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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Zugabe von Silikon zu reinem Aluminium oder zu einer
Aluminiumlegierung.
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Eine Aluminium-Silicium-Legierung wird in verschiedenen
technischen Gebieten vielfach verwendet. In dem anfänglichen
Stadium der Herstellung wurde die Legierung von Gießereien
durch Zufügen der benötigten Komponenten zum reinen Aluminium
hergestellt. Im nachfolgenden Stadium stellten die
spezialisierten Legierungsbetriebe die
Aluminium-Silicium-Legierung her. Bedeutende Verbesserungen sind in letzter Zeit bei
der Schmelzausrüstung erzielt worden und die analytischen
Geräte sind zu einem niedrigeren Preis erhältlich, mit dem
Ergebnis, daß die Gießereien der Herstellung von
Aluminium-Silicium-Legierung wieder Aufmerksamkeit schenken.
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Das weit akzeptierte spezifische Verfahren zur Addition
von Silicium umfaßt (A) die Addition von elementarem Silicium,
oder (B) die Addition einer
Aluminium-Silicium-Mutterlegierung. Bei Verfahren A hat das geschmolzene Silicium so eine
hohe Temperatur, wie 1414 ºC. Natürlich ist es schwierig das
geschmolzene Silicium über eine lange Zeit auf einer solch
hohen Temperatur zu halten, was zu erhöhten Kosten der
Schmelze führt. Außerdem macht die hohe Temperatur der Schmelze das
Legieren schwierig. Zusätzlich wird die Ausbeute an Silicium
in den Fällen unbefriedigend, in denen die Oberfläche der
Siliciumpartikel stark oxidiert werden oder die
Oxidationsreaktion von Silicium bei einer hohen Temperatur begünstigt ist.
Was außerdem angemerkt werden sollte, ist die Notwendigkeit
der Entfernung von Verunreinigungen. Um genauer zu sein, das
in dem Reduktionsmittel enthaltene Alkalimetall oder
dergleichen, das bei Herstellung von Silicium verwendet wird, bildet
eine Silicatschlacke und das nicht abreagierte Fluorid
verbleibt in dem hergestellten Silicium. Ferner verbleibt eine
sehr harte Verbindung von Siliciumkarbid in dem hergestellten
Silicium. Natürlich ist es notwendig diese Verunreinigungen zu
entfernen.
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Verfahren (B), d. h. Addition einer Aluminium-Silicium-
Mutterlegierung, bedeutet erhöhte Materialkosten. Die
Aluminium-Silicium-Mutterlegierung enthält nur 20 bis 25 Gew.% an
Silicium. Somit ist es notwendig, eine große Menge der
Mutterlegierung hinzuzufügen, was, wie oben bemerkt, zu erhöhten
Materialkosten führt. Ferner bedingt die Zunahme in der
zugefügten Menge der Aluminium-Silicium-Mutterlegierung ein
Absinken der Schmelztemperatur, was zu einem Ansteigen der
Schmelzkosten führt.
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Verschiedene andere Metalle als Silicium sind bekannt, um
Aluminium zur Bildung von Aluminiumlegierungen zugefügt zu
werden. In vielen Fällen haben die Zusatzmetalle ein höheres
spezifisches Gewicht als Aluminium und können dem
geschmolzenen Aluminium somit relativ leicht zugesetzt werden.
Zum Beispiel ist das spezifische Gewicht von Mangan 7,2, was
ungefährt dreimal höher ist als 2,7 für Aluminium. Auf der
anderen Seite ist das spezifische Gewicht von Silicium nur
2,4. Natürlicherweise kann, verglichen mit dem
Silicium-Zugabe, Mangan dem geschmolzenen Aluminium leicht zugesetzt
werden. Zusätzlich hat Mangan einen Schmelzpunkt von 1245 ºC, im
Gegensatz zu 660,2 ºC für Aluminium. Ferner hat Silicium einen
Schmelzpunkt von 1414 ºC, welcher höher ist als der von
Mangan. Man betrachtet den hohen Schmelzpunkt des Siliciums als
das, was die Zugabe von Silicium zu Aluminium schwierig macht.
