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Verfahren zur Gewinnung von .Aluminium Es ist bekannt, daß Metalle
mit verhältnismäßig niedrigen Siedepunkten, z.B. Zink und Magnesium, dadurch gewonnen
werden, daß ihre Oxyde mit Reduktionskohle auf die Reduktionstemperatur erhitzt
werden und aus dem entstehenden Gemisch von Metalldampf und Kohlenoxyd der Metalldampf
zu flüssigem oder staubförmig festem Metall kondensiert wird.
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Bei der Niederschlagung von Magnesiumdampf müssen besondere Mittel
aufgewendet werden, da eine gewöhnliche Abkühlung zu einer rückläufigen Oxvdation
des Magnesiums durch Kohlenoxyd zu 1Tagnesiumoxyd unter Abscheidung von Kohlenstoff
führen würde. -Iah bedient sieh hierzu der Mittel, erstens, durch Abschrecken des
Dampfes eine plötzliche Abkühlung herbeizuführen, und zweitens, das Kohlenoxyd durch
Zuführen von Wasserstoff zu verdrängen. Mannigfache Versuche, auf die gleiche weise
Aluminium aus Aluminiumoxyd herzustellen, sind jedoch fehlgeschlagen. So hat man
z. B. aus Tonerde und Kohle oder Teer geformte Körper hergestellt und sie im Vakuum
oder in Gegenwart indifferenter Gase erhitzt. Man hat ferner Tonerde mit Kohle im
Väkuum unter ständiger Ableitung der entstehenden Gase so hoch elektrisch erhitzt,
daß Aluminium abdestilliert und in Kühlkammern verdichtet werden sollte. Es kann
sieh hei allem der Öffentlichkeit bisher Mitgeteilten aber nur um Vorschläge handeln,
die zu keinem praktischen Erfolg geführt haben, da die Vorschläge schon vor längerer
Zeit gemacht worden sind, ohne daß indessen über die wirkliche Herstellang
von
Aluminium auf diesem Wege etwas bekanntgeworden ist, wogegen die Herstellung von
Magnesium auf diese Weise jetzt wirklich ausgeführt wird.
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Die Patentinhaber 'haben. nun feststellen können, daß durch eine besondere
Leitung der- thermischen Reduktion von tonerdehaltigen Stoffen es möglich . ist,
ein aluminiumreiches Gasgemisch zu erzeugen, aus welchem bei entsprechender Abkühlung
metallisches Aluminium auf einfache Weise, d. h. ohne Anwendung besonderer
Hilfsmittel, wie z. B. eines Vakuums oder indifferenter Gase, gewonnen werden kann.
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Die besondere Leitung des Reduktionsvorganges besteht darin, daß Aluminiumoxyd,
und Reduktionskohle nicht irgendwie zusammengebracht werden, sondern daß erstens
ein überschuß an Tonerde gegenüber Kohlenstoff beim Eintreten des Schmelzflusses
herbeigeführt wird und zweitens dem Sauerstoffgehalt der tonerdehaltigen Schmelze
eine gewisse Schwierigkeit entgegengesetzt werden muß, um sich mit dem Kohlenstoff
zu Kohlenoxyd zu verbinden. Diese kann z. B. dadurch erreicht werden, daß der tonerdehaltigen
Schmelze Kohlenstoff in Form von Stücken zugeführt wird, da von diesen immer nur
die Oberfläche in Reaktion mit der Tonerde treten kann, also in- der Zeiteinheit
eine beschränkte Menge der gewichtsmäßig insgesamt zugeführten Kohlenstoffmenge.
Wie die Versuche ergeben haben, ist dieses von ausschlaggebender Bedeutung. Diese
Zuführung von Kohlenstoff kann natürlich auch in Form von gebundenem Kohlenstoff,
z. B. von Aluminiumkarbid, erfolgen. Es kommt also auf die Art und Weise an, wie
Aluminiumoxyd und Kolhlenstoff zusammengeführt werden. Zunächst bedarf es einer
Tonerdeschmelze, die nun an gewissen Stellen, z. B. ihrer Umfassung oder auch an
eintauchenden, festen Stellen mit Kohlenstoff, der auch die Elektrode selbst sein
kann, in eine gewisse Berührung kommt. An diesen, Berührungsstellen erfolgt nun
eine Reaktion, die, wie die Erfinder bei ihren Versuchen feststellten, zu einer
fortlaufenden Gasentwicklung führt, welche sich fortsetzen läßt, bis die gesamte
Schmelze ohne Hinterlassung eines Rückstandes vergast ist.
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Die neue und auffallend.-. Feststellung der Erfinder war die, -daß
überraschend wenig Kohlenstoff bei dieser Art von Erhitzung für die Reduktion und
Vergasung verbraucht wird, und: zwar weniger als der Gleichung A12 03+ 3C=2
Al +3 C O entspricht. Dieses läßt darauf schließen, daß bei der angewendeten
Temperatur von zroo bis aaoo° C gleichzeitig auch A1203 verdampft, welches möglicher-weise
den Anteil des Dampfgemisches an metallischem Aluminium vor der rückläufigen Oxydation.
oder Karburierung schützt. Eine andere Erklärung wäre die Bildung von Al0-Dampf,
welcher nach der Gleichung 3 A1 O=Al+A12 03 bei der Kondensation wieder zerfällt.
