NO160663B - Fjerning av alkali- og jordalkalimetaller fra smeltet aluminium. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fjerning av forurensende mengder av alkalimetaller og jordalkalimetaller fra smeltet aliminium ved omsetning med aluminiumfluorid, som angitt i krav l's ingress, samt en anordning som er egnet til utfø-relse av fremgangsmåten, som angitt i krav 7.

Smeltet aluminium som er tatt ut fra elektrolytiske reduksjonsceller inneholder små mengder alkalimetaller så som litium og natrium og jordalkalimetaller så som magnesium og kalsium. Tilstedeværelsen av disse forurensende alkalimetaller og jordalkalimetaller er skadelige for forskjellige anvendelser som det primære metallet kan brukes for.

For eksempel kan i fremstillingen av magnesiumholdig aluminium legeringsfolie eller plate, natrium i små mengder på ca. 2 p.p.m. eller mer forårsake "varmkorthet" eller kant-strekking under varmerulling. Tilstedeværelsen av spor-mengder av litium og/eller natrium øker oksydasjonshastigheten til smeltet aluminium. Dette øker smeltetapet og gir et tykt slaggsjikt som kan blokkere støpeapparatets dyser og redusere metallstrømbarheten. Derfor krever økonomiske og tekniske hensyn at disse elementer fjernes så snart som mulig etter at primært aluminium er tatt ut fra; reduksjonscellene for å redusere tidsrommet hvorunder litium- og/eller natrium-holdig smelted aluminium utsettes for atmosfæren. Magnesium i små mengder er skadelig for elektrisk lednings-evne og bør fjernes fra primært aluminium som brukes for produkter i hvilke denne egenskap er viktig.

Følgelig har man funnet det ønskelig å redusere konsentrasjonen av alkalimetall- og jordalkalimetall-forurensninger til 2 p.p.m. eller også fortrinnsvis også lavere. Denne fjerningen er også ønskelig i andre tilfeller hvor aluminium eller en aluminiumsbasert legering (uttrykket "aluminium" brukes her bredt slik at det omfatter alle disse legeringer så vel som rent aluminiummetall) forurenses med små mengder av alkalimetall og/eller jordalkalimetall.

Det er kjent at innholdet av oppløste alkalimetaller og/eller jordalkalimetaller kan reduseres ved å bringe smeltet aluminium i kontakt med aluminiumfluorid (AlF-j) (eller et materiale som inneholder det). Forurensningen reagerer med aluminium-fluorid og danner blandingsforbindelser (f.eks. kryolitionit-forbindelser så som 3LiF•3NaF•2A1F^)• Aluminiumfluorid i form av faste partikler bringes gjerne i kontakt med smeltet aluminium. Behandlingsmaterialet kan hovedsaklig bestå av aluminiumfluorid eller kan helt eller delvis være sammensatt av alkalimetall fluoraluminater som er faste ved det smeltede metalls temperatur. Et eksempel på siste type materiale (an-vendelig for fjerning av litium, magnesium og kalsium) er partikkelformet natriumkryolit eller litium-fri reduksjons-celle elektrolyt med. et lavt vektforhold av natriumfluorid til aluminiumfluorid slik at det inneholder aluminiumfluorid i overskudd av det støkiometriske behov for Na■- i .AIF6,, med en slik sammensetning at en hoveddel forblir fast ved behand-lingstemperaturen hvilket normalt er tilfelle forutsatt at det forutnevnte forhold forblir i området 1,3 - 1,5. Det er faktisk ikke avgjørende.at tilsetningen forblir i fast form; en lavt (ca. 725 oC) smeltende forbindelse som inneholder et stort overskudd av AlF^ (f.eks. med et meget lavt NaF:AlF^ vektforhold på 0,6 - 0,7) som smelter etter inn-føring av smeltet aluminium,ville være like effektivt for å fjerne alkalimetaller eller jordalkalimetaller. Det aktive fluoridmaterialet kan også inneholde inert materiale så som aluminiumoksyd i et så høyt forhold som 50 vekt-%,

selv om 7 - 20 % er det mer vanlige aluminiumoksydinnhold i aluminiumfluorid handelsvare.

Behandlinger med aluminiumfluorid anses fordelaktig for fjerning av alkalimetaller og jordalkalimetaller sammenlignet med behandling med klorgass eller klor/inert gass-blandinger,

fordi gassbehandlingsoperasjonen gir uheldige gass-formige biprodukter og er ellers tungvint.

I tildligere behandlinger som anvender AlF^ som beskrevet i

U.S. Patentene nr. 3.305.351., nr. 3.528.801. og nr. 4.138.

