MKL1888:Elektrometallurgie

Elektrometallurgie (griech.), die Benutzung der Elektrizität bei der Gewinnung der Metalle aus ihren Erzen. Abgesehen von den sehr zahlreichen Verhältnissen, in welchen die Elektrizität in der Hüttenkunde dieselbe oder eine ähnliche Verwendung finden kann wie in andern Zweigen der Technik, bieten sich hier noch besondere Gelegenheiten zur vorteilhaften Verwertung. Eine Maschine zur Trennung magnetischer und unmagnetischer Erze wurde von Siemens u. Halske gebaut und in die Praxis eingeführt. Dieselbe (Fig. 1) besteht aus einer etwas schief liegenden, mit einem messingenen Schraubengewinde bb versehenen Achse aa; um das Schraubengewinde ist eine feststehende Messingröhre cc gelegt, welche nach obenhin aufgeschnitten und umgebogen und mit einem Abstreifer dd versehen ist, der sich tangential von innen an einen das Ganze umgebenden magnetischen Hohlcylinder ee anlegt. Dieser Hohlcylinder besteht aus Eisenscheiben, die nebeneinander liegen und durch zwischenliegende Messingringe voneinander getrennt sind. Außerhalb sind diese Eisenscheiben durch Eisenstangen verbunden, so daß sie also eigentümlich gestellte Hufeisenmagnete werden, deren ringförmige Pole die innere Wand des Hohlcylinders bilden. Die Magnetisierung wird durch isolierte Drähte hervorgebracht, welche vor Anbringung der äußern Eisenstangen zwischen die Scheiben gewickelt werden. Die ersten Zwischenräume erhalten nur wenig Windungen, die folgenden mehr, und am Ende sind sie vollgewickelt. Durch den die Windungen durchlaufenden elektrischen Strom entsteht nun infolge entsprechender Anordnung der Windungen eine regelmäßige Folge von Nord- und Südpolen, und der Hohlcylinder bietet also eine glatte Röhrenfläche dar, die aus lauter ringförmigen, nebeneinander liegenden Nord- und Südpolen besteht.

Fig. 1.

Maschine zur Trennung magnetischer von unmagnetischen Erzen.

An einem Ende ist der Cylinder durch eine durchlöcherte Scheibe f‌f mit der Achse des Apparats verbunden, und am andern lagert er an der feststehenden innern Messingröhre. Das zu trennende Material wird dem erstern Ende des Hohlcylinders zugeführt und durchläuft dann langsam den etwas schräg stehenden rotierenden Cylinder. Es muß hierbei die rotierenden ringförmigen Magnetpole passieren, welche die magnetischen Teile festhalten und mit in die Höhe nehmen, wo sie durch den Abstreifer in die feststehende innere Messingröhre geworfen werden, aus welcher sie die Schraube heraus befördert. Wenn nun gleich am Anfang ein sehr starker Magnetismus vorhanden wäre, so würde hier gleich das magnetische Material in zu großer Masse festsitzen; der ganze Raum würde gefüllt werden, und die Trennung würde schon entweder hier bei dem ersten Ringe ganz vor sich gehen, oder wenn dies nicht ginge, würde der Apparat das nicht leisten können, was er soll; darum ist die Einrichtung getroffen, daß der Magnetismus erst allmählich in voller Stärke auftritt, so daß beim Durchgang des Erzes durch den rotierenden Hohlcylinder immer stärker werdende magnetische Kräfte auf die magnetischen Teile des Gemisches wirken. Wie stark der Strom zu machen ist, hängt von der Natur des Erzes und dem Grade der Röstung desselben ab. Der magnetisierende Strom wird von einer kleinen dynamoelektrischen Maschine geliefert, und die Stromstärke wird dadurch reguliert, daß man die stromerzeugende Maschine so schnell dreht, daß man das gewünschte Scheidungsverhältnis bekommt.