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Diese Erklärungen werden auch bestätigt durch die Art der Kondensation,
welche im oberen Teil des Schmelzraumes, nach welchem hin ein Wärme: gefälle besteht,
stattfindet. Das hier abgeschiedene metallische Aluminium findet sich in der Hauptsache
zusammen mit Aluminiumoxyd bzw. oxydreichem Oxyd-Karbid-Gemisch, aus welchem das
Aluminiummetall leicht abgeschieden werden konnte.
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Wenn es bisher noch nicht gelungen war, metallisches Aluminium in
zusammengeflossener Form aus Tonerde durch einfache thermische Reduktion zu gewinnen,
so kann dieses darauf zurückgeführt werden, daß: über die Natur der wohl an sich
wissenschaftlich festgestellten Verdampfbarkeit von Aluminiumoxyd wie von Aluminiumkarbid
bei hohen Temperaturen keine genaueren Feststellungen gemacht worden waren.
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Ein Zusammentreten von Aluminium, Sauerstoff (aus dem Aluminiumoxyd
stammend) und Kohlenstoff in bestimmtem Verhältnis und bei einer bestimmten Temperatur
muß als Ursache der Vergasung des Aluminiums in der geschilderten Richtung angesehen
werden. Ein Überschuß von Kohlenstoff würde zu einer erhöhten Konzentration von
Kohlenoxyd: im entstehenden Gasgemisch führen, zu einer Rückoxydation des Aluminiummetallanteiles,
gegebenenfalls auch zu einer vermehrten Bildung von. Aluminiumkarbid, alles jedenfalls
in dem Sinn, daß metallisches zusammengeflossenes Aluminium nicht mehr entstehen
würde.
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Hierin liegt einer der Unterschiede gegenüber der Reduktionsverdampfung
von, Magnesium aus Magnesiu:moxyd', welche sich - daher für die Magnesiumgewinnung
viel einfacher gestaltet.
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Ein weiterer erheblicher Unterschied besteht darin, daß es bei Magnesium
nur darauf ankommt, die erwähnte rückläufige Oxydation des Magnesiums durch Kohlenoxyd
zu verhindern, was, wie ebenfalls bereits erwähnt, durch. schnelles Abschrecken
des Dampfes und durch Verdrängen -des Kohlenoxydes durch Wasserstofferreicht wird.
Beim Aluminium kommt der Umstand hinzu, daß selbst bei schneller, starker Abkühlung,
wie sie die Magnesiumgewinnung kennt, sich bei ungeregelter Kohlenstoffzufuhr Niederschläge
bilden, in denen das metallische Aluminium durch Oxyd in derart feine Teilchen aufgeteilt
ist, daß diese durch keinen Schmelzprozeß mehr zu einer metallischen Aluminiumschmelze
zusammengebracht werden können. Dieses ist auch die Ursache, daß die bisher vorgeschlagenen
Verfahren zur Gewinnung von Aluminium durch termische Reduktion von Aluminiumoxyd
nicht zu einem praktischen Erfolg geführt haben.
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Den. Erfindern ist es dagegen gelungen, auch ohne besonders schnelle
Abkühlung des Vergasungsproduktes und ohne Verdrängung des Kohlenoxydes durch Wasserstoff
metallisches Aluminium in zusammengeflossener Form zu erhalten. Sofern sich Aluminiumoxyd
gleichzeitg noch abscheidet, läßt es sich leicht von diesem trennen. Durch Zusatz
von metallischem Aluminium zum Tonerdeschmelzfluß im Kreislauf läßt sich die Aluminiumkonzentration
im Dampfgemisch noch erhöhen.
Das Verfahren wird zweckmäßig in einem
elektrisch-en Schachtofen mit einer Bodenelektrode und einer oder mehreren im Ofenraum
aufgehängten Elektroden durchgeführt. Es kann aber auch jede andere Erhitzungsart
angewendet werden, beispielsweise könnte der Boden aus geschmolzener Tonerde bestehen
und die der aufgehängten Elektrode gegenüberstehenden Elektroden seitlich in Form
eines Tiegels runder oder rechteckiger Form angeordnet werden. Auch könnten sämtliche
Elektroden nach Art der Söderb-erg-Elektrode ausgeführt werden, d. h. daß die durch
die Reaktion mit der geschmolzenen Tonerde zu verbrauchende Kohle durch die Elektroden
zugeführt und diese nach Art der Söderberg-Elektrode fortlaufend neu erzeugt wird.
Der Raum oberhalb der Schmelze ist derart auszugestalten, daß hier das Kondensat
von Aluminium bzw. in Form eines Gemisches von Aluminium und Aluminiumoxyd entnommen
werden kann. Das Aluminiumoxyd, wenn dieses auch karbidhaltig sein sollte, enthält
es jedenfalls Aluminiumoxyd im Überschuß, wird der Schmelze im Kreislauf wieder
zugeführt. Es können auch die Elektroden als Hohlelektroden ausgebildet werden,
deren Hohlraum durch Kanäle mit dem Raum außerhalb der Elektrode in Verbindung steht,
so daß das Vergasungsprodukt in diesen Höhlraum eintreten kann.
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Bei den dem Verfahren zugrunde liegenden Versuchen ist nur mit atmosphärischem
Druck und ohne Anwendung von Schutzgasen gearbeitet worden. Es würde dem aber nichts
im Wege stehen, auch an sich bekannte Hilfsmittel wie die Zuführung eines Schutzgases
oder die Anwendung verminderter Drücke in dem Umfang zu benutzen, wie das oben beschriebene
Verfahren dadurch nicht gestört wird.