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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines
geschmolzenen Metalls, das ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente
enthält.
Der Begriff Fremdelement wird verwendet, um ein Element anzuzeigen,
dessen Konzentration in dem gereinigten Metall verringert sein sollte,
da es den Wert davon mindert.
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Das
Reinigen von Metallen kann wirtschaftlich sehr rentabel sein, da
es gestattet, Schrottmetalle, die unterschiedliche Legierungs- oder
Fremdelemente und unterschiedliche Mengen der Fremdelemente enthalten
können,
zu bearbeiten, um eine Standardreinheit und einen höheren wirtschaftlichen
Wert wiederzuerlangen.
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Es
gibt mehrere bekannte Verfahren zum Reinigen eines geschmolzenen
Metalls. Ein Beispiel ist die Hoopes-Zelle, wie z. B. in
US 1.562.090 offengelegt,
wobei Aluminium in einer elektrolytischen Zelle raffiniert wird.
Elektrochemische Prozesse für
große
Mengen von Metall sind jedoch auf Grund des hohen Verbrauchs elektrischer
Energie sehr teuer. Darüber
hinaus sind außerdem
die Kapitalkosten auf Grund der erforderlichen horizontalen Grenzfläche hoch.
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Ein
anderes Reinigungsverfahren ist fraktionierte Kristallisation, wie
z. B. in
US 4.273.627 beschrieben,
wobei ein untereutektisches geschmolzenes Metall, das ein Fremdelement
oder mehrere Fremdelemente enthält,
gekühlt
wird, um Teilverfestigung zu erreichen. Das geschmolzene Metall
wird auf unmittelbar oberhalb einer eutektischen Temperatur gekühlt. Die
Kristalle, die sich in dem geschmolzenen Metall bilden, weisen eine reinere
Zusammensetzung auf als die des geschmolzenen Metalls, das als ein
Ausgangspunkt verwendet wird. Diese Kristalle können dann mit Hilfe einer Fest-Flüssig-Trenntechnik
von dem restlichen geschmolzenen Metall getrennt werden. Dieser
Prozess hat jedoch den Nachteil, dass, wenn die Anfangskonzentration
von Fremdelementen hoch ist, die erzielte Menge gereinigten Metalls
relativ gering ist und die Menge erzeugten Nebenprodukts hoch ist.
Dies bedeutet, dass das Verfahren fraktionierter Kristallisation
z. B. zum Reinigen von Schrott nicht wirtschaftlich durchführbar sein
könnte.
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Ein
alternatives Reinigungsverfahren erfolgt mit Hilfe von Trennung
von Fremdelementen, wobei ein übereutektisches
geschmolzenes Metall, das ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente
enthält,
gekühlt wird,
um Teilverfestigung zu erreichen. Das geschmolzene Metall wird auf
unmittelbar oberhalb einer eutektischen Temperatur gekühlt. Das/die
Fremdelement(e) verfestigt/verfestigen sich, um Kristalle, die wenigstens ein
Fremdelement enthalten, und/oder reine Kristalle eines Fremdelements
zu bilden, die dann unter Verwendung einer Fest-Flüssig-Trenntechnik
von dem geschmolzenen Metall getrennt werden können. Ein untereutektisches
geschmolzenes Metall kann durch das Hinzufügen bestimmter Elemente übereutektisch
gemacht werden, wie in
US 5.741.348 offengelegt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass das erzielte flüssige Produkt nicht
sehr rein ist und somit von relativ geringem Wert ist.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines verbesserten
Verfahrens zum Reinigen eines geschmolzenen Metalls, das ein Fremdelement
oder mehrere Fremdelemente enthält.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen
eines Prozesses, mit dem eine relativ hohe Ausbeute relativ reinen
Metalls erzielt werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines Prozesses,
der zum Reinigen großer Mengen
geschmolzenen Metalls, das ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente
enthält,
verwendet werden kann.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines wirtschaftlichen
Verfahrens zum Reinigen eines geschmolzenen Metalls, das ein Fremdelement
oder mehrere Fremdelemente enthält.
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Eine
oder mehrere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein
Verfahren zum Reinigen eines geschmolzenen Metalls, das ein Fremdelement
oder mehrere Fremdelemente enthält,
erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das geschmolzene
Metall auf eine eutektische Temperatur gekühlt wird, um gereinigte Metallkristalle
und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, simultan
auszubilden, und dass wenigstens einige der Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, unter Verwendung einer Fest-Fest-Trenntechnik von
den gereinigten Metallkristallen getrennt werden.
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Der
Begriff „Kristalle,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten" schließt intermetallische Verbindungen
ein, die gebildet werden, wenn sich Atome von zwei oder mehr Fremdelementen
in bestimmten Verhältnissen
verbinden, um Kristalle mit einer Struktur, die sich von der von
einem der einzelnen Fremdelemente unterscheidet, und außerdem reine
Kristalle eines Fremdelementes zu bilden. Der Begriff „eutektische
Temperatur" bezieht
sich auf eine Temperatur, bei der sich wenigstens zwei feste Phasen
simultan bilden. Eutektische Temperatur bezieht sich somit auf den
eutektischen Punkt für
ein binäres
System und auf eine Temperatur entlang dem eutektischen Tal für ein ternäres System,
ein quaternäres
System oder ein System höherer
Ordnung.
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Intermetallische
Verbindungen oder reine Kristalle von Elementen, die in dem geschmolzenen
Metall vorhanden sind, die aber keine Fremdelemente sind, da ihr
Vorhandensein in dem gereinigten Produkt nicht unerwünscht ist,
können
sich ebenfalls in dem geschmolzenen Metall bilden und müssen nicht
von den gereinigten Metallkristallen getrennt werden.
