-
Verfahren zur Reinigung von Aluminium Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Reini.gung von Aluminium und insbesondere zur Entfernung von Silicium
von Aluminiumlegierungen.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sowohl Silicipm als
auch Aluminium flüchtige SubsulfidQ bilden, wobei das Siliciumsubsulfid einen merklich
geringeren SiedepAnkt als das Aluminiumsubsulfid besitzt. Die Erfindung betrifft
daher ein Verfahren zur Reinigung von Aluminium, bei dessen Durchführung eine Aluminiumlegierung
bei einer Temperatur mit Alum-iniumsulfid in Kontakt gebracht wird, die dazu ausreicht,
die
Reaktion des Sulfids mit dem Silicium der Lecrsielung zu bewirken und das auf diese
Weise gebildete flüchtige Sillciumsulfid zu verdampfen. Nachdem das Silicium im
wesentlichen vollständig als Subsulfid verdampf ist, wird die restliche Legierung
abgekühlt, wobei man eine Alumilliumlegierung erhält, die einen merklich reduzierten
Siliciur ehalt aufweist. Das Aluminiumsulfid kann in vorteilhafter Weise an Ort
und Stelle in der Weise hergestellt werden, dass ein lleil des Aluminiums der Legierung
mit Schwefel oder einem Sulfid, wie beispielsweise Siliciumsulfid (SiS2), zur Umsetzung
gebracht wird.
-
Das Verfahren kann ferner dazu verwendet werden, Siliejum zu erzeugen
und den Sulfidschwefel durch Kondensieren des Silic.ut:-subsulfids wiederzugewinnen.
Das auf diese Weise wiedergewonnene SiS2 kann anschliessend mit weiterer Aluminiumlegieiung
zur Umsetzung gebracht werden. Je nach der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung
kann es zweckmässig sein, die Restlegierung mit reduziertem Siliolumgehalt mit Aluminiuinsulfid
bei einer Temperatur weiter zu behandeln, die dazu ausreicht, das auf diese Weise
gebildete flüchtige Aluminiumsulfid zu verdampfen, worauf die Dämpfe kondensiert
werden. Dabei werden Aluminium mit hoher Reinheit und Al2S3 gewonnen.
-
Auf diese Weise können Aluminium und Silicium aus Mischungen dieser
Elemente abgetrennt und wiedergewonnen werden. Ausserdem ist eine Abtrennung aus
Mischungen möglich, welche die üblichen Verunreinigungen enthalten, wobei in diesem
Falle zuerst eine derartige Mischung bei einer Temperatur, die wenigstens der Verdampfungstemperatur
des SiS unter dem angewendeten Druck entspricht, mit Al2S3 in einer Menge kontaktiert
wird, die dazu ausreicht, mit dem vorhandenen Silicium zu reagieren. Enthält die
auf diese Weise behandelte Mischung oder Legierung nur Aluminium und Silicium, dann
wird wenigstens ein Teil des Siliciums als gasförmiges SiS entfernt, wobei ein gereinigtes
verflüssigtes
Aluminium zurückbleibt. Beispielsweise kann die Reaktion
einer Legierung, die ein äquimolares Verhältnis von Aluminium zu Silicium aufweist,
bei Atmosphärendruck durch folgende Reaktionsgleichung wiedergegeben werden: 3 AlSi
+ A12S3
5 Al + 3 Sie Wie aus der Gleichung hervorgeht, stammen 60 0 des erzeugten Aluminiums
von der Legierung und 40 % von dem Al2 5 3-Reaktanten ab. Das auf diese Weise erzeugte
gasförmige SiS kann in dieser gasförmigen Form als Reaktant verwendet werden. Es
kann ferner abgekühlt und als festes Produkt gesammelt werden. Dieses Produkt besteht
aus einer äquimolaren Mischung aus Si und SiS2.
-
Dieses Produkt kann in metallisches Silicum umgewandelt werden.
-
Die obige Gleichung zeigt deutlich die ideale und theoretische Abtrennung,
die durch eine Einstufenreaktion von Al253 mit der Mischung aus Aluminium und Silicum
erzielt wird. Es wurde jedoch festgestellt, dass, obwohl eine Einstufendestillation
unter Verwendung der stöchiometrischen Menge von Al2S3 eineabtennung des Siliciums
von dem Aluminium ermöglicht, die Abtrennung in einer einzigen Stufe nicht vollständig
ist. Offensichtlich wird etwas Al2S zusammen mit dem SiS gebildet, wobei jedoch
eine Abtrennung in. zwei Fraktionen erzielt wird. Eine Fraktion enthält einen höheren
Anteil an Silicium als die ursprüngliche Legierung, während die andere Fraktion
einen höheren Gehalt an Aluminium aufweist als er der ursprünglichen Legierung entspricht.
