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Verfahren und Einrichtung zur Behandlung von schmelzflüssi-
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gen Nichteisenmetallen und/oder deren Schlacken durch Aufblasen von
Reaktionsgasen Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Behandlung
von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen und/oder deren Schlacken durch Aufblasen
von Reaktionsgasen.
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Verfahren zur Abtrennung von in einem flüssigen Bad eines Nichteisenmetalles,
beispielsweise in Kupfer gelösten Begleitelementen, durch deren Reaktion zu jeweils
im flüssigen Metall unlöslichen Verbindungen durch annähernd senkrechtes Aufblasen
von Reaktionsgasen über wenigstens einen durch eine Düse gebündelten Gasstrahl auf
aie im wesentlichen blanke Badoberfläche, sino beKannt.
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Hierfür wurde beispielsweise mit der DE-PS 23 06 398 vorgeschlagen,
daß die Reaktionsgase mit so großer Strahlkraft aufgeblasen werden, daß eine um
den entstehenden Blaseindruck torusartig rotierende Schichtenströmung der Schmeize
zusammen mit dem Gasstrahl eine Reaktionseinheit mit definiertem Stoffübergang ergibt.
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Dabei bildet das Strömungsfeld des aufgeblasenen Gasstrahis zusammen
mit dem darunter rotierenden Strömungsfeld der Schmelze ein Reaktionssystem, welches
sehr vorteilhaft sowohl im Bereich der Gasphase als auch im Bereich der
flüssigen
Phase hohe Stoffübergangsgeschwindigkeiten gewährleistet, die einen optimalen reaktionskinetischen
Wirkungsgrad des Reaktionssystems ergeben und folglich zu kurzen Blaszeiten mit
insgesamt gegenüber älteren Verfahren wesentlich verbesserter Wirtschaftlichkeit
führen.
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Bei einer Weiterentwicklung solcher Verfahren zur Gewinnung eines
möglichst reinen metallischen Hauptproduktes wird beispielsweise in einem Schmelzzyklon
kontinuierlich das Eintragsmaterial (sulfidische Erze etc.) aufgeschmolzen und zur
Reaktion gebracht. Die Schmelzphase fließt durch nachgeschaltete Aufblasreaktoren
aer genannten Art, in denen in Stufen die Schmelze zuerst mit oxidierenden und sodann
mit reduzierenden Gasen behandelt wird.
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Dabei ergeben sich bei allen bisher bekannt gewordenen Reduktionsverfahren,
bei denen Reduktionsgas in Form von gebündelten Gasstrahlen auf die Schmelze geblasen
wird, Nachteile dadurch, daß ein Teil des Reduktionsgases mit Sauerstoff verbrannt
werden muß, um die erforderlich hohe Reaktionstemperatur im Brennfleck zu erzeugen
und die Wärmeverluste des Reaktors decken zu können. Das führt zu einem merklichen
Sauerstoffpartialdruck, wodurch das treibende Konzentrationsgefälle herabgesetzt
wird und damit die Reduktionsbedingungen verschlechtert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und
einer Einrichtung zur Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen und/oder
deren Schlacken durch Aufblasen von Reaktionsgasen der eingangs genannten Art die
Reaktionstemperatur möglichst weitgehend zu erhöhen und den Sauerstoff-Partialdruck
im Reduktionsgas herabzusetzen, um eine Verbesserung des Konzentrationsgefälles
zu erreichen und dadurch die bisher bestehenden Schwierigkeiten und technischen
Grenzen zu überwinden. Mit der Verbesserung der Reduktionsbedingungen
soll
auch die Wirtschaftlichkeit insbesondere des Hochgeschwindigkeits-Aufblasverfahrens
verbessert werden.
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Weiter soll mit der Erfindung eine unkomplizierte Einrichtung aufgezeigt
werden, die eine wirtschaftlich-sinnvolle Durchführung des verbesserten Verfahrens
ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe wird mit der Erfindung bei einem Verfahren
zur Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen und/oder deren Schlacken
durch Aufblasen von Reaktionsgasen der eingangs genannten Art dadurch erreicht,
daß das Reaktionsgas ein Plasma-Gas ist.
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Es ist zwar an sich bekannt, daß mit elektrisch erzeugten Plasmen
der Stoff- und Wärmeübergang und damit die Prozeßgeschwindigkeit und Effektivität
in metallurgischen Prozessen erheblich gesteigert werden kann. Dabei werden zumeist
Plasmabrenner als rein thermische Energiequelle für Einschmelzprozesse großtechnisch
eingesetzt.
