Ofen, die NUR reduzieren können
Elektrolichtbogenofen
Ofen, die NUR oxidieren können
Schwebeschmelzofen/ Flash-Smelter
Flammofen
Konverter
Ofen die reduzieren
Sinterband
Wirbelschichtofen
Drehrohr
ISA
Anodenofen
Elektrolysen
IS-Ofen
QSL
Etagenofen
Schmelzzyklon
Schachtofen
Ofen die oxidieren
Schwebeschmelzofen /Flash-Smelter
kontinuierliche Öfen
Schwebeschmelzofen
Halb-kontinuierliche Öfen
Refiner (DTO)
Remelter (Mehrkammeröfen
batchweise Öfen
VAR
ESU
EB
gas-fest Reaktoren
SInterband
Wirbelschichtreaktor
fest flüssig Reaktoren
fest-fest Reaktoren
Was ist eine Reduktion/Oxidation?
Reduktion ist eine Elektronenaufnahme, Oxidation ist eine Elektronenabgabe. Bei Red sinkt die Oxidationszahl, bei Ox wird sie erhöht.
Al wird zu Al3+, was ist die stattfindende Oxidation, was Reduktion?
2 Al + 1,5 O2 —> Al2O3
Aluminium wird oxidiert, Sauerstoff wird reduziert.
Wie nennt man das Al3+-Ion?
Kation
Einschmelz-Öfen
Refiner
Remelter
Was ist der Aufbau und die Funktionsweise eines E-Ofens? Wie funktioniert dort die Reduktion?
Ein Elektroofen kann entweder mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) betrieben werden. Er funktioniert so, dass Strom von einer Elektrode über die Schmelze zu der anderen Elektrode geleitet wird. Die elektrische Energie wird in thermische Energie umgewandelt. Ein DC-Aggregate haben eine Kopf und Bodenelektrode, während AC-Aggregate nur eine Kopf-Elektrode (meist 3, im Dreieck angeordnet) haben.
Reduktion (z.B. Cu-Schlacke oder SiO2): elektrische Energie und Kohlenstoff als Reduktionsmittel
Was sind typische Einsatzmaterialien im E-Ofen?
Stahlschrott, Kupferschlacken, Einsatzmaterialien für Legierungen, Kohle
Welche Möglichkeiten gibt es um eine Reduktion durchzuführen?
Carbothermisch, metallothermisch, mit Wasserstoff
Ab wann kann man eine Reduktion mit Wasserstoff durchführen?
Wenn die Gibbs-Energie einer Oxidationsreaktion des Metalles größer ist, als die der Wasserstoffreaktion. Also kann man in einem Ellingham-Diagramm überprüfen, ab welcher Temperatur die Kurve des Metalls über der des Wassersstoffs liegt.
Liegt eine Wasserstoffreduktion oder eine carbothermische Reduktion „tiefer“ im Ellingham-Diagramm?
Je nachdem welche Kohlenstoffgerade betrachtet wird. Wenn man von der Gerade von Kohlenstoffmonooxid, das zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird, ausgeht, liegt bis ca. 900°C eine carbothermische Reaktion tiefer, während ab 900°C die Wasserstoffreduktion tiefer liegt. Für die C zu CO und die C zu CO2 -Geraden ist es genau andersrum ab ca. 700°C.
Welche Vorteile bringt die Wasserstoffreduktion mit sich?
Es entstehen keine umweltschädlichen Abgase wie CO und CO2. Es entsteht lediglich Wasser als Nebenprodukt.
keine Carbidbildung
Bei hohen Temperaturen thermodynamisch günstiger
Kleinere Atomgröße —> schnellere Reaktionskinetik
Wo wird eine Wasserstoffreduktion durchgeführt? Welches Produkt entsteht dort?
In der Stahlindustrie, es wird DRI (direktreduziertes Eisen) produziert.
Was versteht man unter Schlacke?
Wie liegen diese vor?
Was bedeutet kristallin und was ist das Gegenteil davon?
Die nichtmetallischen Begleitphasen bei einem Prozess, die die Schmelze vor der Atmosphäre (und Oxidation) schützen, Verunreinigungen aufnehmen und Gangart entfernen soll. Sie kann basisch oder sauer sein, je nachdem aus welchen Bestandteilen sie besteht. CaO -> basisch SiO2 -> sauer
Amorph, also gläsern, sie haben nur eine Nahordnung.
