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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallen und/oder Karbiden
Für die Herstellung von Metallcarbiden, wie Wolframcarbid, Titancarbid, Molybdäncarbid
o. dgl., sind die verschiedensten Verfahren bekanntgeworden. Außer den Verfahren,
hei denen das Metall, durch Gase carburiert wird, sind noch diejenigen von Wichtigkeit,
bei denen mit kohlenstoffhaltigen Stoffen, wie Graphit oder Ruß, gearbeitet wird.
Bei Idiesen wird im allgemeinen das Carburieren bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes
durchgeführt. Hierbei wird so verfahren, daß eine Metallsäure, z. B. Wolframsäure,
oder ein Metalloxyd, wie Titanoxyd, mit Ruß gemischt wird. Durch Erhitzen auf Reaktionstemperatur
wird zunächst die Reduktion durchgeführt, worauf dertiberschuß an Kohlenstoff das
Metall carburiert.
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An Stelle von Ruß können auch andere kohlenstoffabgebende Stoffe
benutzt werden, indes hat sich Ruß als besonders zweckmäßig erwiesen, da er hohe
Reaktionsfähigkeit aufweist. Um das Gemisch aus Metallsäure bzw.
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-oxyd und Ruß zu erhitzen, hat man sich entweder des elektrischen
Widerstandsofens oder auch des Kohlenrohrofens bedient, der gelegentlich auch mittels
Hochfrequenzströme erhitzt wird und seine Hitze durch Strahlung an das zu behandelnde
Pulvergemisch abgibt.
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Das Pulvergemisch muß bei den bekannten Verfahren verhältnismäßig
lange Zeit in Ofen auf Temperatur gehalten werden, damit zunächst die Reduktion
und dann das Aufkohlen stattfinden kann. Vielfach reicht eine einmalige Behandlung
nicht aus, vielmehr muß das Erzeugnis oft- mehrmals dem Erhitzungsprozeß unter erneutem
Zusatz von Ruß unterworfen werden,-um ein befriedigendes Ergebnis zu erzielen. Es
tritt außerdem
ein erhebliches Schwinden der Masse ein, so daß der
Ofenraum während des größten Teiles des Prozesses nur schlecht ausgenutzt ist.
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Ferner ist das sog. Warmpressen bekannt, ein Verfahren, das zur Herstellung
von Hartmetall dient, aber praktisch wenig Anwendung findet. Hierbei wird Carbidpulver
mit einigen Hundertteilen eines Hilfsmetallpulvers, wie Kobalt, gemischt, in ciner
Kohletorm durch Graphitstempel gepreßt und gleichzeitig im uninittelbaren Stromdurchgang
erliitzt. Gelegentlich ist auch vorgeschlagen worden, bei diesem Verfahren statt
vom fertigen Carbid Voll einem Gemisch aus Metall und der entsprechenden menge Kohlenstoff
auszugehen. Das vorbekannte Verfahren ist aber praktisch nicht durchführbar. Hierbei
ist es ferner auch bekannt, nicht die Metalle selbst in Pulverform zu carhurieren,
sondern deren Oxyde o. dgl. zu benutzen. Es zeigt sich hierbei aber, daß dieses
Verfahren technisch schwer durchführbar ist, da im praktischen Betrieb unter Einfluß
der plötzlichen Erhitzung im unmittelbwaren Stromdurchgang die Reaktion zu Explosionen
neigt.
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Es wurde gefunden, daß die Herstellung von Metallen, wie Titan, Wolfram,
Molybdän, Tantal, Nioh, Eisen, Aluminium, Calcium bzw. deren Carbiden, durch Erhitzen
von fein gemahlenen Metalloxyden oder oxydiscllen Erzen in inniger Mischung mit
gemahlener Kohle in Form von Ruß, Koks, Graphit o. dgl. unter Durchleiten des elektrischen
Stromes technisch unter Vermeidung von Explosioneii durchführbar ist, wenn die im
festen Zustand durch zu führenden Reaktionen in Vorrichtungen unter mechanischem
Druck stattfinden, die ein sicheres Entweichen der entstehenden Gase gestatten.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird ausgegangen von Metalloxyden, z. B. Titandioxyd,
oder Metallsäuren, wie Wolframsäure, Molybdänsäure 0. dgl. An Stelle der reinen
Metalloxyde können auch oxydische Erze verwendet werden, die fein zu pulvern sind.
