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Kupfer

[17] Kupfer (copper; cuivre; rame). Das K. ist hinsichtlich seiner technischen Verwendbarkeit nächst dem Eisen eines der beachtenswertesten Metalle.

Die hüttentechnisch wichtigsten Kupfererze sind die geschwefelten, die als Kupferkies, Kupferglanz und Buntkupfererz für sich oder in Gemischen auftreten. Als Zersetzungsprodukte dieser geschwefelten Kupfererze treten außerdem noch oxydische Erze, wie Rotkupfererz, Malachit und Kupferlasur auf, die ebenfalls für sich oder in Gemischen vorkommen. Da die geschwefelten und oxydischen Kupfererze mehr oder weniger in Berg- oder Gangarten eingesprengt oder eingelagert sind, so wird ihr Kupfergehalt wesentlich herabgezogen und beträgt im Roherz kaum mehr als 5%. Außer den genannten beiden hauptsächlichsten Erzsorten werden noch hin und wieder durch die Gangart mehr oder weniger verunreinigte Arsen- und Antimonfahlerze, ferner kupferhaltige Schwefelkiese, sog. Pyrite mit wechselnden, etwa 2–5% betragenden Kupfergehalten, dann Kupferschiefer mit kaum 3% K. und schließlich auch im gediegenen Zustande vorkommendes K. sowie Altkupfer und Kupferaschen hüttenmännisch verarbeitet. Alle diese Erze führen fast immer mehr oder weniger Silber und auch etwas Gold. Der hüttenmännischen Verarbeitung der zuerst genannten geschwefelten Kupfererze geht in den meisten Fällen zwecks Erzielung verkäuflicher und verhüttbarer Erze eine Aufbereitung auf mechanischem oder magnetischem Wege und auch nach dem sog. Schwimmverfahren voraus, die die Trennung der Erze von den Berg- oder Gangarten bezweckt, der aber sowohl durch die geringen Unterschiede im spezifischen Gewicht als auch infolge der differierenden magnetischen Erregbarkeit der einzelnen Bestandteile Grenzen gesteckt sind. Hier muß zwecks weiterer Anreicherung, Abscheidung und Gewinnung des Kupfergehaltes die sog. chemische Aufbereitung eintreten, die entweder auf trockenem, d.i. feurigflüssigem Wege oder auf nassem Wege, d.i. durch Lösungs- und Fällungsmittel, ausgeführt wird. Den trockenen Weg wird man grundsätzlich nur bei geschwefelten oder oxydierten Erzen von höherem und mittlerem Kupfergehalte anwenden. Bis zu welcher Grenze nach unten dieser Weg noch lohnend ist, hängt hauptsächlich von den Preisen der Brennstoffe ab. Den nassen Weg wird man dagegen bei allen solchen Erzen anwenden, deren Verarbeitung auf trockenem Wege wegen niedrigen Kupfergehaltes nicht mehr lohnend ist. Abgesehen von der nur in den Vereinigten Staaten am Obernsee stattfindenden Zugutemachung gediegenen K., das zunächst durch Aufbereitung aus den metallführenden Massen gewonnen und dann seiner Reinheit wegen direkt im Flammofen raffiniert wird, vollzieht sich der trockene Weg in der Weise, daß man die Erze, je nach ihrer Qualität in geröstetem oder ungeröstetem Zustande in Schachtöfen mit Koks verschmilzt, wobei sich die spezifisch schwereren Erzteilchen als Roh- oder Kupferstein mit 25–50% K. von der spezifisch leichteren Gangart, der Schlacke trennen. Dieses Verfahren wird so oft wiederholt, bis ein hinreichend eisenarmer, aber kupferreicher Konzentrations- oder Spurstein mit 60–79% K. vorliegt, den man, mit Ausnahme von Mansfeld, das nach dem Ziervogel-Verfahren mit nachfolgender Raffination der oxydischen Rückstände arbeitet, entweder bis zur völligen Entfernung des Schwefels abröstet und mit Koks in Schachtöfen oder nach dem Röstreaktionsverfahren direkt unter Zuführung atmosphärischen Sauerstoffs in Flammöfen auf ein Schwarzkupfer von 80–96% K. verschmilzt. Eine beschleunigte Art dieser wiederholten Röst- und Schmelzarbeit bildet das in Nordamerika mit Erfolg ausgebildete, heute fast über die ganze Welt verbreitete Verblasen des flüssigen Rohsteines in saurem oder basischem