DE2553777A1

DE2553777A1 - Verfahren und vorrichtung zum spuelen von geschmolzenem metall mit einem gas sowie anwendungen derselben

Info

Publication number: DE2553777A1
Application number: DE19752553777
Authority: DE
Inventors: Mahesh Chand Mangalick
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1975-11-29
Publication date: 1977-02-10
Also published as: CA1055257A; DE2553777C2; JPS5213412A; US4052199A; FR2318936A1; FR2318936B1; GB1530625A; NO144065B; NO753807L; NO144065C; IT1052414B; JPS5844730B2

Description

PATENTANWALTS BÜRO
D-4 DÜSSELDORF . SCHUMANNSTR. 97

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORACK ■ Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

The Carborundum Company
Niagara FaIIs₃ New York

Verfahren und Vorrichtung zum Spülen von geschmolzenem Metall mit einem Gas sowie Anwendungen derselben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spülen von geschmolzenem Metall mit einem Gas sowie Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung.

Bei der Reinigung von geschmolzenen Metallen, insbesondere von Aluminium, ist es häufig erforderlieh, gelöste Gase, wie Wasserstoff, oder gelöste Metalle, wie Magnesium, zu entfernen. Einzelheiten der Entfernung von Magnesium aus Aluminium sind in einem Aufsatz von M.C.Mangalick: "Demagging Aluminium" beschrieben, der in der Zeitschrift Die Casting Engineer, Januar/ Februar 1974, erschienen ist.

Zum Entfernen von Magnesium aus Aluminium wird in der Regel Chlorgas verwendet, da Magnesiumchlorid eine stärker negative freie Bildungsenergie als Aluminiumchlorid hat, so daß das Chlor vorzugsweise mit Magnesium und erst dann mit Aluminium unter BiI-

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bund von Aluminiumtrichlorid reagiert. Aufgrund kinetischer Paktoren ist es bei den bekannten Methoden nicht möglich, den Prozess auf die Bildung Magnesiumchlorid zu beschränken. Infolge dessen können bei den bekannten Methoden Aluminiumtrichlorid und freies Chlor ins Freie emitiert werden. Beide Verbindungen führen zur Luftverschmutzung.

Zur Beseitigung dieses Nachteils sehen frühere Methoden vor, die Verunreinigungen unter einer geschlossenen Haube abzusaugen und sie in einer Waschanlage mit Wasser auszuwaschen. Jedes Kilogramm Magnesium reagiert mit etwa 2,92 kg Chlor unter Bildung vonMgClp, und die Effektivität der Magnesiumentfernung ist daher 2,95 dividiert durch die tatsächlich verbraucht Menge Chlor zur Entfernung von 1 kg Magnesium. Die Effektivität der genanrten Methode zur Entfernung von Magnesium durch Chlor ist geringer als 75 %»■ bei niedrigem Magnesiumgehalt oftmals sogar 0.

Aus der US-PS 3 65o 73o ist eine andere Reinigungsmethode für Aluminium bekannt, bei der ein Flußmittel, das ein chlorhaltiges Doppelsalz wie Cryolit, enthält, als Chlorierungsmittel zur Entfernungfernung von Magnesium und anderen Verunreinigungen verwendet wird. Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens dieser Patentschrift erfordert unter anderem eine ständige Wartung und laufende überwachung der Zusammensetzung und Schichtdicke des Flußmittels.

Eine andere Vorrichtung zum Raffinieren von geschmolzenem Aluminium wird in der US-PS 3 767 382 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird ein Spülgas durch die Hohlwelle einer Rührvorrichtung eingeleitet, wobei jedoch erhebliche Schwierigkeiten bei der Abdichtung der Verbindung zwischen Gaszuführungsleitung und Hohlwelle auftreten.

Bei diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spülen von geschmolzenem Metall anzugeben, mit denen eine höhere Effektivität des eingeleiteten

Gases erzielt sowie das Entweichen von Gas und Reaktionsprodukten ins Freie besser verhindert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das geschmolzene Metall aus einer ersten Metallbadkammer durch einen Überführungskanal in eine zweite Metallbadkammer übergeführt wird, wobei das Gas durch ein Einleitungsrohr, das mit einem Ende in das Schmelzbad der ersten Badkammer eintaucht und mit dem Überführungskanal in Verbindung steht, eingeleitet wird.

Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch

a) eine erste Metallbadkammer,

b) eine zweite Metallbadkammer, die mit der ersten Metallbadkammer durch einen mindestens teilweise unterhalb der Schmelzbadoberfläche befindlichen Überführungskanal in Verbindung steht;

c) eine Fördervorrichtung zur Überführung des geschmolzenen Metalls aus der ersten Metallbadkammer durch den Überführungskanal in die zweite Metallbadkammer;

d) ein Gaseinleitungsrohr, dessen unteres Ende in das Metallbad der ersten Metallbadkammer so eintaucht und mit dem Überführungskanal derart in Verbindung steht, daß die Metallschmelze bei der Überführung aus der ersten Metallbadkammer in die zweite Metallbadkammer unter das eingetauchte Ende des Gaseinleitungsrohres hindurchfließen muß und

e) Vorrichtungen zum Einleiten des Gases durch das nicht in die Metallschmelze eintauchende Ende des Gaseinleitungsrohres in das Metallbad.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung, die einen schematischen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt, wird die Erfindung näher beschrieben.

Ganz allgemein besteht die Vorrichtung aus einer ersten Metallbadkammer 11 und einer zweiten Metallbadkammer 12, die durch einen Überführungskanal 15 miteinander verbunden sind, der sich mindestens teilweise unterhalb der Oberfläche des Metallbades in der erstenMetallbadkammer 11 befindet. Eine durch das Bezugszeichen 13 angedeutete Fördervorrichtung dient dazu, das geschmolzene Metall l4 aus der ersten Metallbadkammer 11 durch den Überführungskanal in die zweite Metallbadkammer 12 zu überführen. Ferner ist ein Gaseinleitungsrohr 16 vorgesehen," dessen unteres Ende 17 in die in der ersten Metallbadkammer 11 befindliche Schmelze eintaucht und mit dem Überführungskanal 15 in Verbindung steht. Das Gasein- · leitungsrohr 16 ist so ausgebildet und angeordnet, daß das geschmolzene Metall 14 aus der ersten Metallbadkammer 11 bei der Überführung in die zweite Metallbadkammer 12 unter das eingetauchte Ende 17 des Gaseinleitungsrohres 16 hindurchfließen muß.

An dem nicht in die Metallschmelze eintauchenden Ende 18 des Gaseinleitungsrohres 16 sind allgemein mit 19 bezeichnete Vorrichtungen zum Einleiten von Gas durch das Einleitungsrohr 16 in de Metallschmelze 14 vorgesehen.

Die Fördervorrichtung 13 zur Überführung des geschmolzenen Metalls 14 zwischen den Metallbadkammern 11 und 12 besteht vorzugsweise aus einer Pumpe zur Förderung geschmolzener Metalle, wie sie eingehend in der US-PS 2 948 524 beschrieben ist.

In manchen Fällen ist es vorteilhaft, aber nicht unbedingt notwendig, in dem eingetauchten Ende 17 des Gaseinleitungsrohres 16 einen chemisch beständigen, gasdurchlässigen, aber metallundurchlässigen Stopfen 2o vorzusehen. Ein bevorzugtes Material für einen derartigen Stopfen 2o ist glasgebundenes Aluminiumoxyd.

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Eine Hauptanwendung der vorliegenden Erfindung besteht in der Entfernung von gelöstem Gas oder Magnesium aus Aluminium. Je nach deioangestrebten Zweck wird das Spülgas ausgewählt. Falls beispielsweise Magnesium zu entfernen ist, wird ein reaktionsfähigs Gas, wie Fluor oder vorzugsweise Chlor, verwendet. Falls andererseits Aluminium entgast werden soll, kann auch ein Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, gewählt werden. Im ersten Fall reagiert das Chlor oder Fluor mit dem als Verunreinigung anzusehenden Magnesium und bildet das betreffende Magnesxumhalogenxt. Im zweiten Fall löst sich der Wasserstoff oder ein sonstiges Verunrexnigungsgas in den Stickstoff-, Argon-, Chlor- oder Aluminiumchlorid-Gasblasen, die durch das Aluminium perlen und wird von diesem beim Austritt an der Oberfläche der Schmelze mitgenommen.