Es hat jedoch eine Trennung und Anreicherung der swei Komponenten stattgefunden.
Die auf diese Weise erhaltenen zwei Fraktionen können dann jeweils erneut mit Al2S3
umgesetzt und zur weiteren Reinigung destilliert werden. Wahlweise'kann das Produktgas
aus der ursprtinglichen Reaktion rektifiziert werden.
-
Dabei wird ein gereinigtes Produkt erhalten. Man nimmt an, dass 6
theoretische Böden eine im wesentlichen vollständige Trennung des Siliciums von
dem Aluminium ermöglichen.
-
Da viele Aluminium/Silicium-Legierungen andere Verunreinigungen, insbesondere
Kohlenstoff und Schwermetalle, wie beispielsweise Eisen, Titan, Kupfer und Nickel,
enthalten, ist es gewöhnlich zweckmässig, nach der ersten Stufe der Entfernung des
Siliciums auch das Aluminium aus der ursprünglichen Legierung oder Mischung zu entfernen.
Die Abtrennung von Aluminium wird dann durchgeführt, nachdem die gewünschte Siliciumabtrennung
beendet ist, und zwar durch Kontaktierung der übriggebliebenen geschmolzenen Legierung
bei einer Temperatur, die wenigstens gleich der Verdampfungstemperatur des Al2S
unter dem angewendeten Druck ist, mit einer Al2S3-Menge, die dazu ausreicht, mit
dem vorhandenen Aluminium zu reagieren.
-
Das Aluminium reagiert mit Al2S3 unter Bildung von Al2S, wodurch ein
Gas aus der übriggebliebenen Legierung entweicht.
-
Beim Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb seiner Verflüchtigungstemperatur
disproportioniert das Al2S unter Bildung von metallischem Aluminium und Al2S3, das
erneut der Reaktionszone zugeführt werden kann. Bei Atmosphärendruck laufen, wie
man annimmt, folgende Reaktionen ab: 1. 8 Al + Al253 höher als ungefähr 18500C 6
Al2S(g) 2. 6 Al2S(g) niedrier als ungefähr 1850°C2 Al2S3 + 8 Al Die Verunreinigungen,
welche normaletweise in der Legierung enthalten sind, werden durch die Reaktion
nicht beeinflusst und verbleiben in der Reaktionszone als Rückstand. Daher entfernt
eine Einstufenreaktion und -destillation im we wesentlichen ti ichen
vollständig
das Aluminium und etwa noch vorhandes Silicium.
-
Das Aluminium und das Al2S3,lassen sich in einfacher Weise abtrennen,
wobei dann das Al2S3 fiir eine erneute Zuführung zu der Reaktionszone zur Verfügung
steht.
-
Druck ist keine kritische Variable bei der Durchführung dieses Verfahrens.
Da ein steigender Druck die Verflüch-tigungstemperatur der gasförmigen Produkte
dieses Verfahrens erhöht, wird kein Vorteil bei der Einhaltung eines Druckes erzielt,
der wesentlich oberhalb Atmosphärendruck liegt. Wird eine tiefere Verflüchtigungstemperatur
angestrebt, dann kann ein Reaktionsdruck unterhalb Atmosphärendruck eingehalten
werden.
-
Es ist jedoch gewöhnlich am zweckmässigsten, einen Druck einzuhalten,
der in der Nähe des Atmosphärendrucks liegt oder Atmosphärendruck selbst ist.
-
Infolge der relativen Verdampfungstemperaturen von SiS und A12S ist
es bei der Durchführung dieses Verfahrens erforderlich, zuerst das Silicium aus
der Legierung zu entfernen. Die Temperatur, bei welcher SiS verdampft, hängt von
der Siliciumkonzentration in der behandelten Legierung ab. Beispielsweise verdampft
SiS bei Atmosphärendruck aus einer Legierung, die 80 Gewichts-%O Si und 20 Gewichts-%
Al enthält, bei ungefähr 15500C. Unter, den gleichen Bedingungen verdampft SiS aus
einer Legierung, die 50 Gewichts-% Si und 50 Gewichts-% Al enthält, bei ungefähr
17500C. Die Verdampfungstemperatur kann natürlich erhöht oder abges-enkt werden,
und zwar durch Erhöhen bzw.
-
Yermindern des Druckes, unter dem das Reaktionssystem steht.
-
zur Erzielung einer optimalen Entfernung von Silicium aus einer Aluminium-
und Silicium-enthaltenden legierung ist es zweckmässig, wenigstens eine stöchiometrische
Al2S3-Menge zu verwenden. Mengen, die oberhalb der stöchiometrischen Menge liegen,
sind nicht von Nachteil, insbesondere dann, wenn das
Aluminium in
ähnlicher Weise durch Verflüchtigung wiede:gewonnen werden soll, beispielsweise
als Sulfid. Ein Überschuss an Al2S3 kann ferner als Plussmittel dienen, um das gesehmolzene
Aluminium in der Reaktionszone zu schützen.
