DE2547204C2

DE2547204C2 - Carbothermisches Verfahren zur Gewinnung von Aluminium

Info

Publication number: DE2547204C2
Application number: DE19752547204
Authority: DE
Inventors: Robert Milton Richmond Va. Kibby
Original assignee: Reynolds Metals Co
Current assignee: Reynolds Metals Co
Priority date: 1975-10-22
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1986-01-16
Also published as: DE2547204A1

Description

a) zur Verringerung der Bildung von Aluminiumcarbid der Lichtbogen intermittierend auf die Charge mit einer Periode von 1/120 bis 90 Sekunden angewendet sowie der vom Lichtbogen

b) das unter dem Lichtbogen gebildete flüssige Aluminium, das höchstens 5 Gew.-% Aluminiumcarbid enthält, über den nicht reagierenden Teü<Är Charge abgeführt und gesammelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Teil der nicht umgesetzten Charge auf einer Temperatur unterhalb 1800° Celsius gehalten wird.

3. Verfahren nach den Aussprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Ofenteile, die Kohlenstoff enthalten und die mit dem geschmolzenen Aluminium in Kontakt kommen, auf

Temperaturen unter 1800° Celsius gehalten werden. 30 tentschrift 36 07 221 angegeben. Obwohl das Verfahren

4. Verfallen nach den Ansprüchen 1 bis 3,dadurch nach diesem Patent zu Aluminium in im wesentlichen gekennzeichnet, daß die Chs-ge in der Ofenkammer

auf einen Herd abgelegt wird, der gedreht wird.

5. Verfahren nach den Ansprachen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Ofenkammer ein Druck zwischen 0,1 und i0 bar eingestellt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Aluminium in einem Becken gesammelt wird, das auf einer Temperatur von 670 bis 1800° Celsius gehalten wird.

'einem Zustand führt, werden jedoch außerordentlich hohe Betriebstemperaturen entwickelt, was zu Problemen hinsichtlich des Materials für die Anlagen führt

Es ist in der Technik seit langem bekannt, daß die vorerwähnten Schwierigkeiten hinsichtlich der Reaktion von Aluminium mit Kohlenmonoxid vermieden werden können, wenn das Aluminium sich niemals in einem dampfförmigen Zustand beimdet. Deshalb sollte, <·ο wenn ein Verfahren unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß Aluminium im flüssigen Zustand erhalten wird, dieses Verfahren frei von Rückreaktionsprodukten sein.

Keines dieser Verfahren, bei welchen Aluminium im

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung 45 flüssigen Zustand erzeugt wird, war jedoch erfolgreich von Aluminium, bei dem ein offener Lichtbogen be- hinsichtlich der Gewinnung von Aluminium, das von grenzter Heizwirkung auf eine Charge, die neben AIu- Anfang an nur geringe Prozentsätze Aluminiumcarbid miniumoxid Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Verbindun- enthielt. Der Grurd für diesen Nachteil der bekannten gen enthält, gerichtet wird. Verfahren wird leicht verständlich, wenn der Umstand

Von vielen Fachleuten ist große Mühe aufgewendet 50 berücksichtigt wird, daß Aluminiumcarbid in schmelzworden, ein geeignetes thermisches Verfahren zu entwickeln, welches das herkömmliche elektrolytische Verfahren zur Herstellung von Aluminium ersetzen kann.
Die Fachleute sind sich seit langem der vielen theoretischen Vorteile bewußt, welche sich durch die Verwendung eines thermischen ''eduktionsprozesses für die
Herstellung von Aluminium im Gegensatz zu einem
elektrolytischen Verfahren ergeben können. Leider be

flüssigem Aluminium löslich ist und die Löslichkeit von Aluminiumcarbid in Aluminium mit zunehmenden Temperaturen zunimmt. Aluminiumcarbid ist bei einem carbothermischen Reduktionsprozeß entweder infolge des Umstandes vorhanden, daß es als Reaktionspartner eintritt oder inhärent während der Reduktionreaktion gebildet wird. Dies ist dadurch bedingt, daß Aluminium eine hohe Reaktionsfähigkeit mit Kohlenstoff und bestimmten Aluminium-Kohlenstoff-Verbindungen unter

mischen Verfahren zur Herstellung von Aluminium dar- eo Bildung von Aluminiumcarbid hat. Da die bekannten in, daß es keinen Weg gibt, größere Mengen Aluminium Verfahren notwendigerweise bei hohen Temperaturen in einem im wesentlichen reinen Zustand herzustellen. durchgeführt werden müssen, um Aluminium zu bilden.

Es bedarf keiner besonderen Erläuterung, daß die wird durch das erhaltene flüssige Aluminium, obwohl es Schwierigkeit bei der Herstellung von Aluminium bei relativ reaktionsträge gegenüber Kohlenmonoxid ist. den thermischen Verfahren nicht in der Bildung des AIu- 65 jedoch das Aluminiumcarbid gelöst, das ebenfalls inhäminiums durch Reduktion des tonerdehaltigen Erzes be- rent im System vorhanden ist, wodurch ein mit Carbid steht, sondern vielmehr in der Gewinnung des Alumini- verunreinigtes Aluminium erhalten wird. Hierbei ist zu ums in einem im wesentlichen reinen Zustand. Die Pa- erwähnen, daß Aluminium, das eine höhere als eine etwa

steht ein Nachteil bei den bisher vorgeschlagenen ther-

5gew.-%ige Carbidverunreinigung enthält, aus vielen Gründen sehr unerwünscht ist, zu welchen der Umstand gehört, daß es zu einer harten nicht fließfähigen Masse erhärtet, wenn die Temperatur etwas von der Reaktionstemperatur herabgesetzt wird, wodurch sich ernste praktische Schwierigkeiten hinsichtlich der Oberführung von einer Stelle zn anderen, ausgenommen bei hohen Temperaturen, ergeben. Zusätzlich muß berücksichtigt werden, daß, wenn das erzeugte Aluminium mit mehr als etwa 5 Gew.-% Aluminiumcarbid verunreinigt ist, die zusätzliche Energie, die für nachfolgende Rückführungsvorgänge aufgewendet werden muß, das Verfahren wegen des Leistungsverbrauchs unwirtschaftlich macht.

Es ist eine ganze Flut von Vorschlägen über verschiedene Wege gemacht worden, Aluminiumcarbid, das sich in Mischung mit dem Aluminium befindet, zu entfernen, und es gibt viele Patente und Artikel in Zeitschriften und dergleichen über diesen Gegenstand. Als Beispiel sei die DE-AS 20 23 443 genannt, wo in einem carbothermischen Verfahren mit offenem elektrischem Lichtbogen ein geschmolzenes Gemisch aus Aluminium und Aluminiumcarbid erzeugt wird. Das unerwünschte Aluminiumcarbid muß aus diesem geschmolzenen Gemisch entfernt werden, was dadurch geschieht, daß die Schmelze abgekühlt wird, damit sich das Aluminiumcarbid unter Bildung von kleinen zellförmigen Schalen verfestigt. Das innerhalb dieser zellförmigen Schalen begrenzte Aluminium, das noch in geschmolzenem Zustand ist, soll dann aus den Spalten der zellförmigen Schalen ausfließen, oder ausschwitzen können.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde ein carbothermisches Verfahren zur Gewinnung von Aluminium bereitzustellen, das von Anfang an keine wesentliche Menge Aluminiumcarbid enthält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein carbothermisches Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich fundamental von dem bekannten Verfahren nach der DE-AS 20 23 443. in dem es versucht, die Bildung von Aluminiumcarbid in der Reaktionszone überhaupt zu unterbinden. Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, daü das in der Reaktionszone in situ gebildete Mluminium eine hohe Reaktionsfähigkeit mit Kohlenstoff und bestimmten Aluminium-Kohlenstoff-Verbindungen unter Bildung von Muminiumcarbid hat. wobei die Löslichkeit von Aluminiumcarbid in Aluminium mit zunehmenden Temperaturen zunimmt. Es gilt demnach, das in der Reaktionszone gebildete Aluminium schnellstmöglich abzuziehen, um diese Reaktion mit Kohlenstoff zu Aluminiumcarbid und die Lösung von Aluminiumcarbid im Aluminium zu unterbinden. Dies gelingt mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Maßnahmen.

