DE2026444B2

DE2026444B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ab trennung einer Legierung aus einer Schme lzemi schung

Info

Publication number: DE2026444B2
Application number: DE2026444A
Authority: DE
Inventors: Colette Allibert; Etienne Bonnier; Jean Driole; Alain Wicker
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1969-05-30
Filing date: 1970-05-29
Publication date: 1973-09-13
Also published as: DE2026444C3; AT298084B; FR2050519A5; DE2026444A1; NL7007801A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung einer Legierung mit hochschmelzenden Metallen als feste oder flüssige Phase aus deren schmelzflüssiger Mischung mit einem Trägermetall bei relativ hohen Temperaturen, z. B. bei 2000° C, durch Aufbau eines elektrischen Induktionsfeldes in dieser Mischung.

Die bisher bekannten Verfahren zur Abtrennung einer festen Phase aus ihrer Mischung mit einer flüssigen Phase bestehen im allgemeinen aus einer Filtration, einer Seigerung oder aus Zentrifugieren, Je nach den Temperaturverhältnissen, der Verträglichkeit der verwendeten Materialien und der zu überwindenden Kräfte (Gewicht, Viskosität, Oberflächenspannung) wird das eine oder andere dieser Verfahren gewählt. Diese Verfahren sind jedoch kaum einzusetzen, wenn die Verarbeitungstemperatur relativ hoch ist, z. B. etwa 2000° C, und zwar wegen der schlechten mechanischen oder chemischen Wider-Standsfähigkeit dieser Materialien und der zahlreichen technologischen Schwierigkeiten.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur elektromagnetischen Trennung einer festen Phase aus einem geschmolzenen Metall, bei dem man in dei zusammengesetzten Mischung ein elektrisches Wechselfeld aufbaut und einen Wechselstrom durch diese Mischung leitet. Dieses Verfahren hat indessen den Nachteil, daß es schwierig, wenn nicht unmöglich durchzuführen ist, wenn die Arbeitstemperatur hoch ist. da sich dann das Problem der Anschlußklemmen für den elektrischen Strom stellt, der mit dem magnetischen Wechselfeld zusammenwirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trennverfahren zu schaffen, das auch bei sehr hoher Temperatur einfach durchzuführen ist. Diese Aufgäbe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man in

·= der Mischung einer festen oder flüssigen Phase mit der Schmelze eines Trägermetalls bei hoher Temperatur ein elektrisches Induktionsfeld einer solchen Frequenz aufbaut (im folgenden »miniere Frequenz« genannt), daß sich der induzierte Strom in der ganzen Mischung ausbreitet.

Die elektromagnetischen Kräfte, die sich in dieser Mischung entwickeln, sind im allgemeinen in den beiden Phasen unterschiedlich und bewirken so eine Entfernung der festen von der flüssigen Phase oder

a= umgekehrt, wodurch die feste Phase aus der flüssigen Phase des Trägermetalls herauswandert. Dieses unterschiedliche Verhalten der beiden Phasen unter dem Einfluß eines magnetischen Wechselfeldes mittlerer Frequenz resultiert aus der Wechselwirkung zahlreicher physikalischer Eigenschaften der anwesenden Phasen, vor allem de? Widerstandes, der Oberflächenspannung usw., und ·. ist augenblicklich noch nicht möglich, ein allgemeines Gesetz anzugeben, nach dem man im voraus sagen könnte, welche Mischungen dieser elektromagnetischen Trennung zugänglich sind und bei welchen die elektromagnetischen Kräfte für eine Trennung nicht nusrei. hen. Es ist festzustelien, daß dieses Verfahren ganz verschieden ist von dem Verfahren der elektromagnetischen Abheberung, das darin besteht, einen homogenen Körper, z. B. ein Metall, im Räume oder in einem Medium geringer Dichte zu halten. Bei dem Phänomen der Abheberung handelt es sich nicht um die Trennung zweier Körper, sondern nur um das Halten eines Körpers in einer bestimmten Stellung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen wird eine feste oder flüssige metallische Phase aus ihrer Mischung mit der flüssigen Phase des Trägermetalls extrahiert, wobpi die Mischung dichter oder weniger dicht als die zu extrahierenden Phasen sein kann und die Durchführung der Extraktion im wesentlichen von den bereits genannten physikalischen Eigenschäften abhängt. Bei einer besonderen Ausführungsform arbeitet man bei einer solchen Temperatur, daß sich mindestens zwei flüssige Lösungen bilden, gegebenenfalls noch in Gegenwart einer festen Lösung.