Im Falle der Entfernung von Magnesium aus Aluminium mit Chlor bildet sich Magnesiumchlorid, das einen Schmelzpunkt von 712° C hat und infolge seiner im Vergleich zum Aluminium niedrigeren Dichte (2,325 g/cnr gegenüber 2,7o g/cm für Aluminium) an die Oberfläche der Schmelze steigt, wo es entfernt werden kann. Aluminiumchlorid andererseits sublimiert schon bei 178° C. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist es daher möglich, daß Chlor (oder Fluor) und eventuell Aluminiumtrichlorid aus der Aluminiumschmelze in der zweiten Metallbadkammer 12 entweichen, bevor das Halogengas mit dem in der Metallschmelze enthaltenen Magnesium unter Bildung von Magnesium-halogenit reagiert hat. Um diese Möglichkeit auszuschließen, ist es in manchen Fällen zwakmäßig, das Metallbad in der zweiten Metallbadkammer 12 mit einem Flußmittel 21 zu bedecken. Vorzugsweise wird als Flußmittel ein Metallsalz oder eine Mischung von Metallsalz verwendet. Bevorzugte Salze sind Natriumchlorid, Caliumchlorid, Cryolit und Mischungen davon. Beispielsweise kann das Flußmittel aus Natriumchlorid, Galiumchlorid oder einer Mischung von Natriumchlorid und Caliumchlorid bestehen. Ein Flußmittel, das sich bewährt hat, besteht aus 47₃5 Gew.-^ Natriumchlorid, 47,5 Gew.% Caliumchlorid und 5 Gew.-# Cryolit; es ist als Flammherd-Flußmittel

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bekannt.

Palls die Spülvorrichtung zur Umsetzung eines reaktionsfähigen Gases mit einer Verunreinigung in dem geschmolzenen Metall verwendet werden soll, kann es zweckmäßig sein, ein Ventil 22 und ein Regelgerät 23 zur Regulierung des Metalldurchsatzes durch den überführungskanal 15 urn des Gasdurchsatzes durch das Gaseinleitungsrohr 16 vorzusehen. Einen Grund für die Regulierung dieser Durchsätze besteht beispielsweise darin, den Eintritt von mehr Chlor, als für die Reaktion mit dem in dem Aluminium enthaltenen Magnesium erforderlich ist, in die Metallbadkammern 11 und 12 zu verhindern, so daß kein Chlor ins Freie entweicht, insbesondere wenn kein Flußmittel 21 verwendet wird.

Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird die Spülvorrichtung in folgender Weise betrieben. Geschmolzenes Metall 14. wird aus der ersten Metallbadkammer 11 durch den überführungskanal'15 in die zweite Metallbadkammer 12 übergeführt und durch das Gaseinleitungsrohr 16, dessen unteres Ende 17 in das Metallbad in der ersten Metallbadkammer 11 eintaucht und mit dem überführungskanal 15 in Verbindung steht, wird ein Gas wie Chlor, Fluor, Stickstoff oder Argon in die Metallschmelze eingeleitet.

Bevorzugter Werkstoff für den Überführungskanal 15, das Gaseinleitungsrohr 16 und die Fördervorrichtung 13 für das geschmolzene Metall ist Graphit.

Die vielleicht häufigste Anwendung der Erfindung dürfte die Entfernung von Magnesium aus Aluminium sein, das etwa 1 bis 4 Gew.% Magnesium enthält. Hierbei wird der Magnesiumgehalt auf eine akzeptable Konzentration, z.B. o,l Gew.#, gesenkt. Wie vorstehend angegeben, sind das Ventil 22 und das Regelgerät 23 von Nutzen, um die Durchsätze von geschmolzenem Metall und Gas im Verhältnis zu der im Aluminium vorhandenen Magnesiummenge zu regulieren. Insbesondere soll der Chlordurchsatz auf 6,5 kg Chlor/kg Magnesium, das aus dem durch den Überführungskanal 15 fließenden Aluminium zu

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entfernen ist, gehalten werden, damit ein vollständiger Umsatz des Chlors gewährleistet ist und kein Chlor ins Freie entweicht. Bei einem Aluminiumdurchsatz von etwa l8oo kg/h kann sich der Chlordurchsatz zwischen etwa 9 und etwa 113 kg/h bewegen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann aber auch zur Entfernung gelöster Gase aus geschmolzenen Metallen verwendet werden. Ein Metall, das durch den Überführungskanal 15 fließt, kann z.B. Aluminium sein, das gelöste Gase enthält. Das in den meisten Fällen zu entfernende gelöste Gas ist Wasserstoff und bevorzugte Spülgase zur Entfernung dieses gelösten Gases sind Stickstoff oder Argon. Bei dieser Anwendung kann der Gasdurchsatz durch das Einleitungsrohr etwa 2,3 bis 23 kg/h, vorzugsweise etwa 9 kg/h betragen.

