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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von fein verteiltem Zink
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von fein verteiltem Zink durch Kondensation
von Zinkmetalldämpfen und hat insbesondere zum Ziel, Zinkstaub von feiner und gleichmäßiger
Korngröße und niedrigem Zinkoxydgehalt nach einem kontinuierlichen Verfahren zu
gewinnen. Ferner betrifft sie eine für dieses Verfahren geeignete Vorrichtung.
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Die im Handel erhältlichen Sorten von fein verteiltem metallischem
Zink, Zinkstaub genannt, enthalten gewöhnlich geringe Mengen Zinkoxyd. Der Wert
des Zinkstaubes ist mindestens bis zu einem gewissen Grade abhängig von dem Gehalt
des Staubes an metallischem Zink und wird für manche Verwendungszwecke verringert
durch die -Anwesenheit von Zinkokyd.
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Zinkstaub fällt an als Nebenerzeugnis bei der Zinkgewinnung in den
bekannten Reduktionsöfen, wo er in Allongen aufgefangen wird, die den Vorlagen oder
Kondensatoren für das Zink nachgeschaltet sind. _ Dieser als Nebenerzeugnis gewonnene
Zinkstaub ist voh geringerer Qualität.
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Fein verteiltes Zink wird ferner hergestellt durch die Verflüchtigung
von metallischem Zink in einer Retorte oder einem Graphitgefäß. Der auf diese Weise
erzeugte Zinkdampf wird in einen Kondensator oder Abscheider geleitet. Durch schnelles
Abkühlen des Dampfes auf Temperaturen, die unter dem Erstarrungspunkt des Zinks
liegen, wird das Zink nicht schmelzflüssig, sondern in Form von Zinkstaub gewonnen.
Dieses Verfahren wird gewöhnlich chargenweise, also diskontinuierlich ausgeführt.
Die Retorte wird mit metallischem Zink beschickt. Nachdem die Verdampfung des Zinks
im wesentlichen beendet ist, 'wird die Retorte geöffnet. Die Rückstände werden aus
der Retorte.ausgetäumt, und es wird der erzeugte Zinkstaub aus dem Abscheider entfernt.
Die Retorte "wird darauf von neuem beschickt und das Verfahren in der gleichen Weise
wiederholt. Dieses Verfahren ist auch schon in der Weise abgeändert worden, daß
für die Kondensation des Zinkdampfes ein aus Blech gefertigter Behälter mit verhältnismäßig
großem Rauminhalt benutzt wurde, in den die Retorte mündete. Dieser Behälter war
mit der Außenluft in der Weise verbunden, daß vor einer Öffnung in der Behälterwand
ein Sack aus luftdurchlässigem Gewebe angeordnet: war. Durch das Gewebe und die
Öffnung trat dabei ständig etwas Luft in den Zinkstaubabscheider ein, wodurch eine
leichte Oxydation des Zinks herbeigeführt wurde. Der
Sack änderte
seinen Rauminhalt bei Druckschwankungen im Zinkstaubabscheider, so daß bei Schwankungen
des Gasdrucks im Be-. hälter der Gasdurchtritt durch die Gewebe.=' wand des Sackes
noch eine gewisse Drosseh'Wirkung erfuhr.
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Diese diskontinuierlichen Verfahren haben" erhebliche Nachteile.
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Einerseits ergibt sich ein übermäßiger Bruch der Retorten, der durch
die Wärmebeanspruchungen bei ihrem abwechselnden Erhitzen und Abkühlen verursacht
wird.
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Andererseits entstehen Zinkverluste durch die Destillationsrückstände,
die nach jeder Charge ausgeräumt werden müssen.
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Ferner tritt eine starke Oxydation des Zinkstaubes ein. Diese ist
darauf zurückzuführen, daß der Abscheider sich während jeder Entleerung mit Luft
füllt und daß atmosphärische Luft in den Abscheider in erhöhtem Maße während des
letzten Teils der Destillation eindringt, weil dann die Zinkdampfzufuhr abnimmt
in dem; Maße, wie der Zinkinhalt der Retorte allmählich erschöpft wird. Auch dadurch,
daß bei diesem Verfahren jedesmal nur verhältnismäßig geringe Mengen von Zinkstaub
in heißem Zustand gewonnen und aus dem Abscheider entfernt werden, wird die Oxydation
des Zinkstaubes begünstigt.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten diskontinuierlichen Verfahren
liegt darin, daß die Destillation des Zinks unwirtschaftlich ist,. weil das Zinkbad
während des Arbeitsganges ständig abnimmt und während des letzten Teils der Destillation
nur eine geringe Zinkmenge in der Retorte vorhanden ist.
