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Verfahren zur Gewinnung von Magnesium, Zink und anderen flüchtigen
Metallen durch Reduktion ihrer Verbindungen mit Hilfe von Kohle Die Erfindung bezieht
sich auf die Reduktion von Metallverbindungen, insbesondere solcher oxydischer Art,
durch Erhitzung eines innigen Gemisches des zu reduzierenden Gutes mit kohlenstoffhaltigen
Reduktionsmitteln auf Temperaturen, die über dem Siedepunkt des zu gewinnenden Metalls
beim Arbeitsdruck (Unterdruck, Atmosphärendruck oder Überdruck) liegen. Als Hauptbeispiel
sind zu nennen: die Gewinnung des Zinks oder des Zinks und Cadmiums aus oxydischen
Erzen oder Hüttenerzeugnissen oxydischer Art und insbesondere die Gewinnung des
Magnesiums aus Sintermagnesia oder Gemischen von Mg O und Ca0, wie sie bei Sintertemperatur
gebrannter Dolomit liefert.
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Reduktionsverfahren, die wirtschaftlich erst bei Temperaturen über
dem Siedepunkt des Metalls durchführbar sind, so daß man das Metall nicht in flüssigem
Zustand, sondern als Dampf erhält, werden bisher üblicherweise entweder in Rohren,
Retorten oder Muffeln mit verhältnismäßig geringem Fassungsraum in unterbrochenem
Betrieb, d. h. unter abgesetzter Beschickung mit abgemessenen Mengen fier Mischung
von Erz und Kohle, joder mit Hilfe von Flammöfen, Schachtöfen oder stehenden Retorten
im ununterbrochenen Betrieb durchgeführt, wobei die stetig eingeführte Beschickung
durch ihre eigene Schwere nach unten sinkt. In beiden Fällen ist der Ofenraum während
der Reduktionsarbeit mit der Beschickung mehr oder weniger gefüllt. Eine andere
derartige Arbeitsweise bedient sich des Drehrohrofens, in welchem die Beschickung
als ausgebreitete Masse durch die Bewegung des Ofens von seinem Eintrittsende zum
Austrittsende befördert wird. Alle diese Arbeitsarten haben für die Durchführung
von Reduktionsverfahren, bei denen man das Metall nicht in flüssigem Zustand, sondern
dampfförmig erhält, keine technisch befriedigende Lösung gebracht. So besteht bei
der Reduktion des Zinkoxyds zu metallischem Zink die Gefahr der Rückoxydation des
Zinkdampfes zu Zinkoxyd durch das gebildete C 02 (soweit es nicht im Laufe des Verfahrens
durch C zu CO reduziert wurde). Noch größere Schwierigkeiten bietet in dieser Beziehung
die Reduktion von oxydischen Magnesiumverbindungen
mit Kohle, da
metallisches Magnesium schon "bei Temperaturen wenig unterhalb der Reduktionstemperatur
auch durch Kohlenmonoxyd, das bei Reduktion' mit Kohle in äquimolekularen Mengen
ent '-steht, lebhaft oxydiert wird.
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Mit dem vorliegenden Verfahren wird nun eine für thermische und elektrothermische
Vorgänge der bezeichneten Art geeignete fortlaufende Arbeitsweise in die Technik
eingeführt. Dabei hat das Verfahren den großen Vorteil, daß im Reduktionsabschnitt
durch vollkommene Beherrschung der Reduktionstemperatur dieUmkehrung der Gleichgewichtsumsetzung
von der allgemeinen Art
mit sehr einfachen Mitteln wirksam vermieden wird.
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Die Erfindung löst die Aufgabe der Durchführung solcher Reduktionsvorgänge
im ununterbrochenen Betrieb dadurch, daß im Gegensatz zu den bekannten Arbeiten
mit im Reduktionsraum aufgestapelter Beschickung ein Verfahren ausgebildet worden
ist, bei dem die Reduktion sozusagen im leeren Reduktionsraum vor sich geht, derart,
daß die Beschickung selbst in diesem Raum nicht angehäuft oder aufgestapelt wird.
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Das Wesen des vorliegenden Verfahrens zur Gewinnung von Magnesium,
Zink oder anderen flüchtigen Metallen durch Reduktion ihrer Verbindungen mit Hilfe
von Kohle im ununterbrochenen Betrieb, bei dem die Beschickung in Form von regelmäßig
aufeinanderfolgenden Teilgaben in den mittelbar oder durch elektrische Innenheizung
erhitzten Reduktionsraum aufgegeben @ wird, besteht somit darin, daß die vorzugsweise
aus kleinen Briketts bestehenden Teilgaben der Beschikkung in den praktisch leeren,
hocherhitzten Reduktionsraum eingeführt werden. Zur Ausführung der Erfindung wird
die Beschickung in den hocherhitzten Reduktionsraum ununterbrochen, aber in regelmäßig
aufeinanderfolgenden einzelnen Teilgaben aufgegeben, und zwar mit derart gewählten
Unterbrechungen, daß die Abgabe der dampf- und gasförmigen Reaktionsstoffe aus jeder
Einheit der Beschickung annähernd im Zeitmaß ihrer Zuführung, d. h. ohne nennenswerte
Anhäufung der Beschickung im Reduktionsraum, vor sich geht. Dieser Bedingung wird
am besten durch regelmäßig unterbrochenes Einwerfen der Beschickung in Form kleiner
Briketts in den leeren, hocherhitzten Reduktionsraum entsprochen. Ob nun die Reduktionskammer
indirekt oder durch elektrische Innenheizung geheizt ist, geht die Reduktion im
Sinne der Erfindung ohne Aufstapelung der Beschickung im Ofenraum vor sich, indem
jedes eingeworfene Brikett, theoretisch gesprochen, beim Durchgang durch den Ofenraum
vergast wird, praktisch gesprochen, nur r bis höchstens 3 Minuten im Ofenraum verbleibt.