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Beispielsweise beschreibt eine Studie des BATTELLE-Institutes (Geneva
Research Centres) mit dem Titel: Assessment of Prospects for Thermal Plasma Furnace
Technology" Volume la: State of the Art insbesondere Seiten 3-23 bis 3-32 unter
der Uberschrift "Existing Plasma furnaces" in Fig. 3.17 einen SKF-Plasma-Melt-Process
/ 503 zur Edelstahlgewinnung, in Fig. 3.20 einen Schmelzreaktor der Universität
von Toronto,
in Fig. 3.21 einen Plasmaofen zum Schmelzen von Ferrochromium,
in Fig. 3.22 einen Schmelzreaktor der Firma NORANDA, in Fig. 3.23 einen Schmelzreaktor
der Firma Linde usw.
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Diese Studie zeigt, daß Plasmabrenner als Reaktoren, bei denen Reaktionen
im Plasmabogen ablaufen, bisher noch nicht im praktischen Metallhüttenwesen angewendet
wurden. Eine Einbindung von Plasmabrennern in pyrometallurgische Prozesse hat sich
demnach großtechnisch nur dort einführen können, bei denen die Reaktionszone außerhalb
des Plasma-Brenners liegt und der Brenner im wesentlichen nur die Wärmequelle für
den Schmelzprozeß liefert.
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Mit Vorteil wird entgegen diesem Stand der Technik durch die Erfindung
der Plasmabrenner als thermische Energiequelle zur Behandlung von schmelzflüssigen
Nichteisenmetallen und/oder deren Schlacken aurch Aufblasen von Reaktionsgasen herangezogen,
wobei die Reaktionen hochwirksam im Bereich des Plasmabogens ablaufen.
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Hierbei ergibt mit großem Vorteil der Plasmabrenner eine inerte, gut
zu steuernde Wärmequelle mit hoher Energiedichte. Dadurch lassen sich Optimierungsprobleme
insbesondere im reaktionskinetischen Bereich in technischer wie auch in wirtschaftlicher
Hinsicht wesentlich leichter lösen, als dies bei mit konventionellen, zum Beispiel
fossilen Brennstoffen erzeugten Wärmequellen bisher möglich war. Ein weiterer Vorteil
ergibt sich dadurch, daß im Bereich der von Plasmabrennern erzeugten Temperaturen
selektive Trennungsvorgänge in verunreinigten Metallschmelzen wirtschaftlich erschlossen
werden, die sich bisher nicht oder nur in Laborversuchen realisieren ließen.
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Damit werden erstmals insoweit bestehende technische Grenzen erweitert
beziehungsweise überwunden.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß das Plasma-Gas als
gerichteter und vorzugsweise gebündelter Plasmastrahl auf die Oberfläche des Bades
aufgeblasen wird.
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In weiterer Ausgestaltung kann dies in einer solchen Weise erfolgen,
daß der Plasmastrahl als Hochgeschwindigkeits-Gasstrahl annähernd senkrecht derart
auf die Oberfläche des Bades geblasen wird, daß in dieser -ohne daß das Bad zum
Spritzen angeregt wird - ein Blaseindruck entsteht, in dessen Bereich eine konvektive
Badbewegung erzeugt wird.
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In vorzugsweiser Anpassung an reaktionskinetische Bedingungen bei
der Reduktion einer Metallschmelze und/oder Schlacke kann dabei als Plasma-Gas außer
Edelgas Wasserstoffgas verwendet werden.
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Wegen des hohen Stoffumsetzungsgrades, der durch Anwendung eines Plasma-Brenners
erreichbar ist, wird auch bei Verwendung von Wasserstoff-Gas eine sehr vorteilhafte
Wirtschaftlichkeit des Reduktionsprozesses erreicht, ganz abgesehen von der hohen
reaktionskinetischen Effektivität, durch die die Prozeßkosten weiter günstig beeinflußt
werden.
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Mit Vorteil kann zu Anfang der Behandlung des Metallbades ein Edelgas,
(zum Beispiel zum Zünden des Plasmabrenners) und im weiteren Verlauf der Reaktion
ein anderes Gas, beispielsweise Wasserstoffgas, verwendet werden.
