-
Verfahren zur Gewinnung von Zink aus seinen Erzen und Oxyden Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Zink aus
seinen Erzen, Oxyden und Rückständen und zur Herstellung von Zinklegierungen auf
Kupferbasis.
-
Gemäß bekannten gegenwärtig verwendeten Verfahren zur Gewinnung von
Zink aus Sphaleriterzen wird der Sphalerit zunächst konzentriert und geröstet, um
die Sulfide in Oxyde zu überführen. Das Zink wird sodann entweder durch pyrometallurgische
oder hydrometallurgisch-elektrochemische Verfahren gewonnen. Die pyrometallurgischen
Verfahren schließen sowohl das diskontinuierliche als auch das kontinuierliche Destillationsverfahren
ein. Beide Verfahren verwenden jedoch die gleiche chemische Ausgangsreaktion, in
der Kohlenstoff mit Zinkoxyd in der Wärme zu Zinkdampf und Kohlenmonoxydgas reagieren.
üblicherweise wird gemäß dem diskontinuierlichen Destillationsverfahren die erhitzte
gesinterte Mischung aus Erz und Kohle in eine Vielzahl von Tonkeramikretorten gefüllt,
die von außen erhitzt werden, um die chemische Reaktion zu bewirken. Diese Retorten
sind schlechte Wärmeleiter von zerbrechlicher Struktur. Deshalb sind sie klein,
so daß eine große Anzahl von Retorten erforderlich ist, wenn große Zinkmengen zu
destillieren sind. Es ist bekannt, daß 11000 Keramikretorten gleichzeitig von einer
einzigen Hütte benötigt werden. Eine Retorte hat eine Lebensdauer von etwa 40 Tageli
und für jede Tonne produzierten Zinks werden etwa eineindrittel Retorten verbraucht.
Die Vorlagen bestehen auch aus tonkeramischem Material. Der tägliche Bruchschaden
liegt im Mittel bei 15 %. Der Bruch dieser Keramikteile nimmt so überhand, daß die
Zinkhütten es für zweckmäßig halten, eine Spezialabteilung einzurichten, die sich
Mufflerie nennt und deren einzige Aufgabe es ist, diese keramischen Gegenstände
herzustellen, um den nötigen Vorrat an Vorlagen und Retorten (Muffeln) bereitzuhalten.
-
Es versteht sich daher, daß die bei dem bekannten diskontinuierlichen
Destillierverfahren verwendete Ausrüstung das Verfahren teuer und aufwendig macht.
Außerdem erfordern die geringe Leitfähigkeit der Retorten, der endotherme Charakter
der Gesamtreaktion und die für eine derartige Reaktion erforderliche Zeit (24 bis
48 Stunden) große Brennstoffmengen. Folglich bestimmt den Ort und die Einrichtung
von Destillieranlagen das Vorhandensein billiger Brennstofflager und nicht die Nähe
des Verbauchermarktes oder der Erzvorkommen.
-
Bei beiden bekannten diskontinuierlichen und kontinuierlichen Destillierverfahren
stellt die Kondensation von Zinkdämpfen ein ernsthaftes Oxydationsproblem dar. Die
erzeugten Dämpfe werden zumindest mit dem gleichen Volumen an Kohlenstoffmonoxyd,
Kohlenstoffdioxyd und Staub vermischt. Das Kohlenstoffdioxyd reagiert mit dem Zinkdampf
zu sehr feinen Zinkoxydteilchen. Dieses sehr feine Zinkoxydpulver und der andere
feine vorhandene Staub wirken als eine Wolke von Kernen, auf denen zusätzlicher
Zinkdampf unter Bildung kleiner Zinktropfen kondensieren kann. Die Oberflächen dieser
kleinen Zinktropfen werden dann durch dieselbe Reaktion mit Kohlenstoffdioxyd weiteroxydiert,
so daß diese Teilchen nicht zusammenfließen können. Dies ist hinsichtlich der Ausbeute
von großer Bedeutung, da bei der herkömmlichen Arbeitsweise etwa 2,3°/o des Zinks
als Abgas verlorengeht und 20°/o des Destillats in den sogenannten Zinkstaub umgewandelt
werden, der im wesentlichen aus an der Oberfläche oxydischen Zinkteilchen besteht.
Dieses zuletzt genannte Produkt muß dann nochmals destilliert werden, wenn man das
reine Metall erhalten will.
-
Allgemein ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Gewinnung von Zink aus seinen Erzen und eine verbesserte Destilliervorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die die obenerwähnten Nachteile der
bekannten Destillierverfahren umgehen oder vermindern. Insbesondere sollen das Verfahren
und die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Art der Zinkgewinnung aus seinen Erzen
vereinfachen, die Notwendigkeit der Verwendung zerbrechlicher Keramikretorten ausschalten,
die erforderliche Menge an zu verwendendem Brennstoff und die bei den bekannten
Kondensationsverfahren
auftretenden Oxydationsprobleme vermindern.
