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Aluminothermisches Gemisch Die Erfindung bezieht sich auf ein aluminothermisches
Gemisch, d. h. ein Gemisch, das aus einem körnigen Metalloxyd und einem als Reduktionsmittel
dienenden Metall besteht, dessen Menge dein Sauerstoffgehalt -des Metalloxyds chemisch
äquivalent ist. Von den bekannten Gemischen dieser Art unterscheidet sich das Gemisch
gemäß der Erfindung dadurch, daß als Metalloxyd ein auf dem Verblaserost erhaltenes
Sintererzeugnis verwendet wird. .
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Mit dem Namen aluminothermisches Gemisch wird nicht zum Ausdruck gebracht,
daß nur Aluminium als Reduktionsiniftel verwendet werden kann, es wird vielmehr
betont, daß auch andere reduzierende Metalle Verwendung finden können.
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Durch die Sinterung auf dem Verblaserost soll dem -lIetalloxyd eine
poröse Struktur erteilt werden, wodurch eine vergrößerte Oberfläche und damit erhöhte
Reaktionsfähigkeit erreicht werden soll. Außerdem wird durch die Sinterung die Oxydationsstufe
des Metalloxyds erhöht, was wiederum die Energiemenge des Gemisches steigert. Und
schließlich verhindert auch die Porösität des Metalloxyds die sonst eintretende
Entinischung von Oxyd und reduzierendem Metall.
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Es wird demnach erfindungsgemäß der Vorteil erreicht, daß die Reaktion
sich mit großer Schnelligkeit über das ganze Gemisch bewegt, so daß die Zeit, während
deren die Wärme erzeugt wird, auf das Geringste herabgesetzt wird. Die Wärmeverluste
infolge Strahlung werden verringert, und die Wärme wird in dem Material aufgespeichert.
Diese Wärme genügt, um das reduzierte Metall und unter bestimmten Bedingungen weitere
zuzusetzende Metallmengen zu schmelzen.
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Die Erfindung kann im besonderen unter Benutzung von eisenhaltigen
Materialien, ferner zur Behandlung von Eisenerzen und Eisennebenprodukten verwendet
werden.
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Das aluminothermische Gemisch gemäß der Erfindung wird in der Weise
hergestellt, daß man eine dünne Schicht eines eisenhaltigen Materials einem Sintern
auf dem:Verblaserost unter solchen Bedingungen unterwirft, daß ein verhältnismäßig
bröckeliger Sinterkuchen entsteht. Das Sinterverfahren beseitigt verschiedene Verunreinigungen
und erhöht den Sauerstoffgehalt des Materials bis zu der gewünschten Höhe. Der Sinterkuchen
wird dann gebrochen und mit zusätzlichen Mengen von metallischem Eisen und fein
verteiltem Aluminium -in einer Menge gemischt, die dem Sauerstoffgehalt in dem Eisen
chemisch äquivalent ist. Der gebrochene Sinter hat eine poröse Beschaffenheit, ei-
ermöglicht infolge seiner großen Oberfläche eine schigelle Ausbreitung _ der reduzierenden
Wirkung durch denselben. Die unregelmäßige Struktur des Sinters dient ferner dazu,
die Aluminiumteilchen festzuhalten, was ihre Neigung; sich zu trennen, vermindert.
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DieErfindung kann im besonderen auf Eisenoxyd angewendet werden, das
nach-diesem
Verfahren aus Eisenerzen, wie z.B. Haeinatit, Magnetit,
oder aus Nebenprodukten, wie feinen Bohrspänen, Hammerschlag, Eisenoxyden oder ähnlichem
Material, erhalten werden kann. Vorzugsweise wird ein hochwertiges Material, nämlich
solches mit hohem Eisengehalt, gewählt, da man bei der Verwendung derartigen Materials
weniger davon verbraucht als bei Verwendung geringwertigeren Materials.
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Das Rohmaterial kann natürlich auf die gewünschte Größe, beispielsweise
für den Durchgang durch 1/2 oder 1/4zöllige Siebina@chen, zunächst gebrochen «-erden.
Eine geringe Brennstoffmenge, beispielsweise Kohlenstaub (fine coal), Kleinkoks,
Sägespäne oder andere feste Brennstoffe, kann alsdann hinzugesetzt werden, falls
das Material nicht selbst einen brennbaren Bestandteil enthält. Die Materialien
werden gut miteinander gemischt und mit Wasser angefeuchtet. Die angefeuchtete Mischung
wird dann auf einem Verblaserost gesintert. Die Temperatur wird vorzugsweise durch
Regelung der Brennstoffmenge, des Gebläseluftvolumens, der Dicke des behandelten
Bettes und andere Faktoren geregelt, um einen verhältnismäßig bröckeligen Sinterkuchen
zu erhalten.
