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Gewinnung von metallischem Zink und ähnlichen flüchtigen metallen
in liegenden Muffeln Metallisches Zink aus Erzen wird hüttenmännisch durch Erhitzen
eines Gemisches von Erz und Kohle in gasbeheizten Ofen gewonnen.
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Da das Metall bei den Reduktionstemperaturen dampfförmig ist und der
Zinkdampf wegen der Gefahr sofortiger Oxydation nicht mit den Verbrennungsgasen
des Ofens vermengt werden darf, ist es notwendig, das Erz-Kohle-Gemisch in feuerbeständigen
Muffeln zu reduzieren, die außen durch die Flamme des Ofens auf hohe Temperaturen
erhitzt werden. Diese Muffeln haben flachrundes Profil und dünne Wandstärken und
sind zwischen 1,5o und 2 m lang. An einem Ende sind sie geschlossen, am anderen
Ende offen. Sie liegen im Ofen in mehreren Reihen übereinander horizontal oder von
innen nach außen schwach geneigt, derart, daß das offene Ende sich außerhalb des
Ofenheizraumes befindet, wodurch das Einfüllen der Beschikkung und das Entleeren
der Beschickungsreste nach der Reduktion ermöglicht wird. Ebenso das Anbringen einer
Vorlage, in der die Zinkdämpfe kondensieren.
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In neuerer Zeit sind statt der horizontal liegenden Muffeln auch senkrecht
stehende Muffeln in die Zinkverhüttung eingeführt worden; doch handelt es sich bei
vorliegender Erfindung um eine Verbesserung der Zinkgewinnung ausschließlich in
liegenden Muffeln.
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In diese Muffeln wird das Erz-Kohle-Gemisch eingefüllt und bleibt
darin während der ganzen Dauer der Reduktion unbewegt und ohne gewälzt und gekrählt
zu werden liegen. Da nun sowohl das Erz als auch die Reduktionskohle feinkörnig
sind, muß durch besondere Maßnahmen beim Mischen von Kohle und Erz vor dem Einfüllen
in die Muffel Sorge getragen werden, daß die in der Muffel ruhende Beschickung ein
lockeres, poriges Gefüge hat und für die Zinkdämpfe und Reduktionsgase in allen
Teilen gut durchlässig ist, damit diese ohne Widerstand aus der Beschickung heraus
nach der Vorlage abziehen können.
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Dieser Zustand der Beschickung in der Muffel hat nun zur Folge, daß
Kohle- und Erzteilchen sich nur mangelhaft berühren, gleichsam nur punktweise, und
daß als Reduktionsmittel daher nicht der feste Kohlenstoff auftritt, sondern überwiegend
Kohlenmonoxyd. Die Reduktion in der Muffel verläuft also nach folgendem Schema:
Zn0 + CO - Zn -;- C0_ CO, + C =:2 CO Es handelt sich in beiden Fällen demnach
um sogenannte heterogene Reaktionen, um Reaktionen zwischen gasförmigen und festen
Körpern, deren Geschwindigkeit zwar auch mit zunehmender Temperatur wächst, aber
lange nicht in dem Maße und mit der Gesetzmäßigkeit, wie bei den sogenannten homogenen
Reaktionen zwischen gelösten oder gasförmigen Stoffen. Dies .ist nach den Ergebnissen
der diesbezüglichen physikochemischen
Forschung so zu erklären,
daß bei den Reaktionen in Lösungen oder Gasgemischen die Moleküle frei beweglich
sind und sich außerdem bei der Erwärmung in solchen Medien von selbst Strömungen
einstellen, die auch ohne mechanische Mittel die Mischung gewährleisten. Bei den
heterogenen Reaktionen liegt die freie Beweglichkeit der Moleküle nicht in gleichem
Maße vor, und die Reaktion spielt sich nur an der Oberfläche der festen Körper ab.
An dieser aber treten kapillare oder Oberflächenkräfte in Form von Sorption.serscheinungen
auf: die Reaktionsprodukte haften an den festen Körpern, und diese Haftschichten
erschweren den Zutritt neuer reaktionsfähiger Moleküle. Die Reaktionsgeschwindigkeit
wird weniger durch das chemische Energiegefälle als durch die Diffusion der Gase
an der festen Oberfläche bestimmt. deren Schnelligkeit bekanntlich mit der Temperatur
weit weniger zunimmt als der chemische Prozeß an sich. Deshalb spielt für die -Geschwindigkeit
solcher heterogener Reaktionen das Vorhandensein eines äußeren Rührwerks, mittels
dessen die Oberfläche der festen Körper von den Haftschichten befreit wird, eine
bedeutsame Rolle. Man denke nur beispielsweise an die hohen Leistungen des Wälzverfahrens.
Für das Verständnis vorliegender Erfindung sind die obigen Darlegungen nötig. Auch
in der Muffel des Zinkreduktionsofens absorbiert die Oberfläche der Erz- und Kohleteilchen
Gas, das die Oberfläche umhüllt, und es bedarf im Sinne vorstehender Darlegungen
eines Rührwerks, um die Hüllen abzuspülen oder wenigstens ihre Dicke zu vermindern.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Muffeln im Ofen rotieren
zu lassen; aber das scheitert an den großen technischen Schwierigkeiten.