W. Siemens benutzte seit 1880 den dynamoelektrischen Strom zur Schmelzung von schwer flüssigen Metallen, namentlich Platin, Iridium, Stahl und Eisen etc. Der Apparat (Fig. 2) besteht aus einem gewöhnlichen Schmelztiegel T, welcher in ein metallisches Gefäß H unter Ausfüllung des Zwischenraums mit einem schlechten Wärmeleiter eingesetzt ist. Durch den Boden des Schmelztiegels ist ein Stab von Eisen, Platin oder von Gaskohle eingeführt. Der Deckel des Schmelztiegels nimmt die negative Elektrode, einen Cylinder von gepreßter Kohle von vergleichsweise beträchtlichen Abmessungen, auf. An dem einen Ende A eines in der Mitte unterstützten Balkens AB ist die negative Elektrode durch einen aus Kupfer hergestellten Streifen aufgehängt, während am andern Ende B des Balkens ein hohler Cylinder von weichem Eisen befestigt ist, welcher sich vertikal in der Drahtspule S frei bewegen kann. Durch ein Lauf- oder Gleitgewicht G kann das Übergewicht des nach der Drahtspule hin liegenden Balkenarms so verändert werden, daß es die magnetische Kraft, mit welcher der hohle Eisencylinder in die Solenoidrolle S hineingezogen wird, ausgleicht. Ein Ende der Drahtspule ist mit dem positiven, das andre Ende mit dem negativen Pol des elektrischen Bogens verbunden. Der Widerstand der als Solenoid wirkenden Drahtrolle ist so bemessen, daß die Kraft, mit welcher sie auf den Eisencylinder anziehend wirkt, der elektromotorischen Kraft zwischen beiden Elektroden oder mit andern Worten dem Widerstand des zwischen den Elektroden in dem Schmelztiegel sich entwickelnden elektrischen Lichtbogens selbst proportional ist. Der Widerstand des Bogens wird dadurch bestimmt und nach Belieben innerhalb der Grenzen, welche die Kraftquelle zuläßt, festgestellt, daß man das Gewicht auf dem Balken verschiebt.

Fig. 2.

Apparat zum Schmelzen von Metallen.

Vergrößert sich aus irgend welchem Grunde der Widerstand des Bogens, so gewinnt der durch die Drahtspule gehende Strom an Kraft, die magnetische Anziehung überwindet das entgegenstehende Gewicht und verursacht dadurch, daß die negative Elektrode tiefer in den Schmelztiegel eintaucht, eine Verminderung des Widerstandes des Lichtbogens, während, wenn der Widerstand unter die gewünschte Grenze sinkt, das Gewicht den Eisencylinder in die Spule zurücktreibt, wodurch sich die Länge des Bogens so lange vergrößert, bis das Gleichgewicht zwischen den wirkenden Kräften wiederhergestellt ist. Diese automatische Regulierung ist für die Erlangung vorteilhafter Ergebnisse der elektrischen Schmelzung von großer Wichtigkeit. Eine andre wichtige Bedingung besteht darin, daß das zu schmelzende Material den positiven Pol des Bogens bildet, da an diesem die Wärme hauptsächlich erzeugt wird. Der elektrische Strom wird durch eine nur mit 4 Pferdekräften betriebene dynamoelektrische Maschine geliefert. Der elektrische Schmelztiegel kann mit 1 Pfd. für den Betrieb der Dynamomaschine verbrauchter Kohle nahezu 1 Pfd. Gußstahl schmelzen, während 21/2–3 Ton. Koks verbraucht werden, um 1 Ton. Stahl in Schmelztiegeln in dem zu Sheffield benutzten gewöhnlichen Gebläsofen zu schmelzen. Andre Vorteile, welche zu gunsten des elektrischen Verfahrens sprechen, sind: 1) daß der erreichbare Hitzegrad theoretisch unbegrenzt ist, während der höchste erreichbare Hitzegrad der Schmelzöfen nur 2500–2800° beträgt; 2) daß die Schmelzung in einer vollkommen neutralen Atmosphäre vor sich geht; 3) daß das Verfahren im Laboratorium ohne viel Vorbereitung und unter den Augen des Beobachters vorgenommen werden kann; 4) daß bei Benutzung der gewöhnlichen schwer schmelzbaren Materialien die praktisch erreichbare Grenze der Hitze sehr hoch liegt, da im elektrischen Schmelzofen das schmelzende Material eine höhere Temperatur als der Schmelztiegel selbst hat, während im gewöhnlichen Verfahren die Temperatur des Schmelztiegels diejenige des darin geschmolzenen Materials übersteigt. Sehr wichtig verspricht auch die Benutzung der chemischen Wirkung des elektrischen Stroms in der Metallurgie zu werden. In Harzer Hüttenwerken hat man dynamoelektrische Maschinen zur Zersetzung von Kupferlösungen aufgestellt, von denen jede bei einem Verbrauch von 10 Pferdekräften 250–300 kg sehr reines Kupfer ausfällt. Auch zur Entsilberung von silberhaltigem Blei, zur Bearbeitung von Kobaltnickelerzen und zur Gewinnung von Zink ist die Elektrizität benutzt worden.