Zunächst ist zu erwähnen, daß die Erfindung grundsätzlich ein Doppeltemperaturverfahren ist, d. h. Aluminium wird in einer ersten Hochtemperatur-Rcaktionszone gebildet und dann bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur gesammelt. Die niedrige Temperatur, bei welcher Aluminium gesammelt wird, ist so gewählt, daß es physikalisch unmöglich ist, Aluminiumcarbid durch das Aluminium aufgelöst wird, da. wie erwähnt, die Fähigkeit von Aluminium nicht umgesetztes Aluminiumcurbid zu lösen streng eme Funktion der Temperatur ist. Das Aluminium wird daher bei der einen Temperatur erzeugt und kann über eine kühle nicht umgesetzte Charge zu einer zweiten Zone fließen, die auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur gehalten wird, bei welcher das Aluminium physikalisch nicht in der Lage ist, Aluminiumcarbid in wesentlichen Mengen aufzulösen.

Ein außerordentlich wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Art der Wärme, die der ersten Zone zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert absolut und positiv den Umstand, daß nur ein kleiner Teil der Charge auf die Reaktionstemperatur zu einer gegebenen Zeit erhitzt wird, während der größte Teil der Charge auf einer Temperatur bleiben muß, die wesentlich niedriger als die Reaktionstemperatur ist. Dieses Erfordernis steht im absoluten Gegensatz zu den bisher angewendeten Verfahren. Es fällt sofort auf, daß, wenn jemand einen thermischen Vorgang durchführt, es nahezu logisch erscheint, daß eines der Hauptziele darin besteht, die Charge in der Reaktionszone auf .'-.; Reaktionstemperatur so rasch wie möglich und so gleichmäßig wie möglich zu erhitzen, um eine vollständige Reaktion sicherzustellen. Es ist daher nicht überraschend, daß bisher danach gestrebt wurde, dies zu erreichen. Es wurde nun festgestellt, daß wenn in der Tat diese gleichmäßige Erhitzung wie vorangehend beschrieben durchgeführt wird, Aluminium im reinen Zustand einfach nicht erhalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird keine gleichmäßige Erhitzung einer Charge vorgenommen und in der Tat befindet sich am heißesten Teil der Reaktionszone der größte Teil der Charge zu keiner Zeit auf der Reaktionstemperatur.

In der Tat ist die gleichmäßige Erhitzung großer Teile des Chargenmaterials auf die Reaktionstemperatur vielleicht der Hauptgrund, warum es bisher nicht gelungen ist, im wesentlichen reines Aluminium :rc einem carbothermischen Verfahren zu gewinnen. Der Grund erscheint bei näherer Überlegung offensichtlich. V-'enn die ganze Charge auf die Reaktionstemperatur erhitzt wird, muß das Aluminium, das sich bildet, und über die Charge fließt, mit dem Kohlenstoff und dem Aluminiumcarbid Kontakt erhalten, die inhärent im Ofen bei erhöhter Temperatur vorhanden sind.

Es wurde nun festgestellt, daß Aluminium mit einer geringen Verunreinigung durch Aluminiumcarbid in einem einzigen Ofengang hergestellt werden kann, vorausgesetzt, daß das Chargenmaterial ungleichmäßig erhitzt wird. d. h., daß im wesentlichen nur die Oberfläche der Charge so erhitzt wird, daß dieses an der Oberfläche erhitzte Material Aluminium erzeugt, worauf man das Aluminium über den nicht umgesetzten Teil der Charge, der nicht eine erhöhte Temperatur hat, fließen läßt, so daß js im wesentlichen unmöglich gemacht wird, daß das kondensierte Aluminium Aluminiumcarbid löst. Sodann wird natürlich ein anderer Teil der Charge der hohen Hitze ausgesetzt und der Zyklus fortgesetzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Ofen, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Der Ofenmantel 1 ist mit einem Deckel 2 und Schaurobren 3, 13. versehen. Zugangsrohre 4 und 5 könnet; ebenfalls vorgesehen werden. Die Isolierung ist bei 6 und 7 gezeigt. Der Schmelztiegel 8 ist mit dem positiven Anschluß einer Gleichstromquelle durch einen Graphitstab 9 verbunden. Die negative Elektrode 10 ist durch eine Bewegungsschraube 12 vertikal verstellbar und ven dem Ofendeckel 2 durch eine elektrisch nicht leitende Vaku-

umstopfbüchse 11 isoliert.

Fig. 2 zeigt die Gestaltung eines Plasmalichtbogens zur Gleichstromenergieübertragung auf die Charge, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann;

Fig.3 zeigt eine weitere Gestaltung eines Plasmalichtbogens, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, wobei der Lichtbogen zur Halbwellen-Gleichstromübertragung vorgesehen ist:

Fig. 4 zeigt einen Ofen, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Plasmalichtbogengestaitung geeignet ist.

Wie erwähnt, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren einen Zweitemperaturenbetrieb, eine Hochtemperaturzone, in welcher die Reaktion zur Gewinnung von Aluminium betrieben wird, und eine Niedertemperaturzone für den Transport und das Sammeln von Aluminium, wobei dieses an einer wesentlichen Auflösung von nicht umgesetztem Carbid gehindert wird.

Der Ofen wird mit einem aluminiumoxidhaltigen Material, gemischt mit einer kohlenstoffhaltigen Verbindung beschickt, die vorzugsweise Aluminumcarbid und/ oder Kohlenstoff ist. Da im wesentlichen reines Aluminium erzeugt werden soll, ist das aluminiumoxidhaltige Material vorzugsweise Aluminiumoxid von einem hohen Reinheitsgrad, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren in gleicher Weise mit unreinen Formen von Tonerde und Aluminiumoxidcarbiden durchführbar und enthält, obwohl das erhaltene Produkt frei von Carbidverunreinigungen ist, die normalerweise in den Aluminiumoxiderzen vorhandenen Verunreinigungen.

Das Verhältnis der aluminiumoxidhaltigen Verbindungen zu den kohlenstoffhaltigen Verbindungen wird vorzugsweise so eingestellt, daß die zusammengesetzte Charge ein I : 1 ±0,05 Atomverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei jedem Druck durchgeführt werden, der höher als etwa 0,1 bar ist. Es wurde festgestellt, daß bei Drücken unter etwa 0,1 bar flüssiges Aluminium nicht unter besonders günstigen Bedingungen hergestellt wird. Andererseits ergibt sich aus thermodynamischen Erwägungen, daß die Verdampfungsverluste abnehmen, wenn der Druck über etwa 0,1 bar zunimmt. Die Verwendung höherer Drücke erfordert jedoch eine Einrichtung, mit der solche Drücke gehandhabt werden können, woraus sich ergibt, daß die Wahl eines Druckes über etwa 1,0 bar erfordert, daß ein wirtschaftliches Gleichgewicht zwisehen dem Energieverlust durch Verdampfung und den Kosten der Anlage hergestellt wird. Im allgemeinen liegen brauchbare Drücke für das erfindungsgemäße Verfahren in einem Systemdruckbereich von etwa 0,5 bis 10 bar, wobei I —5 bar bevorzugt sind.

