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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung einer Aluminiumlegierung.
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Ein
bekanntes Verfahren ist die fraktionierte Kristallisierung, die
beispielsweise angewandt werden kann, um eine Aluminiumlegierung
zu reinigen, die mit einem Legierungselement wie Eisen verunreinigt
ist. Bei einer fraktionierten Kristallisierung wird ein Eingangsstrom
eines Aluminiumschrottmaterials, das für ein bestimmtes Legierungselement
oder einen Schmutzstoff in der Zusammensetzung untereutektisch ist,
in einen ersten Ausgangsstrom oder Produktstrom von gereinigtem
Aluminium und einen zweiten Ausgangsstrom oder Abreicherungsstrom
gespalten, der mit dem Schmutzstoff stärker als der Eingangsstrom
verunreinigt ist und eine Zusammensetzung hat, welche der eutektischen
Zusammensetzung für
den Schmutzstoff näher
kommt.
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Das
Dokument JP-A-7 70666 offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung einer untereutektischen Al-Si-Legierung und einer übereutektischen
Al-Si-Legierung aus Aluminiumschrott mit höherer Ausbeute. Der Aluminiumschrott
wird geschmolzen, und die Enteisenung wird mit einem Enteisenungsofen
durchgeführt.
Aus dem geschmolzenen Metall, aus welchem das Eisen entfernt ist,
wird mit einem Verfeinerungsofen eine untereutek tische Al-Si-Legierung
erhalten. Aus dem restlichen geschmolzenen Metall wird in einem Vorbehandlungsofen
eine übereutektische
Al-Si-Legierung erhalten, während
der Fe-Gehalt als eine intermetallische Verbindung abgetrennt wird,
d. h. ein Verfahren zur Abtrennung von intermetallischen Phasen.
In dem Verfeinerungsofen wird die untereutektische Al-Si-Legierung
mit einer Si-Konzentration erhalten, die jeder Klasse entspricht.
In dem Vorbehandlungsofen wird die übereutektische Al-Si-Legierung mit einer
hohen Si-Konzentration erhalten.
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Wo
in dieser Beschreibung auf eine fraktionierte Kristallisierung Bezug
genommen wird, ist dies so zu verstehen, daß sie alle Formen fraktionierter
Kristalliserung und alle anderen Reinigungsverfahren beginnend von
einer untereutektischen Legierung aufweist, wobei die Zusammensetzung
des Abreicherungsstroms von der eutektischen Zusammensetzung von
Aluminium und einem Legierungselement bestimmt ist.
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Ein
Problem der fraktionierten Kristallisierung liegt darin, daß der maximale
Gehalt des Schmutzstoffs in dem Abreicherungsstrom von der eutektischen
Zusammensetzung bestimmt ist. Bei einem Eingangsstrom von mit 0,5%
Fe verunreinigten Aluminium und einem Fe-Gehalt des Produktstroms
von weniger als 0,1% macht der Abreicherungsstrom mit einem erhöhten Fe-Gehalt
mehr als 25% des Eingangsstroms aus.
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Aus
dem Al-Fe-Phasendiagramm ist leicht zu ersehen, daß der Abreicherungsstrom
um so weniger verunreinigt sein wird, je reiner der Produktstrom
gemacht wird. Allerdings ist für
ein ökonomisches
Verfahren ein niedriges Volumen eines hoch verunreinigten Abreicherungsstroms
wünschenswert.
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Die
Leistung eines elementaren fraktionierten Kristallisierungsverfahrens
kann durch Verwendung eines fraktionierten Mehrstufen- oder Gegenstromkristallisierungsverfahrens
verbessert werden, aber die Grenze für die Verunreinigung des Abreicherungsstroms
mit dem Legierungselement ist durch die eutektische Zusammensetzung
bestimmt.