Konverter auf ein Schwarzkupfer mit 95–99% K. Daß bei oxydischen Erzen die Röstarbeiten in Wegfall kommen und nur ihr einfaches Verschmelzen mit Koks in Schachtöfen unter schlackebildenden Zuschlägen auf Schwarzkupfer erforderlich wird, ist selbstverständlich. Dieser Verarbeitung auf trockenem Wege schließt sich nun noch die Verarbeitung kupferarmer, geschwefelter oder oxydierter Erze auf nassem Wege an. Bei diesem Verfahren wird der Kupfergehalt geschwefelter Erze durch Rösten mit Kochsalzzuschlag und auch durch Behandlung mit Salz- und Schwefelsäure oder aber mit Eisensalzen dieser beiden Säuren in lösliche Form übergeführt und mit Hilfe von Wasser ausgelaugt. Der Kupfergehalt oxydischer Erze wird durch Behandlung mit Salz- oder Schwefelsäure auf dieselbe Weise gewonnen. Nur wenige Gruben liefern bereits fertiggebildete Kupferlösung, sog. Zementwasser, die durch langsame Zersetzung geschwefelter Erze bei Zutritt von Luft und Wasser unter Tage entstanden sind. Aus den kupferhaltigen Laugen schlägt man das K. mittels Eisenabfällen als Zementkupfer nieder. Die sowohl auf trockenem als auch nassem Wege gewonnenen Schwarz- und Zementkupfer bezeichnet man[17] als Rohkupfer. Sie führen noch eine Reihe fremder Bestandteile wie Gold, Silber, Zink, Blei, Wismut, Kobalt, Eisen, Schwefel, Arsen, Antimon, Tellur, Selen und deren Verbindungen, die mit Ausnahme der Edelmetalle Gold und Silber ihre technische Verwendung mehr oder weniger beeinträchtigen. Deshalb ist eine tunlichste Beseitigung dieser fremden Bestandteile durch besondere Verfahren nötig, deren Art und Weise von der Gegenwart oder Abwesenheit der Edelmetalle Gold und Silber abhängig ist. Bei Abwesenheit von Gold und Silber wird man stets den Raffinierprozeß im Flammofen wählen, dagegen bei ihrer Gegenwart die elektrolytische Metallraffination, nach der heute etwas mehr als ³/₄ des Rohkupfers der Weltproduktion verarbeitet wird. Durch die Raffination im Flammofen werden die fremden Bestandteile bis auf Spuren entfernt. Zunächst wird ein kupferoxydulhaltiges rohgares K. dargestellt, das Spuren schwefliger Säure gelöst führt. Dann macht man dieses rohgare K. durch Einwirkung sog. Polgase, die beim Verbrennen frischer, in das flüssige Metallbad eingetauchter Holzstangen entstehen, dicht und hammergar; dicht durch Austreibung der schwefligen Säure und hammergar nach Aufgabe von Holzkohlen durch Reduktion des in Spuren vorhandenen Kupferoxyduls zu metallischem K. Für die mechanische Verarbeitung ist die Durchführung sorgfältigster Polungen von größter Bedeutung, weil schwefelhaltiges K. Rotbruch und kupferoxydulhaltiges K. Kaltbruch verursacht. Ebenso ist eine Überpolung zu vermeiden, weil durch den Einfluß der okkludierten Polgase ein Steigen des K. beim Abguß herbeigeführt wird, das es undicht und auch zu Rotbruch neigend macht. Für die elektrolytische Metallraffination gießt man ein dichtgemachtes K. zu Platten aus und hängt diese als Anoden am positiven Pole in mit Blei ausgeschlagene Holzkasten, die mit einem aus schwefelsaurer Kupfervitriollösung bestehenden Elektrolyten angefüllt sind. Zwischen diese Anodenplatten werden ganz schwache Platten aus elektrolytischem Feinkupfer als Kathoden am negativen Pole eingehängt. Ein durchgeleiteter Gleichstrom bewirkt nun die Lösung der Anoden und den Niederschlag des reinen elektrolytischen Feinkupfers an der Kathode, während die fremden Beimengungen teils in den Elektrolyten, teils, u.zw. mit den Edelmetallen, als Schlamm zu Boden sinken und eine besondere Aufarbeitung erfahren. Das elektrolytische Feinkupfer, im Handel Elektrolyt- oder Kathodenkupfer genannt, wird entweder für Legierungszwecke direkt verwendet oder in umgeschmolzenem Zustande für mechanische Verarbeitung in den Handel gebracht.