Ferner ist zu erwähnen, daß bei einer Ausführungsform der Erfindung, die nachstehend näher beschrieben wird, die Verwendung eines Plasmabrenners vorgesehen ist. In einer solchen Situation übt der Brenner selbst einen Druck aus, der von der Leistungsdichte abhängt. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der Druck unmittelbar unterhalb des Brenners an der Reaktionsstelle höher sein kann als in einem gewissen Abstand vom Brenner.

Bekanntlich sind die besonderen Drücke und Temperaturen. die zur Anwendung kommen, gegenseitig voneinander abhängig, wie sich aus den elementaren Erkenntnissen der Geseize der Thermodynamik ergibt. Es gibt in der Literatur Werke vieler Autoren, welche Temperaturen angeben, die für verschiedene Drücke notwendig sind. Die genauen Temperaturen, zu denen angegeben wird, daß sie für einen gegebenen Druck notwendig sind, schwanken je nach der Interpretation der thermodynamischen Daten durch den Autor. Im allgemeinen ist jedoch eine Temperatur von etwa 2500° K für den Betrieb bei 1 bar notwendig. Es ist daher vom praktischen Gesichtspunkt aus schwierig, die genaue Temperatur anzugeben, die zur Weiterführung der Reaktion bei einem gegebenen Druck notwendig ist. Zusätzlich und was vielleicht von gößerer Bedeutung ist, ist eine solche Angabe besonderer Temperaturen von keiner praktischen Bedeutung, da in dem eigentlichen Ofenbetrieb die zur Messung der Temperatur verwendeten Instrumente nach optischen Prinzipien arbeiten und die Charge dem Blick durch das Vorhandensein der Elektroden entzogen ist. Die Temperaturen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, können dadurch beschrieben werden, daß angegeben wird, daß für einen gegebenen Druck eine ausreichende Wärme verwendet werden muß. um die Reaktion weiterzuführen, jedoch eine zu hohe Temperatur zur Folge hat, daß das entstehende Aluminium aus dem Ofen heraus verflüchtigt. Vom praktischen Gesichtspunkt aus gesehen absorbiert jedoch die Reduktion von aluminiumhaltigen F.rzen zur Gewinnung von Aluminium Wärme und die Reaktion selbst regelt die Temperatur.

Es wurde festgestellt, daß unabhängig von allen vorerwähnten Prinzipien hinsichtlich Temperatur und Druck es eine sehr einfache Art und Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt. Es wurde festgestellt, daß eine genaue Regelung der Reaktion dadurch erreicht werden kann, daß ein nackter Lichtbogen, wie nachfolgend beschrieben wird, zur Oberfläche der zur reduzierenden Charge gezündet und die elektrische Dichte des die Charge beaufschlagenden Lichtbogens geregelt wird. Es wurde festgestellt, daß, wenn die elektrische Dichte zwischen 1,55 bis 7.75 kw/ cm² der durch den Lichtbogen beaufschlagten Charge gehalten wird, die Reaktion in einer wünschenswerten Weise vor sich geht. Wenn die Lichtbogendichte ihren unteren Schwellenwert überschritten hat, wird durch das Eintreten der Reaktion selbst die Temperatur bei höheren Lichtbogendichten geregelt, da die Reaktion Wärme absorbiert.

Unter der Bezeichnung »elektrische Dichte« je Quadratzentimeter der Charge soll die dem Lichtbogen zugeführte elektrische Gesamtenergie (d. h. Ampere χ Volt) geteilt durch die Fläche der Charge, .ie von dem Lichtbogen beaufschlagt wird, verstanden werden. Hinsichtlich der Verwendung eines Plasmabrenners lassen die Berechnungen der elektrischen Dichte die innere Energiezufuhr unberücksichtigt und berücksichtigen nur den Übertragungsstrom.

Ein geeignetes Verfahren zur Messung der durch den Lichtbogen beaufschlagten Gesamtfläche besteht in der Verwendung eines optischen Instruments. Der durch den Lichtbogen beaufschlagte Teil glüht und seine Fläche kann gemessen werden. In dem Fall, in welchem die Oberfläche der Charge unregelmäßig ist, kann eine solche Fläche dadurch gemessen werden, daß man den Lichtbogen zur Sohle des Ofens ohne eine eingebrachte Charge springen läßt.

Wie erwähnt, besteht einer der kritischen Punkte des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Umstand, daß die Charge, die der ersten Hochtemperaturzone zugeführt wird, keinen Zustand gleichmäßiger Wärme er-

reicht, wie dies bei den bekannten Verfahren der Fall war. Aus den vorangehend dargelegten Gründen scheint es ziemlich naheliegend zu sein, daß das im System gebildete Aluminium die Charge nach unten fließt und, wenn die Charge eine erhöhte Temperatur hat, Has Aluminium nicht umgesetztes Aluminiumcarbid auflöst, so dafJ ein mit Kohlenstoff verunreinigtes Produkt erhallen -wird.

Es wurde nun festgestellt, daß eine geeignete Methode zum Erzielen dieser Art von Heizung, um die es sich bei der Erfindung handelt, in der Verwendung eines niickten Lichtbogens besteht, bei welchem die verstellbare Elektrode mit Bezug auf die umzusetzende Charge negativ ist. Die Bezeichnung »nackter Lichtbogen« wird hier zur Bezeichnung eines Lichtbogens von einer Elektrode verwendet, die nicht in körperlichem Kontakt mit der umzusetzenden Charge steht. Bei dieser Ausführungsform wird eine Beschickung in den Ofen gebracht und ein nackter Lichtbogen von einer geeigneten Elektrode aus. beispielsweise von einer herkömmlichen Graphitelektrode aus. gezündet. Wenn die elektrische Energie des Lichtbogens derart ist, daß sie eine elektrische Dichte von 1.55 bis 7.75 kW/cm² der durch den Lichtbogen beaufschlagten Beschickung erzeugt und vorzugsweise 3.9 bis 5.5 kW/cm², wird die Oberfläche der Beschickung auf die gewünschten Temperaturen erhitzt. Durch diesen Umstand allein wird jedoch nicht sichergestellt, daß die Beschickung nicht in gleichmäßiger Weise erhitzt wird. Es wurde festgestellt, daß um dies zu erreichen, der Lichtbogen ein intermittierender Lichtbogen sein soll, d. h. er soll für eine gegebene Fläche der Beschickung während eines Zeitraums eingeschaltet und während eines Zeitraums abgeschaltet sein.

Diese Art von Arbeitsweise wird nachfolgend als intermittierender Betrieb bezeichnet, unter welcher Bezeichnung zu verstehen ist, daß ein besonderer Teil der Beschickung einer direkten elektrischen Beheizung durch einen nackten Lichtbogen nur während 10—50% der Gesamtzeit unterzogen wird. So kann beispielsweise der Lichtbogen zu einer Beschichtung während eines Zeitraums von 1 Minute betrieben und dann für zwei Minuten abgeschaltet werden, hierauf von neuem für eine weitere Minute unterhalten werden usw. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es wünschenswert, daß der Lichtbogen während eines Zeitraums im Bereich von 1/120 bis 90 Sekunden in Betrieb ist und sodann während geeigneter Zeiträume abgeschaltet wird, derart, daß die Beheizung nur von 10—50% der Gesamtzeit erfolgt

Es gibt natürlich auch andere Möglichkeiten, dieses intermittierende Beheizen zu erzielen als das bloße An- und Abschalten des Lichtbogens. So können z. B. mehrere Elektroden über einen ziemlich weiten Oberflächenbereich verwendet werden und jede Elektrode während geeigneter Zeiträume innerhalb der vorstehend angegebenen Richtlinien an- und abgeschaltet werden. Außerdem kann die Elektrode kontinuierlich in Betrieb gehalten werden, jedoch über die Oberfläche eines Beschickungsgutes durch mechanische Mittel bewegt werden derart, daß die Gesamtzeitdauer, während welcher der Lichtbogen einen besonderen Oberflächenbereich beaufschlagt, zwischen 10 und 50% der Gesamtzeit beträgt. In gleicher Weise kann die Elektrode kontinuierlich in Betrieb gehalten und die Beschickung durch mechanische Mittel in den bzw. aus dem Lichtbogen bewegt werden und zwar in der Weise, daß der Lichtbogen eine gegebene Fläche während 10—50% der Gesamtzeit beaufschlagt