24 6. ble det smeltede aluminium ført gjennom et pakket filter bed av fast partikkelformig materiale som inneholdt fluorid, alene eller i blanding med karbonholdig materiale så som koks. I U.S. patent nr. 4.277.280 oppnås en lignende virkning ved å føre smeltet aluminium oppad gjennom et reaktivt bed av grovt granulært AlF-j-holdig materiale som ikke er et filter. Imidlertid har bruken av reaktive bed eller bed-filtere bestående av reaktive materiale flere ulemper. En betydelig del av reaksjonsproduktene av alkalimétallet (Lif Na, Mg) med aluminium fluorid forblir fanget på eller i det reaktive bed eller det tilhørende filtermateriale og forårsaker for tidlig tilstopping; elektrolyten fra reduksjonscellen, slagg og/eller annet fast eller flytende forurensende stoff som bringes over med det smeltede metall fra elektro-lytcellen har de samme virkninger. Av lignende grunner kan an foretrukket metallvei eller "kanal" opptre i det reaktive bed og vesentlig redusere effektiviteten til alkalimetall-fjerningen. Aluminiumfluoridmaterialet forbrukes under behandlingen av smeltet metall og følgelig er ikke virkningen av det reaktive bed konstant gjennom hele dets brukstid.

For å forhindre pyrohydrolyse av aluminiumfluorid og metalltap i reaktive bed foretrekkes det å alltid holde aluminiumfluoridet neddykket i smeltet aluminium, men dette krever en konstant oppvarming og brenselforbruk selv når installa-sjonen ikke er i drift hvilket øker kostnadene ved behandlingen. Forandring i sammensetningen av metallet som behandles gjennom et slikt system er uvilkårlig forbundet med metalltap. Også under den innledende forvarming av AlF^-bedet har spaltning ved pyrohydrolyse(d.v.s. reaksjon med vanndampen i forbren-ningsproduktene) tendens til å forekomme.

Det er vanskelig å oppnå effetktiv kontakt mellom de løse aluminiumfluoridpartikler og smeltet aluminiummetall. Grunnen til dette er at den høye overflatespenningen tii smeltet aluminium og den lille forskjell i densitet mellom aluminiumfluoridpulver og smeltet aluminium forårsaker at AlF^-

pulver vil flyte på overflaten av det smeltede aluminium. Dertil er aluminiumfluoridpulver ikke lett å fukte med

smeltet aluminium og er termisk meget stabil, d.v.s. det smelter ikke under atmosfærisk trykk, og det har en subli-masjonstemperatur på \ca. 1 270°C, slik at reaksjonen mellom

væske-væske eller gass-væske faser er umulig ved behandlings-temperaturen for smeltet aluminium (660°C - 900°C). Disse fysikalske karakteristika forklarer den dårlige virkningen av tidligere forsøk på å innføre partikkelformet aluminiumfluorid i smeltet aluminium.

Det er mulig å innsprøyte aluminiumfluoridpartikler i smeltet aluminium i en stråle av bæregass så som luft eller nitrogen ved hjelp av en injeksjonslanse. Injeksjonsoperasjoner er imidlertid funnet å kreve betydelig tid og det høye gass-trykk i metallet medfører sikkerhetsrisikoer, og dertil kan bruken av luft som bæregass føre til utstrakt slagg og oksyd-filmdannelse.

Det er også mulig å foreta en stor tilsetning av aluminiumfluoridpulver til bunnen av en tom digel før metallet til-settes. Imidlertid har man funnet at aluminiumfluoridpulveret reagerer fortrinnsvis med celleelektrolyten (hvilken ufra-vikelig strømmer fra reduksjonscellen sammen med det smeltede AlHmetall) og danner en fast masse som forblir bundet til digelforingen. Derved forhindres virksom kontakt med det smeltede aluminium.

Som man vil skjønne fra den foregående omtale kreves en betydelig kontakttid for effektiv reaksjon mellom løst par-tikkelf ormet AlF.j~holdig materiale og alkalimetall-og jord-alkalimetallforurensninger i smeltet Al-metall.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen krever tilsetting av en riktig charge av behandlingsmaterialet (AIF3 eller AIF3-holdig materiale) til det smeltede Al-metall under betingelser som angitt i krav l's karakteriserende del, og som med-fører resirkulering av behandlingsmaterialet i det smeltede metallet, mens for stor forstyrrelse av de smeltede metalls overflate unngås for å redusere oksydasjonen av metallet.

I fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen innføres behandlingsmaterialet i det smeltede aluminium ved å tilføre behandlingsmaterialet til en hvirvel som frembringes i et legeme av det smeltede metallet som rommes av en beholder. Hvirveldannelsen tjener også til å frembringe oppad spiral-formige strømmer i det smeltede metall i grenseområdene til beholderen for å opprettholde forlenget kontakt av partiklene av behandlingsmaterialet med det smeltede metall. Sirkuleringen av smeltet metall ved virveldannelse fortsettes i tilstrekkelig lang tid til å redusere alkalimetall-og jordalkalimetallinnholdet i det smeltede aluminium til en ønsket lav verdi, hvoretter sirkulasjonen avbrytes- Noen av reaksjonsproduktene som blandes med det resterende behandlingsmaterialet vil stige til overflaten som et slagg fra hvilket det smeltede metall kan adskilles ved slaggskumming eller metallsifonering eller andre vanlige midler. Imidlertid har størstedelen tendens til å klebe til digelforingen under røreprosessen slik at det kan fjernes når digelen er tom.

