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Verfahren zum Gewinnen von metallen und Legierungen im elektrischen
Ofen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen von Metallen und Legierungen
aus Oxyden oder oxydischen Erzen mittels Reduktion im elektrischen Ofen unter solchen
Bedingungen, daß eine das Metall oder die Legierung bedeckende Schlackenschicht
gebildet wird.
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Um die Reduktion bei elektrometallurgischen Verfahren zu erleichtern,
ist vorgeschlagen worden, Oxyde oder oxydische Erze in fein gemahlenem Zustande
mit der nötigen Menge von Reduktionsmitteln zu mischen und aus diesem Gemisch Brikette
herzustellen, die nachstehend kurz Erzbrikette genannt werden sollen. Hierdurch
gewann man den Vorteil, daß die Reduktion bei niedrigerer Temperatur stattfinden
konnte, als dies bisher der Fall gewesen ist. Dieses Verfahren hat jedoch auch seine
Nachteile, besonders was die Herstellung von kohlenstoffarmen Metallen anbelangt.
Der Reduktionsvorgang in den Erzbriketts geht nämlich stetig vor sich. Daher kommen
die ausgebrachten Metallteilchen in der Regel leicht mit solchen fein verteilten
Kohlenstoffteilchen in den Briketten in Berührung, die noch nicht Gelegenheit gehabt
haben, mit dem Oxyd zu reagieren.- Das Ergebnis hierbei ist die Bildung von Carbiden,
die gereinigt werden müssen. Um diese Carbidbildung zu verringern, vermindert man
gewöhnlich die Zuschlagsmenge des Reduktionsmittels in den Briketten. Dieses Hilfsmittel
jedoch konnte bisher nur in sehr beschränktem Maße angewandt werden, da, es ein
sehr begrenztes Ausbringen an Metall verursachte. -Zweck der Erfindung ist zunächst
die Beseitigung dieses Mißstandes. Gemäß dem neuen Verfahren soll nur ein Teil des
für die Reduktion der in den Erzbriketten vorhandenen Oxyde bereitgestellten Reduktionsmittels
diesen selbst zugegeben werden, während ein weiterer Teil gesondert hinzugeschlagen
wird. Dieser Teil des Reduktionsmittels kann entweder aus kohlenstoffhaltigen Reduktionsstoffen,
wie etwa Koks, Anthrazit, Holzkohle o. dgl., oder ganz oder teilweise aus silicothermischen,
aluminothermischen oder anderen Reduktionsstoffen bestehen. Die in den Erzbriketten
vorhandene Menge von Reduktionsstoffen kann innerhalb ziemlich weiter Grenzen geändert
werden und muß nicht unbedingt ganz aus kohlenstoff- . haltigem Gut bestehen, obwohl
dies in der Regel sehr wünschenswert ist. Gemäß der Erfindung jedoch soll die Menge
des kohlenstoffhaltigen Reduktionsstoffes in den Briketten wenigstens so groß sein,
wie es für die Reduktion einer Menge von 250/, Oxyd in den der Reduktion
zu unterwerfenden Briketten erforderlich ist, soll jedoch weniger betragen als 8o
°/o, außer in einigen näher zu beschreibenden Fällen.
Bei der Wahl
des Prozentgehaltes des Reduktionsmittels innerhalb der Brikette ist es natürlich
nötig, die Natur des zu reduzierenden Erzes oder Oxydes zu berücksichtigen. Es ist
aber auch erforderlich, zu beachten, in welcher Form der nicht in die Brikette aufgenommene
Reduktionsstoff zugeschlagen wird. Besteht dieser ganz oder teilweise aus kohlenstoffhaltigem,
stückigem oder griesförmigem Gut, wie etwa Koks, Holzkohle oder Anthrazit, so erzielt
man gewöhnlich die besten Ergebnisse, wenn ein verhältnismäßig hoher Prozentgehalt
an Reduktionsstoff innerhalb -der Brikette verwendet wird, z. B. 5o bis 7o0/, oder
mehr. Anderseits ist es auch möglich, ganz oder teilweise das stück- oder grießförmige
Reduktionsmittel außerhalb des Erzes durch besondere Reduktionsmittel enthaltende
Brikette zu ersetzen, die nachfolgend kurz Reduktionsbrikette genannt werden sollen.
