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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur fraktionierten Kristallisation
eines geschmolzenen Metalls.
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Kristallisationsverfahren
und -vorrichtungen werden dazu verwendet, ein Metall (hier als Abkürzung für eine Metall-Legierung verwendet)
zu veredeln, in dem eine zu hohe Konzentration eines Fremdelements
vorhanden ist. Dieses Fremdelement kann deshalb vorhanden sein,
weil in dem aus dem Metall-Erz, hergestellten Metall, dem Primärmetall, zuviel
des Fremdelements vorhanden ist oder weil bereits benutztes Metall
recycelt wird und die Konzentration des Fremdelements im Schrott
zu hoch ist. Aluminiumschrott kann zum Beispiel zuviel der Fremdelemente
Fe, Si oder Mg zur Verwendung für
kommerzielle Zwecke aufweisen, wenn es nicht mit Primärmetall
gemischt wird, welches wenig Fremdelement enthält.
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Wenn
fraktionierte Kristallisation zur Veredelung des Metalls verwendet
wird, werden im geschmolzenen Metall während der teilweisen Verfestigung
des geschmolzenen Metalls Kristalle gebildet, die eine Zusammensetzung
aufweisen, die sich von der Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls unterscheidet,
welches als Ausgangspunkt verwendet wird.
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Ein
kommerzielles Verfahren zur fraktionierten Kristallisation zur Veredelung
eines Metalls wird im so genannten Yunnan Kristallisierer verwendet. Dieser
Kristallisierer wird zur Veredelung einer Zinn-Legierung verwendet,
indem Pb von Sn entfernt wird. Die geschmolzene Zinn-Legierung wird
in einen länglichen
Behälter
mit einem offenen oberen Ende und einem geneigten Boden eingefüllt, wobei
im Behälter
eine Schraube langsam rotiert wird. Die Oberfläche der geschmolzenen Zinn-Legierung wird durch Sprühen von
Wasser gekühlt,
was zur Kristallisation von veredelter Zinn-Legierung führt. Diese
Kristalle kristallisieren in der geschmolzenen Zinn-Legierung und
werden zum flachen Teil des Behälters
transportiert. Auf Grund einer Temperaturdifferenz über die Länge des
Behälters
werden die Kristalle im flachen Teil teilweise wieder geschmolzen,
was zu reineren Kristallen führt.
Dieser Mechanismus wiederholt sich mehrere Male, und schließlich werden
sehr reine Kristalle entfernt. Geschmolzene Zinn-Legierung, die Pb
enthält,
wird am tiefen Ende des Behälters
entfernt. Auf dies Weise kann Zinn-Legierung mit einem Gehalt von
ungefähr
10% Pb zu einer Zinn-Legierung mit einem Gehalt von ungefähr 0,05
Pb veredelt werden.
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Dieses
Verfahren zum Veredeln eines Metalls durch Verwendung des Yunnan
Kristallisierers kann jedoch nicht für alle Arten von Metall verwendet werden.
Ein Problem liegt darin, dass die meisten Metalle einen Schmelzpunkt
aufweisen, der sehr viel höher
ist als der Schmelzpunkt der Zinn-Legierung, für die der Yunnan Kristallisierer
gebaut worden ist. Auf Grund der höheren Temperaturen ist die
Wärmestrahlung
sehr viel höher
(die Wärmestrahlung
erhöht sich
mit der vierten Potenz der Temperatur in K), und die Wärmeverluste
sind ebenfalls höher.
Auf Grund dessen ist es sehr viel schwieriger, die Temperatur im Kristallisierer
zu kontrollieren. Ein weiteres Problem ist, dass für viele
Metalle die Temperaturdifferenz zwischen der Kristallisationstemperatur
der Metall-Legierung und der Kristallisationstemperatur des reinen
Metalls sehr klein ist, in der Größenordnung von wenigen K. Der
Yunnan Kristallisierer kann nicht für so kleine Differenzen in
der Kristallisationstemperatur verwendet werden. Ein sekundäres Problem
ist, dass die Verwendung einer Schraube bei einigen Metallen zu
Problemen führt,
weil die normalerweise für die
Schraube verwendeten Metalle sich in diesen geschmolzenen Metallen
lösen.