-
Der A12S3-Reaktant kann ausserhalb des Systems hergestellt und dem
System nach Bedarf zugesetzt werden. Sr kann ferner in situ durch die Zugabe von
Schwefel oder eines Sulfids, das mit Al oder Si unter Bildung von Aluminium- oder
Siliciumsulfiden reagiert, erzeugt werden. Vorzugsweise werden elementarer Schwefel,
H2S oder SiS2 verwendet. Schwefel reagiert schnell und etwas exotherm mit dem Aluminium
in der Legierung unter Gewinnung von A12S3.
-
Es ist ferner zweckmässig, das Verfahren in einer inerten Atmosphäre
auszuführen. Unter den angewendeten Temperaturen erleiden alle Reaktanten in Gegenwart
von Luft eine Oxydation.
-
Das Vorliegen von Oxyden von Kohlenstoff sollte ebenfalls vermieden
werden. Diese reagieren mit dem geschmolzenen Aluminium unter Erzeugung von Al2S3
und Kohlenstoff. Eine Atmosphäre aus einem chemisch inerten Gas, wie beispielsweise
aus Argon, wird bevorzugt.
-
Das Erhitzen der Reaktionszone kann auf elektrische Weise erfolgen
beispielsweise durch Widerstandsheizung, Induktionsheizung oder dergleichen.
-
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
-
Beispiel 1 Es wird eine Reihe von Versuchen in der folgenden Weise
durchgeführt:
Ein Graphittiegel (der in einer Quarzschale eingesetzt
ist und von dieser isoliert wird), welcher 200 g Al2S3 und 150 g einer Aluminium/Silicium-'legierung
enthält, die 80 - 20 Mol-o,4 Silicium enthält, wird in eine Induktionsheizschlange
gestellt. Die Temperatur innerhalb des Graphittiegels wird auf 1527°C (18000K) erhöht,
wobei die Temperatur mittels eines Thermoelemente an einer zentralen Stelle innerhalb
des tiegels gemesseh wird. Dabei erfolgt eine Destillation aus dem tiegels Die Partialdrucke
sowohl von SiS als auch von Al2S in dem Abgas werden bestimmt, um den Einfluss auf
die Abtrennung von Silicium von Aluminium zu zeigen, wenn sich die Zusammensetzung
der geschmolzenen Legierung in dem liegel ändert.
-
Es werden folgende Ergebnisse erzielt: Molfraktion von Partialdruck
des Partialdruck des Al in dem Tiegel SiS in mm Hg Al2S in mm Hg 0,2 600 4,0 0,3
340 6,0 0,4 20.0 8,8 0,5 118 12,8 0,6 69 18 0,7 35 25 0,8 16 32 Beispiel 2 Ein Graphittiegel
(der in einer evakuierten Quarzschale eingesetzt ist und von dieser isoliert wird),
der 100 g einer Legierung aus 80 Gewichts-Vo Si und 20 Gewichts-% Al enthält, wird
in eine Induktionsheizschlange gestellt. Die
Temperatur der Legierung
wird auf 1550°C erhöht, worauf H2S in den Reaktor eingeleitet wird. ijer Schwefelwasserstoff
reagiert mit der legierung, wobei ein leicht, kondensierbares Destillat erzeugt
wird. Dieses Kondensat wird anschliessend analysiert. Titan stellt fest, dass es
aus äquimolaren Mengen an SiS2 und Si, den Kondensationsprodukten orl.,iS, besteht
Ferner wird Wasserstoff als nicht-kondensierbares Produkt in Freiieit gesetzt. Innerhalb
einer Zeitspanne von 1/2 Stunde ist der Schwefelwasserstoff in wesentlichen vollständig
umgesetzt, wobei sich die Atmosphäre, welche den Tiegel umgibt, im wesentlichen
aus Wasserstoff zusammensetzt.
-
Beispiel 3 In der gleichen Weise wie in Beispiel 2 werden 150 g Al4C3
mit einem gleichen Gewicht an Al2S3 in einer Graphittiegel verwischt, worauf der
Tiegel in einem Induktionsofen erhitzt wird. Bei einer Temperatur von ungefähr 207000
sowie unter einem Argondruck von 1 Atmosphäre beginnt die Mischung zu sieden. Der
Partialdruck von Al2S oberhalb des Tiegels beträgt ungefähr 540 min Hg, während
derjenige von Al2S3 zu ungefähr 220 mm Hg ermittelt wird. Das Kondensat aus diesem
Reaktor enthält Al und Al2S3 als Hauptprodukte.