13.02.2018 Flashcards
a)
Die Verfahren der Metallurgie werden in die Bereiche der Hydrometallurgie und der Pyrometallurgie unterteilt. Erklären Sie kurz beide Bereiche und nennen sie für jeden Bereich zwei Verfahren.
Hydrometallurgie: arbeiten in wässrigen lösungen bei niedrigen Temperaturen
Pyrometallurgie: arbeiten mit schmelzflüssigen Phasen bei mittleren bis hohen Temperaturen
Hydro-Verfahren: Elektrolyse, Laugung
Pyro-Verfahren: Vakuum Destillition, selektive Oxidation
b)
Nennen Sie drei der vier bekannten Aufbereitungsmethoden für Erze und jeweils ein dazu gehöriges Aggregat.
Zerkleinern: Brecher
Klassieren: Sieb
Konzentration: Flotation
Entwässern: Entdicker
Agglomerieren: Pelletierteller
c)
Bei welchen der folgenden vier Metalle erfolgt eine Aufbereitung durch Flotation mit dem Ziel einer Metallkonzentrationserhöhung und bei welchen lohnt sich diese aufgrund von hohen Metallgehalten im Erz wirtschaftlich nicht? Bitte das jeweils zutreffende ankreuzen
d)
Schlacken haben in der Metallurgie eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen. Welche 3 Aufgaben kennen Sie?
- Abtrennung der Gangart der Erze von der Metallphase
- Aufnahme von Verunreinigungen aus dem Metall (z.B. Schwefel, Phosphor, Ar-
sen etc.) - Abdecken der Metalloberfläche gegenüber der umgebenden Atmosphäre:
- Verhindern von Gasaufnahme
- Wärmeisolation.
e)
e1) Die direkte Laugung von sulfidisch vorliegenden Metallen ist oft
unwirtschaftlich – welcher Zusatzschritt wird häufig vor der eigentlichen
Reduktionsstufe gewählt?
e2) Geben Sie eine kurze Erläuterung des Prozessschrittes und nennen Sie die
Reaktionsgleichung im Falle des Kupfers für diesen Prozessschritt
e1) Röstung
e2) Überführung der sulfidischen in die oxidische Form des Metalls
allgemein: MeS + 3/2 O2 = MeO + SO2
für Kupfer: Cu2S + 3/2O2 => Cu2O + SO2
f)
Im nachfolgend abgedruckten Diagramm ist ein fundamentaler (!) Fehler. Welcher?
Zn und ZnO sind vertauscht
g)
In der folgenden Abbildung ist ein Richardson-Jefferson-Diagramm dargestellt.
Wieso macht die Gerade für Zink bei ca. 900 °C einen Knick? Warum ist die
Steigung der Geraden nach dem Knick größer?
Zink wächselt an diesem Punkt (ca. 906 Grad) in den gasförmigen Zustand was einen Entropiezuwachs zur Folge hat. Somit bekommt die Gerade einen größere Steigung.
h)
Erklären Sie die Phänomene Dampfdruck und Siedepunkt.
(Thermochemische Erläuterung!)
Dampfdruck: Druck der Dampfphase eines Stoffes die mit der Flüssigkeit dieses Stoffes im Gleichgewicht steht
Siedepunkt: Beschreibt Phasengrenzlinie von flüssiger und gasförmiger Phase. Wird durch den Sättigungsdruck und Sättigungstemperatur bestimmt
a)
In der folgenden Abbildung ist der Schwebeschmelz-Ofen (Typ Outokumpu)
schematisch dargestellt. Beschriften Sie die Komponenten, die Ein- und
Austragsstoffe und die Prozessschritte (große Pfeile), sowie die Temperaturen
an den entscheidenden Stellen an den jeweiligen Pfeilen!
b)
In einen Schwebeschmelzofen werden pro Betriebswoche 5000 t reines
Konzentrat in Form von Chalkopyrit (CuFeS2) durchgesetzt. Es gilt die Annahme,
dass die Schlacke eine idealisierte, stöchiometrische Fayalith-
Zusammensetzung aufweist. Welche Schlackenmenge entsteht pro
Betriebwoche?