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Die GB-A-1,514,313 offenbart ein Verfahren zum Legieren
von Nichteisenmetallen mit geeigneten Legierungselementen. Die
Legierungselemente werden als Partikel mit einem maximalen
Durchmesser von 1/4 Zoll (0,63 mm) verwendet, sind
vorzugsweise kleiner, und werden einer Schmelze von Zuschlägen von
Chloriden oder Fluoriden von K, Na, Mg oder Mn sowie Flußspat
und Kryolith zugesetzt. Beim Abkühlen der Schmelze werden
Brocken, Ziegel oder Blöcke gebildet, die die von den
Zuschlägen umgebenen Partikel der Legierungselemente enthalten. Die
Brocken, Ziegel oder Blöcke werden dann der Schmelze des
Nichteisenmaterials zugesetzt, wodurch die Zuschläge geschmolzen
werden. Nicht-Eisen-Metalle, die als Basismetall für die
Legierungen verwendet werden können umfassen Aluminium, Kupfer,
Magnesium, Zink und Blei. Geeignete Additive können einen oder
mehrere der folgenden Bestandteile enthalten: Magnesium,
Eisen, Chrom, Nickel, Titan, Bor, Kupfer, Silicium, Blei,
Wismut, Cadmium, Zircon und Kryolith. Es wird als von besonderer
Wichtigkeit angesehen, daß die Legierungsmaterialien schwerer
sein sollten als die Schmelze.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren
zur Zugabe von Silicium zu Aluminium bereitzustellen, das es
erlaubt Silicium bei einer niedrigen Temperatur zu
geschmolzenem Aluminium zuzugeben, so daß man eine Siliciumzugabe mit
einer hohen Ausbeute erzielt.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Zugabe von
Silicium zu Aluminium bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß Siliciumpartikel mit einem Durchmesser im Bereich
zwischen 2 mm und 50 mm zusammen mit einem durch die
allgemeine Formel XaMFb wiedergegebenen Schmelzzuschlag oder zusammen
mit einer Mischung von Zuschlägen, die einen durch die
genannte allgemeine Formel wiedergegebenen Zuschlag enthält, zu
einer Aluminiumschmelze gegeben wird, wobei "X" ein in der
dritten oder vierten Periode des Periodensystems enthaltenes
Element darstellt, "M" ein Element der III. oder IV. Gruppe des
Periodensystems und "F" Fluor" ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren
zur Zugabe von Silicium zu Aluminium bereitgestellt, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß Siliciumpartikel mit einem
Durchmesser im Bereich zwischen 2 mm und 50 mm und mit einem
Überzug eines Teils eines durch die allgemeine Formel XaMFb
wiedergegebenen Schmelzzuschlags oder eines Teils einer
Mischung von Zuschlägen, die einen durch die genannte allgemeine
Formel wiedergegebenen Zuschlag enthält, wobei "X" ein in der
dritten oder vierten Periode des Periodensystems enthaltenes
Element bedeutet, "M" ein Element der III. oder IV. Gruppe und
"F" Fluor ist, und der Rest der Zuschläge zu der
Aluminiumschmelze gegeben wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einzeln
wenigstens eine Art der durch die oben angegebene allgemeine
Formel dargestellten Zuschläge zu verwenden. Es ist auch
möglich, einen anderen Zuschlag in Kombination mit dem durch die
oben angegebene allgemeine Formel dargestellten Zuschlag zu
verwenden. Die in Kombination mit den oben definierten
Zuschlägen verwendete Zuschläge enthalten z. B. NaF, NaCl, KCl,
AlF&sub3;, KF, MgF&sub2;, CaF&sub2;, AICl&sub3;, CaCl&sub2;, MgCl&sub2;, C&sub2;Cl&sub6;, K&sub2;CO&sub3;, CaCO&sub3;,
KNO&sub3;, K&sub2;SO&sub4; und Na&sub2;SO&sub4;.
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Bevorzugte Elemente für "X" und "M" der allgemeinen
Formel sind in den Ansprüchen 3 und 4 genannt.
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Wo das Siliciumpartikel einen Durchmesser von weniger als
2 mm hat, hat das Siliciumpartikel eine sehr große spezifische
Oberfläche, was darin resultiert, daß das Siliciumpartikel
wahrscheinlich oxidiert wird. Zusätzlich wird der in einen
geschmolzenen Zustand überführte Zuschlag auf dem
Siliciumpartikel absorbiert, wodurch keine ausreichende Zuschlagreaktion
erhalten wird. Ferner schwimmen kleine Siliciumpartikel auf
einer Aluminiumschmelze, wenn sie dieser zugefügt werden. In
diesem Falle erfolgt die obengenannte Oxidationsreaktion
selektiv, was in einer niedrigen Ausbeute der Siliciumzugabe
resultiert. Andererseits benötigt man viel Zeit, um die
Siliciumpartikel zu schmelzen und die Ausbeute der Siliciumzugabe
ist niedrig, wenn die Siliciumpartikel einen größeren
Durchmesser als 50 mm haben.
