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Verfahren zur Gewinnung von Aluminium
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Gewinnung von Aluminium und benutzt dabei ein Reaktionsprodukt, das durch thermische Umsetzung von Aluminiumoxyd mit kohlenstoffhaltigem Material entsteht.
Aus einschlägigen Veröffentlichungen war es beispielsweise bereits bekannt, aus Aluminiumkarbid und Magnesiumfluorid bestehende Briketts bei 1145 C und einem Druck von 0, 37 mm Quecksilbersäule zu erhitzen. Als Ergebnis dieser Reaktion wurden am kühleren Ende der Retorte Aluminium- kügelchen abgeschieden, wobei eine Ausbeute von zirka 70% des eingesetzten Aluminiums erhalten wurde.
Gemäss einem andern bekannten Vorschlag werden Briketts aus einer Mischung von 2 Gew.-Teilen Aluminiumoxydpulver und 1 Gew.-Teil Kohlepulver erhitzt ; gleichzeitig wird dampfförmiges Aluminiumchlorid in den Reaktionsraum eingebracht. Nimmt man diese Reaktion bei einer Temperatur von 12000 C vor, so ist es zwar möglich, geringe Mengen an Aluminium praktisch frei von Kohlenstoff und Aluminiumoxyd zu kondensieren und damit zu gewinnen, jedoch ist der erzielte Umsatz infolge der niedrigen Reaktionstemperatur ausserordentlich klein, was sich dadurch ausdrückt, dass nur zirka 1 bis 2% des angewendeten Aluminiumtrichlorids umgesetzt werden.
Dass hiebei ein verhältnismässig reines Aluminium erzeugt werden kann, beruht ausschliesslich darauf, dass die Konzentration des Dampfes an dem bei der Reaktion entstehendem Aluminiummonochlorid (AICI) nur sehr klein ist, während auch gleichzeitig Kohlenoxyd in der Gasphase nur in geringsten Mengen vorhanden ist. Indessen ist es unwirtschaftlich, dieses Verfahren bei 12000 C durchzuführen, da der Umsatz im ganzen gesehen unter 2% liegt.
Führt man dagegen das wie oben geschilderte bekannte Verfahren, d. h. den Umsatz von 2 Gew.-Teilen Aluminiumoxydpulver und 1 Gew.-Teil Kohlepulver unter gleichzeitiger Einleitung von Aluminium- trichloriddampf bei z. B. 1500 C durch, so ist es zwar möglich, die Konzentration an Aluminiummono- chloriddampf in der Gasphase zu erhöhen, jedoch entstehen gleichzeitig beträchtliche Mengen an Kohlenoxyd, so dass im Kondensator eine Rückoxydation des Aluminiums nach folgender Formel stattfindet :
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Aus den oben aufgezeigten Gründen hat sich das bekannte Verfahren in die Praxis nicht einführen können.
Die geschilderten und andere Nachteile werden erfindungsgemäss bei einem Verfahren zur Gewinnung von Aluminium unter Verwendung eines aluminiumkarbidhaltigen Gemisches dadurch vermieden, dass man in einer ersten Stufe bei einer Temperatur von 1950 bis 21000 C, vorzugsweise bei 2000 bis 20500 C, ein Gemisch aus 80 bis 90 Gew.-% Aluminiumoxyd (Al Og) und 20 bis 10 Gew.-% Kohlenstoff umsetzt, worauf das geschmolzen anfallende Reaktionsprodukt, das aus max.
35 Gew.-% Aluminiumkarbid (Al4C3), Rest Aluminiumoxyd und Kohlenstoff, besteht, zur Erstarrung gebracht und auf eine Korngrösse zwischen 2 und 16 mm zerkleinert wird, so dass es restlos durch ein Sieb von 16 mm hindurchgeht, worauf anschliessend das zerkleinerte Material bei einer Temperatur zwischen 1300 und 16000 C, vorzugsweise 1400 bis 1500 C, mit Aluminiumtrichloriddampf (AICI3) behandelt wird, der in einer Menge von 400 bis 800 Gew.-%, bezogen auf den Aluminiumkarbidgehalt des festen, aus der ersten Stufe stammenden Reaktionsproduktes, zur Anwendung gelangt.
Wenn oben von der Verwendung von Aluminiumoxyd in der ersten Stufe gesprochen wird, so sind darunter auch Aluminiumoxyd enthaltende Ausgangsstoffe, wie Bauxite zu verstehen, die mindestens 60% Al203 enthalten ; vorzugsweise wird jedoch ein nach dem BayerVerfahren hergestelltes Aluminiumoxyd verwendet.
Wenn weiterhin oben von Kohlenstoff gesprochen wird, so kann auch kohlenstoffhaltiges Material, beispielsweise Petrolkoks, Torfkoks, Holzkohle und Heisspech zur Anwendung gelangen. Die oben genannten prozentualen Angaben beziehen sich dann jeweils auf die Mengen an AlOg bzw. den fixen Kohlenstoffgehalt in den Ausgangsstoffen.