Bei der Benutzung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind Einrichtungen zum Schmelzen des Metalls in den Metallbadkammern 11 und 12 erforderlich. Diese sind in der Zeichnung schematisch als Brenner 24 dargestellt. In der Praxis wird ein Flammofen für diesen Zweck bevorzugt.

Falls gewünscht, kann das Metall aus der Metallbadkammer 12, dessen Gehalt an Verunreinigungen geringer als der des Metalls in der MetaLlbadkammer 11 ist, beliebig oft in die Metallbadkammer zurückgeführt oder wMerholt getrennten Reinigungsbehandlungen unterworfen werden, um nach und nach den Gehalt an Verunreinigungen auf eine annehmbare Höhe zusenken.

Anhand eines Beispiels wird die Erfindung veranschaulicht.

Eine Metallbehandlungsvorrichtung, wie sie anhand der Zeichnung vorstehend beschrieben worden ist, die mit einem Flammofen mit einem Fassungsvermögen von 5o t zusammenarbeitete, wurde zur Verminderung des Magnesiumgehaltes von Aluminium eingesetzt. Wie in Tabelle I angegeben, lag der Magnesiumgehalt bei jeder der Schmelzen 1-3 ' zwischen o,13 und o,2 %. In die Schmelzen wurde Chlor in- einer

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Menge von 54 bis 91 kg/h eingeleitet und die Pumpe wurde so betrieben, daß sie etwa I8oo kg/min.geschmolzenee Metall durch den überführungskanal 15 förderte. Die Temperatur der Schmelzen lag zwischen 79° und 8lo° C; die genauen Temperaturen sind in Tabelle I wiedergegeben. Die Reaktionsbedingungen bei den verschiedenen Schmelzen waren so, daß die gesamte Chlormenge verbraucht wurde. Der Magnesiumgehalt des aus der zweiten Metallbadkammer entnommenen gereinigten Aluminiums ist in Tabelle I angegeben.

	Mg-Ausgangs- gehalt Gew.-%	TABELLE I	Temperatur	Mg-Endgehalt Gew.-%
Schmelze	o.2 o.145 o.13	Chlordurchsatz kg/h	793-807 8o7 8lo	0.13 0.I07 0.095
1 2 3	59-75 57-91 54

Bei einem Chlordurchsatz von 54 kg/h (0,09 kg/min.) wurden aus dem Aluminium o_s9/2,92 = o,31 kg/min Magnesium entfernt. Bei einem Metalldurchsatz von I800 kg/min, sollte daher die Verminderung des Magnesiumgehaltes etwa o,17 % betragen, die auch gefunden wurde,

Die Betriebsbedingungen können nach Bedarf geändert werden. Wenn beispielsweise die Höhe des Metallbades niedrig ist, sollte der Metalldurchsatz durch Betrieb der Pumpe mit höherer Drehzahl erhöht werden, um das Chlor oder andere Gase von der Einleitungsstelle im Überführungsrohr 15 in horizontaler Richtung in die Metallbadkammer 12 abzuführen. Ebenso sollte bei niedrigem Magnesiumgehalt der Chlordurchsatz gering sein, so daß eine loo $-ige Ausnutzung des Chlors erreicht und eine Luftverschmutzung durch Entweichen des Chlorgases verhindert wird.