Kristallin bedeutet, dass es eine Nah- und Fernordnung gibt. Das Gegenteil ist amorph
Was versteht man unter Koagulation/Koaleszenz?
Zusammenballung mehrerer kleinerer Tropfen, hier Metall.
Was versteht man unter Aktivität?
Ist das Maß für die Reaktivität eines Stoffes. Bei reinen Stoffen ist sie immer gleich 1.
Wie verhält sich die Aktivität in Bezug auf die Entfernung von Metall aus der Schlackenphase?
Die Aktivität eines Stoffes in einem Gemisch ist abhängig von der Konzentration. Ist die Konzentration sehr gering, ist auch die Aktivität sehr gering, weshalb es sehr schwierig ist, immer alles entfernen zu können, da die Aktivität während des Entfernens abnimmt. Sie ist bei der Entfernung aus der Schlackenphase auch abhängig von den Schlackenbestandteilen, die diese erhöhen oder senken können. Je höher die Aktivität des in der Schlackenphase vorliegenden Oxids, desto besser kann es reduziert und entfernt werden.
Wie kann Kupfer aus der Schlacke entfernt werden?
Wie, wenn es atomar und nicht gelöst vorliegt?
Wieso funktioniert das überhaupt?
Was hindert Kupfertropfen am Absinken?
Wieso verbleibt trotzdem immer ein geringer Anteil in der Schlacke?
Das metallische Kupfer kann sich aufgrund des Dichteunterschiedes und Koagulation zu größeren Tropfen absetzen. Kupferoxid kann zu metallischem Kupfer reduziert werden. Oder indem die Löslichkeit für Kupfer und Kupferoxid in der Schlacke gesenkt wird. (Zugabe von CaO)
Atomar: Absetzen
Atomar: funktioniert aufgrund des Dichteunterschieds (Schlackendichte: 3-4)
Zu hohe Viskosität der Schlacke, zu kleine Tropfengröße (keine oder schlechte Koagulation)
Weil die Aktivität des Kupfers in der Schlacke mit abnehmender Konzentration ebenfalls abnimmt. Somit wird es schwieriger, CuO zu Cu zu reduzieren. Außerdem sind weniger Metalltropfen vorhanden, die koagulieren können, um sich gemeinsam abzusetzen.
Wie wird Schwefel aus einer Kupfer-Schlacke entfernt?
Durch Einblasen von Sauerstoff, also Oxidation.
Ist Schwefel im Kupferrecycling überhaupt relevant?
Teilweise, Schwefel kommt auch in Kupferschrott Schwefel als Verunreinigung vor, wenn auch nur in geringen Mengen. Dazu wird Kupferschrott häufig in der Primärroute eingesetzt, z.B. im Konverter, ISA-Smelter oder Anodenofen. Schwefelfreies Recycling läuft über das Knudsen-Verfahren
Welche Stoffe führen wir beim Kupferrecycling noch in das System?
Was passiert mit den Elementen, in welche Phasen gehen diese über?
Nickel -> Metallphase, reichert sich im Elektrolyten an
Blei -> Schlacke, wird in der 1. Pyrometallurgischen Raffination oxidiert,
Zinn -> Schlacke, wird in der 1. Pyrometallurgischen Raffination oxidiert,
Arsen -> Metallphase, Anodenschlamm und Anreicherung im Elektrolyten
Zink -> Schlacke, wird in der 1. Pyrometallurgischen Raffination oxidiert,
Eisen -> Schlacke, wird im Konverter oxidiert, sonst in der 1. pyrometallurgischen Raffination (zu hohe Gehalte führen zu Shuttle-Reaktionen)
Sauerstoff -> wird in der 2. Pyrometallurgischen Raffination entfernt
Kohlenstoff -> Abgas in der 2. Pyrometallurgischen Raffination
Gold -> Metallphase, Anodenschlamm
Silber -> Metallphase, Anodenschlamm
Platin -> Metallphase, Anodenschlamm
Schwefel -> Abgas, wird im Konverter oxidiert, sonst in der 1. pyrometallurgischen Raffination (zu hohe Gehalte führen zu einer unebenen Anodenoberfläche)
Was bedeutet natürliche Konvektion?
Bewegung die aufgrund von Dichteunterschieden stattfindet.
Wie entsteht eine Stoffbewegung bei einem Temperaturgradienten?
Die Teilchen im warmen Bereich (geringere Dichte) steigen auf, während die im kalten Bereich (höhere Dichte) absinken.
Welche Metalle liegen oxidisch und welche sulfidisch vor?