Im Jahre 1913 betrug die Weltproduktion 1,009.150 t K. Hiervon entfielen aus einheimischen Erzen 555,050 t = 55∙00% auf die Vereinigten Staaten von Amerika.

Da in den Vereinigten Staaten auch erhebliche Mengen ausländischen Schmelzmaterials für die Zwecke der Raffination eingeführt werden, so wuchs im Jahre 1913 die Produktion dieses Landes auf 735.897 m t an, was einer Leistung von etwa 73% der Weltproduktion entsprach.

Der internationale Kupferhandel kennt vier Arten von tonangebenden Stapelgattungen, u.zw. das Lake- und Elektrolytkupfer in Nordamerika und das Best-selected- und Standardkupfer in Europa. Die Preisnotierungen erfolgen in New York in Cents (1 Cent = 4∙2 Pf.) f. d. amerikanische Pfund (1 amerikanisches Pfund = 0∙454 kg) und in London in Pfund Sterling (1 Pfund Sterling = 20∙40 M.) f. d. englische t (1 englische t = 1016 kg).

Die Durchschnittspreise von Lake-, Elektrolyt-, Best-selected-, Standard- und Mansfelder Kupfer stellten sich im Jahre 1913 nach den statistischen Angaben der Metallgesellschaft in Frankfurt a. M. wie folgt:

[18] Das K. ist vor allen anderen Metallen durch eine eigenartig schöne rote Farbe ausgezeichnet. Das spezifische Gewicht beträgt bei völlig reinem und dichtem K. 8∙945 und bei gewöhnlichem Handelskupfer, das mehr oder weniger porös ist, 8∙2–8∙5. K. schmilzt zwischen 1050 und 1100°, ist sehr dünnflüssig und besitzt in diesem Zustande eine meergrüne Farbe. Der Bruch des K. zeigt einen lichtroten Seidenschimmer und ist in gegossenem Zustande körnig, in geschmiedetem und gewalztem Zustande sehnig und auf elektrolytischem Wege niedergeschlagen, fein und gleichmäßig kristallisiert. Es zeichnet sich bei nicht unbedeutender Härte und Festigkeit durch eine große Dehnbarkeit aus, läßt sich, infolge mechanischer Bearbeitung hart geworden, durch Erhitzen auf 600–800° C wieder geschmeidig machen, ist sehr wenig schweißbar und besitzt in völlig reinem Zustande eine sehr hohe Leitungsfähigkeit für Elektrizität. Zu Gußwaren ist es ungeeignet, weil es blasige Güsse liefert. Wegen seiner Fähigkeit, sich mit Metallen verbinden zu lassen und dadurch gießbar und härter zu werden, wird das K. endlich auch zur Darstellung wertvoller und vielseitig verwendbarer Metallmischungen benutzt, von denen die Legierungen von K. und Zink als Messing und von K. und Zinn als Bronze allgemein bekannt sind. Wegen dieser vorzüglichen Eigenschaften findet sowohl das K. wie auch seine Legierungen in den Elektrizitäts- und Kabelwerken, ferner in den Lokomotivfabriken, Eisenbahnwerkstätten und Schiffswerften, dann in Munitionsfabriken sowie Fabriken für Maschinen- und Apparatebau, die den Bedürfnissen der chemischen Großindustrie und sonstiger gewerblicher Zwecke dienen, ferner in Kupferschmiedereien einschließlich der Bedachungsanstalten sowie Fabriken für Metallwaren, Drahterzeugung, Drahtgewebe und Niete und endlich in Gravier- und Ätzanstalten ausgedehnte und vielseitige Verwendung. Als Hauptkupferfabrikate sind zu nennen:

Lokomotiv-Feuerbüchsplatten, volles und gelochtes Rundkupfer für Stehbolzen, Kupferschmiedebleche, Dachkupferbleche, gebeizte, hartblanke oder gelochte Kupferbleche, Kupferböden, Kupferschalen, Vierkantkupferstangen, Rund- und Fassonkupferstangen, nahtlose Kupferrohre, runde oder profilierte Trolleydrähte, Kupferfeindrähte, Kupferseile, blanke oder verzinnte Kupfer- und Bronzedrähte und endlose Kupferbänder.

Als Hauptmessingfabrikate sind zu erwähnen:

Schwarze, gebeizte, hartblanke oder polierte Messingbleche, endlose Messingbänder, Kondensatorplatten, Criso- und Messinggravurplatten, Rund- und Fassonmessingstangen, nahtlose Messing- und Kondensatorrohre, blanke oder verzinnte Messing- und Tombakdrähte sowie Feindrähte in Messing und Tombak.

Je nach ihrem Legierungsgrad unterscheidet man die Messingbleche in

Den Kupfersorten des Handels sind häufig Verbindungen von Schwefel, Sauerstoff, Nickel, Arsen, Antimon und Wismut beigemengt. Mit Ausnahme von Nickel und Arsen, die bis zu 0∙5% unter Verminderung der Leitfähigkeit die Festigkeit des K. erhöhen, beeinflussen größere Mengen Arsen, dann aber in bereits geringen Mengen Schwefel, Sauerstoff, Antimon und Wismut seine guten Eigenschaften nachteilig. Sie machen porös und kalt- oder auch rotbrüchig, also spröde bei der mechanischen Verarbeitung in kaltem oder geglühtem Zustande. Das gute elektrische Leitungsvermögen hängt von der gänzlichen Abwesenheit fremder Beimengungen, Gold und Silber ausgenommen, ab und wird besonders bei einer guten Elektrolytmarke gewährleistet. Wenn deshalb eine Kupfersorte auf ihre Eigenschaften beurteilt werden soll, so ist sie durch die chemische Untersuchung auf ihre prozentuelle Zusammensetzung, durch eine Widerstandmessung auf ihre Leitfähigkeit und durch die mechanische Untersuchung auf Rot- oder Kaltbruch und die sog. Qualitätswerte, d. s. Bruchbelastung auf Zug, Dehnung und Querschnittsverminderung (Kontraktion) zu prüfen.

