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Einschmelzen von reinem metallischen Kupfer in ununterbrochen arbeitenden
Kupferschmelzöfen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschmelzen von reinem
metallischen Kupfer in Flammöfen im kontinuierlichen Betriebe.
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Gemäß der Erfindung wird das Kupfer durch langsames Einschieben durch
einen geneigten Abzugskanal für die Flammofengase in den Herdraum unter Vermeidung
der Schmelzung vorgewärmt und vom Ende des Kanals in das mit einer Schutzschlacke
bedeckte Kupferbad einfallen gelassen, wobei das Metallbad an der Einfallstelle
so tief gehalten wird, daß das eingeführte Kupfer in demselben untersinkt.
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Es sind zwar bereits Metallschmelzöfen bekannt geworden, bei denen
das Schmelzgut dem Ofen in bestimmten Mengen kontinuierlich zugeführt und vor dem
Eintritt in den Schmelzofen durch die Verbrennungsgase vorgewärmt wird; auch die
Verwendung von Schutzschlacken beim Kupferraffinierbetrieb ist bereits bekannt geworden.
Es besteht bei diesen Ofen jedoch nicht die Möglichkeit, Blöcke, beispielsweise
Kupferblöcke, nach der Vorwärmung derart in ein Schmelzbad fallen zu lassen, daß
das Kupfer in dem Bade untersinkt, wobei das Kupferbad mit einer Schutzschlacke
bedeckt gehalten wird, die den Angriff der Heizgase auf das Kupfer verhindert.
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Das Elektrolytkupfer, um dessen Verarbeitung es sich in der Hauptsache
handelt, ist im allgemeinen nahezu reines Kupfer, welches aber wegen seiner Eigenschaften,
beispielsweise seiner Ungleichmäßigkeit, für den Handelsgebrauch ungeeignet ist.
Es ist gewöhnlich a5 mm stark, 9oo mm lang und 6oomm breit. Bis jetzt wurde dasselbe
in Schmelzungen von etwa 25o Tonnen in zeitweilig arbeitenden Flammöfen umgeschmolzen.
Während der :annähernd zwölfstündigen Beheizungsdauer nahm es .gewisse Mengen Sauerstoff
und beträchtliche Mengen Schwefel auf; der Schwefel konnte zwar entfernt werden,
aber der Sauerstoffgehalt erhöhte sich durch das Gebläse beträchtlich, so daß schließlich
das Bad etwa 6 o% Cu. 0 enthielt, die durch Polen reduziert werden mußten. Die aus
den Silikaten des Herdes und anderem silikathaltigen Material gebildete Schlacke
wurde vor dem Polen abgezogen, um zu verhindern, daß andere Verunreinigungen in
das Bad gelangen. Das Polen ist mühsam, kostspielig und verlustbringend und bringt
den Sauerstoffgehalt selten viel unter 1/2 % herunter. Ein derartiger Ofen kann
nur einmal in 24 Stunden beschickt werden.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile. Gemäß der Erfindung
erfolgt die sichere Regelung der Kupferbeschickung, vorzugsweise aus Elektrolytkupferblöcken
bestehend,
durch langsames Einschieben derselben durch einen geneigten
Abzugskanal hindurch, durch welchen die Gase aus dem Schmelzherd ,abziehen in den
Schmelzraum. In dem geneigten Abzugskanal wird die Kupferbeschickung unter Vermeidung
der Schmelzung vorgewärmt. Vom Ende des Kanals läß.t man- die einzelnen Blöcke oder
Teile der Kupferbeschickung in das mit einer Kupferschlacke bedeckte Kupferbad einfallen,
wobei das Metallbad an der Einfallstelle so tief gehalten ist, daß das eingeführte
Kupfer in demselben untersinkt. Hierdurch wird ermöglicht, fortlaufend festes Kupfer
dem Ofen zuzuführen und geschmolzenes Metall aus dem Schmelzherd abzustechen. Das
Polen erübrigt sich vollkommen, und das Verfahren wird abgekürzt. Es wird die Abhitze
aus dem Schmelzofen verwendet, um die Kupferbeschickung bis nahezu auf Schmelzhitze
vorzuwärmen. Die Schwefelaufnahme wird in hohem Grade vermindert ilnd das Blasen
unnötig gemacht, "wodurch der Sauerstoffgehalt entsprechend niedriger gehalten wird.
Dieser kann bis zu jedem gewünschten Reinheitsgrad durch Verschlacken in Sauerstoff
entziehenden Ofen entfernt werden.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar
zeigt Abb. i einen Grundriß des Schmelzofens, Abb. 2 einen senkrechten Längsschnitt
desselben nach der Linie 5-5 der Abb. q., .