-
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es, ein geeignetes Verfahren
zur Herstellung von Zink-Legierungen auf Kupferbasis direkt aus den Zinkerzen zu
schaffen. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das Verfahren zur Zinkgewinnung
aus folgenden grundsätzlichen Stufen: Erfindungsgemäß verfährt man zur Gewinnung
von Zink aus oxydischem Zinkmaterial durch Erhitzen eines innigen Gemisches dieses
Materials mit der mindestens zur Reduktion erforderlichen Menge Kohlenstoff in Gegenwart
eines geschmolzenen Metalls so, daß man die Reduktion unterhalb der Oberfläche eines
im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Bades mindestens 10 Minuten lang bei etwa
1037 bis etwa 1204° C durchführt.
-
Aus der so erhaltenen Kupfer-Zink-Legierung kann man dann das Zink
bei 1177 bis 1742° C verdampfen und den Zinkdampf kondensieren, wobei man zweckmäßig
in einer geschlossenen, mit Kohlenstoff ausgekleideten Anlage arbeitet. Es empfiehlt
sich, das Zink unterhalb Atmosphärendruck zu verdampfen.
-
Als Ausgangsmaterial kann ein geröstetes Zinkerz verwendet werden.
Dieses wird zu feinem Pulver vermahlen. Dann setzt man feingepulverte Kohle zu und
agglomeriert das Gemisch zu Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 0,8 bis 1,6
mm.
-
Es ist vorteilhaft, während der Reduktion das im wesentlichen aus
Kupfer bestehende Bad zu rühren. Es ist bekannt, durch Reduktion von oxydischem
Zinkmaterial metallisches Zink zu gewinnen. Es ist ferner bekannt, als Wärmequelle
hierfür ein Bad aus geschmolzenem Eisen zu verwenden. Hierbei wird das Gemisch aus
dem oxydischen Zinkmaterial und dem Kohlenstoff auf die Oberfläche des geschmolzenen
Eisens aufgebracht. Diese bekannten Verfahren bringen verschiedene Nachteile mit
sich. Zunächst ist es erforderlich, bei sehr hohen Temperaturen, d. h. über 1500°
C, zu arbeiten, um das Eisen in geschmolzenem Zustande zu halten. Die Nachteile
so hoher Temperaturen in apparativer, technischer und wirtschaftlicher Beziehung
sind bekannt. Ein weiterer Nachteil des vorbeschriebenen Verfahrens besteht darin,
daß an der Oberfläche des geschmolzenen Eisens bei den verwendeten hohen Temperaturen
ein dampfförmiges Gemisch aus metallischem Zink, Zinkoxyd und Kohlenmonoxyd entsteht.
Bei der Kondensation eines solchen Gemisches entsteht Zinkstaub, der zur Gewinnung
von reinem Zink nochmals reduziert und aufgearbeitet werden muß.
-
Demgegenüber wird nach dem Verfahren der Erfindung mit einem Bade
aus geschmolzenem Kupfer oder einer Legierung von Kupfer und Zink gearbeitet, und
die Reduktion findet unterhalb der Oberfläche des Kupferbades statt. Im Vergleich
mit den bekannten Verfahren werden hierdurch mehrere Vorteile erzielt.
-
Zunächst kann wegen der tieferen Schmelztemperatur von Kupfer oder
Messing auch bei tieferen Temperaturen reduziert werden. Da die Reduktion unterhalb
der Oberfläche des Bades stattfindet, kann zwar das entstandene Kohlenmonoxyd in
Gasform entweichen; das freigesetzte Zink legiert sich aber mit dem Kupfer, so daß
in dem Raum oberhalb der Schmelze kein Zinkstaub entstehen kann. Das mit dem Kupfer
legierte Zink kann dann entweder in Form einer Legierung mit bis zu 16°/o Zink gewonnen
werden, oder aber man kann in einem zweiten Verfahrensschritt das Zink in reiner
metallischer Form durch Verdampfen bei etwa 1177 bis 1742° C und anschließendes
Kondensieren der Dämpfe gewinnen.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Diese Vorrichtung enthält einen Tiegel zum Schmelzen des Kupfers, Mittel
zum Erhitzen des Tiegels, einen am Ende des Tiegels angeordneten und mit ihm verbundenen
Kondensator, eine mit dem Kondensator verbundene Kammer zur Aufnahme von Zink, Mittel
zum Einführen des Gemisches aus oxydischem Zinkmaterial und Kohlenstoff in den Kondensator
oberhalb des Kupferbades, Mittel zum Eintauchen des Gemisches in das Bad und Mittel
zum Rühren des Bades mit der eingetauchten Mischung.
-
Zum Einführen des Gemisches aus oxydischem Zinkmaterial und Kohlenstoff
in den Kondensator verwendet man zweckmäßigerweise einen Schraubenförderer. Die
Mittel zur Erhitzung des Bades sollten genügen, eine Temperatur von 871 bis 1909°C
zu erreichen.