Es wurde festgestellt, daß es vorteilhaft ist, einen nackten Gleichstromlichtbogen zu verwenden, bei welchem die verstellbare Elektrode mit Bezug auf die Beschickung negativ ist. Der Grund hierfür besteht darin. daß die negative Elektrode weniger Wärme beim Emittieren von Elektronen aufnimmt als die anodische Beschickung. Bei einem Gleichstromlichtbogenbeirieb, bei welchem die bewegliche Elektrode negativ ist, nimmt die Beschickung den größten Teil der Wärme auf jnd

ίο bleibt die Elektrode ausreichend kühl, um eine übermäßige Verflüchtigung von Kohlenstoff zu vermeiden. Hierdurch wird die Gelegenheit auf ein Mindestmaß herabgesetzt, daß heißer Kohlenstoffdampf mit dem kondensierten Aluminiumprodukt in Kontakt kommt.

wobei es Aluminiumcarbid bilden kann, das seinerseits in dem Aluminiumprodukt rasch in Lösung geht.

Es wurde festgestellt, daß eine Graphitelektrode die mit Bezug auf anodisches Aluminium negativ ist, Aluminium schmelzen kann, ohne daß mehr als 0,Wo AI₄Cj in das Aluminium gelangt.

Der offene Lichtbogen wird als wünschenswert betrachtet, da die Oberflächentemperatur der Beschikkung Gelegenheit hat, bei der Unterbrechung des Lichtbogens rasch abzunehmen, so daß der größte Teil der Beschickung auf der erforderlichen niedrigen Temperatur als Folge des Wärmeübergangs zu kälteren Teilen des Ofens während der Perioden der Lichtbogenunterbrechung bleiben kann. Während des vorangehend beschriebenen Hochtemperaturbetriebs wird das gebildete Kohlenmonoxid aus dem System entfernt, während sich das Aluminium in einem kondensierten Zustand befindet, so daß für praktische Zwecke im wesentlichen keine Aluminiumverbindungen durch Rückreaktion entstehen.

Die zweite Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das kondensierte Aluminium bei einer solchen Temperatur zu entfernen, daß wesentliche Mengen Aluminiumcarbid in diesem einfach nicht gelöst werden können. Die Temperatur der zweiten Stufe soll 125O⁰C nicht überschreiten und vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 670— 1000^Q C liegen.

Eine Methode, dies zu erreichen, besteht darin, daß innerhalb des Ofens ein flüssiges Aluminium-Schmelzbad aufrechterhalten wird und die Beschickung auf dieses aufflotiert wird, die Beschickung in der vorangehend beschriebenen Weise so erhitzt wird, daß sich Aluminium in kondensiertem Zustand bildet, und dann das gebildete Aluminium in das flüssige Aluminiumschmelzbad fließen kann, das auf den vorstehend angegebenen Temperaturen gehalten wird. Bekanntlich ist ein flüssiges Metall ein ausgezeichneter Wärmeleiter, der Wärme vom Lichtbogen und der Beschickung zu Bereichen bringt, von welchen die Wärme durch die Ofenwände, Dach und Boden in rascher Weise abgeleitet werden kann, wodurch die notwendigen Temperaturregelungen sichergestellt werden.

Hierbei ist jedoch zu erwähnen, daß die Aufrechterhaltung eines flüssigen Schmelzbades aus Aluminium eine wirksame Methode ist, die vorangehend beschriebene Temperaturregelung sicherzustellen, aber auch noch andere Möglichkeiten vorhanden sind, dies zu erreichen, so daß die Aufrechterhaltung eines flüssigen Schmelzbades aus Aluminium für das erfindungsgemäße Verfahren nicht absolut kritisch ist.

Es wurde beispielsweise festgestellt, daß die Wirkung eines nackten Lichtbogens eine Tendenz hat, das gebildete Aluminium von der nicht umgesetzten Beschikkung wegzublasen, so daß das kondensierte Aluminium

rasch abkühlt und, wenn es sich über die nicht umgesetzte Beschickung bewegt, eine ausreichend niedrige Temperatur hat und daher nicht wesentliche Mengen Aluminiumcarbid auflösen kann.

Das gebildete Aluminium kann ferner von der nicht umgesetzten beschickung in einfacher Weise durch mechanische Mittel entfernt werden. So kann beispielsweise ein schräger Herd in der Weise verwendet werden, daß das gebildete kondensierte Aluminium sofort aus der Reaktionszone fließt und abgekühlt wird, so daß, wenn es sich über die nicht umgesetzte Beschickung bewegt, es eine ausreichend niedrige Temperatur hat, um die Auflösung wesentlicher Mengen Aluminiumcarbid zu verhindern. Andere Methoden, mit denen das gleiche Ergebnis erzielt werden kann, verwenden einen Zweietagen-Ofenherd derart, daß die obere und die untere Etage des Ofenherdes über Kanäle verbunden ist. die ausreichend groß sind, damit Aluminium von der oberen Etage zur unteren fließen kann, jedoch ausreichend klein, um zu verhindern, daß die Beschickung aus der einen Etage zur anderen gelangt. Wenn das Beschikkungsgut, das sich in der höchsten Etage befindet, durch den Lichtbogen beaufschlagt wird und flüssiges Aluminium gebildet wird, fließt das kondensierte Aluminium durch die Beschickung in die zweite Etage des Ofenherdes, in welcher sich kein Aluminiumcarbid befindet, mit dem es in Kontakt kommen kann.

Damit das erfindungsgemäße Verfahren wirksam werden kann, ist es erforderlich, daß das erzeugte flüssige Aluminium über eine nicht umgesetzte Charge fließt und diese eine Temperatur unter etwa 1250°C und vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von 670— 1000°C hat. Andererseits kann, nachdem das kondensierte Aluminium sich von der nicht umgesetzten Charge oder anderen Kohlenstoffquellen entfernt hat. es natürlich eine beliebige Temperatur haben, da keine r.icht umgesetzte Charge oder Kohlenstoffqueüe vorhanden ist und damit auch kein Aluminiumcarbid. das durch das Aluminium aufgelöst werden kann.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß. da ein nackter Lichtbogen verwendet wird, es möglich ist, einen geschlossenen Ofen zu verwenden statt einen, der der Außenluft ausgesetzt ist. Die Verwendung eines geschlossenen Ofens hat vom Gesichtspunkt der Umgebung aus gesehen einen zusätzlichen Vorteil, da die Charge ganz wesentlich vermindert wird, die behandelt werden muß. um Verschmutzungen aus diesen zu entfernen und damit den Umweltnormen gerecht zu werden. Der geschlossene Ofen ermöglicht ferner die Ausnutzung der Heizwerte des durch das Verfahren freigesetzten Kohlenmonoxids. Daher ist, obwohl es nuht notwendig ist, für das erfindungsgemäße Verfahren einen geschlossenen Ofen zur Gewinnung von Aluminium zu verwenden, die Verwendung eines geschlossenen Ofens mit zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteilen hinsichtlich der Umweltbedingungen und der Energieeinsparung verbunden, wodurch insgesamt der Anreiz zur Anwendung des Verfahrens erhöht wird.

