DE1263223B - Raffinierturm zur Entfernung von Sauerstoff aus Kupfer und Kupferlegierungen sowie Verfahren zum Raffinieren von Kupfer und Kupferlegierungen unter Verwendung dieses Raffinierturmes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #Ä PATENTAMT Int. CL:

F27b

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 31 al-11/06

Nummer: 1263 223

Aktenzeichen: A 50912 VI a/31 al

Anmeldetag: 30. November 1965

Auslegetag: 14. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Raffinierturm zur Entfernung von Sauerstoff aus Kupfer und Kupferlegierungen, in dem durch bekannte mechanische Vorrichtungen ein Hochvakuum erzeugt werden kann und die Aufheizung durch äußere Induktionsspulen erfolgt, sowie auf ein Verfahren zum Raffinieren von Kupfer und Kupferlegierungen unter Verwendung dieses Raffinierturmes.

Die Theorie des Raffiniervorganges basiert auf der Gleichung:

Cu₂O + C=?= 2Cu + CO

in der ein positiver freier Energieaustausch vorhanden ist, der sich erhöht oder verstärkt, wenn der Teildruck von Kohlenmonoxyd verringert und die Temperatur erhöht wird.

Sauerstoff befindet sich während des Raffiniervorganges in dem flüssigen Kupfer in Lösung, und falls der Sauerstoff aus der Schmelze herausgebracht werden soll, müssen die Sauerstoffatome zu der Oberfläche diffundieren und von der Oberfläche weg als Gas entweichen. An der Oberfläche neigen Kupferatome als Dampf dazu, sich mit dem Sauerstoffgas zu vereinigen, um Kupferoxydulmoleküle zu bilden, die dann in die Oberfläche des geschmolzenen Kupfers zurückkondensieren. Es ist bekannt, daß, je schwächer die Sauerstofflösung in dem geschmolzenen Kupfer ist, desto geringer der Dissoziationsdruck des Sauerstoffes ist. In einem einfachen Vakuum wird es daher immer schwieriger, wenn der Sauerstoffanteil verrinigert wird, den Sauerstoff zu entfernen, und in einem Vakuum von 10~⁵ mm Quecksilbersäule erscheinen 2 · 10~⁶ Gewichtsanteile Sauerstoff der niedrigste erreichbare Wert zu sein. Dieser Zustand wird ' beispielsweise durch Erhöhung der Temperatur von 1150 auf 1300° C nicht viel verbessert, da der Dampfdruck des Kupfers ansteigt und dies wieder den Dissoziationsdruck erniedrigt.

Über eine beträchtliche Zeitspanne hinweg wurden Graphitschmelztiegel zum Vergießen von Kupfer im Vakuum verwendet. Trotzdem wurde durch deren Anwendung Kupfer mit weniger als zwei Gewichtsanteilen Sauerstoff pro 10° nicht in den Handel gebracht.

Es wurde bereits gezeigt, daß Gas fortlaufend aus Graphit im Vakuum bei Temperaturen bis zu 2150° C entweicht und daß Sauerstoff bei Zutritt von Luft einfach zurückabsorbiert wird. Der Sauerstoff kann dann nur bei einer hohen Temperatur als Kohlenmonoxyd entfernt werden. Die Reinheit des Graphits ist wichtig, denn es hat sich herausgestellt, daß Graphit mit einem niedrigen Aschegehalt viel gründ-Raffinierturm zur Entfernung von Sauerstoff
aus Kupfer und Kupferlegierungen sowie
Verfahren zum Raffinieren von Kupfer
und Kupferlegierungen unter Verwendung
dieses Raffinierturmes

Anmelder:

Associated Electrical Industries Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Denzil Malcolm Atkinson, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 1. Dezember 1964 (48 754)

licher entgast werden kann als solches mit einem höheren Aschegehalt.

Zur optimalen Sauerstoffentfernung aus geschmolzenem Kupfer müssen daher die folgenden Bedingungen erfüllt sein:

1. Niedriger Teildruck des Sauerstoffs in dem Vakuumsystem, um eine erneute Oxydation des Kupfers zu Kupferoxydul zu verhindern.

