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Verfahren zur Herstellung von Aluminium Die Erfindung betrifft die
Herstellung vonl metallischem Aluminium von praktisch beliebig hohem Reinheitsgrade
aus allen natürlich vorkommenden Stoffen, die wesentliche Mengen Tonerde enthalten,
wie Bauxit, Feldspat, gewöhnlicher Ton, Alunit, Wavellit usw. Der Hauptzweck der
Erfindung ist, Wirtschaftlichkeit relativ zu den Kosten des Aluminiums zu verbürgen.
Auch wird die Schaffung eines Verfahrens bezweckt, bei dem es nicht nötig ist, irgendwo
reine Tonerde, reine Kohlenstoffanoden oder sonstige reine Stoffe im allgemeinen
zu verwenden. Alle natürlich vorkommenden aluminiumhaltigen Stoffe enthalten Verunreinigungen
in wesentlichen Mengen, wie Eisen, Titan und Silicium, und müssen durch kostspielige
chemische Verfahren gereinigt werden, um sie für de bisherigen Verfahren der Aluminiumgewinnung
brauchbar zu machen. Ein Zweck der Erfindung ist daher, ein Verfahren zu schaffen,
durch das reines Aluminium ohne chemische Vorbehandlung zur Beseitigung von Verunreinigungen
wie den eben erwähnten :gewonnen werden kann. Auch sollen die Kosten für die Beförderung
und Speicherung großer Massen wertvoller Zwischenprodukte oder Materialienwie :der
für die älteren Ver-, fahren erforderlichen reinen Tonerde vermieden werden. In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch
dargestellt.
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Die erste Stufe der bevorzugten Ausführung -des Verfahrens besteht
gemäß der Zeichnung darin"daß eine Masse, die Tonerde, Silicium, Eisen- und Titanoxyde
enthält, mit Kohlenstoff verschmolzen wird, um: Ferrosilicium und eine aluminiumreiche
Schlacke herzustellen, die Tonerde und Kieselsäure, aber nur begrenzte Mengen von
Eisen und Titan enthält. Das Ferrosilicium und die Schlacke können getrennt abgezogen
werden, ersteres zur Stahlbereitung oder sonstige Zwecke und letztere zur zweiten
Verfahrensstufe, in der die Schlacke mit oder ohne weitere Kieselsäure in Gegenwart
vian Kupfer und Kohlenstoff verschmolzen wird, um eine Aluminium-Kupfer-Silicium-Legierung
von geringem Eisen- und Titangehalt zu .erzeugen. Alle unreduzierte Schlacke oder
Abgang dieser Verfahrensstufe kann zum Ofen zurückgeführt werden, während die Aluminium-Kupfer-Sil:icium-Legierung
abgezogen und (nötigenfalls nach vorheriger Reinigung in einer Verfahrensstufe 2a)
einer elektrolytischen Behandlung in Verfahrensstufe 3 unterworfen wird, wo :das
Aluminiumentfernt wird. Die Restlegierung, die das Kupfer und diejenige Menge der
anderen
Bestandteile enthält, die nicht mit dem Aluminium abgeschieden
worden ist, wird abgezogen und kann in Stufe q. verarbeitet werden, um genug von
diesen anderen Bestandteilen zu entfernen, daß das Kupfer zu erneuter Benutzung
in Stufe 2 geeignet zurückbleibt. So kann das Kupfer wiederholt benutzt werden,
indem :es durch die Stufen 2, 3 und q als Träger für das Aluminium kreist. In Fällen,
wo -der Gehalt an Verunreinigungen in der Restlegierung nicht zu hoch ist, kann
sie direkt nach Stufe 2 ohne Vorreinigung gehen. Das so skizzierte Verfahren sei
nun einzeln beschrieben, mit dem Vorbehalt freilich, daß manche Einzelheiten zwar
vorteilhaft und in manchen Fällen wichtig, aber *nicht stets durchaus notwendig
sind.
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Die elektrolytische Feinurig kann in einer Zelle nach Patent 468 7oo
durchgeführt werden.
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Die Erfindung wird vorteilhaft wie folgt ausgeführt.