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Auch können dem Plasma-Strahl feste, flüssige oder gasförmige, zur
Reaktion mit aem Uaa vorgesehene Reaktanten zugesetzt werden, beispielsweise Kohlenstoffträger,
die zusammen mit Plasmagas durch den Plasmabrenner geleitet und auf die Schmelze
geblasen werden.
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Gegebenenfalls werden die Kohlenstoffträger unter Anwendung von kinetischer
Energie in den Plasmastrahl eingeführt.
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Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind entsprechend den Merkmalen
der Ansprüche 10 bis 14 vorgesehen.
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Mit der Erfindung ergeben sich im wesentlichen folgende Vorteile bei
der Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen und/oder deren Schlacken
durch Aufblasen von Reaktionsgasen: - Da sich mit dem Plasmabrenner die Reduktionsgase
auf eine wesentlich höhere Temperatur bringen lassen als mit Gasbrennern, wird auch
die Temperatur der Schmelze an der Auftreffstelle auf bisher unerreichbare Temperaturhöhen
gebracht. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Reduktion an der Phasengrenze beziehungsweise
in der Gas/Metall-Grenzschicht signifikant vergrößert. Außerdem nimmt die Viskosität
der Schmelze ab, wodurch der molekulare Diffusionskoeffizient vergröderl wird. Zusätzlich
wird fallweise aufgrund der herabgesetzten Viskosität durch Schubkräfte des Gases
im Bereich der Phasengrenzfläche eine Badturbulenz erzeugt, wodurch eine weitere
Vergrößerung des effektiven Diffussionskoeffizienten bewirkt wird. Beide Effekte
zusammen verstärken im Zusammenwirken den Stoffstrom in der flüssigen Phase, wodurch
der Stoffübergang an der Phasengrenze Gas/Schmelze weiter beschleunigt wird.
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- Da auf die Schmelze reines Reduktionsmittel aufgeblasen wird, läßt
sich ein sehr niedriger Partialdruck von oxidierenden Komponenten in der gasseitigen
Phasengrenzschicht einstellen; damit wird das treibende Konzentrationsgefälle beziehungsweise
der Stoffstrom wesentlich erhöht.
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Wegen der hohen Temperaturen des Brennflecks im Bereich des Aufblaseindruckes,
insbesondere beim übertragenen Lichtbogen, bei dem die Schmelze die Anode bildet,
wird die Verflüchtigung von Arsen, Antimon und anderen Nebenelementen bei der Raffination
von Nichteisenmetallen, zum beispiel oei Kupfer, Kupfer begünstigt. Dies um so mehr,
als sich die Gaszusammensetzung, insbesondere die Schwefel- oder Sauerstoffpotentiale
sowie die Reaktionstemperaturen im Reaktor, unabhängig voneinander auf optimale
Verflüchtigungsbedingungen von selektierbaren Begleitmetallen einstellen lassen.
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Aus den genannten Gründen ist ein entsprechender Reaktor wesentlich
kleiner im Bauvolumen zu halten, als dies bei konventionellen Aufblas-Reaktoren
bisher der Fall war. Damit ergibt sich beispielsweise in Kombination mit einem Schmelzzyklon
eine äußerst kompakte und dabei leistungsfähige Gesamteinrichtung.
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Da die Regelzeit einer solchen Anlage relativ gering ist (hoher Massendurchsatz
bei kleinem Volumen), ergibt sich eine große Flexibilität bezüglich der Zusammensetzung
der zu verarbeitenden Materialien.
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Die optimalen Betriebsparameter in einzelnen Reaktorabschnitten lassen
sich wegen der freien Einstellbarkeit von Gasdurchsatz, Zusammensetzung, Druck und
Temperatur wesentlich besser einregeln und halten als bei bekannten Verfahren vom
Stand der Technik.
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Eine Rührwirkung in der Schmelze, wie sie beispielsweise bei bekannten
Verfahren durch den Hochgeschwindigkeitsstrahl erreicht wird, läßt sich bei Verwendung
von Plasmabrennern relativ problemlos durch
induktives Rühren bewirken,
da eine Stromversorgung grundsätzlich ohnehin bereitgestellt ist. Dies bedeutet
eine zusätzliche Verringerung des Gasverbrauchs.