Diese Arbeitsweise erlaubt eine sehr weitgehende Anwendung des Verfahrens.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfalucns, bestehend aus einem Schmelzkessel, einer Heizvorrichtung für diesen Kessel und einer Induktionsspule um diesen Kessel. Diese Vorrichtung ist so beschaffen, daß die Induktionsspule mit einem Wechselstrom mittlerer Frequenz gespeist wird, der auf die Mischung einwirkt und bei hoher Temperatur ihre Trennung in verschiedene Komponenten in dem Kessel herbeiführt. Auf Grund einer physikalischen

Gesetzmäßigkeit bildet die Induktionsspule nor- Herstellung die feste Phase als Masse 5 ganz oben malerweise auch die Heizvorrichtung. Sie kann bei- rund um die Hülse des Thermofi' lers 5, während die spielsweise durch eine Widerstandsheizung ersetzt flüssige Phase eine untere Mas L bildet, die von bzw. unterstützt werden. " der festen Masse 5 vollkommen getrennt ist. Nacn

Bestimmte Einzelheiten des Verfahrens und seine 5 beendeter Herstellung und Trennung genügt es den Ergebnisse gehen aus der folgenden Beschreibung Kessel schnell abzukühlen; das kann vorteil η art der beispielsweise gewählte Ausführungsformen ver~ durch Zirkulation von Helium erfolgen, das von anschaulichenden Zeichnung hervor. Es^zeigt herkommt. Der aus dem Kessel entnommene Korper

Fi si. 1 einen Schnitt durch einen Schmelzkessel kann in zwei voneinander verschiedene Teile gemit der Schmelze am Ende der elektromagnetischen io trennt werden. Mikrographische und chemische Ana-Trennung. * lyse bestätigen die erwarteten Ergebnisse.

Fi" 2 eine andere Ausführunasform des erfin- in F i a. 2 wird ein Schmelzkessel 1 verwendet.

dungsgemäßen Kessels, " dessen Konstruktion im wesentlichen die gleiche ist

F~i si. 3 ein allgemeines Schema einer Vorrichtung wie die in der F i g. 1 mit dem Unterschied, dali

zur Durchführung des erfindunasgemäßen Verfah" 15 durch den Deckel 3 kein Thermofühler in das Innere

_rens. "" des Kessels geführt ist, sondern daß er lediglich eine

F i a 4 und 5 zwei andere Ausführungsformen ana- Bohrung 5'"aufweist, die zur Temperaturmessung

loo F12. 1. " durch optische Pyrometrie dient. Es zeigt sich, daß in

ίη F~i g. 1 ist ein Schmelzkessel 1 dargestellt, der diesem Fall unter den gleichen schon beschneDenen

gebildet wird aus einem Graphitkörper ί mit einem 20 Arbeitsbedingungen die Schmelzemischung sich in

Deckel 3. ebenfalls aus Graphit, der mit Schrauben 4 zwei Teile teilt, deren eine- im unteren Teil die flus-

an <iem sienannten Körper gehalten ist. Durch den sige Phase L' bildet, während Her andere sich als ie-

Deckel 3"reicht ein Thermofühler5 weit in das In- ste Phase S' im oberen Teil und an den Seltenwanden

nere des Nutzvolumens des Kessels 1 hinein. Das In- des Kessels 1 festgesetzt hat.

nere des Kessels 1 ist mit einer Zirkoniumausklei- 25 In den folgenden Beispielen besteht die Arbeitsdun« 6 versehen. Die ganze Einrichtung befindet sich weise in einer elektromagnetischen Trennung, die auf einem Träger aus Molybdän 7, der sich am Bo- gleichzeitig mit der Induktionsheizung erfolgt. Die den 2 des Kessels befindet. Um den Kessel 1 ist die hierzu verwendeten Vorrichtungen sind die gleichen Induktionsspule 8 gelegt, die, wie aus Fig. 3 hervor- und bestehen aus Induktionsspulen, oeht von einem Generator9 mittlerer Frequenz ae- 30 In bestimmten Fällen kann man ein Verfahren speist wird, der seinerseits von einer Wechselstrom- verwenden, bei dem die elektromagetische Trennung masciine 10 mit der Frequenz von 10 kHz ve·sorgt nicht gleichzeitig mit dem Aufheizen erfolgt, s⁰"^™¹ wird Der Kessel 1 mit der Induktionsspule 8 befindet erst in der Endphase des Heizens. Jede gebräuchliche sich in einem abgedienten Raum 11: der elektrische Heizvorrichtung kann verwendet werden, wobei am Strom für die Speisung der Induktionsspule 8 wird 35 Ende der Behandlung zusätzlich ein Induktionsteid durch eine abgedichtete Zuführung 12 zugeführt. Der eines Wechselstromes mittlerer Frequenz angelegt Raum steht über eine Leitung 13 mit einer Helium- wird, wodurch die Trennung erfolgt, ouelte 14 in Verbindung, während eine Leitung 15 In den nächsten zwei Beispielen de- Durchführung