-
Die Vorrichtung kann ferner Leitungen und Ventile enthalten, die mit
dem der Zinkaufnahmekammer benachbarten Ende des Kondensators verbunden sind und
an eine Vakuum erzeugende Vorrichtung angeschlossen werden können.
-
Zum Eintauchen der Mischung unter die Oberfläche der Kupferschmelze
kann man einen abwärts bewegbaren Kolben verwenden. Die Kolbenplatte kann hierbei
mehrere Gasauslaßöffnungen haben und von einer drehbaren und hin- und herbewegbaren
Welle getragen sein. An der Unterseite der Kolbenplatte können herabhängende Zinken
angeordnet sein.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der Darstellung von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden
Beschreibung. Es zeigt F i g. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Zinkdestilliervorrichtung
gemäß vorliegender Erfindung, bei der Teile wegen der besseren Übersicht schematisch
dargestellt oder weggelassen sind, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der
Fig.l, F i g. 3 eine teilweise Schnittansicht der Vorrichtung gemäß F i g.1, in
der der Kolben in zurückgezogener Stellung gezeigt ist und der Schraubenförderer
das Zinkkohlenstoffgemisch in die Kupferschmelze führt, und F i g. 4 eine teilweise
Schnittansicht ähnlich der F i g. 3, in der die nicht reduzierbare Gangart oder
der Rückstand von der Oberfläche des geschmolzenen Kupfers entfernt ist.
-
Die Destilliervorrichtung gemäß F i g. 1 weist einen Schmelztiegel
10 mit einem Metallmantel 12 auf, dessen Inneres mit einem außen hitzebeständigen,
aus Zirkonerde, Magnesia u. dgl. bestehenden Stein ausgekleidet ist, der seinerseits
innen mit einem Material 15, wie z. B. Siliziumcarbid oder dichtem Kohlenstoff,
ausgekleidet ist. Der Schmelztiegel 10 ist von Heizschlangen 16 umgeben, die beispielsweise
Induktionsspulen, Widerstandsspulen oder äquivalente Heizmittel zum Schmelzen einer
Kupfercharge 18 und zum Aufrechterhalten des Kupfers in einem geschmolzenen
Zustand sein können.
Der Schmelztiegel 10 steht mit dem oberen
Teil 20
des Kondensators der Vorrichtung in Verbindung und ist durch ein engpassendes
Gelenk 22 lösbar mit dieser verbunden, wodurch eine luftdichte Abdichtung geschaffen
wird, der Schmelztiegel jedoch gleichzeitig demontiert, d. h. wenn erwünscht, vom
Rest der Vorrichtung entfernt werden kann.
-
Der obere Teil 20 des Kondensators weist einen vertikalen Teil
24 und einen horizontalen Teil 26 auf. Der obere Teil 20 ist mit einem
Stahlgehäuse 28 versehen, dessen Inneres mit Isoliersteinen 30 ausgekleidet ist,
die ihrerseits eine Auskleidung aus dichten Kohlenstoffsteinen 32 aufweisen. Der
horizontale Abschnitt 26 des oberen Teils 20 des Kondensators steht
mit dem nach unten geneigten unteren Teil 34
des Kondensators in Verbindung,
der eine gußeiserne mit dichten Kohlenstoffsteinen 38 ausgekleidete Umhüllung
oder Ummantelung 36 aufweist. Die Kohlenstoffsteine vermindern den Kohlenstoffdioxydgehalt,
der sich während des Verfahrens bilden könnte, oder den Sauerstoffgehalt, der in
die Vorrichtung eindringen kann.
-
Der untere Teil 34 des Kondensators ist mit dessen oberem Teil 20
durch eine Flanschverbindung 40 verbunden und endet in einem den Zink aufnehmenden
Tiegel 42, an dem er durch eine weitere Flanschverbindung 44 befestigt
ist. Der Zinkaufnahmetiegel ist mit Kohlenstoffsteinen 46 ausgekleidet und kann
das Zink in Form massiven Metalls, wie bei 48 angegeben, als Produkt des Destillierverfahrens
aufnehmen.
-
Ein Schraubenförderer 50 ist auf dem vertikalen Abschnitt 24 des oberen
Teils des Kondensators angeordnet und steht mit dessen Innerem in Verbindung, um
das Zinkoxyd-Kohlen-Gemisch zum Schmelztiegel 10 zu führen. Ein Trichter
52 steht mit dem Inneren des Förderers in Verbindung und ist so bemessen, daß er
diesem eine bestimmte Menge des Gemisches zuführt. Das Schraubenteil 54 des
Förderers 50 kann sich in das Innere des oberen Teils 20 des Kondensators
und aus diesem heraus bewegen, um das von dem Trichter 52 gelieferte Gemisch wahlweise
zuzuführen. F i g.1 zeigt, wie die Schraube 52 in das Innere des oberen Teils des
Kondensators vorbewegt ist und das Pulvergemisch 56 auf die Oberfläche der Kupferschmelze
18 fallen läßt.