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In dem Sinterprozeß wird die ursprüngliche Struktur des Rohmaterials,
mag dies pulverförmig, körnig oder schuppenförmig sein, vollständig zerstört. Die
Teilchen sind zeitweilig geschmolzen und werden in dein Augenblick des Schmelzens
durch Luftströme in eine zellulare, dünnwandige Honigwabenstruktur geblasen, die
voller mikroskopischer Poren und sichtbarer Zellen ist.
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Die chemische Natur des Materials wird ebenfalls verändert; Feuchtigkeit,
Ü1 und andere flüchtige Verunreinigungen werden durch die Hitze vollständig abgetrieben.
Letztere, beispielsweise Schwefel, und organische Stoffe werden ausgebrannt, das
Eisenoxyd 'selbst wird chemisch verändert. Es wird erheblich zu Ferriferrooxyd (Fes04)
mit zeitweilig geringen Mengen von höherem Oxyd (Fe203) umgewandelt, das über die
ganze Masse wesentlich gleichförmig verteilt ist. Falls das Rohmaterial aus feinen
Eisenbohrspänen besteht, so werden diese erheblich zu Ferrit durch das Verfahren
umgewandelt.
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Falls aus irgendeinem Grunde eines der Ausgangsmaterialien nicht verändert
wird, so kann es ausgesiebt und der folgenden Beschickung wieder zugesetzt werden.
Das gesinterte Oxyd wird dann vorzugsweise gebrochen und, falls erforderlich, gesiebt.
Brechapparate, die durch Stoß, beispielsweise Walzen- oder Backenbrecher, brechen,
sind vorteilhafter als solche, die mittels einer Mahlwirkung zerkleinern, damit
Körner beispielsweise als scharfe, winklige Bruchstücke anstatt als abgerundete
Teilchen erhalten werden.
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Der gebrochene Sinter ist von dem Rohoxyd völlig verschieden. Das
Brechen zerstört die zellulare, poröse Struktur des Sinterkuchens nicht, noch verändert
es seine chemische Beschaffenheit. Es wandelt indessen die gebrochenen Sinterkuchen
von unregelmäßiger Größe in eine Masse von verhältnismäßig feinen, scharfen, eckigen,
verbundenen Körnern, deren jedes selbst eine äußerst poröse, mikroskopisch zellulare
Struktur hat. Infolge dieser Struktur ist es in überraschender Weise für die Reaktion
mit einem reduzierenden Stoffe geeignet. Denn es bietet enorme Flächen für die Reaktion
und ist ungehindert für den Eintritt der Wärme durchlässig. Die ineinanderfassende
eckige Struktur der Körner sucht ferner die Körner des reduzierenden Stoffes fest
an ihrem Platze zu halten, die mit den Körnern des Sinters geiuischt sind, und verhindert
auch eine etwaige Neigung eines zur Trennung vom anderen, was sonst der Fall ist,
wenn die das Gemisch enthaltende Packung, wie beispielsweise bei der Verschiffung,
gerüttelt oder geschüttelt wird.
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Die geeignetste Größe, auf die der Sinter gebrochen werden muß, hängt
bis zu einem gewissen Grade von der Art seiner weiteren Verwendung ab. Für viele
Zwecke hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ihn maximal auf eine etwas größere
Größe zu brechen, als die Größe der niit ihm zu mischenden Aluminium- oder anderen
Metallkörner beträgt.
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Der gebrochene Sinter wird dann mit einem fein zerteilten reduzierenden
Stoff, wie beispielsweise metallisches Aluminium, in einem Verhältnis gemischt,
das dem Säuerstoffgehalt des Eisenoxyds chemisch äquivalent ist. Das Gemisch wird
dann durch eine geeignete Vorrichtung entzündet. Das metallische Aluminium wirkt
als reduzierender Stoff, uni das Eisen in den Metallzustand unter Entwicklung einer
intensiven Wärme zu reduzieren, die das metallische Eisen zu schmelzen und ein Bad
aus überhitztem Metall zu bilden vermag. Das Aluminiumöxyd schwimmt dann als Schlacke
auf dem Bade. Das geschmolzene Eisen kann alsdann zum Schweißen von eisernen Gegenständen
und für andere Zwecke in bekannter Weise verwendet werden.
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Wird eine das erforderliche Maß überschreitende Wärme entwickelt,
als zur Aufrechterhaltung des Metalls in geschmolzenem Zustande nötig ist, so kann
die Menge durch Zugabe weiterer Mengen an metallischem Eisen vergrößert werden.
Diese absorbieren die Wärme und treten in geschmolzenem Zustande in das Bad ein.
Für
ein spezifisches Beispiel wurde Eisenoxyd in Form von Walzwerkshaillnierschlag mit
5 °/o feiner Anthrazitkohle gemischt und zu eineng bröckeligen Sinterkucllen gesintert.