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Als Quelle für das Aluminium sei ein Ton etwa folgender Zusammensetzung
gewählt: Tonerde (A1203) 38 Prozent, Kieselsäure (5i02) 55 Prozent, Eisenoxyd (Fe203)
5 Prozent, Titanoxyd [Titansäure] (Ti02) 2 Prozent.
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Vereint mit dem vorzugsweise vorgetrockneten Tone wird Eisen in so4cher
Menge benutzt, daß der gesamte Eisengehalt der Beschickung einschließlich des. Eisens
des Tones ausreicht, um das ganze reduzierte Silicium und! Titan unter Erzeugung
von Ferros.ilicium mit vorzugsweise etwa 25 Prozent Silicium aufzunehmen. Als Reduziermittel
kann Kohle in Form von Koks dienen, und zwar in solcher Menge, um die .ganze Titansäure
und den größten Teil der Kieselsäure zu reduzieren. Da der Kohlenstoffgehalt der
Oberelektroden an der Reaktion teilnimmt, so ist etwas weniger Kohlenstoff zuzusetzen,
als sonst nähe wäre. Es kann auch erwünscht sein, etwas von dem Kohlenstoff als
Holzkohle zuzusetzen, um den spezifischen Widerstand der Beschickung zu steigern.
Der Eisenbestandteil kann metallisch oder in Form eines Erzes, wie Fe203, sein.
Um den aluminiumhaltigen Rückstand oder die Schlacke flüssiger zu machen, kann etwas
Flußmittel, wie Flußspat, Sodaasche, Kochsalz oder vorzugsweise Magnesia, zugesetzt
werden. Die quantitative Zusammensetzung der Beschickung wird später erläutert.
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Zu Beginn der bevorzugten Arbeitsweise wird der Ofenboden mit einer
Schicht von gemahlenem Koks bedeckt und die Oberelektrode zur Berührung mit denn
Koks gesenkt. Der Strom wird dann eingeschaltet und die Elektrode etwas gehoben,
so idaß Lichtbögen entstehen und das Ofeninnere sich erhitzt. Die Beschickung wird:
-dann .in den Ofen 'aingefü'hrt, Ist die Temperatur genug gestiegen, so beginnt
die Reaktion, wodurch die Eisen-, Silicium- und Titanoxyde reduziert werden und
eine Mischung der entsprechenden Elemente entsteht, die als Eisen-Silicium-Titan-Legierung
zu Biogen sinkt, von wo säe von Zeit zu Zeit durch ein Abstichloch entfernt wird.
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Die quantitative Zusammensetzung der Beschickung hängt erheblich von
der zu erzeugenden Legierung und Schlacke ab. Es sei beispielsweise angenommen,
-daß mittels des obenerwähnten Tones Ferrosilicium etwa folgender Zusammensetzung
hergestellt werden soll: Eisen. 72 Prozent, Silicium 25 Prozent, Aluminium 2 Prozent,
Titan z Prozent. In solchem Falle können .etwa roo Teile Ton, q.o Teile Kohlenstoff,
7o Teile Eisen einschließlich des Eisens im Oxyd des Tones und 3 Teile Magnesia
einschließlich des Gehalts im Tone verwendet werden. Die Bestandteile werden so
weit zerkleinert, daß sie durch .ein Sieb von 25 mm oder 37 mm gehen. Nach gründlicher
Mischung wird die Beschickung in den Ofen gebracht.
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Von den Bestandteilen der Beschickung können die Oxyde von Eisen und
Silicium leichter als Titanoxyd reduziert werden und dieses wieder leichter als
Tonerde und Magnesia. Demgemäß bleibt urireduziert ein kleiner Teil der Kieselsäure,
der größere Teil der Tonerde und alle oder .doch nahezu. alle Magnesia. Diese urireduzierten
Stoffe schwimmen in Form von Schlacke auf der Ferro-Silicium;-Titan-Legierung.