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Die Behandlung des so erhaltenen Reaktionsproduktes in der zweiten Stufe mit Aluminiumtrihalogeniddampf kann in verschiedener Weise erfolgen ; beispielsweise kann man den Aluminiumtrichloriddampf über das zerkleinerte Reaktionsprodukt der ersten Stufe wegleiten, oder aber man kann es auch, beispielsweise in einem Wirbelofen, hindurchleiten.
Mit Vorteil wird das Ausgangsmaterial in Form von Briketts verwendet, die mit einem Pressdruck von lOOOkg/cm unter Verwendung eines Heisspeches folgender Zusammensetzung erzeugt werden : Cfix-Gehalt : 53%, Aschegehalt : 0, 3 bis 0, 5%, Rest : flüchtige Bestandteile, Erweichungspunkt 830 C.
Zunächst werden aus den Ausgangskomponenten, nämlich Aluminiumoxyd enthaltendem Material, kohlenstoffhaltigem Material und Heisspech Briketts in einer Stempelpresse erzeugt. In der oben bezeichneten ersten Verfahrensstufe werden die so erhaltenen Briketts in einem Ein- oder MehrphasenLichtbogenofen bei einer Temperatur von 1950 bis 2100 C, vorzugsweise 2000 bis 2050 C, zur Reaktion gebracht. Hiebei werden nach dem folgendem Reaktionsschema
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Verbindungen zwischen Aluminiumoxyd und Aluminiumkarbid, die bei der oben angegebenen Reaktiontemperatur eine flüssige Schmelze bilden, erhalten.
Im nächsten Verfahrensschritt erfolgt das Erkaltenlassen des in der vorhergehenden Stufe geschmolzen anfallenden Reaktionsproduktes und die Zerkleinerung auf eine Korngrösse von 2 bis 16 mm. Der nächste Verfahrensschritt veranschaulicht die oben erwähnte zweite Verfahrensstufe, bei der das zerkleinerte
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neben wenig nicht umgesetzten Aluminiumoxyd-Aluminiumkarbidverbindungen hauptsächlich Korund (Al203) und Kohlenstoff in Form von Graphit verbleiben. Dieses Gemenge wird vorteilhaft in die erste Verfahrensstufe gemäss der Erfindung zurückgeführt.
Besonders überraschend und kennzeichnend für die Erfindung ist es, dass in der zweiten Verfahrensstufe bei den gewählten Temperaturen und Drücken kein CO gebildet wird, trotzdem Al203 und C zugegen sind.
Es kann also auch keine Rückoxydation von Al im Kondensator stattfinden.
Aus der zweiten Verfahrensstufe wird das dampfförmig anfallende Aluminiummonochlorid in die nächste Verfahrensstufe geführt, in der ein im wesentlichen einen gekühlten Kondensator darstellendes
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aus dem Kondensator abgezogen ; das dampfförmige Aluminiumtrichlorid kann entweder in einem zweiten Kondensator zu festem Aluminiumchlorid kondensiert oder aber in die zweite Verfahrensstufe zurückgeführt werden.
Zweckmässig wird im ersten Verfahrensabschnitt so gearbeitet, dass man nach dem allmählichen Aufschmelzen der Beschickung die Reduktion zu dem Zeitpunkt abbricht, in dem die Schmelze zähflüssig zu werden beginnt.
Versuche haben ergeben, dass das erfindungsgemässe Verfahren einen hohen Umsatz des AlCg in der zweiten Verfahrensstufe ermöglicht, der zirka 90% beträgt.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat den besonderen Vorzug, dass man in den zweiten Verfahrensabschnitt die Verbindungen x AlOg. y Al Cg'einsetzen kann, die sich unter verhältnismässig geringem Energieaufwand erzeugen lassen. Auch ist die Herstellung dieser Verbindungen bei verhältnismässig
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zeichneten Zusammensetzung in einem heizbaren Kneter gemischt. Aus dem anfallenden Gemisch werden in einer Stempelpresse runde Briketts mit einem Durchmesser von etwa 70 mm hergestellt. Die Briketts werden einem Lichtbogenofen zugeführt und darin allmählich aufgeschmolzen, wozu Temperaturen von
2000 C und mehr sowie eine von der eingesetzten Menge abhängige Zeit notwendig sind.
Das Gemisch setzt sich gemäss dem oben angegebenen Reaktionsschema in die Verbindungen x Al203' . y Al4C3 um. Sobald eine maximale Temperatur von 2100 C, vorteilhaft nur 2050 C, in der Schmelze erreicht ist, belässt man die Schmelze eine Zeitlang bei dieser Temperatur, bis sie dickflüssig zu werden beginnt. Man sticht die Schmelze sodann ab oder lässt sie im Lichtbogenofen erkalten und zerkleinert das erstarrte Reaktionsprodukt auf eine Korngrösse zwischen 2 und 16 mm. Das Reaktionsprodukt weist etwa folgende Zusammensetzung auf : 29, 8% Al4C3, 62, 6% AI Og, 7, 6% Unlösliches (Korund und
Kohlenstoff).
