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Verfahren zur Gewinnung von Aluminium-Silizium-Legierungen und Ofen zur Durchführung dieses Verfahrens
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Jahrzehnten werden Aluminium-Silizium-Legierungen,heissen Reduktionsraum entfernt und auf eine Temperatur gebracht werden, bei der eine Aufkohlung durch Einwirkung von Kohlenstoff und kohlenstoffhaltigen Gasen unter Bildung von Karbiden nicht mehr stattfinden kann. Man muss infolgedessen dafür sorgen, dag die AlSi-Legierung möglichst rasch aus dem Reduktionsraum abfliesst.
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fahren erreicht.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird einerseits die Reaktionsmischung in solcher Weise zu-
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raum auf eine Höhe steigt, bei welcher die Verdampfungsverluste an Aluminium und an Silizium zu stark sind, also auf über 22000C ; vorzugsweise wählt man eine noch darunter liegende Temperatur. Die Überhitzung kann dadurch vermieden werden, dass die zuzugebende Reaktionsmischung eine Temperatur hat, die genügend tief unter der obersten zulässigen Grenze im Reduktionsraum liegt. Die Reaktionsmischung kann beispielsweise Raumtemperatur besitzen ; je nach der Grösse und der Konstruktion des Ofens kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Reaktionsmischung im vorgewärmten Zustand zuzuführen. Ausserdem ist es erforderlich, die Reaktionsmischung entweder kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen dem Ofen zuzuführen.
Anderseits wird erfindungsgemäss dafür gesorgt, dass die gebildete flüssige AISi-Legierung die heisse
Zone des Reduktionsraumes ununterbrochen und rasch verlässt, ohne dass sie durch eine weniger heisse
Schicht der Reaktionsmasse durchsickern oder fliessen muss, in welcher sich Aluminiumkarbid bilden kann.
Bei den bekannten elektrothermischen Verfahren zur Gewinnung von Silikoaluminium fliesst die gebildete Legierung durch eine Schicht unreagierter Beschickung hindurch, in der die Gefahr der Aufkohlung, d. h. der Karbidbildung, besteht.
Die Reduktionszone wird erfindungsgemäss von der sich weiter unten sammelnden AISi-Legierung durch einen Raum getrennt, in welchem die AlSi-Legierung möglichst rasch auf eine Temperatur (z. B. zwischen dem Schmelzpunkt und 1600oC) abgekühlt wird, bei welcher eine Reaktion zwischen der AISi-Le- gierung mit Kohlenstoff unter Karbidbildung nicht mehr stattfinden kann. Der Kohlenstoff könnte entweder durch die Wandung des Sammelgefässes oder aber durch Teile des Reaktionsgemisches geliefert werden, die von der abfliessenden AlSi-Legierung aus dem Reduktionsraum mitgerissen oder einfach aus dem Reduktionsraum in den Sammelraum fallen. Zwischen der Reduktionszone und dem sich sammelnden Metall muss also ein Trennraum vorhanden sein.
Ausserdem wird bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens die Wärme dem Reduktionraum durch elektrische Widerstandsheizung zugeführt. Am zweckmässigsten ist es, den Reduktionsraum seitlich mit einer leitenden Masse, z. B. aus Kohlegriess, zu umgeben, durch die ein elektrischer Strom geführt wird. Es lassen sich aber auch Heizstäbe oder andere Heizleiter verwenden. Man sorgt also dafür, dass, die Wärme dem Reduktionsraum seitlich zugeführt wird. Es können aber auch Heizstäbe durch die Reaktionsmischung selbst im Reduktionsraum zusätzlich angeordnet werden ; auch eine Induktionsheizung kommt in Frage. Es bestehen viele Möglichkeiten, die Reaktionsmischung ohne Verwendung von Licht- bogenelektroden auf die Reaktionstemperatur zu bringen.
Wesentlich ist eine genügende Wärmezufuhr, damit der günstige Temperaturbereich eingehalten werden kann.
Die Zugabegesehwindigkeit der Reaktionsmischung muss so eingestellt sein, dass die dem Ofen zugeführte Wärme sowohl für das schnelle Aufheizen und das Schmelzen der Reaktionsmischung und die Reduktion der Oxyde als auch für den Ausgleich der Verluste durch die abgeführten Reaktionsprodukte aufgebraucht wird. Für die Einhaltung des günstigen Temperaturbereiches erweist es sich als vorteilhaft, die Reaktionsmischung so zuzuführen, dass der Reaktionsraum ständig gefüllt ist.
Die physikalische Beschaffenheit des einzutragenden Reaktionsgemisches beeinflusst selbstverständlich den Reaktionsverlauf. Üblicherweise wird das Reaktionsgemisch bei solchen Verfahren in Form von Briketts chargiert. Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein besonders gleichmässiger Reaktionsverlauf unter Einhaltung des Wärmegleichgewichtes dadurch erreicht, dass die Reaktionsmischung in Form von Krümeln ("Pellets") von etwa 15 bis 20 mm Durchmesser zugeführt wird ; zur Bildung der Krümel wird die Reaktionsmischung beispielsweise in an sich bekannter Weise nach Zusatz von 20-2so Wasser auf eine rotierende Scheibe gegeben oder in einer rotierenden Trommel behandelt.
Es kann vorteilhaft sein, einige Prozente Schwefel in Form von Sulfiden, Sulfaten oder andern Schwefelverbindungen der Reaktionsmischung zuzugeben, um ein rascheres Schmelzen zu erreichen.