Aluminium, Titan und Eisen liegen oxidisch vor. Zink, Kupfer und Blei liegen sulfidisch vor.
Wie wird ZnS zu ZnO überführt?
Durch Rösten, also durch das Oxidieren von dem Schwefel, sodass SO2-haltiges Abgas entsteht.
Aufbau Wirbelschichtreaktor erklären und wo landet das ZnO?
Ein Wirbelschichtreaktor ist ein runder, nach oben breiter werdender ( Verringerung Gasgeschwindigkeit) Kessel. Das Einsatzmaterial wird von unten nach oben durch die Reaktionsluft eingeblasen, sodass ein Wirbelbett entsteht. Der Großteil des ZnO wird über das Abgas ausgetragen, nur ein kleiner Teil wird über den Überlauf ausgetragen.
Was würde passieren, wenn Zn im Abgas gasförmig bleibt?
Zink hat eine sehr viel niedrigere Schmelztemperatur als Zinkoxid, würde demnach also die Abgasrohre „verstopfen und verkleben“.
Was ist der Unterschied zwischen Fällung und Kristallisation?
Fällung: Ausscheidung eines Stoffes mittels eines Fällungsmittels
Kristallisation: Auskristallisation eines Stoffes durch Überschreiten der Löslichkeit und Keimbildung
Welche Reaktionen sind die „besten“? Gas-Flüssig, Flüssig-Flüssig oder Fest-Fest etc.
Gas-Gas und Gas-Flüssig, da diese Teilchen sich am schnellsten bewegen können, weshalb die Reaktion eher von der chemischen Reaktion, weniger von der Diffusion begrenzt wird.
VIM erklären, wie funktioniert der Aufschmelzprozess?
Welches Tiegelmaterial wird verwendet und warum?
Wie wird die Wärme bei einer wassergekühlten Cu-Kokille in die Schmelze eingetragen?
Vakuuminduktionsschmelzen ist das induktive Aufschmelzen von Metallen. Es wird außerhalb des Tiegels eine Spule angebracht, die das Metall mittels induktiver Erwärmung (durch Wechselstrom) aufheizen. Der Wechselstrom erzeugt ein Magnetfeld in der Induktionsspule. Das Magnetfeld erzeugt Wirbelströme, die das Material aufschmelzen.
Graphit, Keramik und Kupfer
Genauso wie bei anderem Material, es wird nur mehr Wärme abgetragen, durch das wärmeleitende Kupfer, es bildet sich eine freeze-lining Schicht.
Was für Mechanismen existieren um einen Stofftransport zu ermöglichen?
Konvektion (zB. Dichte oder Temperatur) , Diffusion (Konzentrationsgradient), Migration (elektrisches Feld)
Zwei Arten von Konvektion benennen
Natürliche Konvektion (durch z.B. Dichtegradienten) und erzwungene Konvektion (durch Druck).
Was passiert mit den Verunreinigungen bei VAR?
Verdampfung unerwünschter Begleitelemente (niedriger Druck und lokale Überhitzung durch die Lichtbögen). Oxide und allgemein Verunreinigungen mit geringer Dichte schwimmen auf dem Metallbad auf und werden an den Rand gedrückt.
Auf welchem Effekt beruht die Filtration von Aluminium mittels keramischen Filtern?
Benetzung
Was ist bei Benetzbarkeit entscheidend?
Sollte diese Eigenschaft möglichst hoch oder gering sein?
Die Oberflächenspannung oder die Oberflächenenergie
Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit sollte möglichst gering sein, die Oberflächenenergie des keramischen Filters möglichst hoch
Was ist ein Reaktor?
Aggregat, in dem eine physikalische oder chemische Reaktion abläuft.
Was ist überhaupt eine Reaktion?
Umwandlung von Elementen in andere Verbindungen mittels einem Reaktionsmittels (Temperatur, Reaktionspartner, Druck).
Wie und wo liegt CaO in der Natur vor?
Warum will man kein Carbonat und wie entsteht CaO?
Als Kalkstein (CaCO3)
„Entsäuerung (Entfernung von Kohlenstoffdioxid) aus dem Kalk, zur Herstellung von CaO. Man möchte kein Carbonat, weil man damit Kohlenstoff ins System einbringt.
Entscheidende Parameter beim Wirbelschichtreaktor?
Korngröße, Materialzugabemenge und Feuchte
Beim Schachtofen liegen am Ende Roheisen und Schlacke flüssig vor. Wie kann man sicherstellen, dass sich Schlacke und Metall absetzen?
