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Herstellung von metallischem Mägnesium durch Reduktion von Nagnesiumverbindungen
mit Kohle im elektrischen Lichtbogen Das Verfahren bezweckt die Herstellung von
metallischem Magnesium aus seinen "Verbindungen unter Mitwirkung von Kohle als Reduktionsmittel
auf rein elektrothermischem Wege.
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Es ist bekannt, Magnesiumoxyd zu diesem Zweck mit Kohle zu Elektroden
zu verpressen, zwischen denen man den Lichtbogen übergehen läßt, wie dies z. B.
auch für die Reduktion von Erdalkahmetallen vorgeschlagen worden ist, oder ein Gemisch
von Magnesiumoxyd und Kohle durch den Lichtbogen zu erhitzen. Diese Verfahren haben
den Übelstand, daß das entstehende metallische Magnesium infolge seiner Affinität
zu Sauerstoff bei der hohen Temperatur des Reduktionsprozesses unter der Einwirkung
der gebildeten Reaktionsgase sowie auch allfällig zutretender Luft in Magnesiumoxyd
zurückverwandelt wird. Es wurde daher vorgeschlagen, bei der Reduktion von Magnesiumverbindungen
im Lichtbogen die Einwirkung der Reaktionsgase, insbesondere des sich bildenden
Kohlenoxyds, auf das reduzierte Metall dadurch zu verhindern, daß man die Reduktion
in einem Strom eines indifferenten Gases, wie Wasserstoff, vor sich gehen läßt (Patent
49 329). Auch dieses Verfahren hat aber einen erheblichen Mangel. Durch die Verdünnung
des Kohlenoxyds wird zwar der Rückoxydation des gebildeten Magnesiummetalls entgegengewirkt,
jedoch wird eben wegen dieser Maßnahme das Metall bei der Kondensation in so verdünnter
Form ausgeschieden, daß sich die feinen Metalltröpfchen im Augenblick ihrer Entstehung
mit einer dünnen Oxydhaut überziehen. Hierdurch wird ihr Zusammenfließen zu größeren
Tropfen und die Entstehung eines metallischen Regulus verhindert. Um die Einwirkung
des bei der Reduktion entstehenden Kohlenoxyds auf den Magnesiumdampf in wirksamer
Weise herabzusetzen, ist eine Verdünnung des Gases bis zu =o°/, erforderlich. Nach
der Reaktionsgleichung Mg 0 @- C = Mg + C O wird, unter der Annahme, daß
Magnesiumdampf einatomiges Magnesium enthält, auf i Mol. Magnesiumdampf i Mol. C
O gebildet. Bei iofacher Verdünnung des Kohlenoxyds macht also der Metalldampf nur
9,1°/o des Gesamtgases aus. Wenn man außerdem berücksichtigt, daß die Kondensation
des Metalls bei i2oo °
eintritt, bei welcher Temperatur das Volumen
des Gasgemisches ungefähr 41/,mal größer als bei normaler Temperatur ist, so ergibt
sich, daß unmittelbar nach -erfolgter Kondensation im Kubikmeter Gasgemisch nur
a6 g metallisches Magnesium in fein verteilter Form vorhanden sind. Die Verdichtung
der Magnesiumdämpfe bietet daher bedeutende Schwierigkeiten, die bisher nicht überwunden
werden konnten.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht es, bei der Reduktion von Magnesiumverbindungen
mit Kohle im elektrischen Flammenbogen unter Zufuhr eines Stromes von indifferenten
Gasen die Kondensation des Metalls aus dem Metalldampf in der Weise vorzunehmen,
daß das Metall in hoher Konzentration zur Abscheidung gelangt. Es wird dies der
Erfindung gemäß dadurch erreicht, daß man das Gemisch der sich bildenden Metallnebel
mit den Reaktionsgasen und dem zugesetzten indifferenten Gase, z. B. Wasserstoff,
durch einen Kondensator strömen läßt, in welchem ein starkes elektrostatisches Feld
untergebracht ist.
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Es ist von der elektrischen Staubreinigung her bekannt, daß in Gasen
suspendierte feste oder flüssige Teilchen durch ein elektrisches Feld derart beeinflußt
werden, daß sie auf eine der beiden Elektroden geschleudert werden. Dieser Vorgang
kommt durch eine Reihe von Effekten zustande. Zunächst macht sich die Stoßionisation
geltend, welche bewirkt, daß von einer Elektrode mit hoher Spannung infolge der
Zusammendrängung der Potentiallinien ein Ausströmen von Elektrizität eintritt, eine
Erscheinung, die als Büschelentladung oder Glimmlicht bekannt ist. Durch solche
Sprühelektroden werden die suspendierten Teilchen aufgeladen und von der anderen
(gewöhnlich großflächig ausgebildeten) Elektrode angezogen, um an dieser haftenzubleiben.
