<Desc/Clms Page number 1>
Werkwijze voor het toevoegen van sporen natrium aan een smelt van aluminium of een aluminiumlegering.
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het toevoegen van sporen natrium aan een smelt van aluminium of een aluminiumlegering.
Onder sporen natrium moet worden verstaan hoeveelheden kleiner dan 1000 ppm en meestal zelfs kleiner dan 150 tot 200 ppm.
Het is gekend dat het toevoegen van dergelijke sporen natrium aan aluminium of aan de meeste aluminiumlegeringen zoals aluminium-siliciumlegeringen, het zogenoemde doperen met natrium, de gietbaarheid en de kwaliteit van de gietstukken aanzienlijk verbetert. De gietstukken worden beter uitneembaar, de krimp is kleiner en de struktuur is fijner.
De klassieke manier om dit natrium toe te voegen bestaat erin tabletten van natrium dat vakuümverpakt is in aluminium en die aldus relatief grote hoeveelheden, bijvoorbeeld 6 gew. %, natrium bevatten, in de smelt van aluminium of de aluminiumlegering te werpen. De hoeveelheid natrium die uit de tablet in de smelt terecht komt, is evenwel uiterst gering, in de praktijk slechts ongeveer 0, 05%. Dit komt doordat het vloeibare metaal sterk gaat borrelen zodra de-tablet ingeworpen is en een groot gedeelte van het-natrium gaat oxideren aan de lucht. Door dit verbranden van het natrium ontstaat een grote rookontwikkeling, hetgeen milieubelastend is, en een groot verlies aan natrium, waardoor het rendement van deze werkwijze zeer laag is.
Daarenboven zal de hoeveelheid natrium opgenomen in de smelt gestadig afnemen door
<Desc/Clms Page number 2>
verdampen van natrium zodat regelmatig een nieuwe tablet moet worden ingeworpen en is de extacte hoeveelheid natrium op een bepaald ogenblik moeilijk te bepalen.
De uitvinding heeft tot doel deze nadelen te verhelpen en een werkwijze voor het toevoegen van sporen natrium aan de smelt van aluminium of een aluminiumlegering te verschaffen die niet alleen eenvoudig en milieuvriendelijk is, maar ook slechts een gering verbruik aan natrium met zich meebrengt en een nagenoeg konstante koncentratie aan natrium in het aluminium toelaat.
Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat men in de smelt van aluminium of de aluminiumlegering een elektrode dompelt die gesmolten natrium of een gesmolten natriumverbinding bevat die van de smelt is gescheiden door een natrium ionen geleidend vaste stof elektrolyt en legt men een gelijkspanning aan tussen deze elektrode en de smelt.
Het langs elektrochemische weg wijzigen van de koncentratie van een element van de groep Ia van het periodiek stelsel van de elementen in aluminium is als dusdanig bekend uit het Belgische oktrooi nr. 1. 005. 251, maar bij deze werkwijze gebruikt men een elektrode van gesmolten bismut of een gesmolten bismutlegering die natriumionen kan opnemen. Dit oktrooi heeft trouwens betrekking op het zuiveren van aluminium en meer in het bijzonder het verwijderen van lithium en natrium uit het aluminium.
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding brengt men in de smelt een bijkomende elektrode aan en brengt men een gelijkspanning tussen deze bijkomende elektrode en de eerstgenoemde elektrode aan.
<Desc/Clms Page number 3>
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding gebruikt men als vaste stof elektrolyt bêta-alumine.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hiervolgende beschrijving van een werkwijze voor het toevoegen van sporen natrium aan een smelt van aluminium of een aluminiumlegering, volgens de uitvinding.
Deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet. De verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde tekening die schematisch een aluminiumsmelt weergeeft tijdens het toevoegen van natrium volgens de uitvinding.
In de figuur is een vat 1 weergegeven dat gevuld is met een smelt 2 van aluminium of een aluminiumlegering zoals een aluminium-siliciumlegering, bij een temperatuur van rond de 750 C.
Om sporen natrium in deze smelt 2 te brengen dompelt men er twee elektroden 3 en 4 in. Een eerste elektrode 3 is gevormd door gesmolten natrium of een gesmolten natriumverbinding 5 die door de temperatuur van de smelt 2 in vloeibare toestand overgegaan is en door een nikkel geleider 6 die in het natrium of de natriumverbinding 5 steekt.
Deze elektrode 3 is vervat in een buisvormige recipiënt van vaste stof elektrolyt 7 die voor een groot gedeelte in de smelt 2 is gedompeld.
De andere, bijkomende elektrode 4 is een koolstofelektrode.
