14.09.2018

Question 1

a) Nennen Sie drei Ziele des Aufbereitungsschrittes „Zerkleinerung“.

Answer 1

• Herabsetzen der Korngröße
• Veränderung der Korngrößenverteilung
• Vergrößern der spezifischen Oberfläche

Question 2

b)

Nennen Sie zwei hydrometallurgische und zwei pyrometallurgische
Raffinationsverfahren.

Answer 2

Hydro:

• Laugung
• Elektrolyse

Pyro:

• (Vakuum) Destillation
• Selektive Oxidation

Question 3

c)

Schlacken haben in der Metallurgie eine Vielzahl von Aufgaben zu erfüllen.
Welche 2 Aufgaben kennen Sie?

Answer 3

• Schutz des Metalls vor Atmossphäre
• Aufnahme von Verunreinigungen

Question 4

d)

Ergänzen Sie in das gegebene Richardson-Jefferson-Diagramm die
qualitativen Linien für die Oxidationsreaktionen von Cu, Fe und Al.

Die vorgegebene Linie stellt die Kohlenstoffoxidation dar. Geben Sie die
zugehörige Reaktion an, geben Sie ebenso die zugehörigen Reaktionen für
die gezeichneten Metalle (Cu, Fe, Al) an.

Answer 4

Question 5

e)

Erklären Sie, warum die Steigung der Gleichgewichtslinie der Oxidation von
C zu CO im Richardson-Jefferson-Diagramm das umgekehrte Vorzeichen hat
im Vergleich zu den Linien der Oxidation aller Metalle.

Answer 5

-Negative Steigung, da aus einem Mol Gas (O₂)—> 2Mol Gas (2CO)
entstehen und die Entropie erhöht wird

Question 6

f)

Kreuzen Sie für die Gewinnung der Metalle Aluminium und Pyro-Kupfer in der
folgenden Tabelle an, ob die vornehmliche Raffination vor oder nach der
Reduktion der jeweiligen Metalle durchgeführt wird.

Answer 6

Question 7

g)

Warum erfolgt bei der Aluminiumgewinnung und bei der Kupfergewinnung, die
Raffination und Reduktion in der von Ihnen angegebenen Reihenfolge?

Answer 7

Aufgrund des edlen Charakters von Kupfer kann zuerst eine Reduktion
durchgeführt werden, verbleibende Verunreinigungen können in einer
nachgeschalteten Raffination beseitigt werden

Reduktion von Al würde zu Verunreinigung mit edleren Metallen führen(Al unedles Metall
mit hoher Sauerstoffaffinität), deswegen muss die Raffination vorgeschaltet werden

Question 8

h)

Nennen Sie zwei der drei Parameter, welche die Absetzgeschwindigkeit bei
der Schwerkrafttrennung beeinflussen? Nennen Sie ein pyro-metallurgisches
Beispiel, in dem die Schwerkrafttrennung eine wichtige Rolle spielt.

Answer 8

• Dichteunterschied zw. Schlacke und Stein
• Schlackenviskosität
• Tropfengröße

Schwerkrafttrennung spielt beim Schlackenarmschmelzen eine wichtige Rolle

Question 9

i)

Bei metallurgischen Prozessen fallen in der Regel Nebenprodukte an. Füllen
Sie das folgende Schema bezüglich zweier möglicher Nebenprodukte und
deren Weiterverarbeitung/Verwendung aus.

Answer 9

Question 10

a)

Welche zwei Erzsorten (Art der chemischen Verbindung) können bei der
Kupferherstellung verwendet werden und welche dieser beiden wird für die
pyrometallurgische Kupferproduktion eingesetzt? Benennen Sie diesen
Hauptkupferrohstoff und geben Sie seine chemische Formel an.

Answer 10

• oxidische Kupfererze
• sulidische Kupfererze

Sulfidische Kupfererze ist Hauptrohstoff für
die pyrometallurgische Produktion Chalkopyrit CuFeS2

Question 11

b)

Wie hoch ist der Kupfergehalt eines Kupfererzes üblicherweise? Welche
Möglichkeit besteht zur Erzeugung eines Kupferkonzentrats (Anreicherung
des Kupfers)?

Answer 11

Kupfergehalt ist überlicherweise zw. 0,5 - 1%
Durch Flotation lässt sich Kupferkonzentrat erzeugen

Question 12

c)

Zeichnen Sie den Weg der pyrometallurgischen Kupfergewinnung in das
folgende Diagramm. Zeichnen Sie den Startpunkt (Kupferkonzentrat),
Schwebeschmelzen sowie die beiden Konvertierungsstufen einzeln erkennbar
ein.

Answer 12

Question 13

Question 14

e)

Warum ist der Kupferkonverter drehbar/kippbar gelagert und zu welchem
Zeitpunkt im Konverterprozess dreht man ihn?