2. Niedriger Teildruck des Kohlenmonoxyds, um das Kupferoxydul zu beeinflussen, daß dieses in Metall zurückgeführt wird.

3. Eine hohe Reaktionstemperatur mit Graphit (etwa 1400° C), um einen maximalen freien Energieaustausch und eine noch vollständigere Oxydentfernung (und aufgelösten Sauerstoff) zu schaffen. Eine hohe Temperatur, um eine schnelle Diffusion des Sauerstoffs durch das geschmolzene Kupfer zu der Oberfläche zu bewirken.

4. Das zur Reaktion verwendete Graphit sollte bei einer möglichst hohen Temperatur (etwa 1800° C) auf ein gutes Vakuum entgast werden (wenigstens 1 · 10 ~⁵ mm Quecksilbersäule), und es muß fortwährend in diesem Vakuum während des gesamten Raffinier- und Gießvorganges verbleiben. Ein Zutritt von Luft würde augenblick-

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lieh das Graphit verunreinigen. Stickstoff ver- Anordnung, wobei ein schmaler ringförmiger Räum unreinigt um ein geringes Ausmaß. rund um die Anordnung freigelassen wird, der für

5. Es sollte eine maximale Kontaktfläche zwischen Vakuum-Übertragungszwecke vorgesehen ist.

dem geschmolzenen Kupfer und dem entgasten Das vorherrschende Vakuum wird über eine Va-

Graphit vorhanden sein, um die Reduktion des 5 kuum-Diffusionspumpe eingebracht, der eine zwei-

Oxyds zu beschleunigen. stufige umlaufende Pumpe nachgeschaltet ist.

6. Das geschmolzene Kupfer sollte in dünnen Strö- Um die Silikathülle Z herum sind die Induktionsmen und dünnen Schichten übergeführt werden, spulen X und Y vorgesehen, die in Reihe angeordnet so daß der Sauerstoff schneller zur Oberfläche sind und als getrennte Einheiten betätigt werden diffundieren und dadurch die Reaktion fort- io können.

schreiten kann. Bevor ein Raffinier-Arbeitsvorgang beginnt, wer

den sämtliche Graphitteile der Anordnung bei

Gemäß der Erfindung ist der Turm aus Graphit 1800° C geglüht, um ein Vakuum zu erreichen, das hergestellt und an der äußeren Fläche des Graphits besser als 1 · 10~⁵ mm Quecksilbersäule ist, und mit Längsschützen versehen, um die Heizleistung zu 15 sie werden anschließend, wenn sie kalt sind, in erhöhen, wobei die Schlitze rund um den Turm, der reinem Stickstoff auf einen atmosphärischen Druck in einer Silikathülle eingeschlossen ist, in gleichmäßi- heruntergelassen.

gern Abstand voneinander angeordnet sind. Der Gra- Die obere Eingußform A wird anschließend mit

phit-Raffinierturm gemäß der Erfindung kann wäh- hochwertigem Kupfer beschickt, und zwar allein oder rend des Raffiniervorganges des Metalls unter Hoch- 20 zusammen mit den anderen reinen Metallbestand-¹ vakuum und bei hohen Temperaturen laufen bzw. ' teilen, wenn Kupferlegierungen raffiniert werden. Das betrieben werden. Die rund um den Turm in gesamte System wird anschließend auf einen Druck gleichmäßigen Abständen voneinander angeordneten von 1 · 10 ~⁵ mm Quecksilbersäule evakuiert. Schlitze erhöhen die Heizleistung und schaffen einen Die untere Form H und die Raffinieranlage C,

glatteren Ablauf des Raffiniervorganges. Die gesamte 25 D, E werden durch Induktion auf eine Temperatur Vorrichtung ist in einer Silikathülle eingeschlossen, ' von 1800° C aufgeheizt und auf dieser Temperatur in der das erforderliche Hochvakuum durch bekannte gehalten, bis der Druck auf 1 · IO"⁵ min Quecksilbermechanische Vorrichtungen erzeugt wird. Die Be- säule oder einen besseren Wert abfällt. Das in der heizung erfolgt in bekannter Weise durch eine oder oberen Eingußform A befindliche Metall verbleibt mehrere elektrische Induktionsspulen, die die Silikat- 30 während dieses Vorganges im ungeschmolzenen Zuhülle umgeben. < stand.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung Die Induktionsspulen X und Y werden hierauf in