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Man hat auch schon versucht, bei der Herstellung von Zinkstaub den
Luftzutritt zu dem Zinkstaubabscheider völlig-zu unterbinden. Dies geschah in der
Weise, daß durch die Muffel, in der der Zinkdampf entwickelt wurde, ständig ein
Strom inerten Gases geleitet wurde. Der Zinkdampf trat dabei in den Zinkstaubabscheider
in Mischung mit großen Mengen eines inerten Gases ein, das nach Kondensation des
Zinkdampfes durch eine Öffnung in der Behälterwand ins Freie strömte.. Hierbei ließ
sich jedoch eine Oxydation des Zinkstaubes nicht mit Sicherheit vermeiden; denn'
oxydierend auf Zinkdampf wirken schon die Spuren von Wasserdampf, Kohlendioxyd und
Sauerstoff, die in inerten Gasen fast immer vorhanden sind. Andererseits kann kaum
verhindert werden, daß bei den in derartigen Anlagen unvermeidlichen Druckschwankungen
der Gasstrom einmal plötzlich abreißt und Luft durch die Austrittsöffnung-in den
Abscheider gelangt. Auch bei zufälligen Unterbrechungen des Gasstromes, die sich
nie ganz vermeiden lassen, -kann dieselbe Erscheinung auftreten. Dieses Verfahren
war auch bis zu einem gewissen Grade kostspielig, da ständig erhebliche -Mengen
eines inerten Gases aufzuwenden '.:@v,%xen, und. mit Verlusten verbunden, da °;rner
das aus dem Zinkstaubabscheider aus-,@'.tretende Gas auch noch gewisse Zinkmengen
mit sich führte.
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Durch die Erfindung gelingt es, die Schwierigkeiten und die Nachteile
der bekannten Verfahren zu beseitigen und fein verteiltes Zink von feiner und gleichmäßiger
Korngröße nach einem kontinuierlichen Verfahren herzustellen. Ein wesentlicher Vorteil
der Erfindung besteht darin, daß sie die Herstellung eines fein verteilten Zinkstaubes
ermöglicht, der einen sehr geringen, praktisch nicht mehr ins Gewicht fallenden
Gehalt an Zinkoxyd aufweist. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung von fein verteiltem
Zink durch Kondensation . von Zinkmetalldämpfen unter Ausschluß von Luft in einer
Kondensationskammer, die mit einem inerten, während des Verfahrens in der Kammer
verbleibenden Gas, z. B. Stickstoff, gefüllt gehalten wird und;, die unter einem
möglichst gleichbleibenden Gasdruck steht. Dieser wird zweckmäßig dadurch geschaffen,
daß den etwa auftretenden Änderungen des Gasdrucks in der Kammer durch Zufuhr von
inertem Gas aus einem Gasvorrat zur Kammer oder Abfuhr von inertem Gas aus der Kammer
zu dem Gasvorrat entgegengewirkt wird.
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Im folgenden sei die Erfindung des näheren an Hand der Zeichnung erläutert,
in der Fig. i eine für das Verfahren gemäß der Erfindung geeignete Vorrichtung in
Seitenansicht und Fig. z eine Draufsicht derselben Vorrichtung darstellen.
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In dem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ofen 5 bekannter
Bauart sind eine oder mehrere Zinkdestillationsretorten 6 angeordnet. Eine Beschickungseinrichtung
(Einguß) 7 steht durch die Leitung 8 mit dem Innern der Retorte in Verbindung. Von
der Retorte 6 führt eine Leitung io zu dem Zinkstaubkondensator oder Abscheider
g. Diese Leitung ist vorteilhaft so ausgebildet, daß' sie eine gewisse, etwa aus
Fig. i ersichtliche Steigung von der Retorte zu dem Abscheider hat.
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Der Abscheider g ist vorteilhaft aus Eisenblechen gefertigt, die miteinander,
außer an den später zu erwähnenden Stellen, durch Schweißen verbunden sind. Er ruht
auf Blöcken von Mauerwerk o. dgl. Der in der Zeichnung dargestellte Abscheider hat
in allen drei Schnittebenen rechteckigen Querschnitt, kann aber auch eine beliebige
andere geeignete Form haben. An seiner Oberseite hat der Abscheider einen abnehmbaren
Deckel
ii, der in einen Sandverschluß 12 eingesetzt ist. Dieser
Deckel bildet zusammen mit dem Verschluß ein Sicherheitsventil für Explosionen,
die in dem Abscheider auftreten könnten.