mit einer Vorvakuumpumpe IS und mit einer Diffu- des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man sionspumpe 17 verbunden ist, und zwar über die 40 eine Vorrichtung, wie in Fig.3 gezeigt, mit einem Zwischenleitungen 18, 19, 20 und 21 und die Ventile Schmelzkessel gemäß Fig. 1 oder2. Diese zwei Bei- ->■> und 23. Im allgemeinen bestehi die Induktioiis- spiele beschränken sich auf die Herstellung einer Les*pule aus einem hohlen Rohr, das mit Wasser ge- gierung aus Niob und Wolfram durch Herstellung kühlv wird, wie an sich bekannt ist einer festen Lösung in einer flüssigen Phase aut Kup-

Dk Durchführung des Verfahrens ist folgende: 45 ferbasis bei einer Temperatur von etwa lyuu C. fcs Die /u verarbeitenden Produkte werden in den Kes- besteht tatsächlich ein thermodynamisches üleicngesel ■> eingebracht und der Raum 11 nacheinander mit wicht zwischen einer flüssigen Phase aus einer Loder Vorvakuumpumpe 16 und mit der Diffusions- sung Kupfer/Niob und einer festen Phase aus einer pumpe 17 evakuiert. Dann leitet man von 14 her festen Lösung Niob/Wolfram. durch die Leitung 13 Helium oder ein anderes neu- 50

trales Gas, bis der kaum 11 ganz mit diesem Gas ge- B e i s ρ i e 1 1

füllt ist. Der Generator 9 wird auf eine mittlere Fre- «-„„f-,

auenz abgestimmt, z.B. auf 10 kHz. Im vorliegenden Man verwendet eine Mischung aus 81)g Kupfer,

Falle ruft der Induktionsstrom, der sich über die In- 10 g Niob und 5 g Wolfram in granuherter Form, duktionsspule 8 in der Mischung im Inneren des Kes- 55 Diese Mischung wird in einen zylindrischen ac^hn£^!*. sels entwickelt, zunächst ein Erhitzen der gemischten kessel gefüllt, wie er in Fig. 1 gezeigt ist. Uie Hei-Produkte hervor bis zu einem teilweisen Schmelzen; zung erfolgt durch Induktion mit einer mittleren hredabci stellt sich ein thermodynamisches Gleichge- quenz von 10 kHz und einer Leistung von etwa ο wicht der vorhandenen Phasen bei der jeweiligen kW: Wenn die Temperatur von 1900; C «reicht ist, Temperatur ein. Ohne die Arbeitsweise im einzelnen 60 wird sie noch 1 Stunde gehalten, damit sich das therzu beschreiben, die nicht Gegenstand der Erfindung modynamische Gleichgewicht einstellen kann Nach ist, kann man jedoch feststellen, daß diese Arbeits- dem Abschrecken und vollständigen Abkühlen der weise brauchbar ist zur Herstellung fester Lösungen Probe stell' man fest daß sich im Inneren des Kesin Gegenwart einer flüssigen Phase, die selbst aus sels die feste Phase S' und die flussige Phase L teeiner Legierung gebildet wird. Es wurde festgestellt, 65 finden, wie vorher beschrieben und in Fig. 1 dargedaß während der" Herstellung der festen Lösung die stellt Man stellt fest, daß die "te Masse: aus der ftfeste Phase im unteren Teil verbleibt. Wie man an sten Losung von Niob (28 «/0) und Wolfram (/z ,») Hand der Fig.'· feststellen kann, hängt nach der stammt.

