Retortenofen zur Produktion von Magnesium

Abstract

 Zur Produktion von Magnesium durch Reduktion eines Einsatzmaterials (12) aus oxidischem Magnesium, insbesondere in Form von Dolomitkalk, mit Hilfe eines Reduktionsmittels, insbesondere Ferrosilizium, bei Temperaturen ≥ 1.000° C und unter einem Grobvakuum, wird ein Retortenofen verwendet, der als Horizontal-Kammerofen ausgebildet ist, wie er grundsätzlich für die Koksherstellung bekannt ist. Erfindungsgemäß ist die Retortenkammer (3) des Retortenofens (1) mit einer inneren vakuumdichten Blechauskleidung (30) der Wände aus feuerfestem Material (26) versehen und sind Kondensatoren (9) zum Aufnehmen von kondensiertem Magnesium an Einfüllöffnungen (7) der Retortenkammer (3) vakuumdicht anschließbar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Retortenofen zur Produktion von Magnesium durch Reduktion eines Einsatzmaterials aus oxidischem Magnesium, insbesondere in Form von Dolomitkalk, mit Hilfe eines Reduktionsmittels, insbesondere Ferrosilizium, bei Temperaturen ≥ 1.000° C und unter einen Grobvakuum.

[0002] Der ganz überwiegende Anteil der Weltproduktion von Magnesium wird im Elektrolyseverfahren aus Magnesiumchlorid hergestellt. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig, da ein hoher Energieeinsatz erforderlich ist und Probleme mit Neben- und Abfallprodukten (insbesondere Chlor und Elektrodenschlämme) auftreten. Das Magnesiumchlorid muß darüber hinaus aufwendig chemisch aufbereitet werden. Hieraus resultiert ein relativ hoher Preis für das Magnesium, obwohl es reiche Vorkommen an Magnesiumverbindungen gibt.

[0003] Es ist ferner bekannt, Magnesium durch eine thermische Reduktion von Magnesiumoxid, das in Form von Dolomitkalk (CaO MgO) reichlich vorhanden ist, zu gewinnen. Dabei wird Dolomitkalk mit einem Reduktionsmittel, das aus dem preiswerten Ferrosilizium bestehen kann, gemischt, insbesondere in einem stöchiometrischen Verhältnis von 2:1, und in eine hitzebeständige Stahlretorte verbracht. Die Stahlretorte wird extern auf eine Reaktionstemperatur von etwa 1200° C aufgeheizt und auf unter 10 mbar evakuiert. An dem gekühlten Ende der Retorte kondensiert Magnesiumdampf, so daß metallisches Magnesium gewonnen wird. Dieses Verfahren (Pidgeon-Verfahren) erlaubt keine hohe Ausbeute, da wegen der Warmfestigkeit der Stahlretorte bei hohen Temperaturen die Retortengröße beschränkt ist. Industriell eingesetzte Rohrretorten sind 3 m lang und weisen einen Innendurchmesser von 27,5 cm auf. Mit diesen Retorten kann 70 kg Magnesium pro Tag erzeugt werden. Eine wirtschaftliche Verwendung ist bei diesen geringen Produktionskapazitäten allenfalls für hochreines Spezialmagnesium denkbar.

[0004] Bei einem ähnlichen Verfahren (Bolzano-Verfahren) wird mit den gleichen Ausgangsmaterialien die silicothermische Reaktion in einem Reaktor durchgeführt, der intern mit Strom beheizbar ist. Dieser Reaktor besteht aus einem Stahlbehälter, der im Bereich der Aufheizung innen mit einem feuerfesten Material ausgekleidet ist. Der durch eine Kuppel gebildete obere Teil des Stahlreaktors wird gekühlt, so daß an den Wänden der Kuppel Magnesiumdampf kondensiert und sich Magnesium an den Wänden ansetzt. Die Kuppel ist zur Gewinnung des Magnesium abnehmbar. Auch dieses Verfahren ist unwirtschaftlich, da eine Mechanisierung der Beschickung und Entleerung des Reaktors kaum möglich ist. Darüber hinaus ist die elektrische Aufheizung nicht wirtschaftlich, da sie keine Verwendung von aufgeheizten Abgasen ermöglicht.

[0005] Das sich aus dem Stand der Technik ergebende Problem besteht somit darin, daß eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Herstellung von Magnesium nicht möglich ist. Da Magnesium als leichtes und gießbares Metall zunehmend, beispielsweise im Automobilbau, eingesetzt wird, besteht ein erheblicher Bedarf an einer verbesserten Magnesiumgewinnung.