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Die vorliegendeErfindung benutzt einen anderen Weg. Sie stellt gewissermaßen
eine pneumatische Spülung dar, indem zahlreiche fadendünne Gasströme in die Beschickung
während der Erhitzung in der Muffel gedrückt werden, die beim Durchgang durch die
porige Masse des Erz-Kohle-G°misches verwirbeln und die Haftschichten um die Körnchen
ablösen. Voraussetzung für den Erfolg ist, daß jedes Körnchen von einem Gasfaden
getroffen wird. Daher ist das Einblasen eines Gasstromes an einzelnen Stellen hier
und dort in der Muffel vollkommen zwecklos, ja sogar schädlich. Das Spülgas rnuß
vielmehr als äußerst feine Brause über die ganze Länge der Muffel verteilt in die
Beschickung geleitet werden.
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Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht. In
der Fig. z ist a die liegende Muffel, b die Vorlage, c das Erz-Kohle-Gemisch, d
ein rohrförmiger Körper aus porösem Material (Schamotte, gefritteter Ouarzsand u.
d-1.). Dieses Rohr bedeckt den Boden der Muffel und ist an einem Ende geschlossen,
während es mit dem anderen offenen Ende aus der Muffel ein Stück herausragt, um
mit der Gasleitung in zweckentsprechender Weise gekuppelt zu werden.
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Fig.2 stellt einen Ouerschnitt durch das Profil der Muffel in größerem
Maßstabe dar, zur besseren Veranschaulichung des Rohres d.
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Die praktische Betätigung der Erfindung geht folgendermaßen vor sich:
Angenommen, die Muffel im Ofen sei leer und stehe zur Füllung mit frischer Beschickung
bereit. Zunächst wird dann das Rohr d in die Muffel eingeschoben, bis es die in
der Zeichnung angegebene Lage hat. Alsdann wird die in üblicher Weise hergerichtete
und angefeuchtete Beschickung in die Muffel eingefüllt und in üblicher Weise die
Vorlage eingesetzt und mit der Muffel verkittet; ebenso das aus der 1vluffel heraustretende
Rohrende. Letzteres wird sodann-mit einer Gasleitung gekuppelt.
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Sobald die Beschickung in der glühenden Muffel aufgeheizt ist und
die in ihr enthaltene Feuchtigkeit und sonstige Gase ausgetrieben sind, leitet man
aus der bis dahin durch ein Ventil verschlossenen Gasleitung einen Gasstrom in das
poröse Rohr d. Das Gas tritt gleichmäßig über die Rohroberfläche verteilt in vielen
feinen Strahlen in die Beschickung ein. Es wirkt dort in der eingangs geschilderten
Weise reaktionsbeschleunigend und verläßt die Muffel mit Zinkdampf beladen, tritt
dann in die Vorlage ein, wo der Zinkdampf kondensiert, Das vom Zinkdampf befreite
Gas verbrennt in üblicher Weise am offenen Ende der Vorlage. Bekanntlich dient das
Aussehen dieser Flamme der Betriebsleitung zur Beurteilung des Reduktionsv organges.
Es steht aber nichts im Wege, bei der vorliegenden Erfindung einen Teil des Gases
abzufangen und durch das Rohr d der Muffel wieder zuzuführen. Auch kann man das
Spiilgas dem Verbrennungsraum des Ofens in geeigneter Weise entnehmen.
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Ist die Beschickung entzinkt, so wird die Muffel in der bisher üblichen
Weise entleert. Wenn das Rohr d zerstört ist, wird es durch ein neues ersetzt.
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Der technische Fortschritt der Erfindung beruht in folgendem: Infolge
der geringen Reduktionsgeschwindigkeit des Erzes in der Muffel nach der bislang
ausgeübten Praxis dauert die Entzinkung der verhältnismäßig geringen Muffelfüllung
24. Stunden. Während dieser Zeit ist die Temperatur des Ofens nicht etwa konstant,
nämlich gleich (ler Reduktionstemperatür des jeweiligen Erzes, sondern sie muß von
Beginn bis zur Beendigung
der Reduktion auf Temperaturen gebracht
werden, die etwa 500° über der Reduktionstemperatur des Erzes liegen, weil erfahrungsgemäß
ohne diese Temperatursteigerung der Prozeß in der Muffel aus den eingangs geschilderten
Gründen bald stillstehen würde.
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Die bisherige Praxis krankt also an dem Widerspruch, daß während der
Reduktion zur Erzielung der gesteigerten Temperaturen immer mehr Brennstoff aufgewendet
werden muß, obwohl die Menge des zu reduzierenden Zinks in der Muffel dauernd weniger
wird. Diesen Mangel beseitigt vorliegende Erfindung. Sie rationalisiert die Zinkgewinnung
in liegenden Muffeln entweder durch eine beträchtliche Brennstoffersparnis oder
durch eine wesentliche Verkürzung der Ofenschicht, d. h. also, durch eine erhöhte
Produktion.
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Es sei schließlich noch bemerkt, daß die mittels der Einrichtung in
die Beschickung eingeführte Gasmenge nicht so groß ist, daß die Kondensation der
Zinkdämpfe gestört wird.