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Verfahren zum Raffinieren von Aluminium Es sind Verfahren zum Raffinieren
von Aluminium bekannt, bei denen eine katalytische Destillation dieses Elementes
aus Materialien oder Mischungen, z. B. aus Legierungen, die Aluminium und andere
Metalle oder Elemente enthalten, vorgenommen `Wird. Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren, die als Destillationsmethoden mit katalvtisch wirkenden Halogeniden bezeichnet
werden können (einschließlich der Destillation von Aluminium als Subhalogenid),
und ist insbesondere auf ein Verfahren abgestellt, das eine wirksamere Abtrennung
des Aluminiums von Verunreinigungen unter Umständen gestattet, bei denen ein merklicher
Betrag von einem oder mehreren Metallen zugegen ist, die die Neigung haben mit dem
Aluminium überzudestillieren.
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Bei einem katalytischen Destillationsprozeß, wie er üblicherweise
ausgeführt wird, wird das Aluminium enthaltende Material bei erhöhten Temperaturen
mit einem normalen Halogenid bei Temperaturen, die unter denen liegen, bei denen
metallisches Aluminium merklich verdampft, behandelt, so daß man einen aluminiumhaltigen
Dampf erhält, der das Aluminium als Subhalogenid üblicherweise als Monohalogenid
mit sich führt. Der Dampf aus der Reaktionszone, einschließlich dies Aluminiumsubhalogenids
in Gasform, wird zu einer Kondensationszone geführt, in der die umgekehrte Reaktion
stattfindet, d. h. es wird bei einer geeignet niedrigeren Temperatur als der der
Anfangsreaktion Aluminium rekonv ertiert und niedergeschlagen. Außerdem wird Aluminiumhalogenid
rekonvertiert, wobei dieses in Abhängigkeit von der Art des Halogenids, das man
bei der ursprünglichen Reaktion benutzt hat, niedergeschlagen oder auch nicht niedergeschlagen
wird. Zum Beispiel bleibt Aluminiumtrichlorid bei den niedrigsten Temperaturen,
die man normalerweise bei der Kondensation,
die bei der niedrigsten
Temperatur bei der Kondensation des Aluminiums üblicherweise erreicht wird, dampfförmig.
Hat man dagegen Aluminiumfluorid oder Kryolith in dem Reaktionsgemisch verwendet,
so kann das rekonvertierte, normale Fluorid zusammen mit dem metallischen Aluminium
kondensiert werden. Das Aluminium wird darauf mit Leichtigkeit von der Verbindung
getrennt.
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Während für die zu Anfang stattfindende Reaktion zwischen derAluminium
enthaltenden Legierung oder dem Aluminium enthaltenden Material und dem Halogenid
verschiedene Vorschläge gemacht worden sind. (z. B. daß man die Legierung mit einem
höheren Aluminiumhalogenid oder mit dem Halogenid eines anderen geeigneten Metalls
erhitzt oder daß man diese unmittelbar mit dem Halogen oder der Halogenwasserstoffsäure
behandelt), so besteht ein besonders wirksames Verfahren darin, daß man den Dampf
eines Halogenids in Berührung mit der hocherhitzten Aluminium .enthaltenden Mischung
bringt, z. B. kann man ein höherhalogeniertes Aluminium, z. B. Aluminiumtrichlorid
in Dampfform, über die zu behandelnde Legierung führen, wobei man diese auf eine
geeignete Temperatur erhitzt. Die Legierung wird vorzugsweise zuvor in eine körnige
oder ähnlich feinverteilte Form oder in eine andere Form mit einer verhältnismäßig
großen Oberfläche übergeführt. Andere Haloägenide, z. B. Bromide und insbesondere
Fluoride (in einfacher Form oder in Form von Komplexsalzen., z. B. Kryolith), wurden
bei Verfahren dieser Art angewandt, aber man bevorzugt die Chloride, die wirksam
und besonders wirtschaftlich sind und daher eine besondere Bedeutung für vorliegende
Erfindung haben. Jodide sind im allgemeinen nicht brauchbar. Man kann einfach und
wirksam arbeiten, wenn man ein höheres Halogenid des Aluminiums verwendet, z. B.
Aluminittmtrichlorid, obgleich die Halogenide anderer Metalle, z. B. die der Alkalien
und alkalischen Erden, ebensogut verwendet werden können wie die komplexen Halogenilde.
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In vielen Fällen sind bei Ausführung dieses Prozesses die Verunreinigungen
in den Aluminium enthaltenden Materialien und die anderen Bedingungen derart, daß
wesentlich nur Aluminium in die Dampfphase in Form des Subhalogenids übergeführt
wird, so daß ein sehr reiner Aluminiumniederschlag in der Kondensationszone erhalten.
wird. Wie bereits erwähnt, ist die Kondensation von einer Rekonvertierung begleitet,
bei der das Aluminium aus dem Subhalogenid in das höhere Halogenid des Aluminiums
übergeführt wird, das ursprünglich zugeführt worden war und das jetzt aus der Kondensatregion
im Dampfzustand fortgeführt werden kann oder das in anderer Weise von dem niedergeschlagenen
metallischen Aluminium leicht ab-.getrennt werden kann. Doch bleibt das niedergeschlagene
Metall unter gewissen Bedingungen noch unrein, womit sich die vorliegende Erfindung
besonders befaßt.