[0006] Das genannte Problem wird erfindungsgemäß mit einem Retortenofen der eingangs erwähnten Art gelöst, der als Horizontal-Kammerofen ausgebildet ist mit wenigstens einer sich über die Längsrichtung erstreckenden Retortenkammer, die mit Wänden aus feuerfestem Material und einer inneren vakuumdichten Metallblechauskleidung sowie mit oben liegenden Einfüllöffnungen versehen ist, mit entlang der Retortenkammer beidseitig angeordneten Heizkammern und mit Kondensatoren zum Abkühlen von Magnesiumdampf und Aufnehmen von kondensiertem Magnesium, die abgedichtet vakuumdicht an die Einfüllöffnungen anschließbar sind.

[0007] Horizontal-Kammeröfen, die extern beheizt werden, sind zur Kokserzeugung bekannt. Dabei werden Retortenofeneinheiten verwendet, die bis zu 14 m lang, 6 m hoch und 0,3 bis 0,6 m breit sein können. Jedes Ofenelement kann dabei beispielsweise 30 t Kohle aufnehmen. Die Beladung der Retortenöfen erfolgt durch Einfüllöffnungen an der Oberseite, während der produzierte Koks mittels Räummaschinen bei geöffneten Türen in den Stirnseiten der Ofenelemente ausgebracht wird. Derartige Verkokungsanlagen weisen einen hohen Mechanisierungsgrad auf, da sie über viele Jahrzehnte fortentwickelt worden sind.

[0008] Der erfindungsgemäße Retortenofen zur Herstellung von Magnesium ähnelt dem Aufbau des bekannten Koksofens, ist jedoch zur Durchführung der thermischen Reduktion von Magnesiumoxid erfindungsgemäß modifiziert worden, ohne dabei die bei der Koksproduktion bewährte Handhabung zu verändern. Durch die Metallblechauskleidung ist die Retortenkammer vakuumdicht ausgebildet, so daß die für die Magnesiumreduktion erforderliche Vakuumausbildung möglich ist. Darüber hinaus läßt sich das kondensierte Magnesium mit den vakuumdicht an die Einfüllöffnungen angeschlossenen Kondensatoren entnehmen, indem beispielsweise die Kondensatoren ausgewechselt werden. Das für die Metallblechauskleidung verwendete Metall ist vorzugsweise austenitischer Stahl oder eine Nickel-Basis-Legierung, die den für die Reduktionsreaktion erforderlichen Temperaturen, die insbesondere zwischen 1200° und 1300° C liegen, auch bei Vakuumbedingungen standhält, wobei ein Einfallen der auf der Innenseite der Wände angebrachten Blechauskleidung unter der hohen Temperatur bei Vakuumbedingungen zweckmäßigerweise durch eingefüllte Briketts verhindert werden kann. Das Einfallen der Blechauskleidung kann in dem nicht füllbaren oberen Abschnitt der Retortenkammer dadurch verhindert werden, daß die Blechauskleidung in diesem Abschnitt innerhalb des feuerfesten Materials geführt ist und vorzugsweise oberhalb von Deckensteinen geschlossen ist, die die Retortenkammer an ihrer Oberseite abschließen.

[0009] Der erfindungsgemäße Retortenofen erlaubt die Anwendung des Pidgeon-Verfahrens in einer sehr wirtschaftlichen Weise. Die Wirtschaftlichkeit kann noch dadurch erhöht werden, daß für die Magnesiumproduktion noch vorhandene, aber nicht mehr benötigte Koksöfen verwendet werden, die nachträglich mit der erfindungsgemäßen Blechauskleidung versehen und zur Aufnahme der Kondensatoren in bzw. an den Einfüllöffnungen verändert werden.

[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kondensatoren über eine Vakuumleitung miteinander und mit einer Vakuumquelle verbunden. Die Evakuierung der Retortenkammer findet somit über Anschlüsse an den an die Einfüllöffnungen angeschlossenen Kondensatoren statt.

[0011] Vorzugsweise sind die Kondensatoren vakuumdicht auf Dichtungen der Einfüllöffnungen aufsetzbar ausgebildet. Zweckmäßigerweise stellen sie im wesentlichen eine Verlängerung der Einfüllöffnung mit einem Deckel dar, wobei der Niederschlag des Magnesiums an einem Einsatz des Kondensators erfolgt, der herausnehmbar ist.

[0012] Die Wände der Kondensatoren sind vorzugsweise wassergekühlt.

[0013] Die Blechauskleidung kann sowohl aus einem austenitischen Stahl als auch aus einer Nickel-Basis-Legierung bestehen und so unter den Temperatur- und Vakuumbedingungen stabil sein. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Blechauskleidung unter Vorspannung den feuerfesten Wänden der Retortenkammer zu verankern.