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Allgemein
hat das Material des Produktstroms einen höheren ökonomischen Wert als das Material
der ursprünglichen
Aluminiumlegierung, während
das Material des Abreicherungsstroms einen niedrigeren ökonomischen
Wert hat. Auf dem gegenwärtigen
Markt für
die üblichsten
Aluminiumlegierungen wird der Wertverlust des höher verunreinigten Abreicherungsstroms
im Vergleich zu dem Wert der ursprünglichen Aluminiumlegierung
nicht durch die Steigerung des ökonomischen
Werts des Produktstroms ausgeglichen. Auf dem Markt besteht eine
ziemlich schwache Nachfrage nach dem Material aus dem Abreicherungsstrom
aus dem fraktionierten Kristallisierungsverfahren; würde es also
in großen
Mengen produziert werden, würde
der ökonomische Wert
schnell sinken. Deshalb ist das Verfahren der fraktionierten Kristallisierung
oder jedes anderen Abtrennungsverfahrens tatsächlich heute ökonomisch
nicht machbar, bei welchem der Eingangsabfallstrom zu einem gereinigteren
und einem verunreinigteren Strom mit einer eutektischen oder nahezu
eutektischen Zusammensetzung führt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Reinigen einer
Aluminiumlegierung vorzusehen, das ökonomisch machbarer ist. Diese
und andere Aufgaben sind mit einem Verfahren zum Reinigen einer
Aluminiumlegierung gelöst,
welche ein Legierungselement oder einen Schmutzstoff enthält, wobei
die Aluminiumlegierung einem fraktionierten Kristallisierungsverfahren
unterworfen wird, wobei wenigstens die Aluminiumlegierung in einen
Produktstrom mit einem Gehalt des Legierungselements, der geringer
als der Gehalt des Legierungselements in der Aluminiumlegierung
ist, und einen Abreicherungsstrom mit einem Gehalt des Legierungselements
getrennt wird, der höher
als der Gehalt des Legierungselements in der Aluminiumlegierung
ist, und wobei der Abreicherungsstrom einem Verfahren zur Abtrennung
von intermetallischen Phasen unterworfen wird, wobei ein Additiv
dem Abreicherungsstrom zugegeben wird, um eine Mischung zu bilden, die
intermetallische Phasen aus Aluminium-Legierungselement-Additiv
enthält,
und aus dieser Mischung ein Abfallstrom und ein Recyclestrom abgetrennt
wird, wobei der Abfallstrom einen höheren Gehalt des Legierungselements
als der Recyclestrom enthält,
und der Recyclestrom wenigstens teilweise dem fraktionierten Kristallisierungsverfahren
zugeführt
wird. Das Verfahren nach der Erfindung kombiniert ein untereutektisches Verfahren
wie die fraktionierte Kristallisierung (FC) mit einem übereutektischen
Verfahren wie der Abtrennung von intermetallischen Phasen (SIM).
Der Abfallstrom weist feste, intermetallische Al-Legierungselement-Additiv-Phasen
auf, der Recyclestrom ist grundsätzlich
ein flüssiger
Aluminiumstrom, der weniger an dem Legierungselement als die Abreicherungskomponente
enthält.
Ein häufig
vorkommendes Legierungselement ist Fe.
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Das
Prinzip des SIM-Verfahrens ist dem metallurgischen Fachmann bekannt
und umfaßt
solche Verfahren wie Schichtenkristallisierung, Filtrierung, magnetische
Abtrennung, Hydrozyklonierung und Ausfällung in geschmolzenen Salzen.
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Der
Abreicherungsstrom des FC-Verfahrens wird als ein Eingangsstrom
für das
SIM-Verfahren verwendet. Bei diesem SIM-Verfahren wird ein Additiv
zugegeben. Das Additiv ist derart ausgewählt, daß es wirksam die eutektische
Zusammensetzung des Legierungselements und Aluminiums wie die eutektische
Zusammensetzung von Fe und Aluminium senkt.