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Die Erfindung wird in einer Ausführungsform heschrieben, bei der Aluminiumtrichlorid
verwendet wird, das hierfür besonders geeignet ist; aber es ist ersichtlich, daß
das Verfahren auch mit anderen normalen Halogeniden, z. B. mit Bromiden und Fluoriden,
ausgeführt werden kann.
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Das Aluminium enthaltende Material wird mit dem Dampf von Aluminiumtrichlorid
bei geeignet hoher Temperatur (etwa zooo bis raoo°) behandelt und so ein Dampf,
der Aluminiummonochlorid enthält, gewonnen. In der Kondensationszone kehrt sich
die Reaktion um, wobei metallisches Aluminium niedergeschlagen wird und der Aluminiumtrichloriddampf
entweichen kann, um an anderer Stelle wieder benutzt oder gewonnen zu werden. Unter
geeigneten günstigen Bedingungen werden verhältnismäßig nichtflüchtige Verunreinigungen,
z. B. Eisen, Silicium, Titan, Mangan u. dgl., nicht erheblich abdestilliert, und
man erhält einen Niederschlag von hochreinem Aluminium.
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Es wurde jedoch gefunden, daß wenigstens in den meisten Fällen Mangan,
falls es in der ursprünglichen Legierung zugegen sein sollte, und in ähnlicher Weise
noch andere Metalle, falls sie in erheblichen Mengen vorhanden sein sollten, einschließlich
Eisen, Silicium, Titan, zusammen mit dem Aluminium überdestillieren können und hierdurch
das Produkt verunreinigen. Wenigstens einige dieser verhältnismäßig nichtflüchtigen
Metalle sind starke Reduktionsmittel und haben in hochprozentiger Legierung eine
ausreichende Aktivität, um etwas Aluminiumchlorid zu reduzieren, entsprechend der
allgemeinen Gleichung M -i- Al C13- M C12 -f- A1 Cl, so daß auf diese Weise mit
den verunreinigenden Metallen ein flüchtiges Halogenid gebildet wird. Wenn die Gase,
um das Aluminium niederzuschlagen, abgekühlt werden, so kehrt sich diese Reaktion
um, so .daß auf diese Weise das verunreinigende Metall mit dem Aluminium niedergeschlagen
wird.
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Gemäß vorliegender Erfindung wurde festgestellt, daß die angeführten
Verunreinigungen wirksam durch geeignete Überwachung des Halogeniddestillationsprozesses
abgetrennt werden können, insbesondere durch Überwachung der Kondensationsreaktion,
so daß man als Ausbeute ein hochreines Aluminium erhält und somit dieses Metall
aus der ursprünglichen Legierung in erheblichem Umfang wiedergewinnt. Insbesondere
wurde gefunden, daß bei allen Temperaturen und unter Gleichgewichtsbedingungen für
die betreffenden Reaktionen für jede metallische Verunreinigung der oben angeführten
Art das Verhältnis der Verunreinigung zum Aluminium in freiem Zustand viel größer
ist als das entsprechende Verhältnis der Substanzen in der gebundenen Halogenid-
oder Dampfform, so daß durch geeignete Regelung des Verlaufs das Verfahren eine
wirksame Abtrennung der Verunreinigungen in der Kondensatregion erzielt werden kann,
d. h. es wurde experimental festgestellt, daß durch Aufrechterhaltung eines geeigneten
Temperaturabfalls im Bezirk der Kondensatreaktion oder -reaktionen es möglich ist,
wenigstens zwei verschiedene und voneinander trennbare
Kondensatfraktionen
zu erhalten, von denen die erste verhältnismäßig viel Verunreinigungen enthält und
die zweite aus Aluminium besteht, das wesentlich frei von Verunreinigungen ist.