weist der Turm eine obere Graphit-Eingußform, die eine andere Anordnung gebracht, und- die angelegte mit Metall beschickbar ist, das geschmolzen werden Spannung wird so eingeregelt, daß zur gleichen Zeit, soll, eine Graphit-Raffinieranlage, durch die das ge- 35 wenn die obere Eingußform auf die Schmelztempeschmolzene Metall aus der oberen Eingußform über ratur aufgeheizt wird, die Raffinieranlage C₁ D, E eine Anordnung von Stufen fließen kann, und eme auf eine Temperatur von 1400° C gehalten und die untere Graphitform auf, die das geschmolzene Metall untere Formii auf eine Temperatur von 115O⁰C aufnimmt, nachdem dieses durch die Raffinieranlage aufgeheizt wird, hindurchgelaufen ist. 40 Die Kupfer- oder Kupferlegierungsbestandteile

Das Verfahren zum Raffinieren von Kupfer und werden dann in der oberen Eingußform A geschmol-Kupferlegierungen unter Verwendung des erfindungs- zen und fließen durch die Öffnungen B in einem gemäßen Raffinierturms ist dadurch gekennzeichnet, stetigen breiten Strom in die Raffinieranlage C, D, E daß die obere Eingußform des Raffinierturms mit herab und gelangen auf die Graphitstufen der Raffifestem Metall beschickt wird, daß die Eingußform 45 nieranlage. Während dieses Vorganges wird ein aufgeheizt wird, bis das Metall geschmolzen ist, und Vakuum von 6 · 10~⁶ mm Quecksilbersäule außerdaß anschließend das Metall bei einer Temperatur halb der Formen und der Raffinieranlagen aufrechtvon 1400⁰C und einem Vakuum von. 6-1O^-6 mm erhalten. Das geschmolzene Metall, das bei 1400⁰C Quecksilbersäule raffiniert wird. raffiniert worden ist, gelangt in die untere Form H

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun 50 und verbleibt im geschmolzenen Zustand, bis das gean Hand der Zeichnungen ausführlich beschrieben. samte Metall aus der oberen Eingußform und der Es zeigt Raffinieranlage durchgelaufen ist.

F i g. 1 eine vertikale Schnittansicht des Raffinier- Wenn nur der Abschnitt Y der Induktionsspule

turmes, und zwar vollständig mit der Silikathülle und verwendet wird, wird das Kupfer oder die Kupferden Heizspulen, 55 legierung V2 Stunde lang in dem geschmolzenen Zu-

F i g. 2 eine Draufsicht der kreisringförmigen Wand stand gehalten, um die Legierung und den Entdes Raffinierturmes, aus der die konstruktive Aus- gasungsvorgang zu vervollständigen. Die Heizspule führung hervorgeht. wird anschließend nach oben bewegt, um den oberen

Aus der F i g. 1 ist zu ersehen, daß die Vorrichtung Teil der Form H aufzuheizen und um einen ansteieine aus Graphit bestehende obere Eingußform oder 60 genden Temperaturgradienten (-verlauf) vom Boden oberen Eingußbehälter A aufweist, aus dem das zur Oberseite der Form zu erzeugen. Es werden hori- · Kupfer oder die Kupferlegierung in eine Graphit- zontale Isothermen erzeugt und ein lunkerfreier Guß Raffinieranlage C, D, E abgegossen wird, die drei geschaffen. Wenn die Verfestigung abgeschlossen ist, Abschnitte enthält. Das Metall fließt dann in die un- wird die Aufheizung unterbrochen, tere Graphitform H. 65 Wenn das Material erkaltet ist, wird das Vakuum

Die gesamte Anordnung ist auf einer Säule W be- mit reinem Stickstoff auf atmosphärischen Druck festigt und wird insgesamt durch Molybdänbolzen P herabgelassen, und die Vorrichtung ist zur Wiedergetragen. Eine durchsichtige Silikathülle Z umgibt die holung des Raffiniervorganges fertig.

Der hieraus hervorgehende Gußblock aus reinem Kupfer oder eine Kupferlegierung weist einen extrem niedrigen Sauerstoff-Stickstoff- und Wasserstoff-Anteil auf und kann unmittelbar als Kontaktmaterial maschinell bearbeitet werden.