[0014] Die vorzugsweise aus Silicamauerverk gebildeten feuerfesten Wände weisen praktisch keine Temperaturausdehnung in dem Temperaturbereich zwischen etwa 600° C und Reaktionstemperatur auf. Da dies für die Blechauskleidungen nicht gilt, ist es vorteilhaft, diese mit Längs- und/oder Quersicken zum Ausgleich von Wärmedehnungen zu versehen.

[0015] Die bei einem Horizontal-Kammerofen regelmäßig vorgesehenen stirnseitigen Türen der Retortenkammer sind vorzugsweise mit pastösem, gießfähigem oder spritzfähigem Dichtmittel vakuumdicht schließbar ausgebildet. Um ein Ablaufen oder Abtropfen des Dichtmittels zu verhindern, können die Türen oder Türrahmen mit Taschensegmenten zum Auffangen des Dichtmittels versehen sein.

[0016] Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 -

einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Retortenofen,

Figur 2 -

eine schematische Ansicht einer stirnseitigen Tür mit Taschensegmenten für Dichtungsmittel

Figur 3 -

einen Vertikalschnitt durch einen auf eine Einfüllöffnung aufgesetzten Kondensator,

Figur 4 -

einen Querschnitt durch eine Retortenkammer und benachbarte Heizkammern des Retortenofens gemäß Figur 1,

Figur 5 -

eine Einzelheit A, die den Aufbau des feuerfesten Materials mit der Metallblechauskleidung zeigt,

Figur 6 -

eine Einzelheit B eines in Figur 5 dargestellten Zugankers.

[0017] Figur 1 läßt einen Horizontal-Kammerofen 1 erkennen, der einen Unterbau 2 und eine sich über die Länge erstreckende Retortenkammer 3 aufweist. Die Retortenkammer ist an ihren beiden Stirnseiten durch Türen 4, 5 verschlossen. Unterhalb der Türen 4, 5 befinden sich außerhalb des Ofens 1 Gestelle 6, auf denen eine (nicht dargestellte) Räummaschine bzw. eine Abfördereinrichtung für Räumasche verfahrbar sind.

[0018] Die Retortenkammer 3 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 3 Einfüllöffnungen 7 auf, die zwischen Deckensteinen 8 ausgebildet sind.

[0019] Auf die Einfüllöffnungen 7 sind Kondensatoren 9 aufgesetzt, die mit Vakuumleitungen 10 miteinander und mit einer Vakuumquelle 11 verbunden sind.

[0020] Figur 1 läßt erkennen, daß die Retortenkammer 3 mit Briketts 12 gefüllt ist, die aus einer Mischung von Dolomitkalk (CaO·MgO) und Ferrosilizium hergestellt sind, wobei ein oberer Teil der Retortenkammer nicht füllbar ist.

[0021] Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine stirnseitige Tür 4, 5 der Retortenkammer 3. Im Gegensatz zu entsprechenden Türen an Koksöfen müssen die Türen 4, 5 an dem erfindungsgemäßen Ofen 1 vakuumdicht gemacht werden können, so daß eine Dichtung von aussen nach innen realisiert werden muß. Diese ist beispielsweise dadurch erreichbar, daß in die Dichtfuge Dichtmittel gespritzt, gegossen oder vorzugsweise gesprüht wird, wobei das Dichtmittel in pastöser oder flüssiger Form im Überschuß aufgebracht werden muß, damit das Dichtmittel unter Einwirkung des Unterdrucks in der Retortenkammer 3 von außen in die Dichtfuge hineinwandern und unter Einwirkung der Wärme in der Retortenkammer 3 bzw. an der Tür 4, 5 aushärtet und die Abdichtwirkung verursacht. Da dabei Dichtmittel im Bereich der Tür 4, 5 in flüssiger Form ablaufen bzw. abtropfen kann, ist die Tür mit taschenförmigen Segmenten 13 versehen, mit denen abgelaufenes Dichtmittel 14 aufgefangen werden kann.