Die oben erwähnten 29, 8% und 62, 6% Al203 bilden zusammen Aluminiumoxyd-Aluminiumkarbidverbindungen und machen zusammen 92, 4% des Reaktionsproduktes aus.
Soll das Reaktionsprodukt aus dieser Verfahrensstufe nicht sofort weiterverarbeitet werden, so ist es in einem geschlossenen Behälter aufzubewahren, da die Aluminium-Karbidverbindungen bei der Einwirkung der Luftfeuchtigkeit Methan (CH4) entwickeln und zerfallen, wodurch die Aluminiumausbeute herabgesetzt wird.
Zur Durchführung des folgenden Verfahrensabschnittes, gemäss dem das erhaltene Reaktionsprodukt mit AlCIs-Dampf behandelt wird, dient ein Reaktionsofen, der aus einem gasdichten evakuierbaren Turm besteht und innen mit einem Kohlerohr ausgekleidet ist, welches die Beschickung aufnimmt und gleichzeitig als elektrischer Heizwideistand für die Erwärmung der Beschickung auf die Reaktionstemperatur von 1400 bis 1600 C benützt wird. Nach dem Aufheizen und Evakuieren der Luft wird der Turm aus einem besonderen Behälter, in dem Aluminiumtrichlorid durch Erwärmen auf etwa 2000 C verdampft wird, mit Aluminiumtrichloriddampf gefüllt. Anschliessend erfolgt die Beschickung des Turmes aus dem vorher gleichfalls evakuierten und danach mit Argon gefüllten Vorratsbehälter mit dem Produkt der ersten Verfahrensstufe.
Während die feste Beschickung den Turm von oben nach unten durchläuft und am unteren Ende ausgetragen wird, wird von unten her fortlaufend Aluminiumtrichloriddampf eingeleitet, der beim Aufsteigen durch die Beschickung hindurch mit dieser reagiert und sich an Aluminiummonochlorid anreichert. Das Aluminiumtrichlorid-Aluminiummonochloriddampfgemisch sammelt sich über der Beschickungssäule und wird durch einen kurzen Kanal aus Sinterkorund in den ebenfalls aus Sinterkorund bestehenden Kondensator geleitet. Infolge der Abkühlung des Dampfes von etwa 1300 C auf 700 bis 8000 im Kondensator scheidet sich Aluminium in flüssiger Form ab und kann durch Abstechen entnommen werden.
Das dampfförmig austretende Aluminiumtrichlorid gelangt in einen zweiten Kondensator, wo es durch Abkühlung auf Raumtemperatur im festen Zustand niedergeschlagen wird.
Das im Kondensator gewonnene Aluminium ist von aussergewöhnlicher Reinheit. Es enthält < 0, 01% Eisen, < 0, 01% Silizium, < 0, 001% Titan, Rest Aluminium.
Aus 100 Gew.-Teilen des Reaktionsproduktes der ersten Stufe wurden 20 Gew.-Teile Aluminium gewonnen. Hiezu waren plO Gewichtsteil der Verbindungen x AIOg. y AlCg etwa 3 Gew.-Teile Aluminiumtrichlorid notwendig.
Der aus der zweiten Verfahrensstufe ausgetragene Rückstand ist wie folgt zusammengesetzt : 3, 5% unumgesetzte Aluminiumoxyd-Karbidverbindungen x AlOg. y Al4C3, 10, 8% Kohlenstoff als Graphit, Rest Aluminiumoxyd (Al203) 85, 7%.
Dieses Material wird unter Zusatz weiteren Aluminiumoxyds und Kohlenstoffes in die erste Verfahrensstufe zurückgeführt und erneut umgesetzt.
Beispiel2 : Bei diesem Beispiel wird genauso gearbeitet wie bei Beispiel 1, jedoch wird in der zweiten Verfahrensstufe, bei der dampfförmiges Aluminiumtrichlorid in den Reaktionsbehälter eingeleitet wird, in diesem eine Reaktionstemperatur von 1300 bis 13500 C und ein Druck von nur 10 Torr eingehalten.
Zum Umsatz der gleichen Menge Reaktionsprodukt aus der ersten Verfahrensstufe wird nur ein Teil, z. B. die Hälfte, des Aluminiumtrichlorids benötigt, jedoch ist die für den Umsatz notwendige Zeit etwa doppelt so gross.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Gewinnung von Aluminium unter Verwendung eines aluminiumkarbidhaltigen Gemisches, dadurch gekennzeichnet, dass man ein in einer ersten Stufe bei einer Temperatur von 1950 bis 2100 C aus einem Gemisch von Aluminiumoxyd und kohlenstoffhaltigem Material ein neben Aluminiumkarbid noch Aluminiumoxyd und Kohlenstoff enthaltendes Reaktionsgemisch herstellt, das nach seiner Erstarrung und Zerkleinerung auf eine Korngrösse von 2 bis 16 mm in einer zweiten Stufe bei einer Temperatur von 1300 bis 16000 C in einer kohlenoxydfreien Atmosphäre mit dampfförmigem Aluminiumtrihalogenid, insbesondere Aluminiumtrichlorid, umgesetzt und hierauf abgekühlt wird.