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Der
Abreicherungsstrom des fraktionierten Kristallisierungsverfahrens
wird zu einer übereutektischen Mischung
gemacht, indem das Additiv zugegeben wird. Bei dem SIM-Verfahren
wird die Mischung in einen Abfallstrom mit einem hohen Gehalt des
Additivs und des Legierungselements und einen Recyclestrom mit einer niedrigeren
Zusammensetzung des Legierungselements aufgespalten. Dieser Recyclestrom
wird mit dem Eingangsstrom der Aluminiumlegierung gemischt.
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Das
Verfahren der Erfindung eröffnet
einen neuen, viel ökonomischeren
Weg zur Reinigung von Aluminiumlegierungen, der insbesondere für Aluminiumlegierungen
einer Zusammensetzung ge eignet ist, die auf dem Gebiet von Schrottrecycling
typisch ist.
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Andere
Vorteile des Verfahrens sind das ökonomische Volumen, synergetische
Vorteile durch Verfahrensintegration, niedrigere Empfindlichkeit
gegenüber
einer Schwankung von Aluminiumpreisen und umweltfreundliche Nachhaltigkeit.
Das Verfahren bleibt selbst kann ökonomisch profitabel, wenn
es in sehr großem Maßstab angewandt
wird.
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Die
Methode der Erfindung verwendet das Verfahren der Abtrennung von
intermetallischen Phasen zur Reinigung der Abreicherung des FC-Verfahrens
und das FC-Verfahren zur Reinigung wenigstens eines Teils des Produktstroms
(Recyclestroms) des SIM-Verfahrens. Die grundsätzliche Unmöglichkeit, das Eutektikum für das FC-Verfahren
und das SIM-Verfahren getrennt zu kreuzen, wird umgangen, indem
eine Recycleschleife in das Verfahren der Erfindung eingeführt wird.
Der näher
an dem Eutektikum liegende Abreicherungsstrom des FC-Verfahrens
wird durch Zugabe des Additivs übereutektisch
gemacht. Der näher
an dem Eutektikum liegende Produktstrom (Recyclestrom) des SIM-Verfahres
wird untereutektisch gemacht, indem das Additiv durch Zugabe von
zu reinigendem Aluminiumlegierungsmaterial verdünnt wird. Das Ergebnis des
Verfahrens ist wenigstens die teilweise Entfernung des Legierungselements
aus der Aluminiumlegierung mit einem kleinen resultierenden Abfallstrom
mit einem Gehalt des Legierungselements über eutektisch.
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Aus ökonomischen
Gründen
ist ein kleinerer, stark unreiner Abfallstrom gegenüber einem
größeren, weniger
verunreinigten Abfallstrom bevorzugt. Allerdings enthalten intermetallische
Al-Fe-Additiv-Phasen eine hohe Menge Aluminium. Bei dem gewöhnlichen,
getrennt angewandten Verfahren der Abtrennung von intermetallischen
Phasen würde
die Fest-Flüssig-Trennung
einen noch größeren Verlust
von Aluminium beinhalten. Ebenso ist der Abfallstrom nicht besonders
wertvoll. Er enthält
ziemlich wesentliche Mengen von Eisen, womit er nur für einfache
Verwendungen verwendet werden kann. Ferner ist der Produktstrom (Recyclestrom) des
Verfahrens der Abtrennung von intermetallischen Phasen, welcher
der gereinigte Strom ist, in der Zusammensetzung nahezu eutektisch.
Es gibt nur einen sehr kleinen Markt für eine Aluminiumlegierung,
die eine nahezu eutektische Menge des Legierungselements wie Fe
in Aluminium enthält.
Folglich kann der gegenwärtige Markt
die angebotene Menge nicht absorbieren, die zu einem niedrigen Preis
führt,
was das Verfahren für
die industrielle Anwendung in großem Maßstab nicht machbar macht.
Aus diesen Gründen
ist auch das SIM-Verfahren bei getrennter Anwendung nicht ökonomisch
machbar.