Diese Reduktionsbrikette können aus besonders oxydhaltigem Gut, wie Schlacken, Bauxit,
Kalkstein, Dolomit, Magnesit, Quarz u. dgl., sowie aus kohlenstoffhaltigem Reduktionsstoff,
nötigenfalls mit Bindemitteln versehen, hergestellt werden. Der oxydische Bestandteil
in den Reduktionsbriketten soll wenigstens in der Hauptsache aus solchen Oxyden
bestehen, deren metallische Bestandteile gar nicht oder nur in geringem Maße dazu
neigen, in das herzustellende Metall oder Legierung aufgenommen zu werden. Außerdem
wählt man die Oxyde für die Reduktionsbrikette so aus, daß die Schlacke die in jedem
besonderen Falle en@,ünschte Zusammensetzung und den ebenso gewünschten Schmelzpunkt
erhält. Bei dem Verfahren erzeugte Schlacke kann in vielen Fällen als ein Bestandteil
der Reduktionsbrikette verwendet werden, so z. B. Chromschlacke für die Chrom- oder
Ferrochromerzeugung und Manganschlacke zur Mangan- oder Ferromangandarstellung.
In solchen Fällen müssen die Reduktionsbrikette nicht nur die für die Reduktion
der oxydischen Bestandteile der Erzbrikette nötige Menge von Reduktionsstoff enthalten,
sondern auch Reduktionsstoff für die Reduktion solchen Oxydes oder solcher Oxyde
in den Reduktionsbriketten selbst, deren Metalle ausgebracht werden sollen und in
das zu erzeugende Metall bzw. die Legierung hineingehen.
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Um zu vermeiden, daß das aus den Erz-. briketten reduzierte Metall
in beträchtlichem Maße mit in der Beschickung vorhandenem stück- oder grießförmigem
Reduktionsstoff in Berührung kommt und so Kohlenstoff aufnimmt, werden die elektrischen
Bedingungen in dem Reduktionsofen und der prozentuale Gehalt an solchem. Reduktionsstoff
in passender Weise so geregelt, daß die von den Elektroden gelieferte elektrische
Energie sich gar nicht oder nur in geringem Maße seitwärts unter elektrischer Lichtbogenbildung
durch den üngeschmolzenen Teil der Beschickung ausbreitet. Statt dessen soll die
Energie ganz oder hauptsächlich unter elektrischer Lichtbogenbildung von der Unterseite
der Elektrode nach dem das ausreduzierte Metall bedeckenden Schlackenbad gehen.
Dadurch wird das Schlackenbad sehr stark erhitzt und der Hauptverlauf der Reaktion
deshalb auf einen kleinen, dem Schlackenbad unmittelbar benachbarten Raum begrenzt.
Aus den Briketten reduziertes Metall wird deshalb meist unmittelbar in Tropfen in
das Schlackenbad niederfallen. Die stück- oder grießförmige Kohle wird erst dann
in Reaktion treten, wenn sie mit der Schlacke in Berührung kommt, deren Temperatur
so hoch gehalten wird, daß die nötigen Bedingungen für die unmittelbare Reinigung
gelegentlich gebildeten Carbids vorherrschen. Zur Erleichterung dieses Vorgangs
soll die Zusammensetzung der Schlacke so geregelt werden, daß ihr Schmelzpunkt etwa
so hoch oder sogar höher ist als die im einzelnen Falle für die Erzielung einer
vollkommenen Reinigung erforderliche Temperatur.
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Das Beschickungsgut kann stetig oder aussetzend eingetragen werden.