Beispiel 2

In einen Kessel nach F i g. 2 füllt man eine Mischung aus 60 g Kupfer, 32 g Niob und 8 g Wolfram. Nach einer gewissen Haltezeit bei 1900⁰C schreckt man ab und kühlt den Kesselinhalt vollständig ab. Man findet die zwei Phasen so, wie in Fig. 2 dargestellt. Die feste Phase 5' stammt aus einer Lösung Niob/Wolfram mit einer Zusammensetzung von 50%> Niob und 50% Wolfram und wiegt etwa 12 g.

Beispiel 3 (nach F i g. 4)

In einem Schmelzkessel schmilzt man eine Mischung von 30 Gewichtsprozent Eisen und 7O°/o Zinn; man heizt eine Zeitlang auf 1400° C, wobei sich zwei flüssige Lösungen bilden. Mittels Induktionsspule wird auf Schmelztemperatur aufgeheizt und ein elektrisches Wechselfeld mittlerer Frequenz erzeugt, durch welches die zwei Schmelzen getrennt werden. Durch schnelles Abschrecken der Probe auf Raumtemperatur erhält man in dem Kessel eine eisenreiche Masse L₁ und eine zinnreiche Masse L₂. Es ist zu bemerken, daß diese beiden Schmelzen praktisch die gleiche Dichte haben, so daß eine Trennung durch einfaches Dekantieren nicht möglich ist

B ε i sρ i e! 4 (nach Fig, 4)

Man geht von einer Mischung aus 60⁰/o Kupfer, 20% Niob und 20% Molybdän aus. Man arbeitet wie oben angegeben, aber bei einer Temperatur von 2100° C, und erhält zwei Flüssigkeiten L₁ und L₂ mit folgender Zusammensetzung:

L₁: Cu 91%, Nb 6%, Mo 3%,
L₀: Cu 18%, Nb 36%, Mo 46%.

Beispiel 5 (nach F i g. 5)

Man erhitzt eine Mischung von 50% Kupfer. 20% Niob und 30% Molybdän auf 2100⁰C. Es bilden sich drei Phasen, und zwar zwei flüssige Phasen und eine feste Phase. Es erfolgt eine clektromagnetische Trennung, und nach Abschrecken der Legierung erhält man eine Masse aus festem S und zwei flüssigen Phasen L₁ und L₂ mit folgender Zusammensetzung:

L₁: Cu 95%, Nb 3%, Mo 2%,

L₂: Cu 15%, Nb 32%, Mo 53%,
5: Cu 0%, Nb 25%, Mo 75%.

Durch Versuche kann ermittelt werden, welche ;.5 weiteren Schmelzemischungen einer elektromagnetischen Trennung zugänglich sind.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung kann zur Herstellung von Legierungen für alle Anwendungszwecke dienen, sie dient besonders zui Herstellung von hochschmeizenden Legierungen speziell solchen, die in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprucne:

1. Verfahren zur Abtrennung einer Legierung mit einem oder mehreren hochsrhmelzenden Metallen als flüssige oder feste Phase aus einer Mischung dieses Metalls oder dieser Metalle mit einem Trägermetall, dessen Schmelzpunkt unter dem der hochschmelzenden Metalle liegt, wobei die Mischung bei einer bestimmten Temperatur ein teraäres Gleichgewicht bildet, dessen mindestens eine Phase flüssig ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung auf die Gleichgewichtstemperatur erhitzt wird und daß ein die ganze Mischung durchdringendes elektrisches Induktionsfeld mittlerer Frequenz erzeugt wird.

2. Trennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mischung ein elektrisches Iucuktionsfeld mittlerer Frequenz erzeugt wird, bevor ein Endgleichgewicht zwischen der festen und der flüssigen Phase erreicht ist.

3. Trennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mischung ein eiektrisches Induktionsfeld mittlerer Frequenz erzeugt wird, wenn das Endgleichgewicht zwischen der festen und der flüssigen Phase erreicht ist.

4. Trennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Induk'ionsfeld einer Frequenz von etwa 10 kHz erzeugt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einem Schmelzkessel, einer Keizvorrichtung für den Kessel und einer Induktionsspi'ie um diesen Kessel, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Wechselstromgenerator verbunden ist, der einen Wechselstrom mittlerer Frequenz von etwa 10 kHz liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung un^bhängig von der elektromagnetischen Vorrichtung ist und z. B. aus einer Widerstandsheizung besteht.