Elektrometallurgie. Bei der Ausführung metallurgischer Prozesse mit Hilfe von elektrischer Energie kommen hauptsächlich die chemischen (elektrolytischen) und thermischen (Wärme-) Wirkungen in Betracht, weniger die mechanischen, magnetischen und sonstigen Wirkungen des Stromes. Je nach der Art des elektrometallurgischen Prozesses können aber die genannten Äußerungen der elektrischen Energie sowohl einzeln als auch nebeneinander als wirksame Faktoren auftreten. Je nachdem die elektrometallurgischen Prozesse unter Anwendung von Lösungen bei gewöhnlicher Temperatur oder unter Anwendung von geschmolzenen, halbgeschmolzenen, erweichten oder glühenden Körpern durchgeführt werden, spricht man von E. auf nassem und trocknem Weg. Die elektrometallurgischen Prozesse auf nassem Weg sind als rein elektrolytische zu betrachten, bei welchen etwa auftretende Wärmewirkungen des Stromes für das Gelingen der Operation nicht notwendig, bisweilen sogar schädlich sind. Bei den Prozessen auf trocknem Weg handelt es sich ebenfalls nur um Elektrolyse, wenn vorher geschmolzene Substanzen der Wirkung des Stromes unterworfen werden, in allen andern Fällen kommen neben der elektrolytischen Wirkung stets auch andre Äußerungen der elektrischen Energie und oft solche ausschließlich zur Wirkung. Die Prozesse sind im allgemeinen komplizierterer Natur und erheischen einen größern Aufwand an elektrischer Energie als die Prozesse auf nassem Weg, weshalb man, wo nur möglich, letztere bevorzugt hat. Nach den rein wissenschaftlichen Arbeiten von Berzelius u. Hisinger, Cruikshank, Brugnatelli, Davy u. a. beschrieb Becquerel 1835 mehrere Verfahren zur Gewinnung von Silber, Kupfer, Blei aus ihren Erzen. Seine Arbeiten, wie ähnliche von Holf und Pioche, gerieten aber in Vergessenheit, wie auch Leuchtenbergs Methode zur elektrolytischen Raffination von Rohkupfer, bis Elkington sich 1865 ein derartiges Verfahren patentieren ließ und mit Wildeschen magnetelektrischen Maschinen mit leidlichem Erfolg eine Kupferraffinerie in Betrieb brachte. Dies Verfahren fand seit 1878 sehr rasche Verbreitung und bildet heute die wichtigste Operation der E. auf nassem Weg. 1877 brachte Cobley die erste Methode der direkten elektrolytischen Metallgewinnung aus Erzen in Vorschlag und empfahl die direkte Verwendung gewisser (oxydischer) Erze der betreffenden Metalle als Anoden, wodurch der Prozeß sich offenbar zu dem denkbar einfachsten gestalten würde. Seitdem mehrten sich die Vorschläge für die einzelnen Metalle in überraschender Weise. Abgesehen von der Gewinnung und Raffination des Kupfers, wurden Methoden zur Gewinnung von Zink empfohlen, die bisher noch keinen genügenden praktischen Erfolg zu verzeichnen haben. Die E. des Zinnes beschränkt sich fast ausschließlich auf die Wiedergewinnung des Metalls aus Abfällen, doch wurden auch Methoden zur Zinngewinnung aus Erzen vorgeschlagen. Für Blei wurden Methoden zur Gewinnung des Metalls aus Erzen und zur Raffination empfohlen. Unter den zahlreichen Vorschlägen für E. der Edelmetalle erscheinen besonders beachtenswert die Methoden der Elektroamalgamation, bei welchen die Gewinnung der Edelmetalle durch Amalgamation unter Zuhilfenahme der Elektrolyse ausgeführt wird. Auch für Kobalt, Nickel, Antimon und namentlich für Aluminium und Magnesium sind elektrometallurgische Methoden ausgearbeitet worden, doch haben diejenigen für die beiden zuletzt genannten Metalle nicht den geringsten Erfolg gehabt.