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Im
Unterschied dazu erzeugt das Verfahren der Erfindung nur einen kleinen
Abfallstrom. Deshalb leidet es nicht an den oben beschriebenen Problemen,
daß der
Abfallstrom jedes der getrennten Verfahren, des SIM-Verfahrens und
des FC-Verfahrens groß im
Vergleich zur Nachfrage auf dem Markt ist. Demnach beeinflußt die Anwendung
des Verfahrens der Erfindung in großem Maßstab nur in geringem Ausmaß den Wert
des Abfallstroms und die Profitabilität des gesamten Verfahrens.
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Die
Massenbilanz des Verfahrens der Erfindung kann den Anteil des Produktstroms
aus dem SIM-Verfahren begrenzen, der in das fraktionierte Kristallisierungsverfahren
als rückgeführtes Material
wieder zugeführt
werden kann. Ein Teil des flüssigen
Produktstroms bleibt dann mit den gebildeten intermetallischen Phasen
zurück.
Bevorzugt wird wenigstens ein Teil des flüssigen Aluminiums von den intermetallischen
Phasen in einem nachfolgenden Abtrennungsverfahren abgetrennt.
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Wie
oben erwähnt,
ist das fraktionierte Kristallisierungsverfahren an sich zur Zeit
nicht ökonomisch, insbesondere
nicht für
Anwendungen mit hohem Volumen.
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Allerdings
wird durch die Kombination der zwei Verfahren nach der Erfindung
ein hoch gereinigter Produktstrom und ein Abfallstrom erhalten,
kleiner als bei den getrennten Verfahren, der eine große Menge
des Legierungselements und des Additivs enthält. Dieser kleine Abfallstrom
kann z. B. als Desoxidationsmittel oder Legierungsmittel in der
Stahl herstellenden Industrie verwendet werden, oder die intermetallischen
Phasen können
durch Elektrolyse zersetzt werden, und die Bestandteile können wiedergewonnen
werden. Der Produktstrom ist ein hochwertiges Ausgangsmaterial für Aluminiumlegierungen
hoher Qualität.
Deshalb führt
die Kombination von zwei, an sich nicht ökonomisch machbaren Verfahren
zu einem kombinierten Verfahren zu einem ökonomisch machbaren, neuen
und erfinderischen Verfahren.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Additiv wenigstens ein aus Si, Mn, Cu, Co und Ni gewähltes Element
aufweist. Diese Elemente als Additive, entweder einzeln oder in
Kombination zugegeben, bilden leicht intermetallische Phasen mit
vielen Legierungselementen, die in der Aluminiumindustrie verwendet
werden, und ergeben einen hohen Entfernungswirkungsgrad. Dies gilt
insbesondere dann, wenn das zu entfernende Legierungselement Fe
ist, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Additiv hauptsächlich
Mn aufweist. Wird hauptsächlich
Mn als Additiv verwendet, dann läßt sich
eine beträchtliche
Reduzierung in der Menge des Abfallstroms erhalten, insbesondere
falls das Legierungselement Fe ist; dies ist aber nicht darauf beschränkt.
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Die
Erfindung ist von besonderem Interesse, falls das Legierungselement
Fe ist.
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Die
Verunreinigung von Aluminium durch Eisen tritt während der Verwendung oder Herstellung
von Aluminiumprodukten auf oder akkumuliert sich in anderen Recycleverfahren.
Eisen hat eine ungünstige
Wirkung auf die Formbarkeit und die Bruchmechanik von Aluminiumlegierungsprodukten
und kann deshalb nur in kleinen Mengen toleriert werden.
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Wenn
Fe das zu entfernende Legierungselement ist, beträgt der Fe-Gehalt
in der Aluminiumlegierung bevorzugt weniger als 1,7 Gew.-%, bevorzugter
weniger als 1,5 Gew.-%. Falls der Fe-Gehalt noch näher an dem
eutektischen Wert liegt, ist die mögliche Erhöhung des Fe-Gehalts in dem
Abreicherungsstrom des FC-Verfahrens
im Vergleich zu dem Fe-Gehalt in dem Eingangsstrom zu niedrig, um
das gesamte Verfahren ökonomisch
machbar zu machen.