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Das nach der Leitung ro gelegene Ende des Abscheiders steht unten
mit einem Sammelraum 13 für Abfallzink in» Verbindung. Die Öffnung zwischen dem
Abscheider und dem Sammelraum 13 kann durch einen gut abdichtenden Schieber 1q.
verschlossen werden. Der Sammelraum 13 ist von außen durch eine Tür 15 zugänglich.
Der übrige Boden des Abscheidegefäßes besteht aus einer Reihe von trichterförmigen
Ansätzen 16, die unten durch dichte Schieber 16' verschließbar sind. Eine Gasleitung
17, die mit Reinigungsverschlüssen 18 versehen ist, verbindet das der Leitung io
abgekehrte Ende des Abscheiders mit einem Gasbehälter i9. Der Gasbehälter besteht
aus einem zylindrischen Unterteil 2o, in dem in senkrechter Richtung verschieblich
ein Oberteil, z. B. eine Glocke 21, angeordnet ist. Der ringförmige Raum zwischen
den beiden Teilen 2o und 21 ist als Wasserverschluß 22 ausgebildet. Das Gewicht
der Glocke 21: ist durch ein Gegengewicht 23 ausgeglichen. Das Gegengewicht befindet
sich innerhalb eines Gehäuses 24 und ist mit der Glocke durch das Seil
25 verbunden, das über Rollen 26 läuft.
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Die Zinkdampfleitung io mündet in den Abscheider durch eine Platte
27 hindurch, die abnehmbar an der Stirnseite des Abscheiders befestigt ist. Es werden
mehrere derartiger Platten mit verschieden großen Öffnungen für verschieden dimensionierte
Leitungen vorrätig gehalten. Dadurch wird -es möglich, Leitungen mit verschiedenem
Durchmesser für die Einführung des Zinkdampfes in den Abscheider zu benutzen. Ein
Loch 28 ist an einer Seitenwand des Abscheiders nahe der Mündung der Leitung io
vorgesehen, durch das diese Leitung zwecks Reinigung zugänglich ist. Während des
normalen Betriebes ist das Loch 28 durch Kitt o. dgl. verschlossen. Um eine Vergrößerung
der Länge des Abscheiders zu ermöglichen, kann gegebenenfalls seine der Leitung
io abgekehrte Stirnseite als mit Flanschen 29 ausgestattete Wand ausgebildet sein,
die mit seinen Seitenwänden, seiner Oberseite und dem Boden durch Schraubenbolzen
oder auf andere geeignete Art verbunden ist. Die übrigen Nähte des Abscheiders sind
Schweißnähte, so daß der Abscheider als solcher möglichst gasdicht ist.
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Bei Benutzung der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung für die
Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Retorte 6 ständig mit einer
gewissen Menge von geschmolzenem Zink gefüllt gehalten, indem in gewissen Zeitabständen
flüssiges Metall durch- den Einguß 7 in .die Retorte eingeführt wird. Das geschmolzene
Zink wird durch vom Ofen .gelieferte Wärme fortlaufend verdampft, und es entweicht
der Zinkdampf durch die aufwärts gerichtete Leitung io inden Abscheider.9. Alle
verhältnismäßig großen Zinkteilchen oder -tropfen, die durch' Kondensation des Dampfes
in der Leitung io sich bilden können, fließen infolge der Neigung der Leitung zurück
in die Retorte. Auf diese Weise wird verhindert, daß verhältnismäßig große Tropfen
überhaupt in den Abscheider gelangen können. Alle groben Zinkteilchen, die sich
unmittelbar nach Eintritt des Zinkdampfes in 'den Abscheider bilden, fallen auf
den Schieber 1q. nieder. Von Zeit zu Zeit wird der Schieber 1q. betätigt, damit
die groben Teilchen, die sich auf ihm angehäuft haben, in den Sammelraum 13 fallen
können. Aus diesem kann dieses Abfallzink durch die Tür 15 je nach Notwendigkeit
und Bedarf entfernt werden. Der feinere Zinkstaub setzt sich in den Trichtern 16
ab, und zwar sammelt sich das feinste Korn in den Trichtern, die von der Zinkdampfleitung
io am weitesten entfernt sind. Das- fein verteilte Zink wird von Zeit zu Zeit aus
den Trichtern durch Betätigung der Schieber 16' abgezogen, die gegebenenfalls als
schleusenartige Doppelschieberverschlüsse ausgebildet sein können.
