DE2318936A1 - ALUMINOTHERMAL PRODUCTION OF MAGNESIUM AND AN OXYD SLAG THAT CONTAINS EXTRACTABLE ALUMINUM - Google Patents
ALUMINOTHERMAL PRODUCTION OF MAGNESIUM AND AN OXYD SLAG THAT CONTAINS EXTRACTABLE ALUMINUMInfo
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Julian Miles AveryJulian Miles Avery
Chestnut Hill, Mass.Chestnut Hill, Mass.
Vereinigte Staaten von Amerika · . P 68/25/B1 United States of America · . P 68/25 / B 1
M-e-tallethermische Herstellung von Magnesium und einer Oxydschlacke, die gewinnbares Aluminiumoxyd enthältM-metal thermal production of magnesium and an oxide slag, which contains recoverable aluminum oxide
Die Erfindung geht, aus von einem Verfahren zur Herstellung von Magnesium in einem Reaktions-Kondensationssystem durch Einbringen von Magnesiumoxyd und eines metallischen Reduktionsmittels in die Reaktionszone eines Reduktionsofens in Gegenwart eines geschmolzenen Oxydschlackenbades bei Schmelztemperatur, wobei der entstehende Magnesiumdampf aus der Reaktionszone in die Kondensationszone übergeführt und dort kondensiert wird.The invention is based on a process for the production of magnesium in a reaction-condensation system by introduction of magnesium oxide and a metallic reducing agent in the reaction zone of a reduction furnace in the presence a molten oxide slag bath at melting temperature, the resulting magnesium vapor from the reaction zone into the Condensation zone is transferred and condensed there.
Es sind zwei technische Verfahren für die metallothermische Herstellung von Magnesium bekannt, die nichtkontinuierlich unter sehr hohem Vakuum durchgeführt werden. Keines von beiden wird in großem Maße durchgeführt, welches der im allgemeinen üblichen Herstellung von Magnesium durch Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid vergleichbar wäre.There are two technical processes for metallothermal production known from magnesium, which are carried out discontinuously under a very high vacuum. Neither will carried out on a large scale, which is the general production of magnesium by electrolysis of molten Magnesium chloride would be comparable.
In einem der bekannten metallothermischen Verfahren, das als "Pidgeon-Verfahren" bezeichnet wird, werden Perrosilizium (etwa 75 % Silizium enthaltend) und Dolomitkalk in eine Batterie von außen erhitzter horizontaler röhrenförmiger Retorten eingebracht, und das Magnesium wird als "Krone" durch Kondensation in einerIn one of the well-known metallothermal processes, referred to as the "Pidgeon process", perrosilicon ( containing about 75% silicon) and dolomite lime are placed in a battery of externally heated horizontal tubular retorts, and the magnesium is formed as the "crown" by condensation in one
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Verlängerung der Retorte gewonnen. Da die Retorten sehr hohen Temperaturen nicht standhalten, ist die Reaktion notwendigerweise eine Feststoffreaktion bei relativ niedriger Geschwindigkeit. Dieses Verfahren erfordert hohe Kapitalinvestitionen und Betriebskosten.Extension of the retort obtained. Because the retorts are very high Not withstanding temperatures, the reaction is necessarily a solid reaction at a relatively slow rate. This process requires high capital investments and operating costs.
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Bei dem anderen metallothermischen Verfahren, welches als "Magnetherm-Verfahren" bekannt ist, wird ebenfalls Dolomitkalk als Magnesiumoxyd-Quelle und Ferrosilizium (etwa 78 % Si) als Reduktionsmittel verwendet: Das Verfahren wird bei etwa 15000C unter hohem Vakuum durchgeführt in Gegenwart einer geschmolzenen Kalziiim-Aluminium-Silikat-Schlacke in einem elektrischen Ofen mit Innenbeheizung. Der Anteil der Schlacke im Verhältnis zum Magnesium ist sehr hoch, etwa 6 zu 1, wodurch das Problem entsteht, wie man sie unterbringen soll, wenn sie nicht verkauft oder zur Herstellung von Zement, wofür sie aber von geringem V/ert ist, verwendet werden kann. Das Verfahren wird nichtkontinuierlich durchgeführt,da die Reaktion angehalten werden muß, um das Vakuum aufzuheben und die Schlacke abzustechen. Unter dem sehr hohen Vakuum sickert Luft in das System, und es geht'Magnesium verloren nicht nur durch Oxydation und Nitritbildung, sondern auch durch die Notwendigkeit, daß Kondensator und Schmelztiegel am Ende jeder Charge entfernt und gesäubert oder ersetzt werden müssen«,In the other metallothermal process, which is known as the "Magnetherm process", dolomite lime is also used as the magnesium oxide source and ferrosilicon (about 78 % Si) as the reducing agent: The process is carried out at about 1500 0 C under high vacuum in the presence of a molten calcium aluminum silicate slag in an electric furnace with internal heating. The proportion of slag in relation to magnesium is very high, around 6 to 1, which creates the problem of how to accommodate it when it is not sold or used to make cement for which it is low in value can. The process is not carried out continuously since the reaction has to be stopped in order to break the vacuum and cut off the slag. Under the very high vacuum, air seeps into the system and 'magnesium is lost not only through oxidation and nitrite formation, but also through the need to remove and clean or replace the capacitor and crucible at the end of each batch.'
Die verschiedenen thermischen Reduktionsverfahren einschließlich der 'hier beschriebenen sind mit Angabe der einschlägigen Patente und Veröffentlichungen beschrieben in "Principles of Magnesium Technology", Ε.Έ1. Emley, Pergamon Press (London 1966), Seiten 46-64-. Dort wird auch ein Vergleich zwischen den elektrolytischenThe various thermal reduction processes including those described here are described with reference to the relevant patents and publications in "Principles of Magnesium Technology", Ε.Έ 1 . Emley, Pergamon Press (London 1966), pages 46-64. There is also a comparison between the electrolytic
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und den metallothermischen Verfahren auf den Seiten 65-67 gebracht. and the metallothermal process on pages 65-67.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallothermisehes Verfahren für die Herstellung von Magnesium zu schaffen, das er— folgreich mit dem elektrolytischen Verfahren in großem oder kleinem Maße konkurrieren kann und das auch Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren für die metallothermisch^ Herstellung von Magnesium hat. -The invention is based on the object of creating a metallothermic process for the production of magnesium, which he— successful with the electrolytic process in large or can compete to a small extent and that also has advantages over the known processes for the metallothermically ^ production of Has magnesium. -
Diese Aufgabe wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, welches bezeichnet werden kann als aluminothermisches Verfahren für die Herstellung von Magnesiummetall und einer Oxydschlacke (Kalziumaluminat-Schlacke), die gewinnbares Aluminiumoxyd enthält, durch Reduktion von Magnesiumoxyd in einer Mischung von Kalziumoxyd und Magnesiumoxyd mittels eines metallischen Reduktionsmittels, welches mindestens 85 % Aluminium enthält, in Gegenwart eines geschmolzenen Kalziumaluminat-Schlackenbades bei einer Temperatur von etwa 1300 bis etwa 170O0O. Das Magnesium entweicht aus der geschmolzenen Schlacke als Dampf. Das Verfahren wird kontinuierlich bei Atmosphärendruck durchgeführt. Der Schmelzschlackenrückstand wird periodisch abgestochen, wenn sich der KgO-Stand unter 5 % befindet.This object was achieved by the process according to the invention, which can be referred to as an aluminothermic process for the production of magnesium metal and an oxide slag (calcium aluminate slag) containing recoverable aluminum oxide by reducing magnesium oxide in a mixture of calcium oxide and magnesium oxide using a metallic reducing agent , which contains at least 85 % aluminum, in the presence of a molten calcium aluminate slag bath at a temperature of about 1300 to about 170O 0 O. The magnesium escapes from the molten slag as vapor. The process is carried out continuously at atmospheric pressure. The molten slag residue is tapped periodically when the KgO level is below 5 % .
Die Oxydfüllung enthält MgO und CaO in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1,1 zu etwa 2,3. Das Gewichtsverhältnis von Schlacke zu Magnesium kann auf etwa 2 - 3 zu 1 gehalten werden.The oxide filling contains MgO and CaO in a weight ratio from about 1.1 to about 2.3. The weight ratio of slag to magnesium can be kept at around 2-3 to 1.
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Die als Nebenprodukt der Reaktion gebildete Schlacke besteht hauptsäoblich aus den löslichen Kalziumaluminaten 12OaQeAIoO-^ und GaO und hat eine Zusammensetzung -von etwa 35 - 65 °,ί Aluminiumoxjdj 33 - 55 °'a Kalziumoxyd und .0 - 10 °/o- Siliziurnoxyd und enthalt bei Entfernung- aus dem System weniger als 5 $ Magnesiumoxyd» lenn Aluminium aus der Schlacke gewonnen wird, liegt das "Verhältnis des restlichen GaGO^ zu Magnesium im allgemeinen im Bereich von etwa 2,8 ι 1 bis I1A ; 1. Außerdem kann das restliche ■ GaGQ, in OaO umgewandelt und zurückgeführt werden, wodurch der feste Rückstand nahezu auf 0 vermindert wird.The slag formed as a by-product of the reaction is hauptsäoblich from the soluble calcium aluminates 12OaQeAIoO- ^ and Ga and has a composition -from about 35 - 65 °, Aluminiumoxjdj ί 33 - 55 ° 'a calcium oxide and .0 - 10 ° / o- and Siliziurnoxyd contains is recovered from the slag at distance- from the system less than $ 5 magnesia "lenn aluminum, the" ratio of the remaining Gago ^ is to magnesium is generally in the range from about 2.8 ι 1 to I 1 A; 1. in addition, the remaining ■ GaGQ, can be converted into OaO and recycled, whereby the solid residue is reduced to almost zero.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine ziemlich vollständige Verwertung des Magnesiumoxyds und des eingesetzten Reduktionsmittels. In der Beschreibung wird gezeigt» daß 'das Verhältnis von Magnesiumoxyd zu Kalziumoxyd in der Charge und die Menge und Zu- ' sammensetzung des metallischen Reduktionsmittels in der Weise miteinander in Beziehung stehen,, daß einmal sowohl das Reduktionsmittel als auch das Eagnesiumoxyd in der Reduktionsreaktion verbraucht werden und weiter, daß die erhaltene Ealziumaluminat-Schlacke eine Zusammensetzung hat, die eine Sewinnung von reinem Aluminiumoxyd in sehr hoher Atisbeute ermöglicht..The process according to the invention enables a fairly complete utilization of the magnesium oxide and the reducing agent used. In the description it is shown 'that' the relation of Magnesium oxide to calcium oxide in the batch and the amount and addition ' composition of the metallic reducing agent in the way with each other are related, that once both the reducing agent and the magnesium oxide are consumed in the reduction reaction and further that the obtained aluminum aluminate slag has a composition which gives a sewn feeling of pure Alumina in a very high yield allows.
Wie bereits erwähnt soll das metallische Reduktionsmittel· mindestens 85 °k Aluminium enthalten. Es kann bestehen aus metalXisohem Aluminium oder einer oder mehreren Aluminiumlegi.erungen, die mindestens 85 Gewichtsprozent Aluminium enthalten» As already mentioned, the metallic reducing agent should contain at least 85 ° aluminum. It can consist of metalXisohem aluminum or one or more aluminum alloys that contain at least 85 percent by weight of aluminum »
.Die allgemeinen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens-sind:The general features of the method according to the invention are:
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a) Die Reduktxonsreaktxon wird in einem elektrischen Ofen mit Innenbeheizung durchgeführt bei einer Temperatur von etwa 13OO°C bis etwa 17OO°C, vorzugsweise bei etwa 15000O.a) The Reduktxonsreaktxon is carried out in an electric furnace with internal heating at a temperature of about 1300 ° C to about 1700 ° C, preferably at about 1500 0 O.
b) Das bei der Reaktion verdampfende Magnesium wird in einem Kondensator gewonnen und in einem Tiegel gesammelt, vorzugsweise als geschmolzenes Magnesium.b) The magnesium evaporating during the reaction is stored in a condenser recovered and collected in a crucible, preferably as molten magnesium.
c) Das gesamte System von Ofen, Kondensator und Schmelztiegel wird vorzugsweise etwa auf Atmosphärendruck gehalten. Das Magnesium entweicht aus der geschmolzenen Schlacke bei einem Partialdruck von etwa Atmosphärendruck und wird durch geeignete Maßnahmen kondensiert, oder wahlweise bei einem niedrigen Partialdruck in einem System, welches inertes Gas, wie Wasserstoff, Helium, Argon oder Mischungen davon, enthält. Jede der beiden Möglichkeiten erlaubt eine kontinuierliche oder nahezu kontinuierliche Arbeitsweise, da bei Atmosphärendruck die geschmolzene Schlacke und das Magnesium leicht aus dem Ofen und dem Schmelztiegel entfernt werden können.c) The entire system of furnace, condenser and crucible is made preferably held at about atmospheric pressure. The magnesium escapes from the molten slag under partial pressure of about atmospheric pressure and is condensed by suitable measures, or optionally at a low partial pressure in a system containing inert gas such as hydrogen, helium, argon or mixtures thereof. Either of the two Possibilities allows a continuous or almost continuous mode of operation, since the molten one at atmospheric pressure Slag and the magnesium can be easily removed from the furnace and the crucible.
d) Der Anteil an oxydischen und metallischen Ausgangsstoffen ist so gewählt, daß eine Schlacke von einer Zusammensetzung entsteht, daß das in der geschmolzenen Schlacke enthaltene Aluminiumoxyd kristallisiert, wenn die Schlacke sich abkühlt, " und zwar hauptsächlich in Form von löslichen Kalziumaluminaten, z. B. OaO-Al2O5 (64,5 % Al2O5) oder 12OaO»7Al2O5 (51,5 % Al2O5) oder beiden.d) The proportion of oxidic and metallic starting materials is chosen so that a slag is formed with a composition that the aluminum oxide contained in the molten slag crystallizes when the slag cools, "mainly in the form of soluble calcium aluminates, e.g. OaO-Al 2 O 5 (64.5 % Al 2 O 5 ) or 12OaO >> 7Al 2 O 5 (51.5 % Al 2 O 5 ) or both.
Die Bildung einer solchen Schlacke erfordert es, daß das Ge-The formation of such a slag requires that the
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wichtsverhältnis in der Oxydfüllung von MgO zu OaO etwa 1,1 zu 2,3 betrage. Wenn Dolomit als Quelle für das GaO verwendet wird, so beträgt das entsprechende Gewichtsverhältnis von Dolomit zu Magnesiumoxyd etwa 1,2 zu 3»8. Es können aber Magnesiumoxid (MgO) und Kalk (CaO) verwendet werden.weight ratio in the oxide filling of MgO to OaO about 1.1 to 2.3 amounts. When dolomite is used as a source for the GaO the corresponding weight ratio of dolomite to magnesium oxide is about 1.2 to 3 »8. But it can do magnesium oxide (MgO) and lime (CaO) can be used.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können solche Schlacken durch Verwendung von Magnesiumoxyd geringerer Qualität gebildet werden, z. B. von siliziumhaltigem Magnesit, durch Verwendung von metallischem Silizium als Zusatz zum Aluminium als Reduktionsmittel, oder durch Verwendung einer Aluminiumlegierung, die etwas Silizium enthält. Jedoch sollte die Herstellung einer silizium— oxydhaltigen Schlacke keine bevorzugte Form der Erfindung sein, da ohne sie die Gewinnung von Aluminiumoxyd höher ist, sie stellt jedoch eine brauchbare Abwandlung zur Verwertung von billigem Magnesit von geringer Qualität oder von siliziumhaltigem Schrottaluminium dar, oder sie kann angewendet werden, wenn eine Gewinnung von Aluminiumoxyd nicht erwünscht ist.In the context of the present invention, such slags can formed by the use of lower quality magnesium oxide be e.g. B. of silicon-containing magnesite, through use of metallic silicon as an additive to aluminum as a reducing agent, or by using an aluminum alloy that somewhat Contains silicon. However, the production of a silicon- Oxide-containing slag should not be a preferred form of the invention, since without it the extraction of aluminum oxide is higher, it provides but a useful modification for the recovery of cheap Low quality magnesite or scrap aluminum containing silicon or it can be used if the recovery of aluminum oxide is not desired.
Obwohl die Gewinnung von AIpO, aus den Kalziumaluminat-Schlacken für die Durchführung der vorliegenden Erfindung-nicht unbedingt ausschlaggebend ist, so ist sie doch ein wichtiger Bestandteil des Verfahrens. Es hat sich gezeigt, daß es nicht notwendig ist, eine zerrieselnde siliziumoxydhaltige Schlacke herzustellen. Tatsächlich können Schlacken, die aus den reinen oxydischen Verbindungen CaO-Al2O-, und 12030-7AIpO5, zusammengesetzt sind, und auch Mischungen davon, mit nahezu 100 #iger Wirksamkeit mit NagGOj-Lösüng. (-ohne freies NaOH) bei 700O in etwa 1 Stunde aus-Although the extraction of AlpO from the calcium aluminate slag is not necessarily decisive for carrying out the present invention, it is an important part of the process. It has been found that it is not necessary to produce a trickling silica-containing slag. In fact, slags composed of the pure oxidic compounds CaO-Al 2 O-, and 12030-7AIpO 5 , as well as mixtures thereof, with almost 100% effectiveness with NagGOj solution. (-without free NaOH) at 70 0 O in about 1 hour
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gelaugt v/erden., und zwar praktisch ohne Rückstand außer dem GaCO5,, das durch die Umsetzung von NagCO zur Lösung des AIgO^ als Natriumaluminat gebildet worden ist.leached v / ground., and that practically without residue except for the GaCO 5 ,, which has been formed as sodium aluminate by the conversion of NagCO to the solution of AlgO ^.
Saturation mit Kohlendioxyd zur Abscheidung des Al(OH), aus der Lösung regeneriert das Na-CO^, und die Lösung kann mit soviel ' aufgearbeitetem Na^CO^, wie wegen des Verlustes'notwendig ist, rückgeführt werden» ,Saturation with carbon dioxide to separate the Al (OH) from which Solution regenerates the Na-CO ^, and the solution can with so much ' processed Na ^ CO ^, as is necessary because of the loss, be returned »,
Ein Vergleich dieses Extraktionsverfahrens mit den üblichen Verfahren (Bayer und Pedersen) führt zu dem Schluß, daß-das vorliegende Verfahren einfacher und billiger durchzuführen ist und geringere Kapitalinvestitionen erfordert. Ein weiterer Vorteil der gemäß der Erfindung vorgeschlagenen, geringe Siliziumoxydmengen enthaltenden oder siliziumoxydfreien Schlacke besteht darin, daß sie die Bildung von hochwertigem, für die elektrolytische Reduktion von AIoO^ zu Aluminium geeigneten Aluminium— Oxyd ohne gesonderte Entfernung des Siliziums ermöglicht, was bei Verfahren mit siliziumoxydhaltigem Bauxit manchmal notwendig ist.' So ist der Alo0x-Gehalt pro Einheit wertvoller als der. AloO-z-Gehalt des in dem Bayer-Verfahren verwendeten hochwertigen Bauxit und wesentlich wertvoller als der Al0O^-Gehalt des für das Pedersen-Verfahren verwendeten geringwertigen Bauxit· Barüberhinaus erscheint es durchaus möglich, daß der Auslaugevorgang in einer vorhandenen Aluminiumoxydanlage durchgeführt werden kann, wenn auch ein Teil der Anlage überflüssig sein wird.A comparison of this extraction process with the usual processes (Bayer and Pedersen) leads to the conclusion that the present process is simpler and cheaper to carry out and requires less capital investment. Another advantage of the slag proposed according to the invention, containing small amounts of silicon oxide or free of silicon oxide, is that it enables the formation of high-quality aluminum oxide suitable for the electrolytic reduction of AlO ^ to aluminum without separate removal of the silicon, which is the case with processes with silicon oxide Bauxite is sometimes necessary. ' So the Al o 0 x content per unit is more valuable than that. Aloo-z content of in the Bayer process used high-quality bauxite, and far more valuable than the Al 0 O ^ content of the used for the Pedersen process low-value bauxite · Barüberhinaus it seems quite possible that the Auslaugevorgang be carried out in an existing Aluminiumoxydanlage can, even if part of the system becomes superfluous.
Ein wichtiges Merkmal des vorliegenden Verfahrens besteht darin, daß als Reduktionsmittel billiges Abfallaluminium verwendetAn important feature of the present process is that that used cheap waste aluminum as a reducing agent
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werden kann - entweder Abfall in Aluminiumherstellungsanlagen oder gekaufter Abfall von Aluminiumverarbeitungsbetrieben. Sogleich erhebt sich die Frage, ob die Verwendung dieses Abfalls die Technologie des Verfahrens oder die Qualität des hergestellten Magnesiununetails wegen der Legierungsinittel, die in vielen Arten des für die Herstellung verwendeten legierten Aluminiums vorhanden sind, nachteilig beeinflussen könnte. Eine Prüfung der Zusammensetzungen der üblichen Legierungen zeigt, daß die hauptsächlich verwendeten Legierungsmetalle Magnesium, Silizium und Kupfer, Mangan, Chrom und Zink in Mengen von im allgemeinen weniger als 5 % aber bis zu 12 fo in mindestens einer Legierung vorhanden sind. -.■"-.. "■'■■-"- either waste at aluminum manufacturing plants or purchased waste from aluminum processing plants. Immediately the question arises whether the use of this waste could adversely affect the technology of the process or the quality of the magnesium detail produced because of the alloying agents present in many types of alloyed aluminum used in its manufacture. An examination of the compositions of the conventional alloys is that the alloy metals used primarily magnesium, silicon and copper, manganese, chromium and zinc in amounts generally less than 5% but up to 12 are available fo in at least one alloy. -. ■ "- .." ■ '■■ - "
Schließlich, besteht das Problem des, Vorhandenseins von Aluminium selbst als Verunreinigung- im Magnesiumprodukt, da Aluminium einen·- Dampfdruck von etwa 10 mm Hg bei 15OG0O hat. Bas bedeutet, daß -* das durch das vorliegende Verfahren hergestellte Magnesium unvermeidlicherweise Aluminium enthält. Die Menge hängt von der Betriebstemperatur ab. Bei 1400°0 würde es z, B. etwa 0,5 $ Aluminium enthalten, bei i50O0O etwa 1,2 fo und bei 160O0O etwa 2 c/om Dies ist jedoch kein ernsthaftes Problem und kann tatsächlich sogar vorteilhaft sein, weil:Finally, there is the problem of the, presence of aluminum since aluminum itself as Verunreinigung- in the magnesium product a · - has vapor pressure of about 10 mm Hg at 15OG 0 O. Bas means that - * the magnesium produced by the present process inevitably contains aluminum. The amount depends on the operating temperature. For example, at 1400 ° 0 it would contain about 0.5 $ aluminum, at 150O 0 O about 1.2 fo and at 160O 0 O about 2 c / o m. However, this is not a serious problem and in fact it can be advantageous , because:
a) die Hauptverwendung für Magnesium heute darin liegt, Aluminiumlegierungen für die Weiterverarbeitung herzustellen., unda) The main use for magnesium today is in aluminum alloys for further processing., and
b) ein vorwiegender Teil des für Erzeugnisse aus Magnesium verwendeten Magnesiums einen beträchtlichen Anteil an Aluminium enthält, im allgemeinen 3 bis 9 #·b) a predominant part of that used for magnesium products Magnesium contains a significant amount of aluminum, generally 3 to 9 #
Somit ist das Vorhandensein einer kleinen Menge von Aluminium inThus, the presence of a small amount of aluminum is in
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dem durch das vorliegende Verfahren hergestellten Magnesium nicht schädlich, besonders wenn das Magnesiumverfahren mit der Herstellung von Aluminium verbunden ist, was, voraussichtlich wegen des Vorteils der Gewinnung von Al2CU aus der Schlacke und der Möglichkeit Abfallaluminium als Reduktionsmittel zu verwenden der Pail sein wird.not harmful to the magnesium produced by the present process, especially if the magnesium process is associated with the production of aluminum, which will probably be the pail because of the advantage of recovering Al 2 CU from the slag and the possibility of using waste aluminum as a reducing agent.
Von diesem Standpunkt aus könnte das erfindungsgemäße Verfahren in seiner bevorzugten Form durch seine Gesamtergebnisse gekennzeichnet werden als ein Verfahren zur Umwandlung von Abfallaluminium in reines Magnesium, verbunden mit der Umwandlung von Magnesiumoxyd in hochwertiges, für die elektrolytische Reduktion von AIpO5, zu Aluminium geeignetes Aluminiumoxyd, Es ist besonders für einen Betrieb geeignet, der Aluminium herstellt und verarbeitet, wegen der Verfügbarkeit von Abfallaluminium, der Erleichterungen bei der Gewinnung des Aluminiumoxyds aus der Schlacke und des Bedarfs für ein hochwertiges Aluminium für die elektrolytische Reduktion von AlgCU zu Aluminium geeignetes Alu— miniumoxyd. Aber es kann auch unabhängig durchgeführt werden, besonders auf der Basis einer ausreichenden Versorgung mit Ab— fallaluminium zu niedrigen Kosten.From this point of view, the process according to the invention in its preferred form could be characterized by its overall results as a process for the conversion of waste aluminum into pure magnesium, combined with the conversion of magnesium oxide into high-quality aluminum oxide suitable for the electrolytic reduction of AlpO 5 to aluminum, It is particularly suitable for a company that produces and processes aluminum because of the availability of waste aluminum, the ease with which the aluminum oxide can be extracted from the slag and the need for a high quality aluminum suitable for the electrolytic reduction of ALGCU to aluminum. But it can also be done independently, particularly on the basis of an adequate supply of scrap aluminum at low cost.
Ein sogenanntes modifiziertes aluminothermisches Verfahren, genannt MO-Verfahren (vgl. E.E1. EmIey, Pergamon Press, London 1966, S. 50; Britische Patentschrift 922,30Oj und Light Metals (Februar 1964), Seite 44) ist ebenfalls erwähnt und kurz beschrieben worden. Dieses Verfahren und seine Abwandlungen haben verschiedene Nachteile. Die in einem solchen Verfahren entstandeneA so-called modified aluminothermic process, called the MO process (cf. EE 1. EmIey, Pergamon Press, London 1966, p. 50; British patent specification 922,30Oj and Light Metals (February 1964), p. 44) is also mentioned and briefly described been. This method and its modifications have several disadvantages. The one created in such a process
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Schlacke (vgl. Britische. Patentschrift 922,300) kann, da sie 15 % MgO enthält, praktisch nicht zur Gewinnung von Al2O3 verwendet werden, was aber mit der Schlacke gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fall ist. Since it contains 15% MgO, slag (cf. British patent specification 922,300) can practically not be used for the recovery of Al 2 O 3 , but this is the case with the slag according to the process according to the invention.
Über bestimmte Versuche, welche die Reduktion von Magnesiumoxyderzen mit Aluminium betreffen, ist in Trans. Can. Inst. Min. Met., 1962, 65, Seiten 221-224- berichtet. Der Zweck der Versuche war, den Dampfdruck des durch die Reduktion von Magnesiumoxyd, Dolomit und Olivin mit Aluminium erhaltenen Magnesiumproduktes zu bestimmen. In diesen Arbeiten wird gefolgert, daß das Reaktions-. produkt der Reduktion von Magnesiumoxyd Magnesiumaluminat ist, und daß das Reaktionsprodukt von reduziertem Dolomit entweder 12OaO.7Al2O3 (unter 12000O) oder 3OaCAl2O3 (über 1200°0) ist. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen habe ich festgestellt, daß es möglich ist, bei einer Temperatur von etwa I3OO - 1700°0 eine Kalziumaluminat-Schlacke zu erhalten, die vorwiegend 12GaO23 CaO«Al2O, oder deren Mischungen enthält. Aluminiumoxyd kann leicht aus beiden Oxydprodukten oder deren Mischungen gewonnen werden, während das in dem oben angeführten. Verfahren angegebene Produkt 3OaO-Al2O3 unlöslich ist und daraus eine Gewinnung von Aluminiumoxyd nicht möglich ist.Trans. Can. Inst. Min. Met., 1962, 65, pp. 221-224. The purpose of the experiments was to determine the vapor pressure of the magnesium product obtained by reducing magnesium oxide, dolomite and olivine with aluminum. In this work it is concluded that the reaction. product of the reduction of magnesium oxide, magnesium aluminate, and that the reaction product of reduced dolomite either 12OaO.7Al 2 O 3 (below 1,200 0 O) or 3OaCAl 2 O 3 (above 1200 ° 0). In contrast to these results, I have found that it is possible to obtain a calcium aluminate slag which predominantly contains 12 GaO 23 CaO «Al 2 O, or mixtures thereof, at a temperature of about 100-1700 ° C. Aluminum oxide can easily be obtained from both oxide products or their mixtures, while that in the above. Process specified product 3OaO-Al 2 O 3 is insoluble and an extraction of aluminum oxide is not possible therefrom.
Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber den vorstehend erwähnten metallothermxschen Verfahren. Erstens kann in der Primärreaktion tatsächlich das gesamte Aluminiumreduktionsmittel verbraucht werden, wodurch die Notwendigkeit der Rückführung oder der Beseitigung beträchtlicher Mengen verbrauchten Metalls, wie Eisenlegierungen, vermieden wird, wenn The present invention offers numerous advantages over the aforementioned metallothermic process. First In fact, all of the aluminum reducing agent can be consumed in the primary reaction, eliminating the need for Recycle or disposal of significant amounts of spent metal, such as iron alloys, is avoided, though
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Ferrosilizium oder Ferroaluminium verwendet werden. Zweitens kann die Magnesiumoxydfüllung, vorzugsweise eine Mischung aus Magnesiumoxyd und kalziniertem Dolomit, einen vorteilhaft hohen Anteil an MgO im Verhältnis zu OaO haben. Insgesamt bedeuten diese Vorteile, daß die Leistung des Ofens wesentlich höher als bei den früheren Verfahren ist. Drittens ist das Aluminiumreduktionsmittel weitaus reaktiver, und viertens kann die geschmolzene Schlacke bei einer relativ niedrigen Temperatur fließfähig sein. Diese Vorteile erlauben ein Arbeiten bei.einer relativ niedrigen Temperatur in einer Schmelzschlackenumgebung unter Bildung von Magnesiumdampf etwa bei Atmosphärendruck (Reaktionsgleichgewicht), wodurch ein kontinuierliches oder halbkontinuierliches Verfahren durchgeführt werden kann. Ein fünfter und sehr wichtiger Vorteil ist die Gewinnbarkeit des Aluminiumoxyds aus der entstandenen Schlacke, was wiederum das Nettoverhältnis von Schlacke zu Magnesium wesentlich reduziert, und zwar auf zwischen etwa 3 zu 1 und 2 zu 1 oder sogar niedriger.Ferrosilicon or ferroaluminum can be used. Second, can the magnesium oxide filling, preferably a mixture of magnesium oxide and calcined dolomite, have an advantageously high proportion of MgO relative to OaO. Overall, these benefits mean that the performance of the furnace is much higher than the previous one Procedure is. Third, the aluminum reductant is far more reactive, and fourth, the molten slag at a be flowable at a relatively low temperature. Allow these advantages operating at a relatively low temperature in a molten slag environment with the formation of magnesium vapor approximately at atmospheric pressure (reaction equilibrium), whereby a continuous or semi-continuous process is carried out can be. A fifth and very important advantage is the recoverability of aluminum oxide from the resulting slag, what in turn, the net slag to magnesium ratio is substantially reduced, to between about 3 to 1 and 2 to 1 or even lower.
In kleinem Maßstab wird das bereits erwähntfe "Pedersen-Verfahren" für die Herstellung von Aluminiumoxyd für die elektrolytische Reduktion von Al0O-, zu Aluminium aus geringwertigem Bauxit (eisenhaltig oder siliziumhaltig oder beides) angewendet, indem Bauxit zusammen mit Kalk und einem kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel in einem Ofen mit verdecktem Lichtbogen geschmolzen wird, um ein geringwertiges Eisenprodukt und eine Kalziumaluminat-Sehlacke herzustellen, aus der Al^O* gewonnen werden kann. Ungünstigerweise enthält das gewonnene AIpO^ SiC^, was für die Verwendung zur elektrolytischen Reduktion von AIgO^ zu AluminiumOn a small scale, the already mentioned "Pedersen process" is used for the production of aluminum oxide for the electrolytic reduction of Al 0 O- to aluminum from low-grade bauxite (ferrous or silicon-containing or both) by adding bauxite together with lime and a carbon-containing reducing agent melted in a covert arc furnace to produce a low grade iron product and calcium aluminate lacquer that can be made into Al ^ O *. Unfortunately, the AlpO ^ SiC ^ obtained contains what is used for the electrolytic reduction of AlgO ^ to aluminum
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nachteilig ist und eine gesonderte Entfernung von SiO2 notwendig macht. Vgl." H.E. Blake, Jr., Bur. Mines Kept. Inv. 6959 (1967).is disadvantageous and makes a separate removal of SiO 2 necessary. See "HE Blake, Jr., Bur. Mines Kept. Inv. 6959 (1967).
Die beigefügten Abbildungen dienen dazu, eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erläutern.The attached figures serve to illustrate an advantageous embodiment to explain the method according to the invention.
Figur 1 ist ein Übersichtsschema des Teils des vorliegenden "Verfahrens, in dem Magnesiumoxid und kalziniertes Dolomit in einem Magnesiumofen mit. im wesentlichen reinem Aluminium umgesetzt werden, um durch Verdampfung und Kondensation Magnesium und als Nebenprodukt eine Kalziumaluminat-Schlacke zu erhalten.Figure 1 is a block diagram of the portion of the present "process, in the magnesium oxide and calcined dolomite in a magnesium furnace. implemented essentially pure aluminum to obtain magnesium through evaporation and condensation and a calcium aluminate slag as a by-product.
Figur.2 ist ein Übersichtsschema des Teils des vorliegenden Verfahrens, in dem das Nebenprodukt, die Kalziumaluminat-Schlacke, ausgelaugt wird, um gereinigtes Aluminiumoxyd zu erhalten.Figure 2 is a high level schematic of the portion of the present process in which the by-product, calcium aluminate slag, is leached to obtain purified alumina.
Im folgenden sollen· einige der in dieser Beschreibung verwendeten Ausdrücke näher definiert werden:In the following, some of those used in this description are intended Expressions are defined in more detail:
Das Reduktionsmittel in dem.Magnesiumofen ist "im wesentlichen reines Aluminium". Das soll nicht nur reines Aluminium sondern " auch Aluminiumlegierungen einschließen, die mindestens 85 Ge- ; wichtsprozent Aluminium enthalten (einschließlich der Legierungen der folgenden Normzahlen: 13, 380, 43, I95, 214 und 220), sowie Abfallaluminium, das im allgemeinen einen Aluminiumgehalt von mindestens 95 c/o hat (Normzahlen: 1100, 3003, 2017, 2024, 5052, 6063 und 7075)· Im allgemeinen kann Silizium bis zu 10 c/o oder sogar etwas mehr in dem Reduktionsmittel vorhanden sein (z. B. 12 °/o in der Legierung 13)» wenn eine Zerfallschlacke erwünscht ist. Vorzugsweise sollen die- übrigen Komponenten, wie Mangan, Kalzium, Chrom oder Magnesium weniger als 5 Gewichtsprozent desThe reducing agent in the magnesium furnace is "essentially pure aluminum". This should not only include pure aluminum but "also aluminum alloys that contain at least 85 percent by weight aluminum (including alloys with the following standard numbers: 13, 380, 43, 195, 214 and 220), as well as waste aluminum, which generally contains aluminum of at least 95 c / o (standard numbers: 1100, 3003, 2017, 2024, 5052, 6063 and 7075) In general, silicon can be present in the reducing agent up to 10 c / o or even slightly more (e.g. 12 ° / o in alloy 13) "if a decomposing slag is desired. The other components, such as manganese, calcium, chromium or magnesium, should preferably contain less than 5 percent by weight of the
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Reduktionsmittels betragen. Magnesium kann im Reduktionsmittel vorhanden sein, aber für die Zwecke der Erfindung ist es für die Zusammensetzung des Reduktionsmittels ohne Bedeutung, da es abdestilliert wird.Reducing agent. Magnesium can be present in the reducing agent, but for the purposes of the invention it is for the composition of the reducing agent is irrelevant since it is distilled off.
Die Bezeichnung "Kalziumaluminat-Schlacke" bezieht sich auf den Teil der Reaktionsmittel, die die oxydischen Nebenprodukte der Reaktion bilden. Diese Oxyde sind hauptsächlich Kalziumoxyd und Äluminiumoxyd, können aber auch Siliziumoxyd und andere Oxyde einschließen. Kur das Kalziumoxyd, Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd sind, wie hier dargelegt ist, von Bedeutung, und die Zusammensetzung enthält an verschiedenen Oxyden: 35 - 55 °/° CaO, 35 - 65 io Al2O5 und O - '10 ti SiO2. Bis zu 5 % oder sogar mehr an anderen Oxyden können unbeachtet bleiben. Jedoch darf die Schlacke, wenn sie abgestochen wird, nicht mehr als 5 % MgO und wenn Äluminiumoxyd in zufriedenstellender Ausbeute gewonnen werden soll - nicht mehr als 2 ;/j MgO enthalten, vorzugsweise so v/enig wie möglich.- Die Bezeichnung "geschmolzen" im Zusammenhang mit dieser Schlacke bedeutet, daß wenigstens der größere Teil der Schlacke in flüssigem Zustand ist. Dies geschieht im allgemeinen im Bereich der Zusammensetzung der Schlacke für die vorliegende Erfindung bei I300 - 17000O.The term "calcium aluminate slag" refers to the portion of the reactants which form the oxidic by-products of the reaction. These oxides are principally calcium oxide and aluminum oxide, but can also include silicon oxide and other oxides. Calcium oxide, aluminum oxide and silicon oxide are important, as stated here, and the composition contains various oxides: 35-55 ° / ° CaO, 35-65 io Al 2 O 5 and 0-10 ti SiO 2 . Up to 5 % or even more of other oxides can be ignored. However, if the slag is tapped, it must not contain more than 5% MgO and, if aluminum oxide is to be obtained in a satisfactory yield - not more than 2% MgO, preferably as little as possible. in connection with this slag means that at least the greater part of the slag is in the liquid state. This occurs generally in the range of the composition of the slag for the present invention at I300-1700 0 O.
Andere hier verwendete Bezeichnungen wie "inertes Gas" und "im wesentlichen statisch" sind in meiner Patentanmeldung P 20 02 544.9-24- und in der Deutschen Patentschrift 2 II5 324 erläutert.Other terms used herein such as "inert gas" and "essentially static" are in my patent application P 20 02 544.9-24- and in German patent specification 2 II5 324 explained.
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Las Nebenprodukt Kalziumalaminat-Schlacke Las byproduct calcium alaminate slag
j£in wesentliches Element in dem vorliegenden Verfahren ist die ivalziumaluminat-Üchlscke,. welche zusammen mit dem ^eschmolzerion reduktionsmittel das flüssige hedium in dem l'iognesiumofen bildet, Die Zusammensetzung: der üchlacke ist aus zwei Gründen wichtig. i'Jrstens ist sie im wesentlichen das Reaktionsmedium, in dem . Magnesiumoxyd.zu Magnesium reduziert und gleichzeitig das Reduk-' .tionsmittel Aluminium zu Aluminiuinoxyd oxydiert wird. (In dem Reduktionsmittel vorhandenes Silizium kann oxydiert oder nicht oxydiert werden). Zweitens kann die- Schlacke, wenn ihre .Zusammensetzung angemessen reguliert wird, ein wertvolles Hebenprodukt sein, welches hochwertiges Aluminiumoxyd für die elektrolytische Reduktion zu Aluminium oder für andere Zwecke, wie hochwertige feuerfeste Stoffe, liefert.The essential element in the present proceedings is the ivalziumaluminat-Üchlscke ,. which together with the ^ eschmolzerion reducing agent that forms liquid hedium in the l'iognesium furnace, The composition: the varnish is important for two reasons. First, it is essentially the reaction medium in which. Magnesium oxide reduced to magnesium and at the same time the reduc- ' .tionsmittel aluminum is oxidized to aluminum oxide. (By doing Silicon present in the reducing agent may or may not be oxidized). Second, the slag can, if its .composition properly regulated, a valuable lifting product its what high quality aluminum oxide for the electrolytic Reduction to aluminum or for other purposes, such as high quality refractories, supplies.
In dem AlpO^-GaO-SiOp-Qiertiärsystem sind CaO.AIpO2, und 12CaO. 7AIpO2. nahezu vollsüändig in einer Lauge von .Natriumkarbonat löslich, aber 3CaO«AlpO-, ist zu weniger als 50 C,O löslich, CaO. 2Al0O^ ist fast unlöslich und 2Ca0«Alo02oSi0o ist unlöslich. UmIn the AlpO ^ -GaO-SiOp quadratic system are CaO.AIpO 2 , and 12CaO. 7AIpO 2 . Almost completely soluble in a lye of sodium carbonate, but 3CaO «AlpO-, is soluble to less than 50 C , O , CaO. 2Al 0 O ^ is almost insoluble and 2Ca0 «Al o 0 2 oSi0 o is insoluble. Around
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die Gewinnung von Aluminiumoxyd so weit wie möglich zu steigern, ist es wünschenswert, ein verbrauchtes Oxyd zu bilden, dessen Aluminiumoxydgehalt so weit wie möglich in Form von kristallinen Kalziumaluminaten vorliegt.,to increase the extraction of aluminum oxide as much as possible, it is desirable to form a spent oxide, its alumina content as much as possible in the form of crystalline Calcium aluminate is present.,
Ein kontrolliertes Abkühlen der geschmolzenen Schlacke.steigert in hohem Maße die Gewinnung von Aluminiumoxyd. Die geeignete Abkühlungsgeschwindigkeit ist von der Zusammensetzung der SchlackeControlled cooling of the molten slag increases to a large extent the extraction of aluminum oxide. The appropriate cooling rate is on the composition of the slag
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abhängig; im allgemeinen muß eine Schlacke mit einem wesentlichen Siliziumoxydgehalt langsamer abgekühlt werden als eine Schlacke mit einem geringeren oder gar keinem Siliziumoxydgehalt. Darüberhinaus ist es wünschenswert, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit" so langsam ist, daß die Zweiphasentransformationen von Dikalziumsilikat (2CaOSiOp), Alpha zu Beta bei 14-200C und Beta zu Gamma bei 675°C, stattfinden können, da die Umkehrung zur Gammaform von einer Volumenerhöhurig von 10 <;i> begleitet ist, wodurch der abgekühlte Rückstand zu einem feinen Staub zertrümmert werden kann, ein Phänomen, das allgemein als "Stäuben" bezeichnet wix^d. Ein zu schnelles abkühlen verhindert die Kristallisation, und es entsteht ein glasartiger Feststoff, aus dem die Aluminiumoxydgeins" ist.addicted; in general, a slag with a substantial silicon oxide content must be cooled more slowly than a slag with little or no silicon oxide content. In addition, it is desirable that the cooling rate "is so slow that the two-phase transformations of dicalcium silicate (2CaOSiOp), alpha to beta at 14-20 0 C and beta to gamma at 675 ° C, can take place, since the inversion to the gamma form of one Increased volume is accompanied by 10 <;i> , whereby the cooled residue can be shattered into a fine dust, a phenomenon commonly referred to as "dusting". Cooling too quickly prevents crystallization and a glassy solid is formed , from which the aluminum oxide geins "is.
Der Siliziumdioxydgehalt der Schlacke muß mindestens 5 cß> betragen, um ein Stäuben zu bewirken. Das Stäuben setzt die Zerkleinerungsmen-:e, die erforderlich ist, bevor das Aluminiumoxyd extrahiert werden kann, beträchtlich herab. Jedoch ist, wie in den Beispielen gezeigt wird, eine sehr hohe Gewinnung von Aluminiumoxyd - bis zu 97·5 i'ö -möglich, wenn der Siliziumdioxydgehalt weniger als 4- °/o beträgt, was für ein merkliches Stäuben zu niedrig ist. Somit muß der Vorteil, genügend Siliziumdioxyd, für das Stäuben zu haben, gegen den Vorteil einer hohen Gesamtgewinnung von Aluminiumoxyd abgewägt werden. Wenn die Schlacke genug SiO2 enthält, um ein Stäuben zu verursachen, so enthält das ÄlgG^-Produkt wahrscheinlich mehr SiO2 als für ein'hochwertiges Al2O, zulässig ist, und eine gesonderte Entfernung von SiO2 kann erforderlich sein. Das Siliziumoxyd kann nicht nur von Silizium stammen, sondern esThe silicon dioxide content of the slag must be at least 5 c ß> in order to cause dust. Dusting considerably reduces the amount of grinding required before the alumina can be extracted. However, it is as shown in the examples, a very high recovery of aluminum oxide - up to 97 · 5 i'ö -möglich when the Siliziumdioxydgehalt than 4 ° / o is less, which is low for an appreciable dust to. Thus, the advantage of having enough silica for dusting must be weighed against the advantage of a high total recovery of alumina. If the slag contains enough SiO 2 to cause dusting, then the ÄlgG ^ product will likely contain more SiO 2 than is allowable for a high quality Al 2 O, and separate removal of SiO 2 may be required. The silicon oxide cannot only come from silicon, it can come from it
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kann sich auch um das Siliziumoxyd aus der .ursprünglichen Oxydfüllung handeln (z* B. Magnesit)*· can also be the silicon oxide from the original oxide filling (e.g. magnesite) *
Der Aluminiumoxydgehalt der Schlacke sollte hoch sein, um die Menge der pro Einheit des gewonnenen AIpO^ zu behandelnden Schlacke so weit, wie möglich zu verringern. Der Kalziumoxydgehalt sollte gering sein; er braucht die zur Bildung löslicher Kalziumaluminate erforderliche Menge nicht zu übersteigen.The alumina content of the slag should be high to that Amount of AIpO ^ to be treated per unit of recovered Reduce slag as much as possible. The calcium oxide content should be low; he needs them to form more soluble ones Calcium aluminate not to exceed required amount.
Das Vorhandensein von Magnesiumoxyd in der Schlacke beeinträchtigt jedoch erheblich die Gewinnung von Aluminiumoxyd, da gefunden wurde, daß 1 Mol MgO 4 Mol AIpO,, in dem unlöslichen Komplex 6OaO-4-Al2O^.MgO-SiO2 binden kann. Deshalb wird die Schlacke periodisch abgestochen, wenn ihr MgO-Gehalt auf weniger als 5 # gesunken ist. Das Mägnesiumoxyd wird weitgehend aus der Reaktionszone abgezogen, so daß weniger als 2 % zurückbleiben, bevor die Schlacke entfernt wird«,The presence of magnesium oxide in the slag, however, considerably impairs the recovery of aluminum oxide, since it has been found that 1 mole of MgO can bind 4 moles of AlpO ,, in the insoluble complex 6OaO-4-Al 2 O ^ .MgO-SiO 2 . Therefore, the slag is tapped periodically when its MgO content has decreased to less than 5 #. Most of the magnesium oxide is withdrawn from the reaction zone so that less than 2 % remains before the slag is removed «,
In Anbetracht aller dieser Faktoren ist die Tertiärzusammensetzung der verbrauchten Oxyde, abgesehen von geringen Mengen anderer Oxyde (falls vorhanden) wie folgt: 35 - 65 % Aluminiumoxyd, 55 — 55 °/° Kalziumoxyd und 0 — 10 % Siliziumdioxyd.In view of all these factors, the composition of the spent tertiary oxides, apart from small amounts of other oxides (if present) as follows: 35 - 65% alumina, from 55 to 55 ° / ° of calcium oxide, and 0 - 10% silicon dioxide.
Es wurden eingehende Untersuchungen des Pedersen-Verfahrens durchgeführt mit dem Ziel festzustellen, ob es mit Erfolg für die Gewinnung von Al2O* aus geringwertigen aluminiumhaltigen Erzen, wie geringwertigem Bauxit und Ton, bei annehmbaren KostenIn-depth studies of the Pedersen Process have been conducted with the aim of determining whether it will be successful in the recovery of Al 2 O * from low grade aluminous ores such as low grade bauxite and clay at a reasonable cost
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angewendet werden kann. Der Schmelzvorgang,für die Herstellung der Schlacke, zu dem das vorliegende Verfahren keine vergleieh-'bare Parallele hat, soll hier nicht erörtert werden, sondern nur der Auslaugevorgang. H can be applied. The melting process for the production of the slag, to which the present process has no comparable parallel, is not to be discussed here, only the leaching process. H
Für eine hohe Laugefähigkeit ist es nicht notwendig, eine Zerfallschlacke herzustellen. Die oxydischen Verbindungen GaO-AIgO^ und 12CaO.7A^O;* sind, wenn sie synthetisch in Kristallform hergestellt und richtig zermahlen werden, vollkommen löslich oder nahezu löslich in NagCO^-Lösungen ohne freies NaOH bei Temperaturen von etwa 700G und einer Auslaugezeit von einer oder zwei Stunden, Alle anderen Kalziumaluminatverbindungen sind entweder in einer solchen Lösung unlöslich oder nur schwer löslich.It is not necessary to produce a disintegration slag for a high leaching capacity. The oxidic compounds GaO-AIgO ^ and 12CaO.7A ^ O; * are, if they are synthetically produced in crystal form and properly ground, completely soluble or almost soluble in NagCO ^ solutions without free NaOH at temperatures of about 70 0 G and one Leach time of one or two hours. All other calcium aluminate compounds are either insoluble or sparingly soluble in such a solution.
Innerhalb der vorstehend angeführten Reihe von Schlackenzusammensetzungen sind die beiden angegebenen Kalziumaluminate die einzigen, die gebildet werden. Um sie in kristalliner Form zu erhalten, muß die Schlacke sehr langsam abgekühlt werden, was jedoch leicht durchzuführen ist.Within the range of slag compositions listed above the two specified calcium aluminates are the only ones that are formed. To get them in crystalline form, the slag must be cooled very slowly, but this is easy to do.
Wenn die Schlacke eine beträchtliche Menge SiOo enthält, ist die Verwendbarkeit des AIpO^ für die elektrolytische Reduktion zu Aluminium begrenzt. In einigen Fällen muß dieses Problem durch eine gesonderte Entfernung von SiOo überwunden werden, welche die Kosten des A^O;, erhöht. Eine bevorzugte AusführungsfoEm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht darin, dieses Problem zu vermeiden und eine Schlacke herzustellen, die im wesentlichen frei von SiO2 ist.If the slag contains a considerable amount of SiOo, the utility of the AlpO ^ for the electrolytic reduction to aluminum is limited. In some cases, this problem must be overcome by a separate removal of SiOo, which increases the cost of the A ^ O ;. A preferred embodiment of the method of the present invention is to avoid this problem and to produce a slag that is substantially free of SiO 2 .
Ist in der Schlacke MgQ vorhanden, so hat es, sogar in geringenIf MgQ is present in the slag, it has even a small amount
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Mengen eine sehr nachteilige Wirkung auf die. Gewinnung von AIpCU. Beim Abkühlen der Schlacke wird eine komplexe oxydische Verbindung, gebildet, und zwar 6CaO-4Al2O^-MgO-SiO2J die in dem Auslaugevorgang praktisch unlöslich ist. Somit bindet 1 Mol MgO in der Schlacke nicht nur 4 Mol Al0O-Z, was einen Verlust in der · Gewinnung mit sich bringt, sondern es bindet auch 6 Mol CaO. Jedoch ist die Wirksamkeit des Al in dem System so groß, daß eine Endschlacke mit geringem oder gar keinem MgO-Gehalt hergestellt werden kann.Quantities have a very adverse effect on the. Obtaining AIpCU. When the slag cools, a complex oxidic compound is formed, namely 6CaO-4Al 2 O ^ -MgO-SiO 2 J, which is practically insoluble in the leaching process. Thus, 1 mole of MgO in the slag not only binds 4 moles of Al 0 OZ, which results in a loss in extraction, but it also binds 6 moles of CaO. However, the effectiveness of the Al in the system is so great that a final slag with little or no MgO content can be produced.
Im wesentlichen reines Aluminium ermöglicht eine starke Reduktion von Magnesiumoxyd zu Magnesium und das Entweichen von Magnesiumdampf aus der geschmolzenen Schlacke bei einem Gesamtdruck von ■ etwa 1 atm. Wie vorstehend erwähnt, kann das Aluminium aus reinem Metall, aus Legierungen mit hohem Aluminiumgehalt oder aus Abfallaluminium einschließlich von Legierungen zusammengesetzt sein. Die Zusammensetzungen der hauptsächlichen Aluminiumlegierungen und der bei ihrer Verarbeitung entstandenen Abfall— aluminxummaterxalien sind nachstehend in Tabelle 1 angegeben.Essentially pure aluminum enables a large reduction from magnesia to magnesium and the escape of magnesium vapor from the molten slag at a total pressure of ■ about 1 atm. As mentioned above, the aluminum can be made from pure metal, high aluminum alloys, or from Waste aluminum including alloys. The compositions of the main aluminum alloys and the waste generated during their processing - aluminxumm materials are given in Table 1 below.
Es könnte angenommen werden, daß das Vorhandensein von metallischen Verunreinigungen in dem als Reduktionsmittel für das vorliegende Verfahren verwendeten Abfallaluminium ernste oder sogar unüberwindliche Probleme in seiner Verwendung für diesen Zweck aufwerfen könnte. Tatsächlich ist dies jedoch, nicht der Fall, und die meisten dieser "Verunreinigungen" bringen Vorteile entweder hinsichtlich der Herstellungskosten oder des Gesamtwertes des hergestellten Magnesium^ BQU/QU6 It could be assumed that the presence of metallic impurities in the scrap aluminum used as the reducing agent for the present process could pose serious or even insurmountable problems in its use for this purpose. In fact, it is, it is not, and most of these "impurities" provide benefits in terms of either manufacturing cost or the total value of the magnesium BQU / QU6 produced
tabelle I
Zus^omenseiizung^der^Aliiminiumlegierungen table I.
Addition of the aluminum alloys
Al Mn Cu Or Zn Si MgAl Mn Cu Or Zn Si Mg
1,51.5
0,25 — 2,50.25 - 2.5
0,4 0,7 0,3 5,6 — 2,5 — — 1? —0.4 0.7 0.3 5.6 - 2.5 - - 1? -
-9.-9.
—— —— 5 ——— —— 5 -
0,8 0.8
3,83.8
1010
Die billigen Schrottmaterialien können ohne weiteres im vorliegenden
Verfahren eingesetzt werden, und dieser Faktor ist für seine Wirtschaftlichkeit von großer Bedeutung. Die hauptsächlichen
Verunreinigungen in den Aluminiumlegierungen und Schrottmaterialien sind Magnesium, Silizium, Kupfer, Mangan, Chrom und Zink,
und zwar im allgemeinen weniger als 5 Gewichtsprozent. Die Legierung
13 hat 12 # Silizium und die Legierung 220 hat 10 $
Magnesium, aber diese Verunreinigungen bilden kein Problem und können im vorliegenden Verfahren voll verwertet werden.The cheap scrap materials can readily be used in the present process, and this factor is of great importance to its economy. The major impurities in the aluminum alloys and scrap materials are magnesium, silicon, copper, manganese, chromium and zinc, generally less than 5 percent by weight. Alloy 13 has 12 # silicon and alloy 220 has 10 $
Magnesium, but these impurities are not a problem and can be fully utilized in the present process.
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Kupfer ist in verschiedenen Legierungen in Anteilen bis zu 4-,5.$ vorhanden; es ist in dem Verfahren inert und bildet einen Teil des geschmolzenen Metallrückstandes am Boden des Ofens. Dasselbe gilt für Chrom, das in einigen Legierungen in geringen Mengen vorhanden ist.Copper is available in various alloys in proportions up to $ 4-5 available; it is inert in the process and forms part of it of the molten metal residue at the bottom of the furnace. The same thing applies to chromium, which is present in small amounts in some alloys.
Mangan ist in Mengen im Bereich von 0*6 bis 1,2 $ in einigen Legierungen vorhanden, und da sein Dampfdruck etwa 10 mm Hg bei 15000O beträgt, wird mit dem Magnesiumdampf etwas Mangandampf in das Produkt mitgerissen* Da die derzeitigen Verfahren eine Mischung aller Arten von Schrott verwenden, von denen die meisten kein Mangan enthalten, ist es unwahrscheinlich, daß diese Verunreinigung ernste Probleme bringt* Ist dies trotzdem der Fall, so muß entweder der mangänhaltige Schrott entfernt oder gesondert eingesetzt werden, um Magnesium zur Verwendung in Aluminiumlegierungen herzustellen, die außer Magnesium auch Mangan enthalten. Manganese is present in amounts ranging from $ 6 to $ 1.2 in some alloys, and since its vapor pressure is about 10 mm Hg at 1500 0 O, some manganese vapor is carried into the product with the magnesium vapor Using a mixture of all types of scrap, most of which do not contain manganese, this contamination is unlikely to cause serious problems that contain manganese in addition to magnesium.
Die Verunreinigung» die Schwierigkeiten verursachen könnte, ist Zink, das einen Siedepunkt von 9O7°C hat, so daß in dem Schrott etwa vorhandenes Zink in das hergestellte Magnesium mitgerissen wird* Es scheint jedoch, daß nur eine Legierung Zink enthält (etwa 5,6 #).The pollution “that could cause trouble is Zinc, which has a boiling point of 907 ° C, so that in the scrap Any zinc present is carried away into the magnesium produced * However, it appears that only one alloy contains zinc (about 5.6 #).
Die Oxydfüllung enthält Magnesiumoxyd und vorzugsweise kalziniertes Dolomit. Das Magnesiumoxyd wird jedoch durch das im wesentlichen reine Aluminiumreduktionsmittel reduziert* DasThe oxide filling contains magnesium oxide and preferably calcined dolomite. However, the magnesia is absorbed by the im essential pure aluminum reducing agent * Das
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Gewichtsverhältnis von MgQ zu OaO in der Füllung ist etwa 1,1 zu 2,5. Dolomit liefert beide Komponenten in einem 1 : 1 Mol— verhältnis; Magnesiumoxyd kann verwendet werden um MgO, und Kalk um GaO zu liefern.Weight ratio of MgQ to OaO in the filling is about 1.1 to 2.5. Dolomite supplies both components in a 1: 1 mol- relationship; Magnesium oxide can be used to make MgO, and Lime to provide GaO.
Das Kalziumoxyd wird zu dem Schlackennabenprodukt mitgeführt, wo es sich bei Erstarrung mit AIoQ * verbindet, um die gewünschten Kalziumaluminate zu bilden. Ein Teil oder sogar das gesamte erforderliche Kalziumoxyd kann als Kalk zugesetzt werden, im allgemeinen wird dies jedoch nicht bevorzugt, da Dolomitkalk gewöhnlich zur "Verfügung steht, um nicht nur das erforderliche Kalziumoxyd sondern auch das Magnesiumoxyd zu liefern.The calcium oxide is carried along to the slag hub product, where, when solidified, it combines with AIoQ * to produce the desired Form calcium aluminates. Some or even all of the calcium oxide required can be added as lime, in general however, this is not preferred as dolomite lime is usually "available" to provide more than just what is needed Calcium oxide but also the magnesium oxide to deliver.
Billiges Magnesiumoxyd kann auf verschiedene Arten an geeigneten Stellen erhalten werden; (a) Herstellung von MgO aus Seewasser, Solen oder Mutterlaugen nach allgemein bekannten Methoden; (b) Verwendung minderwertigen Magnesits, welches für die Herstellung feuerfester Stoffe nicht geeignet und deshalb zu niedrigen Preisen verfügbar ist. Diese Erze sind im allgemeinen als Abfall von feuerbeständigen Magnesiumoxydverfahren erhältlich oder als geringwertige Erzlager, die zur Zeit nicht abgebaut werden. Diese geringwertigen Erze enthalten gewöhnlich CaO und in einem relativ niedrigen Verhältnis zu MgO,Inexpensive magnesium oxide can be obtained in suitable places in various ways; (a) Production of MgO from sea water, Brines or mother liquors according to generally known methods; (b) Use of inferior magnesite for the manufacture refractory materials not suitable and therefore too low Prices is available. These ores are generally available as waste from refractory magnesia processes or as low-value ore deposits that are not currently being mined. These low grade ores usually contain CaO and in a relatively low ratio to MgO,
Das Vorhandensein eines geringen Anteils an OaO in diesen Erzen ist selbstverständlich nicht schädlich, da OaO in dem Verfahren benötigt wird, jedoch erfordert das Vorhandeneein.von SiOp sorg fältige Beachtung. Ist in einer Kalziumaluminat-SchlaGke der in Betracht gezogenen Art SiOg vorhanden, so bildet es, wenn dieThe presence of a small amount of OaO in these ores is of course not harmful as OaO is required in the process, but the presence of SiOp requires care careful attention. Is the in Considered type SiOg is present, so it forms when the
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Schlacke erstarrt, die relativ unlösliche Verbindung 2OaO-SiO2. Bei Anteilen von etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent SiOg entsteht eine Schlacke, die zerfällt oder "zerstäubt", wenn sie sehr lang-» sam abgekühlt wird, um Phasenänderungen des kristallinen SiIi- kats zu ermöglichen.Slag solidifies, the relatively insoluble compound 2OaO-SiO 2 . With proportions of about 5 to 10 percent by weight SiOg, a slag is formed which disintegrates or "atomizes" when it is cooled very slowly in order to allow phase changes in the crystalline SiIicate.
Ein bedeutendes Problem beim vorliegenden Verfahren ist die Beschaffung einer feuerbeständigen Ofenauskleidung, die die geschmolzene Schlacke auf 150O0O oder höher aushält, indem eine feste, sich immerwährend erhaltende Auskleidung zwischen der Graphitauskleidung, die den Ofenmantel schützt, und der geschmolzenen Schlacke gebildet wird, die sonst^ das Graphit mit vernichtenden Folgen angreifen würde. Die feste, sich selbst erhaltende Auskleidung entsteht dadurch, daß eine Schicht der Schlacke an den Ofenwänden erstarrt.A significant problem with the present process is the provision of a refractory furnace lining that can withstand the molten slag to 150O 0 O or higher by forming a strong, everlasting lining between the graphite lining that protects the furnace shell and the molten slag that otherwise ^ which would attack graphite with devastating consequences. The solid, self-sustaining lining is created by the fact that a layer of the slag solidifies on the furnace walls.
Im Magnetherm-Verfahren wird Magnesiumoxyd verwendet, welches für diesen Zweck sehr geeignet ist, da es durch die in diesem Verfahren verwendete Kalzium-Aluminium-Silikat-Schlacke mit einem hohen Kalkgehalt kaum angegriffen wird, während zu erwarten ist, daß die im vorliegenden Verfahren verwendete Kalziumaluminat-Schlacke MgO ohne weiteres angreift. Jedoch zeigt eine Untersuchung des Schlackenphasendxagramms für Kalziumaluminat~ Schlacken, daß, wenn Aluminiumoxyd als feuerfester S^off verwendet wird, jeder Angriff durch die geschmolzene Schlacke eine Erhöhung des Al2O^-Gehalts der Schlackenschicht an der Oberfläche der Auskleidung verursacht, was zur Folge hat, daß schließlichIn the Magnetherm process, magnesium oxide is used, which is very suitable for this purpose, since it is hardly attacked by the calcium-aluminum-silicate slag with a high lime content used in this process, while it is to be expected that the one used in the present process Calcium aluminate slag attacks MgO readily. However, an examination of the slag phase diagram for calcium aluminate slags shows that when alumina is used as the refractory S ^ off, any attack by the molten slag causes an increase in the Al 2 O ^ content of the slag layer on the surface of the lining, with the result did that after all
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ein innerer Schlaekenmantel, der mehr als 65 % Al2O5 enthält, sich bildet und erstarrt· Dies ist durch den günstigen Umstand bedingt, daß der niedrigste Schmelzpunkt der Kalziumaluminat-Schlacken, bei etwa 5*1- # AIgO51 1400°C ist, was nahe dem Mittelwert des vorgeschlagenen Bereichs der Schlackenzusammensetzung, liegt; und wenn der AloO^-Gehalt der Schlacke steigt, steigt der Schmelzpunkt stetig auf 155O0G bei 60 # Al2O5 an und auf 165O0O bei 70 °ß> Al2O5.contains an inner Schlaekenmantel, of more than 65% Al 2 O 5, is formed and solidified · This is due to the favorable fact that the lowest melting point of the calcium aluminate slag, at about 5 * 1- # aigo 51 1400 ° C is which is close to the mean of the proposed slag composition range; and as the AloO ^ content of the slag rises, the melting point rises steadily to 155O 0 G at 60 # Al 2 O 5 and to 165O 0 O at 70 ° β> Al 2 O 5 .
Die wirtschaftlichen Bedingungen des erfindungs gemäßen Verfahrens sind so, daß die Schlacke verworfen oder billig verkauft werden kann, wenn unter besonderen Umständen Abfallaluminium und andere Rohmaterialien billig genug sind und das Al2Ox unter seinem normalen Wert liegt. In diesem Fall kann es erwünscht sein, eine Legierung mit einem Siliziumgehalt bis zu 10 # zu verwenden, um eine Zerfallschlacke herzustellen.The economic conditions of the process according to the invention are such that the slag can be discarded or sold cheaply if, under special circumstances, waste aluminum and other raw materials are cheap enough and the Al 2 Ox is below its normal value. In this case, it may be desirable to use an alloy with a silicon content up to 10 # to make a decomposing slag.
Es ist auch möglich, daß unter bestimmten Umständen niedrigwertiges Magnesit u. ä. zu solch niedrigen Kosten erhältlich ist, daß die gesamte Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinflußt wird. Solche Magnesite sind an zahlreichen Stellen erhältlich, besonders als Abfall oder Ausschuß aus der Herstellung von feuerbeständigem MgO. Vorkommen von Magnesit oder magnesithaltigem Dolomit, welche als Quelle von feuerbeständigem Magnesiumoxyd ungeeignet sind, stehen für die Verwendung im vorliegenden Verfahren ebenfalls zur Verfugung* It is also possible that under certain circumstances low-value Magnesite and the like are available at such low cost that it affects the overall economics of the process will. Such magnesites are available in numerous places, particularly as scrap or scrap from the manufacture of refractory MgO. Occurrence of magnesite or magnesite-containing dolomite, which is a source of fire-resistant magnesium oxide are unsuitable, are also available for use in the present process *
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; · - 24 -■ ; · - 24 - ■
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Diese Magnesite enthalten gewöhnlich, sowohl SiOg als auch'GaO als unerwünschte Verunreinigungen. Zur Verwendung im vorliegenden Verfahren ist das GaO nicht nur annehmbar sondern auch in gewissem Maße wertvoll. Der SiO^-Gehalt kann innerhalb annehmbarer Grenzen zur Herstellung einer Zerfallschlacke verwendet werden, aus der AIoO^ gewonnen werden kann. Wie im vorstehend erwähnten Fall ist es eine Frage der Wirtschaftlichkeit, ob die geringen Kosten des MgO zusätzlich der Kosten des Zermahlens einer nicht zerfallenden Schlacke die etwas geringere Gewinnung von Al^O^ und die etwas höheren Auslaugekosten neben dem Nachteil eines unerwünscht hohen SiOo-Gehalts des hergestellten Al^O^ ausgleichen.These magnesites usually contain both SiOg and GaO as undesirable impurities. For use in the present Process, the GaO is not only acceptable but also to a certain extent Dimensions valuable. The SiO ^ content can be within acceptable Limits are used to produce a decay slag, from which AIoO ^ can be obtained. As in the above Case it is a question of profitability whether the low The cost of the MgO in addition to the cost of grinding a non-decomposing slag, the somewhat lower production of Al ^ O ^ and compensate for the somewhat higher leaching costs in addition to the disadvantage of an undesirably high SiOo content of the Al ^ O ^ produced.
Das. während' der "Beendigungsperiode" in der Schlacke vorhandene restliche Aluminium wird in das Magnesium überdestilliert.That. present in the slag during the "termination period" remaining aluminum is distilled over into the magnesium.
Während der "Beendigungsoperation" wird neutrales Gas in das System geleitet, um den Magnesiumdampf zu verdrängen und den Atmosphärendruck aufrechtzuerhalten. Aber in einem geeignet konstruierten System geschieht dies automatisch und stellt in keinem Fall ein ernstes Betriebsproblem dar. Werden Schlacke und Magnesium vom Ofen oder Schmelztiegel abgestochen, kann der Druck des neutralen Gases auf mehr als Atmosphärendruck erhöht werden, um sie ohne Verwendung einer Pumpe aus dem System zu treiben. Wenn die Verwendung von Schrbttaluminium ein Ansammeln eines nicht flüchtigen Metalls, z. B. Kupfer, zur Folge hat, so kann man dieses sich bis zur Höhe des Schlackenabstichlochs anhäufen lassen, worauf es mit der Schlacke zusammen herausgelassen wirdDuring the "termination operation", neutral gas is introduced into the System directed to displace the magnesium vapor and maintain atmospheric pressure. But in a suitably constructed System does this automatically and does not provide any Serious operational problem. If slag and magnesium are tapped from the furnace or crucible, the pressure of the neutral gas can be increased to more than atmospheric pressure to drive them out of the system without using a pump. If the use of scrap aluminum involves an accumulation of a non-volatile metal, e.g. B. copper, so can you pile this up to the level of the slag tapping hole leave, whereupon it is let out together with the slag
309844/044 6309844/044 6
und am Boden des Schlackentopfes einen Regulus Bildet. Die Verwendung von inertem Gas and at the bottom of the cinder pot forms a regulus. The use of inert gas
Gewöhnlich reicht die Diffusion von Magnesiumdampf allein aus, um die Massenübertragung vom Reaktor zum Kondensator herbeizuführen. Jedoch kann gegebenenfalls ein Strom von inertem Gas in den Ofen geleitet und durch den Kondensator geführt werden, um den Fluß des Magnesiums zum Kondensator zu erhöhen, wobei ein Rücklaufsystem erwünscht ist, um das inerte Gas wiederzugewinnen«Usually the diffusion of magnesium vapor alone is sufficient to bring about the mass transfer from the reactor to the condenser. However, if desired, a stream of inert gas can be introduced into the furnace and passed through the condenser to to increase the flow of magnesium to the condenser, where a recycle system is desired to recover the inert gas "
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Magnesiumprodukt verdampft und entweicht aus dem Reaktionsmedium durch eine im wesentlichen statische Atmosphäre von inertem Gas und bewegt sich vorwiegend durch Diffusion durch das inerte Gas hindurch von der Reaktionszone zur Kondensationszone und wird dann aufgefangen. Diese Modifizierung ermöglicht es, bei höherem absolutem Druck zu arbeiten und ergibt ein Magnesiumprodukt,, das relativ rein im Vergleich zu handelsüblichem Magnesium ist, welches Verunreinigungen, vor allem Silizium in geringer Konzentration, enthält. Vgl. die Deutsche Patentschrift 2 115 324.In a further embodiment of the present invention, the magnesium product is evaporated and escapes from the reaction medium through an essentially static atmosphere of inert gas and moves through it primarily by diffusion inert gas passes through from the reaction zone to the condensation zone and is then collected. This modification enables to work at higher absolute pressure and results in a magnesium product, which is relatively pure compared to commercially available magnesium, which contains less impurities, especially silicon Concentration, contains. See German patent specification 2 115 324.
Andere Ausführungsformen unter Verwendung von inertem Gas sind ebenfalls möglich, z. B. zur Erhöhung des Partialdrucks des Systems, z. B. Durchführung des Verfahrens in Gegenwart eines inerten Gases bei einem Partialdruck von 0,1 atm, "wie in meiner Patentanmeldung P 20 02 544.9-24 beschrieben ist, oder als eine weitere Methode zum Aufrechterhalten eines Überdrucks in dem System während des Schlackenabstichs. In diesem lall würde dasOther embodiments using inert gas are also possible, e.g. B. to increase the partial pressure of the Systems, e.g. B. Carrying out the process in the presence of an inert gas at a partial pressure of 0.1 atm, "as in mine Patent application P 20 02 544.9-24 is described, or as a Another method of maintaining positive pressure in the system during slag tapping. In this lall it would
309844/0AA6309844 / 0AA6
überschüssige Gas dem System zugeführt unmittelbar bevor die Schlacke abgestochen werden soll, und entfernt zum Beispiel durch Abzapfen oder mittels einer Vakuumpumpe, bevor das Einfüllen der Reaktionsstoffe wieder aufgenommen wird,excess gas is added to the system immediately before the Slag should be tapped and removed for example by tapping or by means of a vacuum pump before filling the reactants are taken up again,
Die folgenden Arbeitsvorgänge werden in einem mit einer Kondensationskammer verbundenen elektrischen Reduktionsofen durchge-. führt. Es wird so vorgegangen, daß der Ofen mit den Einsatzstoffen zur Bildung einer Schlacke der gewünschten Zusammensetzung' beschickt wird, und daß Wärme zugeführt wird, bis bei einer Temperatur über etwa 13000G die richtige Viskosität erreicht ist, worauf das Oxydbeschickungsgut und das Reduktionsmittel kontinuierlich in absatzweisen kleinen Partien eingespeist werden. Wenn sich eine große Menge Schlacke angesammelt hat, wird die Reaktion so lange weitergeführt, bis der gesamte oder fast der gesamte Magnesiumoxydanteil der Schlacke zu Magnesium reduziert- worden ist. Der Hauptanteil an geschmolzener Schlacke und, falls vorhanden, an verbrauchter Legierung wird dann abgestochen, wobei genügend Schlacke und Legierung zurückgelassen werden, um den Arbeitsgang zu wiederholen. Die Zugabe von Oxydgut und Reduktionsmittel und das Abstechen der Schlacke und der Legierung werden in der Weise durchgeführt, daß - abgesehen von den Schwankungen des Magnesiumoxydstandes - die Zusammensetzung der Schlacke im wesentlichen konstant gehalten wird. Das Verfahren wird im wesentlichen kontinuierlich durchgeführt.The following operations are carried out in an electric reduction furnace connected to a condensation chamber. leads. The procedure is that the furnace is charged with the feedstock to form a slag of the desired composition, and that heat is supplied until the correct viscosity is reached at a temperature above about 1300 0 G, whereupon the oxide feedstock and the reducing agent continuously fed in small batches at a time. When a large amount of slag has accumulated, the reaction continues until all or almost all of the magnesium oxide in the slag has been reduced to magnesium. The bulk of the molten slag and, if any, spent alloy is then tapped, leaving enough slag and alloy to repeat the operation. The addition of oxide and reducing agent and the tapping of the slag and the alloy are carried out in such a way that - apart from the fluctuations in the magnesium oxide level - the composition of the slag is kept essentially constant. The process is carried out essentially continuously.
Die beigefügte Tabelle II faßt die stöchiometrischen Daten von Beispielen zusammen, in denen Rohstoffe und Schlackenzusammen-The attached Table II summarizes the stoichiometric data of Examples in which raw materials and slag together
309844/0446309844/0446
setzung gewählt sind, um zu veranschaulichen: begrenzte und normale Schlackenzusammensetzungen; die Verwendung reinen Aluminiums ( >99 °/°) und. von drei Legierungen, deren Zusammensetzungen im Hinblick auf die Legierungszusätze extrem sind; und die Verwendung von geringwertigem Magnesiumoxyd, hergestellt durch Kalzinieren von Magnesit mit einem Gehalt an SiC^ von etwa 8 #. Es wird zugrundegelegt, daß das gesamte für die Schlacke erforder-, liehe OaO von kalziniertem Dolomit, d. h. Dolomitkalk, stammt, und daß etwaiges zusätzliches MgO als ziemlich reines MgO aus Seewasser, Mutterlaugen und anderen Quellen erhalten wird. Diese Beispiele sollen die Flexibilität des Verfahrens im Hinblick auf die Rohstoffe einerseits und auf den .engen Bereich der Schlackenzusammensetzungen, aus denen eine nahezu vollständige Gewinnung von Al0O^ möglich ist, andererseits veranschaulichen.settlement are chosen to illustrate: limited and normal slag compositions; the use of pure aluminum (> 99 ° / °) and. of three alloys, the compositions of which are extreme in terms of alloy additions; and the use of low-grade magnesia made by calcining magnesite with a SiC ^ content of about 8%. It is believed that all of the OaO required for the slag comes from calcined dolomite, ie dolomite lime, and that any additional MgO is obtained as fairly pure MgO from seawater, mother liquors and other sources. These examples are intended to illustrate the flexibility of the process with regard to the raw materials on the one hand and to the narrow range of slag compositions, from which almost complete extraction of Al 0 O ^ is possible, on the other hand.
Beispiel A zeigt eine Schlacke, die als kristallines 12CaO· 7AIpO^ erstarrt, welches in kalzinierten Sodalösungen vollkommen löslich ist. Es stellt die untere erwünschte Grenze des Al0O-Z für eine siliziumoxydfreie Schlacke dar, denn wenn das OaO mehr als 50 i> beträgt, wird die relativ unlösliche Verbindung 2CaO-AIpO7- gebildet, wodurch die Gewinnung von Alo0_ verringert wird.Example A shows a slag which solidifies as a crystalline 12CaO · 7AIpO ^, which is completely soluble in calcined soda solutions. It represents the lower desired limit of Al 0 OZ for a silicon oxide-free slag, because if the OaO is more than 50 i> , the relatively insoluble compound 2CaO-AlpO 7 - is formed, whereby the recovery of Al o 0_ is reduced.
Beispiel C zeigt eine Schlacke, die als kristallines CaO-Al0O-ZExample C shows a slag that is produced as crystalline CaO-Al 0 OZ
erstarrt, welches ebenfalls in kalzinierter Sodalauge vollkommen löslich ist. Es stellt die obere erwünschte Grenze des Al0O-, für eine siliziumoxydfreie Schlacke dar, denn wenn weniger als 35 "ß> GaO vorhanden ist, wird die relativ unlöslich*Verbindung 2GaO·2AIpO_ gebildet, wodurch die Gewinnung von Al0O^ verringertsolidifies, which is also completely soluble in calcined soda lye. It represents the upper desired limit of Al 0 O-, for a silica-free slag, because if less than 35 "ß> GaO is present, the relatively insoluble * compound 2GaO · 2AIpO_ is formed, whereby the recovery of Al 0 O ^ is reduced
wird.will.
309844/0446*309844/0446 *
Tabelle II ν Table II ν
Stöchiometrische Daten für die Reaktionen unter wendung von typischen Legierungen, Dolomitkalk und M s gn e s i umoxy dStoichiometric data for the reactions below use of typical alloys, dolomite lime and M s gn e s i umoxy d
0,921.80
0.92
1,111.55
1.11
90
10^ # "220
90
10
0,851.65
0.85
0,96• 1.48. ■
0.96
Al fo
Mg %
Si % ■
Zn JlS
Cu fo
andereAlloy. #
Al fo
Mg %
Si % ■
Zn JlS
Cu fo
other
100 .1100
100.
100# 1100
100
100# 1100
100
100# 1100
100
88
12# 15
88
12th
90
2,5
i',6
0,5 Gr# 7075
90
2.5
i ', 6
0.5 gr
1,002.47
1.00
1,002.19
1.00
1,002.58
1.00
1,002.27
1.00
1,0452.51
1.045
SiO2 OaO
SiO 2
7,157.9
7.1
8,556.5
8.5
0CMelting point
0 C
kalk
Magnesium
oxyd
LegierungDolomite-
lime
magnesium
oxide
alloy
0,642.45
0.64
1,101.58
1.10
Magnesiumslag
magnesium
1,002.84
1.00
1,002.21
1.00
Das hergestellte Magnesium enthält bis zu .20 % Al, Das ist in den vorstehend angeführten Daten nicht berücksichtigt, da die Reaktionen nicht beeinflußt-werden durch die Destillation von Aluminium von der Reaktionszone zum Kondensator. .The magnesium produced contains up to .20 % Al. This is not taken into account in the data given above, since the reactions are not influenced by the distillation of aluminum from the reaction zone to the condenser. .
30 9 8 44/0 446 .30 9 8 44/0 446.
Schlacke A ist fast genau 12OaO-7Al2O5 (50,5 ρ Schlacke 0 ist fast genau CaO-Al2O-, (64,6 % Schlacke ß ist eine mittlere Zusammensetzung zwischen A und Schlacke D leitet SiO- von 1,14 Einheiten Magnesiumoxid ab,Slag A is almost exactly 12OaO-7Al 2 O 5 (50.5 ρ slag 0 is almost exactly CaO-Al 2 O-, (64.6 % slag ß is an average composition between A and slag D conducts SiO- of 1, 14 units of magnesium oxide from,
welches 16 >& ^iO2 enthält. Schlacke E setzt eine 100 /jige Verwertung des Si-Gehaltes der Legierung voraus.which contains 16>& ^ iO 2 . Slag E requires a 100 / year utilization of the Si content of the alloy.
Schlacke G - 1,00, Einheiten Magnesium und 0,045 Einheiten Zink. Schlacken D und S zerfallen.Slag G - 1.00, units of magnesium and 0.045 units of zinc. Slags D and S disintegrate.
309844/0446309844/0446
23189382318938
Beispiel B zeigt eine mittlere Schlacke zwischen A und 0, wobei die feste Schlacke' eine Mischung aus kristallinem 12CaO»7Al2O, und-CaO-Al0O^ ist, welche beide vollkommen löslich sind. Die be- ■ vorzugte Schlacke der vorliegenden Erfindung ist diese Art einer gemischten Zusammensetzung, aber es ist selbstverständlich möglich, etwas außerhalb der angegebenen bevorzugten Grenzen zu arbeiten, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.Example B shows a medium slag between A and 0, the solid slag being a mixture of crystalline 12CaO »7Al 2 O, and -CaO-Al 0 O ^, both of which are completely soluble. The preferred slag of the present invention is this type of mixed composition, but it is of course possible to operate somewhat outside of the preferred limits set forth without departing from the subject matter of the invention.
ν
t * -ν
t * -
Die Beispiele D und E zeigen Schlacken, die genügend SxOq enthalten, um einen Zerfall zu verursachen, wodurch die Notwendigkeit, eine nicht zerfallende Schlacke zu zermahlen, vermieden Wird. Aber .bei solchen Schlacken kann der Al-pO^-Gehalt nicht völlig zurückgewonnen werden, und zusätzlich besteht ein Schlammproblem. Jedoch wird in Beispiel D das SiOp durch Verwendung.minderwertigen siliziumhaltigen Magnesiumoxyds erhalten, das an bestimmten Stellen einen erheblichen Kostenvorteil bringen könnte. Das zur Herstellung kalzinierten Magnesiumoxyds verwendete Magnesit könnte fast 9 % SxOq enthalten. In Beispiel E wird das SiO2 durch Verwendung des in einer Silizium-Aluminium-Legierung enthaltenen Siliziums als zusätzliches Reduktionsmittel erhalten, was ebenfalls einen wesentlichen Kostenvorteil mit sich bringen kann.Examples D and E show slags that contain enough SxOq to cause disintegration, thereby avoiding the need to grind a non-disintegrating slag. But in the case of such slags, the Al-pO ^ content cannot be fully recovered, and there is also a sludge problem. However, in example D, the SiOp is obtained by using inferior silicon-containing magnesium oxide, which could bring a considerable cost advantage at certain points. The magnesite used to make calcined magnesia could contain almost 9% SxOq. In example E, the SiO 2 is obtained by using the silicon contained in a silicon-aluminum alloy as an additional reducing agent, which can also bring about a significant cost advantage.
Als weiteres Beispiel könnte - als Modifizierung von Beispiel D — ein kalziniertes Magnesiumoxyd, das etwa 27 % SiOp enthält, verwendet werden, um eine Schlacke der folgenden Zusammensetzung herzustellen: Al2O5 49 °fa CaO 41 #; SiO2 10 ^. Dadurch wird zusätzlicher Dolomitkalk erforderlich, um CaO zur Bindung des zusätzlichen SiO2 zu liefern, und etwa 1,46 Einheiten siliziumhaltigen Magnesiumoxyds nach dem Angleichen für den MgO-As a further example, as a modification of Example D, a calcined magnesium oxide containing about 27 % SiOp could be used to produce a slag of the following composition: Al 2 O 5 49 ° fa CaO 41 #; SiO 2 10 ^. This requires additional dolomite lime to provide CaO to bind the additional SiO 2 , and about 1.46 units of silicon-containing magnesium oxide after equalization for the MgO-
3 09844/04463 09844/0446
Gehalt des zusätzlichen Dolomitkalks. Das Schlackenverhältnis beträgt somit ungefähr 2,9 P^o Magnesiumeinheit, aber es könnte auch geringwertiges Magnesit, das etwa 15 0P SiOp enthält, -verwendet werden, um das siliziumhaltige Magnesiumoxyd zu liefern. Content of the additional dolomite lime. The slag ratio is thus about 2.9 P ^ o magnesium unit, but it could also low grade magnesite containing about 15 0 P contains siop be -Uses to deliver the silicon-containing magnesium oxide.
\vird AlnO-, aus der Schlacke entfernt und das restliche GaGO-, kalziniert und rückgeführt, so bleibt im wesentlichen kein Rückstand. Das Verfahren ist dann ein- geschlossener Zyklus, bei dem MgO und Al zugeführt und Mg und AIpOx gewonnen werden.If Al n O- is removed from the slag and the remaining GaGO- is calcined and recycled, essentially no residue remains. The process is then a closed cycle in which MgO and Al are supplied and Mg and AlpO x are recovered.
In Tabelle III sind die Daten für die Beispiele 1 - 7 angegeben.· In dem Reduktionsmittel sind andere Stoffe als Aluminium undt Silxziummetall nicht angegeben, und es wird zugrundegelegt, daß das Magnesiumoxyd und der Dolomxtkalk in der Oxydfüllung reines MgO bzw. MgO»GaO sind, da die unreinen Oxyde nicht angegeben sind. Die Zusammensetzung der Schlacke, die sich aus der vollständigen Umsetzung des Reduktionsmittels mit dem MgO in der Oxydfüllung ergibt, ist gegeben. Um die geeignete Kalziumaluminat-Schlacke für Beispiel 3 zu erhalten, wurde eine zusätzliche Menge Kalk hinzugefügt. ■Table III summarizes the data for Examples 1, - stated 7 · In the reducing agents are substances other than aluminum and t is not specified Silxziummetall, and it is based on that the magnesium oxide and the Dolomxtkalk in Oxydfüllung pure MgO or MgO "Ga. because the impure oxides are not specified. The composition of the slag, which results from the complete reaction of the reducing agent with the MgO in the oxide filling, is given. To obtain the appropriate calcium aluminate slag for Example 3, an additional amount of lime was added. ■
Man sieht, daß eine sehr hohe Gewinnung von Äluminiumoxyd erzielt wird. Man kann ferner sehen, wie die Entfernung des gewinnbaren Aluminiumoxyds aus der Schlacke das gesamte Schlackenverhältnis, wie durch die entstandene Abfallschlacke dargestellt wird, auf einen sehr niedrigen Stand verringert } . ·. wobei in einigen Fällen fast 1 Gewichtsteil Abfallschlacke auf 1 Teil hergestellten Magnesiums erreicht oder sogar überschritten wird.It can be seen that a very high recovery of aluminum oxide is achieved. It can also be seen how the removal of the recoverable alumina from the slag reduces the total slag ratio as represented by the resulting waste slag to a very low level } . ·. in some cases almost 1 part by weight of waste slag per 1 part of produced magnesium is reached or even exceeded.
309844/0446309844/0446
In Beispiel 4- beträgt das unlösliche 2GaO.SiOg in der Schlacke etwa 18 Gewichtsprozent. Da dadurch das resultierende Abfallschlackenverhältnis erhöht wird, ist es einleuchtend, daß das im wesentlichen reine Aluminium im vorliegenden Verfahren gegenüber Reduktionsmitteln mit relativ hohen Mengen an Silizium— metall vorgezogen wird.In Example 4- the insoluble is 2GaO.SiOg in the slag about 18 percent by weight. As the resultant waste slag ratio is increased, it is evident that the essentially pure aluminum in the present process as opposed to Reducing agents with relatively high amounts of silicon metal is preferred.
Die beigefügten Zeichnungen sind eine schematische Darstellung eines aluminothermischen, in zwei Teile aufgeteilten Verfahrens, welches das vorliegende Verfahren verkörpert. Man kann sehen, daß die Produkte des Haupt.teils Magnesium, Kalziümaluminat und eine kleine Menge restlichen Metalls sind (Figur 1). Das Kalziümaluminat kann behandelt werden (Figur 2), um Älumiiiiumöxyd für die elektrolytische Reduktion zu Aluminium und GaOO^ oder OaO herzustellen, wobei letzteres rückgeführt werden kann, um einen Teil des Kalks des ersten Teils (Figur 1) zu. liefern. Somit kann die Nutzwirkung , etwas vereinfacht, darin bestehen, Magnesium und hochwertiges Aluminiumoxyd aus Aluminium und Magnesiumox'yd her— zustellen, wobei die Produkte rein sein können, jedoch die Eeaktionsmittel nicht rein zu sein brauchen.The accompanying drawings are a schematic representation of an aluminothermic process divided into two parts, which embodies the present method. One can see that the products of the main part are magnesium, calcium maluminate and a small amount of residual metal (Figure 1). The calcium maluminate can be treated (Figure 2) to make Älumiiiiumöxyd for the to produce electrolytic reduction to aluminum and GaOO ^ or OaO, the latter can be recycled to some of the lime of the first part (Figure 1). deliver. Thus, the The usefulness, somewhat simplified, consists in producing magnesium and high-quality aluminum oxide from aluminum and magnesium oxide. deliver, whereby the products can be pure, but the reactants do not need to be pure.
309844/0446309844/0446
Beispiel 1 2 3-4 5 67Example 1 2 3-4 5 67
Reduktionsmittel <8Reducing agent <8
Al 93,2 84,4 85,0 90 86,2 94,6 89,3Al 93.2 84.4 85.0 90 86.2 94.6 89.3
Si 6,8 15,6 15,0 10 13,8 5,4 11,7Si 6.8 15.6 15.0 10 13.8 5.4 11.7
OxydfüllungOxide filling
Magnesium- ,502 ,597 1,68 0,90 ,858 ,832 1,08Magnesium, 502, 597 1.68 0.90, 858, 832 1.08
oxydtLoxydtL
Dolomit- 2,79 2,58 0 1,88 1,95 1,50 1,42Dolomite 2.79 2.58 0 1.88 1.95 1.50 1.42
kalk<Dlime <D
zugefügtes 0added 0
OaCM--'
zugefügtes 0OaCM-- '
added 0
Schlacke*Slag*
Al2O3 43,1 40,0 42,9 50,0 46,5 57,6 55,2 OaO 53,7^ 52,6 48,5 43,8 45,0 38,7Λ 36,9 SiO2 ■ 3,2^ 8,4 8,6 6,2 8,5 3,7© 7,4Al 2 O 3 43.1 40.0 42.9 50.0 46.5 57.6 55.2 OaO 53.7 ^ 52.6 48.5 43.8 45.0 38.7 Λ 36.9 SiO 2 ■ 3.2 ^ 8.4 8.6 6.2 8.5 3.7 © 7.4
hergestellte 3,06 2,87 2,69 2,52 2,52 2,30 2,24 Schlackeproduced 3.06 2.87 2.69 2.52 2.52 2.30 2.24 slag
gewinnbares<\ 62,7 7,4^ 89,8 >90 91,0 97,5 44,2 Al2O5 in -/o ^2J recoverable <\ 62.7 7.4 ^ 89.8> 90 91.0 97.5 44.2 Al 2 O 5 in - / o ^ 2J
hergestellte 2,22 2,04 1,67 >1,39 1,45 0,99 1,68 Abfallschlackeproduced 2.22 2.04 1.67> 1.39 1.45 0.99 1.68 Waste slag
1· Gewichtseinheit pro Einheit des hergestellten Magnesiums.1 x unit weight per unit of the produced magnesium.
2. Die Schlacke in % wird wie folgt berechnet:SiOp+AlpO^+CaO-2. The slag in % is calculated as follows: SiOp + AlpO ^ + CaO-
(OaO gleichwertig dem SiO2, falls vorhanden) = ° 100 °/ot (OAO equivalent to SiO 2, if present) = ° 100 ° / o t
3· 15*0 g Schlacke ausgelaugt mit 11,0 g Na?C0^ in 250 ml Hp0 bei 250C ± 50 in einem Zeitraum von 16 Stunden.3 · 15 * 0 g slag leached with 11.0 g Na ? C0 ^ in 250 ml H p 0 at 25 0 C ± 50 over a period of 16 hours.
4. Die hergestellte Abfallschlacke wird wie folgt berechnet:4. The waste slag produced is calculated as follows:
hergestellte Schlacke-.(Gewicht Al20^)x(^ gewirmbares AIpO^)0 produced slag -. (weight Al 2 0 ^) x (^ wirmable AIpO ^) 0
5· Beispiele 2 und 3 zeigen die Schwierigkeit, die entsteht,5 · Examples 2 and 3 show the difficulty that arises
309844/0446309844/0446
wenn eine Schlacke nicht angemessen kristallisiert ist, um die Gewinnung von Aluminiumoxyd zu verbessern. Die Schlacke #2 wurde nicht langsam genug abgekühlt, um eine ausreichende Kristallisation zu ermöglichen,- während £^3 unter angemessener Kontrolle langsam abgekühlt wurde.if a slag is not adequately crystallized, to improve the extraction of aluminum oxide. Slag # 2 was not cooled slowly enough to produce a to allow sufficient crystallization - while £ ^ 3 cooled slowly under adequate control.
6. Der Siliziumdioxydgehalt dieser Schlacken ist zu niedrig, um eine merkbare Staubentwicklung hervorzurufen, sogar wenn die Schlacke langsam abgekühlt wird. ■ --■■".·._.6. The silicon dioxide content of these slags is too low to cause any noticeable formation of dust, even when the slag is slowly cooled. ■ - ■■ ". · ._.
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