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Der
Begriff Fest-Fest-Trenntechnik bezieht sich auf eine Technik, um
wenigstens eine Art von Feststoff von einer anderen zu trennen.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den bekannten Verfahren
zum Metallreinigen insofern, als das geschmolzene Metall auf eine
eutektische Temperatur gekühlt
wird, und insofern, als eine Fest-Fest-Trenntechnik verwendet wird,
um wenigstens einige der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
von den gereinigten Metallkristallen zu trennen. Wenn während fraktionierter
Kristallisation eine eutektische Temperatur erreicht wird, bilden
sich Kristalle, die weniger rein sind als das geschmolzene Metall,
das als ein Ausgangspunkt verwendet wird. Dies hat zur Folge, dass
der Prozess im Vergleich zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen
Temperatur bei einer eutektischen Temperatur weniger effizient ist.
Wenn während des
bekannten Verfahrens zum Trennen von Fremdelementen eine eutektische
Temperatur erreicht wird, bilden sich Kristalle, die reiner sind
als das geschmolzene Metall, das als ein Ausgangspunkt verwendet
wird. Diese Kristalle bilden einen Teil des Nebenprodukts, wodurch
der Prozess im Vergleich zu einer Temperatur oberhalb der eutektischen
Temperatur bei einer eutektischen Temperatur weniger effizient gemacht
wird.
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Die
vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass, wenn die Konzentration
von Fremdelement(en) in dem geschmolzenen Metall, das dem Reinigungsverfahren
der vorliegenden Erfindung zu unterziehen ist, im Wesentlichen höher ist
als die Festkörperlöslichkeit
des Fremdelementes/der Fremdelemente bei einer eutektischen Temperatur,
im Wesentlichen geringer ist als die eutektische Konzentration und
der Verteilungskoeffizient geringer als eins ist, das erzielte Produkt
konsistent von relativ hoher Reinheit ist und die Menge von erzieltem
Produkt relativ hoch ist. Ein Produkt, das in der Form der gereinigten
Metallkristalle erzielt wird, enthält im Wesentlichen weniger
von dem/den Fremdelement(en) im Vergleich zu der ursprünglich in
dem geschmolzenen Metall vorhandenen Konzentration des Fremdelementes/der
Fremdelemente und die Menge von Nebenprodukt ist auf ein Minimum
verringert. Die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
enthalten im Wesentlichen mehr von dem/den Fremdelement(en) im Vergleich
zu der ursprünglich
in dem geschmolzenen Metall vorhandenen Konzentration des Fremdelementes/der
Fremdelemente. Der Verteilungskoeffizient ist das Verhältnis der
Konzentration des Fremdelementes/der Fremdelemente in den gereinigten
Metallkristallen zu der ursprünglich
in dem geschmolzenen Metall vorhandenen Konzentration des Fremdelementes/der Fremdelemente.
Der Verteilungskoeffizient kann bevorzugt geringer als 0,5 sein
oder 0,5 entsprechen oder bevorzugter geringer als 0,25 sein oder
0,25 entsprechen, um größere Mengen
reineren Produkts zu erzielen.
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Beispiele
für Verteilungs-
oder Distributionskoeffizienten sind 0,03 für Aluminium, das Eisen als
Fremdelement enthält,
0,1 für
Aluminium, das Silizium als Fremdelement enthält, und 0,93 für Aluminium,
das Mangan als Fremdelement enthält.
Das Protokoll des Fourth International Symposium On Recycling Of
Metals And Engineered Materials TMS (The Minerals, Metals & Materials Society)
2000, S. 979 bis 991, „Refining
Of a 5XXX series aluminium alloy scrap by Alcoa fractional crystallisation
process" von All
I. Kahveci und Ali Unal listet die Verteilungs- und Distributionskoeffizienten
für einige
Verunreinigungen bei Aluminium auf.
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Im
Allgemeinen weist das vorliegende Verfahren eine höhere Ausbeute
auf als ein Verfahren fraktionierter Kristallisation, das unmittelbar
oberhalb der eutektischen Temperatur betrieben wird, und weist im
Vergleich zu einem Verfahren, das Trennung von Fremdelementen umfasst
und ebenfalls unmittelbar oberhalb der eutektischen Temperatur durchgeführt wird,
eine bessere Produktreinheit auf.
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Die
vorliegende Erfindung hat außerdem
den Vorteil, dass im Gegensatz zu den bekannten Verfahren der fraktionierten
Kristallisation und Trennung von Fremdelementen genaue Temperatursteuerung
nicht erforderlich ist. Beim Verwenden des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung ist das System selbstregulierend und hält sich selbst bei eutektischer
Temperatur in einem großen
Verfestigungsbereich. Eine Festkörperfraktionsmessung,
die nicht stringent genau sein muss, kann zum Steuern des Prozesses
verwendet werden. Fest- Fest-Trennung
wird im Allgemeinen schwierig, wenn die Festkörperfraktion über 30%
liegt. Außerdem kann
eine Energiemessung zum Steuern des Prozesses verwendet werden.
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Es
ist möglich
und könnte
vorteilhaft sein, vor der Anwendung der Fest-Fest-Trenntechnik wenigstens einige
der gereinigten Metallkristalle und der Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, im Wesentlichen simultan im Wesentlichen
von der Gesamtmenge geschmolzenen Metalls zu trennen. Der Fest-Fest-Trennschritt
kann dann erreicht werden, indem z. B. das Gemisch aus gereinigten
Metallkristallen und Kristallen, die wenigstens ein Fremdelement
enthalten, zu geschmolzenem Salz mit einer spezifischen Dichte zwischen
der der spezifischen Dichten der gereinigten Metallkristalle und
der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, hinzugefügt wird,
so dass einige der Kristalle in das Salz hineinsinken, während der
Rest auf dem Salz flotiert.
