DE767858C - Verfahren, um Metalle, Metallegierungen und schwer in den Dampfzustand zu ueberfuehrende Stoffe ueber die Dampfform in technisch verwertbare Feststoffe, z. B. Metalloxyde, ueberzufuehren - Google Patents

Description

• Verfahren, um Metalle, Metallegierungen und schwer in den Dampfzustand zu überführende Stoffe über die Dampfform in technisch verwertbare Feststoffe, z.B. Metalloxyde, überzuführen Es ist bekannt, bei elektro-thermischen hüttenmännischen Vorgängen einen bis auf Zu-und Ableitung völlig geschlossenen Ofen zu benutzen und solchen Öfen kleine Abmessungen zu geben.
• Die Erfindung besteht nun darin, bei der Verdampfung von Metallen und artverwandten Stoffen den Ofen und damit insbesondere auch die innere Bodenfläche des Ofens oder eine besondere in ihm angeordnete Unterlage bei Temperaturen wesentlich oberhalb des Siedepunktes des jeweils zu behandelnden Stoffes zu betreiben und die Beschickung mit den zu verdampfenden Stoffen derart zu leiten, daß die innere Bodenfläche oder die besondere Unterlage stets nur ganz unvollständig mit diesen Stoffen bedeckt wird, so daß ihr jeweils unbedeckter Teil strahlt.
• Wird der Ofen in dieser Weise ausgebildet und betrieben, so beginnen die geringen Mengen des zu behandelnden Gutes, sobald sie in den Ofen eingebracht sind, lebhaft zu verdampfen.
• Die einzelnen Tropfen der flüssigen oder geschmolzenen Stoffe bewegen sich auf der inneren Bodenfläche oder der besonderen Unterlage, ähnlich wie vom Leidenfrostschen Phänomen bekannt, hin und her. Dieses Verfahren kann bei hoher Verdampfungsleistung in gleichmäßigem Betrieb großtedlnisck auf alle WIetalle, Metallegierungen u. dgl. angewendet werden.
• Die gegenwärtig üblichen Verfahren, ZIetalle in Dampf überzuführeTi spielen sich überwiegend in einem Gebiet ab, das man, gastechnisch betrachtet, als das des Naß-, zuweilen sogar des Sattdampfes bezeichnen muß. Diese Verfahren verianfen ferner meist nicht in feuerungstechnisch stabilisierten Zuständen, sondern die Ver dämpfung wird mit unregelmäßigen Mengen von Metallen gespeist, lvodurch sich ungleichmäßige Gaszustände ergeben. Wird zur Verdampfung z. B. der elektrische Lichtbogen angewandt, so dient der Metalivorrat als Elektrode. In diesen Fällen entsteht durch allmählichen Aufbrauch des jeweiligen Ofenvorrates ein unstetiges Verfahren, das zu ungleichmäßig zusammengesetzten Dämpfen führt. Arbeitet man andererseits mit größeren Metalluiengen, so ist zwar die Voraussetzung für ein kontinuierliches Verfahren erfüllt; aber die Verdampfung je Flächeneinheit ist bei solchen Verfahren sehr gering und die Temperatur des Dampfes niedrig. Will man diesen AIangel beheben, indem man die Flächen vergrößert, um zu größeren Leistungen zu kommen, so nehmen die Einrichtungen Abmessungen an, bei denen die Verluste durch Wärmeableitung und Aussfrahlung derart groß werden, daß die aufgewandte Wärme energie im Mißverhältnis zur Verdampfungsleistung steht.