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Abb.3 einen Längsschnitt durch den Schmelzherd eines Kupferraffinierofens
mit Schlackendecke über dem Bad, Abb. q. einen Querschnitt nach der Linie 7-7 der
Abb.3.
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Der Brennstoff, vorzugsweise Staubkohle, und die Verbrennungsluft
treten bei 25 in den Verbrennungsraum. Die Verbrennungserzeugnisse, die über die
Feuerbrücke 26 eintreten, erhitzen das Schmelzbad 27 auf dem Herd und verlassen
den Ofen durch den Abzugskanal 2q..
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Der Herd fällt nach dem Abzugskanal zu ab, so daß das Bad dort, wo
das Kupfer in dasselbe fällt, tief und an der Vorderseite des Herdes flach ist.
Der Abzugskanal geht bei 28 etwas oberhalb der Oberfläche des Bades im Herd vom
Ofen ab. Der Zweck des Hineinfallenlassens der Kathodenblöcke in das B_ ad ist ein
zweifacher: Es vermeidet Wärmeverluste aus dem Bad, welche durch Wärmeleitung entlang
der Kathodenblöcke auf dem Vorwärmeraum entstehen könnten. Dies würde aber das Bad"
abkühlen. Sodann wird dadurch ein Schmelzen der Blöcke unter der Schlakkendecke
gewährleistet.
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Der Abzugskanal dient ebenfalls einem doppelten Zweck, einmal, um
die Abgase abzuführen, dann aber, um einen Vorwärmeraum zu schaffen, auf welchem
die Blöcke angewärmt werden, ehe sie in das Schmelzbad fallen. Er ist in der Abbildung
vom Schmelzherd ab ansteigend dargestellt, so daß, die Laufbahn 29 von der Einsetzseite
aus dem Herd nach abwärts geneigt ist. Diese Abwärtsneigung der Laufbahn erleichtert
das Vorwärtsstoßen der Blöcke.
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Die Laufbahn ist der geneigte Boden des Abzugskana124. Die nach abwärts
gehenden Blöcke bedecken nahezu den Boden auf der ganzen Länge und den größten Teil
der Breite. Das Kupfer kann auf der Laufbahn etwas hochgelegt werden, so daß die
Abgase es von allen Seiten umspülen, falls dies wünschenswert :erscheint.
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Die Blöcke werden an der Endseite des Abzugskanals durch eine geeignete
öffnung 3o durch die hin und zurück gehenden Kolben 3 i des Einsetzers 2o aufgegeben.
Hierzu wird vor dem Einsetzen eine Reihe von Blöcken auf .einen geeigneten Einsetztisch
gelegt und dieselben durch Vorwärtsgehenlassen der Kolben langsam auf die Laufbahn
gedrückt. Beim Vorwärtsgehen der Blöcke werden die schon auf der Laufbahn befindlichen
Blöcke ebenfalls langsam vorwärts ge-. drückt.
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Bei jedem Kolbenhub wird daher eine Anzahl von kalten Blöcken in den
Vorwärmeraum gedrückt, die die schon auf der Laufbahn befindlichen weiter nach vorn
drücken, bis die vordere Reihe, .welche bei dem Durchgang durch den heißen Abzugskanal
oder Vorwärmeraum vorgewärmt worden ist, in ä4.s Bad fällt, untersinkt und während
des Heruntersinkens schmilzt.
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In den Abbildungen sind drei Reihen von Blöcken nebeneinander auf
der Laufbahn dargestellt.
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Bei den gewöhnlichen Abmessungen der Kupferkathoden würde dies eine
Gesamtbreite voll 2,75m ausmachen, und um eine solche Reihe mit einem Kolbenhub
ins Bad fallen zu lassen, muß der wirksame Kolbenhub etwa 6oo mm betragen.
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In der Abb. i sind drei Kolben dargestellt, die man jedoch auch zusammenarbeiten
lassen oder durch einen Kolben ersetzen kann.
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Die Durchsetzgeschwindigkeit, mit welcher die Blöcke auf dem Vorwärmeraum
vorwärts bewegt und in das Bad gestoßen werden, hängt von der Temperatur der verfügbaren
Menge der Abgase und von der Größe der Blöcke ab. Sie sollte möglichst so sein,
daß die Blöcke, wenn sie das Bad erreichen, noch nicht so heiß, sind, daß sie Schwefel
aus den Verbrennungsgasen aufnehmen können, andererseits dieser Temperatur aber
doch so nahe kommen, als dies praktisch möglich ist. In der Praxis versteht man
darunter, daß sie
so weit vorgewärmt werden, daß ihre Temperatur
,gerade unterhalb des Schmelzpunktes liegt.