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Vorzugsweise
wird die Fest-Fest-Trenntechnik ausgeführt, indem die gereinigten
Metallkristalle und die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement
enthalten, in mehrere Fraktionen getrennt werden, wobei das Verhältnis der
Konzentration der gereinigten Metallkristalle und der Konzentration
der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, in einer
der Fraktionen höher
ist als das Verhältnis
davon in dem geschmolzenen Metall. Einer der Ströme enthält vorzugsweise wenigstens
das Doppelte der ursprünglich
in dem geschmolzenen Metall vorhandenen Konzentration des Fremdelementes.
Wenn mehr als ein Fremdelement vorhanden ist, kann es erforderlich
sein, das geschmolzene Metall, das die gereinigten Metallkristalle
und die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, in mehr
als zwei Fraktionen zu trennen.
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Als
eine weitere Alternative können
wenigstens einige der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
im Wesentlichen von der Gesamtmenge geschmolzenen Metalls, das gereinigte
Metallkristalle enthält,
getrennt werden. Vorzugsweise werden wenigstens 30% der Kristalle,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten, im Wesentlichen von der
Gesamtmenge geschmolzenen Metalls, das gereinigte Metallkristalle
enthält,
getrennt. Bei dieser alternativen Ausführung werden die Kristalle,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten, von dem geschmolzenen
Metall getrennt, ohne dass außerdem
eine signifikante Menge kristallisierten oder geschmolzenen Metalls
zusammen mit den Kristallen, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
getrennt wird. Auch wenn es wünschenswert
ist, das Einschließen
geschmolzenen Metalls beim Trennen der Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, zu vermeiden, ist dies in der Praxis
nicht erreichbar. Vorzugsweise ist die Menge geschmolzenen Metalls,
die zusammen mit den Kristallen, die wenigstens ein Fremdelement
enthalten, getrennt wird, geringer als die getrennte Menge von Kristallen,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten. Falls gewünscht, können die
gereinigten Metallkristalle dann relativ leicht aus dem verbleibenden
geschmolzenen Metall entfernt werden.
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Ein
bevorzugtes Verfahren für
Fest-Fest-Trennung erfolgt unter Verwendung von Zentrifugalkraft.
Die Anwendung von Zentrifugalkraft bewegt die Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, und gereinigte Metallkristalle selektiv
auf Grund ihres Unterschieds bei Dichte und Größe, so dass ein Teil des geschmolzenen
Metalls, der den größten Teil
der gereinigten Metallkristalle enthält, von dem Rest des geschmolzenen
Metalls getrennt werden kann, der den größten Teil der Kristalle enthält, die
wenigstens ein Fremdelement enthalten.
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Ein
weiteres bevorzugtes Verfahren für
Fest-Fest-Trennung erfolgt unter Verwendung eines elektromagnetischen
Feldes. Dieses Verfahren verwendet auf vorteilhafte Weise den Umstand,
dass Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, weniger
leitfähig
sind als das geschmolzene Metall, während das geschmolzene Metall
weniger leitfähig
ist als die gereinigten Metallkristalle. Ein durch einen Magneten
erzeugtes elektromagnetisches Feld, das über einen Strom des geschmolzenen
Metalls hinweg angewendet wird, das die gereinigten Metallkristalle
und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, könnte verwendet
werden, um den Strom in einen Teil geschmolzenen Metalls, der den
größten Teil
der gereinigten Metallkristalle enthält, und einen Teil, der den
größten Teil
der Kristalle enthält,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten, zu trennen. Ein solches
Verfahren wird z. B. in
US 6355085 beschrieben.
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Ein
anderes bevorzugtes Verfahren für
Fest-Fest-Trennung erfolgt unter Verwendung einer Flotationstechnik.
Auf Grund des Unterschieds bei Dichte und Teilchengröße zwischen
den gereinigten Metallkristallen und den Kristallen, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, weisen die gereinigten Metallkristalle
und die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, unterschiedliche
Affinitäten
gegenüber
Gasblasen auf. Durch Zuführen
von Gasblasen zu dem geschmolzenen Metall, das die gereinigten Metallkristalle
und die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, können die
gereinigten Metallkristalle zum Beispiel mit den Gasblasen durch
das geschmolzene Metall hindurch zu einer oberen Region des geschmolzenen Metalls
getragen werden, während
die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, in einer
unteren Region des geschmolzenen Metalls bleiben.
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Die
vorgenannten Verfahren zum Trennen des geschmolzenen Metalls, das
die gereinigten Metallkristalle und Kristalle, die wenigstens ein
Fremdelement enthalten, enthält,
in mehrere Fraktionen, die verschiedene Konzentrationen der Kristalle,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthalten, können einen
zusätzlichen
Fest-Flüssig-Trennschritt
enthalten, um die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
von dem geschmolzenen Metall zu trennen. Ein solcher Schritt kann
z. B. Filtern oder Zentrifugieren umfassen. Da Zentrifugalkraft
direkt proportional zu der Masse ist, führt der Unterschied bei der
spezifischen Dichte zwischen den Kristallen, die wenigstens ein
Fremdelement enthalten, und dem geschmolzenen Metall im Vergleich
zu dem geschmolzenen Metall zu einer unterschiedlichen Zentrifugalkraft,
die auf die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
ausgeübt
wird, wobei dies verwendet werden kann, um die Kristalle, die wenigstens ein
Fremdelement enthalten, von dem geschmolzenen Metall zu trennen.