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Bevorzugt,
wenn Fe das Legierungselement ist, beträgt der Fe-Gehalt in der Aluminiumlegierung mehr als
0,4 Gew.-%, bevorzugter mehr als 0,5 Gew.-%.
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Bei
einem niedrigeren Fe-Gehalt des Eingangsstroms der zu reinigenden
Aluminiumlegierung wird keine wesentliche Verringerung der Menge
des Abfallstroms erhalten, da der Recyclestrom aus dem SIM-Verfahren
in Abhängigkeit
von dem verwendeten Additiv auch etwa 0,5% Fe enthält.
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Die
Erfindung wird durch Vergleich der Menge und Zusammensetzung eines
Abfallstroms und eines Produktstroms für das fraktionierte Kristallisierungsverfahren
und das Verfahren unserer Erfindung veranschaulicht.
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In
Tabelle 1 ist die Zusammensetzung einer Aluminiumlegierung angegeben.
Die Masse wird als eine Einheit angenommen, z. B. 1000 kg.
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Tabelle
1: Aluminiumlegierungs-(Schrott)-Zusammensetzung
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Für den Fall,
daß der
Schrott unter Verwendung des FC-Verfahrens gereinigt wird, sind
die resultierenden Produktstrom- und Abfallstromzusammensetzungen
in der Tabelle 2 angegeben. Es ist zu sehen, daß die Abfallmenge etwa 25%
der ursprünglichen
Schrottmasse ist.
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Tabelle
2: Produkt- und Abfallmasse und Zusammensetzung durch Anwendung
von FC auf den Schrott von Tabelle 1
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Tabelle
3 zeigt das Ergebnis, wenn unsere Erfindung auf den Schrott angewandt
wird, indem ein Additiv wie Mangan dem Abreicherungsstrom des FC-Verfahrens
zugegeben wird und wenigstens ein Teil des Produktstroms aus dem
SIM-Verfahren als rückgeführtes Material
dem Eingang des FC-Verfahrens zugeführt wird. Die Tabelle zeigt,
daß der
Abfall auf weniger als 17% der Eingangsschrottmenge reduziert ist.
Man nimmt an, daß wenigstens
die intermetallische Phase Al6[Fe, Mn] gebildet wird.
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Nach
Tabelle 3 beträgt
der Abfall etwa 17% der Eingangsmasse. Die Menge an rückgeführtem Material,
die wieder dem FC-Verfahren zugeführt werden kann, wird durch
Massenbilanzbetrachtung bestimmt und umfaßt in vielen Fällen nicht
die Gesamtmenge des Produkts aus dem SIM-Verfahren.
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Die
Abfallmenge kann weiter reduziert werden, indem ferner in einem
getrennten Verfahren Aluminium bevorzugt in flüssiger Form von den intermetallischen
Phasen abgetrennt wird.
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Die
Zugabe eines zusätzlichen
Abtrennverfahrens hat auch den Vorteil einer größeren Flexibilität bei der
Auswahl des angewandten SIM-Verfahrens. Ein weniger wirksames SIM-Verfahren
mit einer niedrigeren Abtrennkapazität, aber mit niedrigeren Kosten
kann angewandt werden. Die weitere Abtrennung kann dann durch das
zusätzliche
Abtrennverfahren durchgeführt
werden.