Deze koolstofelektrode 4 en de geleider 6 staan elektrisch met elkaar in verbinding via een leiding 8 waarin een stroommeter 9 en een gelijkspanningsbron 10, bijvoorbeeld
<Desc/Clms Page number 4>
een batterij, zijn geschakeld. In de parallel met de gelijkspanningbron is een spanningsmeter 11 geschakeld.
Indien men zuiver gesmolten natrium voor de elektrode 3 gebruikt, moet dit natrium van de lucht worden afgesloten om het opbranden te vermijden. De recipiënt van vaste stof elektrolyt moet volledig dicht zijn.
Vandaar dat men veelal een natriumverbinding verkiest die niet automatisch aan de lucht ontbrandt. Als natriumverbinding kan men NaOH gebruiken, een natriumzout of een mengsel van natriumzouten zoals natriumchloride, natriumcarbonaat enz..
De recipiënt van vaste stof elektrolyt 7 dient uiteraard impermeabel te zijn voor de smelt 2 en voor het vloeibare natrium of de vloeibare natriumverbinding 5, maar moet een natriumionen-geleider vormen. Een geschikte vaste stof elektrolyt is bêta-alumine.
De gelijkspanning die men tussen de elektroden 3 en 4 aanlegt is afhankelijk van de konkrete konstruktie en variëert van een paar volt tot tientallen volt.
Door het indompelen van de recipiënt van vaste stof elektrolyt 7 in de smelt 2 gaat het natrium of de natriumverbinding door de warmte van de smelt 2 van de vaste vorm over in vloeibare vorm, waardoor Na+ ionen en elektronen worden gevormd. De natriumionen migreren doorheen de recipiënt van vaste stof elektrolyt 7 naar het oppervlak ervan dat in kontakt is met de smelt 2, waar de ionen geneutraliseerd worden tot natrium. De elektronen uit het vloeibare natrium of de vloeibare natriumverbinding 5 stromen via de leiding 8 naar de
<Desc/Clms Page number 5>
koolstofelektrode 4 en zo in de smelt 2 om de natriumionen te neutraliseren.
Op deze manier wordt kontinu natrium in de smelt 2 gebracht tot natriumkoncentraties die tot 1000 ppm en bij voorkeur niet hoger dan 150 tot 200 ppm gaan.
In het begin is er weinig natrium in de smelt 2. Een relatief groot gedeelte van dit natrium verdampt aan de oppervlakte van de smelt 2 maar met de tijd wordt een oxidelaag gevormd waarvan de dikte door de konstante toevoer van natrium steeds toeneemt. Na voldoende lange tijd zullen de toevoer van natrium uit de elektrode 3 door de elektrochemische reaktie en het verlies aan natrium door verdamping min of meer konstant verlopen zodat de koncentratie aan natrium in de smelt 2 een konstante waarde zal bereiken.
De hiervoor beschreven werkwijze is vrij eenvoudig en het verlies aan natrium is beperkt. Deze werkwijze bezit een groot rendement, een minimum aan milieubelasting en laat toe de koncentratie aan natrium vrij nauwkeurig te kontroleren. Reeds vanaf een koncentratie van 10 tot 30 ppm wordt een duidelijke verbetering van de kwaliteit van de gietstukken gegoten met het gedopeerde aluminium of de gedopeerde aluminiumverbinding verkregen.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm en binnen het raam van de oktrooiaanvrage-kunnen aan de beschreven uitvoeringsvorm vele veranderingen worden aangebracht.
<Desc / Clms Page number 1>
Process for adding traces of sodium to a melt of aluminum or an aluminum alloy.
The invention relates to a method for adding traces of sodium to a melt of aluminum or an aluminum alloy.
Traces of sodium are understood to mean amounts less than 1000 ppm and usually even less than 150 to 200 ppm.
It is known that the addition of such traces of sodium to aluminum or to most aluminum alloys such as aluminum-silicon alloys, so-called doping with sodium, significantly improves the castability and quality of the castings. The castings become more removable, the shrinkage is smaller and the structure is finer.
The classic way of adding this sodium consists in tablets of sodium which are vacuum-packed in aluminum and which thus contain relatively large amounts, for example 6 wt. %, sodium, to cast in the melt of aluminum or the aluminum alloy. However, the amount of sodium that melts from the tablet is extremely small, in practice only about 0.05%. This is because the liquid metal will bubble strongly as soon as the tablet has been introduced and a large part of the sodium will oxidize in the air. This burning of the sodium results in a large smoke development, which is environmentally harmful, and a large loss of sodium, so that the efficiency of this process is very low.