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Verschiedene andere Verfahren können bei der vorliegenden
Erfindung angewendet werden. Zum Beispiel ist es auch möglich,
mit Zuschlägen überzogene Siliciumpartikel zu einer
Aluminiumschmelze zu geben. Alternativ ist es möglich, die mit einem
Teil des Zuschlags überzogenen Siliciumpartikel zusammen mit
dem Rest des Zuschlags zu einer Aluminiumschmelze zu geben. Es
ist auch möglich, die Zuschläge in einer Aluminiumschmelze zu
dispergieren, gefolgt von einer Zugabe der Siliciumpartikel,
wenn die Zuschläge geschmolzen sind. Es ist auch möglich,
beides, die Siliciumpartikel und die Zuschläge zusammen zu einer
Aluminiumschmelze zu geben. Es ist auch möglich, eine Mischung
der Silikonpartikel und der Zuschläge zu der Aluminiumschmelze
zu geben. Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, die Schmelze
während der Zugabe der Siliciumpartikel und der Zuschläge zu
der Aluminiumschmelze zu rühren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt, zur Wiederholung,
den Schritt der Zugabe von Siliciumpartikeln mit einem
Durchmesser im Bereich zwischen 2 mm und 50 mm zu einer
Aluminiumschmelze zusammen mit dem Zuschlag, der durch die oben
angegebene allgemeine Formel wiedergegeben wird. Das besondere
erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ein schnelles Schmelzen der
zugefügten Siliciumpartikel in der Aluminiumschmelze, so daß
das Einführen von Silicium in die Aluminiumschmelze
vereinfacht wird. Daraus folgt, daß es möglich ist beides, Aluminium
und Silicium, vor der Oxidation zu schützen, was zu einer
verbesserten Ausbeute führt. Was auch bemerkt werden sollte ist,
daß die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Zuschläge
mit den in den Siliciumpartikeln oder der Aluminiumschmelze
enthaltenen Verunreinigungen kombinieren, so daß das Entfernen
der Verunreinigungen erleichtert wird. Zusätzlich werden die
Oxide durch die reduzierenden Eigenschaften der Zuschläge
reduziert.
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Ferner ist es effizient mit den Zuschlägen überzogene
Siliciumpartikel zusammen mit Zuschlagspartikeln zu einer
Aluminiumschmelze zu geben. In diesem Fall dient die
Zuschlagsbeschichtung dazu, die Siliciumpartikel vor der Oxidation zu
schützen. Andererseits dienen die direkt zu der
Aluminiumschmelze gegebenen Zuschlagspartikel zum Schutz der Schmelze
vor Oxidation, was zu einer verbesserten Ausbeute führt.
Diese Erfindung kann besser aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung verstanden werden, wenn diese in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen gesehen werden, in denen:
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Figur 1 ein Diagramm des Effekts der Zugabe von
Zuschlägen bei der Behandlung der Zugabe von Silicium zu Aluminium
ist.
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Die unten wiederegebenen Beispiele 1 bis 4 sind gedacht,
um (1) den Effekt der Zuschlagszugabe, (2) Einzelheiten der
Zuschlagszugabe, (3) den bevorzugten Durchmesser der
Siliciumpartikel und (4) das Verfahren der Zugabe der
Siliciumpartikel zu klären.
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(1) Der Effekt der Zuschlagszugabe:
Beispiel 1
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93 kg Aluminiwnmetall mit einer Reinheit von 99,85 %
wurde geschmolzen und auf 690 ºC gehalten, gefolgt von der Zugabe
von 7 kg Siliciumpartikel mit einem Durchmesser von 2 bis
15 mm und der Zugabe von 8 Gew.% eines Zuschlags (30 % NaCl +
30 % KCl + 20 % KAlF4 + 20 % K&sub2;TiF&sub6;), basierend auf der Menge
der Siliciumpartikel zu der Oberfläche der Aluminiumschmelze.
Die Siliciumpartikel und die Zuschläge wurden auf der
Oberfläche der Schmelze verteilt und für eine Minute stehengelassen.
Eine Probe wurde vor der Siliciumzugabe entnommen. Die
Oberfläche der Schmelze wurde zehnmal mit einem
Phosphatierungsmittel beaufschlagt, gefolgt von der Entnahme einer ersten
Probe. Dann, nachdem die Schmelze für eine Minute
stehengelassen wurde, wurde die Oberfläche der Schmelze zehnmal mit einem
Phosphatierungsmittel beaufschlagt, gefolgt von einer zweiten
Probenentnahme. Weiterhin wurde, nachdem die Schmelze für drei
Minuten stehengelassen worden war, die Oberfläche der Schmelze
wurde zehnmal beaufschlagt und Schlacke entfernt, gefolgt von
einer dritten Probenentnahme.