Det er velkjent i metallurgiske prosesser å innføre reaktive metaller i smeltede metallvirvler fremkalt i kar fra hvilke det smeltede metall tømmes ut som en kontinuerlig strøm.

I foreliggende fremgangsmåte tjener frembringelse av en

virvel både som et middel til å bringe fint pulverisert partikkelformig materiale med relativ lav volum-vekt i kontakt med smeltet metall og som et middel til å opprettholde partiklene av slik materiale dispergert i det smeltede metall og i intim kontakt med dette over et lengere tids-

rom inntil frembringelsen av virvelen avsluttes.

Virvelen frembringes fortrinnsvis og opprettholdes ved å

bruke en roterende rører med en flerbladet rotor neddykket i et legeme av smeltet metall i en digel og dreie denne rundt en vertikal akse med bladene plassert slik at hvert blad har en hovedsaklig overflate som vender nedover i en spiss vinkel med loddlinjen. Rørerrotoren er fortrinnsvis anbrakt eksentrisk i digelen i forhold til den loddrette senterlinje i digelen. Elektromagnetisk induksjonsrøring kan også anvendes for å frembringe en virvel. Riktig anordnede induksjons-spiraler kan plasseres utenfor en digel eller annen beholder som inneholder det smeltede metall.

Oppfinnelsen tilveiebringer også et apparat for blanding av partikkelformet AlF^behandlingsmaterial med smeltet aluminium, innbefattet en digel for det smeltede metall og en rører eller rotor med festede blader og eksentrisk plassert i forhold, til den vertikale midtlinje i digelen med forskjellige dimensjonélle og plasseringsmessige forhold holdt innenfor spesifiserte områder eller grenser, som angitt i krav 7, og som er beskrevet nedenunder.

De vedlagte tegninger viser:

Fig. 1 er et forenklet tverrsnitt av et apparat for utfø-relse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og fig. 2 er et vertikalt snitt langs linjen 2-2 i fig. 1.

På tegningene inneholder en sylindrisk beholder 10 en masse av smelteet aluminium 11. Et separat lokk 12 holder en eksentrisk montert rører 14 drevet av en motor 16. Røreren 14 har et skaft 18 som bærer blader 20 for neddykking i den smeltede aluminiumsmasse 11. Lokket 12 inneholder også en tilførselsledning 22 for tilførsel av behandlingsmaterialet til beholderen, og et utløpsrør 24 for forbrenningsgasser fra beholderen vil normalt bestå av et stålskall med en keramisk f6ring som er inert overfor smeltet aluminium. Lokket 12 og de tilhørende bestanddeler utgjør en hvirvel-generatorenhet som kan flyttes på slik at den samme røre-apparatur kan brukes til å røre satser av smeltet aluminium i en rekke forskjellige mobile beholdere, såsom digler.

For å fjerne forurensende alkalimetaller og/eller jordalkalimetaller fra smeltet aluminium fylles beholderen 10 med den riktige mengde smeltet Al-metall. Lokket 12 plasseres deretter på digelen slik at den bladbesatte del av røreren 14 neddykkes. Partikkelformig behandlingsmateriale omfattende eller bestående av aluminiumfluorid (A1F3) som er fast ved temperaturen til smeltet aluminium tilføres så ved tyngde-kraften gjennom røret 22. Dreiningen av røreren bør fortrinnsvis begynne før innføring av behandlingsmaterialet

(men kan begynne etter denne innføring) og opprettholder en stabil virvel (angitt med 26 i fig. 2) i den smeltede masse 11. Dannelsen av virvelen fører til en kombinasjon av aksiale

og radiale strømningskomponenter i det smeltede metall. AlF2~Par"tiklene trekkes inn i virvelen og sirkulerer gjennom

den smeltede masse langs strømningsveier som generelt er angitt med 28. Det er ikke nødvendig å fylle aluminiumfluoridet direkte i virvelen da materialet raskt vil be-

veges til denne gjennom metallets høye sirkulasjonshastighet på smelteoverflaten.

Rotasjon av røreren fortsettes under opprettholdelse av virvelen 26 og resirkulasjonen av aluminiumfluoridpartiklene inntil det har blitt tilstrekkelig reaksjon mellom aluminiumfluoridet og de oppløste forurensende alkalimetaller og/

eller jordalkalimetaller til å redusere innholdet av disse forurensninger i smeiten til en ønsket lavverdi. Den nød-vendige tid for å oppnå dette resultat er gjerne ikke mer enn ca. 10 minutter og er faktisk ofte betydelig mindre enn 10 minutter. Forbindelser, så som kryolitionit-forbindelser, frembrakt ved reaksjon av de forurensende alkalimetaller og joralkalimetaller med .aluminiumfluoridet, flyter på overflaten av de smeltede masse og kan lett fjernes ved skumming eller andre midler når rotasjonen av røreren er ferdig og lokket løftes vekk fra digelen. Det rensede, smeltede metall kan deretter helles eller på annen måte fjernes fra digelen.

