reduktionsgasen und
zu einer Erhöhung der Stoffübergangsgeschwindigkeit.
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b) Es können unabhängig von den Brenngasen unterschiedliche Reaktionsgase
(Inertgas ist als Sonderfall ebenfalls möglich) im Brennfleck zur Wirkung kommen,
wodurch der Stoffübergang Gas/Schmelze unabhängig vom Wärmebedarf dem jeweiligen
chemischen Zustand der Schmelze angepaßt werden kann.
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Weitere, zum Stand der Technik gehörende Verfahrensmerkmale Die Düsen
oder der gemeinsame Düsenkopf werden im allgemeinen in einer Mehrkanallanze eingebaut,
die die getrennte Zuführung von Reaktions- und Brenngas druckunabhängig ermöglicht,
wie das z. B. bei Schneidbrennern der Fall ist. Wenn die Wärmestrahlung intensiv
ist, wird die Lanze durch einen Wasserzwangsumlauf gekühlt; um dabei entstehende
Wärmeverluste zu
verringern, kann darüber eine keramische Isolierung
angebracht werden. Die Lanze selbst ist im allgemeinen in senkrechter Richtung beweglich,
um den optimalen Abstand zur Schmelze einzustellen oder um sie vollständig aus dem
Ofen zu entfernen.
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Weitere Verfahrensmerkmale stellen die Gasversorgungsanlagen für Reaktions-
und Brenngase dar sowie ein Ofen, der die Schmelze enthält, die diskontinuierlich
bzw. kontinuierlich durch das erfindungsgemäße Aufblasverfahren behandelt wird.
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Beispiele Die Reduktion sauerstoffhaltigen Kupfers mit reduzierenden
Gasen/Gemischen zur Herstellung von Anoden- oder Halbzeugkupfer ist bei hohen Temperaturen
besonders günstig. Bei der Verwendung von reinen Reduktionsgasen wird die Schmelze
jedoch gerade im Brennfleck abgekühlt, weil die Gase durch die adiabatische Expansion
in der Düse relativ kalt sind und teilweise vor der Reaktion noch Zerfallswärme
benötigen. Gleicht man die benötigte Wärmemenge durch Zuführung von Brenn-Sauerstoff
aus, so geht das Reduktionspotential des Gases und damit die Reduktionsgeschwindigkeit
zurück. Die vorgeschlagene Verfahrenstechnik verhindert dagegen die Abkühlung der
Schmelze im Brennfleck und ermöglicht bei hohen Temperaturen günstigere Reaktionswärmen
und Reduktionswirkungen mit einer vergleichsweise geringen Reduktionsgasmenge.
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NE-Metall-Schmelzen mit relativ niedrigen Dampfdrücken, z. B.
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Kupfer oder Zinn, die Verunreinigungen mit höheren Dampfdrücken enthalten,
wie z. B. Blei oder Wismut, lassen sich mit heißen, neutral bis reduzierenden Gasgemischen
raffinieren. Auch für diesen metallurgischen Vorgang kann die vorgeschlagene Verfahrenstechnik
vorteilhaft eingesetzt werden.
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Mit heißen, reduzierenden Flammen können durch die vorgeschlagene
Verfahrenstechnik die in der Schlacke oxidiert vorliegenden NE-Nutzmetalle bis zu
außergewöhnlich niedrigen
Gehalten herausreduziert werden. Sie können
entweder unter der Schlacke schmelzflüssig gesammelt oder in Form von Metall oder
Oxid verflüchtigt werden. Eine wirksame Abtrennung der flüchtigen Bestandteile von
der flüssigen Schlacke setzt voraus, daß an der Phasengrenze im Brennfleck genau
einstellbare Sauerstoffpartialdrücke herrschen, damit die Rückoxidation nicht zu
früh erfolgt.
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NE-metallurgische Schlacken enthalten relativ viel Eisen in Form von
FeO, das als ein zähigkeitsvermindernder Bestandteil zählt. Oxydierende Behandlung
der Schlacke und zu niedrige Temperaturen sowie geringe Konvektion sind der Grund
für die Bildung von Magnetit, Fe304, das die Löslichkeit für einige Metalloxide
erhöht und zähigkeitserhöhend wirkt. Zähe Schlakken weisen ein ungünstiges Trennverhalten
in Bezug auf die nutzmetallalti-e Phase, wie z. B. Metall oder Stein, auf, hohe
Verluste sind die Folge. Mit einer reduzierenden Behandlung der Schlacke bei hohen
Temperaturen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Magnetitgehalt der Schlacke
leicht steuerbar.
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L e e r s e i t e