• Nach der Erfindung wird erstmalig die Aufgabe gelöst, in großtechnischer Weise Metalle, Metallegierungen od. dgl. mit wirtschaftlichen Wärmemengen in einen wohldefinierten Dampfzustand überzuführen. Da dieser Dampfzustand im allgemeinen derjenige des überhitzten, also trockenen Dampfes ist, möge er zur Erläuterung der Erfindung nach den dafür in der Physik gültigen Bezeichnungen im folgenden als Gaszustand bezeichnet werden. Uni diesen Zustand in wirtschaftlicher Weise zu erreichen, wfrd der Ofen in der beschriebenen neuartigen Weise betrieben. Geschieht dies, so kann man leicht den Gleichgewichtszustand zwischen der Menge des zufließenden Metalls usw. und der Verdampfung aufrechterhalten, deren Wärmebedarf, auf die gleiche Zeiteinheit bezogen, nicht größer sein darf als die in der betreffenden Anlage erzeugte Wärmenge. In ihr ist aber auch darüber hinaus das Mittel geschaffen, die Strahlungsgesetze mit besonderem Erfolg zur NVirksamkeit zu bringen. Die Einhaltung der genannten Gleichgewichtslage ermöglicht, den Prozeß der Überführung in den Gaszustand auf die Höhe einer Temperaturebene zu legen, die z. B. bei Anrvendullg des elektrischen Lichtbogens an dessen Temperatur herankommt.
• Nach dem Staphan-Bolthmannschen Strahlungsgesetz steigt die Wärmeübertragung durch Strahlung in der vierten Potenz der absoluten Temperatur, während die Abführung durch Wärmeleitung nur etwa proportional steigt. Die Ausnutzung dieser Gesetzmäßigkeit ergibt bei gleicher Zeit und Flächeneinheit eine mit der Arbeitstemperatur beschleunigt zunehmende Steigerung der Leistung.
• Der zu vergasende Stoff wird in den Ofen derart eingeleitet, daß die Wärme einer Unterlage, z. B. einer Graphitplatte, zugeleitet wird und das zu vergasende Metall od. dgl. auf sie aufgebiacht wird. Unter Vermeidung eines Spiegels, den man bisher in solchen Öfen meist vorliegen hatte. führt man geringe Stoffmengen der Platte zu, die sich dort unregelmäßig verteilen. Der Stoff verspratzt in diesem Fall nach Art des bekannten Leidenfrostschen Phänomens auf seiner Unterlage.
• Die an immer wieder anderen Stellen des Ofens entstehenden verhältnismäßig großen WIetalloberflächen sind stark der Strahlung zugänglich, die auch teils von den Ofenwandungen, teils von dem bereits erzeugten gasförmigen Stoff ausgeht. Gleichzeitig werden diese unregelmäßig verteilten jeweils geringen Stoffmengen im Höchstmaß von heißen Dämpfen berührt. Hinzu kommt die mechanisch bewiegende und den Stoff verteilende Wirkung des Lichtbogens, sofern ein solcher zur Erhitzung des Ofens angewendet wird. Alle diese Umstände vereinigen sich in der gleichen Wirkung, alle Einzelteilchen des zugeführten Stoffes in kürzestem Zeitraum der größten Hitzeinwirkung zu unter verfen, die mangels Anleitung zur augenblicklichen Vergasung dieser Stoffe führt.
• Es liegt dabei im Wesen des Leidenfrostschen Phänomens, daß es zweckmäßig ist, die Stoffe im flüssigen Zustand auf die heiße Unterlage zu bringen. Aber nicht einmal das ist notwendig.
• Grundsätzlich gelingt das Verfahren auch, wenn erst auf der Unterlage selbst die Verflüssigung stattfindet. Auch die Anforderungen an die ebene Gestalt der Platte brauchen nicht zu groß zu sein; im Gegenteil, die wirksamen Vorgänge werden unterstützt bei rauher Oberfläche, oder wenn die Platte aus porösem Stoff besteht oder mit Löchern versehen ist oder schließlich aus einer körnigen Schüttung besteht.
• Um tatsächlich den reinen Dampf- bzw. Gaszustand aufrechtzuerhalten, ist bei der Ausführung der Erfindung vorgesehen, daß besonders erhitzte, geeignet ausgestaltete Flächen oder z. B. Filter in die von den Gasen bestrichenen Teile des Ofens eingebaut werden. Eine außerordentliche 1N5berhitzung wird dadurch erzielt, daß die verdampften Stoffe durch einen elektrischen Lichtbogen hindurchgeführt werden. In diesem Falle wird eine tberhitzung in solchem Ausmaße erreicht, daß die erfaßten Gase selbst die Wärmequelle für die Vergasung der Stoffe bilden.