Ein weitere Vorteil der Erfindung gegenüber früheren Methoden besteht, wie man jetzt leicht erkennt, darin, daß die Gaseinleitung

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gleichzeitig mit dem Beschicken und Schmelzbetrieb des Flammofens vorgenommen werden kann. Außer zum Entfernen gelöster Gase und geschmolzener metallischer Verunreinigungen kann die Vorrichtung auih zum Entfernen von Einschlüssen (festen Teilchen) verwendet werden^ indem in den überführungskanal 15 ein geeigneter Filter eingebaut wird₃ beispielsweise an der Einmündungsstelle des Kanals in die Metallbadkammer 12. Außer Magnesium können natürlich auch andere Verunreinigungen, wie gelöstes Natrium oder dergleichen₃ durch Einleiten eines geeigneten Spülgases entfernt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Spülen von,, geschmolzenem Metall mit einem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall aus einer ersten Metallbadkammer (11) durch einen überführungskanal (15) in eine zweite Metallbadkammer (12) übergeführt wird, wobei das Gas durch ein Einleitungsrohr (16), das mit einem Ende (17) in das Schmelzbad der ersten Kammer (11) eintaucht und mit dem Überführungskanal (15) in Verbindung steht, eingeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) eine erste Metallbadkammer (11);

b) eine zweite Metallbadkammer (12), die mit der ersten Metallbadkammer (11) durch einen mindestens teilweise unterhalb der Schmelzbadoberfläche befindlichen Überführungskanal (15) in Verbindung steht;

c) eine Fördervorrichtung (13) zur überführung des geschmolzenen Metalls aus der ersten Metallbadkammer (11) durch den Überführungskanal (15) in die zweite Metallbadkammer (12);

d) ein Gaseinleitungsrohr (16), dessen unteres Ende (17) in das Metallbad der ersten Metallbadkammer (11) so eintaucht,und mit dem überführungskanal (15) derart in Verbindung steht, daß die Metallschmelze bei der überführung aus der ersten in die zweite Metallbadkammer unter das eingetauchte Ende (17) des Gaseinleitungsrohres (l6) hindurchfließen muß; und

e) Vorrichtungen (19,22) zum Einleiten des Gases durch das nicht in die Metallschmelze eintauchende Ende (18) des Gaseinleitungsrohres (1.6) in das Metallbad.

3- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem eingetauchten Ende (17) des Gaseinleitungsrohres (16.) ein

chemisch beständiger, gasdurchlässiger, für Metall aber undurchlässiger Stopfen (2o) angeordnet ist.

j-n - 2 -

Ü/Schu

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (2o) aus glasgebundenem Aluminiumoxid besteht.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen (22,23) zur Regulierung des Durchsatzes vongeschmolzenem Metall durch den üb er führungskanal (15) und des Gasdurchsatzes durch das Einleitungsrohr (16) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5_S dadurch gekennzeichnet, daß der Überführungskanal (15) und das Gaseinleitungsrohr (16) aus Graphit bestehen.

7· Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 auf die Reinigung von ^pschmolzenem Aluminium.

8. Anwendung nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium etwa 1 bis etwa 4 Gew.-% Magnesium enthält.

9. Anwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß dabei als Spülgas Chlor, Fluor, Stickstoff oder Argon verwendet wird.

Io. Anwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze in der zweiten Metallbadkammer (12) mit einem Flußmittel bedeckt ist.

11.. Anwendung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel ein Metallsalz oder eine Mischung von Metallsalzen ist.

12. Anwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel aus Natriumchlorid, Caliumchlorid, Cryolit oder Mischungen davon besteht.

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13.■ Anwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel aus 47,5 Gew.-% Natriumchlorid, 47 _s5 Gew.-^ Caliumchlorid und 5 Gew.-$Cryolit besteht.

14. Anwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 13s dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldurchsatz durch den Überführungskanal (15) und der Gasdurchsatz durch das Einleitungsrohr (l6) in Abhängigkeit von dem Magnesiumgehalt des Aluminiums reguliert werden.

15. Anwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Chlor in einer Menge von 2,92 kg/kg aus dem durch den Überführungskanal (15) fließenden Aluminium zu' entfernen-des Magnesium eingeleitet wird.

16. Anwendung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Chlordurchsatz etwa 9 bis etwa 113 kg/h beträgt.

17. Anwendung nach einem der Ansprüche l4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der AlumMumdurchsatz durch das Überführungsrohr (15) etwa 1800 kg/h beträgt.

18. Anwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium gelöste Gase enthält und daß als Spülgas Chlor, Stickstoff, Argon oder eine Mischung davon mit einem Durchsatz von etwa 2,3 bis etwa 23 kg/h in das geschmolzene Aluminium eingeleitet wird. ~ ^:

19. Anwendung nach Anspruch l8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülgas mit einem Durchsatz von etwa 9 kg/h eingeleitet wird.

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