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Ein
bevorzugtes Verfahren, um wenigstens einige der Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, im Wesentlichen von der Gesamtmenge
geschmolzenen Metalls, das gereinigte Metallkristalle enthält, zu trennen,
besteht darin, eine Schicht aus Salz mit einer Schicht des geschmolzenen
Metalls, das sowohl die gereinigten Metallkristalle als auch die
Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, in Kontakt
zu bringen, indem Einrichtungen verwendet werden, um wenigstens
einige der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
in die Salzschicht hinein zu transportieren, und die gereinigten
Metallkristalle von dem geschmolzenen Metall getrennt werden. Die
Einrichtungen, um im Wesentlichen alle der Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, mit dem Salz in Kontakt zu bringen,
können
zum Beispiel Rühreinrichtungen
sein. Sobald die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
mit dem Salz in Kontakt gebracht werden, können sie auf Grund ihrer unterschiedlichen
spezifischen Dichte im Vergleich zu dem geschmolzenen Metall und
den gereinigten Metallkristallen in dem geschmolzenen Salz zurückgehalten
werden. Die gereinigten Metallkristalle werden ebenfalls mit dem
Salz in Kontakt gebracht, werden jedoch auf Grund ihrer unterschiedlichen
relativen Dichte nicht zurückgehalten.
Die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, können relativ
leicht aus dem Salz entfernt werden und die gereinigten Metallkristalle
können
z. B. durch Filtrierung von dem geschmolzenen Metall getrennt werden.
Das Salz weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt unterhalb der eutektischen
Temperatur auf, bei der der Prozess durchgeführt wird.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ist im Besonderen zum Reinigen
geschmolzenen Aluminiums geeignet, das wenigstens ein Fremdlegierungselement
enthält.
Primäraluminiumherstellung
aus Aluminiumerz ist sehr energieintensiv und teuer, was Wiederverwertung
rentabler macht. Jedoch ist es unter Verwendung der Verfahren zum
Metallreinigen nach dem Stand der Technik oftmals immer noch nicht
wirtschaftlich rentabel, Aluminiumschrott zu reinigen, ohne relativ
reines Primäraluminium
zu dem Schrott hinzuzufügen,
um das/die vorhandene(n) Fremdelement(e) wirksam zu verdünnen. Unter
Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung können große Mengen
von Aluminiumlegierungsschrott kostengünstig gereinigt werden, ohne
dass das Hinzufügen
großer
Mengen reinen Primäraluminiums
erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung kann vorteilhaft verwendet werden, um ein
Fremdelement oder mehrere Fremdelemente, wie Eisen, Silizium, Kupfer,
Mangan und Magnesium, zu entfernen, die oft in schwankenden Mengen
in Aluminiumlegierungsschrott vorhanden sind.
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Die
vorliegende Erfindung kann außerdem
vorteilhaft bei einem kontinuierlichen Prozess angewendet werden,
so dass die gereinigten Metallkristalle und Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, kontinuierlich gebildet und getrennt
werden. Durch kontinuierliches Zuführen geschmolzenen Metalls
oberhalb der eutektischen Temperatur zu geschmolzenem Metall, das
bereits auf die eutektische Temperatur gekühlt worden ist und in dem Kristalle,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten, bereits gebildet worden
sind, und Halten der Temperatur des geschmolzenen Metalls auf der
eutektischen Temperatur werden Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement
enthalten, zu größerem Wachstum
angeregt. Dies kommt daher, weil die Kristalle, die wenigstens ein
Fremdelement enthalten und bereits in dem geschmolzenen Metall vorhanden
waren, als Kristallisationszentren für die Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, wirken, die sich aus dem nachfolgend
hinzugefügten
geschmolzenen Metall bilden. Je größer die Größe der Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, ist, desto relativ leichter ist es,
sie von den Kristallen gereinigten Metalls zu trennen. Sowohl die
gereinigten Metallkristalle als auch die Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, können
zu Größen wachsen,
die größer als
50 μm sind
und bis zu 200 μm
groß sind.
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Vorzugsweise
wird das geschmolzene Metall, das ein Fremdelement oder mehrere
Fremdelemente enthält,
einem Prozess fraktionierter Kristallisation und einer Fest-Flüssig-Trenntechnik unterzogen,
bevor das verbleibende geschmolzene Metall auf eine eutektische
Temperatur gekühlt
wird, um gereinigte Metallkristalle und Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, simultan auszubilden. Indem das geschmolzene Metall,
das ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente enthält, einem
Prozess fraktionierter Kristallisation und einer Fest-Flüssig-Trenntechnik
unterzogen wird, wird eine große
Menge der gereinigten Aluminiumkristalle von dem verbleibenden geschmolzenen
Metall getrennt, bevor es auf die eutektische Temperatur gekühlt wird.
Die Kristalle, die ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente enthalten
und sich bei einer eutektischen Temperatur bilden, sind nicht auf
eine Kristallmatrix beschränkt,
was bedeutet, dass sich größere Kristalle,
die ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente enthalten, bilden
können.
Größere Kristalle
sind unter Verwendung einer Fest-Fest-Trenntechnik einfacher zu
trennen. Das Unterziehen des geschmolzenen Metalls, das ein Fremdelement
oder mehrere Fremdelemente enthält,
einem Prozess fraktionierter Kristallisation und einer Fest-Flüssig-Trenntechnik, bevor
das verbleibende geschmolzene Metall auf eine eutektische Temperatur
gekühlt
wird, kann außerdem
in Situationen verwendet werden, in denen die Konzentration eines Fremdelementes/von
Fremdelementen in dem geschmolzenen Metall, das dem Reinigungsverfahren
nach Anspruch 1 zu unterziehen ist, anfänglich geringer ist als die
Festkörperlöslichkeit
des Fremdelementes/der Fremdelemente bei einer eutektischen Temperatur.