• Um in gewissen Fällen zu vermeiden, daß gr';ßere Teile der Boden fläche von den zugeführten Rohstoffmengen, sofern diese nicht sofort zur Verdampfung gelangen, überschwemmt und dadurch im Sinne der Erfindung inaktiv werden, sieht das Verfahren die Anordnung vor, daß die überschüssigen Mengen unter die Oberfläche absinken können, daß sie.von dort durch naturgemäß eintretende heftige Siedebewegung oder auch durch künstliche Maßnahmen immer wieder an die Oberfläche geworfen werden.
• Wird bei dem Verfahren als Hitzequelle der elektrische Lichtbogen benutzt, so wird in dessen unmittelbaren Einwirkungsbereich laufend nur so viel Rohstoff zugeführt, daß die in seinem unmittelbaren Hitzeherd befindlichen Mengen im wesentlichen sofort verdampfen, sei es durch unmittelbare Hitzeübertragung oder dadurch, daß die zugeführten Stoffe selbst Träger des elektrischen Stromüberganges werden und der gebildete Flammbogen im Augenblick seiner Entstehung Ursache einer aufs Äußerste gesteigerten Verdampfung wird. Zur Unterstützung dieser Wirkung werden die erzeugten Gase schnell abgeführt, indem man dem Abzugrohr einen verhältnismäßig großen Querschnitt gibt.
• Als Beispiel für das zum Betrieb des Ofens gemäß der Erfindung notwendige Wärmegleichgewicht sei das Folgende der Kupfer gegeben: Als Heizquelle steht elektrische Energie von 200 kW zur Verfügung.
• Zugeführte Energie 200 kW zu 86o ...................... cal 172 000 cal Davon 15 0/o Wärmeverlust ab, die nicht im Gaserzeugungsraum auftreten, sondern durch Ableitung an die Umgebung verlorengehen 25 800 -I46 200 cal Der Wärmewert des Kupfers ist wie folgt: 200 bis I080° ................... Io8 cal Io80 bis 2336 .............. .. 183 -Schmelzwärme ................. 42 -Verdampfungswärme .... I 110 -Bei Überhitzung um 500° in den Gaszustand mutmaßlich ....... I50 -1 593 cal Nach dem Vorstehenden beträgt die im Gaserzeugungsraum frei werdende Wärmemenge 146 200 cal; pro Kilogramm Kupfer müssen aufgewandt werden 1 593 cal, so daß also die zugeführte Menge Kupfer 9I,7 kg pro Stunde betragen darf, und zwar laufend gleichmäßig verteilt. Praktisch ist die Kupfermenge etwas geringer zu halten.
• Nachfolgend wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung erläutert.
• Die Vorrichtung ist jedoch nicht Gegenstand des Patentes.
• In dem Ofengehäuse a ist der Herdtiegel b aus Graphit inmitten einer feuerfesten Ausmauerung eingebaut. In die obere Abdeckplatte c des Tiegels ragen die beiden Elektroden d und e herein, mit Abstand umkleidet von Rohren f und g aus elektrisch nichtleitendem hochfeuerfestem Material. Auf dem Deckel h des Gehäuses sind die Elektrodenhalter i und k elektrisch isoliert aufgesetzt, zugleich der Stromzufuhr dienend aus den Kabeln X und v. An das Fallrohr ist die Metallzuleitung angeschlossen, in gerader Verlängerung versehen mit einem Stutzen zum Schauglas nt. Auf der anderen Seite ist der Austritt der Metallgase durch den Abzugkanal n ebenfalls innerhalb eines feuerfesten Ringes im Anschlußflansch o befestigt. An der Bodenseite des Tiegels ist ein Überlauf p für das überschüssige Metall angeordnet mit Graphitrohr q zum Überleiten in den elektrisch heizbaren Auslauftopf r. Durch die Auslaufröhre s kann das überflüssige Metall dann austreten. Das Ofengehäuse kann fahrbar ausgestattet sein. Außen am Austrittsrohr n oder in seiner Mündung können Anordnungen vorgesehen sein, um die abziehenden Gase zu beeinflussen, z. B. Heizdrähte, Vibratoren für Schall- und Überschallwellen oder ähnliche Energiequellen, die in das Rohrinnere hineinwirken.