Wie erwähnt, muß zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein nackter Lichtbogen verwendet werden und obwohl ein solcher nackter Lichtbogen unter Verwendung herkömmlicher Graphitelektroden in der vorangehend beschriebenen Weise erzeugt werden kann, besteht eine bevorzugte AusfOhrungsform der Erfindung in der Verwendung von Plasmabrennern zur Bildung des nackten Lichtbogens.

Obvvohl die Verwendung von Graphitelektroden Wärme mit eir.er geeigneten Leistungsdichte liefert und eine Druckgaswirkung erhalten wird, welche das Bestreben hat, das erzeugte Aluminium an der Oberfläche der Charge von dieser wegzubewegen, leidet sie unter dem Nachteil, daß sie eine kleine Menge Kohlenstoff in das Produkt einbringt. Wie erwähnt, wurde festgestellt, daß eine Graphitelektrode mit Bezug auf anodijches Aluminium Aluminium schmelzen kann, ohne daß dem Aluminium mehr als etwa 0.3 Gew.-% Aluminiumcarbid zugesetzt werden. Die Verwendung von Graphitelcktroden hat jedoch einen weiteren praktischen betrieblichen Nachteil insofern, als wenn der Lichtbogen erlischt, der einzige mögliche Weg, von neuem einen Lichtbogen von dieser Leistungsdichte zu bilden, darin besteht, die Elektrode so weit abzusenken, daß sie· die Charge berührt und elektrischen Kontakt mit dieser erhält. Dies kann Schwierigkeiten zur Folge haben, wenn nämlich Charge an der Elektrode hängenbleibt. Wenn zu viel Charge an der Elektrode hängenbleibt, werden die elektrischen Entladungseigenschaften der Elektrode zum Nachteil des Gesamtbetriebs verändert. Um solche Probleme zu vermeiden, muß eine sorgfältige Regelung für den zwischen einer Kohle- oder Graphitelektrode und der Charge geschlagenen Lichtbogen ausgeübt werden.

Durch die Verwendung eines Plasmabrenners werden die vorerwänten Schwierigkeiten beseitigt, die auftreten können, wenn herkömmliche Graphitelektroden verwendet werden, da natürlich dem Produkt kein Kohlenstoff zugesetzt wird, und der Plasmastrahl hat den Vorteil, daß der Lichtbogen auch dann gebildet werden kann, wenn die Strahldüse völlig von der Nähe der Charge entfernt ist. Zusätzlich kann, wenn der Strahl aus irgendeinem Grunde erlischt, dieser wieder hergestellt werden, ohne daß ein körperlicher Teil der strahlenbildenden Einrichtung in Kontakt mit der Charge ^CursCni wir*j. χ-ΐπ weiterer »orten utrs riasrnästräms besteht darin, daß zusätzlich zu der normalen Wirkung der Lichtbogensäule, das erzeugte Aluminium von der Charge wegzudrängen, der Strahl eine zusätzliche Gasströmung enthält (was ein wesentliches Merkmal des Betriebs von Plasmastrahlen ist), und diese zusätzliche Gasströmung erhöht die Wirkung des Lichtbogcnstrahls, das Aluminiumprodukt von der Stelle der Reaktion zu entfernen, so daß es rasch abkühlen und keine wesentlichen Mengen nicht umgesetzter Charge auflösen kann.

Ein noch größerer Vorteil läßt sich bei der Verwendung von Plasmastrahlen erzielen, wenn zusätzliche

so Stromkreise vorgesehen werden, bei welchen eine zweite Stromversorgung zwischen dem Kathodenelement des Plasmastrahls und dem Herd geschaltet ist, so daß die Lichtbogensäule nicht von einer negativen Elektrode zur Strahldüse gezogen vird, sondern stattdessen von der negativen Elektrode zum Herd. Bei dieser Arbeitsweise fließt sehr wenig Strom zur Düse. Der größte Teil des Stroms fließt zum Herd. An der Stelle der Reaktion wird eine sehr hohe Heizwirkung erhalten, obwohl die Düse des Strahls sich in einem beträchtlichen Abstand (von beispielsweise 7,5—15 cm) von der Charge befinden kann. Dies ergibt reichliche Möglichkeit für die Charge, sich unter dem Strahl zu bewegen, ohne daß sie durch das Gehäuse der Strahleinrichtung berührt wird.

Wenn aus irgendeinem Grunde der Übertragungs-

ö5 strom, u. h. der Strom von der negativen Elektrode des Strahls zum Herd unterbrochen wird, hält die Stromversorgung des inneren Strahls den Strahl be^; normalem Plasmastrahlbetrieb zwischen der negativen Elektrode

und der positiven Strahldüse aufrecht. Dies dient dann al:; Anzeigeleuchte zur Wiederherstellung des Strahls durch die /weite Stromversorgung zum Herd zum gewünschten Zeitpunkt, ohne daß der Strahl körperlich mit Bezug auf den Herd bewegt werden muß.

Das Starten und Stoppen der Übertragungsenergic /wischen der negativen Elektrode und dem Herd kann so rasch geschehen, z. B. mit einer Periode von 60 Hz. In der Tat besteht eine der bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Plasmastrahlanwendung in der Verwendung von Halbwellen-Gleichsiromenergie (ein 60 H/ Halbwcilengleichstrom) /ur Leistungsübertragung. Auf diese Weise findet während einer Halbperiode die Übertragung bei negativer Innenelektrode des Plasmabrenners und bei positivem Herd statt. Bei der Umkehrung der Spannung der Wechselstromversorgung wird durch Gleichrichtung der Übertragungsstrom vom Herd zurück zur Innenelektrode des Strahls blockiert.

Bei dieser Art von Halbwellenübcrtragung zwischen der Innenelektrode des Strahls und dem Herd beträgt die Spitzenleistung, die der Zielfläche, nämlich der Stelle der Reaktion, zugeführt wird, etwa das Vierfache der der Zielfläche zugeführten Durchschnittsleistung. Die Heizwirkung des Piasmastrahis auf die Charge ist unbedeutend, wenn der Lichtbogen nicht auf die Charge übertragen wird im Vergleich zu den Bedingungen, wenn der Lichtbogen übertragen wird. Daher kann während der Halbperiode, während welcher der Lichtbogen nicht auf die Charge übertragen wird, die Charge Wärme an die relativ kühlen Wände des Ofens (z. B. 1200"C) abstrahlen. Es läßt sich daher ohne weiteres erkennen, daß die tehr hohe Temperatur, welche für die Reaktion (2300⁰C) erforderlich ist. nur in der sehr dünnen Schicht auftritt, wo der Strahl die Charge beaufschlagt, während nach unten im Chargenkörper und in (Jen umgebenden Teilen der Beschickung die Temperatur viel niedriger ist. Die Hochtemperaturzone ist nur einen kleinen Bruchteil eines Zolls dick, wenn eine Halbwellen-Gleichstromstrahlübertragung a· wendet wird.

Bis jetzt ist noch kein gangbarer Weg aufgezeigt worden, um eine einfache Kohleelektrode eine Halbwellen-Gleichstromübertragung durchführen zu lassen. Wenn der Lichtbogen infolge der Rückführung der Spannung auf Null erlischt, muß er nach der gleichen Methode wieder gezündet werden, was bei einer Kohle- oder Graphitelektrode unpraktisch ist.

F i g. 2 und 3 zeigen die Gestaltung eines Plasmabrenners, der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann.

Sowohl in F i g. 2 als auch in F i g. 3 bezeichnet 14 die Öffnung des Plasmastrahlgehäuses, 15 das Gehäuse, 16 die Kathode bzw. die emittierende Elektrode des Plasmastrahls, die vom Gehäuse 15 durch eine Isolierung 22 isoliert ist.