Die Teilgaben von gleichmäßiger Abmessung müssen daher entsprechend klein sein;
andererseits müssen die Menge des Metalls und der Verhältnissatz des Reduktionsmittels
in jeder Teilgabe, z. B. Brikettehen, das Zeitmaß der Zubringung der einzelnen Brikettehen
und die Wärmezufuhr entsprechend miteinander abgestimmt werden. Indem die sich bildenden
Metalldämpfe und die gasförmigen Umsieizungsstoffe von jeder kleinen Teilmenge der
Beschickung, die für sich in den heißen Reduktionsraum hineingelangt, fast augenblicklich
entbunden werden, sind Schwankungen der Ofentemperatur ausgeschlossen. Dank der
fortlaufenden, aber in gleichmäßigen Abständen unterbrochenen Zufuhr der Beschickung
in gleichmäßig kleinen Einzelgaben, die im Ofen augenblicklich reduziert werden,
verläßt auch ein gleichmäßiger Strom der dampf- und gasförmigen Reduktionsstoffe
den Reduktionsraum, so daß es im Falle der Verwendung eines indifferenten Gases
zur Verdichtung der gebildeten Metalldämpfe zur Aufrechterhaltung völlig unveränderter
Verdichtungsbedingungen einer Anpassung der zuzusetzenden Gasmenge an wechselnde
Leistungen des. Reduktionsvorganges nicht bedarf. Ist die Menge des Kühlgases im
Verhältnis zu der Menge der in der Zeiteinheit entwickelten dampf- und gasförmigen
ke-_ duktionsstoffe einmal eingestellt, so ist zur sicheren Aufrechterhaltung eines
vollkommen gleichmäßigen Betriebes eine weitere Regelung nicht erforderlich.
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Ausgangsstoffe, die das zu gewinnende Metall als Oxyd enthalten, können
dem Reduktionsverfahren unmittelbar unterworfen werden. Carbonate oder Sulfide des
Metalls enthaltende Ausgangsstoffe werden im allgemeinen vorher calciniert oder
geröstet. Auch oxydische Erze und Hüttenerzeugnisse oxydischer Art müssen, wenn
sie Wasser oder andere flüchtige Fremdstoffe enthalten, wie dies auch sonst geschieht,
einer Vorerhitzung unterworfen werden. Wird die Beschickung in Form kleiner Briketts
in den erhitzten Reduktionsraum eingeworfen, so werden diese beispielsweise in der
üblichen Weise aus einer Mischung des fein gepulverten metalloxy,dhaltigen Gutes
mit fein gepulvertem Kohlenstoff unter Verwendung eines in der Hitze verkohlenden
Bindemittels verformt und gebrannt. Verwendet man nach einer bevorzugten Arbeitsweise
zur Herstellung der Briketts ein rasch verkohlendes Bindemittel,
z.
B. Teerpech, so können die Briketts bei Abwesenheit von Wasser und flüchtigen Fremdstoffen
in ungebranntem Zustand in den Reduktionsraum eingeführt werden.
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Verarbeitet man Ausgangsstoffe, die reich genug an dem durch Reduktion
zu gewinnenden Metall sind, d. h. bei der Arbeitstemperatur nichtflüchtige Begleitstoffe
in entsprechend geringerer Menge enthalten, so tritt als weiterer Vorteil des Verfahrens
in Erscheinung, daß bei der schlagartigen Zerreißung der Beschickungssätze' durch
die plötzlich gebildeten Metalldämpfe auch die nichtflüchtigen Begleiter (beispielsweise
Eisen, Aluminium, Calcium, Silicium als Fe, Al,C3, CaC2 und Si) mitgerissen werden,
so daß sie den Reduktionsraum als feine Staubwolken gleichzeitig mit den dampf-
und gasförmigen Reduktionsstoffen verlassen. Dies ist zum Beispiel beim Ausgehen
von Sintermagnesia, die durchschnittlich 6o bis 9o 1/o Mg O enthält, der Fall. Bei
dieser Arbeitsweise geht die Reduktion ohne Hinterlassung eines Rückstandes oder
einer Schlacke in der Reduktionskammer vor sich. Die mitgerissenen nichtflüchtigen
Begleitstoffe werden zweckmäßig von dem zu gewinnenden Metall getrennt, indem man
beispielsweise die Metalldämpfe auf ihrem Wege zum Verdichtungsabschnitt durch einen
beheizten Staubabscheider, wie z. B. ein beheiztes Filter, leitet-oder den Niederschlag
in vorgelegtes Kohlenwasserstofföl eintropfen läßt; zweckmäßig werden beide Maßnahmen
miteinander vereinigt.