Gjennom denne metode er det mulig å redusere mengden av forurensninger fra en typisk mengde på ca. 20 p.p.m. litium gg ca. 30 - 60 p.p.m. natrium til mindre enn 1 p.p.m. i løpet av et tidsrom på 10 minutter eller mindre med kontinuerlig røring med røreren. Da noe reduksjon av mengden av disse forurensninger nødvendigvis opptrer under utførelsen av andre trinn som normalt benyttes ved behandling av smeltet aluminium, er det ofte mulig å oppnå tilfredsstillende reduksjon i innhold av forurensende metaller, f.eks. til 2 p. p.m. Li i løpet av enda kortere tidsrom. Selv om aluminiumfluoridet kan inneholde en del aluminiumoksyd tjener behandlingen av fluoraluminiumsreaksjonsproduktet til å fjerne det uløselige aluminium. Man finner således at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har den gunstige virkning på fjerning av inklusjonsdannende materiale så som aluminiumkarbid (Al^

C^) som var tilstede i smeiten før behandlingen.

Den optimale kombinasjon av aksiale og radiale strømnings-komponenter for å oppnå en høy blandingsvirkning på de faste AlF-^-partikler i det smeltede aluminium oppnås ved riktig plassering av røreren i forhold til digelen og/eller ved dimensjonene og konstruksjonen av rørerbladet. Dertil kan røreren bestå av flere like-vinklet anbrakte festede blader 20 som hver har en hovedoverflate 20a som vender nedover med en spiss vinkel til loddlinjen. Aksen til rørerskaftet er eksentrisk plassert i forhold til digelens geometriske akse, og retningen av rørerrotasjonen er slik at bladeover-flaten 20a er de ledende overflater av bladene som utøver en kraft med en nedover retted komponent på det smeltede aluminium. På tegningen angir 9 skråningsvinkelen til bladoverflaten 20a, d angir den totale diameteren til den bladbesatte delen av røreren, h angir høyden av rørerbladene, x angir rørerskaftets eksentrisitet, y_ angir den vertikale avstanden fra bunnen av digelens innside til midtpunktet for rørerbladene, H angir den vertikale avstand fra bunnen av digelens innside til det rolige nivå av smeltet metall i digelen, D er den innvendige diameteren til digelen og pilen R betyr retningen til rørerrotasjonen.

Ifølge oppfinnelsen og som særlig eller foretrukne trekk

av denne finner man de følgende områder for forhold og dimensjoner i konstruksjonen og plasseringen av en rører av den illustrerte type:

Skjønt tilfredsstillende resultater kan oppnås med en sentralt plassert rører eller rører med liten eksentrisitet er eksentrisiteten x til rørerskaftet normalt innenfor området 0,1 til 0,25D og helst i området 0,25 til 0,7d. Det foretrekkes særlig å anvende tre blader plassert 120 fra hver-andre med en skråningsvinkel på 3 0° - 35° og et forhold d/D på ca. 0,25. Rørereksentrisiteten, x, er helst 0,5 d.

Den beskrevene røreanordning har den fordel at den gir en stabil virvel uten å bruke vertikale ledeplater hvilket ville være umulig i utvekselbare overføringsdigeler. Funksjonen til vanlig ledeplater under frembringelse av virvler ved å oppretthold en høy hastighet av relativ rotasjon mellom røreren og væsken oppnås med foreliggende røreanordning gjennom kombinasjonen av radiale og aksiale strømningskom-ponenter som frembringes av røreren.

Da bladkroningsvinklene & opp til 4 5° eller mer har tendens til å gi spruting og overflate-bølger, foretrekkes det å bruke en mindre skråningsvinkel så som 30 - 35° for å tvinge metallet nedover og trekke fluoridpulveret inn i det smeltede aluminium..

Den nødvendige aksiale komponent til den smeltede metallstrøm kan oppnås selv med en vertikal-bladet rører ved å anbringe røreren eksentrisk i forhold tii digelens geometriske akse. Imidlertid foretrekkes det sterkt å anvende en eksentrisk plassert skråbladet rører for å minimalisere metallbølger og oscillasjoner på metallets overflate. Man har funnet at eksentrisk plassering av røreren gjør det mulig å fylle digelen mer uten risiko for spruting under røringen av metallet i overføringsdigler av stor størrelse. Den eksent-riske plasseringen av røreren er et viktig trekk i en foretrukket anordning ifølge oppfinnelsen da den muliggjør behandling av en betydelig større metallsats i en digel av gitt størrelse.