Die letztgenannte Art wird in der Regel vorgezogen, wenn das Beschickungsgut kohlenstoffhaltiges,
stück- oder grießförmiges Reduktionsmittel nicht enthält. In der Beschickung vorhandene
stück- oder grießförmige Reduktionskohle wird vorzugsweise bei oder vor dem Beschicken
mit den Erzbriketten gemischt. In einigen Fällen jedoch erwies es sich als vorteilhaft,
nach einem Abstich zuerst einen Teil der stück- oder grießförmigen Kohle zuzuschlagen
und hierauf ein Gemisch des restlichen Materials aufzugeben.
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Oben wurde festgestellt, daß der Anteil des Reduktionsmittels, das
nicht in Erzbriketts enthalten ist, ganz oder teilweise in Form von silicothermischem
oder aluminothermischem Reduktionsstoff zugeschlagen werden kann. Diese Reduktionsstoffe
werden dann am besten nicht mit dem anderen Beschickungsgut gemischt. In der Regel
ist es besser, zuvor eine gewisse Menge des anderen Beschickungsgutes niederschmelzen
zu lassen. Nachdem die Beschickung so geschmolzen und möglicherweise weiter für
das Raffinieren erhitzt ist, wird der silicothermische oder aluminothermische Reduktionsstoff
zugegeben. Unter der Einwirkung eines solchen Reduktionsstoffes setzt eine starke
Reduktion der weiteren oxydischen Massen ein. Die Menge solch eines Reduktionsstoffes
kann natürlich innerhalb ziemlich weiter Grenzen geändert werden, sie soll aber
im allgemeinen weniger als 50°/o der Gesamtmenge des Reduktionsstoffes betragen.
In vielen Fällen erwies es sich als völlig genügend, gegen zo °% dieses kostspieligeren
Reduktionsmittels zu verwenden. Der Rest an Reduktionsmitteln kann in solchem
Falle
ganz als Bestandteil der Erzbrikette auftreten, kann aber auch vorteilhaft als stück-oder
grießförmige Reduktionskohle in Form von Reduktionsbriketten oder als Gemisch aus
beiden zugeschlagen werden.
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Als Beispiel für silicothermische und aluminothermische Reduktionsstoffe
sollen Aluminium, Silicium, Calcium und Legierungen daraus, wie etwa Ferrosilicium,
Ferroaluminium und Silicocalcium, erwähnt werden. Bei der Herstellung von Chrom
oder Chromlegierungen wird ein Reduktionsmittel mit Vorteil verwendet, das Calcium,
Silicium oder Aluminium oder alle drei Stoffe enthält. Bei der Herstellung von Manganlegierungen
wird ein Reduktionsmittel in Form von Silicomangan vorzugsweise benutzt. Dieses
silicothermische oder aluminotherrnische Reduktionsmittel soll vorzugsweise ein
höheres spezifisches Gewicht haben als das Schlackenbad.
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Dieses Verfahren kann in Öfen bei elektrometallurgischen Prozessen
üblicher Art ausgeführt werden, beispielsweise den bei der Herstellung von Ferrosilicium
benutzten. Der Boden des Ofens sollte jedoch im allgemeinen aus kohlenstoffreiem
Stoff gemacht werden.
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Zur Brikettierung können bekannte Verfahren und Bindemittel von der
Art des Pech, der Sulfitablauge, Teer, Kalk, Ton und Wasser o.dgl. verwandt werden.
Das Material soll, wenigstens bei den Erzbriketten, fein gemahlen und innig gemischt
werden. Es ist jedoch auch bei den Reduktionsbriketten im allgemeinen wünschenswert,
die Zerkleinerung und Mischung der Bestandteile sorgfältig auszuführen.
