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Thermisches Verfahren zur Metallgewinnung durch Reduktion ihrer Sauerstoffverbindungen
Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren, um mit Kohlenoxyd reoxydierende,
besonders auch karbidbildende Metalle durch Reduktion ihrer Sauerstoffverbindungen
mittels Kohle zu gewinnen.
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In neuerer Zeit sind Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden,
um Metalle, !deren Verbindungen, Gemische usw. hüttenmännisch bei Temperaturen zu
behandeln, die wesentlich oberhalb der früher bei diesen Stoffen üblichen liegen
(Gasmetallurgie).
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht in Weiterentwicklung des
Bekannten darin, zunächst oberhalb des Zersetzungspunktes der am schwersten zersetzlichen
Verbindung zu arbeiten, welche die zu gewinnenden Metalle mit den Komponenten der
Ausgangs- oder Zwischenprodukte bilden, und dann das in jedem Fall entstehende Kohlenmonoxyd
von dem oder den reinen Metallen sowie diese voneinander oberhalb der höchsten Temperatur
zu trennen, bei der unter den Betriebsbedingungen chemische Reaktionen des oder
der zu gewinnenden reinen Metalle entstehen könnten.
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Obwohl das neue Verfahren in seiner ersten Stufe überwiegend im Gaszustand,der
behandelten Stoffe verläuft, kann es unter bestimmten Bedingungen
so
geführt werden, daß die reinen Metalle flüssig anfallen sowie Flockengraphit bei
Anwesenheit von überschüssigem Kohlenstoff. Die flüssige Phase tritt z. B. bei der
Behandlung von Gemischen von Oxyden und Karbiden auf.
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Im Schaubild ist für die Gruppe der karbidbildenden Metalle das neue
Verfahren dargestellt. Es möge in der Zeit t oder auf dem Wege s längs der Abszisse
verlaufen. Auf der Ordinate sind die Temperaturen t eingetragen, deren Innehaltung
die Eigenart der Erfindung ausmacht. Die Temperaturpunkte . stehen wie üblich für
mehr oder weniger scharf begrenzte Umsetzungszonen. Mit T2 ist die Temperatur bezeichnet,-bei
der das am schwersten zersetzliche Karbid der Metalle, die gewonnen werden sollen,
sich zu zersetzen beginnt, mit T3 die höchste Reoxydationstemperatur; bei der die
entstandenen reinen Metalle sich unter den jeweils gegebenen Betriebsbedingungen
mit C O umsetzen können.
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Das Verfahren verläuft nun im dargestellten t-T- oder s-T-Diagramm
längs einer Kurve von T2-T3. Die erste Stufe beginnt nicht unterhalb der Temperatur
T2, die zweite endet nicht unterhalb der Temperatur T3. Aus der Art der Darstellung
ergibt sich ferner, daß es sich um einen kontinuierlichen Betrieb handelt sowie
daß weder zur Verdünnung noch zur Abschreckung Wasserstoff oder inerte Gase zugesetzt
werden, die beim Ablauf anderer Verfahren technisch eine erschwerende Notwendigkeit
bilden und dieselben--wirtschaftlich in Frage stellen.
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Zwar sind für die wenigsten hüttenmännisch behandelten Stoffe die
Zersetzungstemperaturen der Karbide bei normalen atmosphärischen Drucken bekannt.
Dies beweist jedoch nur, wie fern es bisher lag, ein Verfahren nach der Erfindung
anzuwenden oder auch nur das in. Frage kommende Temperaturgebiet zusammenhängend
physikalisch zu erforschen. Da jedoch die Temperaturen T2 und T3 im Einzelfall ohne
weiteres ermittelt werden können, liegt für jede praktische Anwendung trotzdem die
neue technische Lehre eindeutig fest.
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Alle nach der Erfindung möglichen Ausführungen des Verfahrens werden
nach Temperaturen, Zeit und Weg nach unten durch die Kurve T2-T3 begrenzt, verlaufen
also innerhalb-des gestrichelten Schaubildteils.
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Während es in vielen Fällen zweckmäßig sein wird, die Ausgangsstoffe
unmittelbar in die Zone T2 einzuführen, bietet bei oxydischen Ausgangsprodukten,
die Karbide bilden, eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens den Vorteil, daß vor
der Zersetzung der Karbide, d. h. innerhalb des Karbidisierungsbereichs, Kohlenoxyd
abgezogen -,verden kann. Diese Vorstufe zur zweckmäßigen Einleitung .des neuen Verfahrens
ist als Kurventeil Ti-T2 gestrichelt ebenfalls in das Schaubild eingetragen. Die
Bedeutung dieser Ergänzung tritt besonders zutage, wenn die Reoxydationszone T3
der Zersetzungszone T2 nahe benachbart ist. Bei der Abführung des Kohlenoxydes ergibt
sich die vorteilhafte Nebenwirkung, diejenigen metallischen Bestandteile der Ausgangsstoffe
als Gase oder Dämpfe mit abzuziehen, deren Siedepunkte unterhalb der Zone `T2 liegen.
Sind in den Ausgangsstoffen nicht karbidbildende, gegebenenfalls nicht reoxydierende
Metalle, wie Blei, Zink u. a., vorhanden, die also nicht zu den erfindungsgemäß
behandelten Stoffen gehören, so wird das eigentliche Verfahren auf dem Wege T2 T3
von deren Nebenwirkungen entlastet. Hingegen können solche Begleitmetalle, die Karbide
bilden und deren Zersetzungspunkt oberhalb T2 liegt, wie z. B. Ca bei Gewinnung
von Al, durch deren Bindung als Karbid ausgeschieden werden, z. B. in einer auf
Karbidisierungstemperatur gehaltenen Kohlenabsorptionsanlage.