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Der Abscheider 9 und die Gasbehälter i9 werden vor Beginn der Zinkstauberzeugung
zweckmäßig mit einem geeigneten, gegen Zinkdampf inerten Gas gefüllt, z.. B. kann
Stickstoff benutzt werden. Sie können aber auch beim Anfahren der Anlage mit Luft
gefüllt werden. Dann wird der in der Luft enthaltene Sauerstoff bald durch Oxydation
von Zinkdampf zu Zinkoxyd verbraucht. Das anfänglich erzeugte zinkoxydhaltige Produkt
wird zweckmäßig für sich aus den Trichtern i6 entfernt, damit eine Verunreinigung
des später gebildeten Zinkstaubes vermieden wird. Nachdem der Sauerstoff der Luft
an Zink gebunden und so aus dem im Abscheider und im Behälter vorhandenen Gas entfernt
worden ist, liegt dieses in Form einer Stickstoffatmosphäre vor. Die anfängliche
Zinkoxydbildung kann vermieden werden dadurch, daß die Luft aus dem Abscheider und
dem Behälter mit Stickstoff oder mit anderen gegenüber Zinkdampf inerten Gasen ausgespült
wird, bevor die Zinkstauberzugung anfängt.
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Der Gasbehälter gleicht diejenigen Änderungen der Gasverhältnisse
innerhalb des Abscheiders, durch die der Gasdruck im Abscheider sonst erhöht oder
erniedrigt würde, aus. Nimmt z. B. der Gasdruck innerhalb des Abscheiders aus irgendwelchen
Gründen
ab, - z. B. weil die Zinkverdampfung infolge -der Einführung
verhältnismäßig kalten Zinks durch den Einguß 7 in die Retorte nachläßt, so tritt
eine Volumenverminderung der in dem Abscheider enthaltenen Gase und Dämpfe durch
Abkühlung ein. Der verringerte Druck, der sich aus dieser Verminderung des Gasvolumens
ergibt, würde verursachen, daß Luft durch nicht völlig gasdichte Verbindungen in
den Abscheider eindringt, falls nicht Stickstoff oder ein anderes geeignetes inertes
Gas aus dem Gasbehälter dem Abscheider zugeführt würde. Wenn dann der Abscheider
sich wieder stärker erwärmt, wird daraus Gas zurück in den Behälter gedrückt. Die
heb- und senkbare Glocke 2 i des Gasbehälters bewirkt dabei selbsttätig, daß das
Volumen des letzten sich entsprechend den wechselnden Gasverhältnissen im Abscheiden
ändert, während gleichzeitig ein möglichst gleichbleibender Gasdruck innerhalb des
Behälters aufrechterhalten wird. Um zu verhindern, daß Luft durch nicht völlig gasdichte
Verbindungen in den Abscheider eintritt, wird darin der Gasdruck ein wenig höher
als der atmosphärische Druck gehalten.
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Der-erfindungsgemäß hergestellte Zinkstaub hat ein feines Korn. und
enthält über 98 °/o metallisches Zink. Die Korngröße des Zinkstaubes ändert sich
in umgekehrtem Verhältnis mit dem Rauminhalt des Abscheiders, so daß die Korngröße
durch Änderung des Rauminhalts .des Abscheiders beeinflußt werden kann. So wurde
mit einem Abscheider an etwa 51/2 ms Rauminhalt, in dem im 24stündigem Arbeitstag
etwa iooo kg Zinkstaub niedergeschlagen wurden, im praktischen Betrieb ein Zinkstaub
gewonnen, von dem _99 % durch ein Standardsieb von 130 Maschen auf den Zentimeter
gingen. Mit einem Abscheider von etwa 21/2 ms Rauminhalt ergab sich unter sonst
gleichen Arbeitsbedingungen ein Zinkstaub, von dem 92 bis 93 % durch das
gleiche Sieb gingen. Der Zinkstaub, der in den Trichtern sich niederschlägt, die
in der Nähe des Zinkdampfeintrittes liegen, hat ein verhältnismäßig gröberes Korn
als der, der in den vom Zinkdampfeintritt entfernteren Trichtern gewonnen wird.
Demgemäß ist es möglich, gleichzeitig verschiedene Sorten Zinkstaub, die unter.
sich verschiedenen Korngrößen haben, zu gewinnen.