-
Eine Kolbenvorrichtung 60 ist beweglich auf der oberen Wandung
des oberen horizontalen Abschnitts 26 des Kondensators angeordnet, so daß
sie sich abwärts in das Innere des vertikalen Abschnitts 24 bewegt und sich außerdem
in den Tiegel 10 hineinbewegen kann. Die Kolbenvorrichtung 60 weist
eine Welle 62 auf, die ein Paar Kolbenplatten 64 und 66
an ihrem
unteren Ende aufnimmt. Das obere Ende der Kolbenwelle 62 ist mit einem nicht dargestellten
Motor gekoppelt, der die Welle 62 heben, senken und drehen kann. Sowohl die oberen
als auch die unteren Kolbenplatten 64 und 66 sind mit einer Reihe von Durchtrittsöffnungen
68 gemäß F i g.1 versehen, die sich in gleichem Abstand auf der Welle 62 befinden.
Außerdem trägt die untere Kolbenplatte 66 eine Mehrzahl von Zähnen
70, die die Mischung umrühren, wenn die Kolbenplatte gesenkt und gedreht
wird.
-
Ein entfernbarer Pfropfen 72 ist in dem Schmelztiegel 10 unmittelbar
über dem Pegel der darin enthaltenen Kupferschmelze 18 angeordnet. Wie in F i g.
4 veranschaulicht, läßt sich der Pfropfen, falls erwünscht, entfernen, um eine Öffnung
74 zu öffnen, so daß ein Zugang zur Oberfläche der Kupferschmelze 18 von außen möglich
ist. Nachdem das Gemisch aus Erz und Kohle der Kupferschmelze zugesetzt ist, kann
der Pfropfen entfernt werden; ein Haken 76 oder ein anderes geeignetes durch die
öffnung 74 hindurchgeschobenes Werkzeug gemäß F i g. 4 nimmt die Schlacke und den
Rückstand von der Oberfläche der Schmelze ab und entfernt sie durch die Öffnung
74.
-
Am unteren Ende des unteren Kondensators 34 ist eine Ablaßöffnung
78 vorgesehen, durch die nicht kondensierbare Gase abgezogen werden können und mit
dem eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Vakuums während des Destillierverfahrens
verbunden werden kann. Ein Einweg-Ventil 80 ist in der Ablaßöffnung 78 zur
Destillation des Zinks unter Atmosphärendruck angeordnet.
-
Wie in F i g. 1 veranschaulicht, weist die Vorrichtung auch einen
Vorratsbehälter 82 auf, der eine große Menge des Erzgemisches aufnimmt und
dieses, falls erforderlich, zum Trichter 52 führt.
-
Wie in F i g. 2 veranschaulicht, umgibt eine Reihe von Gasleitungen
86 den unteren Kondensator 34, so daß dieser erhitzt werden kann,
um die Innentemperatur zwischen dem Schmelzpunkt und dem Siedepunkt des Zinks zu
halten. Außerdem können dem Kondensator eine oder mehrere Wasserdüsen 84 zugeordnet
sein, um zu verhindern, daß die Temperatur so hoch wird, daß das Metallgehäuse nachgibt.
-
Das geröstete Erz wird auf eine Maschengröße von -200 gemahlen und
mit einer Kohle mit einer Maschengröße von -200 vermischt, die wenig Asche, Schwefel
und flüchtige Bestandteile enthält. Das Gemisch wird dann leicht gesintert, so daß
die Teilchen sich zu einer Maschenweite von 10 bis 20 agglomerieren, oder aber es
wird gepreßt und anschließend auf etwa den gleichen Bereich, nämlich auf eine Maschenweite
von etwa 10 bis 20 zerkleinert. Das Gemisch wird dann in dem Speicherbehälter
82 abgelagert, um zum Trichter 52 und Schraubenförderer 50 befördert
zu werden; von hier kann es in den Schmelztiegel geleitet werden. In der zweiten
Stufe des Verfahrens wird das Zinkoxyd zu Zink reduziert, das sofort zu einer Legierung
gelöst wird, wodurch der Dampfdruck des Zinks so vermindert wird, daß der größere
Teil des Dampfes in der Legierung gehalten wird. Diese Stufe wird wie folgt durchgeführt:
eine Schmelze aus Kupfer wird, wie bei 18 in F i g. 1 angegeben, hergestellt, und
die Kolbenwelle 62 wird gehoben, um die Kolbenplatten 64
und 66 über
die Oberfläche der Kupferschmelze und über das Niveau des Schraubenförderers 50
hinaus zu tragen. Der Schraubenförderer wird dann in das Innere des Ofens vorbewegt
und die Schraube 52 gedreht, um eine bestimmte Menge des Gemisches aus Erz und Kohlenstoff
in der in F i g. 3 veranschaulichten Art fallen zu lassen. Der Schraubenförderer
wird jetzt zurückgezogen und die Kolbenwelle 62 gesenkt, so daß die Platten 64 und
66 das Gemisch aus Erz und Kohlenstoff unter die Oberfläche der Kupferschmelze drücken.