Bei der geeigneten Temperatur von beispielsweise etwa 21000C ergibt sich sowohl ein schnelles Schmelzen als auch eine schnelle Reduktion. Beim laufenden Aufgeben weiterer Beschickung direkt auf
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die Oberfläche der ständig absinkenden. vorher aufgegebenen Beschickung wirkt die neue Beschickung in gewissem Masse etwas abkühlen auf die Schmelze ein, wodurch eine Überhitzung verhindert wird : da ein schmelzender Stoff nicht aber seinen Schmelzpunkt erhitzt werden kann, wird im Schmelzraum selbst eine ständig gleichbleibende Temperatur herrschen.
Der Reduktionsraum kann vorteilhafterweise senkrecht über dem Sammelgefäss angeordnet sein ; bei einer solchen Anordnung kann die AlSi-Legierung am raschesten in das Sammelgefäss gelangen, z. B. durch freien Fall. Wenn die Reduktionszone sich beispielsweise im untersten Teil eines Reduktionstiegels befin- det, der in genügendem Abstand über dem Sammelraum angeordnet ist, so dass die flüssige AlSi-Legierung nach Verlassen der Reduktionszone sich im freien Fall genügend abkühlen kann, und durch diese Anordnung das gesammelte Metall vom gelochten Tiegelboden in genügendem Masse räumlich getrennt ist, sind Bedingungen geschaffen, welche die Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens gestatten.
Der Zweck des Trennraumes unter dem Reduktionsraum ist die möglichst rasche Unterbrechung des Kontaktes der flüssigen AlSi-Legierung mit der reagierenden Beschickung. Es können aber in diesem Trennraum z. B. durchlöcherte Zwischenboden angeordnet sein, welche eine übermässige Abstrahlung von Wärme aus dem Reduktionsraum nach unten verhindern oder eine solche Abstrahlung ganz unterbinden. Der Trennraum kann auch durch ein Bett von Brocken oder Körnern aus einem die Wärme schlecht leitenden und mit der flüssigen AlSi-Legierung nicht reagierenden Stoff, z. B. mit Korundbrocken, teilweise angefüllt sein. Solche Brocken oder Körner können auch auf gelochten Zwischenböden liegen. Auch kann der Einbau von Schikanen zwischen Reduktions-und Sammelgefäss vorteilhaft sein.
Es kann an Stelle des vertikalen Aufbaues auch eine solche Anordnung gewählt werden, bei welcher die AlSi-Legierung schräg in den Auffangbehälter fliesst. Bei einer solchen Anordnung wird man zweckmässigerweise dafür sorgen, dass die Wandung, auf der entlang die AlSi-Legierung herunterfliesst, eine solche Zusammensetzung oder aber eine solche Temperatur hat, dass sie nicht unter Karbidbildung mit der AlSi-Legierung reagieren kann.
Es kann sich als günstig erweisen, im Trennraum Kühlelemente anzuordnen, um die Abkühlung der durchlaufenden AlSi-Legierung zu beschleunigen. Diese Elemente können beispielsweise aus Stäben aus inertem Material mit einer Einlage aus Kupfer bestehen, denen ausserhalb des Ofens die Wärme durch eine Kühlflüssigkeit entzogen wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, das Sammelgefäss mit einer Einrichtung zu versehen, durch welche es entweder beheizt oder gekühlt werden kann, so dass es auf die für die Einhaltung des Wärmegleichgewichtes notwendige Temperatur eingestellt werden kann.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann selbstverständlich als Sammelgefäss auch eine Rinne oder eine Pfanne verstanden werden, aus der die AlSi-Legierung ununterbrochen in ein weiteres Gefäss oder gar in eine Giessvorrichtung, z. B. in eine Masselgiessmaschine, fliesst.
Da das Reaktionsgemisch in möglichst kurzer Zeit auf den günstigen Reduktionstemperaturbereich gebracht und insbesondere der für die Karbidbildung günstige Temperaturbereich von 1600 bis 20000C so schnell wie möglich durchlaufen werden muss, ist es zweckmässig, beim Anfahren den Reduktionsraum schon vor dem Einbringen der Reaktionsmischung auf eine Temperatur von beispielsweise 2050 bis 22000C zu erhitzen.
Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren auch dann anwenden, wenn eine Aluminium-Silizium-Legierung angestrebt ist, die weniger als 721o Al enthält, z. B. bis hinunter auf 65% Al oder gar 60uso. Obwohl es schon gelungen ist, Silikoaluminium mit über 60% oder sogar über 65% Al in den üblichen Elektroöfen zu erhalten, ist das erfindungsgemässe Verfahren für die Gewinnung derartiger AlSi-Legierungen überlegen, weil sich der Reduktionsprozess viel besser beherrschen lässt und das Verfahren daher auch energiemässig vorteilhafter ist.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren gewonnenen AlSi-Legierungen können einen ziemlich hohen Gehalt an Eisen (wie etwa im Ferrosilikoaluminium), an Titan und an andern Elementen aufweisen.
Die Erfindung ist in der angeschlossenen Zeichnung an Hand von zwei beispielsweisen Ausführungformen näher erläutert. Dabei dienen die Fig. 1 und 2 (im senkrechten bzw. waagrechten Schnitt) zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens an einem kleineren Versuchsofen von rund 80 kW Leistung, während die Fig. 3 und 4 im senkrechten bzw. im waagrechten Schnitt ein weiteres Beispiel eines kleinen Versuchsofens zeigen.
Beim Ofen nach Fig. 1 und 2 ist der eiserne Ofenmantel l mit einer Schamotteauskleidung 2 verse- neu und mit Kohlegriess 3 gefüllt. Zwei parallele Wandungen 4 aus Magnesitsteinen begrenzen den Innen- : aum beidseitig der Stromzuführungsnippel 5 aus Graphit und der wassergekühlten Strahlelektroden 6. Im Dfen ist ein zylindrischer Tiegel 7 aus Graphit in einer solchen Höhe angeordnet, dass sein unterer Teil,
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