Den minimale rotasjonshastighet for en gitt rører er den som vil;gi og opprettholde en stabil virvel mens den maksimale rotasjonshastighet er den over hvilken luft suges inn i det smeltede legeme som røres. Disse verdier er bestemt av rørerdiameteren d. Den optimale rotsjonshastighet er den som gir en god virvel uten å forårsake for mye metallspruting og tap eller er årsak til errosjon av enten digelkeramikken eller konstruksjonsmaterialet i røreren. Med hensyn til en rører som gir et d/D forhold i det foretrukne område 0,15 - 0,40^foretrekkes det nå å operere en slik rører ved en rotasjonshastighet på ca. 100 til ca. 300 omdreininger pr. minutt. Imidlertid kan også rotasjonshastigheter utenfor dette området benyttes så lenge de gir den ønskede virvel uten for - mye spruting. Bruken av en eksentrisk plassert rører med skråstilte eller fallende blader dreiet i den ovenfor angitte retning er funnet å være spesielt tilfredsstillende ved frembringelse av. den stabile virvel med en meget effektiv kombinasjon av aksiale og radiale strømningskomponenter for å forsterke inntrengningen av de faste aluminiumfluoridpartikler i det smeltede metall.

Under behandlingen med smeltet aluminium med AlF-^-pulver reagerer alkali- og jordalkalimetaller med AlF^ under dannelse av blandede alkali-kryolitionitforbindelser, f.eks. Na5Al3F14, Na2LiAlF6, og Li3Na3Al2F12. Disse forbindelser med et relativt lavt smeltepunkt kan lett agglomereres eller klebe på digelveggene eller flyte opp til smelteoverflaten hvor de reagerer med metalloksyd eller partikler av celleelektrolyt som alltid er til stede etter sifonering av elektrolytcellene. Under etterfølgende metalloverføring ved sifonering vil de fleste av disse forbindelser forbli inne i digelen og de adskilles således fra de smeltede Al.

Selv om en stor mengde A1F3 er ønskelig for en hurtig reaksjon med alkalimetallet, kunne et høyere forhold av tilsetning av AlFg/Al kompensere for et pulver med lavt innhold. Andre blandinger som kunne brukes er A1F3 med lavt innhold (f.eks. A1F3 blandet med Al2°3^ e^-^- er elektrolytisk bademateriale som inneholder et stort overskudd av A1F (d.v.s. Na AlF

3 3 6

med overskudd A1F3).

For å videre illustrere oppfinnelsen anføres de foreliggende eksempler:

EKSEMPEL 1

130 kilograms prøver av 99,7 % rent smeltet aluminium som inneholdt mellom ca. 20 og 25 p.p.m. Li ble behandlet med fast A1F3 malt til -35 mesh partikkelstørrelse med bruk av de følgende metoder: A. 300 gram AlF^-partikler ble tilført smelteoverflaten

uten røring.

B. 200 gram AlF^-partikler ble tilført smelteoverflaten mens smeiten ble rørt med en rotor som dreiet med 900 o.p.m.; uten virveldannelse. C. 300 gram AlF^-partikler ble injesert i smeiten under overflaten gjennom en grafittlanse ved bruk av nitrogen som bæregass. D. 200 gram AlF3~partikler ble injisert som under C, men smeiten ble rørt med rotor (plassert over lanseutløpet) som roterte med 900 o.p.m.

E. 200 gram (E-I) og 300 gram (E-2) AlF^partikler ble til-ført smelteoverflaten mens en stabil virvel ble frembrakt og opprettholdt i smeiten av en rører som dreiet med 225 o.p.m. ifølge foreliggende fremgangsmåte.

I en annen metode (F) ble ikke noe AlF3 brukt, men smeiten ble rørt (uten dannelse av én virvel) av en rotor som dreiet med 900 o.p.m. Resultatene var som følger: Metode Resterende Li ( p. p. m.) etter en behandlingstid på:

0 min.

Metodene som utgjorde foreliggende fremgangsmåte (E-I og

E-2) ga betydelig raskere reduksjon av litiuminnholdet enn noen av de andre fremgangsmåtene, og litiumkonsentrasjonen var etter 9 minutter (1 p.p.m>) med fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse og bare metoden (D) var likeverdig hvilken innbefattet kombinert bruk av injeksjon og røring og hvori begynnelseskonsentrasjonen av litiumforurensning var meget lavere.

Dimensjonene og plasseringen av bladrøreren i dette eksempel er som følger: Rørerens diameter, d, var 12,5 cm og røreren var en fire-bladet rører med en bladhøyde på 8,8 cm hvor bladene hadde en skråningsvinken på 35°.

Digelens diameter var 50 cm og verdien for H og x var henholdsvis 37,5 cm og d/2.