Der Kolben wird von Zeit zu Zeit gedreht, um das Mischen zu erleichtern, eine Agglomerierung
zu verhindern und das durch die Reaktion des Zinkoxyds mit dem Kohlenstoffgehalt
der Kohle entstandene Kohlenmonoxydgas freizusetzen. Die Gase entweichen an den
Rändern der Kolben 64, 66
und durch die Öffnungen 68 in den Kolben
und werden durch die Ablaßöffuung 78 abgezogen, von wo sie zur Dampf- oder Sinterstation
geführt werden, um als zusätzlicher Brennstoff verwendet zu werden.
-
Das meiste während der Reaktion freigesetzte Zink wird sofort von
der Kupferschmelze absorbiert, wodurch sich eine Messinglegierung bildet und als
solche bestehenbleibt. Ein Teil des Zinks verflüchtigt sich und steigt als Zinkdampf
auf, der in den Kondensatoren 26, 34 zu Zinkmetall kondensiert und in den Behälter
42 aufgenommen wird.
-
Die oben erwähnte Reaktion stützt sich auf die Tatsache, daß Kohlenstoff
bei einer Temperatur von 1037° C oder mehr rasch mit Zinkoxyd unter Bildung von
Zink und Kohlenmonoxyd reagiert, während der Dampfdruck des Zinks in einem 15%igen
Messing bei einer Temperatur bis zu 1204° C verhältnismäßig niedrig ist. Beispielsweise
destillieren aus einer 151% Zink enthaltenden Messinglegierung, wenn sie auf 1204°
C erhitzt und umgerührt wird, nur 18% des enthaltenen Zinks in einer Stunde heraus
und lassen 12,7 % im Messing zurück. Eine Temperatur von 1742° C ist für eine Periode
von 5 Stunden erforderlich, um den Zinkgehalt eines Messings bei normalen Drücken
auf 2% herabzusetzen. Steigert sich der Zinkgehalt des Messings, erhöht sich der
Zinkdampfdruck ebenfalls. Folglich destilliert aus einem Messing mit einem Zinkgehalt
von 5007o bei Erhitzen* auf 1093°C für die Dauer einer halben Stunde, ohne die Schmelze
umzurühren, 29% des Zinks heraus.
-
Bei dem vorliegenden Verfahren wird die Kupferschmelze bei einer Temperatur
oberhalb 1037° C gehalten, so daß das Zinkoxyd und der Kohlenstoff rasch miteinander
reagieren, wodurch sich ein Zink ergibt, das eine Messinglegierung mit dem Kupfer
bildet, und der größte Teil des Zinks wegen des niedrigen Dampfdrucks bei den Arbeitstemperaturen
während des Verfahrens zurückgehalten wird.
-
Als spezielles Beispiel dieser Stufe wurde ein Gemisch aus geröstetem
Zinkerz und Kohlenstoff in einer Kupferschmelze abgelagert, die zu Beginn des Prozesses
bei einerTemperatur von l177° C gehalten und deren Temperatur am Ende der Reaktionsperiode
allmählich auf 1121° C herabgesetzt wurde. Gleiche Teile des Gemisches wurden jeweils
im Abstand von 5 Minuten über eine Zeitdauer von 45 Minuten zugesetzt, wobei man
nach dem letzten Zusatz eine Zwischenzeit von 15 Minuten verstreichen läßt. Es wurde
gefunden, daß 85% des Zinks in einem 14,1% Zink enthaltenden Messing wiedergewonnen
wurden, daß 511/o des Ausgangszinks im Erzrückstand verblieb, und daß nur 10% des
Zinks destilliert waren.
-
Andererseits wurde bei Versuchen zur Herstellung von Legierungen,
die erheblich mehr als 15% Zink enthielten, ein größerer Teil des Zinks destilliert
und die Reduktions-Reaktionsdauer verlängert. Wurde beispielsweise eine größere
Menge des Gemisches aus geröstetem Erz und Kohlenstoff der Kupferschmelze zugesetzt,
die bei einer Temperatur von 1177° C gehalten wurde, dauerte das Verfahren 65 Minuten,
zu welchem Zeitpunkt die Schmelze gegossen wurde. Eine 18,4% Zink enthaltende Legierung
wurde erhalten, die 54,2% des Ausgangszinks bedeutete, während 20% des Zinks destillierten
und 25% als nicht in Reaktion getretenes Oxyd verblieben. In der dritten Stufe des
Verfahrens wird das Zink abdestilliert und als massives Metall zurückgewonnen. Wie
bereits ausgeführt, wird eines der Hauptprobleme bei der Kondensation von Zink durch
die Vermischung von Zinkdämpfen mit Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd verursacht. Während
die Zinktropfen kondensieren, sucht das Kohlendioxyd die Oberflächen zu oxydieren,
so daß normalerweise etwa 20% des Zinks sich in Form von Zinkstaub absetzt, das
aufs neue bearbeitet werden muß. Selbst wenn man die Oxydation durch Kohlendioxyd
außer acht läßt, ist die Kondensation aus den verdünnten Gasen immer noch etwas
schwierig, und es wurden Metallbäder und Duschen zur Kondensierung der Dämpfe mit
zusätzlichen Duschen zur Reinigung der durch die ersten Metallduschen hindurchgelangenden
Dämpfe vorgeschlagen. Derartige Hilfsmittel vermindern zwar die Auswirkungen der
Schwierigkeiten, ohne jedoch ihre Ursache zu beheben, und sind außerdem kompliziert
und teuer.