TIPP: Zum Einsatzmaterial muss zusätzlich SiO2 als Schlackenbildner dazu
gegeben werden.
(3 Punkte)
Hinweis: M(Fe) = 56 g/mol; M(Si) = 28 g/mol; M(O) = 16 g/mol; M(S) = 32 g/mol
M(Cu) = 64 g/mol; M(2FeO*SiO2) = 204 g/mol; M(CuFeS2) = 184 g/mol
ρ(Cu) = 8,9 g/cm3; ρ(Fe) = 7,9 g/cm3; ρ(2FeO*SiO2) = 4,4 g/cm3
c)
Nachfolgend sind die binären Phasendiagramme der Systeme Cu2S-FeS und
Cu-S dargestellt. Ordnen Sie zunächst zu, welches Diagramm den Zustand in
der ersten Blasperiode und welches die zweite Blasperiode (idealisiert) im
Kupferkonverter beschreibt. Zeichen Sie dann (Start- und Endpunkte ungefähr)
die jeweiligen Wege während der jeweiligen Blasperioden ein.
d)
Die Verschlackung von Eisen aus dem Kupferstein in der ersten Blasperiode
der Konverterstufe läuft gemäß der Gleichung 2/3𝐹𝑒𝑆 + 𝑂2 → 2/3𝐹𝑒𝑂 + 2/3𝑆𝑂2 ab.
Errechnen Sie den Gleichgewichts-Schwefeldioxid-Partialdruck in der
Gasphase. Stellen dafür zunächst die Gleichgewichtskonstante k für die oben
genannte Gleichung auf. Beziehen Sie dabei alles auf pro mol O2. Betrachten
Sie den Zustand zum Ende der Blasperiode, wo der Eisensulfidgehalt des
Steins noch 3 Gew.-% beträgt. Weiterhin gilt, dass der Stein aus einer reinen
Cu2S-FeS Mischung besteht und sich die Schlacke stets aus reinem Fayalit
zusammensetzt.
(4 Punkte)
Es gelten folgende Bedingungen:
T = 1550 K p(O2) = 0,7 bar
ΔGR, 1550K = -200 kJ/mol O2 ΔGR0 = -225 kJ/mol O2
a(FeO) = 0.7 γFeS = 0,83 (Aktivitätskoeffizient FeS in
Cu2S)
Hinweis: M(Fe) = 56 g/mol; M(Si) = 28 g/mol; M(O) = 16 g/mol; M(S) = 32 g/mol
M(Cu) = 64 g/mol; M(2FeO*SiO2) = 204 g/mol; M(CuFeS2) = 184 g/mol
a)
Begründen Sie, warum Aluminium gegenüber Kupfer das bevorzugte
Leitermaterial für Überlandleitungen ist.
gute Leitfähigkeit bei geringerer Dichte
b)
Der letzte Schritt des „Bayer-Prozesses“ ist die Ausscheidung. Im Folgenden ist
schematisch der Kristallisationsprozess im Rührbehälter abgebildet.
Beschriften Sie die Felder 1. – 4. und geben Sie die prozentualen Angaben bei
a) und b) an. Warum wird die Teilmenge b) wieder zurück in den Prozess
eingeführt?
Zur Beschleunigung der Kristallisation wird der größte Teil (Teilmenge b) des erzeugten Al(OH)3 wieder in den Prozessschritt zurückgeführt, um für die Kristallisation als Keimbildner zu dienen
c)
In der Tonerdekalzination soll Aluminiumhydroxid zu Aluminiumoxid umgewandelt werden. Geben Sie zunächst die zugrunde liegende Reaktionsgleichung an. Berechnen Sie anschließend, unter Zuhilfenahme der unten aufgeführten Daten, wieviel Einsatzmaterial Sie benötigen, um 1000g Al2O3 herzustellen.