Die elektrolytische Metallgewinnung aus Schmelzen wurde 1852 durch Bunsen mit der Abscheidung von Baryum, Strontium, Calcium, Magnesium aus geschmolzenen Chloriden begründet. 1854 erzielte Mathiessen auf gleiche Weise die Abscheidung der Alkalimetalle, und Bunsen und Saint-Claire Deville schlugen vor, das Aluminium durch Elektrolyse des geschmolzenen Aluminiumnatriumchlorids darzustellen. 1855 sollen in England Versuche mit geschmolzenem Kryolith ausgeführt worden sein. Letztere Methode ist heute von größter Wichtigkeit, während die Gewinnung von Aluminium aus dem Doppelchlorid bisher keinen nennenswerten Erfolg gehabt hat. Für Magnesium hat die Elektrolyse einer Schmelze von Kalium-Magnesiumchlorid Bedeutung erlangt. Die Erdalkalimetalle werden durch Elektrolyse ihrer geschmolzenen Chloride gewonnen, und für die Gewinnung von Natrium ist dis Benutzung eines Doppelchlorids erfolgreich gewesen.

Die Wärmewirkung des elektrischen Stromes, bez. die des Flammenbogens benutzte Staite 1849 zum Schmelzen schwerflüssiger Metalle, die Methode geriet aber in Vergessenheit und wurde erst 1880 von Werner Siemens bei seinem elektrischen Schmelzofen mit großem praktischen Erfolg benutzt. Die Gebrüder Cowles thaten dann 1885 den epochemachenden Schritt, gewisse Verbindungen unter Zuhilfenahme des elektrischen Bogens (oder überhaupt der Wärmewirkungen des Stromes mit oder ohne Zusatz von Kohle oder sonstigen chemisch reduzierenden Substanzen) zu schmelzen und alsdann durch die vereinigte Wirkung von Wärme und elektrischer, bez. chemischer Energie in ihre Bestandteile zu zerlegen. Dies Verfahren hat zur Zeit gute praktische Erfolge aufzuweisen, und ihm schließen sich viele andre ähnlicher oder doch nur wenig verschiedener Natur an, die sich namentlich auf die Darstellung von Aluminium beziehen. Zu erwähnen sind schließlich noch das elektrische Schweiß- und Lötverfahren und die magnetische Aufbereitung von Erzen, welche mit einer von Siemens 1880 angegebenen, besonders rationell konstruierten Maschine auf mehreren Hüttenwerken Verwendung findet.