Durch den Dichteunterschied, den Schlacke und Metall haben. Metall hat eine höhere Dichte. Somit können sie getrennt abgestochen werden.
Wann reduziert und wann oxidiert man beim Kupferrecycling?
ISA: Zuerst reduzieren, um alle Wertmetalle in der Metallschmelze zu sammeln. Zink wird über das Abgas ausgetragen. Danach oxidieren, um Kupfer erneut zu konvertieren.
Wenn es in den Anodenofen kommt: zuerst oxidieren, dann reduzieren.
Wie bekommt man ein Metall, das in einem anderen gelöst ist heraus?
Durch selektive Oxidation, Vakuumdestillation, Fällung
Was ist wichtig bei selektiver Oxidation?
Die Sauerstoffaffinitäten der jeweiligen Stoffe sowie die Aktivitäten.
Wie verhält sich die Aktivität bei kleinen Gehalten von Verunreinigung und was passiert bei weiterer Oxidation?
Die Aktivität ist abhängig von der Konzentration. Bei geringen Gehalten ist die Aktivität auch gering, was dazu führt, dass eher das Zielmetall oxidiert wird anstatt das Verunreinigungsmetall.
Wie funktioniert Seigerung, anhand eines binären Phasendiagramms erklären.
Seigerung: unerwünschte Anreicherungen bei Temperatursenkung, da die Löslichkeit abnimmt.
Binäres Phasendiagramm mit Mischungslücke. Bereich zwischen Mischungslücke und Stoff A: Seigerung
Wie funktioniert Vakuum-Destillation und was ist dabei wichtig?
Basiert auf den unterschiedlichen Dampfdrücken der Verunreinigungen und des Zielmetalls. Die Konzentration und die Temperatur an der Phasengrenzfläche Schmelze-Gas sind wichtig.
Der Druck wird so weit herabgesetzt bis ein Vakuum entsteht.
Was ist Messing?
Eine Legierung aus Kupfer und Zink (und leider ein bisschen Blei)
Route der Messing Raffination aufmalen
Vakuumdestillation -> Zink verdampft -> Kupfer mit Blei und bisschen Zink übrig -> selektive Oxidation -> Zinkoxid und Bleixoxid entstehen -> Reines Cu -> Zink zu Cu hinzulegieren
Oxidiert ein Wirbelschichtreaktor nur?
Nein, in der Stahlproduktion kann er auch reduzieren.
Warum ist ein Aufschmelzen im Wirbelschichtreaktor schlecht?
Verstopft und setzt sich zu. Man möchte Agglomeration verhindern.
Wie werden hochreine Metalle raffiniert?
Ist dies auf große Mengen übertragbar?
Über fraktionierte Kristallisation (z.B. Zonenschmelzen, Cooled-Finger, stationäre Kristallisation)
Nein, da zu teuer, langsam und aufwendig.
Wie wird sehr reines Aluminium hergestellt?
3-Schichten Elektrolyse oder Verdünnung mit Primäraluminium.
Was ist wichtig bei einer Alu-Raffinationselektrolyse, das mit Kupfer verunreinigt ist?
Dichteunterschiede zwischen Alu und Kupfer. Kupfer sinkt auf den Boden der Elektrolysezelle. Elektrolyt muss also leichter als Kupfer aber schwerer als Alu sein.
Was ist Dampfdruck und wie misst man ihn?
Druck, der sich einstellt, wenn in einem abgeschlossenen System eine Flüssigkeit mit ihrem Dampf im thermodynamischen GG steht.
Berechnen: Über Clausius-Clapeyron-Ungleichung
Messen: Ausprobieren im Ofen
Hat Kupfer oder Kupfer-Zink-Verbindung einen höheren Dampfdruck?
Kupfer-Zink-Verbindung hat einen niedrigeren Dampfdruck, weil die Bindungsverhältnisse sich verändern und das Verdampfen erschweren.
Selektive Oxidation
Unerwünschte Begleitelemente (mit höherer Sauerstoffaffinität) sollen oxidiert werden, damit dann Oxid und Metall leicht getrennt werden können
Siedepunkt
Wenn der Dampfdruck dem Druck der äußeren Atmosphäre entspricht
Oxidationsreiehnfolge
Ca, Mg, Al, Ti, Si, Zn, Pb, Fe, Cu
Verflüchtigungsreihenfolge
ZnCl2, Zn, PbCl2, PbS, PbO, Pb, ZnO, ZnS
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