[0022] Figur 3 verdeutlicht als vergrößertes Detail A' aus Figur 1 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Kondensators 9, der auf eine in der Einfüllöffnung 7 ausgebildete Aufnahme 15 aufgesetzt und mit einer Dichtung 16 abgedichtet ist. Die Aufnahme 15 besteht aus einer an die Gehäuseform des Kondensators 9 angepaßte Abschrägung. Der Kondensator 9 besteht im wesentlichen aus einer die Einfüllöffnung 7 im wesentlichen fortsetzenden zylindrischen Wandung 17, die an ihrer freien Oberseite mit einem Deckel 18 verschließbar ist. Der Deckel 18 ist in der geschlossenen Stellung verriegelbar (nicht dargestellt) und weist eine Öse 19 zum Anheben des Deckels 18 bzw. des gesamten Kondensators 9 mit geschlossenem, verriegelten Deckel 18 auf. In die zylindrische Wandung 17 ist ein Einsatz 20 eingesetzt, der die Form eines auf den Kopf gestellten Bechers aufweist und an dem sich dampfförmiges Magnesium anlagert.

[0023] Der Innenraum der zylindrischen Wandung 17 ist über eine Leitung 21 mit einem Vakuum-Anschlußflansch 22 verbunden. An den Vakuum-Anschlußflansch 22 ist eine Vakuumleitung 10 (Figur 1) anschließbar.

[0024] Die zylindrische Wandung 17 ist mit einer radial äußeren zylindrischen Wandung 23 umgeben, die mit einem Einlaufstutzen 24 und einem Auslaufstutzen 25 für Kühlwasser versehen ist, durch das die zylindrische Wand 17 - und damit der Einsatz 20 - auf eine Temperatur von maximal 100° C heruntergekühlt wird.

[0025] Figur 4 verdeutlicht das Heizsystem für die Retortenkammer 3, das in einer für Koksöfen bekannten Weise ausgeführt ist. Die Wände der Retortenkammer 3 sind durch feuerfestes Material 26 gebildet und trennen die Retortenkammer 3 von auf beiden Seiten benachbarten Heizkammern 27 ab. In die Heizkammer 27 werden Brenngase und in einem Rekuperator vorgewärmte Verbrennungsluft eingeführt, und zwar über die Länge der Heizkammern 27 an mehreren Stellen, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Abgase gelangen über eine obere Abgasöffnung 28, die mit feuerfesten Ringsteinen 29 gebildet ist, aus dem Ofen 1 heraus.

[0026] Die Retortenkammer 3 ist auf der Innenseite (bezüglich der Retortenkammer 3) der Wände aus feuerfestem Material 26 und des Bodens der Retortenkammer 3 mit einer Metallblechauskleidung 30 versehen. Die Metallblechauskleidung 30 stützt sich flächig an den Wänden aus feuerfestem Material 26 ab. Die Anlage an den Wänden aus feuerfestem Material 26 wird durch die Füllung der Retortenkammer 3 mit den Briketts 12 des Einsatzmaterials unterstützt.

[0027] Im oberen Bereich der Retortenkammer 3, der nicht mit Briketts 12 füllbar ist, ist die Blechauskleidung 30 stufenförmig nach außen erweitert und wird in einem oberen Abschnitt 31 innerhalb des feuerfesten Materials 26 geführt, um ein Einfallen der Blechauskleidung 30 nach innen, in dem Bereich, in dem die Briketts 12 keinen nach außen gerichteten Fülldruck auf die Blechauskleidung 30 ausüben, auszuschließen.

[0028] Figur 4 läßt erkennen, daß die Retortenkammer 3 außerhalb der Einfüllöffnungen 7 mit den Deckensteinen 8 verschlossen ist. Oberhalb der Deckensteine 8 ist die Metallblechauskleidung 30 geschlossen.

[0029] Die Abgasöffnungen 28 sind innerhalb einer Schamotteabdeckung 32 geführt, die den Ofen 1 außerhalb der Kondensatoren 9 abdeckt.

[0030] Figur 5 verdeutlicht in einer vergrößerten Darstellung das Detail A der Figur 4 über den Aufbau der Wände aus feuerfestem Material 26, das vorzugsweise Silica ist, mit der Blechauskleidung 30. Die Wände aus feuerfestem Material 26 sind aus feuerfesten Verbundsteinen 33 aufgebaut. Die Metallblechauskleidung 30 ist mit Zugankern 34 gegen die Wand aus feuerfestem Material 26 unter Zug vorgespannt, so daß das Anliegen der Blechauskleidung 30 an der Wand aus feuerfestem Material 26 auch dann gewährleistet ist, wenn innerhalb der Retortenkammer 3 das Vakuum ausgebildet und eine hohe Temperatur eingestellt ist.

[0031] Da die Wand aus feuerfestem Material 26, wenn sie aus Silica besteht, zwischen 600° und 1200° C keine Wärmeausdehnung aufweist, die Blechauskleidung 30 sich hingegen erheblich unter Wärme ausdehnt, sind in der Blechauskleidung Sicken 35 vorgesehen, die die Wärmeausdehnung der Blechauskleidung 30 durch ihre Vergrößerung bzw. Verkleinerung ausgleichen können.

[0032] Figur 6 zeigt das Detail B in Figur 5, das auf die Blechauskleidung 30 ein Bolzen 36 mit einem Innengewinde 37 aufgeschweißt ist, in das ein Gewinde des Zugankers 34 einschraubbar ist, so daß durch das Festschrauben des Zugankers 34 die Blechauskleidung 30 gegen die Formsteine 33 der Wand aus feuerfestem Material 26 gezogen wird.

[0033] Die Zeichnung verdeutlicht, daß der erfindungsgemäße Retortenofen gegenüber einem herkömmlichen Koksofen durch die Anbringung der Blechauskleidung 30 und das Aufsetzen der Kondensatoren 9 auf die Einfüllöffnungen 7 modifiziert ist.

[0034] Der Kondensator 9 kann nach Beendigung eines Chargenzyklus vollständig zur Gewinnung des abgeschiedenen Magnesiums abgehoben werden. Es ist jedoch auch möglich, nach Öffnung des Deckels 18 lediglich den Einsatz 20 zu entfernen und die Neubeschickung der Retortenkammer 3 durch den geöffneten Deckel 18 des Kondensators 9 nach herausgenommenem Einsatz 20 vorzunehmen. In diesem Fall kann das Gehäuse des Kondensators 9 mehr oder weniger fest mit der Wandung der Einfüllöffnung 7 verbunden sein.

Ansprüche

1. Retortenofen zur Produktion von Magnesium durch Reduktion eines Einsatzmaterials (12) aus oxidischem Magnesium, insbesondere in Form von Dolomitkalk, mit Hilfe eines Reduktionsmittels, insbesondere Ferrosilizium, bei Temperaturen ≥ 1.000° C und unter einem Grobvakuum, gekennzeichnet durch einen Aufbau als Horizontal-Kammerofen mit wenigstens einer sich über die Längsrichtung erstreckenden Retortenkammer (3), die mit Wänden aus feuerfestem Material (26) und einer inneren vakuumdichten Blechauskleidung (30) sowie mit obenliegenden Einfüllöffnungen (7) versehen ist, mit entlang der Retortenkammer (3) beidseitig angeordneten Heizkammern (27) und mit Kondensatoren (9) zum Abkühlen von Magnesiumdampf und Aufnehmen von kondensiertem Magnesium, die abgedichtet vakuumdicht an die Einfüllöffnungen (7) anschließbar sind.

2. Retortenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (9) über Vakuumleitungen (10) miteinander und mit einer Vakuumquelle (11) verbunden sind.

3. Retortenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (9) vakuumdicht auf Dichtungen (16) der Einfüllöffnungen (7) aufsetzbar ausgebildet sind.

4. Retortenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechauskleidung (30) aus einem austenitischem Stahl besteht.

5. Retortenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechauskleidung (30) aus einer Nickel-Basis-Legierung besteht.

6. Retortenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechauskleidung (30) unter Vorspannung an den Wänden der aus feuerfestem Material (26) bestehenden Retortenkammer (3) verankert ist.

7. Retortenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechauskleidung (30) mit Längs- und/oder Quersicken (35) zum Ausgleich von Wärmedehnungen versehen ist.

8. Retortenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vakuumdichte Blechauskleidung (30) im Bereich der Füllung der Retortenkammer (3) auf der Innenseite der durch feuerfestes Material (26) gebildeten Wände angebracht ist und daß sie im oberen Abschnitt (31) der Retortenkammer (3) innerhalb des feuerfesten Materials (26) geführt ist.

9. Retortenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Retortenkammer (3) an ihrer Oberseite durch Deckensteine (8) abgeschlossen ist und daß die Blechauskleidung (30) oberhalb der Deckensteine (8) geschlossen ist.

10. Retortenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch stirnseitig angeordnete Türen (4, 5) der Retortenkammer (3), die mit pastösem, gießfähigem oder spritzfähigem Dichtmittel (14) vakuumdicht schließbar sind.

11. Retortenofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Türen (4, 5) oder Türrahmen mit Taschensegmenten (13) zum Auffangen von ablaufendem oder abtropfendem Dichtmittel (14) versehen sind.

12. Verwendung eines Horizontal-Kammer-Koksofens als Retortenofen zur Produktion von Magnesium nach einem der Ansprüche 1 bis 11 nach Auskleidung der Retortenkammer (3) mit der vakuumdichten Blechauskleidung (30) und Ansetzen von Kondensatoren (9) an die Einfüllöffnungen (7).

Zeichnung