Nach der Bildung und Trennung der gereinigten Metallkristalle kann
die Konzentration von Fremdelementen in dem verbleibenden geschmolzenen
Metall größer sein als
die Festkörperlöslichkeit
des Fremdelementes/der Fremdelemente bei eutektischer Temperatur
und kann dann mit dem in Anspruch 1 dargelegten Verfahren wirksam
gereinigt werden.
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Das
Unterziehen des geschmolzenen Metalls, das ein Fremdelement oder
mehrere Fremdelemente enthält,
einem Prozess fraktionierter Kristallisation und einem Fest-Flüssig-Trennschritt, bevor
das verbleibende geschmolzene Metall auf eine eutektische Temperatur
gekühlt
wird, wird am bevorzugtesten bei einem diskontinuierlichen Prozess
oder Chargenprozess verwendet.
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Das
geschmolzene Metall, das ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente
enthält
und nach dem Fest-Fest-Trennschritt verbleibt, wird vorzugsweise
einem Prozess fraktionierter Kristallisation und einer Fest-Flüssig-Trenntechnik
unterzogen. Dies erhöht
die Reinheit des Produkts weiter.
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Bevorzugter
wird das geschmolzene Metall, das ein Fremdelement oder mehrere
Fremdelemente enthält
und nach der Fest-Flüssig-Trenntechnik verbleibt,
dann auf eine eutektische Temperatur gekühlt, um gereinigte Metallkristalle
und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, simultan
auszubilden und wenigstens einige der Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, werden dann unter Verwendung einer Fest-Fest-Trenntechnik
von den gereinigten Metallkristallen getrennt. Dadurch wird die
Menge von Nebenprodukt, das durch den Prozess erzeugt wird, weiter
verringert.
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Tabelle
1 zeigt den theoretischen Vorteil, der im Vergleich zu der Verwendung
fraktionierter Kristallisation zum Reinigen des Aluminiums erzielt
werden kann, wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird, um 100
kg geschmolzenes Aluminium, das 0,5 Gew.-% Fe enthält, zu reinigen. Tabelle 1
| | AL
[Gew.-%] | Fe
[Gew.-%] | Masse
[kg] |
Eingang | | 99,5 | 0,5 | 100 |
Fraktionierte Kristallisation | Produkt
in Form von gereinigten Al-Kristallen | 99,95 | 0,05 | 76 |
Nebenprodukt
in Form von flüssigem
Al und Fe | 98,1 | 1,9 | 24 |
Verfahren der Erfindung | Produkt
in Form von gereinigten Al-Kristallen | 99,95 | 0,05 | 99 |
Nebenprodukt
in Form von Kristallen, die Fe enthalten | 59 | 41 | 1 |
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Wie
aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, führt das Verfahren der vorliegenden
Erfindung zu einer größeren Menge
gereinigten Produkts aus gereinigten Metallkristallen als das Verfahren
fraktionierter Kristallisation (d. h. 99 kg im Vergleich zu 76 kg),
auch wenn der Fe-Gehalt in den gereinigten Metallkristallen bei
beiden Verfahren der gleiche ist. Bei Verwendung des Verfahrens
fraktionierter Kristallisation enthält das Nebenprodukt weitaus
mehr Aluminium als das Nebenprodukt, das bei Verwendung des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
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Sowohl
die gereinigten Metallkristalle, die unter Verwendung fraktionierter
Kristallisation erzielt werden, als auch die gereinigten Metallkristalle,
die unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung erzielt werden,
können
einen Fe-Anteil
von lediglich 0,05 Gew.-% enthalten, da dies die Festkörperlöslichkeit
von Fe in Aluminium bei der eutektischen Temperatur ist. Wenn jedoch
das Verfahren fraktionierter Kristallisation verwendet wird, ist
die maximale Menge von Eisen, die in dem flüssigen Nebenprodukt vorhanden
sein kann, 1,9 Gew.-%, da dies die eutektische Konzentration von
Eisen in Aluminium ist. Bei Verwendung des Verfahrens der Erfindung
kann das erzielte Nebenprodukt theoretisch bis zu 41 Gew.-% Fe enthalten,
da dies die Konzentration von Eisen in den intermetallischen Al3Fe-Verbindungen ist, die gebildet werden.
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Tabelle
2 zeigt den Vorteil, der im Vergleich zu der Verwendung des Trennens
von Kristallen, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, zum Reinigen
des Aluminiums erzielt wird, wenn die vorliegende Erfindung verwendet
wird, um 100 kg geschmolzenes Aluminium, das 3,0 Gew.-% Fe enthält, zu reinigen. Tabelle 2
| | AL
[Gew.-%] | Fe
[Gew.-%] | Masse
[kg] |
Eingang | | 97,0 | 3,0 | 100 |
Trennung von Fremdelementen | Produkt
in Form von gereinigten Al-Kristallen | 98,1 | 1,9 | 97 |
Nebenprodukt
in Form von Kristallen, die Fe enthalten | 59 | 41 | 3 |
Erfindung Verfahren der | Al-Kristallen
Produkt in Form von gereinigten | 99,95 | 0,05 | 93 |
Nebenprodukt
in Form von Kristallen, die Fe enthalten | 59 | 41 | 7 |
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Wie
aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, ergibt, wenn das zugeführte geschmolzene
Metall aus übereutektischer
Zusammensetzung ist, das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
weniger Produkt (93 kg je 100 kg im Gegensatz zu 97 kg), aber der
Eisengehalt in den gereinigten Aluminiumkristallen kann erheblich
geringer sein als die Mindestmenge von Eisen in dem geschmolzenen
Aluminiumprodukt, die erreicht werden kann, wenn das Verfahren zum
Trennen von Fremdelementen verwendet wird. Somit ergibt das Verfahren
der vorliegenden Erfindung insgesamt ein wirtschaftlich wertvolleres
Produkt, auch wenn die erreichbare Mindestmenge von Nebenprodukt
größer ist
als die, die unter Verwendung des Verfahrens zum Trennen von Fremdelementen
erreicht werden kann. Wenn die Fremdelemente herausgetrennt werden,
entspricht maximal erzielbare Reinheit des Produkts ungefähr der eutektischen
Konzentration von Eisen in Aluminium, d. h. 1,9 Gew.-% Fe.