-
Erfindungsgemäß wird das reine Zink verdampft, und verdünnende und
oxydierende Gase werden eliminiert, so daß die Bildung von Zinkstaub sich auf ein
absolutes Minimum verringert, während ein einfaches und wirtschaftliches Kondensationsverfahren
und eine entsprechende Vorrichtung benötigt werden. Gemäß diesem Verfahren werden
nach der Reduktionsstufe die Kolbenplatten 64 und 66 über die Höhe des Schraubenförderers
50 gehoben, und der auf der Oberfläche der Kupferschmelze schwimmende Erzrückstand
wird abgenommen und durch die Öffnung 74, wie in F i g. 4 veranschaulicht, entfernt.
Eine Vakuumvorrichtung wird dann an der Abgasöffnung 78 angeschlossen, und die Temperatur
der Kupferschmelze wird wiederum auf 1177° C erhöht, um das darin enthaltene Zink
unter dem von der Vakuumvorrichtung erzeugten verminderten Druck zu destillieren.
Daraus ergibt sich eine konstante Verdampfung des Zinks von der Oberfläche der Schmelze.
Die Kolbenplatten 64 und 66 werden während dieses Vorgangs gedreht und konstant
hin- und herbewegt, um eine konstante Temperatur und Zusammensetzung der Schmelze
während der Destillierung aufrechtzuerhalten. Die Umrührtätigkeit ist nicht von
Bedeutung, ist jedoch für die Beschleunigung der Reaktion nützlich. Das reine Zink
wird dann leicht kondensiert, und die Bildung von Zinkstaub ist so gering, daß sie
vernachlässigt werden kann. Beispielsweise wurde in einem Versuch, bei dem die Legierung
auf 1177° C erhitzt worden und unter vermindertem Druck gerührt worden ist, der
Zinkgehalt der Legierung innerhalb von 2 Stunden von 14,1 auf 2,2% herabgesetzt
und das Zink in massiver Form zurückgewonnen.
-
Nachdem nun das Verfahren gemäß der Erfindung allgemein beschrieben
wurde, werden im folgenden spezielle Beispiele gegeben, die verschiedene Möglichkeiten
veranschaulichen, wie das Verfahren durchgeführt werden kann. Beispiel I Man mischt
ein gesintertes, 70% Zink enthaltendes Konzentrat mit einer feinen Kohle,
preßt es zu Zylindern mit einem Durchmesser von annähernd 2,5 cm und zerkleinert
die Preßlinge auf eine Maschenweite von etwa -10. Außer dem Zink enthielt das Erzkonzentrat
die folgenden Elemente oder ihre Oxyde: 1,311/o Eisen, 0,25% Cadmium, 0,05% Kupferoxyd,
0,00311/o Arsen, 0,00080/9 Antimon,
0901 11/o Blei, 3,011/o Schwefel,
0,4% Aluminiumoxyd, 2,401o Siliziumoxyd, 2,6% Caleiumoxyd, 1,6 0/11 Magnesiumoxyd
und 14,12 g Silber pro Tonne.
-
85 Teile Kupfer wurden geschmolzen und auf einer Anfangstemperatur
von 1177° C gehalten, sodann wurde die Temperatur der Schmelze allmählich herabgesetzt,
so daß sie am Ende der Reaktion 1121' C betrug. Man setzte das Erz-Kohlenstoff-Gemisch
45 Minuten lang jeweils in Abständen von 5 Minuten in gleichen Mengen zu und ließ
nach dem letzten Zusatz 15 Minuten verstreichen. Die Schmelze wurde gegossen und
der sich ergebende Block gewogen und analysiert. Es wurde gefunden, daß 99 Teile
Messing gewonnen wurden, die 14,1% Zink, 0,50!c Schwefel und 0,002% Silber enthielten;
man fand kein Cadmium in dem Block. Aus dem Kondensator wurden L6Teile Zink gewonnen,
die 0,30.l11 Cadmium enthielten.