Ein allgemeines Problem ist, dass die im geschmolzenen Metall gebildeten
Kristalle dazu neigen, an den Wänden
des Kristallisierers oder der Schraube anzuhaften.
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Das
Dokument JP-A-58 104132 offenbart ein Verfahren zur fraktionierten
Kristallisation eines wenigstens teilweise verfestigten geschmolzenen
Metalls, wie zum Beispiel Aluminium, bei dem eine Schicht des zu
kristallisierenden wenigstens teilweise verfestigten geschmolzenen
Metalls durch eine Schicht eines Kühlmediums gekühlt wird,
welches unterhalb der Schicht des wenigstens teilweise verfestigten
geschmolzenen Metalls in einem Rohr vorhanden ist, um das geschmolzene
Metall zu kristallisieren.
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Ebenso
offenbart das Dokument JP-A-59 028538 ein Verfahren zur fraktionierten
Kristallisation eines wenigstens teilweise verfestigten geschmolzenen
Metalls, wie zum Beispiel Aluminium, bei dem eine Schicht aus zu
kristallisierendem, wenigstens teilweise verfestigtem geschmolzenen
Metall durch eine Schicht aus Kühlmedium
gekühlt
wird, welche sich unterhalb der Schicht von wenigstens teilweise verfestigtem
geschmolzenen Metall in einem Rohr befindet, um das geschmolzene
Metall zu kristallisieren.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen,
welches insbesondere für
fraktionierte Kristallisation und Veredelung von Aluminium und dergleichen
Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt geeignet ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
bei dem die Temperatur des geschmolzenen Metalls mit den Kristallen
genau kontrolliert werden kann.
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Es
ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
bei dem die Kristalle im geschmolzenen Metall in Suspension sind, ohne
Anhaften an eine Schraube.
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Es
ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur kontinuierlichen fraktionierten Kristallisation von Metallen
bereitzustellen.
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Eine
oder mehrere dieser Aufgaben werden durch das Verfahren zur fraktionierten
Kristallisation nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
Verwendung einer Kühlflüssigkeit
zur Kühlung
des geschmolzenen Metalls, um veredelte Kristalle herzustellen,
ist aus einer Reihe von Gründen
vorteilhaft. Erstens kann die Kühlflüssigkeit
sehr viel Energie aufnehmen, sodass die auf Grund der Kristallisation
zu zerstreuende Energie leicht entfernt werden kann. Die Temperatur
der Kühlflüssigkeit kann
gemessen und kontrolliert werden, um die Temperatur des geschmolzenen
Metalls zu kontrollieren, wobei eine reine Kühlung durch die Wände einer Kristallisationsvorrichtung
nicht dazu verwendet werden kann, die Temperatur des geschmolzenen
Metalls genau zu kontrollieren. Wenn die Kühlung nur durch die Wände der
Vorrichtung geschehen soll, muss sie normalerweise durch eine Kühlvorrichtung mit
einer Kühlspirale
oder einer derartigen Anordnung ergänzt werden, welche das geschmolzene Metall
nur in einem genauen Ort kühlt
und an dem das geschmolzene Metall kristallisieren könnte, was die
Kühlwirkung
der Kühlvorrichtung
behindert.
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Zweitens
ist eine Kühlflüssigkeit
entweder schwerer oder leichter als das geschmolzene Metall, sodass
das geschmolzene Metall auf der schwereren Kühlflüssigkeit schwimmt oder die
leichtere Kühlflüssigkeit
auf dem geschmolzenen Metall schwimmt oder beides, wenn zwei Arten
von Kühlflüssigkeit
verwendet werden. Im geschmolzenen Metall gebildete Kristalle werden
entweder durch das geschmolzene Metall sinken oder im geschmolzenen
Metall aufsteigen und werden an einer Wand oder an einer Kühlschicht
enden. Das heißt,
dass die Kristalle im geschmolzenen Metall in Suspension bleiben.