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Die
vorliegende Erfindung kann außerdem
mit ternären
Systemen verwendet werden, wie z. B. Aluminium, das sowohl Fe als
auch Si enthält.
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Das
folgende Beispiel berücksichtigt
100 kg Aluminium, das 0,5 Gew.-% Fe und 0,5 Gew.-% Si enthält. Die
folgenden Ergebnisse werden unter Verwendung von FactsageTM-Software und der Thermotech Al-Data-Datenbank
erzielt. Bei allen Temperaturen wird Gleichgewicht angenommen.
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Es
wird die Verfestigung des Metalls von dem vollständig geschmolzenen Zustand
bei 660°C
zu dem vollständig
verfestigten Zustand bei 600°C
berücksichtigt.
Gereinigte Aluminiumkristalle (AL-fcc) beginnen bei 655,8°C, sich zu
bilden. Diese Kristalle enthalten anfänglich 0,01 Gew.-% Fe und 0,05
Gew.-% Si und sind deutlich weitaus reiner als die Flüssigkeit.
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Die
Verfestigung von Al3Fe beginnt bei 644,9°C. Dies ist
der Beginn des Bereichs von Temperaturen, die in der vorliegenden
Anmeldung als eutektisch bezeichnet werden. Bei 644,9°C enthalten
die gereinigten Aluminiumkristalle 0,04 Gew.-% Fe und 0,16 Gew.-%
Si. Die Menge von Fe und Si in den gereinigten Aluminiumkristallen
hat sich erhöht,
da sich bereits eine erhebliche Menge (76 kg) Aluminium, das praktisch
kein Fe oder Si enthält,
aus dem geschmolzenen Metall heraus verfestigt hat, das unreiner
geworden ist und 1,9 Gew.-% Fe und 1,6 Gew.-% Si enthält.
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Wenn
die Verfestigung von Al3Fe bei 644,9°C beginnt,
enthalten die Al3Fe-Kristalle 40,8 Gew.-%
Fe und 0,25 Gew.-% Si. Sie können
als hoch unrein an Fe erachtet werden und die Erfindung verfolgt
das Ziel, solche Kristalle von den gereinigten Aluminiumkristallen
zu trennen. Unmittelbar oberhalb von 630,6°C enthalten die Al3Fe-Kristalle
immer noch 40,8 Gew.-% Fe, aber der Si-Gehalt hat sich auf 0,7 Gew.-%
erhöht.
Die gereinigten Aluminiumkristalle enthalten in dieser Phase 0,04
Gew.-% Fe und 0,4 Gew.-% Si, wobei dies immer noch reiner ist als
das ursprüngliche
geschmolzene Aluminium.
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Zwischen
den Temperaturen von 644,9°C
und 630,6°C
werden weitere 20,5 kg gereinigte Aluminiumkristalle gebildet. Die Gesamtmenge
gereinigter Aluminiumkristalle ist 96,5 kg. Das verbleibende flüssige Metall
beträgt
lediglich 2,5 Gew.-% des Systems.
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Bei
630,6°C
beginnt ein anderes Kristall AlFeSi-α, sich zu bilden. Diese Kristalle
enthalten 19 Gew.-% Fe und 10 Gew.-% Si und sind daher hoch unrein.
Die Trennung dieser Kristalle von den gereinigten Aluminiumkristallen
führt somit
außerdem
zur Reinigung. Während
dieses Kristallisationsschrittes ändert sich die Temperatur nicht
und in dieser Hinsicht verhält
sich die Verfestigung wie die Verfestigung eines reinen Metalls,
d. h. an einem Verfestigungspunkt, oder eines eutektischen binären Metalls.
Dieser Punkt ist der ternäre
eutektische Punkt. An diesem Punkt über einen Nulltemperaturbereich
verfestigen sich die verbleibenden 2,5 Gew.-% der Masse.
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Das
Vorgenannte wird in Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3
Temperaturbereich
(°C) | Gereinigte
Al-Kristalle (kg) | Al3Fe-Neben-Produkt (kg) | AlFeSi-α-Nebenprodukt (kg) | Flüssigkeit
(kg) |
655,8–644,9 | 75 | 0 | 0 | 25 |
644,9–630,6 | 96,5 | 1,0 | 0 | 2,5 |
630,6 | 98,64 | 0,22 | 1,14 | 0 |
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Zur
Vereinfachung wird angenommen, dass die Nebenprodukte vollständig von
den gereinigten Aluminiumkristallen getrennt werden können, und
Tabelle 4 zeigt das Nettoergebnis des Prozesses. Tabelle 4
| Produkt | Nebenprodukt
1 | Nebenprodukt
2 | Netto-Nebenprodukt |
Gesamt
(kg) | 98,64 | 0,22 | 1,14 | 1,36 |
%Fe | 0,04 | 41 | 19 | 34 |
%Si | 0,4 | 0,7 | 10 | 7 |
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Bei
einem erfindungsgemäß durchgeführten Chargenprozess
bilden, soweit keine speziellen Vorkehrungen getroffen werden, die
75 Gew.-% festes Aluminium, das sich zwischen 655,8 und 644,9°C bildet,
dann eine feste Matrix, in der keine turbulente Flüssigkeitsbewegung
möglich
ist. Nach weiterem Kühlen
ist das Nebenprodukt aus Kristallen, die Fe oder Fe und Si enthalten,
sehr kleine Kristalle. Kleine Kristalle sind schwieriger von den
gereinigten Aluminiumkristallen zu trennen.