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Eine Einrichtung zur Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen
und/oder deren Schlacken durch Aufblasen von Reaktionsgasen, insbesondere zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung mit einem zumindest eine Reduktionsstufe aufweisenden
Reaktor mit einer Einrichtung zum Aufblasen von Reaktionsgas auf die Schmelzbad-Oberfläche,
ist dadurch gekennzeichnet, aaß die Einrichtung zum Aufblasen von Reduktionsyaseinen
Plasmabrenner aufweist.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung dieser Einrichtung sieht vor,
daß der Reaktor mit einem Schmelzaggregat ausgestattet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung wird dadurch
erreicht, daß der Schmelzreaktor ein mit einem Brenner ausgebildeter Schmelzzyklon
ist.
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Mit Vorteil ist durch eine weitere Ausgestaltung die Reduktionsstufe
mit dem Plasmabrenner vom Schmelzreaktor und/oder einer Oxidationsstufe durch Wände
gasseitig getrennt. Dabei weisen die einzelnen Stufen getrennte Gasauslässe auf.
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Die Erfindung wird in der Zeichnung in einer Devorzugten Ausführungsform
gezeigt, wobei aus der Zeichnung weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung
entnehmbar sind.
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Die Einrichtung 1 zur Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen
oder deren Schlacken durch Aufblasen von Reaktionsgasen weist aufgabeseitig einen
Schmelzreaktor 2
mit einem Schmelzaggregat, beispielweise einem
Schmelzzyklon 3 auf. Diesem wird Erz beziehungsweise Konzentrat mit einer dosierenden
Aufgabevorrichtung 4 und Sauerstoff mittels einer Zuführung 5 und gegebenenfalls
fossiler Brennstoff mit einer Zuführung 6 aufgegeben.
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Ablaufende Schmelze, angedeutet durch den Pfeil 7, breitet sich auf
dem Herd 8 in einem dünnen Schmelzfilm aus und wird dabei einer weiteren Reaktion
und Erhitzung im Kontakt mit der aus dem Schmelzzyklon 3 austretende Flamme beziehungsweise
Flammengas unterzogen.
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Die vom Herd 8 ablaufende Schmeize bildet im Reaktor 9 ein Schmelzbad
10 aus. Vom Schmelzreaktor 2 erzeugtes, gegebenenfalls mit Schwefeldioxid und/oder
Kohlendioxid angereichertes Abgas wird durch den Gasauslaß 11 abgeführt.
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Als nächste Behandlungsstufe weist der Reaktor 9 eine Oxidations-
beziehungsweise Verschlackungsstufe 12 auf.
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Darin sind Sauerstoff-Aufblaslanzen 13 angeoranet, die beispielsweise
mittels Hochgeschwindigkeits-Blasstrahlen entsprechend der Lehre des bekannten Aufblasverfahrens
nach der DE-PS 23 06 398 mit hohem Wirkungsgrad unter Erzeugung einer Bad bewegung
Sauerstoff auf die Schmelzbadoberfläche 14 aufblasen und dabei Begleitelemente beziehungsweise
Metalle, die unedler als das zu gewinnende Metall sind, entweder verschlacken oder
durch die hohe Temperatur im Reaktionssystem verflüchtigen. Zum Abzug entstandener
Schlacke ist die Öffnung 15 vorgesehen, zum Abzug entstehender Gase oder Dämpfe
ist im Gasraum der Abzug 16 vorgesehen.
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Die Verschlackungs- und Oxidationszone 12 ist vom Schmelzreaktor 2
durch eine in das Schmelzbad eintauchende Wand 17 gasseitig getrennt. Der Verschlackungs-
und Oxidationsstufe 12 schließt sich in Durchlaufrichtung 18 eine Reduktionsstufe
19 an. Beide Stufen sind gasseitig durch eine ebenfalls in das Schmelzbad 10 eintauchende
Wand 20 voneinander getrennt. Die Reduktionsstufe 19 weist im
Deckenbereich
wenigstens einen Plasmabrenner 21 auf. Im Falle eines nicht übertragenen Bogens
sind im Brennerkopf 22 Kathode und Anode angeordnet. Im Falle eines übertragenen
Lichtbogens ist das Schmelzbad die Anode und demzufolge die die Reduktionsstufe
19 aufnehmenoe Reaktorkammer 23 mit einer bouenelektroue 24 ausgestattet.