An gute Kupferfabrikate wird man im allgemeinen folgende Ansprüche zu stellen haben:

1. Kupferdraht.

Je dünner der hartgezogene Draht ist, desto größer ist seine relative Festigkeit. Der Kupferdraht wird je nach Verwendungszweck in weichem oder in hartgezogenem Zustande (in letzterem meist für Freileitungen), u.zw. in Ringen bis zu 80 kg geliefert. Trolley- oder Fahrdraht wird auf Haspel, u.zw. bis 350 kg ohne Lötstelle ausgeführt. Die elektrische Leitfähigkeit für Kupferdraht soll bei 15° mindestens 57 Siemens-Einheiten, d.i. 95%, betragen.[19]

Für Telephon- und Telegraphenleitungen werden hartgezogene Bronzedrähte mit 4500 bis 8400 kg/cm² mit dementsprechender Leitfähigkeit von 95–30% verwendet. Der Kupferdraht soll eine glatte Oberfläche ohne Furchen, Schiefer oder Splitter haben, soll zähe und biegsam sein und auf seiner ganzen Länge einen gleichmäßigen kreisförmigen Querschnitt haben.

2. Kupferbleche. Das K. darf weder rotnoch kaltbrüchig sein und muß im Bruche ein gleichmäßiges, dichtkörniges Gefüge zeigen. Die Bleche sollen gleichmäßige Stärke und eine glatte, schiefer- und rißfreie Oberfläche haben. Kz ≧ 2000–2300 kg/cm², φ ≧ 38%. Gewöhnliche Kupferschmiedebleche werden in den Lagerformaten 1 × 2 m bei 0∙44–1∙11 mm Stärke, 1 × 3 m bei 0∙67–1∙11 mm Stärke, 1 × 4 m bei 0∙85–1∙50 mm Stärke gewalzt. Maßbleche werden in Breiten bis zu 4 m und in Längen bis zu 10 m gewalzt; die Stärke dieser Bleche beträgt mindestens 0∙1 mm bei 0∙4 m Breite, mindestens 4∙5 mm bei 4 m Breite. Feuerbüchsbleche werden in Breiten bis zu 4 m und in Längen bis zu 10 m bei Stärken von 10–32 mm gewalzt. Kreisrunde Scheiben werden in Stärken von 0∙1 mm aufwärts bis zu 4 m Durchmesser (letzterer Durchmesser bei mindestens 4∙5 mm Stärke) gewalzt. Glatt- oder Druckbleche für feinere Fabrikation (Treibarbeiten etc.) werden kalt nachgewalzt und blank nachgeglüht.

3. Stangenkupfer wird gewalzt und gezogen und muß vollkommen gleichartig und auf der ganzen Länge von gleichem Querschnitt sein. Kz ≧ 2300 kg/cm², φ ≧ 38% und ca. 60% Kontraktion. Ein mit Gewinde versehenes Stück Rundkupfer von 180 mm Länge soll sich kalt mit seinen Enden zusammenbiegen lassen, ohne zu brechen oder aufzureißen. Ein Stück Rundkupfer von der Höhe des doppelten Durchmessers soll sich kalt auf ein Drittel der Höhe zusammenstauchen lassen, ohne hierbei Risse zu erhalten.

4. Kupferrohre werden bis zu etwa 350 mm Durchmesser nahtlos gewalzt und gezogen. Kupferrohre sollen sich, mit Sand ausgefüllt in warmem Zustande, mit Kolophonium ausgefüllt in kaltem Zustande um einen Rundstab vom dreifachen äußeren Durchmesser biegen lassen, ohne Risse zu bekommen. Nach den Bedingungen der deutschen Marine müssen sich mit Kolophonium gefüllte Kupferrohre bis 40 mm äußeren Durchmessers bei einem Biegungswinkel von 180° in kaltem Zustande über einen Dorn gleich dem äußeren Rohrdurchmesser, Kupferohre dagegen über 40 mm äußerem Durchmesser über einen Dorn gleich dem 1¹/₂fachen äußeren Rohrdurchmesser biegen lassen, ohne Risse zu bekommen.

Franke.