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Die Reduktionskammer kann indirekt oder durch elektrische Innenheizung
(Widerstands-oder Lichtbogenerhitzung oder verbundene Lichtbogen- und Widerstandserhitzung)
geheizt sein, wobei es vorteilhaft zu sein scheint, daß die Beschickung selbst am
Stromdurchgang nicht beteiligt ist. Geht der Reduktionsvorgang bei Unter- oder Überdruck
vor sich, so wird die Beschickung in die Reduktionskammer eingeschleust.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, deren
Wirkungsweise an dem Beispiel der Verarbeitung von Sinterniagnesia erläutert wird,
ist in der Abbildung dargestellt.
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In die Decke des elektrischen Ofens i, der mit einer Lichtbogenheizung
ausgestattet ist, mündet ein Rohr 2, dessen oberes Ende an ein Becherwerk angeschlossen
ist. Gemäß dein dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Becherwerk aus einer
mit Bechern 3 versehenen Scheibe q., die mit einem Teil ihres Mantels in einen Brikettvorratsbehälter
5 hineinragt. Die aus den Bechern in das Rohr 2 fallenden Briketts müssen eine Schleuse
durchlaufen, die mit zwei tellerförmigen Abschlußvorrichtungen 6 und 7 ausgestattet
ist. Zur Bewegung " der Abschlußteile dienen zwei Hebelanordnungen 8 und 9, die
von Scheibenkurbeln io und i i derart gesteuert werden, daß die eine Abschlußvorrichtung
den Durchgang sperrt, bevor die andere sich zu öffnen beginnt.
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Der Auslaßkanal des Ofens ist mit einem Kühlmantel 12 versehen und
steht durch ein Rohr 13 mit einer Filteranlage 14 in Verbindung. In der Mittelachse
des Auslaßkanals ist ein wassergekühlter Zylinder 15 angeordnet. 16 sind Düsen im
Mantel des Zylinders, aus welchen Kühl- und Verdünnungsgas austritt.
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Aus dem Becherwerk fällt in gleichen Zeitabschnitten je ein Brikett
ab, das vom Teller 6 aufgefangen wird. Sowie der Teller 7 in die Abschlußstellung
gelangt ist, gibt der Teller 6 die Öffnung frei, wobei das Brikett abgeworfen und
vom Teller 7 aufgefangen wird, der in die Offenstellung überzugehen beginnt, sobald
der Teller 6 wieder die Schließstellung einnimmt. Das Brikett fällt sodann in den
Ofen. Die im Ofen sich entwickelnden gas-und dampfförmigen Reduktionsstoffe sowie
die nichtflüchtigen staubförmigen Begleitstoffe der Beschickung ziehen durch den
Auslaßkanal ab, werden hier durch kalte inerte oder reduzierende Gase, die aus den
Düsen 16 ausströmen, verdünnt und rasch abgekühlt. In der Filteranlage 14 wird der
Magnesiumstaub abgeschieden, während das vom Magnesium befreite Gas abgeleitet und
nach entsprechender Reinigung wiederverwendet wird.
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Die Beschaffenheit und Zuführung der Beschickung wird so eingestellt,
daß der Zeitabschnitt zwischen der Einführung zweier Briketts in den Ofen dem für
die Abgabe der dampf- und gasförmigen Umsetzungsstoffe aus einem Brikett erforderlichen
Zeitraum ungefähr entspricht. Dadurch wird eine Anhäufung der Beschickung im Ofen
verhindert.
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Es ist weiter ein Verfahren zur Gewinnung von Leichtmetallen durch
Reduktion der Oxyde mit Kohlenstoff und Verflüchtigung der reduzierten Metalle im
luftverdünnten Raum bekannt, bei welchem die Metalldämpfe in fester oder flüssiger.
Form an einer gekühlten Fläche, die sich im Ofen selbst befindet, niedergeschlagen
werden. Nach einer besonderen Ausführungsform dieses Verfahrens wird die Beschickung
satzweise in einem Schacht hochgefahren, von dort in den Heizraum geschoben, der
Rückstand der Beschickung nach unten ausgetragen und das gebildete Metall durch
Verdichtung an einer gekühlten Fläche gewonnen. Hieraus ist nicht zu entnehmen,
daß Teilgaben der Beschickung in den praktisch leeren, hocherhitzten Reduktionsraum
eingeführt werden sollen, so daß (im Gegensatz zu dem Arbeitsgrundsatz aller
bekannten
Verfahren) die Abgabe der dampf-und gasförmigen Umsetzungsstoffe aus den einzelnen
Teilgaben der Beschickung annähernd, im Zeitmaß ihrer Zuführung ohne nennenswerte
Anhäufung der Beschickung im Reduktionsraum vor sich geht.