Gleichzeitig geht von hochgespannten Elektroden der bekannte elektrische Wind aus,
der ebenfalls am Transport der Teilchen zur anderen Elektrode beteiligt ist. Endlich
besitzen feine Staubteilchen oder Flüssigkeitströpfchen von Natur aus eine negative
Ladung, so daß die rein elektrostatische Anziehung nach dem Coulombschen Gesetz
eine weitere Teilursache der Abscheidung bildet. Bei vorliegendem Verfahren spielt
sich die Kondensation in einem Temperaturgebiet ab, in dem die Gase von Natur aus
schon kräftig ionisiert sind. Diese Ionen wirken für die Kondensation des Metalls
als Kondensationskerne. Ferner besitzen die Metalltröpfchen im Moment der Kondensation
von Natur aus bereits negative elektrische Ladungen. Wenn im Kondensator ein starkes
elektrostatisches Feld untergebracht ist, fliegen daher die Metalltröpfchen mit
großer Geschwindigkeit gegen die Anode und prallen dort auf. Weiter ist bekannt,
daß die Oberflächenspannung von Metallen bei einer Umladung bedeutende Änderungen
erfährt. Wenn nun die einzelnen Magnesiummetallteilchen im Moment der Kondensation
sich mit einer dünnen Oxydhaut umgeben haben, wird diese durch die Umladung und
Veränderung der Oberflächenspannung zum Platzen gebracht, so daß die einzelnen Metallteilchen
nach ihrem Auftreffen auf der Anode zusammenfließen und zusammenhängende Tropfen
bilden, die sich in Form eines metallischen Regulus sammeln.
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Es ist dabei von Bedeutung, daß das elektrische Feld in einem Abschnitt
der Konden= sation zur Wirkung kommt, dessen Temperaturzone zwischen i2oo ° (der
Kondensationstemperatur des Magnesiums) und 650' (dem Schmelzpunkt des Magnesiums)
liegt. Da infolge der hohen Ionisation der Gase bei hohen Temperaturen Überschläge
der elektrischen Spannung zu befürchten sind, ist es vorteilhaft, für die Kondensation
im elektrischen Feld jene Temperaturgebiete aufzusuchen, die nur so weit vom Schmelzpunkt
des metallischen Magnesiums entfernt sind, daß sich dieses gerade noch in flüssiger
Form auf der Anode sammelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das aus
dem Ofen abströmende Gasgemisch vom Kohlenoxyd befreit und der Wasserstoff dem Ofen
im Kreislauf zugeführt.
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In der Zeichnung ist eine zur Durchführung des 'Verfahrens geeignete
Apparatur schematisch dargestellt.
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i ist ein Lichtbogenofen, bestehend aus dem Beschickungsschacht 2,
der Reduktionskammer 3, dem Kondensator q. und der Vorlage 5. Die Reduktionskammer
enthält einen oder mehrere Arbeitsherde mit Bodenelektroden 6 und verstellbaren
oberen Elektroden 7 zur Erzeugung des Lichtbogens. Der Kondensator ist in seinem
letzten Teil gegen die Vorlage zu als elektrische Niederschlagskammer 8 ausgebildet.
9 ist die eine, beispielsweise stabförmig gestaltete Elektrode, die mit dem negativen
Pol einer Hochspannungsgleichstromquelle verbunden ist. ix ist ein Porzellanisolator.
Die zweite, mit der Anode der hochgespannten Gleichstromquelle verbundene Elektrode
besteht aus der metallischen Auskleidung io der Kammerwandung, die. z. B. aus Chromnickelstahl
hergestellt sein kann und - wie die übrigen Teile des Ofens -- geerdet ist. Die
erforderlichen Transformatoren und die Anschlüsse zu den Elektroden 6, 7 und 9,
io sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Die zu reduzierende Magnesiumverbindung, - Z B. sintergebrannter
Magnesit, sinkt, mit der nötigen Menge von Reduktionskohle gemischt, durch den Beschickungsschacht
2 in die Lichtbogenzone herab. Durch die Leitung 12 wird
gleichzeitig
von oben her Wasserstoff in den Schacht eingeblasen. Die Reduktion findet dergestalt
durch den Einfluß des zwischen den Elektroden 6 und 7 übergehenden Lichtbogens unter
Mitwirkung von Kohle in einem Wasserstoffstrom statt. Die gebildeten Magnesiumdämpfe
ziehen mit dem eingeblasenen Wasserstoff und den bei der Reduktion gebildeten Gasen
in den Kondensator q. ab, in welchem die Kondensation durch Abkühlung des Gemisches
erfolgt. In der elektrischen Niederschlagskammer 8, welche die abziehenden Gase
und Dämpfe mit einer Temperatur unterhalb von i2oo ° C erreichen sollen, findet
die Koagulation der Metalltröpfchen statt. Das sich auf der Anode io ansammelnde
Metall fließt in die Vorlage 5, von wo das flüssige Magnesium bei 13 abgestochen
weiden kann.
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Das Gemisch der gasförmigen Reaktionsprodukte mit überschüssigem Wasserstoff
tritt aus der Vorlage 5 durch das Auslaßrohr 1q. in einen Wäscher i5, wo es von
den ihm noch anhaftenden Staubteilchen befreit wird. Es kann aber auch diese weitere
Reinigung allenfalls durch ein elektrisches Niederschlagsverfahren bewerkstelligt
werden. Das gereinigte Gas gelangt dann durch Leitung i6 in den Regenerationsapparat
17, wo das Kohlenoxyd durch Einwirkung von Wasserdampf, der im Kessel 18 erzeugt
wird und durch i9 in den Regenerationsapparat übertritt, in Kohlendioxyd übergeführt
wird. Das nunmehr nur aus Wasserstoff und Kohlendioxyd bestehende Gasgemisch wird
durch Dzuckwaschung öder ein Adsorptionsmittel von Kohlendioxyd befreit, z. B. durch
einen Kompressor 2o in den Wäscher 21 gedrückt, und sodann dem Gasbehälter 22 zugeführt.
Das sich hier sammelnde reine- Wasserstoffgas wird schließlich in einem geeigneten
Trockner 23 vollkommen getrocknet und durch den Ventilator zq. über die Leitung
12 in den Beschickungsschacht 2 des Lichtbogenofens i zurückgebfacht..