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Das Verfahren sieht weiter vor, auf dem Weg T2 T3 Temperaturstufen
zu bilden, in welchen sich die entbundenen Metalle ihren Kondensationspunkten entsprechend
voneinander trennen. Dann ergeben sich Kurvenabzweige unstetiger Krümmung. Der Fall
eines Abzweiges ist im Schaubild punktiert eingezeichnet. Zur beschleunigten Entfernung
der bei T2 entbundenen Metalle aus dieser Zone kann eine örtliche Überhitzung vorteilhaft
sein. Die Durchführung fraktionierter Kondensationen ermöglichtes nicht nur, als
Ausgangsstoffe Oxydgemische bzw. -verbindüngen zu verarbeiten, sondern auch nicht
aschenfreie Kohle als Reduktionsmittel zu verwenden. Die Erfindung läßt somit zu,
die sonst als lästig empfundene Asche in den Metallgewinnungsprozeß einzubeziehen.
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Schließlich wurde erkannt, daß in der Zone oberhalb T3 Sauerstoff
oder mindestens ein Luft-0-Gemisch gefahrlos in das Verfahren eingeführt werden
kann, denn wegen der eindeutigen Affinität des O zum C oberhalb,der.Reoxydationstemperatur
verbrennt der Kohlenstoff sogar in Gegenwart des reinen Metalls. Hierdurch werden
den kohlenthermischen hüttenmännischen Verfahren Anwendungsgebiete erschlossen,
die bisher praktisch der Elektrothermie vorbehalten waren, weil sie entweder bei
besonders hohen Temperaturen verlaufen, welche nicht ohne weiteres durch Kohlenverbrennung
zu erzielen sind, oder weil die Kohlenverbrennungsprodukte den Verfahrensablauf
störten, zuweilen sogar verhinderten.
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Wo im Verfahren Kohlenoxyde, Gase oder Dämpfe von Metallen abgeführt
werden, läßt sich deren Wärmeinhalt z. B. in an sich bekannter Weise zur Vorerhitzung
der Ausgangsstoffe als auch z. B. der Verbrennungskomponenten verwerten.
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Ein besonderer Vorzug des neuen Verfahrens besteht darin, daß es weder
auf ein Vakuum noch auf Über- oder Unterdruck angewiesen ist. Vielmehr kann es bei
normalen Druckverhältnissen durchgeführt werden. Ebensowenig ist es an eine bestimmte
Wärmequelle gebunden. Ausführungsbeispiele r. Aluminium wird nach der Erfindung
aus reinem Aluminiumoxyd wie folgt gewonnen:-
Vorstufe T1 = etwa
igoo° C; hier beginnt die Bildung von Karbid unter gleichzeitiger Entwicklung von
Kohlenmonoxyd nach folgender Gleichung,: 2 T2 = etwa 235O° C; Aluminiumkarbid wird
nach folgender Gleichung zersetzt, wobei das in () gesetzte C O sich nicht an der
Reaktion beteiligt und lediglich in die Gleichung eingesetzt ist, um anzudeuten,
daß dasselbe noch anwesend sein kann: A14 C3 + (6C0) = 4A1 + 3 C +
(6C0).
Bei der Zersetzung von Aluminiumkarbid entsteht gleichzeitig Flockengraphit,
der im Zersetzungsraum zurückbleibt, während Aluminiumdampf und Kohlenmonoxyd weitergehen.
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T3 = etwa 2ioo° C; noch oberhalb T3 wird das Aluminium durch Kondensation
aus dem Gasgemisch Aluminium + Kohlenoxyd abgeschieden, so daß die Reoxydation nach
der Gleichung 4 Al + (6C0) = 2 A1203 + 6 C nicht stattfindet. 2. Gewinnung
von Silizium aus Kieselsäure: Ohne Vorstufe T2=250o'C:Si02+3C=Si+C+2C0, T3 = 220O
° C : Abtrennung des Si, so d,aß die Reaktion im Sinne der Gleichung Si+2C0=Si02+2C
nicht stattfinden kann. 3. Gewinnung von Calcium aus Calciumoxyd: Ohne Vorstufe
T2 =255o° C:2Ca0+3C=Ca2+C+2C0, T3 = :2300' C : Oberhalb Abtrennung des Ca
vom Co, so daß die Reaktion Ca. +2C0=2Ca0+2C nicht stattfinden kann. q.. Herstellung
von Aluminium aus Aluminiumoxyd neben Calciumoxyd. Hierbei ist,das Calcium »Begleit«metall;
es soll nicht metallisch gewonnen, sondern als Karbid abgetrennt werden. Das Verfahren
verläuft etwa nach folgenden Gleichungen T1 = igoo° C: :2A1203 + 2 CaO +
15 C =A14C3+2CaC2+8C0 T2 = 235O° C : A14 C3 +:2 Ca C2 + (8 Co)
=4A1+3C+2CaC2+
(8C0). T2 liegt unterhalb des Zersetzungspunktes des Begleitmetallkarbids, welches
flüssig abgezogen wird. Der weitere Verfahrensablauf wird demnach von C und Ca C2
entlastet. Oberhalb T3 (2roo° C) wird Aluminium vom C O abgetrennt.