Metallausbringung

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Zur Effizienz des Galmeiverfahrens, Nutzung der im Galmei enthaltenen Zinkanteile.

Friedrich Holtz

In der einschlägigen Literatur ist mehrfach erwähnt, dass man zur Herstellung von Rohmessing (Arco) mit einem Zinkgehalt von 25 bis 30 % (im Mittel also 27,5 %) Kupfer und kalzinierten Galmei (Zinkoxid, ZnO) in einem Gewichtsmengenverhältnis von 1 : 1 einsetzte oder bei Verwendung von unbehandeltem Galmei (z.B. Zinkkarbonat) den Galmeianteil entsprechend erhöhte.

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Der in der ebenfalls zugegebenen Holzkohle enthaltene Kohlenstoff (C) sorgte während des Prozesses bei einer Temperatur von 950 bis 1000^oC für eine Reduktion des Zinkoxids nach Zink, wobei das Zink in dampfförmigem Zustand freigesetzt wurde.

ZnO + C → Zn + CO

Das hierbei freiwerdende Kohlenmonoxid entwich aus dem Tiegel und wurde beim Verlassen des Ofens in Verbindung mit dem Luftsauerstoff zu Kohlendioxid aufoxidiert. Nach Ablauf des Prozesses verblieben im Tiegel günstigstenfalls das eingesetzte Kupfer und die im Galmei enthaltenen Zinkanteile.

Stoffkonstanten
		. Atom-Masse	Dichte (g/cm³) bzw. (kg/Liter)
C	Kohlenstoff	12
Cu	Kupfer	63,5	8,92
O	Sauerstoff	16
Zn	Zink	65,4	7,14
ZnO	Zinkoxid		5,61
	Holzkohle		0,45

Betrachtet man das Mengenverhältnis der Einsatzstoffe (Kupfer und kalzinierter Galmei zu gleichen Teilen), so lassen sich unter Berücksichtigung der relativen Mol- bzw. Atommassen die Gewichtsrelationen und der maximal mögliche Zinkgehalt der Messinglegierung wie folgt bestimmen:

81,4 (Cu) + 81,4 (ZnO) oder 81,4 (Cu) + 65,4 (Zn) + 16 (O)

Bei der Reduktion freigesetzte relative Zinkmenge (Zn) = 65,4

Maximal mögliches relatives Gesamtgewicht der Legierung:
81,4 (Cu) + 65,4 (Zn) = 146,8

Maximal möglicher Zinkanteil:
(65,4 / 146,8) · 100 = 44,55 %

Die so bestimmte Zinkmenge, die bei qualitativ gutem Galmei im Tiegel freigesetzt wurde, liegt deutlich oberhalb des Wertes von 27,5 %, der bei der Herstellung von Messing nach den damals üblichen Rezepturen zu erreichen war. Mit anderen Worten: Der im Galmei enthaltene Zinkgehalt konnte nur zu etwa 60% genutzt werden.

(27,5 / 44,55) · 100 = 61,7%

Dies lag hauptsächlich daran, dass Teile des Zinkdampfes zusammen mit dem Kohlenmonoxid aus dem Tiegel ausströmten und somit nicht mehr zur Legierungsbildung zur Verfügung standen.

Wie die nachfolgende Betrachtung zeigt, handelte es sich bei dem im Tiegel entstehenden und abströmenden Kohlenmonoxid um ganz erhebliche Mengen. Ausgehend von der Gewichtsmengenrelation der Eingangsstoffe (Cu = Kupfer, ZnO = kalzinierter Galmei und C = Holzkohle)

81,4 (Cu) + 81,4 (ZnO) + 12 (C)

lassen sich über die jeweilige Dichte der Einzelkomponenten die relativen Volumenanteile bestimmen.

81,4 / 8,92 (Cu) + 81,4 / 5,61 (ZnO) + 12 / 0,45 (C)

9,13 (Cu) + 14,51 (ZnO) + 26,67 (C) = 50,31

Umgerechnet auf das Fassungsvermögen der in Stolberg üblichen Tiegelgröße von 5 Litern ergeben sich die Volumenanteile pro Tiegel zu:

Cu: (9,13 · 5) / 50,31 = 0,91
ZnO: (14,51 · 5) / 50,31 = 1,44
C: (26,67 · 5) / 50,31 = 2,65

0,91 (Cu) + 1,44 (ZnO) + 2,65 (C) = 5 Liter

Das Zinkoxid bildet zusammen mit dem Kohlenstoff einen Masseanteil pro Tiegel von

1,44 l · 5.61 kg/l (ZnO) + 2,65 l · 0,45kg/l (C)
= 8,07 kg (ZnO) + 1,19 kg (C).

Entsprechend der Atommassen hat der im ZnO enthaltene Sauerstoff einen Gewichtsanteil von:

8,07 / (65,4 +16) · 16 = 1,59 kg.

Dem während des Reduktionsprozesses entstehenden Kohlenmonoxid kann somit ein Gewicht zugeordnet werden von:

(1,59 kg + 1,19 kg) · 1000 g/kg = 2780 g

Aus den Atommassen ergibt sich für Kohlenmonoxid eine Mol-Masse oder eine Anzahl von

12 +16 = 28 g/mol oder
2780 g / 28 g/mol = 99,29 mol

Nach der allgemeinen Gasgleichung
P · V = N · R · T

mit:
P = Druck (kg · m^-1 · s^-2)
V = Volumen (m³)
N = Anzahl mol
R = allgemeine Gaskonstante 8,314 (kg · m² · s^-2 · mol^-1 · K^-1)
T = Temperatur (K)

lässt sich das Volumen des Kohlenmonoxids für einen
Normaldruck von 101 300 Pascal bzw. für 101 300 kg · m^-1 · s^-2,
für eine Temperatur von T = 1248 K (273 + 975 ^oC) und
für N = 99,29 mol
bestimmen zu:

(99,29 · 8,314 · 1248) / 101325 = 10,16 m³

Es ergibt sich also ein Volumen von mehr als 10 m^₃, welches während der Reduktionsphase als Kohlenmonoxid aus einem 5-Liter-Tiegel entweichen musste. Da sich im Tiegel jedoch auch Zinkdampf befand, wurden Teile des reduzierten Zinks zusammen mit dem Kohlenmonoxid abgeführt und konnten somit nicht genutzt werden.

Erst mit Einführung der Zinkdestillation zu Anfang des 19. Jahrhunderts konnten die im Zinkerz enthaltenen Zinkanteile zu mehr als 95% genutzt werden.

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