• Es ist bereits ein Verfahren zur Gewinnung von flüchtigen Metallen durch Reduktion ihrer Verbindungen bei wenig über dem Siedepunkt der zu gewinnenden Metalle liegenden Temperaturen mit Hilfe von Kohle bekannt, bei dem durch Einführung von Teilgaben, vorzugsweise kleinen Briketts, ebenfalls eine Anhäufung von Stoffen in dem Ofen vermieden wird (vgl. z. B. die schweizerische Patentschrift I79 I62).
• Durch das Verfahren nach der Erfindung gelingt es, in ungewöhnlich klein bemessenen Öfen großtechnische Mengen von Metall u. dgl. in eine wohl definierte Dampfform (Gasform) überzuführen. Die weitere Folge dieser Beherrschung und Gleichförmigkeit des Gaszustandes ist, daß die Weiterverarbeitung der gewonnenen Erzeugnisse nach Weiterleitung der Dämpfe an anderen Stellen stattfinden kann.
• Ein besonderer Vorzug des neuen Verfahrens ist, daß gleichmäßige, äußerst feine Pulver der behandelten Stoffe gewonnen werden können, deren Teilchengröße an der Untergrenze der mikroskopischen Sichtbarkeit, teilweise im ultramikroskopischen Gebiet liegt. Im Vergleich mit ausgewählt guten handelsüblichen Mustern ergeben Schüttelversuche von mit dem Verfahren nach der Erfindung gewonnenen Pulvern ein wesentlich größeres Volumen. Aufschlämmungen, z. B. in Alkohol, zeigen eine monatelang ungeänderte Schwebfähigkeit der Teilchen.
• Da die wohldefinierte Gasform, welche nach dem neuen Verfahren im Dauerzustand erreicht und aufrechterhalten werden kann, eine ebenso leichte und genaue Beeinflussung der Dampfkondensation bzw. Sublimation ermöglicht, läßt sich das neue Verfahren auch so leiten, daß in den Gaszustand übergeführte Gemische, z. B.
• Legierungen, in sehr reinen Fraktionen ihrer Bestandteile gewonnen werden können, wobei wiederum nach Wunsch einige oder alle gewonnenen Anteile die Form äußerst feiner Pulver haben können.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verdampfungsverfahren für Metalle und artverwandte Stoffe unter Benutzung eines Tiegelofens, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Bodenfläche des bei einer Tempe- - -ratur weit oberhalb des Siedepunktes des zu behandelnden Gutes betriebenen Ofens oder eine besondere, im Ofen angeordnete Unter lage fortlaufend mit kleinen, sofort verdampfenden Teilmengen des zu behandelnden Stoffes beschickt werden, dergestalt, daß der Boden oder die Unterlage immer nur ganz unvollständig von dem zu behandelnden Stoff bedeckt werden, wobei darauf geachtet wird, daß die Verdampfung nach Art des Leidenfrostschen Phänomens vor sich geht.

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Deutsche Patentschriften sir. 6j2 Nr.652 517, 654 008; österreichische Patentschriften Nr. 146 472; I33 I26; schweizerische Patentschriften Sr. I67 855, I79 I62: französische Patentschriften Nr. 741 823, 782456; britische Patentschrift Nr. 3SI 115; USA.-Patentschrift Sr. I 844 II5; Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, System Nr. 27, Magnesium, Teil A, Lieferung I, S. I35, letzter Absatz; W. Machu, Wien, »Neue Wege zur Gewinnung von Magnesium.., »Metall - Erz«, 32. Jahrg., 1935, 5. 6 bis 570, insbesondere j67, rechte Spalte.