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Bei einer Beschickung der vorerwähnten Zusammensetzung undErzeugu.ngeinerFerro-SiliciumrTitan-Legierung
der beschriebenen Zusammensetzung besteht die Schlacke aus etwa 88 Prozent Tonerde,
3 Prozent Kieselsäure, weniger als :2 Prozent Eisen und Titan und 7 Prozent Magnesia.
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Als Ausgangsstoff für die Herstellung von Aluminium-Kupf; r-S:ilicium-Legierung
in der zweiten Verfahrensstufe dient die in der ersten Stufe erzeugte tonerdehaltige
Schlacke, Kohlenstoff vorzugsweise als Koks und fein verteiltes. Kupfer, Kupferspäne
oder Siliciurn-Kupfer-Legierung. Enthält -die Schlacke selbst nicht genug Kieselsäure,
so kann eine geeignete Menge von wesentlich eisenfreier kieselsäurehaltiger Masse,
wie Porzellanerde oder reiner Sand, zugesetzt werden. Statt dessen kann die hergestellteAlum:i.nium-Kupfer-Legierung
,mit Silicium angereichert werden, indem man Silicium getrennt zufügt oder eineKupfer
und Silicium enthaltende Legierung zusetzt. Die Mengen der im Verein mit der Schlacke
zu benutzenden Stoffe hängen sehr von der Zusammensetzung der gewünschtenLegierung
ab, wie noch zu erläutern. Es genügt, hier anzuführen, daß Iman genug kohlenstoffartige
reduzierende
Mittel benutzen muß, um wesentlich alle Kieselsäure und Tonerde zu reduzieren.
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Ist ein Ausgangsstoff verfügbar, der wie gewisse weiße Bauxite oder
der Rückstand der Calcinierung von Alunit wenig Eisen und Titan enthält, so kann
es entbehrlich sein, die Masse derjenigen Behandlung zu unterziehen, die hauptsächlich
zum Entfernen von Eisen und Titan dient. In diesem Falle kann die Aluminium-Kupfer-Silicium-Legierung
durch direkte Reduktion der Masse mit oder ohne Zusatz von Silicium erzeugt werden.
Anderseits kann aus Stoffen, die wie gewisse weiße Bauxite wenig genug Eisen, aber
zuviel Titan enthalten, eine geeignete Aluminium-Kupfer-S,ilicium-Legi,erungdirekt@erzeugtwerden,
indem man die Masse in Gegenwart von Kupfer elektrothermisch reduziert und dann
das Titan entfernt, indem man es als Abstrich bzw. Gekrätz ausscheiden läßt, die
dann durch Abschäumen entfernt wird. Bei diesen Verfahren der Entfernung von Titan
sollte die Legierung aus dein Ofen noch heiß genug entfernt werden, um zu gewährleisten,
daß das Titan mit ihr mitgeführt wird. Die Legierung wird dann abgekühlt, beispielsweise
etwa auf etwas unter iooo° C, aber wesentlich oberhalb des Erstarrungspunktes der
Hauptmasse der Legierung. Während dieser Abkühlung scheidet sich das meiste Titan
oder doch eine wesentliche Menge davon als Gekrätz ab, wie erwähnt.
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Wie schon erläutert, hängen -die in der zweiten Stufe nötigen Mengen
von Kohlenstoff und Kupfer im allgemeinen von der Zusammensetzung -der zu .erzeugenden
Aluminium-Kupfer-:Siliciu;m-Legierung uiid von den Mengen von Tonerde und Kieselsäure
oder Silicium. ab, die (in der Schlacke und aus sonstigen Quellen) vorgesehen werden,
.um das Aluminium und: Silicium zu liefern. Mithin kann der Bedarf an Kohlenstoff
und Kupfer bequem mit aller nötigen Genauigkeit bestimmt werden, wenn die Zusammensetzungen
der Legierung und Schlacke bestimmt worden sind. Beispielsweise sei etwa folgende.
Legierung erwünscht: Aluminium 35 Prozent, Kupfer 55 Prozent, Silicium 8 Prozent,
Eisen nicht mehr als i Prozent, Titan weniger als i Prozent. Die von der Ferrosiliciumstufe
des Verfahrens gelieferte Schlacke .enthalte etwa Tonerde 88 Prozent, Kieselsäure
3 Prozent und Eisen und Titan zusammen weniger als 2 Prozent. Dann sind dm Verein
mit etwa ioo Teilen -Schlacke und 23 Gewichtsteilen zusätzlichen Sandes
roh genommen 6o Teile Kupfer oder gi Teile Kupferoxyd und 46 Teile Kohlenstoff
nötig. Statt Sand zur Lieferung des erforderlichen zusätzlichen Siliciums zuzusetzen
kann dieses als solches oder in einer Kupferlegierung zugegeben werden. Die restliche
Anodenlegierung von der elektrolytischen Raffinierstufe des Verfahrens kann hierfür
Verwendung finden.