EKSEMPEL 2

Ved å bruke utstyr av den type som er illustrert på tegningen bestående av en sylindrisk digel med en innvendig diameter på ca. 160 cm og en nominal kapasitet på ca. 4500 kg smeltet aluminium,ble en rekke mengder av smeltet aluminium foru-renset med litium og natrium behandlet ifølge foreliggende fremgangsmåte. I hvert tilfelle ble digelen fylt til en dybde av 100 cm med det smeltede aluminium, og AlF.j~Pulveret ble tilført den smeltede aluminiumsoverflaten med en hastighet på ca. 1,7 kg pr. metrisk tonn aluminium. En skråbladet rører med en bladhøyde på 25 cm og diameter på 4 5 cm bie dykket ned i det smeltede aluminium med en eksentrisitet på 20 til 30 cm (fortrinnsvis 22,5 cm) med senteret til rører-bladene 37,5 cm over digelbunnen, slik at toppkantene til bladene befant seg halvveis mellom toppen av smeiten og digelens bunn (bladene befant seg således fullstendig i den nedre halvpart av det smeltede metall-legemet); røreren ble rotert i hvert tilfelle i 10 min. ved en hastighet mellom ca. 130 og 135 o.p.m. for å frembringe og opprettholde en stabil virvel. Tilsetningsmåten av AlF3~partikiene og temperaturen til det smeltede metall ble variert fra forsøk tiliforsøk. Resultatene av tyve påfølgende forsøk var som følger: Disse data illustrer en skadlig virkning av høyere metall-temperatur på effektiviteten av litiumfjerningen som skyldes en termodynamisk kontrollert litium-likevekt mellom fluorid-metallet og metallet som forhindrer 100 % effektiv litiumfjerning fra det varme metall; en lignende virkning kunne ikke observeres for natrium p.g.a. det høyere damptrykket til natrium hvilket gjør det letter å fjerne dette.

Den gjennomsnittlige effektivitet av litiumfjerningen etter

10 minutter behandlingstid var 93 % for de tyve forsøk i den.foregående tabell. Dette tilsvarer en litiumkonsentrasjon (i det behandlede metall) som er tilfredsstillende, d.v.s. under den maksimale akseptable grense for de fleste tilfeller.

EKSEMPEL 3

Flere serier av behandlinger ble utført i overføringsdigeler med aluminium som var blitt sifonert inn i disse digeler

fra elektrolytiske reduksjonsceller. Aluminiumfluorid- / pulveret som ble brukt (92 vekt-% A1F3, ca. 8 vekt-% Al203) hadde en volumvekt på 1,5 - 1,7 g/cm3 og en partikkelstørreise-fordeling som følger: 25 % større enn 100 um, 50 % større

enn 80 um, 7 5% større enn 65 um. Under disse behandlingene inneholdt digelene ca. 3,500 kg smeltet aluminium hver. En tre-bladet rører med en bladskovl (vinkel 9) på 35°, diameter

(d) på 4 6 am og bladhøyde (h) på 2 5 cm ble anvendt og rotert for å danne og opprettholde en stabil virvel, forholdene

d/D og h/H var begge 0,25, og den maksimale behandlingstid var 6 min. Rotorens eksentrisitet, x, var d/2. Flere digeler ble behandlet i hver serie. Av sammenligningsgrunner ble en serie (serie 1) kjørt uten bruk av aluminiumfluorid. De gjenværende seks behandlingsserier utgjorde fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. I seriene 2-5 ble alt aluminiumfluoridet tilsatt ved eller før starten av røringen; i seriene 6 og 7 ble en tredjedel av aluminiumfluoridet tilsatt ved starten, en tredjedel etter et halvt minutt og en tredjedel etter 1

minutts røring. Metallet i digelen i serie 7 inneholdt opprinnelig 101 p.p.m. magnesium; metallet i de andre seks seriene inneholdt mindre enn 10 p.p.m. magnesium.

Resultatene var som følger:

Serie 1 illustrer fjerning av alkalimetall som bare skyldes røringseffekten i aluminiumet. Den større natriumfjerning etter 3 og 6 minutter (61 % og 72 %)sammenlignet med den lavere litiumfjerningsgrad (15 % og 19 %) er å tilskrive at litium har meget lavere damptrykk enn natrium. Således har natrium et kokepunkt på 882°C ved atomsfæretrykk sammenlignet

o

^med 1,329 C for litium.

Serier 2, 3 og 4 sammenligner virkningen av AlF3~mengden Pa natrium- og litiumfjerning. Man kan se at økning av forholdet kg AlF3/metrisk tonn Al fra 0,7 til 3,3 har en markert effekt på litiumfjerning. Virkningen er ikke så påfallende for natrium på grunn av den hurtigere fjerning av natrium bare ved oksydasjon.

Serie 5 er identisk med serie 3 bortsett fra en øket o.p.m. fra 100 til 150. Dette øker virkningsgraden ved fjerning av natrium og litium fra 89 % til 92 % og henholdsvis fra 74 % til 85 %. Serie 6 illusterer for 7 overføringsdigeler innvirkningen av en gradvis tilsetning av AlF^-pulver på fjerningshastigheten av alkalimetallene. Man kan se at dette også hjelper til å øke fjerningshastigheten, sansynligvis ved å øke kontaktflateområdet mellom pulveret og aluminiumet (tilsetningen av en stor mengde Alf3 i en "dose" kan forårsake pulveragglomerering og redusere den effektive kontakt med aluminiumet).