Answer 14

Drehfunktion ermöglicht gezieltes Einbringen von Luft in den
Stein, Austragen der Abgase und chargieren des Konverters.

Zum chargieren wird die Mantelöffnung zur Seite gedreht.
Während des Blasvorgangs wird die Öffnung nach oben gedreht.

Question 15

f)

Erläutern Sie warum der Prozess der pyrometallurgischen Raffination nicht
ausreichend zur Reinigung des Kupfers ist. Begründen Sie dies sowohl für die
edleren als auch unedleren Elemente als Kupfer.

Answer 15

Edlere Elemente: Wertmetalle sollen nicht im Kupfer verbleiben und verloren gehen z.B. Ag,Au
Unedlere Elemente: Dürfen nicht im Kupfer verbleiben da Anwendung in der Elektrotechnik
reines Kupfer erfordert

Question 16

g)

Eine Kupferanode wiegt 350-420 kg, zwei Kupferkathoden zusammen
hingegen lediglich ca. 300 kg. Nennen Sie zwei Ursachen für diese Differenz.

Answer 16

g)

-Eine Anodenreise dauert länger als eine Kathodenreise somit wird die
Kathode häufiger gewechselt als die Anode
-Ein Teil der Anode geht nur ins Elektrolyt und wird nicht an der Kathode
ausgeschieden

Question 17

h)

Erklären Sie hinsichtlich des Eintrages des Zielmetalls den Unterschied
zwischen einer Gewinnungs- und einer Raffinationselektrolyse. Welche Art der
Elektrolyse wird bei der pyrometallurgischen Kupferroute bzw. der
hydrometallurgischen Zinkroute eingesetzt?

Answer 17

Bei einer Raffinationselektrolyse wird die metallische Anode aufgelöst und das
Metall an der Kathode abgeschieden. Bei einer Gewinnungselektrolyse wird
Metall aus einer bestehenden Lösung an der Kathode abgeschieden und nicht
das Metall der Anode.

Gewinnungselektrolyse: Zink
Raffinationselektrolyse: Kupfer

Question 18

i)

Weshalb sind zu hohe Eisengehalte im Elektrolyten der Endraffination im
Zuge der pyrometallurgischen Kupferroute negativ? Erklären Sie das
Phänomen kurz und geben sie alle chemische Reaktion hierfür an.

Answer 18

Zu hohe Eisenkonzentrationen führen vermehrt zu Shuttle-Reaktionen. Fe3+ wird an
der Kathode zu Fe2+ reduziert und anschließend an der Anode wieder zu Fe3+ oxidiert.
Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder.

Reaktionsgleichung:
e^- + Fe³⁺ —> Fe²⁺
Fe³⁺ —> Fe²⁺ + e^-

Question 19

a)

Welche physikalische Eigenschaft macht Aluminium für den Einsatz in der
Luft- und Raumfahrt attraktiv und welche Vorteile lassen sich dadurch
generieren?

Answer 19

Geringe Dichte führt zur Massenverringerung

Question 20

b)

Füllen Sie die freien Felder im gegebenen Laugenkreislauf des Bayer-
Prozesses aus.

Answer 20

Question 21

c)

Nennen Sie zwei Elemente/Verbindungen, die über den Rotschlamm
ausgetragen werden.

Answer 21

Fe
TiO₂

Question 22

Question 23

e)

Wie hoch ist etwa die Zellspannung (+/-0,3V) in der Schmelzflusselektrolyse
und aus welchen Komponenten (ohne Werte) setzt sich diese Spannung
zusammen?

Answer 23

Zellspannung ist ca. 4,45V

Setzt sich zusammen aus:

• Widerstand Stromschiene, Zuleitung Aluminiumbad (Kathode)
• Überspannung Kathode
• Elektrolytwiderstand
• Wiederstand Stromschiene Kohlenstoff (Anode)
• Überspannung, Anodeneffekt
• EMK (theoretisches Zersetzungspotential)

Question 24

f)

Tragen Sie die beiden Kategorien von Aluminiumschrott bezüglich ihres
Entstehungszeitpunktes im Lebenszyklus und erläutern Sie diese anhand
folgender Tabelle (pro Zelle nur ein Beispiel). Welche Konsequenzen ergeben
sich für das Aluminiumrecycling?

Answer 24

Question 25

g)

Ein typisches Schmelzsalz zum Aluminiumrecycling besteht aus 1. NaCl, 2.
KCl und 3. CaF2. Was wird durch die Zugabe der dritten Komponente beim
Einschmelzen erzielt? Zeigen Sie dies anhand einer Skizze.

Answer 25

Flouride werden als Additive benutzt, um die Oxidhaut der Aluminiumtropfen zu lösen und somit die Koagulation der Metalltropfen zu verbessern.

Question 26

a)

Wieso muss das Zinkkonzentrat vor der hydrometallurgischen Verarbeitung
geröstet werden? Wie lautet die Röstreaktionsgleichung von ZnS
(Hauptreaktion)?