Vergleichsprobe 1
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Siliciumpartikel wurden, wie in Beispiel 1 mit der
Ausnahme, daß die Zuschläge nicht zu der Schmelze zugegeben
wurden, zu einer Aluminiumschmelze gegeben.
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Jede der entnommenen Teststücke wurde einer
Fotospektrometrie unterworfen und die Ausbeute bei jedem Teststück von
Beipiel 1 und Vergleichsprobe 1 wie folgt berechnet:
Ausbeute (%)
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wobei:
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TP: Analytischer Wert der Siliconmenge in jedem
Teststück; und
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TPO: Analytischer Wert der Siliciummenge im Aluminium vor
der Siliciumzugabe.
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Tabelle 1 und Figur 1 zeigen jeweils die analytischen
Ergebnisse. Die in Figur 1 gezeigten Kurven 1 und 2 stellten
jeweils Beispiel 1 und Vergleichsprobe 1 dar.
Tabelle 1
nach dem Hinzufügen
Vergleichsprobe 1 Si Artikel
Beispiel 1 Si + Zuschläge
Minute
Minuten
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Wie aus Tabelle 1 ersichtlich wird, erlaubt die Zugabe
von Zuschlägen eine Verbesserung um mehr als 90 % nur eine
Minute nach der Zuschlagszugabe, verglichen mit der Zugabe der
Siliciumpartikel allein.
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(2) Einzelheiten der Zuschlagszugabe
Beispiel 2 und Vergleichsprobe 2
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Teststücke wurden wie in Beispiel 1 unter Verwendung von
jeweils 560 g der unten angegebenen Zuschläge a) bis n)
hergestellt:
Verwendete Zuschläge
Periode des Elements X in der allg. Gruppe
Gruppe des Elements M in der allg. Gruppe
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Die Ausbeute (%) wurde für jede der Teststücke gemessen.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse.
Tabelle 2
Zuschläge
Minute später
Minuten später
Vergleichsprobe
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Tabelle 2 zeigt klar, daß die Zuschläge a) bis j)
auffallende Effekte erzeugten. Dieses deutet an, daß die verwendeten
Fluoridzuschläge der vorliegenden Erfindung für die
Verbesserung der Ausbeute wirksam sind. Um genauer zu werden, zeigt
dies, daß X in der allgemeinen Formel der Zuschläge ein
Element der dritten oder vierten Periode des Periodensystems sein
sollte. Es wird auch angedeutet, das "M" der allgemeinen
Formel ein Element der Gruppe III oder IV des Periodensystems
sein sollte. Tabelle 2 zeigt ferner, daß die durch die
allgemeine Formel wiedergegebenen Zuschläge, die in der vorliegen
den Erfindung definiert sind, einzeln oder als Kombination
einer Vielzahl verschiedener Zuschläge mit befriedigenden
Ergebnissen verwendet werden können.
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(3) Partikelgröße der Siliciumpartikel
Beispiel 3
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Teststücke wurden wie in Beispiel 1 unter Verwendung von
Zuschlag i), gezeigt in Beispiel 2, hergestellt.
Siliciumpartikel von verschiedener Größe wurden in Beispiel 3 wie in
Tabelle 3 gezeigt verwendet. Die Ausbeute (%) wurde für jedes
der Teststücke, die wie in Beispiel 1 entnommen wurden,
gemessen. Tabelle 3 zeigt außerdem die Ergebnisse.
Tabelle 3
Verstrichene Zeit (Minuten)
Partikel Durchmesser (mm)
weniger als
mehr als
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Tabelle 3 zeigt klar, daß die Partikelgröße der
Siliciumpartikel, die zu der Aluminiumschmelze gegeben werden, einen
auffallenden Effekt auf die Ausbeute der Siliciumzugabe zu
Aluminium hat. Es wird gesehen, daß, wo der
Siliciumpartikeldurchmesser kleiner als 2 mm ist, die Ausbeute der
Siliciumzugabe so niedrig wie nur 25 % auch 30 Minuten nach der
Siliciumzugabe ist. Es sollte in diesem Zusammenhang angemerkt
werden, daß das spezifische Gewicht von Silicium niedriger als
das von Aluminium ist. Es folgt, daß, wenn das
Siliciumpartikel einen Durchmesser kleiner als 2 mm hat, die
Siliciumpartikel auf der Oberfläche der Aluminiumschmelze schwimmen, was in
dem Ausbleiben von chemischen Reaktionen resultiert. Während
die Siliciumpartikel auf der Oberfläche der Schmelze schwimmen
gelassen werden, geht man davon aus, daß das Metall Silicium
oxidiert wird, was, wie in Tabelle 3 gezeigt, zu einer
niedrigen Ausbeute der Siliciumzugabe führt.