Die F i g. 2 der Zeichnung zeigt, wie die Graphitformen A und H und die Raffinieranlagen C, D, E an ihren äußeren Flächen mit gleichmäßig voneinander beabstandeten Schlitzen F versehen werden, wobei sich diese Schlitze von der Oberseite zum Boden eines jeden Teiles erstrecken.

Es hat sich gezeigt, daß der Wirkungsgrad des Vorganges wesentlich verbessert werden kann, wenn der Strom, der bei einer hohen Frequenz induziert wird, nur sehr nahe der Oberfläche in dem beheizten Material fließt. Durch das Schlitzen wird die Bahnlänge beträchtlich vergrößert, was einen größeren Widerstand und damit bessere Kopplungsergebnisse zur Folge hat, und es treten weiter zwischen der Spule und dem Material geringere Stromverluste als bei einer Anordnung ohne Schlitze auf.

Außerdem können die auf diese Weise geschlitzten Formen an den innenliegenden Flächen eine Temperatur aufweisen, die um 150 bis 200° C höher liegt als an der Außenseite. An den Ausgangsbereichen der Schlitze werden heiße Stellen erzeugt, und diese befinden sich näher an der inneren Fläche als an der äußeren, so daß die Strahlungsverluste an der äußeren Fläche beträchltich reduziert werden, besonders, wenn in dem Bereich zwischen 1400 und 1800° C gearbeitet wird.

Hieraus folgt, daß bei einer bestimmten Leistungsabgabe einer Induktionsspule durch die Anwendung der Schlitze in den Wänden einer Form eine beträchtlich höhere Temperatur erreicht wird. Dadurch wird Strom eingespart und eine Reduzierung der Größe der Anlage erreicht, die zur Erzeugung eines vorgegebenen Gußblockes erforderlich ist, wodurch die Kosten der Kontaktmaterialien reduziert werden.

Dieser Graphit-Raffinierturm, der vollständig im Vakuum betrieben wird, wurde zu dem Zweck entwickelt, den Sauerstoffanteil des Kupfers und schwacher Kupferlegierungen (z.B. 1% Silber/Kupfer, 3 bis 10 % Antimon/Kupfer) auf 1 Gewichtsteil Sauer- , stoff pro 10 Millionen Teile Kupfer oder Kupferlegierung zu reduzieren. Die Stickstoff- und Wasserstoff-Anteile werden gleichzeitig verringert.

Das nach diesem Verfahren erzeugte Kupfer zeigt in bezug auf den Gasgehalt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber anderen Kupferqualitäten auf, die im Handel erhältlich sind, und ist z. B. für die Erzeugung von Kontaktmaterialien für Starkstrom-Vakuumschalter oder Stromkreisunterbrecher geeignet.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Raffinierturm zur Entfernung von Sauerstoff aus Kupfer und Kupferlegierungen, in dem durch bekannte mechanische Vorrichtungen ein Hochvakum erzeugt werden kann und die Aufheizung durch äußere Induktionsspulen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm aus Graphit hergestellt und an der äußeren Fläche des Graphits mit Längsschlitzen (F) versehen ist, um die Heizleistung zu erhöhen, und daß die Schlitze (F) rund um den Turm, der in einer Silikathülle (Z) eingeschlossen ist, in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet sind.

2. Raffinierturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turm eine obere Graphit-Eingußform (A), die mit Metall beschickbar ist, das geschmolzen werden soll, eine Graphit-Raffinieranlage (C, D, E), durch die das geschmolzene Metall aus der oberen Eingußform (A) über eine Anordnung von Stufen fließen kann, und eine untere Graphitform (H) aufweist, die das geschmolzene Metall aufnimmt, nachdem dieses durch die Raffinieranlage (C, D, E) hindurchgelaufen ist.

3. Verfahren zum Raffinieren von Kupfer und Kupferlegierungen unter Verwendung eines Raffinierturmes nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Eingußform aufgeheizt wird, bis das Metall geschmolzen ist, und daß anschließend das Metall bei einer Temperatur von 1400° C und einem Vakuum von 6 · 10~⁶mm Quecksilbersäule raffiniert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 413 389.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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