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In der Kupfer,Silicium-Aluminium-Legierung sollte im allgemeinen das
Verhältnis von Aluminium zu Kupfer so hoch als durchführbar sein, damit nur eine
Mindestgrenze an Kupfer durch die anschließenden Raffinier-und Kupferwied@ergewinnungsvorgänge
laufen ,muß. Die vom Kupfer aufgenommene Aluminiummenge hängt von der Temperatur
in der Reaktionszone ab. Die geringste Reduktionstemperatur ist so hoch (nahe an
iSoo ° C), daß das metallische Aluminium einen hohen Dampfdruck hat und natürlich
einen noch höheren Dampfdruck bei den Temperaturen, die zwecks rascher Ausführung
der Reaktionen aufrechtzuerhalten sind, das sind Temperaturen von igoo ° C aufwärts.
Aus diesem Grunde i'st es schwierig, wenn nicht unmöglich, reines Aluminium durch
direkte thermische Reduktion von Tonerdeverbindungen durch Kohle zu .erzeugen. Das
aus dieser Reaktion herrührende Aluminium ist in Dampfform, :und bei Temperaturen,
die zur Verdichtung des Dampfes tief genug sind, reagiert es rasch mit dem vorhandenen
Kohlenoxyd unter Entstehung von Tonerde und Kohlenstoff, weswegen nur wenig oder
gar kein Aluminum erzielbar ist. Es -ist daher erwünscht, ein Metall von höherem
Siedepunkt vorhanden zu halten, das mit Aluminium mischbar ist und das dampfförmige
Aluminium bei den Reaktionstemperaturen kondensiert und absorbiert. SowohlEisen
wieKupfer dient diesem Zweck, aber nur Kupfer ist zur Benutzung bei der anschließenden
elektrolytischen Raffination zur Gewinnung des Aluminiums brauchbar.
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Zwecks praktischen Betriebes sollte ein merklicher Unterschied zwischen
der Dichte der Schlacken und der Legierung vorhanden sein, unreine wirksame Trennung
beider zu sichern. Bei einer schweren tonerdehaltigen Schlacke mit etwa 9o Prozent
Tonerde und 8 oder g Prozent Magnesia scheidet sich eine Legierung reit mehr als
30 Prozent Silicium nicht frei von der !Schlacke ab, so daß sie vom Boden
abgezogen werden kann. Mithin kann in einer Reaktionszone, in der die obige Schlacke
vorhanden ist, höchstens Ferrosäliciu@m mit etwa 30 Prozent Silicium hergestellt
werden.
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Es hat sich gezeigt, daß die vom Reduzierofen kommende Aluminium-Kupfer-Siliciu@m-Legierung-
nicht .stets zur unmittelbaren Behandlung in der elektrolytischen Raffinierzelle
geeignet ist wegen Vorhandenseins nichtmetallischer Stoffe, wie Kohlenstoff, Tonerde,
Aluminiumcarbid usw., oder unlöslicher Stoffe
wie titanhalti,ger
Verbindungen, die das Bad der Raffinierzell@ verstopfen. Mithin ist es vorteilhaft
und manchmal nötig, der Legierung eine Zwischenreinigung für die Entfernung von
Stoffender erwähnten Art zuteil werden zu lassen. Der größere Teil kann entfernt
werden, .indem man :die Legierung nach Entfernung aus dem: Ofen auf eine Temperatur
nahe iooo ° C abkühlen läßt und sie einige Zeit auf etwa dieser Temperatur beispielsweise
in einem Flammenofen hält. Dabei scheiden sich einige der Stoffe als Gekrätz ab,
die abgeschäumt und zu der Stufe zurüek-.geführt werden kann, in der die Legierung
hergestellt wird. Ein anderes Verfahren ist, daß man die Legierung erstarren läßt.
Dies scheint eine vollständigere Entfernung zu ergeben, bedingt aber das erneute
Einschmelzen der Legierung. In jedem Falle kann ein großer Teil der in der teilweise
gereinigten Legierung verbliebenen unerwünschten Stoffee, falls nötig, durch eine
Art elektrolytischer Behandlung in geschmolzenem Zustande mit einem Schmelzbade
in einer Zelle, nach Art .der gewöhnlich für das Hall-Verfahren benutzten, mit Kohlenstoffanoden
entfernt werden. Der ;übliche Kryolithelektrolyt nach Hall wird verwendet, wobei
die Legierung die Kathode bildet, und der Strom wird einige Zeit, beispielsweise
etwa zwei Stunden, durch dieZellegeschickt. DieLösewirkung desBades, die Reduzierwirkung
des Stromes und die günstige Gelegenheit zur mechanischen Abscheidung mitgeführter
fester Teilchen bewirken vereint die Erzeugung einer reinen Legierung, die dann
zur elektrolytischen Raffinierzelle gebracht werden kann.