Serie 7 illustrerer virkningen av Mg-metall som er til stede

i tillegg til Li, Na og Ca. Mg-innholdet etter 3 minutters røring av 46 p.p.m. (54 % fjerning) og etter 6 min. 30 p.p.m (70 % fjerning). Man kan slutte at nærvær av Mg selv i en større konsentrasjon enn andre alkalimetaller ikke vesentlig påvirker prosessens virkningsgrad. Nærværet av Mg i disse forsøk skyltes bruk av en blandet LiF-MgF 2elektrolyt i reduksjonscellene. Nærværet av magnesium i metallet som skyltes andre grunner (f.eks. forurensning fra Al-Mg legeringer) kunne også tolereres. Hvis imidlertid Mg-konsentrasjonen øker ville tilsetningen av A1F3 måtte justeres tilsvarende for å sikre en konstant litium-og natriumfjerningsvirkning.

EKSEMPEL 4

I to ytterligere forsøksserier som brukte samme utstyr som

i eksempel 3 ble grupper av overføringsdigeler som hver inneholdt ca. 3,4 00 kg smeltet aluminium behandlet ifølge foreliggende fremgangsmåte. AlF^-pulver ble tilsatt i en mengde på 2 kg AlF3/metrisk tonn Al til hver digel.i tre like porsjoner, nemlig ved starten,etter 30 sek. røring og etter 1 min. røring. Røringen ble utført i 6 min. ved 175 o.p.m. hvilket ga og opprettholdt en stabil virvel som i forsøk 6 i eksempel 3. Oet behandlede metall fra en serie ble brukt for å fremstille en første legering (med aluminium assosciation betegnelse AA-1350) og det behandlede metall fra den andre serie blé brukt til å fremstille en annen legering (aluminium association betegnesle AA-5154). Alkalimetall- og jordalkalimetallinnhold ble igjen målt etter legeringen. Resultatene var som følger:

Man kan se at virkningsgraden er av samme størrelsesorden som i forsøk 6 eksempel 3. Man kan også slutte at natrium-og litiumkonsentrasjonen fortsetter å avta etter behanlingen. Dette kan tilskrives forskjellige metalloperasjoner og behandlinger (overføring, legering, røring, oppvarming, henstand etc.) hviTket akselerer oksydasjonen av alkalimetaller i ovnen.

EKSEMPEL 5

Ved igjen å bruke samme utstyr og samme AlF^-pulver som i eksempel 3 og 4 bie smeltet aluminium i overføringsdigeler som hver inneholdt 3500 kg aluminium rørt i 10 min. ved 100 o.p.m. hvilket ga og opprettholdt en stabil virvel. Etter behandlingen fikk metallet stå 10 min. og aikalimetall-innholdet ble målt igjen. Resultatene var som følger:

Den ytterligerer observerte reduksjon i alkalimetall/etter avsluttet røring kan forklares ved den høye aktivitetsgraden til AlF3~rike reaksjonsprodukter i kontakt med smeltet aluminium. Selv om denne alkalimetallreduksjonen etter henstand etter behandlingen ikke er signifikant viktig sammenlignet med reduksjon under selve behandlingen, indikerer den ikke desto mindre at det ikke er noen fare for revers reaksjon (alkalimetallopptak) under henstand i overførings-digelen mellom behandlingen og overføringen til støpeovnen. Dette ville ikke være tilfelle hvis alkalimetallet ble fjernet ved bruk av en behandling av klorgassreaksjon alene.

EKSEMPEL 6

For å illustrere virkningen av rørerbladvinkelen ble en serie forsøk utført med 125 kg prøver av smeltet aluminium med 99,7 % renhet ved en temperatur på 82 5 oC ved bruk av -3 5

mesh aluminiumfluoridpulver i et forhold på 0,8 kg/metrisk tonn Al. Rørere med blader med forskjellig skråning bie anvendt; i hvert tilfelle, d = 12,5 cm, h = 11 cm, d/D =

0,25 og h/H = 0,25 og x = d/2. Røring ble foretatt i seks minutter ved 250 o.p.m. Resultatene var som følger:

Økning i skråningsvinkelen øket den prosentielle fjerning av litium etter tre og seks minutter, og antalle blader viste seg også å påvirke fjerningens virkningsgrad.

EKSEMPEL 7

En syntetisk blanding som inneholdt 50 vekt-% både av kryolit (Na3AlFg) og AlF3 (vektforhold NaF/AlF3 = 0,43) ble fremstilt ved sammensmelting av de to forbindelser malt til -3 5 mesh partikkelstørrelse og anvendt for behandling av smeltet aluminium ifølge foreliggende fremgangsmåte. To 150 kg prøver av aluminium, begge på 825°C, ble behandlet med bruk av en rører med fire blader med en skråningsvinkel O på 30° og diameter (d) på 12,5 cm, bladehøyde h på 11 cm, i en digel som var slik dimensjonert at forholdene d/D og h/H begge var lik 0,25; en av de to forsøk anvendte et fluorid-holdig materiale bestående av 85 vekt-% AlF^' 15 vektr% Al2°3 og den andre anvendte den forannevnte kryolit-AlF^-blanding, begge i et forhold på 2,0 kg pr. metrisk tonn aluminium. Resultatene var som følger:

Den høye virkningsgraden til AiF3/Na3AlF6-blandingen kan muligens tilskrives dannelsen av faser med lavt smeltepunkt (ca. 700°C). Den smelter derfor etter kontakt med det flytende aluminium og gir en væske-væskereaksjon i stedet for en fast-fast-væskereaksjon med AlF^-pulveret som kompenserer for aluminiumfluoridfortynningen.