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Bei der Darstellung des verbesserten Prozesses wird zuerst auf Legierungen
verwiesen, die mit Mangan verunreinigt sind und die geeignet erscheinen, in Halogenidform
zusammen mit Aluminium in einer Vielzahl von Bedingungen überdestilliert werden
zu können. Unerachtet der Art der nietallischenVerunreinigungen soll die folgende
Gleichung die grundsätzlichen Aluminiumcliloridreaktionen darstellen: A1 Cl.- (g)
-j- 2 Al (,) = 3 Al Cl (F) . Hier und weiter unten ist das Zeichen g auf den gasförmigen
Zustand einer Substanz bezogen und der Index c auf das Metall in kondensierter oder
in der festen Form. In dem Reaktionsgefäß, in dem dasAusgangsmaterial Aluminium
mit gasförmigem Aluminiumtrichlorid bei hoher Temperatur behandelt wird und in dem
sich das Aluminium in flüssiger Form oder in Form einer festen Legierung befindet,
verläuft die Reaktion in obiger Gleichung von links nach rechts und liefert gasförmiges
Aluminiummonochlorid, das zu dem Kondensator, gewöhnlich vermischt mit noch etwas
Trichlorid, das an der Reaktion nicht teilgenommen hat, übergeht. In dem Kondensator
bewirkt die Abkühlung des Gases die umgekehrte Reaktion von rechts nach links; es
lagert sich metallisches Aluminium ab, wobei der Trichloriddampf bei einer niedrigen
Temperatur abgesondert kondensiert wird oder in den Umlauf zurückgeführt wird. Falls
Mangan in der Legierung zugegen ist, neigt es dazu, mit überzugehen, wobei die Reaktion
vermutlich folgende ist: AICh(t) -- Mn (,) -. MnCli"(t) -1- AIC1 (g; . (2) Wie oben
verläuft die Reaktion in der ersten Stufe von rechts nach links, und unter dem kühlenden
Einfluß der Kondensatregion verläuft die Reaktion im umgekehrten Sinn.
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Zwischen dem Manganchloriddampf und dem .,'1luininiummonocliloriddampf
und Mangan und Aluminium in der behandelten Legierung oder dem kondensierten Metall
besteht folgendes Gleichgewichtsverhältnis:
Es ist ersichtlich, daß Ki bzw. K2 den Gleichgewichtskonstanten der Reaktionen (r)
und (2) oben entsprechen, während die verschiedenen eingeklammerten Bezeichnungen
die Aktivität der Verbindungen oder Elemente bedeuten, die durch sie ausgedrückt
werden. Der Wert von K2 zu X, ist erheblich niedriger als r, so wurde er bei
10000 auf 1/25o geschätzt, so daß das Mangan-Aluminium-Verhältnis in dem
Kondensat viel größer ist oder dazu neigt, viel größer zu sein als das entsprechende
Verhältnis im Dampf. Demgemäß fällt der Mangangehalt des Dampfes in dem -Maße wie
die Kondensation fortschreitet schnell ab, und in den letzten Abschnitten kondensiert
Aluminium ohne wesentlichen Nlangangehalt. Demgemäß führt der Prozeß der Erfindung
dazu, daß die Dämpfe durch einen Niederschlagsabschnitt geführt werden, in dem ein
Temperaturabfall besteht, der derart ist, daß die Kondensatreaktion längs des Weges
des Gasstromes einen Niederschlag von wenigstens zwei unterschiedlichen und voneinander
trennbaren Fraktionen herbeiführt, wobei die erste Fraktion die Hauptmenge des -Mangans
enthält, das überdestilliert ist, und die letzte Fraktion wesentlich manganfrei
ist.
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Die in dem Kondensator anzuwendenden Temperaturen sind von den Reaktionen
abhängig, die in jedem Fall leicht errechnet werden können, wenn man die oben angeführten
Grundsätze berücksichtigt, z. B. ist einer der maßgeblichen Faktoren, der zu berücksichtigen
ist, der Druck. Im allgemeinen ändert sich bei einer gegebenen Temperatur der Prozentsatz
der Konvertierung im umgekehrten Verhältnis zum Druck. Sogar ohne daß besondere
Vorkehrungen, wie sie oben erwähnt wurden, getroffen werden, besteht ein gewisser,
wachsender Druckabfall längs des Weges der Dämpfe von dem Reaktionsgefäß zum und
durch den Kondensator und erleichtert die Anwendung einer ausreichend erheblichen
Temperaturdifferenz zwischen dem Reaktionsgefäß und den entfernteren Bezirken des
Kondensators. Auf jeden Fall wurde festgestellt, daß die fraktionierte Abtrennung,
die hier unter Bezugnahme auf Aluminium und Mangan oder andere Verunreinigungen
beschrieben ist, sehr leicht in zunehmend kälteren Zonen des Kondensationsbezirkes
vorgenommen «-erden kann, ohne daß hierbei eine unbequeme Überwachung vor sieh gehen
müßte.
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Zum Beispiel kann man das Eintrittsende des Kondensators auf einer
Temperatur halten, die nur etwas unter der des Reaktionsgefäßes liegt, und einen
entfernteren Teil des Kondensators auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur halten,
entsprechend den Fraktionen übergehender iletalle, die man niederzuschlagen wünscht.
Der Eintrittsbezirk bzw. der Bezirk der höheren Temperatur des Kondensators sollte
ausreichende Abmessungen längs des Dampfweges aufweisen, um einen ausreichenden
Niederschlag an manganreichem Kondensat herbeizuführen, ohne jedoch dabei unnötige
Niederschläge an Aluminium zu bewirken. Es ist ersichtlich, daß die Reaktion, bei
der metallisches Aluminium frei wird, notwendigerweise auch in diesem Abschnitt
eintreten wird, obgleich in einem verhältnismäßig viel kleineren Umfang, wie es
sich aus dem Verhältnis der oben dargelegten Gleichgewichtskonstanten ergibt. In
der folgenden und kühleren Region des Kondensators, d. 1i. kühler bezüglich des
Abschnitts, in dem Mangan erhalten wird, wird Aluminium von hoher Reinheit niedergeschlagen.
Einige spezielleBeispiele werden «-eiter unten angeführt, doch können die Bedingungen
in weitem Umfang verändert werden. Unter Berücksichtigung der hier dargelegten Grundsätze
können die Bedingungen bequem festgestellt «erden, die
vorhanden
sein müssen, tim in jedem Fall den Erfordernissen der Wirtschaftlichkeit und praktischen
Brauchbarkeit Genüge zu leisten.
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Wie aus der Gleichung (3) oben hervorgeht, ist das Verhältnis Mangan
zu Aluminium im Kondensat für jedes gegebene Mangan-Aluminium-Verhältnis im Dampf
dem Druck des Aluminiummonochlorids umgekehrt proportional. Mithin begünstigen niedere
Drücke in dem ersten Abschnitt des Kondensators die Abtrennung des Mangans und erhöhen
die Ausbeute an manganfreiemAluminium. Bei praktischer Ausführung erzielt man diesen
niedrigen Druck dadurch, daß man den Gasstrom zwischen dem Reaktionsgefäß und dem
Kondensator drosselt. Der geringe Druck hat jedoch keinen Einfluß, falls eine Verunreinigung
zugegen ist, die als Monohalogenid übergeht. Außer Mangan geht eine Anzahl anderer
Verunreinigungen, die man zu entfernen wünscht, z. B. Eisen, Silicium und Titan,
beim Destillieren nach dieser Reaktion als höheres Halogenid als das Monohalogenid
über, so daß eine leichtere Abtrennung durch eine besondere Vorkehrung zur Herbeiführung
eines Druckabfalls zu dem Kondensationsbezirk möglich wird. Es ist jedoch ersichtlich,
daß dort, wo eine Verunreinigung als Monohalogenid überdestilliert, ein Druckabfall
nicht schadet und noch günstig ist, wenn außerdem noch eine Verunreinigung, selbst
wenn es nur eine von mehreren vorhandenen ist, als höheres Halogenid übergeht.
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Unter günstigen Bedingungen unterliegen nichtflüchtige Verunreinigungen
außer Mangan, d. h. Elemente, wie Eisen, Silicium, Titan und deren Verbindungen,
nicht der beschriebenen Reaktionsart, die hierin mit Destillation als dissoziiertes
Halogenid bezeichnet wird, in erheblichem Umfang. So wurde gefunden, daß unter gewissen
Umständen der Anteil an derartigen Verunreinigungen, der bei dieser Reaktion mit
übergeht, verhältnismäßig erheblich sein kann, so daß. eine schädliche Verunreinigung
des niedergeschlagenen Produktes bewirkt wird. Zum Beispiel kann ein derartiger
Fall eintreten, wenn die Aktivität des Aluminiums in der Legierung infolge eines
niedrigen Aluminiumgehalts gering ist. In anderen Fällen kann das verunreinigende
Element oder die verunreinigenden Elemente die Neigung haben, mit Aluminium eine
beständige Verbindung zu bilden, so daß hierdurch in gleicher Weise die Aluminiumaktivität
in der Legierung herabgesetzt wird. Dies ist beispielsweise bei Eisen der Fall.
Elemente, die wenigstens in einigen Fällen dazu neigen, mit Aluminium katalytisch
zu destillieren, sind Kupfer, Chrom, Nickel.
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Das Verfahren der Erfindung ist bei der Entfernung anderer Verunreinigungen
als der soeben erwähnten in gleicher Weise wirksam wie bei der Abscheidung von Mangan;
z. B. im Fall einer binären Legierung von niedrigem Aluminiumgehalt, z. B. einer
Aluminium-Silicium-Legierung, .erhält man in dem Halogeniddampf unter Gleichgewichtsbedingungen
bei der Reaktionstemperatur einen erheblichen Siliciumgehalt; aber das Silicium-Aluminium-Verhältnis
ist im Dampf erheblich niedriger als im Ausgangsmaterial und in dem Metall, das
zu Anfang im Verlauf der Kondensationsreaktionen niedergeschlagen wird. Nur in dem
Metall, das zuerst niedergeschlagen wird, ist der Siliciumgehalt etwa der gleiche
wie in der ursprünglichen Legierung. Mithin wird in den Anfangsstadien der Kondensation,
wie oben mit Bezug auf Mangan dargelegt wurde, eine schnelle Herabdrückung des Siliciumgehalts
des Dampfes bewirkt, und durch die Aufrechterhaltung eines Temperaturabfalls in
den Kondensationsabschnitten wird an einer Stelle ein verhältnismäßig siliciumreiches
Metall niedergeschlagen, während wesentlich reines Aluminium davon getrennt in einer
weiteren Zone des Kondensators niedergeschlagen wird.
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Gleiche Ergebnisse können dort erreicht werden, wo die Aluminiumaktivität
der behandelten Legierung durch ein Material, wie Eisen, vermindert wird, so daß
verschiedene Verunreinigungen, und zwar sowohl Eisen als auch andere, die Neigung
haben, den Destillations- und Kondensationsreaktionen zu unterliegen. Dies bedeutet,
daß, falls bei Gegenwart von Eisen oder anderen nichtflüchtigen Bestandteilen eine
merkliche Verminderung des Koeffizienten der Aluminiumaktivität der Legierung eingetreten
ist, dies zu einer merklichen Konzentration verschiedener Verunreinigungen im Dampf
führt, während andererseits gefunden wird, daß das Verhältnis Verunreinigung zu
Aluminium im Dampf sehr viel niedriger ist als in dem Metall, das zuerst im Verlauf
der Kondensationsreaktionen niedergeschlagen wird. Infolgedessen erhält man als,
Ergebnis des Verfahrens unter geeigneten Temperaturen im Kondensator längs des Dampfweges,
daß die Verunreinigungen im Kondensator wesentlich in einer ersten Zone niedergeschlagen
werden, während die übrigen Niederschläge in den entfernteren Abschnitten des Kondensators
aus wesentlich reinem Aluminium bestehen.
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In dem vorhergehenden wurden Eisen, Silicium, Titan und Mangan besonders
ausführlich behandelt, da dieses die Hauptmetalle sind, die nur mit Schwierigkeiten
aus dem Aluminium abtrennbar sind und die in dem Rohmetall oder in der Rohlegierung
angetroffen werden, die unmittelbar aus Aluminiumerz, z. B. aus Bauxit, hergestellt
worden sind. Das vorliegende Verfahren ist mithin für die Behandlung des sogenannten
primären Metalls vorteilhaft; aber es ist auch für die Abtrennung von Aluminium
aus sekundären Metallen, d, h. von Schrott oder anderen Legierungen oder Metallmischungen,
die eine Vielzahl von Metallen enthalten können, brauchbar. Zum Beispiel wurde eine
Zahl weiterer Metalle oben angeführt, aus denen Aluminium durch das vorliegende
Verfahren einer fraktionierten Kondensation mit Hilfe flüchtiger, dissoziierender
Halogenide abgetrennt werden kann. Es ist natürlich selbstverständlich, daß sowohl
bei den primären als auch bei sekundären Legierungen das Verfahren sich nicht auf
verhältnismäßig flüchtige Elemente, wie Zink, Magnesium od. d,-I., erstrecken kann,
sondern sich auf die
Metalle erstreckt, die an sich bei Temperaturen,
wie sie hier gebraucht werden, nichtflüchtig sind. Im allgemeinen ist die gegenwärtige
Verbesserung des katalytischen Destillationsverfahrens auf die Abtrennung von Aluminium
aus irgendeinem Metall anwendbar, das dazu neigt, ein flüchtiges, dissoziierendes
Halogenid zu bilden und mithin mit dem flüchtigen, dissoziierenden Aluminiumhalogenid,
insbesondere dem Subhalogenid, überzugehen, wobei, wie dargelegt, irgendwie eine
solche Verunreinigung des Dampfes so durch das anteilmäßige Verhältnis oder durch
die besonderen Eigenschaften des Metalls entstehen kann, so daß es relativ zum Aluminium
eine ausreichende Aktivität in der Mischung zeigt, um eine merkliche Verminderung
des Aluminiumtrichlorids oder anderer Quellen an Halogeniden zu bewirken.
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Im folgenden werden spezielle Beispiele des vorliegenden Prozesses
angeführt, die alle mit einem geeigneten Destillationsapparat ausgeführt werden,
der Vorkehrungen besitzt, um das unreine Metall oder die Legierung bei hohen Temperaturen
mit Aluminiumtrichloriddampf zu behandeln, wobei ein geeigneter Druck, z. B. oberhalb
etwa 5 mm Quecksilber und vorzugsweise im Gebiet von 5 bis 5o mm, innegehalten wird.
Bei Drücken unterhalb einiger Millimeter wird die Metallüberführung zu gering und
mithin unwirtschaftlich. üblicherweise kann der Druck so hoch sein, als es mit einer
wirksamen Wärmezufuhr zu den reagierenden Substanzen in der speziellen Apparatur
vereinbar ist, wobei die erforderliche Temperatur bei höherem Druck für eine gegebene
prozentische Konversion im allgemeinen höher ist. Die Apparatur enthält auch einen
Kondensator, dem kontinuierlich ein Dampfstrom aus dem Reaktionsgefäß zugeführt
wird und der geeigneteAbkühlungsinittel aufweist (üblicherweise aus einer einfachen
Zirkulationsvorrichtung für ein Kühlmittel bestehend), wobei Vorkehrungen getroffen
sind, daß ein erheblicher Temperaturabfall zwischen der Einführungsstelle, die durch
Leitung von dem Reaktionsgefäß her erhitzt wird, und den entfernteren Oberflächen
des Kondensationsweges bewirkt wird, z. B. betrug der Temperaturabfall üblicherweise
etwa 5oobis 60o°, d. h. er fiel von etwa i foo bis i2oo° beim Eintritt in den Kondensator
auf etwa 60o° in den entfernteren Abschnitten ab.
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Wenn man so eine wesentliche Temperaturdifferenz abgestuft längs des
Verlaufs des Gasstroms im Kondensator aufrechterhielt, wurde gefunden, daß die an
Verunreinigungen reiche Fraktion wesentlich in oder nahe der Eintrittszone abgeschieden
wurde, ohne daß es erforderlich war, ein sehr genaues Verhältnis zwischen Temperatur
und Ort längs der Kondensationsabschnitte einzuhalten, d. h. wenn man einen derartigen
Temperaturabfall über einen verhältnismäßig erheblichen Abstand vorsah, bildete
sich notwendigerweise ein zu Anfang liegender Abschnitt, in dem die an Verunreinigungen
reiche Fraktion sich niederschlug, während weitere Teile des Weges notwendigerweise
sich mit Niederschlägen von wesentlich reinem Aluminium bedeckten. Ein passender
Apparat bestand aus einer oberen Kammer oder einem Reaktionsgefäß, dem Aluminiumtrichloriddampf
im Oberteil zugeführt wurde, und der Vorkehrungen aufwies, um die Rohlegierung aufzunehmen,
die dort durch Induktionsheizung erhitzt wurde. Ein Separator, der den Dampf frei
durchströmen ließ, der aber alle festen Bestandteile, die aus dem Reaktionsgefäß
herabfielen, aufhielt, wurde zwischen das Reaktionsgefäß und die darunter befindlichen
Kondensatorkammern geschaltet. Der Dampf strömte in den Kondensator abwärts unter
dem Einfluß eines Exhaustors, der am Boden angebracht war und der den verbrauchten
Dampf entfernte und in dem gesamten geschlossenen System, d. h. sowohl im Reaktionsgefäß
als auch in dem Kondensator, den erforderlichen Unterdruck herstellte. Beispiel
I Unter Anwendung von Aluminiumtrichloriddampf in einem Apparat in der Art des soeben
beschriebenen wurde eine körnige Aluminium-Eisen-Legierung, die mit i °/o metallischem
Mangan gemischt zwar, unter Anwendung von Aluminiumtrichloriddampf bei einer Temperatur
des Reaktionsgefäßes von 110o° und einem Druck von d.o mm destilliert. Das Kondensat,
das in Form metallischer Tröpfchen an der Außenseite des Separators zwischen dem
Reaktionsgefäß und dem eigentlichen Kondensator gebildet wurde, bestand aus Aluminium
mit einem Gehalt von 0,2i % Mangan. Einen weiteren Niederschlag in teilweiser geschmolzener
kristallinischer Form erhielt man in dem eigentlichen Kondensator, dieser enthielt
nur o,o4o/o Mangan. Unter den Bedingungen dieses Verfahrens (die Originallegierung
enthielt 50% Eisen) wurde nur wenig oder kein Eisen übergeführt, und die zweite
oder manganarme Fraktion bestand aus metallischem Aluminium von hoher Reinheit.
Beispiel II Der gleiche Apparat wurde zur Behandlung einer Aluminium-Eisen-Legierung,
die :2,7'/o Mangan enthielt, mit Aluminiumtrichloriddampf bei iiooP und einem Druck
von 12 mm im Reaktionsgefäß benutzt, wobei in gleicher Weise destilliert wurde In
diesem Fall wurde der Dampfweg zwischen dem Reaktionsgefäß und dem Kondensator an
einer Stelle unterhalb des Separators durch eine Drosselplatte mit einer Öffnung
von 45 mm Durchmesser gestört. Ein Niederschlag, der aus metallischen Tröpfchen
bestand, wurde auf der Drosselplatte gebildet und bestand aus Aluminium mit 1,5
% Mangan. Die Hauptmenge des übergeführten Metalls schlug sich auf den Wänden des
eigentlichen Kondensators nieder und bestand aus sehr reinem Aluminium mit nur 0,o6
% Mangan. Beispiel III Unter Anwendung der wesentlich gleichen Apparatur wurde eine
Halogeniddestillation mit dem Rückstand der nicht destillierten Legierung nach
Beispiel
II bei 110o° un!d 8 mm unter Benutzung von Aluminiumtrichloriddampf ausgeführt.
In diesem Fall wurde eine Öffnung von 6 mm Durchmesser in den Dampfweg zwischen
dem Reaktionsgefäß und dem Kondensator geschaltet, und im Innern des Kondensationsgefäßes
gerade unter der Drosselplatte wurde eine Anzahl von lose angeordneten Siliciumkarbidnäpfchen
angebracht. Es wurden drei voneinander trennbare Fraktionen gebildet, nämlich Kügelchen
auf der Drosselplatte, Kügelchen in den Näpfchen und an der Kondensatorwandung am
Eintrittsende des Kondensators und ein kristallinischer Niederschlag an der kühleren
oder tieferen Zone des Kondensators. Diese Fraktionen bestanden wesentlich aus Aluminium
mit einem Mangangehalt von 1,1 bzw. 0,o15 und 0,01q.0/0. Beispiel IV Bei diesem
Verfahren wurde die Destillation in gleicher Weise bei 110o° unter Anwendung von
Aluminiumtrichloriddampf mit einer Aluminiumlegierung ausgeführt, die 24% Eisen,
6% Silicium, 4% Titan und 1% Mangan enthielt, während der Rest aus Aluminium bestand.
Es wurden keine Prallplatten oder andere zusätzliche Vorkehrungen in den Pfad des
Dampfes vom Reaktionsgefäß zu und durch den Kondensator geschaltet, obgleich bei
letzterem ein Temperaturabfall vorgesehen war, wie er oben geschildert wurde, wobei
dieser von der Eintrittsstelle bis zu seinem Ende zunehmend kühler wurde. Ein brauner
Niederschlag, der sich am heißen Ende des Kondensators bildete, enthielt etwa 9%
Silicium und 130/0 Mangan, während der kristallinische Hauptteil -des Destillats,
das sich in einer kühleren Zone bildete, 0,03'/o Silicium und 0,1% Mangan enthielt.
Es bildete sich kein erheblicher Niederschlag von Eisen oder Titan, so daß das Verfahren
sowohl zur Herstellung besonderer Legierungen des Aluminiums als auch zur Herstellung
von reinem Aluminium brauchbar ist. Es wird darauf hingewiesen, daß das Verfahren
nicht nur eine Abtrennung einer Fraktion, die reich an Silicium und Mangan ist,
ermöglicht, sondern auch eine sehr wesentliche Konzentration dieser Elemente in
einer derartigen Fraktion herbeiführen konnte. Beispiel V Unter Benutzung der wesentlich
gleichen Apparatur und des gleichen Verfahrens wie nach Beispiel IV wurde eine Chloriddestillationsreaktion
bei 120o° mit einer Legierung, die etwa 16 % Aluminium, 231/o Eisen, 30'/o Silicium
und 281/o Titan enthielt, vorgenommen. Es bildete sich ein feiner, kristallinischer
Niederschlag am Rand des Separators zwischen dem Reaktionsgefäß und dem Kondensator,
der etwa 1,4% Eisen, 40% Silicium und o,6 % Titan enthielt, der Rest bestand aus
Aluminium. Das Destillat, das im eigentlichen Kondensator niedergeschlagen wurde,
bestand aus Aluminium mit einem annähernden Gehalt von 0,03'/() Eis-en, o,1 °/a
Silicium und 0,02 % Titan. Beispiel VI Bei diesem Verfahren wurde eine Apparatur
benutzt, wie sie nach Beispiel III oben benutzt wurde, ausgenommen, daß die Öffnung
am .Eintrittsende des Kondensators 3 mm Durchmesser hatte. Die Destillationsreaktion
mit Aluminiumtrichloriddampf wurde bei 120o° und einem Druck von 4 mm im Reaktionsgefäß
mit einer Legierung, die etwa 35% Aluminium, 60% Eisen, 0,26% Silicium, 0,24% Titan
und 301o Mangan enthielt, vorgenommen. Eine Fraktion des Kondensats bestand aus
Kügelchen, die sich in den Näpfchen am heißen oder Eintrittsende des Kondensators
gebildet hatten., während eine davon getrennte Fraktion aus einem kristallinischen
Niederschlag auf der Kondensationswand in einer kühleren Zone desselben bestand.
Die erste Fraktion enthielt 0,18% Eisen, 0,70% Silicium, o,o2% Titan und o,o6% Mangan;
während die zweite nur 0,o2 % Eisen, 0,01% Silicium, 0,05 % Titan und o,o1% Mangan
enthielt, bestand der Rest in jedem Fall aus Aluminium.
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Nach den Verfahren der Erfindung kann ein sehr großer Teil der Verunreinigungen
in einer verhältnismäßig kleinen Fraktion des Gesamtdestillats entfernt werden.
Die Wirksamkeit des Verfahrens in dieser Hinsicht ist bereits oben dargelegt worden
und wird durch die weiteren Beispiele quantitativ erläutert. Beispiel VII In einer
Apparatur, die wesentlich der ähnlich war, die bei den Beispielen I bis VI für Destillationsreaktionen
benutzt wurde, wurde mit Aluminiumtrichloriddampf bei i4oo° im Reaktionsgefäß und
2o mm Druck (worunter der mittlere Druck zu verstehen ist, der am Dampfeinlaß oder
dem Oberteil des Reaktionsgefäßes herrschte) eine Legierung destilliert, die etwa
52% Aluminium, 38% Eisen, 5% Silicium, 4% Titan und 0,06% Mangan enthielt. Das Reaktionsgefäß
wurde von dem Kondensator durch eine Drosselplatte mit einer Öffnung von 2,2 mm
Durchmesser getrennt. Eine Fraktion des Kondensats wurde am kalten Ende des Kondensators
erhalten und eine am heißen Ende. Einen Vergleich dieser Niederschläge bringt die
folgende Tabelle:
| Prozentsatz |
| Kondensat aus Gewicht in g ßö Si ß5 Mn
der Gesamtmengen an |
| Si i Mn @ Al |
| der heißen Zone 4,7 o,53 0,o6 70 50 15 |
| der kalten Zone 26,7 0,04 0 ,oi 30 50 i 85 |
Es ist ersichtlich, daß der Hauptniederschlag, der 851/o des Destillats
ausmachte, nur o,o4 Silicium und o,or II/o Mangan enthielt und daß 70% des gesamten
Siliciums und 5o% des gesamten Mangans in dein kleinen (15%) separat kondensierten
Niederschlag abgetrennt wurden. Beispiel VIII Die entsprechende Chloriddestillationsreaktion
wurde im gleichen Apparat bei einer Temperatur von 12000 und einem Druck von 20
mm vorgenommen. (Der Druck wurde wie in anderen Fällen im Oberteil des Reaktionsgefäßes
gemessen.) Es wurde eine Legierung, die etwa 47% Aluminium, 28% Eisen, 18% Silicium,
5% Titan und o,SO/o Mangan enthielt, verarbeitet. Der Dampf ging aus dem Reaktionsgefäß
nach dem Kondensator über durch eine Öffnung von 3 mm Durchmesser. Eine kleine Kondensatfraktion
erhielt man in der heißen Kondensationszone und eine weitere große Fraktion in der
kalten Kondensationszone. Die Zusammensetzung der Kondensate war folgende:
| Prozentsatz vom Gesamtgehalt |
| Kondensat aus Gewicht in g °ü Si 05 Fe °,ö
Ti |
| 8i @ Fe Ti I Al |
| I |
| der heißen Zone 0,3 g,o 3,0 0,2 73 53 33 |
| der kalten Zone 33,0 0,03 0,025 0,004 27 i 47 j 67 `
99 |
Die Tabelle läßt klar erkennen, daß der Hauptteil des Aluminiumkondensats, welcher
991/o des gesamten destillierten Betrages enthielt, von hoher Reinheit war und daß
die meisten Verunreinigungen die überdestillierten in der sehr kleinen Fraktion
in der heißen Zone niedergeschlagen wurden.
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Es ist ersichtlich, daß die beschriebenen Maßnahmen die Herstellung
eines überaus reinen Aluminiums gestatten, wobei als Ausgangsmaterial Legierungen
oder andere unreine Mischungen dienen können, und zwar unter Umständen, bei denen
eine Überführung oder eine Destillation einer oder mehrerer Verunreinigungen unter
anderen Umständen zu erwarten war. Das Verfahren ist einfach und erstreckt sich
auf die Aufrechterhaltung eines geeigneten Temperaturabfalls im Kondensator und
auf eine Teilung des Destillats in eine an Verunreinigungen reiche und in eine weitgehend
reine Fraktion in sich. Wie oben dargelegt wurde und wie aus den Beispielen 2, 3
und 6 hervorgeht, wird die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens dadurch begünstigt,
daß ein ausgesprochener Druckabfall zwischen dem Reaktionsgefäß und dem Kondensator
vorgesehen wird, der solche Verhältnisse schafft, daß der Gehalt an Verunreinigungen
im letzten Kondensat weniger als o,i % beträgt und daß nur ein geringer Bruchteil
in der Höhe von etwa o,i % einer jeden Verunreinigung vorhanden ist. Verwendet man
zur Destillation Aluminiumtrichloriddampf, so gestaltet sich die Durchführung des
Verfahrens besonders wirksam und wirtschaftlich, aber es kann auch mit anderen Halogeniden
und mit Halogeniden anderer Metalle als Ouelle für das Halogen zur Reaktion mit
Aluminium, um ein Aluminiumsubhalogenid in Dampfform zu erhalten, benutzt werden.
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Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die speziellen
Verfahrensmaßnahmen, die hierin beschrieben sind, beschränkt ist, sondern daß sie
auf verschiedene andere Weise ausgeführt werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung
zli verlassen.