Bei einer herkömmlichen Plasmastrahlanwendung liefert die Stromversorgung 19 eine negative Spannung an die Elektrode 16 mit Bezug auf die Düse 14 und das Gehäuse 15. Die Elektronen, die von der Spitze der Elektrode 16 emittiert werden und die Kraft des Gases zwischen der Düse und der Elektrodenspitze verhindert und direkte Entladung zwischen der Elektrode 16 und der Düse. Stattdessen strömen die Elektroden heraus und kommen dann zurück, um an der Düse 14 zu haften, so daß sich ein bleistiftspitzenförmiger Strahl ergibt, der unabhängig von irgendeiner anderen Anodenfläche ist. Mit anderen Worten, dieser Strahl besteht und wird aufrechterhalten, ohne daß irgendeine andere Anodenfläche herum angeordnet ist.

Wenn bei der Anordnung nach Fig. 2 eine zweite Stromversorgung 20 zwischen der Elektrode 16 und eincr anderen elektrisch leitenden Fläche 18 jcscha'let ist und eine extra Gleichspannung, z. B 100 Volt, von der Stromversorgung 20 über einen Schalter 21 angeschaltet wird, fließt der Plasmastrahl statt zwischen der Elektrode 16 und der Düse 14 nun zwischen der Elektrode 16

ίο und der Zielfläche 18. Wenn sich die Charge 17 innerhalb der Zielfläche des Übertragi'ngslichtbogcns befindet, wird sie rasch und wirksam erhitzt, wobei sie den größten Teil der im Lichtbogen zugeführten Energie aufnimmt. Bei der Wirkungsweise der Übertragung unier Verwendung einer zweiten Stromversorgung 20 wird die Charge viel wirksamer und rascher als bei dem einfachen herkömmlichen Plasmabrenner erhitzt, der in die Nähe der Charge gebracht werden muß.

F i g. 3 zeigt wie eine Haibweiienübertragung angewendet werden kann. Auch in diesem Falle hält die Stromversorgung 19 den Lichtbogen aufrecht, wenn die zweite Stromversorgung 23 und 24 keine Leistung zwischen der Elektrode 16 und der Charge 17 zufüh.t. Wenn die Wechselspannung durch den Transformator 23 in einer solchen Richtung verläuft, daß sie ihren Weg über einen Gleichrichter 24 nimmt, um die Elektrode 16 mit Bezug auf die Fläche bzw. den Herd 18 und die Charge 17 negativ zu machen, wird während dieser Halbperiode Strom von der negativen Elektrode 16 auf

jo die Charge übertragen, wodurch dieser Wärme zugeführt wird. Bei der Umkehrung der Wechselspannung durch den Transformator 23 derart, daß sie die Elektrode 16 mit Bezug auf den Herd 18 positiv machen würde, sperrt der Gleichrichter 24 den Stromdurchgang und erlischt die Lichtbogenübertragung. Der Lichtbogen kehrt dann zu dem herkömmlichen Plasmastrahlmodus

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Düse 14 gezogen und durch die Stromversorgung 19 aufrechterhalten wird.

Wie erwähnt, besteht der Vorteil dieser Art von Lichtbogenübertragung in dem Umstand, daß die Chargenoberfläche auf eine Temperatur (von beispielsweise 2300⁰C) erhitzt wird, die ausreichend hoch is', daß die Reaktion zwischen dem Aluminiumoxid und dem Kohlenstoff weiterläuft, um Aluminium im kondensierten Zustand und Kohlenmonoxid zu erzeugen, jedoch wird während der Rückwärtshälfte der Wechselstromperiode, während welcher der Gleichrichter 24 den Stromdurchgang sperrt, die Charge nicht erhitzt und strahlt sie Wärme an die Umgebung ab, deren Temperatur bei etwa 1200°C liegt. Der innere Teil der Charge bleibt daher verhältnismäßig kühl, ein Zustand, der wesentlich ist, um die Aufnahme von Carbid durch das erzeugte Aluminium zu vermeiden. In gleicher Weise werden die umgebenden Chargenteilchen, die nicht durch den Lichtbogen bei seiner Übertragung beaufschlagt werden, nicht auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend hoch ist, um Aluminiumcarbid dem Aluminium einzuverleiben, das sich über dieses auf seinem Weg zum Bereich des Ofens wälzt, in welchem das erzeugte Aluminium bis zum Abziehen gehalten wird.

Die folgenden Beispiele zeigen den für die Durchführung der Erfindung gegenwärtig als besten betrachteten Modus:

Beispiel 1
Der Ofen war so gebaut, daß eine elektrische Licht-

bogenheizung unter einem Vakuum oder einer geregelten Atmosphäre verwendet werden konnte. Der Ofenmantel 1 war aus Stahl und mit einem Deckel 2, Schaurohren 3 und Zugangsrohren 4 und 5 (die bei diesem Experiment nicht verwendet wurden) versehen. Ein gießbares hitzebeständiges Material aus Bubble-Aluminiumoxid 6 und Kohlemehl 7 bildete die Wärmeisolierung. Der Graphitschmelztiegel 8 war mit der positiven Klemme einer Gleichstromquelle durch einen Graphitstab 9 verbunden. Die negative Elektrode 10 war aus Graphit und vom Ofendeckel durch eine elektrisch nichtleitende Vakuumstopfbüchse 11 elektrisch isoliert. Die Elektrode 10 war durch eine Bewegungsschraube 12 vertikal verstellbar. Mit dem Ofendeckel 2 war durch einen Beutelfilter eine nicht gezeigte Vakuumleitung mit einer Vakuumpumpe verbunden, um das Kohlenmonoxid .iii entfernen.

Anfänglich wurde der Ofen durch die Anwendung eines Lichtbogens von 4 kW bei unteratmosphärischem Druck, d. h. bei einem Systemdruck von etwa ^l/j bar gehalten. Der Lichtbogen beaufschlagte eine Fläche, deren Durchmesser mit etwa 19 mm am Schmelztiegel an der Stelle des Stabes 9 geschätzt wurde.

Nachdem der Schmelztiegel ausreichend erwärmt worden war, so daß er nach den Lichtbogenabschaltungen eine dunkle Rotglühhitze zeigte, wurden 443 g schmelzflüssiges Aluminium zugesetzt Der Lichtbogen wurde zu diesem Aluminium während mehrerer Minuten gezogen, um seine Temperatur auf etwa 1000⁰C zu bringen.

Ein Pellet, das etwa 8 g wog, eines Gemisches im Verhältnis von 584 g AUC₃ zu 41,5 g AI₂O₃ von Hüttenqualität, kaltgepreßt mit einem Bindemittel aus 5% Stärke, wurde auf die Oberseite des Schmelzbades aus Aluminium aufnotiert, nachdem das Metall abgestreift worden ■SL Das Pellet wurde unmittelbar unter der negativen Elektrode angeordnet

Der Systemdruck wurde auf den Bereich von 0,75 bis 0,65 bar herabgesetzt Ein Lichtbogen von 30 V und 500 Ampere wurde während 30 Sekunden gezogen, während welcher Zeit festgestellt wurde, daß das Pellet reagiert und Aluminium bildet, das mit dem Ausgangsbad zusammenfloß.

Nach der Abschaltung des Lichtbogens wurde der Ofen auf den atmosphärischen Druck zurückgeführt, wobei Argon durch die Schaurohre strömte, die Schaugläser 13 wurden entfernt und zwei zusätzliche Pellets wurden auf das Metallbad unmittelbar unter der negativen Elektrode nach dem Abstreifen des Bades, um die nicht oxydierte Schmelze freizulegen, aufflotiert. Die Temperatur des Schmelzbades betrug etwa 1100° C.