Dertil har aluminiumfluoridpulver i blandinger med en bred fordeling av partikkelstørrelse blitt brukt med gjennomsnittlig partikkelstørrelsedimensjon varierende mellom 1 og 0,0^ mm.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte ved fjerning av forurensende alkalimetaller og jordalkalimetaller fra smeltet aluminium ved reaksjon med aluminiumfluorid for å danne fluoraluminater av slike forurensninger,karakterisert ved at man (1) plasserer en charge av det forurensete aluminiummetall i en opprettstående sylindrisk beholder som også inneholder en flerbladet rører anbragt eksentrisk i forhold til aksen av beholderen og med blader som er skrånet nedad i forhold til rotasjonsaksen, (2) omrører smeltet aluminium i nevnte beholder ved hjelp av røreren under slike betingelser at det etableres en virvel deri og strømmer i det smeltete aluminium både med nedadgående og laterale komponenter ved bunnen av virvelen og oppadgående spiralformete strømmer i området ved perife-rien av nevnte beholder, (3) tilfører partikulært aluminiumfluorid-inneholdende materiale i virvelen for fordeling og resirkulering i det smeltede aluminium ved hjelp av de spiralformete strømmer^(4) fortsetter omrøringen av det smeltete aluminium inntil alkalimetall- og jordalkalimetallinnholdet er redusert til et ønsket lavt nivå, (5) separarer det smeltede aluminium fra alkali- og jordalkalimetallfluoraluminat-reaksj onsproduktene.
2. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at det fjernes forurensende litium, natrium og kalsium fra det smeltete aluminium.
3. 3. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert ved at det smeltede metall behandles med knust AIF3 eller NaF*AlF3 med et NaF/AlF3~ forhold under 1,5 vekt%.
4. 4. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes en beholder som har en innvendig diameter D og som fylles med det smeltede aluminium til en høyde H, og hvor det anvendes en rører som har en diameter d og en bladhøyde h, slik at forholdet d/D er mellom 0,1 og 0,6 og forholdet h/H er mellom 0,1 og 0,7.
5. 5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at d/D er mellom 0,15 og 0,40, og at røreren roteres med en hastighet mellom 100 og 300 omdr./min.
6. 6. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at behandlingsmaterialet mates til det smeltede metall i separate mengder eller kontinuerlig i løpet av en kort periode etter etablering av hvirvelen.
7. 7. Anordning for blanding av partikulært aluminiumfluorid-inneholdende material med smeltet aluminium for å fjerne oppløste forurensende alkalimetaller og jordalkalimetaller fra det smeltede aluminium,

   karakterisert ved at den omfatter: (a) en sylindrisk beholder (10) med en vertikal geometrisk akse og en innvendig diameter D for å inneholde en mengde smeltet aluminium til en høyde H over bunnen av beholderen (10), hvor innsiden av beholderen er glatt, (b) et deksel (12) til beholderen (10) som støtter en flerbladet røreranordning (20) samt anordninger (16) for å dreie røreranordningen omkring en vertikal akse (14) og anordninger for å rotere røreranordningen, hvor nevnte røreranordning har en diametér d, og hvor dens blader har en høyde h med midtpunktet av bladene i en avstand over bunnen av beholderen med en distanse y, hvor aksen til rørerrotasjonen (18) er forskjøvet i forhold til den geometriske akse med en avstand x, og hvor bladene (10) har hovedflater med en helning nedad med en vinkel 8 i forhold til vertikalen, (c) verdiene d, D, h, H, x og 0 er slik at d/D er mellom 0,1 og 0,6, h/H er mellom 0,1 og 0,7, x er mellom 0,1 og 0,25 D, y er mellom 0,25 H og 0,75 H, og 9 er over 0° og ikke større enn 45°. (d) nevnte deksel (12) støtter også anordninger (22) for å mate det partikulære materiale og for å fjerne damper (24).
8. 8. Anordning ifølge krav 7,karakterisert ved at at aksen for rørerrotasjonen (18) er eksentrisk i forhold til beholderaksen med en avstand x, med verdi 0,1 - 0.25D.
9. 9. Anordning ifølge krav 7,karakterisert ved at aksen til rørerrota-sjonen (18) er eksentrisk i forhold til beholderaksen med en avstand x med en verdi på 0,25 - 0,7 d.
10. 10. Anordning ifølge krav 8,karakterisert ved at midtpunktet til bladene (20) har en avstand over bunnen av beholderen (10) med en distanse y på mellom 0,25 H og 0,75 H.
11. 11. Anordning ifølge krav 7,karakterisert ved at d/D er mellom 0,15 og 0,40, h/H er mellom 0,2 og 0,40, x er. 0,25-0,7 d, y er mellom 0,4 H og 0,6 H, og 0 er mellom 30° og 40°.