Tabelle 3 zeigt auch, daß die Ausbeute der Siliciumzugabe
bedeutend verbessert ist, wenn die Siliciumpartikel einen
Durchmesser im Bereich zwischen 2 mm und 50 mm haben. Der
vergrößerte Partikeldurchmesser entspricht einer Abnahme der
spezifischen Oberfläche der Siliciumpartikel. Die Oxidation des
metallischen Siliciums wird mit der Abnahme der spezifischen
Oberfläche mit dem Ergebnis unterdrückt, daß der Effekt der
der Schmelzreaktion unterworfenen Zuschläge so vergrößert
wird, daß das Silicium umgehend in die Aluminiumschmelze
eingeführt wird.
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Ferner, wenn die Siliciumpartikel einen Durchmesser
größer als 50 mm haben, schmelzen die Siliciumpartikel auch bis
zu der Zeit, bei der die Schmelzreaktion der Zuschläge beendet
ist, nicht. In diesem Fall sind die Zuschläge kaum in der Lage
ihre Effekte zu entwickeln.
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Im Ergebnis zeigt Tabelle 3 klar, daß die
Siliciumpartikel, die zur Aluminiumschmelze gegeben werden, einen
Durchmesser zwischen 2 und 50 mm haben sollten.
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(4) Verfahren der Siliciumzugabe
Beispiel 4
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Teststücke wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der
Ausnahme, daß die verwendeten Siliciumpartikel einen
Durchmesser von 2 bis 15 mm hatten und die Siliciumpartikel nach den
unten angegebenen Verfahren (a) bis (e) zugegeben wurden:
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(a) Siliciumpartikel mit einem Oberflächenüberzug von
3 Gew.% Zuschlägen, basierend auf der Siliciummenge, und
5 Gew% Zuschläge wurden gleichzeitig zu einer
Aluminiumschmelze zugegeben.
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(b) Siliciumpartikel und 8 Gew.% Zuschläge, basierend auf
der Silicummenge, wurden gleichzeitig zu einer
Aluminiumschmelze gegeben.
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(c) 8 Gew.% Zuschläge, basierend auf der Menge an
Siliciumteilchen, wurde auf der Oberfläche einer Aluminiumschmelze
verteilt. Als die Zuschläge geschmolzen waren, wurden
Siliciumpartikel zu der Aluminiumschmelze gegeben.
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(d) Siliciumpartikel wurden auf einer Aluminiumschmelze
stehengelassen, gefolgt von dem Verteilen von 8 Gew.%
Zuschlägen, basierend auf der Siliciummenge, auf dem gesamten Bereich
der Siliciumpartikel.
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e) Das oben angegebene Verfahren (a) wurde durchgeführt,
während die Aluminiumschmelze mit einer Rührvorrichtung
gerührt wurde.
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Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse
Tabelle 4
Zugabeverfahren
Zeit zum Erreichen von 98 % Ausbeute
Schlackenmenge
Minuten
wenig
ziemlich viel
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Tabelle 4 zeigt, daß das Verfahren (a) für die Zugabe von
Siliciumpartikeln und Zuschlägen zu einer Aluminiumschmelze
erstrebenswert ist. Man sieht, das Verfahren (e), bei dem die
gesamte Aluminiumschmelze ständig gerührt wird, es erlaubt die
Mischzeit zu verkürzen. Mit anderen Worten, es wurde
klargestellt, daß das Rühren der gesamten Aluminiumschmelze im
Rahmen der Bedingungen auf der Seite des Aluminiums höchst
erstrebenswert ist.
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Wie oben ausführtlich beschrieben, ermöglicht es das
erfindungsgemäße Verfahren, Silicium mit hoher Ausbeute zu einer
Aluminiumschmelze ungefähr beim Schmelzpunkt des Aluminiums
mit dem Resultat zuzugeben, daß es unnötig ist, eine
Hochtemperaturausrüstung zu verwenden. Mit anderen Worten, die
vorliegende Erfindung ist augenscheinlich auch im Bereich der
Kosten bei der Siliciumzugabe effizient.