Das Pulver des Erzes bzw. des Metalloxydes oder der Metallsäure wird mit fein geinahlener
Kohle innig gemischt. Die Kohlenstoffmenge in dem pulverförmigen Ausgangsgemisch
wird so eingestellt, daß sie entweder ausschließlich zur Reduktion des Metalloxydes
bzw. oxydischein Erzes ausreicht oder aber darüber hinaus auch noch zur Carburierung
des Metalls genügt, je nachdem ob die-Reaktion zum reinen Metall oder zum Metallcarbid
führen soll.
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Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, den Kohlenstoff dem
Ausgangsgemisch in Form von Ruß zuzusetzen. Es ist aber auch möglich, Koks, Graphit
usw. zu verwenden.
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Die Temperatur wird bei der Durchführung des Verfahrens nur so weit
gesteigert, daß die Reaktionen im gewünschten Sinne verlaufen. Die erhaltenen Metalle
oder Metallcarbide fallen pulverförmig, stückig, geschmolzen oder gasförmig an.
Sofern Erze verwendet werden, muß die gleichzeitig gebildete Schlacke von den Erzeugnissen
abgetrennt werden. Da beide pulverförmig anfallen oder zum mindesten leicht gepulvert
werden können, läßt sich das Trennen in einfachster Weise durch Schlämmen durchführen
oder aber, sofern das Erzeugnis der Reduktion teilweise magnetisch ist, durch magnetische
Scheidung.
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Die I, eitfähigkeit des Gemisches und damit die zu erzielende Temperatur
läßt sich in an sich bekannter einfachster Weise durch den auf das Gemisch auszuäbenden
mechanischen Druck regeln sowie beeinflussen durch die Wahl der Reduktionskohle.
Durch den mechanischen Druck wird außerdem dem Vo-Imuenseliwund bei der Reaktion
Rechnung getragen. Gleichzeitig bewirkt der mechanische Druck ein zum mindesten
teilweises Umbrechen des Gutes und damit eine Beschleunigung der Reaktion. Die gemeinsame
Wirkung der Maßnahmen hat zur Folge, daß die Reaktion sehr schnell vor sich geht
und fast vollständig verläuft. In den meisten Fällen ist ein einmaliger Durchgang
dc Gutes durch die vorgesehene Apparatur ausreichend, um ein befriedigendes Erzeugnis
zu erzielen. Gegebenenfalls wird anschließend ein gewisses Homogenisieren durchgeführt.
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In allen Fällen ist es aber für die technische Durchführung wichtig,
daß die entstehender Gase ohne jede Behinderung frei entweichen können.
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Ein besonderer Vorteil besteht ferner darin, daß das Verfahren kontinuierlich
durchgeführt werden kann, indem das Ausgangsgemisch fortlaufend zwischen beweglichen
druckausäbenden und unter Gleich-oder Wechselstrom stehenden Teilen, wie Walzen
aus Kohle oder Graphit, hindurchgeführt wird.
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Im nachfolgenden werden an Hand der beiliegenden Zeichnungen Vorrichtungen
beschrieben, mit denen das Verfahren ausgeübt werden kann. Hierbei kann sowohl kontinuierlich
wie diskontinuierlich gearbeitet werden.
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In Abb. I ist ein Ofen für diskontinuierliche Arbeitsweise dargestellt.
Der Raum 1 dient zur Aufnahme des Reaktionsgemisches.
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Er wird durch das Kohlerohr 2 und die Ober-bzw. Unterstempel 3 aus
Graphit oder Kohle gebildet. Diese Ste'mpel sind mit je einem Pol einer Stromquelle
verbunden und werden durch-eine entsprechende - Preßvorrichtung
unter
Druck gesetzt. Das Kohlerohr 2 ist unter Zwischenschalten eines konischen Graphitrohres
4 und einer Asbesthülle 5 in die konische Stahlform 6 eingepreßt. Diese Stahlform
6 ist wassergekühlt. Die Zufuhr des Wassers erfolgt über die Stutzen 7 und 8.
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Im Kohlerohr 2 2 sind radial kleine Bohrungen 9 angebracht, die durch
Längskanäle 10 miteinander verbunden sind. Diese Bohren gen dienen zur Ableitung
der entstehenden Gase. Es ist deshalb wichtig, ein Verstopfen dieser Bohrungen bein
Füllen und Pressen zu vermeiden, was durch eingelegtes Papiet erreicht werden kann.