Answer 26

Da Zinkblende relativ unlöslich in Schwefelsäure ist muss sie in Zinkoxid überführt
werden Reaktionsgleichung: 2ZnS + 3O2 —> 2ZnO + 2SO2

Question 27

b)

Auf welchem Prinzip basiert der Prozess der Laugenreinigung? Warum muss
dieser mehrstufig durchgeführt werden? Schreiben Sie eine der ablaufenden
chemischen Reaktionen auf.

Answer 27

Laugenreinigung basiert auf der Zementation
Muss mehrstufig durchgeführt werden weil eine seperate Fällung von
Cadmium angestrebt wird.
Reaktion erste Stufe: (Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺) + Zn—> (Cu, Co, Ni) + Zn²⁺
Reaktion zweite Stufe: (Cu²⁺, Cd²⁺) + Zn—> (Cu, Cd) + Zn²⁺

Question 28

c)

Beschriften Sie die schematische Darstellung der Wälzanlage.

Answer 28

Question 29

d)

Bei der Zinkgewinnungselektrolyse wird laut Kathoden- und Anodenreaktion eine EMK von -1,99 V benötigt, um Zink abzuscheiden. Tatsächlich werden aber -3,5 V benötigt. Welche drei Effekte führen zu dieser Erhöhung der Badspannung?

Answer 29

-El. Widerstand der Zuleitungen 0,1V
-Sauerstoffüberspannung der Anode 0,9V
-El. Widerstand des Elektrolyten 0,5V
(Wasserstoffüberspannung an Kathode 0,3V hier nicht relevant)

Question 30

e)

Eine Zinkelektrolyse arbeitet mit Kathodenblechen der Größe 2 m x 1,5 m bei einer Stromdichte von 480 A/m². Die Stromausbeute beträgt 93%, die Tragfähigkeit jeder Blechseite 75 kg. Nach wie viel Stunden müssen Sie die Kathoden ziehen?

molare Masse Zink: 65,4 g/mol
Faraday Konstante: 96485 As/mol

Question 31

a)

Nennen Sie zwei positive Eigenschaften von Titan und geben Sie je ein Beispiel
daraus resultierender Anwendungsgebiete.

Answer 31

Korrosionsbeständigkeit: Automobilindustrie

Geringe Dichte: Luft und Raumfahrttechnik

Hohe Festigkeit: Automobilindustrie, Luft und Raumfahrttechnik

Biokompatibilität: Medizin, Schmuck

Question 32

b)

Da die meisten Rutilerz-Lagerstätten nicht wirtschaftlich genutzt werden können,
wird häufig Ilmenit als Rohstoff verwendet. Dieser kann entweder
pyrometallurgisch oder hydrometallurgisch angereichert werden. Welches
Element wird dabei hauptsächlich abgetrennt? Für den Fall der
pyrometallurgischen Abtrennung in welchem Produkt wird dieses Element
angereichert und in welche Prozesskette lässt sich diese einschleusen?

Answer 32

Eisen wird abgetrennt, in Fe-Masseln angereichert und ließt in die Herstellung von
Gusseisen ein

Question 33

c)

Die Retorte des Krollreaktors muss beheizbar sein. Sie haben als
Praktikantin/Praktikant bei einem Anlagenbauer den Auftrag bekommen diese
Heizung auszulegen. Der zu beheizende Kroll-Reaktor hat eine Kapazität von 5 t
Titan pro Charge.

• Notieren Sie zunächst die Haupt-Reaktionsgleichung des Kroll-Prozesses
• Welche Masse an Magnesium wird für eine Charge Titanschwamm benötigt?
• Für welche elektrische Heizleistung muss der Ofen ausgelegt werden um die
  benötigte Masse an Magnesiummasseln (Schmelzpunkt 648°C, Lagerung auf
  dem Hof bei 20°C) innerhalb einer Arbeitsschicht (8 h) aufzuschmelzen und
  auf 700°C vorzuwärmen?

Nehmen Sie an, dass der Wirkungsgrad Ihres Ofens 100% beträgt und in dieser Zeit
keine Wärme verloren geht.
(3,0 Punkte)
Gegeben: MTi: 47,9 g/mol, MMg: 24,3 g / mol, MCl: 35,5 g / mol, cpMg,solid = 1178 J / kg
K , cpMg, liquid = 1411 J/ kg K, Hm,Mg = 370 kJ / kg

Answer 33

Hauptreaktion im Kroll-Prozess: TiCl4 + 2Mg —> Ti+ 2MgCl2

Question 34

d)

Nach dem Krollprozess muss der dort gewonnene Titanschwamm
umgeschmolzen werden. In der nachfolgenden Abbildung ist ein hierfür
geeignetes Aggregat dargestellt. Benennen Sie dieses Aggregat und beschriften
Sie dieses in den dafür vorgesehenen Kästchen.

Answer 34