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Bei der elektrolytischen Raffinierstufe vorliegenden Verfahrens dient
.die wie oben erzeugteAluminium Kupfer-Silicium-Legierung als Anode in, Berührung
mit einer überlagerten Schicht von Elektrolyt oder Bad, die vorzugsweise aus geschmolzenen
Fluoriden besteht. Das reine Aluminium wird an einer auf dem Bade schwimmenden Kathode
von geschmolzenem Aluminium abgelagert. Ein wichtiges Merkmal dieser Verfahrensstufe
ist, daß die zu feinende und als Anode dienende aluminiumhaltige Legierung in genügend
beweglichem Zustande gehalten wird, damit das in ihr enthaltene Aluminum an der
Oberfläche dersLegierung- durch die Elektrolyse daraus entferntes Aluminium frei
ersetzen kann. Wird Aluminium nicht dauernd an der Oberflache der Legierung gegenwärtig
gehalten, so können Verunreinigungen in der letzteren in solchem Maße wieder aufgelöst
und an der Kathode albgelagert werden, daß,die Reinheit des gefeinten Metalls ernstlich
beeinträchtigt wird. Ein anderes wichtiges Merkmal liegt in der Beförderung der
sekundären Reaktionen, durch welche von der Anodenlegierung gelöste wieder darauf
niedergeschlagen werden, während die an der Kathode abgelagerten wieder im Bade
gelöst werden, indem beispielsweise ein energischer Umlauf erzeugt wird, so .daß
das Bad frei durch die benachbarten Oberflächen -der Anode und Kathode spült bzw.
:gespült wird. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal liegt darin, daß' mindestens ein
gewisser Mindestgehalt an Aluminium in der Anodenlegierung aufrechterhalten wird;
indem man mehr oder weniger der Legierung abzieht und durch frischeI.egferung ersetzt,
um die auswählende Aluminiuumlösungswirkung des Bardes aufrechtzuerhalten.
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Es ;ist auch wichtig, @daß das .geschmolzene Bad bzw. der Elektrolyt
unter solchen Bedingungen benutzt wird, daß eine angemessene Kontaktzone zwischen
dem Bade und dem Anodenmetall unten und dem Kathodenmetall oben besteht. Andernfalls
ändert sich die Zusammensetzung des Elektrolyten, was nachteilig .ist und manchmal
deal Erfolg vereiteln würde.
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Der für das neue Verfahren bevorzugte Elektrolyt enthält Alu@miniumluori.d
mit Zusatz eines oder mehrerer Fluoride von Metallen, die elektropositiver als Aluminium
sind. Vorzugsweise hat das Bad .etwa folgende Zusammensetzung: Aluminiu:m-fluorid
25 bis 30 Prozent, Bariumfluorid 3o bis 38 Prozent, Natriumfluorid 2:5 bis
30 Prozent, Tonerde o,5 bis 3 Prozent, Caleiurn- und Mabgnesiumfluori;d,
als unvermeidliche Verunreinigungen, etwa 2 Prozent.
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Der Zusatz von Fluoriden anderer Alkali-oder Alkalierdmetalle ist
zulässig. Das Vorhandensein anderer Halogenanionen als Fluoranionen ist aber unerwünscht
und sogar sehr schädlich, wenn Aluminium von hoher Reinheit hergestellt wenden soll.
Anderseits ist das Vorhandensein von Sauerstoffanionen gewöhnlich nicht schädlich,
und ,demgemäß kann i Tonerde ein Bestandteil des Bades sein. Manchmal ist Tonerde
ein erwünschter Bestandteil, im allgemeinen aber nicht in einer zur Sättigung der
Mischung ausreichenden Menge.