Die Preßstempel 3 sind so zu bemessen, daß sie den Preßraum bis-auf J des ursprünglichen
Volumens verringern können.
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Zur kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens dienen die Vorrichtungen
nach Abb. 2 und 3. Nach Abb. 2 sind in einem Gehäuse 11 mit einem Einfülltrichter
I2 und einem Entnahmestutzen I3 zwei Walzen 14 aus Graphit oder Kohle voneinander
elektrisch isoliert angeordnet. Sie werden durch ein nicht gezeichnetes Getriebe
in langsame Drehung in Pfeilrichtung veflsetzt. Durch die Schleifkontakte 15 sind
die Walzen mit je einem Pol der Stromquelle I6 verbunden. Der Walzenspalt ist regulierbar
ausgeführt. Das Arbeiten der Vorrichtung ist ohne weitere Erklärung verständlich.
Es können auch mehrere Walzenpaare übereinander angeordnet sein, und der Prozeß
kann damit in mehrere Stufen ohne Zwischenabkühlung des Gutes unterteilt werden.
Den verschiedenen Walzenpaaren werden dann entsprechend dem jeweiligen Widerstand
des Gutes verschiedeue elektrische Spannungen zugeführt. Bei dieser Vorrichtung
ist das Problem der Ableitung der entstehenden Gase besonders einfach gelöst, da
der Walzenspalt, in dem die gasenden Reaktionen stattfinden, freiliegt und somit
das ungehinderte Abströmen der Gase gestattet. Vorzugsweise entströmt das Gas nach
unten. Aus der Vorrichtung werden die Gase durch den Stutzen 20 abgeführt.
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Die Einrichtung gemäß Abb. 3 entspricht der Art eines Kollerganges,
und zwar mit mehreren Walzen. Der Teller I7 wird angetrieben, die drei Walzen 18
sind je nach Fortschreiten des Reduktions-bzw. Carburierungsprozesses auf verschiedene
Höhe und auf verschiedene elektrische Spannung der Stromquelle 19 eingestellt. Der
Fluß des Behandlungsgutes ist durch Pfeile angedeutet. Auch bei dieser Vorrichtung
ist das Entweichen der entstehenden Gase ohne weiteres möglich Gelegentlich wird
es erforderlich sein, unter Schutzgas zu arbeiten, um unerwünschte Nebenreaktionen
zu unterbinden. In solchen Fällen werden die Arbeitsräume der Vorrich-. tungen gemäß
Abb. 2 und 3 nullter inertes Gas gesetzt, wozu die Vorrichtungen z. B. mit gasdichten
Hauben abgedeckt werden können.
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Das Verfahren gemäß der Erfindmig sowie die zu seiner Durchführung
beschriebenen Vorrichtungen lasscn sich zur Herstellung von Carbiden der Schwermetalle,
wie Titan, Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob o.dgl., sowie von geeigneten Gemischen
dieser Carbide. wie sie insbesondere in der Hartmetallerzeugung benötigt werden,
verwenden. Auch Gemische solcher Carbidc können im gleichen Arbeitsgang hergestellt
werden, was für die Hartmetallerzeugung von Bedeutung ist, da hier vielfach Carbidgemische,
wie Wolfram-Titan-Carbid-Gemische, benötigt werden, Es ist aber auch die Reduktion
der verschiedensten Schwer-und Leichtmetalloxyde zu reinen Metallen möglich. So
kann z. B. Tonerde zu Aluminium reduziert werden, und es kann auch auf diesem Wege
aus Calciumcarbonat bzw. Calciumoxyd Calciumcarbid erzeugt werden. Aus Siliciumoxyd
bzw. Boroxyd können Silicium-bzw. Bormetall oder deren Carbide hergestellt werden.
Ferner kam auch metallisches Eisen erzeugt werden, und zwar unmittelbar aus den
Erzen. Als Reduktionsmittel kommen außer Kohle Metalle und Metalloide bzw. deren
Carbide in Frage, wobei die infolge der Reduktion gebildeten Oxyde im Reaktionspulver
verbleiben oder gasförmig ausgeschieden werden.
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Das Erhitzen kann in jedem Falle unter Verwendung von Gleich- oder
Wechselstrom erfolgen.