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Die Tiefe des Bades bei 33, wo die Blöcke in den Schmelzherd kommen,
ist genügend groß, daß sie unter die Badoberfläche sinken, ehe sie schmelzen. Die
verfügbare Wärme des Ofens muß genügen, um die jedesmalige Beschickung vollständig
zu schmelzen, ehe die nächste Beschickung mit dem nächsten Kolbenhub in das Bad
fällt. Die Temperatur des geschmolzenen Metalls in diesem Teil des Bades liegt in
der Nähe, sogar etwas oberhalb der Schmelztemperatur, um stets die Schmelzwärme
liefern zu können.
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Wie aus Abb.2 zu ersehen ist, ist der Boden des Schmelzherdes am besten
so geneigt, daß er an der Vorderseite des Ofens flach wird. Das geschmolzene Metall
wird ständig ,aus einem geeigneten Abstich 34 an der Vorderseite des Ofens abgestochen.
Es ist zweckmäßig, das Metall etwas über den Schmelzpunkt hinaus zu überhitzen,
wenn es abgestochen wird; die geringere Badtiefe an der Abstichseite ermöglicht
eine überhitzung an dieser Stelle, während an der Rückseite des Herdes die Temperatur
etwas tiefer und dem Schmelzpunkt näher liegt.
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Die Schlacke auf der Badoberfläche bildet sich normalerweise aus dem
Oxydationsvorgang eines Teiles des Metalls und aus dem mehr oder minder großen Niederschlag
von Asche aus dem Brennstoff.
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Der Ofen arbeitet Tag und Nacht ununterbrochen, und es ist eine Tür
3 5 dargestellt, aus welcher die sich nach und nach ansammelnde Schlacke abgezogen
werden kann, sobald dies wünschenswert erscheint.
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In dem Ofen 16 der Abb. 3 ist das geschmolzene Kupfer mit einer Sauerstoff
aufnehmenden Schlackenlage 36 bedeckt. Diese Schlacke ist so gewählt, daß unter
normalen Betriebsverhältnissen die -freie Energie des Kupferoxydes in derselben
geringer ist als die freie Energie des Kupferoxydes in dem hereinkommenden Kupfer.
Das Kupferoxyd geht dann aus dem geschmolzenen Kupfer in die Schlacke über. Über
dieser Schlacke liegt eine dicke Lage Kohlenstaub 37, und die Elektroden 38 und
39 stehen mit dieser Schlacke in Berührung. Sie können entweder dazu verwendet werden,
das von der Schlacke aufgenommene Kupferoxyd als Kupfer elektrolytisch niederzuschlagen
oder den Ofen elektrisch zu beheizen.
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Im Betrieb werden die Kathodenblöcke mittels der Einsetzvorrichtung
2o langsam durch den heißen Abgaskana124 gedrückt. Sie können in beliebiger Anzahl
nebeneinanderliegen, bedecken den ganzen Boden des Abgaskanals und fallen schließlich
in das geschmolzene Bad, wobei sie in dem Abgaskanal bis auf eine Temperatur vorgewärmt
wurden, welche vorzugsweise gerade unterhalb der beginnenden Schmelztemperatur liegt.
Wenn die Blöcke in das geschmolzene Bad fallen, sinken sie sofort unter die Oberfläche
des geschmolzenen Kupfers, und die Schlackenlage auf dem Kupferbad und die etwas
oxydierende Atmosphäre oberhalb der Schlacke schützen das Bad hinreichend vor Schwefelaufnahme.
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Das Einfallen der Blöcke in das Bad vermeidet Wärmeableitung aus dem
Bad in die Blockreihe auf dem Vorwärmeraum und die damit verbundene Abkühlung des
Bades. Normalerweise wird das Erzeugnis einen so geringen Schwefelgehalt aufweisen,
daß dieser vernachlässigt werden kann; sollte aber ein hinderlicher Schwefelgehalt
vorhanden sein, so muß er durch Gebläse entfernt werden.
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Das Kupferoxyd enthaltene Erzeugnis fließt in ununterbrochenem Abfluß
durch den Abguß 34 in den ersten Desoxydationsofen.
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Beim Verlassen des Schmelzofens und beim Eintritt in den Desoxydationsofen
ist das Metall vorzugsweise überhitzt, um die Notwendigkeit einer weiteren Beheizung
des Desoxydationsofens zu vermeiden.
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Es wird bemerkt, daß die verwendete Schlacke so beschaffen sein muß,
daß das 11 ihr enthaltene Kupferoxyd einen verhältnismäßig geringeren Teil freier
Energie besitzt, als das Kupferoxyd in dem Kupferbad haben kann.
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Das Kupferoxyd aus dem geschmolzenen Kupfer geht in die obenauf schwimmende
Schlacke. Diese obenauf schwimmende Schlacke wird für die Aufnahme von Kupferoxyd
entweder chemisch durch Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff oder elektrolytisch oder
beides wirksam erhalten.