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Tabelle
3: Produkt-, Abfall- und Additivmasse durch Anwendung des Verfahrens
der Erfindung auf den Schrott von Tabelle 1
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Die
Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung veranschaulicht,
in welcher 1 das Prinzip der Erfindung
zeigt und 2 in einer diagrammartigen Darstellung
eine Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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In 1 sind
die grundlegenden Prozesse des Verfahrens der Erfindung von dem
Quadrat 20 eingeschlossen. Die Prozesse umfassen ein FC-Verfahren,
das mit der Ziffer 21 angegeben ist, und ein SIM-Verfahren,
das mit der Ziffer 22 angegeben ist. Zu reinigender Schrott,
der mit der Ziffer 23 angegeben ist, wird durch eine Leitung 24 in
das FC-Verfahren 21 zugeführt. Das erhaltene gereinigte
Produkt ist mit der Ziffer 25 angegeben und wird aus dem
FC-Verfahren durch die Leitung 26 entfernt. Die Abreicherung 27 wird
aus dem FC-Verfahren durch die Leitung 28 exportiert und
dem SIM-Verfahren 22 durch die Leitung 29 zugeführt. Eine Abfallkomponente 30 aus
dem SIM-Verfahren wird aus den SIM-Verfahren durch die Leitung 31 genommen. Das
Additiv 32 wird dem SIM-Verfahren durch die Leitung 33 zugeführt. Die
Recyclekomponente 34 wird aus dem SIM-Verfahren 22 durch
die Leitung 35 genommen und dem FC-Verfahren durch die
Leitung 36 zugeführt.
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In 2 gibt
die Bezugsziffer 11 eine Versorgungsleitung an, durch welche
ein Strom einer Aluminiumlegierung wie Schrott, bevorzugt in geschmolzener
Form, der ein Legierungselement enthält, einem ersten Prozeßgefäß 12 zugeführt, in
welchem das fraktionierte Kristallisierungsverfahren durchgeführt wird.
Dieses fraktionierte Kristallisierungsverfahren kann so gewählt sein,
daß es
eine bekannte Ausführungsform
einer fraktionierten Kristallisierung ist. Mit der Versorgungsleitung 11 ist
eine Rückleitung 13 verbunden,
deren Funktion später
beschrieben wird. Die Versorgungsleitung 11 und die Rückleitung 13 laufen
in eine Eingangsleitung 19 zusammen, die mit dem Prozeßgefäß 12 gekoppelt
ist. Bei dem fraktionierten Kristallisierungs verfahren wird die
Mischung aus Aluminiumlegierung und Abreicherungsstrom in eine Produktkomponente,
die durch die Produktleitung 14 entfernt wird, und eine
Restkomponente getrennt, die durch die Abfalleitung 15 aus
dem Prozeßgefäß 12 extrahiert
wird. Die Abfalleitung 15 ist mit einem zweiten Prozeßgefäß 17 verbunden,
mit welchem auch eine Zufuhrleitung 16 verbunden ist. Durch
die Zufuhrleitung 16 wird ein Additiv wie Mn in das zweite
Prozeßgefäß 17 zugeführt. Ein
Verfahren zur Abtrennung von intermetallischen Phasen wird in dem
zweiten Prozeßgefäß 17 durchgeführt. Ein
Abfallstrom, der eine hohe Menge des Legierungselements wie Fe und
auch Mn enthält,
wird durch die Abfalleitung 18 entfernt. Mit dem zweiten
Prozeßgefäß 17 ist
auch die Rückleitung 13 verbunden,
durch welche ein gereinigter Abstrom des zweiten Prozesses wieder
als rückgeführtes Material in
das Prozeßgefäß 12 zugeführt wird.
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Gegebenenfalls
wird der Abfallstrom durch die Leitung 18 in einen nachfolgenden
Abtrennprozeß 10 zugeführt, in
welchem Aluminium in flüssiger
oder fester Form von den intermetallischen Phasen abgetrennt wird.
Durch dieses zusätzliche
Abtrennverfahren kann die Menge von durch die Leitung 9 entferntem
Abfall weiter reduziert werden, und eine höhere Menge an gereinigtem Aluminium
kann erhalten werden, die durch die Leitung 8 herausgenommen
wird.
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Der
gesamte kombinierte Prozeß hat
als Eingangsströme
den Strom der zu reinigenden Aluminiumlegierung und den Strom des
Additivs und als Ausgangsstrom den Abfallstrom und die Produktkomponente.