Der Kuchen wurde für den Durchgang durch 1/$zöllige Siebmaschen gebrochen. Das gebrochene
Material wurde mit der chemisch äquivalenten Menge von körnigem Aluminium gemischt,
das für den Durchgang durch ein 14-Maschen-Sieb gesiebt-war. Die Mischung ergab
ein ausgezeichnetes aluminotherniisches Produkt. Es verbrannte vollständig, reagierte
mit ungewöhnlicher Geschwindigkeit, entwickelte eine überraschend starke Hitze und
erzeugte hochwertiges Eisen.
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Eine andere Menge des Sinters wurde gebrochen und für den Durchgang
- durch 3l@ zöllige Siebmaschen gesintert, so daß er auf einem 1/ezölligen Maschensieb
liegenblieb. Er wurde mit i 4maschigem, " körnigem Aluminium gemischt. .
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Die Mischung reagierte schnell finit einer starken Wärmeentwicklung
und erzeugte ein ausgezeichnetes Metall, obwohl die Reaktion schwieriger in Gang
zu setzen war. Auch bemerkte man; daß die Aluminiumkörner durch Rüttelil dazu neigten,
sich von den groben Sinterkörnern zu trennen.
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Eine andere Sintermenge wurde auf ein 3o-Maschen-Sieb gesiebt und
mit dem 4omaschigen körnigen Aluminium gesiebt. Diese Mischung zündete sofort und
ergab ein ausgezeichnetes Metall, aber die Reaktionsgeschwindigkeit und die Temperatur
waren in diesem Falle geringer als bei den obigen Beispielen, wenn auch die gleichen
wie bei den jetzt handelsüblichen aluminothermischeil Mischungen.
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Vorzugsweise soll das verwendete Aluininium körnig anstatt feinflockig
sein. Die beste Korngröße hängt von den besonderen gewünschten Resultaten und von
der Größe der mit ihnen zu mischenden Sinterkörner ab. Wie oben angeführt, hat sich
ein Sieben durch ein i4-Maschen-Sieb als befriedigend herausgestellt. Als Menge
wird die mit dein Sauerstoffgehalt in den Sinterkörnern chemisch äquivalente gemäß
der bekannten aluminothermischen Reaktion benutzt.
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Die Reaktionsgeschwindigkeit ist bei der aluminothermischen Mischung
gemäß der Erfindung im Vergleich zu den bisher bekanilten erheblich größer, der
Wärmeverlust infolge Strahlung, die Absorption in dein Schmelztiegel ist so erheblich
geringer, daß ein überraschend größerer Wärmeüberschuß entwickelt wird. Daher kann
eine weit größere Menge metallischen Eisens, beispielsweise Stanzabfälle, der niederzuschnielzenden
Mischung zugesetzt werden, die die aus dein aluniinotherinischen Eisen erzechte
Wärmemenge erhöhen. Es ist 25 bis 5o o(o mehr metallisches Eisen zugesetzt worden,
ohne Gefahr zu laufen, daß die Reaktion einfriert, gegenüber einigen der jetzt in
Verwendung befindlichen aluminothermischen Mischungen.
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ach deal oben beschriebenen Verfahren können verschiedene Rohmaterialien
billig in Eisenoxyd übergeführt werden, das mit dein Aluminium schnell zu reagieren
und überhitztes geschmolzenes Metall zu erzeugen vermag. Der Sinterprozeß verwandelt
das Metall nicht nur in die offene zellulare Struktur, die für eine spätere Reaktion
geeignet ist, sondern er erhöht auch den Sauerstoffgehalt von sauerstoffarmen Eisenmaterialien
auf einen verhältnismäßig hohen Wert. Dies ist ein wesentliches Merkmal, da die
Reaktionswärme allein aus dem mit dem Eisen verbundenen Sauerstoff erhalten "wird.
Das Aluminium hat eine starke reduzierende Wirkung und entzieht dein Eisenoxyd diesen
Sauerstoff unter Bildung metallischen Eisens und Aluminiumoxyds.
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Das erhaltene Produkt ist von außerordentlicher Gleichförmigkeit,
da die -verschiedenen Rohmaterialien durch den Sinterprozeß vollständig in einen
gleichförmigen Sinterkuchen umgewandelt werden. Das Verfahren kann daher mit billigeren
Rohmaterialien durchgeführt werden als in anderen Fällen, in denen die chemische
und physikalische Struktur nicht in einem so bemerkenswerten Grade verändert wurde.
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Die Erfindung ist oben in ihrer Anwendung auf eisenhaltige Materialien
beschrieben worden. Es liegt aber auf der Hand, daß sie in gleicher Weise auch für
andere Metalle, z. B. Chrom, Vanadium und ähnliche, verwendbar ist, deren Oxyde
durch Aluminium, Calcium und andere hochreduzierende Metalle reduzierbar sind.