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Die
gereinigten Aluminiumkristalle, die zwischen 655,8 und 644,9°C gebildet
werden, können
z. B. durch fraktionierte Kristallisation und einen Fest-Flüssig-Trennschritt
aus dem geschmolzenen Aluminium entfernt werden. Das verbleibende
geschmolzene Aluminium wird dann in der Nähe des eutektischen Tals liegen. Wenn
alle Kristalle aus dem geschmolzenen Aluminium entfernt sind, ist
die weitere eutektische Verfestigung von zwei Phasen nicht geometrisch
in einer Kristallmatrix begrenzt, wobei dies bedeutet, dass sich
größere Kristalle
bilden können.
Dies ist im Besonderen der Fall, wenn die Flüssigkeit gerührt wird.
Die Bildung größerer Kristalle
bedeutet, dass Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement, wie z.
B. Fe, enthalten und die dichter sind als Aluminium, selektiv aus
dem geschmolzenen Aluminium entfernt werden können, wobei ein Schlamm aus
eutektischer Flüssigkeit
und gereinigten Kristallen aus Aluminium zurückbleibt. Der Schlamm kann
dann unter Verwendung einer Fest-Flüssig-Trenntechnik getrennt werden, während die
verbleibende eutektische Flüssigkeit
wieder in den Kristallierer hinein zirkuliert werden kann.
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Der
Prozess kann außerdem
kontinuierlich in einem kontinuierlichen Kristallierer durchgeführt werden, der
z. B. einen Kühlbehälter umfasst.
Geschmolzenes Aluminium, das ein Fremdelement oder mehrere Fremdelemente
enthält,
wird in dem Behälter
auf eine eutektische Temperatur gekühlt, um gereinigte Aluminiumkristalle
und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, simultan
auszubilden. Die Festkörperfraktion
der Inhalte des Behälters
wird im Wesentlichen bei z. B. 10% gehalten. Sobald die Festkörperfraktion
höher als
10% wird, wird das Kühlen
verringert, und sobald die Festkörperfraktion
unter 10% fällt,
wird das Kühlen erhöht. Die
gereinigten Aluminiumkristalle und die Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, werden simultan mit einer Rate, die
der Bildungsrate entspricht, aus dem geschmolzenen Aluminium entfernt.
Die Kristalle bilden sich nach der in der obigen Tabelle 4 angegebenen
Massebilanz. Dies bedeutet, dass, auch wenn die Zusammensetzung
in dem Behälter
eutektisch ist und eutektisch bleibt, die Zusammensetzung des kontinuierlichen
Eingangs geschmolzenen Aluminiums, das ein Fremdelement/Fremdelemente
enthält,
bestimmt, wie viel Produkt und Nebenprodukt gebildet werden.
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Es
ist zu beachten, dass innerhalb eines recht großen eutektischen Temperaturbereiches
weitere Auswahlen getroffen werden können, um die Größe, Form
und Zusammensetzung des Nebenproduktes zu optimieren.
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Die
vorgenannten Berechnungen zeigen, dass aus 100 kg Aluminium, das
0,5 Gew.-% Fe und 0,5 Gew.-% Si enthält, die Erfindung eine sehr
hohe potenzielle Ausbeute von 98,64 kg Produkt ergibt, das lediglich
0,04 Gew.-% Fe enthält
und einen leicht verringerten Si-Gehalt von 0,4 Gew.-% aufweist.
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Das
erzielte Aluminiumlegierungsprodukt, das 0,04 Gew.-% Fe und 0,4
Gew.-% Si enthält,
kann mit Hilfe wenigstens eines Schrittes fraktionierter Kristallisation,
der außerdem
einen nahezu eutektischen flüssigen
Abfall ergibt, weiter gereinigt werden und kann bei dem Prozess
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die folgenden zeichnerischen
Darstellungen der Erfindung in den 1 bis 3 dargestellt.
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In 1 zeigt
das Bezugszeichen 1 die Zufuhr eines Metalls, das wenigstens
ein Fremdelement enthält,
vorzugsweise in geschmolzener Form zu einem ersten Prozessbehälter 2 an.