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Allgemein gesprochen, sollte das verwendete Bad unter normalen Verhältnissen
befähigt sein, auswählend gegenüber Aluaninium zu wirken, so daß'dieses aus der
Anodenlegierung. unter wesentliciher Ausschließung ihrer anderen Bestandteile- gelöst
werden kann. Diese wichtige Eigenschaft haben -in hohem Grade Elektriolyten.der
oben beschriebenen Klasse.
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EinBad obigerZusam#mensetzung ist flüssig innerhalb des Bereichs von
geeigneten Arbeitstemperaturen, der- praktisch zwischen
85o ° C
und I ioo ° C ungefähr Liegt, mit einer Vorzugstemperatur von etwa 950 °
C. Ein Bad der obigen Zusammensetzung hat bei dieser Vorzugstemperatur eine Dichte
zwischen etwa 2,5 und 2,7. Aluminium hat bei dieser Temperatur eine Dichte von etwa
2,3 und schwimmt, wenn es nur geringe Mengen schwerer Metalle oder selbst beträchtlichere
Mengen von Silicium oder sonstigen minder dichten Verunreinigungen enthält, auf
dem Bade, statt unterzusinken. Mit etwa 25 Prozent Kupfer ergibt sich eine Legierung,
die bei 95o° C eine Dichte von etwa 2,8 hat. Dias ist genug über der Dichte des
Bades, um zu sichern, daß die Legierung nicht schwimmt, sondern am Böden bleibt.
Es kann aber mehr Kupfer verwendet werden, wenn nur der Erstarru ngspunkt der Legierung
nicht die obere Temperaturgrenze für glattes Arbeiten überschreitet, die zwischen
io5o ° C und i ioo ° C liegt.
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Der Erstarrungspunkt reinen Kupfers liegt um io83 ° C, aber der Zusatz
von 2 Prozent Silicium erniedrigt den Schmelzpunkt auf etwa io5o° C, und eine Legierung
mit 82 Prozent Kupfer und 18 Prozent Silicium hat einen Erstarrungspunkt von etwa
815 ° C. Aluminium bat an sich die Eigenschaft, den Erstarrungspunkt von Kupfer
zu senken, was ausgenutzt werden kann, indem man die Legierung, während sie noch
etwas Aluminium enthält, aus der Zelle entfernt. Mit anderen Worten, die Mengen
von Aluminium und Silicium sollten so zu den anderen Bestandteil oder den anderen
Bestandteilen eingestellt werden, daß die Anodenlegierung stets beweglich innerhalb
eines Bereichs von Arbeitstemperaturen bleibt, die keine schädliche Veränderung
des Bades hervorrufen, etwa durch Verflüchtigung des einen oder anderen Bestandteils.
Soll somit alles Aluminium entfernt werden, so sollte der Siliciumgehalt nach Entfernung
des Aluminiums nicht geringer :als etwa 2 Prozent des Kupfers plus Siliciums sein.
Ist aber der Siliciumgehalt an sich nicht genügend, um die gewünschte Beweglichkeit
aufrechtzuerhalten, so kann es nötig sein, die Legierung zu entfernen bzw. einen
Teil von ihr ,durch frisches Metall zu ersetzen oder Silicium zuzusetzen, bevor
das ganze Aluminium herausgezogen wird. Allgemein gesprochen, sollte genug Silicium
vorhanden sein, um die Legierung bei etwa iooo ° C beweglich zu erhalten, wenn der
Aluminiumgehalt auf das gewünschte Maß verringert worden ist. 'Silicium in einer
Menge von 5 Prozent des Kupfers plus Siliciums ist gewöhnlich reichlich genug für
diesen Zweck, wenn der Eisengehalt nicht höher als etwa 5 Prozent ist. Es ist zu
beachten, daß .es nicht stets nötig ist, die Legierung völlig gesc:hmolzen zu haben.
Manchmal ist das Vorhandensein einer begrenzten Menge festen, hocherstarrenden Materials,
das in der Anodenlegierung mitgeführt wird, nicht schädlich, solange es die Beweglichkeit
der Legierung nicht genug verringert, um ihren freien Umlauf zu verhindern.
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Alus obigen Gründen ist die oben als Produkt der Verfahrensstufe 2
beschriebene Legierung sehr geeignet zur elektrolytischen Feinung in Stufe 3 ; sie
hat :etwa folgende Zusammensetzung: Alulniinium; 35 Prozent, Kupfer 55 Prozent,
Silicium 8 Prozent, Eisen nicht mehr als i Prozent, Titan' weniger als i Prozent.