Einsatzmaterial: 88 % Al(OH)3, Rest Wasser
MAl(OH)3: 78 g/mol
MAl2O3: 102 g/mol
Reaktionsgleichung: 2 Al(OH)3 + xH2O = Al2O3 + (3+x)H2O
d)
Die Primärgewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid verläuft ausschließlich
nach dem Schmelzflusselektrolyse-Verfahren. Markieren Sie im nachfolgenden
Bild Anode, Kathode und Elektrolyt.
f)
Dem Elektrolyten in der Schmelzflusselektrolyse werden üblicherweise Additive
zugegeben. Diskutieren Sie anhand der folgenden Diagramme, welcher der
Zusätze NaF, AlF3 und LiF als Additiv für die jeweilige physikalische
Eigenschaft geeignet ist. Erklären Sie auch, warum der jeweils erzielte Effekt
vorteilhaft ist.
Leitfähigkeit: gute Leitfähigkeit senkt den elektischen Widerstand des Elektrolyts. In Bezug auf Leitfähigkeit ist LiF zu wählen
Schmelzpunkt: Verringert den Wärmeeintrag in die Zelle und hemmt damit die Rückreaktion des Aluminiums. In Bezug auf Schmelzpunkt ist LiF zu wählen
Dichte: Herabsetzen der Dichte führt zu einer besseren Trennung des flüssigen Metalls. In Bezug auf Dichte ist AlF3 zu wählen
a)
Zeichnen Sie in das folgende Zustandsdiagramm den üblichen Arbeitsbereich
der Zinkblenderöstung ein und geben Sie an, welches Produkt entsprechend
beim Einsatz eisenhaltiger Zinkerze entsteht. Warum ist dieses Produkt
unerwünscht?
Es kommt zur Zinkferrit Bildung. Zink in Zinkferrit ist schwer zu
lösen, für die Zinkgewinnung muss Bildung von Zinkferrit vermieden
werden
b)
Nennen Sie drei Begleitelemente, die vor der Zink-Gewinnungselektrolyse aus
dem Elektrolyten entfernt werden müssen. Warum ist dieser Reinigungsschritt
notwendig?
c)
Sie betreiben ein Wälzrohr, in dem neben Stahlwerksflugstäuben auch
hydrometallurgische Reststoffe aufbereitet werden. Begründen Sie anhand des
folgenden Diagramms die Notwendigkeit eines Waschvorgangs des
produzierten Wälzoxids, bevor dieses in der Neutrallaugung der
Primärgewinnungsroute eingesetzt werden kann.
Im Diagramm ist zu erkennen das KCl und NaCl, aufgrund ihres
Dampfdrucks, bei den Wälzprozess mit verflüchtigt werden und sich
somit im Wälzoxid anreichern.
Da Alkalien und Halogenide in der Elektrolyse stören muss das
Wälzoxid von diesen Verbindungen gereinigt werden
a)
Nennen Sie drei Eigenschaften des Titans, die dem Metall trotz des hohen
Herstellungspreises einen Markanteil sichern und geben Sie jeweils ein
Beispiel.
d)
Bewerten Sie, in wie weit Zink, Aluminium und Kohlenstoff für die Reduktion von
TiO2 zu reinem Ti geeignet sind. Welcher Nachteil ergibt sich durch die
Verwendung von Kohlenstoff?
Zink: Reduktion mit Zink nicht möglich, da Titan unedler ist und Zink reduzieren würde
Aluminium: Reduktion mit Aluminium möglich, jedoch unwirtschaftlich
Kohlenstoff: Reduktion mit Kohlenstoff ab ca. 1600Grad möglich.
Nachteil von Reduktion mit Kohlenstoff, ist die Bildung unerwünschter Titankarbide