In dem Prozessbehälter 2 wird
das geschmolzene Metall auf die eutektische Temperatur gekühlt, um
gereinigte Metallkristalle und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement
enthalten, simultan auszubilden. Das Bezugszeichen 3 zeigt
die Zufuhr geschmolzenen Metalls, das gereinigte Metallkristalle
und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, zu einem
weiteren Prozessbehälter 4 an,
in dem das geschmolzene Metall, das die gereinigten Metallkristalle
und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, in mehrere
Fraktionen getrennt wird, die verschiedene Konzentrationen der Kristalle
enthalten, die wenigstens ein Fremdelement enthalten. Das Trennen
des geschmolzenen Metalls, das die gereinigten Metallkristalle und
Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, in mehrere
Fraktionen kann in dem gleichen Behälter, in dem die Kristallisation
eintritt, durchgeführt
werden. Das Trennen kann unter Verwendung einer Zentrifuge, die
die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, und die
gereinigten Metallkristalle auf Grund ihrer unterschiedlichen Dichte
selektiv bewegt, oder unter Verwendung eines elektromagnetischen
Feldes, das die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
und die gereinigten Metallkristalle auf Grund des Unterschieds der
Leitfähigkeit
zwischen ihnen selektiv bewegt, oder unter Verwendung einer Flotationstechnik durchgeführt werden,
die die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, und
die gereinigten Metallkristalle auf Grund ihrer unterschiedlichen
Affinitäten
gegenüber
Gasblasen selektiv bewegt. Das Bezugszeichen 5 zeigt das
Entfernen des geschmolzenen Metalls an, das eine geringere Konzentration
der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, und eine
höhere
Konzentration der gereinigten Metallkristalle enthält. Das
geschmolzene Metall kann als ein Endprodukt zugeführt werden
oder alternativ können
die gereinigten Metallkristalle in dem Prozessschritt 8 von
dem geschmolzenen Metall getrennt und als ein Endprodukt 9 zugeführt werden,
während
das geschmolzene Metall 10 erneut in den ersten Prozessbehälter 2 eingeleitet
wird. Das Wiederverwerten des geschmolzenen Metalls führt zu dem
Vorteil, dass die Nebenprodukte aus dem Prozess auf ein Minimum
verringert werden. Das Bezugszeichen 6 zeigt den Transport
des geschmolzenen oder festen Metalls, das eine höhere Konzentration
der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, zu einem
dritten Prozessbehälter 7 an,
in dem die meisten der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten,
z. B. unter Verwendung von Filtern oder Zentrifugieren von dem geschmolzenen
Metall getrennt werden oder auf andere Weise von dem Metall getrennt
werden können,
sobald es sich verfestigt hat. Das verbleibende geschmolzene Metall 10' kann als ein
Endprodukt erachtet werden oder kann erneut in den ersten Prozessbehälter 2 eingeleitet
werden, wenn die in dem geschmolzenen Metall verbleibende Menge
von Kristallen, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, als zu
hoch erachtet wird. Das Wiederverwerten des geschmolzenen Metalls
führt außerdem zu
dem Vorteil, dass die Nebenprodukte 25 aus dem Prozess
auf ein Minimum verringert werden.
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Das
Bezugszeichen 11 in 2 zeigt
die Zufuhr eines Metalls, das wenigstens ein Fremdelement enthält, vorzugsweise
in geschmolzener Form zu einem ersten Prozessbehälter 12 an. In dem
Prozessbehälter 12 wird
das geschmolzene Metall mit der eutektischen Temperatur gekühlt, um
gereinigte Metallkristalle und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement
enthalten, simultan auszubilden. Die Mehrheit gereinigter Metallkristalle
und die Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, werden
nachfolgend im Wesentlichen simultan im Wesentlichen von der Gesamtmenge
geschmolzenen Metalls getrennt. Das Bezugszeichen 13 zeigt
den Transport der gereinigten Metallkristalle und der Kristalle,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten, an, die im Wesentlichen
aus der Gesamtmenge des geschmolzenen Metalls entfernt worden sind.
Die gereinigten Metallkristalle und die Kristalle, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, werden in dem Prozessschritt 15 voneinander
getrennt. Der Prozessschritt 15 kann das Hinzufügen des
Gemisches aus gereinigten Metallkristallen und Kristallen, die wenigstens
ein Fremdelement enthalten, zu geschmolzenem Salz mit einer spezifischen
Dichte zwischen der der spezifischen Dichten der gereinigten Metallkristalle
und der Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, umfassen,
so dass einige der Kristalle in das Salz hineinsinken, während der
Rest auf dem Salz flotiert. Das geschmolzene Metall 14 kann
als ein Endprodukt erachtet werden oder kann erneut in den Prozessbehälter 12 eingeleitet
werden, um einen Teil des Metalls, das wenigstens ein Fremdelement
enthält,
in dem Behälter 12 zu
bilden, um dadurch dazu beizutragen, die durch den Prozess erzeugten
Nebenprodukte auf ein Minimum zu verringern.
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In 3 zeigt
das Bezugszeichen 21 die Zufuhr eines Metalls, das wenigstens
ein Fremdelement enthält,
vorzugsweise in geschmolzener Form zu einem Prozessbehälter 22 an.
In dem Prozessbehälter 22 wird das
geschmolzene Metall mit der eutektischen Temperatur gekühlt, um
gereinigte Metallkristalle und Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement
enthalten, simultan auszubilden. Der Prozessbehälter kann außerdem eine Schicht
aus geschmolzenem Salz, die sich in Kontakt mit einer Schicht aus
dem geschmolzenen Metall befindet, das sowohl die gereinigten Metallkristalle
als auch Kristalle, die wenigstens ein Fremdelement enthalten, enthält, sowie
Einrichtungen enthalten, um im Wesentlichen alle Kristalle, die
wenigstens ein Fremdelement enthalten, in die Schicht geschmolzenen
Salzes hinein zu transportieren. Die Salzschicht, die im Wesentlichen alle
Kristalle enthält,
die wenigstens ein Fremdelement enthalten, kann dann von dem geschmolzenen
Metall getrennt werden, das gereinigte Metallkristalle enthält, wie
durch das Bezugszeichen 23 angezeigt, und die gereinigten
Metallkristalle werden außerdem
als ein Endprodukt von dem geschmolzenen Metall getrennt, wie durch
das Bezugszeichen 24 angezeigt. Das geschmolzene Metall
kann in dem Prozessbehälter
zurückgehalten
werden.