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Die folgenden Beispiele seien gegeben Bei der Herstellung von Aluminium
oder hochprozentigen Aluminiumlegierungen gemäß der Erfindung ist natürlich die
Verwendung von aluminothermischen oder silicothermischen Reduktionsmitteln ausgeschlossen,
gewöhnlich auch die Verwendung besonderer Reduktionsbrikette. Deshalb besteht die
Beschickung aus einer Mischung von Briketten, die aluminiumoxydhaltiges Gut und
kohlenstoffhaltigen Reduktionsstoff enthalten, während das restliche Reduktionsmittel
als stück- oder grießförmige Reduktionskohle, wie etwa Holzkohle, Anthrazit oder
Koks, hinzugefügt werden kann. In der Beschickung sollte vorzugsweise auch ein schwefelhaltiges
Material, wie etwa Calciumsulfid (CaS), Aluminiumsulfid (A12S3), Bariumsulfat (BaS04)
oder Calciumsulfat (CaS04), sowie die nötige Menge eines besonders zur Bildung von
Bariumsulfid und Calciumsulfid nötigen Reduktionsstoffes vorhanden sein. Es ist
zweckmäßig, 3o bis 6o0/0 des Reduktionsmittels als stück- oder grießförmige Reduktionskohle
hinzuzufügen, während bei geiingerem Prozentgehalt hieran eine Umsetzung der Brikette
bei der Berührung mit der Schlacke in für die Dünnflüssigkeit der Sulfidschlacke
ungünstigem Ausmaß vorkommen kann. Beispiel z i2oo kg Erzbrikette (aus: iooo kg
Bauxit, i4o kg Koks, 6o kg Pech), 170 kg stückiger Koks, i25 kg Calciumsulfid.
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Die Herstellung von hochprozentigen Siliciumlegierungen wird auf ähnliche
Weise ausgeführt wie oben für Aluminium beschrieben.
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Bei der Herstellung von Ferrochrom jedoch kann der Reduktionsstoff,
der nicht in den Erzbriketten enthalten ist, sowohl als stück- oder grießförmige
Reduktionskohle und in Form von Reduktionsbriketten wie auch in Form von aluminothermisch
oder silicothermisch wirkendem Reduktionsstoff zugeschlagen werden. Auch können
zwei oder alle diese Reduktionsmittel gemeinsam angewendet werden. Das folgende
Beispiel sei gegeben Beispiel 2 ii2o kg Erzbrikette (aus: iooo kg Chromerz,
70 kg Koks, 50 kg Pech), 177 kg Reduktionsbrikette (aus: zookgChromschlacke,
3o kg Kalk, 4o kg Koks, 7 kg Pech), 30 kg stückiger Koks, 25 kg stückige
Holzkohle.
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Verwendet man einen silicothermischen Reduktionsstoff, so wird das
Verfahren beispielsweise derart ausgeführt, daß eine Beschickung von Erzbriketten
zunächst mit stück- oder grießförmiger Reduktionskohle mit Reduktionsbriketten oder
mit diesen beiden Stoffen niedergeschmolzen wird. Die Menge des Reduktionsmittels
kann beispielsweise so bemessen werden, daß die Schlacke gegen 25 °!o Chromoxyd
(Cr203) enthält. Da die Schlacke dann einen hohen Prozentgehalt an Chromoxyd (Crz03)
aufweist, wird die Raffination erleichtert, so daß ein Erzeugnis mit sehr geringem
Kohlenstoffgehalt erhalten wird. Hierauf gibt man soviel Chromsilicid; Ferrosilicium
o. dgl. hinzu, daß beispielsweise etwa die Hälfte des Chroms in der Schlacke ausgebracht
wird.
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Auf ähnliche Weise wie Chrom und Chromlegierungen können mehrere andere
Metalle aus ihren Oxyden oder oxydischen Erzen gewonnen werden, beispielsweise Mangan,
Wolfram, Vanadin, Eisen u. a., sowie Legierungen dieser Metalle. Liegt Mangan im
Erz als MnO, vor, so ist es in vielen Fällen von Vorteil, zunächst das Erz einer
reduzierenden Behandlung zu unterwerfen, so daß Mn02 in MnO übergeht.
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Die Erfindung umfaßt auch eine Abänderung des Verfahrens, bei der
die Beschickung außer den obenerwähnten Bestandteilen auch einen gewissen Teil stückförmiges
Erz zusammen mit der entsprechenden Menge Reduktionsstoff enthält.