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Der Plasmabrenner besitzt Zu- und Abführungen für eine Wasserkühlung
25, eine Stromzuführung 26 zur Kathode und zumindest eine Gaszuführung 27 für Reduktionsgas
R. Wie bereits geschildert, ist das Aufblasen von Plasmagas als Reduktionsgas im
Hochgeschwindigkeitsstrahl durch eine Düse vorgesehen, wobei auf dem Schmelzbad
10 ein Blaseindruck 28 entsteht. In dessen Bereich wird ein Brennfleck von sehr
hoher Temperatur gebildet, insbesondere durch die Energiezufuhr des Plasmagases.
Das darunterliegende Schmelzbad wird in turbulent rotierenden Konvektionsschichten
29 umgewälzt und ergibt ein reaktionskinetisches System von höchster Aktivität.
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Hierbei ergeben sich die im einzelnen bereits aufgeführten vorteilhaften
Reaktions- und/oder Verflüchtigungsbedienungen für das von störenden Begleitmetallen
und -elementen zu raffinierende metallische Hauptprodukt. Bei hohen Temperaturen
durch Verflüchtigung entstandene Metalldämpfe werden aurch den Gasabzug 30 abgezogen
und in bekannter Weise zur Gewinnung der darin enthaltenen Nebenelemente herangezogen.
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Insgesamt bietet die beispielhaft gezeigte Metallgewinnungs-Einrichtung
ein rationelles und wirtschaftliches Instrument zur Gewinnung eines relativ sehr
reinen Metall-Hauptproduktes und einer Reihe von selektierbaren Nebenprodukten.
Dies wird insbesondere erreicht durch die vorteilhafte Koppelung des Plasma-Reaktors
mit einem Vorschmelzreaktor. Während nämlich der Schmelzreaktor 2 unter Nutzung
von
Primärenergie wie Schwefel oder Kohle Umsetzungen una Phasenbildungsvorgänge
bewirkt, für die erhebliche Energiebeträge nötig sind, dient der Plasmareaktor in
der Reduktionszone 19 beziehungsweise Reaktorkammer 23 der nachfolgenden selektiven
Stofftrennung ausschließlich zum Zwecke der Raffination des Hauptproduktes und Gewinnung
von wertvollen Nebenelementen.
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Mit dem durch den Plasmabrenner erschlossenen Temperaturbereich bei
der Reduktion werden Verfahren wirtschaftlich erschlossen, die sich bisher nicht
oder nur in Laborversuchen realisieren liegen. Infolge des hohen Wärme-Einkopplungsgrades
werden insbesondere im Bereich oes Brennflecks optimale Verflüchtigungsbedingungen
erreicht, die dazu führen, daß Verunreinigungen wie Arsen und Antimon und gegebenenfalls
auch höhere Verdampfungstemperaturen aufweisende Elemente wie zum Beispiel Germanium
und andere mit verflüchtigt werden.
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Uberraschend hat sich dabei herausgestellt, daß durch die verbesserten
reaktionskinetischen Verhältnisse, die im einzelnen vorgängig dargelegt wurden,
ein Stoffübergangskoeffizient erreicht wird, der gegenüber bisherigen konventionellen
Verfahren zur Behandlung von schmelzflüssigen Nichteisenmetallen beispielsweise
beim Aufblasen von Reaktionsgasen um einen Faktor 5 verbessert werden konnte, während
der Ausnutzungsgrad des Reaktionsgases zumindest um einen Faktor 4 verbessert wurde.
Hierdurch ergibt sich insyesamt eine höhere Ausbeute, insbesondere von edleren und
teuren Begleitmetallen, beispielsweise bei der Produktion von Kupfer und anderen
Wert metallen, und dadurch insgesamt eine höhere Wirtschaftlichkeit entsprechender
Metaligewinnungsprozesse.
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Das günstige Zusammenwirken des erfindungsgemäßen Verfahrens mit aen
vorangehenden Stufen einer Aufschmelzzone und fallweise einer Oxidationszone ergibt
somit eine wesentliche Verbesserung bei Metallgewinnungs-und Raffinationsprozessen
und eine erhebliche Erweiterung beziehungsweise Überwindung bisher bestehender technischer
Grenzen und Schwierigkeiten.
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Somit erfüllt die Erfindung in idealer Weise und mit Anwendung relativ
unkomplizierter Mittel die eingangs gestellte Aufgabe.
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