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Bei -dem Feinen liegt die Aluminiumlegierung bzw. -mischu.ng von Aluminium
und sonstigen Stoffen :geschmolzen am Boden der Zelle. Darauf schwimmt eine Schicht
von geschmolzenem Elektrolyt und darauf eine Schicht von geschmolzenem Aluminium,
in welche die Oberelektroden weit genug eintauchen, um guten elektrischen Kontakt
zu sichern, beispielsweise 25 oder So mm. Die geschmolzenen Schichten können in
der Zelle beispielsweise durch Eingießen der vorher geschmolzenen Stoffe angebracht
werden, -wobei für .die ursprüngliche Aburniniumschicht das reinste verfügbare Aluminium
zweckmäßig verwendet wird.
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Einsinnig gerichteter Strom bzw. Gleichstrom wird in ,die Anodenlegierung
aus unreinem Aluminium geleitet und fließt davon aufwärts durch den Elektrolyten
zur Kathode unterentsprechender Ablagerung von Aluminium daran. Es wird eine genügende
Stromdichte verwendet, um die Widerstandsverluste in der Zelle: genügend hoch zur
Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatur zu machen. Offenbar ist die Wirkung des
Stromdurchganges, freie Fluor- oder Sauerstoffanionen oder beide in Berührung mit
.der Oberfläche der Anodenlegierung zu bringen. Die Wirkung des Freinachens .dieser
Anionen ist, daß von der Anodenlegierung Aluminium und jede in der Legierung vorhandene
Verunreinigung, die elektropositiver als Aluminium ist, herausgelöst wird, während
die weniger elektropositiven Verunreinigungen zurückgelassen werden. Irgendwelche
von .den letzteren Verunreinigungen, die etwa von :den Anionen angegriffen werden,
suchen unmittelbar wieder ausgefällt zu werden durch eine sekundäre Reaktion zwischen
.dem von ihnen berührten Aluminium und den Fluoriden oder Oxyden dieser weniger
elektropositiven Metalle, so daß nur Aluminium und elektropositiver Verunreinigungen
im Bade in Lösung .gehen. In der oben beschriebenen Anodenlegierung sind keine Verunreinigungen,
die elektropositiver als Aluminium sind, und daher geht praktisch nur Aluminium
aus der Legierung in Lösung,
solange der Aluminiumgehalt relativ
hoch bleibt und die obenerwähnten sekundären Reaktionen frei eintreten können.
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Idas Feinen wird fortgesetzt, bis die gewünschte Menge von Aluminium
von der Anode am Boden der Zelle entfernt und zur auf dem Bade schwimmenden Kathode
gebracht worden ist. Ein Teil des Kathodenmetalls wird dann abgezogen und die verarmte
Anodenlegierung vom Boden der Zelle abgezogen, während frische Anodenlegierung geschmolzen:
so zugeführt wind, .daß das auf dem Bade schwimmende gefeinte Metall nicht verunreinigt
wird. Dieses Nachtfüllen kann mittels eines vorgewärmten Kahlenstofftrichters geschehen,
der bis nahe zum Zellenboden, nach Ausschaltung des Stromes, eingesenkt wird. Das
vom Trichter gefangene gefeinte Metall kann ausgeschöpft wenden, worauf die frische
Anodenlegierung eingegossen und der Trichter dann herausgehoben wird. Die Menge
der eingeführten frischen. Anodenlegierung reicht vorzugsweise aus, um -das. Bad
und Deckmetall zu heben, bis die Oberfläche des letzteren auf gleicher Höhe wie
vor dem Abziehen ist.
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Das .Abziehen und 'L\Tachfüllen kann von Zeit zu Zeit ohne ernstliche
Unterbrechung des Feineis wiederholt werden.
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Der Elektrolyt, .der den Hauptteil des Widerstandes bildet, sollte
in so dünner Schicht als zulässig sein. Hierfür hat sich eine Schicht von 9o bis
rio mm. Dicke im allgemeinen als genügend gezeigt. Bei einem Bade von irgendeiner
bestimmten Arbeitstiefe schwankt die zulässige Stromdichte zwischen einer unteren
Grenze, die dazu ausreicht, die Anode, ,das Bad und die Kathode in geschmolzenem
Zustande zu halten, und einer oberen Grenze, bei der die Verflüchtigung,des Bades
übermäßig ist oder eine zu große Menge von Anodenverunreinigungen in Lösung geht.