Die Schaugläser wurden wieder aufgesetzt, der Systemdruck auf 0,75 bis 0,65 bar herabgesetzt und wieder ein Lichtbogen von 15 kW gezogen, um die Überschneidungen des Pellets mit dem Metallbad zu bedecken. Die Lichtbogenzielfläche wurde auf einen Durchmesser von etwa 19 mm geschätzt. Der Lichtbogen wurde während 60 Sekunden aufrechterhalten, während welcher Zeit Aluminium an der freiliegenden Fläche des Pellets und an der Überschneidung des Pellets mit dem Ausgangsschmelzbad gebildet wurde, bis der größte Teil des Pellets verbraucht war und das erzeugte Aluminium mit dem schmelzflüssigen Bad zusammenfloß.

Dieses periodische Verfahren wurde wiederholt, bis 83 g der Charge umgesetzt worden war. Zu keiner Zeit wurde der Lichtbogen für länger als 90 Sekunden betrieben. Die Unterbrechungszeit des Lichtbogens wegen des Ofenbeschickungsvorgangs betrug 2—5 Minu ten zwischen jeder Lichtbogenanwendung. Das schmelzflüssige Bad wurde während des Versuchs auf einer Temperatur zwischen 1000⁰C und 1250⁰C gehalten. Die Systemdrücke veränderten sich zwischen 0.9 und 0,65 bar.

Nach dem Erstarren wurde das Metall entfernt es wog 478 g, was eine Ausbeute von 35 g Aluminium aus einer Charge von 83 g eines Gemisches aus AI2O3/AL4C3 anzeigt Die Oberfläche des Schmelzbades unmittelbar unter dem Lichtbogen war am Ende des Experiments ungestört. Drei Klumpen dieses ungestörten Metalls wurden nach dem AUCj-Gehalt analysiert welche Analyse ergab 0,48 Gew.-%, 0,48 Gew.-% und 0,28 Gew.-% AUC₃. Das erzeugte Ahiminiummetall war von außeror dentlicher Reinheit im Vergleich zu dem Metall, das nach bekannten Verfahren mit einem einzigen Ofengang hergestellt worden war.

Beispiel 2

Der Ofen war der gleiche wie in Beispiel i mit der Ausnahme, daß das Vakuum aus dem Zugangsrohr 4 statt am Deckel gezogen wurde. Dies geschah, um die Schaugläser während des Betriebs rein zu halten.

244 g einer Charge mit der Zusammensetzung 61,2Gew.-% AI4C3 und 38,8 Gew-% Al₂O₃ (verdichtet zu Pellets ohne Stärkezusatz) wurden in 33 Perioden zur Reaktion gebracht Keine Lichtbogenanwendung überschritt 60 Sekunden. Die Mindestverzögerungszeit be- trug 2 Minuten zwischen Lichtbogenanwendungen. Die Lichtbogenintensität betrug etwa 123 kW bei den ersten 27 Perioden. Die kumulative Zeit der Lichtbogenanwendung betrug 0,459 Stunden. Die Gesamtdauer des Versuchs betrug 1,8 Stunden. Als Regel war vorgesehen, daß die maximale Zeit einer Lichtbogenanwendung 60

Sekunden beiragen so!!, die Bedienungsperson jedoch

den Lichtbogen vor Ablauf dieser Zeit beenden würde, wenn die Charge vollständig umgesetzt worden war.

Die Oberfläche des Schmelzbades hatte Temperatu-

AO ren zwischen 823° C und 1180⁰C für alle mit Ausnahme der letzten sechs Lichtbogenanwendungen. Bei manchen der letzten sechs Behandlungsfälle wurde die Leistungsintensität auf den Bereich von 21 —22 kW erhöht und offensichtlich nicht umgesetzte Chargen von vor ausgehenden Arbeitsperioden wurden vollständig um gesetzt Die höchste Temperatur des Produktbades, die nach Beendigung dieser Arbeitsperioden mit höherer Leistung beobachtet wurde, war 1320⁰C. Der Systemdruck während des Betriebs lag im Be reich von 0.8—0,6 bar.

Das Ausgangs-Aluminiumschmelzbad hatte ein Gewicht von 515 g. Das gesamte gewonnene Metall betrug 617 g, so daß die Gewinnung an erzeugtem Metall 102 g betrug.

Die Analyse des erzeugten Aluminiums ergab, daß es nur 2 Gew.-% Aluminiumcarbid enthielt.

Beispiel 3

Dieses Beispiel zeigt die Praxis der Erfindung ohne das Erfordernis, daß die Charge mit einem flüssigen Aluminiumbad zusammengebracht wird. Dieses Beispiel wird in Verbindung mit F i g. 4 beschrieben und verwendet den in F i g. 2 beschriebenen Plasmalichtbogen.

Der Ofen besitzt einen gasdichten Mantel 25. einen drehbaren elektrisch leitenden Herd 18 aus Graphit, einen Verbindungszapfen 26, der gegen den Herd 18 anliegt und Strom zu den Bürsten 27 leitet, welche mit der

positiven Klemme der Gleichstromquelle 20 verbunden sind. Die negative Klemme der Stromversorgung 20 ist mit der Innenelektrode 16 des Plasmabrenners verbunden. Mit der Elektrode 16 ist ferner die negative Klemme der Stromversorgung 19 verbunden, deren positive Klemme mit dem Gehäuse 15 des Plasmabrenners verbunden ist. Mit dem Herd 18 dreht sich ferner ein Unterherd 28, der aus einem feuerfesten Material aus Aluminiumoxid zusammengesetzt ist und eine Form zur Aufnahme des Metalls hat, das durch die Reaktion der Charge unter dem Plasmastrahl erzeugt wird. Der Herd dreht sich mit etwa 0,2 Umdrehungen je Minute Das Gehäuse 15 ist bezogen auf die Mitte des Herdes so versetzt, daß wenn sich der Herd dreht, die Charge unter dem Lichtbogen hindurchtritt, was eine intermittierende Anwendung des Lichtbogens auf die Charge ermöglich L

Chargenbriketts werden aus Massen hergestellt enthaltend Aluminiumoxid, Aluminiumcarbid, Kühle, Ofenkondensat und andere Kohlenstoff-Aluminiumverbindungen aus dem Prozeß mit der einzigen Vorgabe, daß die zusammengesetzte Analyse der Charge ein Atomverhältnis 1 :1 von Kohlenstoff zu Sauerstoff hau

Bei diesem Beispiel besteht die Charge aus einem Ofenkondensat mit der folgenden Analyse:

Aluminium
Sauerstoff
Kohlenstoff

48 kg

14 kg

5 kg

dem 92 kg Aluminiumoxid und 38 kg Kohle zugesetzt wurde. Die zusammengesetzte Endcharge hatte ein A'.on. verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff von 1 :1 und die folgende Analyse:

Dieses mitgeführte Aluminium wird als Ofenkondensat durch einfaches Abkühlen und Filiern aufgefangen und dieses Ofenkondensat wird zum Chargenzubereitungsvorgang zurückgeführt, um mit einer neuen Charge wiederverwendet zu werden.

Eine Analyse der viskosen Masse 30 zeigt eine Aluminiumzusammensetzung an, die 3% Aluminiumcarbid enthält. Nach dem Füllen des Unterherdes 28 mit Produkten der Reaktion des Plasmas auf der Charge 17.