Eine weitere und schnellere Verbreitung der E. in der Praxis wird durch den Umstand gehindert, daß die Erzeugung von elektrischer Energie gegenwärtig noch sehr teuer ist, und daß ihre Verwendung mithin nur in solchen Fällen gerechtfertigt erscheint, wo andre Hilfsmittel der Technik versagen. Die Dynamomaschinen sind freilich im stande, bis 95 Proz. der ihnen zugeführten mechanischen Arbeit in Elektrizität zu verwandeln, aber zu ihrem Betrieb gehören in der Regel Dampfmaschinen (Wasser- und Windkraft kommt bis jetzt in verhältnismäßig untergeordnetem Maße zur Anwendung), und in diesen können nur bis 10 Proz. der zum Betrieb derselben verbrauchten Wärme in mechanische Arbeit umgesetzt werden. Werden nun von dieser mechanischen Arbeit durchschnittlich 90 Proz. in elektrische Energie übergeführt, so kommen also nur 9 Proz. der unter dem Dampfkessel entwickelten Wärme als elektrische Energie zur Verwendung. In metallurgischen Öfen werden dagegen 80 Proz. der zu ihrem Betrieb verwendeten Wärme ausgenutzt, und mithin ist bei allen metallurgischen Operationen, welche direkt durch Wärmewirkungen bewerkstelligt werden können, auf Verwendung von Elektrizität zu verzichten. Nur auf gewisse spezielle Fälle findet die E. vorteilhaft Anwendung, so namentlich auf solche, bei denen es sich um Metallgewinnung durch Reduktionsprozesse bei hohen Temperaturen handelt. Die Reduktion wird bekanntlich durch die Wirkung von Kohlenoxyd unter Zuhilfenahme der bei Verbrennung desselben zu Kohlensäure erzeugten Wärme durchgeführt. Die hierzu notwendige minimale Wärmezufuhr ist in jedem Falle verschieden, und wenn man sie mit Hilfe der Thermochemie berechnet, so ergibt sich, daß sie in einzelnen Fällen bedeutend größer ist als diejenige, welche unter den günstigsten Bedingungen in unsern metallurgischen Öfen erzeugt werden kann. Dies ist z. B. der Fall bei den Oxyden des Aluminiums, Magnesiums und der Erdalkalimetalle, und thatsächlich ist die Gewinnung dieser Metalle durch Reduktionsprozesse in gewöhnlichen metallurgischen Öfen unmöglich. Auch unter den metallurgischen Prozessen auf nassem Weg gibt es mehrere, deren Durchführung ohne Zuhilfenahme des Stromes auf fast unüberwindliche Schwierigkeiten stoßen würde; so namentlich bei der Reinmetallgewinnung, wo es sich um die Entfernung der letzten Spuren fremder Körper handelt; ferner bei einigen Methoden der Metallgewinnung aus Erzen, bei welchen man durch Anwendung elektrometallurgischer Verfahren die kostspieligen und mühsamen Röst- und Schmelzprozesse ganz oder doch teilweise entbehrlich machen kann. Im allgemeinen lassen sich die Prozesse der E. auf nassem Weg wegen des zu ihrer Durchführung erforderlichen geringern Aufwandes an elektrischer Energie verhältnismäßig ökonomischer durchführen als die elektrometallurgischen Prozesse aus trocknem Weg. Ein bedeutender Fortschritt in der E. würde sofort zu stande kommen, wenn die direkte Überführung von Wärme in Elektrizität in befriedigender Weise gelänge. Hierzu sind verschiedene Anläufe gemacht worden. Die Thermosäulen gestatten in der primitiven Form, in welcher sie gegenwärtig gebaut werden, bereits die Überführung von 5,5 Proz. der zu ihrem Betrieb verwendeten Wärme in Elektrizität, auch werden vielleicht die Versuche über Elektrizitätserzeugung in feuerflüssigen Elektrolyten ermöglichen, der Lösung des genannten Problems näher zu treten. Vgl. Balling, Grundriß der E. (Stuttg. 1888); Gore, The art of electric separation of metals etc. (Lond. 1890); Borchers, Elektrometallurgie (Braunschw. 1891); Vogel und Rösing, Handbuch der Elektrochemie und E. (Stuttg. 1891).