-
Der Block wurde dann wieder geschmolzen, die Temperatur auf 1177°
C erhöht, der Druck oberhalb der Schmelze herabgesetzt, die Schmelze gerührt und
das Zink destilliert und kondensiert. Es wurden 12,1 Teile Zink gewonnen und 87
Teile Messing zurückgelassen, die 2,2°/o Zink enthielten. Beispiel Il Man stellte
eine Schmelze aus 226 Teilen Kupfer her, hielt sie bei einer Temperatur von 1177=
C zu Beginn der Reduktion und setzte sie allmählich auf 1121'C in den Endphasen
der Reduktion herab. Dieser Schmelze wurden 92 Teile eines brikettierten Zinkoxyd-Kohlenstoff-Gemisches
in drei gleichen Anteilen. in Abständen von jeweils 10 Minuten zugesetzt. Die Schmelze
wurde 20 Minuten nach dem letzten Zusatz begossen. Die Analyse der Schmelze ergab,
dt,ß 269 Teile Messing mit einem Zinkgehalt von 160/0 und 16 Teile Rückstand mit
einem Zinkgehalt von 6001o erhalten wurden. Aus dem Kondensator wurden 4,4 Teile
Zink wiedergewonnen. Insgesamt wurden 75.5% des Zinks als @lessingleierung, 16,80/'o
als nicht in Reaktion getretenes Oxyd und 7,5% als Destillat wiedergewornep.
-
Der Messingblock wurde nochmals geschmolzen und un:e r Reduktionsbedingungen
auf 17a2= C erhitzt, und bei dieser Temperatur 5 Stunden lang gehalten. 860g; des
erhaltenen Zinks wurden destilliert und als massives Metall wiedergewonnen. währen:?
23'_ Teil.z des Messings in der Schmelze zurückblieben, die 2,5 0,'11 Zink enthielten.
-
Es versteht sich, daß der Zusatz zun Schmelztiegel anfangs Messingabfall
statt Kupfer sein kann. In diesem Falle würde die dritte Verfahrensstufe, nämlich
das Zink aus dem Messing herauszudestillieren, durchgeführt werden, und nachdem
ein ''I'@#iRes Zinkmessiila erhalten wird, würde es in der zweiten Verfahrensstufe
als Anfangsreduktionsmedium verwendet werden. Es wäre roch zu er:rähnen_. daß an
Stelle des Abnehmens des Erzrückstandes in bestimmten Abständen während der Reduktionsperiode
oder am Ende der Reaktion und denn anschließenden sofortigen Beginn der Zinkdestillation,
auch der Schmelztiegel 10 an der Verbindung 22 gelöst und die Schmelze in einen
ähnlichen Tiegel gegossen werden kann, um eine Trennung zwischen dem Rückstand und
der Legierung zu bewirken. Die Destillation des Zinks aus der Legierung könnte dann
in einer ähnlichen, nur für die Zinkdestillation verwendeten Vorrichtung durchgeführt
werden. Diese Vorrichtung könnte einen sehr kleinen Kondensator aufweisen, der für
die Kondensierung des Zinks zu massivem Metall ohne irgendeine Schmelzstufe wassergekühlt
ist.
-
Andererseits kann an Stelle der Kondensierung eines während der zweiten
Stufe verdampften Zinks zu massivem Metall der Kondensator teilweise mit Kupferstreifen
gefüllt werden, so daß der Zinkdampf und die Tropfen mit diesem Metall und dem aus
einer Messinglegierung in Reaktion treten können. Die Temperatur der Streifen würde
unterhalb des Schmelzpunktes des Messings und oberhalb des Schmelzpunktes des Zinks
gehalten werden. Wenn die Streifen einen hinreichend hohen Zinlzgehalt aufweisen,
können sie der Schmelze in der dritten Stufe zugesetzt werden, und das Zink kann
destilliert werden.
-
Anstatt den Druck herabzusetzen, kann das Zink aus der Grundlegierung
verdampft werden, indem die Temperatur langsam nach der Reduktionsstufe erhöht wird,
so daß die Zinkdämpfe das Kohlenmonoxyd aus dem Kondensator durch die Ablaßöffnung
78 verdrängen. Die Ablaßleitung 78 wird darin von dem Ventil 80 geschlossen
und die Temperatur schneller erhöht, um eine kontinuierliche Verdampfung des Zinks
zu gewährleisten.
-
Außer dem gerösteten Zinkerz lassen sich auch andere Materialien verarbeiten
und erfindungsgemäß in festes Metall umwandeln. Zinkstaub, Zinkpulver, Zinkoxyd
und teilweise oxydierter Zinkabfall lassen sich unter Verwendung des Verfahrens
in ein hochwertiges Produkt umwandeln. Anstatt das Zink als festes Metall mit Hilfe
des gesamten oben beschriebenen Verfahrens herzustellen, könnte das Ver`#:ihren
nach der zweiten Stufe abgeschlossen und die Z='_nk.-le-ierung bei Bedarf verwendet
werden. Dies könnte besond@:rs erwünscht sein, @F@en:1 das Ausgangszin!h material
im wesentlichen nur Zink, Zinl=oxyd und Kupfer enthält und das A usgaiigsmaterial
ver@i@u@iinismäßig rein ist.