ίο wird der Plasmastrahl bewegt, um die Schmelze 30 zu beaufschlagen, und das Ofengehäuse wird bei 32 geöffnet, um Luft zutreten zu lassen. Die Ofendrehung wird fortgesetzt, die Masse 30 in einen fließfähigen Zustand durch die Wirkung des Lichtbogens zurückgeführt, der vom Plasmabrenner übertragen wird, und etwas Luft wird mit diesem Lichtbogenstrahl mitgeführt, was eine solche Entkohlungswirkung ergibt, daß nach zv ei—drei Umdrehungen des Herdes der Carbidgehalt auf die Höhe herabgesetzt worden ist, bei welchem die Masse 30 mit etwa 90O⁰C fließt. Ein Rückstand aus Aluminiumoxid, Aluminiumcarbid und Aluminium wird von der Masse 30 abgestreift und aus dem Ofen zur Rückführung als Teil der Zusammensetzung der Beschickungspellets zusammen mit dem Ofenkondensat entfernt. Et- wa 60% des Gewichtes der Masse 30 wird als gießfähiges Aluminium gewonnen, das weniger als 0,2% Aluminiumcarbid enthält. Diese Schmelze wird dadurch aus dem Ofen gegossen, daß der Ofen in herkömmlicher Weise geneigt wird. Der Brenner wird dann in seine Stellung zur Einwirkung auf die Beschickungspellets 17 zurückgeführt, welche zur Fortsetzung des Betriebs eingegeben werden.

Aluminium
Sauerstoff
Kohlenstoff

97 kg
58 kg
43 kg

Die Endcharge wird zu Briketts oder Pellets geformt.

Die Beschickungspellets 17 werden durch eine Beschickungsrutsche 29 dem Herd 18 zugeführt. Die Stromquellen 19 und 20 werden eingeschaltet und das Brennergehäuse in einen Abstand von etwa 15 cm von dem Herd gebracht, so daß der Lichtbogen sichtbar vom Brenner zu den Beschickungspcllets gezogen wird. Mit anderen Worten, der Lichtbogen beaufschlagt die Chargenpcllets mit einem sich erweiternden Verlauf des Lichtbogens zum Unterschied von dem sich verengenden Lichtbogen, der sichtbar wird, wenn der Strahl in einem einfachen Plasmamodus ohne Lichtbogenübertragung betrieben wird.

Wenn sich der Herd dreht und die Pellets unter den Lichtbogen gelangen, wird sichtbar, daß sie tinter Bildung einer hellen flüssigen Oberfläche auf jedem durch den Lichtbogen beaufschlagten Pellet reagieren. Diese Flüssigkeit fließt über den Bord des Herdes 18 nach unten und in den aufnehmenden Behälter, der zwischen dem Herd 18 und dem Herd 28 vorhanden ist, und bildet eine viskose Produktmasse 30. Das bei der Reaktion entstehende Kohlenmonoxid wird aus dem Ofen durch ein Rohr 31 entfernt. Der Ofen arbeitet mit einem Druck von im wesentlichen 1 bar. Der Herd 18 wird auf etwa 1000°C eingeregelt. Etwa 85% des dem Ofen als Beschickungspellets 17 zugeführten Aluminiumgehalts wird in der viskosen Masse 30 wiedergewonnen, während der Rest durch Verdampfung verlorengeht und mit dem Kohlenmonoxid durch die Entlüftung 31 entweicht.

Beispiel 4

Hierbei ist zu erwähnen, daß es nicht notwendig ist. die Entkohlungsreaktion innerhalb des Ofens durchzuführen, wie im vorangehenden Beispiel 3 angegeben. Als Alternative kann die folgende Praxis angewendet werden:

Während der Ofen in Betrieb ist, wie in Beispiel 3 beschrieben und eine Schmelzmasse 30 aus Beschikkungspellets 17 erzeugt, wird ein sekundärer Brenner (nicht gezeigt) verwendet, um die Schmelzmasse 30 in einem fließfähigen Zustand ohne Zutritt von Luft zum Ofen zu halten. Wenn eine Schmelzmasse 30 die hierfür vorgesehene Kammer füllt, dann wird sie bei einer erhöhten Temperatur, d.h. von etwa 1800⁰C zu einem Behälter außerhalb des Ofens abgestochen. Diese direkt aus dem Ofen abgestochene Masse enthält weniger als 5 Gew.-% Aluminiumcarbid.

Aus den vorangehenden Beispielen ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren aus andere Verbindungen von Aluminium und Sauerstoff als AIjOj angewendet werden kann. Unter der Bezeichnung »ein Aluminiumoxid« ist daher jede Verbindung von Sauerstoff und Aluminium, z. B. Aluminiumtetraoxycarbid, zu verstehen. »Aluminium-kohlenstoffhaltige Verbindungen« sind als aluminiumcarbidhaltig zu verstehen. Das einzi-

to ge Erfordernis der Beschickung besteht darin, daß das Atomverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff 1 :1 ±0,05 ist.

In diesem Zusammenhang ist ferner zu erwähnen, daß obwohl die Ofenbeschickung aus Aluminiumoxid und

b5 Kohlenstoff bestehen kann, dies nicht bevorzugt ist. Es ist bekannt, daß, wenn Aluminiumoxid und Kohlenstoff reagieren, zumindest eines der Zwischenprodukte eine Aluminium-Kohlenstoff-Verbindung wie Aluminium-

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carbid ist. Die optimalen Bedingungen zur Gewinnung von Aluminium-Kohlenstoff-Verbindungen sind nicht notwendigerweise die gleichen wie diejenigen zur Gewinnung von Aluminium. Daher ist es. wenn Kohlenstoff allein als Reduktionsmitte! verwendet wird, vorzu- ziehen, daß der Prozeß in zwei gesonderten Stufen durchgeführt wird. Zu der ersten Stufe würde die Reaktion von Aluminiumoxid und Kohlenstoff zur Bildung von aluminium-kohlenstofflialtigen Verbindungen, wie an sich bekannt, gehören, während bei der zweiten Stufe das Produkt der ersten Stufe zusammen mit zusätzlichem Aluminiumoxid und Kohlenstoff beschickt wird, so daß die Beschickung ein Atorr.verhältnis von Kohlenstoff zu Oxid von 1 :1 ±0,5 hat

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

tentliteratur sowie die sonstige technische Literatur ist voll von Theorien und Erläuterungen hinsichtlich verschiedener Rückreaktionen, die zwischen Aluminium und den verschiedenen kohlenstoffhaltigen Verbindungen in der Charge stattfinden können. Die Gesamtsumme aller bisherigen Bemühungen läßt sich kurz in der Feststellung zusammenfassen, daß es bis heute kein wirtschaftliches Verfahren zur Gewinnung von Aluminium außer durch einen elektrolytischen Prozeß gibt ίο Im allgemeinen läßt sich sagen, daß die bekannten Verfahren zur thermischen Gewinnung von Aluminium in zwei Hauptkathegorien unterteilt werden können. Bei den einen Verfahren wird Aluminium in dampfförmigem Zustand gebildet, während bei den anderen das beaufschlagten Chargenfläche eine Energie von t5 Aluminium niemals den dampfförmigen Zustand et-1,55 bis 7,75 kW/cm2 zugeführt wird und reicht, & h. als flüssiges Aluminium gebildet wird. Was die Verfahren betrifft, bei welchen Aluminium in dampfförmigem Zustand erzeugt wird, ist die auftretende Hauptschwierigkeit die. daß Aluminiumdampf außerordentlich reaktionsfähig mit Kohlenmonoxid ist, das bei der Reaktion entsteht, wodurch Aiuminium-Kohlenstoffverbindungen erhalten werden, !n der Patent- und sonstigen technischen Literatur werden vielen Lehren gegeben, die auf Wege gerichtet sind, die Reaktion von Aluminium und Kohlenmonoxid auf ein Mindestmaß herabzusetzen, jedoch sind Jie bisher vorgeschlagenen Lösungen im allgemeinen nicht durchführbar. Ein thermisches Verfahren, bei dem Aluminium im dampfförmigen Zustand gebildet wird, ist in der US-Pa- Patentansprüche:

1. Carbothermisch^ Verfahren zur Gewinnung von Aluminium, bei dem ein offener elektrischer Lichtbogen begrenzter Heizwirkung auf eine Charge, die neben Aluminiumoxid Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Aluminiumverbindungen enthält, gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß