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Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Reinaluminium durch Destillation
Die Aluminiumerze, insbesondere Bauxite und Kaolin, sind meist mit Silicium, Eisen
und Titan verunreinigt, was bei der elektrolytischen Reduktion zu Legierungen führt,
deren Aluminiumgehalt 7o0/, selten überschreitet und die im wesentlichen noch Eisen,
Silicium und etwas Titan sowie gegebenenfalls einen geringen Gehalt an verschiedenen
anderen Verunreinigungen aufweisen.
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Es ist bereits bekannt, daß Aluminium durch eine direkte Destillation
aus derartigen Legierungen oder aus Bearbeitungsabfällen bei hoher Temperatur und
hohem Vakuum gewonnen werden kann. Nach der britischen Patentschrift 543 431 arbeitet
man bei i5oo°C und einem Druck von 2 mm Hg oder bei Anwesenheit von Silicium bei
I2oo bis I25o°C und i mm Hg. Der Reinheitsgrad des erhaltenen Metalls erfüllt jedoch
nicht die Anforderungen, die man an Reinaluminium stellt. Auch scheidet sich das
destillierte Aluminium bei den bekannten Verfahren im Kondensator in äußerst fein
verteiltem Zustand als Kügelchen oder Kristalle ab, die meist mit Oxyden vermischt
bzw. oberflächlich damit überzogen sind.
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Bis jetzt hat sich auf Grund der verschiedenen Schwierigkeiten das
Destillationsverfahren nicht durchgesetzt, und es war bisher praktisch nicht möglich,
Silicium und Eisen von dem Aluminium so
sauber zu trennen, daß ein
Reinaluminium mit einem Mindestgehalt von 99 0/0 Al in einem einzigen Reinigungsvorgang
gewonnen wurde.
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Das Verfahren nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile der bisherigen
Verfahren und macht die Gewinnung von Aluminium hohen Reinheitsgrades aus den erwähnten
Legierungen, insbesondere aus Al-Si- oder Al-Si-Fe-Legierungen, oder aus entsprechend
zusammengesetzten Abfällen durch unmittelbare Hochvakuumdestillation im technischen
Maßstab möglich.
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Erfindungsgemäß gewinnt man das Reinaluminium in der Weise, daß die
Destillation bei Temperaturen, welche den aus einer durch die Punkte 1240°C bei
0,03 Torr 1340'C bei 0,3 Torr 1400°C bei o,5 Torr 1455°C bei 1,o Torr
bestimmten Kurve des Gesamtdruckes im Ofen in Abhängigkeit von der Temperatur zu
entnehmenden Werten entsprechen oder diese übersteigen, in einer Vorrichtung mit
mehreren in einem gemeinsamen Raum nebeneinander angeordneten offenen Wannen mehrstufig
durchgeführt wird, wobei jeweils die folgende Wanne auf einer geringeren Temperatur
gehalten wird und das Kondensat aus der vorhergehenden Arbeitsstufe aufnimmt.
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Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das Verfahren erfindungsgemäß
nicht wie die bisher üblichen Verfahren in einer Destillationskolonne durchgeführt
wird, d. h., daß es sich nicht um die bekannte, absatzweise wiederholte Destillation
handelt, sondern daß die sehr viel einfachere Vorrichtung nach der Erfindung ohne
Rückfluß arbeitet. Die aus der einschlägigen Literatur bekannten Dampf-Flüssigkeits-Diagramme
zur Berechnung der Böden usw. in Kolonnen finden also hier keine Anwendung.
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Bei der Durchführung des neuen Verfahrens schlägt sich, da die Temperatur
von Wanne zu Wanne abfällt, in jeder nachfolgenden Wanne das Kbndensat aus den in
der vorhergehenden Wanne erzeugten Dämpfen nieder, nachdem diese die Trennschwellen
zwischen den Wannen überklettert haben. Der Stand des Metallspiegels in den einzelnen
Wannen ist dabei von untergeordneter Bedeutung.
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Vorzugsweise destilliert man die Rohlegierung, insbesondere wenn sie
einen bemerkenswerten Eisengehalt (z. B. 5 0/0 oder mehr) aufweist, bei Temperaturen,
die in der ersten Wanne nicht unter 1400°C liegen, und kondensiert bei oder unterhalb
etwa 120o° C das gewonnene Reinaluminium in der letzten Wanne. Der Temperaturabfall
verteilt sich dann auf die einzelnen Wannen bzw. Stufen.
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Der Ofendruck richtet sich nach der Destillationstemperatur, wobei
die obenerwähnte Kurve, in der diese Abhängigkeit zum Ausdruck kommt, die Grenzwerte
ergibt, die eingehalten werden sollen. Gute Resultate lassen sich gemäß dieser Kurve
noch in einem Druckbereich von o,2 bis 1,o Torr erzielen, jedoch wählt man vorzugsweise
niedrigere Ofendrücke, soweit sich diese auf wirtschaftliche Weise erreichen lassen,
um allzu hohe Destillationstemperaturen (welche gegebenenfalls die Anwendung höherer
Ofendrücke erlauben würden) au vermeiden, da mit dem Ansteigen der Temperatur Erfahrungsgemäß
die Ausbeute an Reinaluminium zurückgeht.
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Die Anzahl der Destillationsstufen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beträgt vorzugsweise zwei, was man durch Verwendung einer Vorrichtung
mit drei Wannen erreicht, wobei sich ausgezeichnete Ausbeuten an 99- und höherprozentigem
Aluminium erzielen lassen. Bei geeigneter Führung beträgt der Reinheitsgrad bis
zu 99,90/0A.
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Enthält die Ausgangslegierung größere Mengen (etwa 2o0/, oder mehr)
Silicium, so empfiehlt es sich, sie vor dem Destillieren dadurch an Aluminium anzureichern,
daß man einen Teil des Siliciums auf bekannte Weise ausseigem läßt. Man erhält dabei
ein eutektisches Gemisch mit etwa 13 % Si, das als Ausgangsmaterial für das Verfahren
nach der Erfindung dient und bei der erfindungsgemäßen Destillation unmittelbar
zu dem gewünschten Reinaluminium führt.
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Wichtig für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist
die Wahl einer geeigneten Ofenauskleidung. Es zeigte sich nämlich bzim Betrieb von
Destillationsöfen für Reinaluminium, daß das flüssige Aluminium, wenn man bei einer
Temperatur in der Nähe von 1400°C und im Hochvakuum arbeitet, die Oxyde, mit denen
es in Berührung kommt, wie Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd usw., angreift und unter
Bildung von flüchtigen Sub-Aluminiumoxyden reduziert, die beim Übergang von der
Destillations- zur Kondensationstemperatur wieder in normales Oxyd und Aluminium
disproportionieren. Durch Umhüllung der sich abscheidenden Aluminiumtröpfchen mit
einer dünnen Oxydhaut wird das Kondensat nicht nur verunreinigt, sondern auch eine
einheitliche Abscheidung verhindert.
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Im Einklang mit bereits früher bekanntgewordenen Erfahrungen werden
daher zur Ofenauskleidung Aluminiumcarbid oder vorzugsweise Aluminiumnitrid verwendet,
Stoffe, die als »feuerbeständig« an sich bekannt sind. Diese beiden Stoffe erwiesen
sich gegenüber der Einwirkung von flüssigem Aluminium unter den hier herrschenden
Temperatur- und Druckbedingungen als praktisch beständig, während das ebenfalls
feuerbeständige Siliciumcarbid durch flüssiges Aluminium nach und nach in Aluminiumcarbid
umgewandelt wird, wodurch das dabei frei werdende Silicium das Kondensat verunreinigt.
Für elektrische Heizwiderstände innerhalb der Destillationsvorrichtung ist Graphit
geeignet.
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Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern: Beispiel
1 Man geht von einer Silicium-Aluminium-Legierung aus, die sich folgendermaßen zusammensetzt:
Si . . . . . . . . . . . . . 14,3% Fe . . . . . . . . . . . . 1,304
Ti ............
o,20/0 Al ............ Rest Bei der zweistufigen Durchführung des Verfahrens in
einer mit Aluminiumnitrid ausgekleideten Vorrichtung
mit drei Wannen
wird zunächst ein Vorkondensat mit einem Si-Gehalt von weniger als 2,8 % und einem
Fe-Gehalt von o,10/, erhalten, während in der Endstufe ein Kondensat anfällt, das
sich folgendermaßen zusammensetzt Si ............. 0,24% Fe............. 094% Ti
............ 0,o50/0 A1 . . . . . . . . . . . . 99,670/,
Bei einer Temperatur
von 138o bis 1450'C innerhalb der Vorrichtung und einem Druck von 0,o2 bis o,2Torr
beträgt die aus dem ursprünglichen Silico-Aluminium erhaltene Ausbeute an Reinaluminium
810/,. Beispiel 2 Fig. z und 2 zeigen eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete
erfindungsgemäße Destillationsvorrichtung zum diskontinuierlichen, d. h. chargenweisen
Betrieb.
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Fig. z ist eine axiale Ansicht im Längsschnitt und Fig. 2 eine Ansicht
im Querschnitt nach Linie 4-4 von Fig. z.
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Die Ofenkammer und auch ihr Gehäuse g haben die Form eines liegenden
Kegelstumpfes, wobei der Querschnitt von rechts nach links zunimmt (Fig. z). Am
Boden des Ofens befinden sich drei Wannen h, i, j
die erste von rechts, h,
nimmt-durch den Kanal g1 die jeweilige Menge der zu reinigenden Legierung, z. B.
eine Aluminiumlegierung mit 13 % Silicium, auf. Die entgegengesetzt größere Querwand
g2, die der dritten Wanne j anliegt, wird durch ein `'Wassersystem 93 gekühlt.
Eine durch diese kalte Wand gehende Leitung g4 verbindet die Ofenkammer mit der
Vakuumpumpe (nicht eingezeichnet) ; eine Prallplatte g5 schützt die Öffnung dieser
Leitung auf der Ofenkammerseite. Die Kühlung dieser Ofenwand g2 ist so eingestellt,
daß die Wand sich bei einer Temperatur unter Tripelmetallpunkt (z. B. 60o° C) befindet.
Heizwiderstände k sind im oberen Teil dieser Ofenkammer angebracht. Eine nicht bis
zur kalten Wand reichende Scheidewand L trennt die Wannen h, i, j von der
oberen Heizzone des Ofens und schützt damit. diese Widerstände vor verspritztem
Metall. Die Widerstände k und die Horizonte der Wannen h, i, j treten allmählich
und gleichmäßig von der Längsachse des Ofens zurück und lassen so eine zuverlässige
Temperaturkontrolle in jeder Wanne zu; die Temperatur dieser Wannen, die von rechts
nach links abnimmt, ist durch den Druck in der Ofenkammer festgelegt.
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Die erste, die zu reinigende Legierung enthaltende Wanne h wird bei
einem Ofenkammerdruck von o,i mm Hg auf eine Temperatur von etwa 1450°C geheizt.
Das Metall, das unterhalb dieser Temperatur zu verdampfen beginnt, wird zu der kalten
Ofenwandgz unter der Einwirkung des Druckunterschiedes zwischen der durch diese
Wanne /z eingeschlossenen Zone und der Nachbarschaft der kalten Wand g2 hingezogen.
Es wurde gefunden, daß Metall im flüssigen Zustand an der Schwelle hl niedergeschlagen
wird, die diese Wanne h von der folgenden, i, trennt; die Schwelle
hl befindet sich z. B. auf einer Temperatur von 1380°C; das so niedergeschlagene
flüssige Metall überklettert die Schwelle hl und fließt in die Wanne i (in Richtung
des Pfeils). Der Si-Gehalt dieses Metalls ist niedriger als 3 0/0, solange die Destillation
unterhalb 9o % des Inhalts von Wanne h bleibt.
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Das in Wanne i gesammelte Metall hat einen geringeren Dampfdruck;
bei seiner Temperatur von 13500C destilliert es nichtsdestoweniger, aber nicht so
schnell wie das Metall in Wanne h, obwohl Wanne i näher an der kalten
Wand g2 ist, die destillationsbeschleunigende Wirkung hat. Das Metall überklettert
die Schwelle il, die die Wanne i und j trennt, gemäß der gleichen
Erscheinung wie in Wanne h; es fließt in Wanne j, wo sein Si-Gehalt
unter 101, fällt.
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Die Temperatur in dieser Wanne j, die als Sammelbehälter für das gereinigte
Aluminium dient, wird auf etwa z2oo°C gehalten, bei welcher Temperatur der Dampfdruck
des Aluminiums sehr klein ist. Das Metall ist bei dieser Temperatur im flüssigen
Zustand stabilisiert durch den in der Ofenkammer herrschenden Druck, d. h., es verdampft
so gut wie überhaupt nicht. Die kalte Wand g2 des Ofens ist (wie in g8) mit festem
Metall bedeckt, das flüssig wird und fließt, sobald die Oberflächentemperatur die
gleiche wie für den Tripelpunkt ist.
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Es sei noch bemerkt, daß die Höhe des Metallspiegels anscheinend keinen
Einfluß auf das oben beschriebene Phänomen des »Überkletternsc< hat. Praktisch
wird das Niveau in der Wanne h, die beim Arbeitsbeginn voll ist, während des Arbeitens
naturgemäß beträchtlich niedriger, während dasjenige der Wanne i entsprechend ansteigt,
ein Maximum erreicht und sich dann wieder zugunsten der Wanne j senkt.
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Das Verfahren nach der Erfindung führt in einem einzigen Destillationsvorgang,
ausgehend von handelsüblichem Aluminium oder hinreichend reinen Abfällen von Aluminiumlegierungen,
zu metallischem Aluminium mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99,90/0-