Diese Grenzen sind bei den verschiedenen möglichen Badzusamrmensetzungen etwa 8oo
° C und i i oo ° C mit einer bevorzugten Arbeitstemperatur von atwa 95o° C.
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Bei einer Zelle mit einer wirksamen Anodenfläche von o,65 m2 hat sich
ein Strom von etwa 85oo Ampere als befriedigend erwiesen. Die bevorzugte Stromdichte
in einer solchen Zelle iot daher etwa 13 ooo Ampere je m0. Dabei kann die Gesamtspannung
zwischen -den Zellenklemmen etwa 6 Volt sein. Im allgemeinen ist .die untere praktische
.Spannungsgrenze etwa 3,5 Volt, während die obere Grenze ,natürlich unbeschränkt
ist.
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Die auf dem. .geschmolzenen Bade schwimmende Alum:i.niumschicht sollte
genügend ausgedehnt sein, um die Seiten der Zelle rundherum zu berühren, .und dick
genug, um feste Berührung mit der Kruste zu sichern, damit die Verflüchtigung des
-Bades verhindert oder möglichst verringert wird, die mehr oder weniger bei Betri.bstemperaturen
eintritt und mit der Temperatur steigt. Wegen der Oberflächenspannung geschmolzenen
Aluminiums sollte :die .Deckschicht erheblich tief sein, vorzugsweise mindestens.
50 mm.
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,Solange der Aluminiumgehalt der Anodenle"gierung nicht viel unter
io-Gewichtsprozent ist, besteht gewöhnlich keine Schwierigkeit in Erzielung eines
Kathodenmetalls von han--delsüblicher und noch höherer Reinheit. Wenn die Anodenlegierung
ärmer wird, so suchen kleine Mengen der darin enthaltenen Verunreinigungen überzugehen.
Durch Entfernung verärmerter Legierung und Nachfüllung frischer, wenn der Aluminiumgehalt
zu gering wird, kann man aber den. Hauptteil des Aluminiums in sehr reiner Form
,erhalten.
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Die restliche Legierung von der Elektrolyse kann nun verarbeitet werden,
um das Kupfer in guten Zustand zur Wiederverwendung im Verfahren zu bringen. Hat
.die Legierung wenig genug Eisen und Titan, so,daß der Zuschuß daran, an letzterem
Metall oder Metallen, den die Legierung beim, erneuten Durchgang durch- die zweite
Verfahrensstufe erfahren würde, diesen Gehalt nicht über das für die elektrolytische
Feinungsstufe zulässige Maß bringen kann, so ist nur eine einfache Körnung der Legierung
nötig. Hierfür kann ein Strom von Luft oder Dampf auf einen Strom der geschmolzenen
Legierung geblasen werden. Die rdurch das Blasen erzeugten flüssigen Teilchen erhärten
zu rasch, uni viel Oxydation zuzulassen. Mithin kann das so behandelte Kupfer viel
Aluminium enthalten, ohne beträchtlichen Verlust daran zu erleiden. Mit anderen
Worten, die elektrolytische Feinungsstufe kann eine beträchtliche Menge von Aluminium.
(und auch Silicium) im Anodenkupfer lassen, ohne daß viel - wenn überhaupt etwas
-davon verlorengeht. Wenn das restliche Anodenkupfer zuviel Eisen und Titan oder
eines davon enthält, so kann mehr oder weniger !davon durch das. bekannte Verfahrender
Oxydation und Verschlackung oder in sonstiger Art entfernt werden, bevor .das Metall
dem: Luft- oder Dampfstrahl ausgesetzt wird. Natürlich wird bei diesem Verfahren
vorhandenes restliches Aluminium mit dem Eisen und Titan oxydiert und mit der Schlacke
entfernt. In diesem Falle ist es @daher erwünscht, soviel als möglich von dem Aluminium
,beim. elektrolytischen Feinen zu entfernen, so,da81 die Schlacke von derKupferbehandlung
ohne Herbeiführung ernstlicher Verluste weggeworfen: werden kann.
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. Das neue Verfahren ist nicht an die dargestellten und beschriebenen
Einzelheiten :gebunden.