-
Ini ? aufe vieler Arbeitsz;klen sa:r_melt sich eine menge. zvertvoLer
Metalle, wie z. B. Gcia und Silber, sowie Verunreinigungen in der K-:.pferscl_=elze
an. Es ist deshalb erwünscht, das Kupfer v11:- Zeit zu Zeitaus dem Ofen zu entfe_nen
und es elektrisch zu reinigen, um diese v,ertvcllen Metalle zaar3ichzr,ÜP_ winnen.
Das reine Kupfer kann da Y_i r den Schm2iztie-el zurüc',-z,' efihrt oder ka-n als
hoch#=:eitiges Kupfer verkauft und durch verhä?inis-,äßig billiges Messing in dem
SChm,zlzt'-_e_Qel erseht iV2rCE._?, um das Verfahren aufs neue zu beginnen. @s@'as
die. @£r@Nr:einigu-igen angelt. verstellt es sich, daß der Bleigehalt der Erze niedrig
gehalten werden sollte, da sich Blei so-"olil N_n Messing als auch in derz Kendensaansamnelt.
Der Schvrefelgehalt sollte auch niedrig gehalten werden, da er siele in dem hupfen
aLZ-@setz:-sucht.
-
Es ist ein wesentliches Merkmal der E_rfi=id:llag, da° Verfahren auch
antolnatisch gesteuzrt werden knien. Ist das Verfahren für ein bestimmtes
Erz
eingea hr.e Lün: en _-Zyklus durchgeführt werden, bei dein das Erzgeniiscll
der Kupferschmelze in gewählten Abständen zugeführt, der Kolben in vorbestimmten
Intervallen hin-und herbewegt und gedreht, dieTemperatur des Kupfers in einem speziellen
Zyklus gehalten, der 'Rückstand in bestimmten Abständen entfernt und das
Zink
schließlich destilliert wird. Ist dieser Zyklus beendet, kann der nächste beginnen,
so daß insgesamt ein Minimum an menschlicher Arbeitskraft erforderlich ist. Hierdurch
wird die Arbeitsweise des Verfahrens in hohem Maße wirtschaftlich.
-
Weiterhin ist das Verfahren durch seinen verhältnismäßig geringen
Wärmeaufwand wirtschaftlich. Ist das Kupfer auf die erforderliche Temperatur erhitzt,
ist der zusätzliche Wärmebedarf unbedeutend, beispielsweise um das Zinkoxyd zu reduzieren,
das Zink zu verflüchtigen, die Strahlungsverluste aus der Schmelze zu ersetzen und
die Gangart zu erhitzen.
-
Der für die Vorrichtung erforderliche Platz ist auch sehr gering,
verglichen mit der Menge an Material, das sich verarbeiten läßt. Vorher bekannte
diskontinuierliche Destillieröfen haben beispielsweise eine Kapazität von 0,0623
m3 und können etwa 49,90 kg eines Erz-Kohle-Gemisches aufnehmen, das 7011/o Erz
enthält, von dem 70'0% Zink ist. Folglich können diese Öfen 394 kg/m3 Zink aufnehmen.
Unter der Voraussetzung, daß ein Zyklus in einem solchen Ofen 24 Stunden dauert,
bedeutet dies, daß 16,4 kg/m3 Zink pro Stunde erzeugt werden können. Im Gegensatz
dazu können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens 113 kg/m3 Zink pro
Stunde hergestellt werden.
-
Um festzustellen, welche Metalle außer Kupfer bei dem oben erwähnten
Verfahren verwendet werden können, wurde eine Reihe von Experimenten ähnlich dem
hier beschriebenen Versuch 2 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß die Temperatrur
während des ganzen Versuchs auf 1177° C gehalten wurde. Kupfer, Blei, Zinn und Aluminium
wurden als Trägermetall verwendet, und alle Versuche wurden unter den gleichen Bedingungen
durchgeführt. Die folgende Tabelle veranschaulicht die aus dieser Versuchsreihe
erhaltenen Ergebnisse.
| Versuch A Versuch B Versuch C Versuch D |
| (GU) |
| (Pb) |
| (Sn) |
| (A1) |
| Wiedergewonnenes Zink |
| aus Legierung ......................... 94,3% 3,1% 5,2%
22,411/o |
| als Destillat ........................... 5,3% 23,9%
16,8% 19,80/a |
| als nicht in Reaktion getretenes Oxyd .... 0,4% 73,0%
78,0% 57,8% |
Bei Versuch D, in dem Aluminium verwendet wurde, wurde ein erheblicher Prozentsatz
des Aluminiums in Aluminiumoxyd umgewandelt.
-
Im Hinblick auf die obigen Versuchsergebnisse ist die erfindungsgemäße
Verwendung von Kupfer zur Erhaltung des gewünschten hohen Prozentsatzes der Umwandlung
von Zinkoxyd als Ausgangsmaterial in einer Legierung von großer Bedeutung und sind
Blei, Zinn und Aluminium praktisch unbrauchbar für die vorliegende Erfindung.