In addition, the amount of sodium incorporated in the melt will decrease steadily
<Desc / Clms Page number 2>
evaporation of sodium so that a new tablet has to be injected regularly and the exact amount of sodium at a given time is difficult to determine.
The object of the invention is to overcome these drawbacks and to provide a method for adding traces of sodium to the melt of aluminum or an aluminum alloy which is not only simple and environmentally friendly, but also entails only a low consumption of sodium and an almost allows constant concentration of sodium in the aluminum.
This object is achieved according to the invention by immersing in the melt of aluminum or the aluminum alloy an electrode containing molten sodium or a molten sodium compound separated from the melt by a sodium ion conducting solid electrolyte and applying a DC voltage between these electrode and the melt.
Electrochemically changing the concentration of an element of the group Ia of the periodic table of the elements in aluminum is known as such from the Belgian patent no. 1,005,251, but in this method an electrode of melted bismuth or a molten bismuth alloy that can absorb sodium ions. Moreover, this patent relates to the purification of aluminum and more particularly the removal of lithium and sodium from the aluminum.
In a special embodiment of the invention, an additional electrode is applied in the melt and a direct voltage is applied between this additional electrode and the first-mentioned electrode.
<Desc / Clms Page number 3>
In a curious embodiment of the invention electrolyte beta-alumine is used as a solid.
Other particularities and advantages of the invention will become apparent from the following description of a method of adding traces of sodium to a melt of aluminum or an aluminum alloy, according to the invention.
This description is given by way of example only and does not limit the invention. The reference numerals relate to the appended drawing which schematically shows an aluminum melt during the addition of sodium according to the invention.
The figure shows a vessel 1 filled with a melt 2 of aluminum or an aluminum alloy such as an aluminum-silicon alloy, at a temperature of around 750 C.
To bring traces of sodium into this melt 2, two electrodes 3 and 4 are immersed in it. A first electrode 3 is formed by molten sodium or a molten sodium compound 5 which has passed through the temperature of the melt 2 in the liquid state and by a nickel conductor 6 inserting into the sodium or the sodium compound 5.
This electrode 3 is contained in a tubular container of solid electrolyte 7 which is largely immersed in melt 2.
The other additional electrode 4 is a carbon electrode.
This carbon electrode 4 and the conductor 6 are electrically connected to each other via a conduit 8 in which a current meter 9 and a DC voltage source 10, for example
<Desc / Clms Page number 4>
a battery. A voltage meter 11 is connected in parallel to the DC voltage source.
If pure molten sodium is used for the electrode 3, this sodium must be cut off from the air to avoid burning. The solid electrolyte container must be completely closed.
That is why people often prefer a sodium compound that does not ignite automatically in the air. As the sodium compound one can use NaOH, a sodium salt or a mixture of sodium salts such as sodium chloride, sodium carbonate etc.
The solid electrolyte container 7 should, of course, be impermeable to the melt 2 and to the liquid sodium or liquid sodium compound 5, but must form a sodium ion conductor. A suitable solid electrolyte is beta-alumine.
The DC voltage applied between electrodes 3 and 4 depends on the concrete construction and varies from a few volts to tens of volts.
By immersing the solid electrolyte 7 container in the melt 2, the sodium or the sodium compound is converted into the liquid form by the heat of the melt 2, producing Na + ions and electrons. The sodium ions migrate through the solid electrolyte container 7 to its surface in contact with the melt 2, where the ions are neutralized to sodium. The electrons from the liquid sodium or the liquid sodium compound 5 flow via the line 8 to the
<Desc / Clms Page number 5>
carbon electrode 4 and so on in the melt 2 to neutralize the sodium ions.
In this way, continuous sodium is melted 2 to sodium concentrations of up to 1000 ppm and preferably no higher than 150 to 200 ppm.
Initially there is little sodium in the melt 2. A relatively large part of this sodium evaporates on the surface of the melt 2, but over time an oxide layer is formed, the thickness of which continuously increases due to the constant supply of sodium. After a sufficiently long time, the supply of sodium from the electrode 3 by the electrochemical reaction and the loss of sodium by evaporation will be more or less constant, so that the concentration of sodium in the melt 2 will reach a constant value.
The method described above is quite simple and the loss of sodium is limited. This method has a high efficiency, a minimum of environmental impact and allows the concentration of sodium to be controlled quite accurately. Already from a concentration of 10 to 30 ppm, a clear improvement in the quality of the castings cast with the doped aluminum or the doped aluminum compound is obtained.
The invention is by no means limited to the above-described embodiment and many changes can be made to the described embodiment within the scope of the patent application.