Es wäre möglich, die
Schicht aus Kühlflüssigkeit
und die Schicht aus geschmolzenem Metall durch eine dünne Trennwand
zu trennen, was das Kühlen
durch die Kühlflüssigkeit
nicht sehr behindert, und an der die Kristalle nicht anhaften.
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Vorzugsweise
ist die Schicht aus Kühlflüssigkeit
nur unterhalb der Schicht aus wenigstens teilweise verfestigtem
geschmolzenen Metall vorhanden. Dies ist vorzuziehen, da für die meisten
kommerziell interessierenden Metalle die Kristalle im geschmolzenen
Metall sinken.
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Die
Schicht aus Kühlflüssigkeit
kontaktiert die Schicht aus wenigstens teilweise verfestigtem geschmolzenen
Metall. Auf diese Weise ist keine Trennwand vorhanden, die den Kühleffekt
der Kühlflüssigkeit
behindern könnte
und an der die Kristalle anhaften könnten.
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Vorzugsweise
wird die Schicht aus Kühlflüssigkeit
an wenigstens einer Stelle in der Nähe der Schicht aus wenigstens
teilweise verfestigtem geschmolzenen Metall gekühlt. Um dies zu tun, kann die
Kühlflüssigkeit
unter Verwendung von einer oder mehr Kühlvorrichtungen gekühlt werden,
die an gewünschten
Stellen in einer Kristallisationsvorrichtung platziert werden, die
zur Implementierung des Verfahrens verwendet wird. Weil die Kühlflüssigkeit
und nicht das geschmolzene Metall gekühlt wird, ist es möglich, das
geschmolzene Metall genau so zu kühlen, dass im geschmolzenen
Metall in der Nähe
des Ortes, wo die Kühlvorrichtung
in der Kühlflüssigkeit vorhanden
ist, Kristalle gebildet werden. Die Energie, die auf Grund der Kristallisation
von geschmolzenem Metall zerstreut werden muss, wird somit an der
gewünschten
Stelle entfernt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens wird die Kühlflüssigkeit
relativ zur Schicht aus wenigstens teilweise verfestigtem geschmolzenen
Metall transportiert. Der Transport der Kühlflüssigkeit relativ zur Schicht
aus geschmolzenen Metall und in der Praxis relativ zu einer zur
Ausführung
des Verfahrens verwendeten Kristallisationsvorrichtung bedeutet,
dass ein Teil der Kühlflüssigkeit von
der Vorrichtung entfernt wird und neue Kühlflüssigkeit in das Gerät eingeführt wird.
Somit wird verstreute Energie von der Schicht aus Kühlflüssigkeit entfernt,
die über
und/oder unterhalb des geschmolzenen Metalls vorhanden ist. Auf
diese Weise wird eine sehr effektive und sehr genaue Art der Kühlung des
geschmolzenen Metalls verwendet, da die Transportgeschwindigkeit
der Kühlflüssigkeit
dazu verwendet werden kann, Energie genau vom geschmolzenen Metall
zu entfernen. Der Transport der Kühlflüssigkeit relativ zur Schicht
aus geschmolzenem Metall bedeutet auch, dass über die Länge der Schicht aus Kühlflüssigkeit
eine Temperaturdifferenz existiert, da die Kühlflüssigkeit Energie aus dem geschmolzenen Metall
während
seines Transports aufnimmt, sodass die Kühlflüssigkeit dort, wo sie eingeführt wird,
eine niedrigere Temperatur und dort, wo sie abgeführt wird,
eine höhere
Temperatur hat. Auf Grund dessen besitzt auch die Schicht aus geschmolzenem
Metall einen Temperaturgradienten über seine Länge, da sie etwas kälter ist,
wo die Kühlflüssigkeit
eine niedrigere Temperatur aufweist und etwas wärmer ist, wo die Kühlflüssigkeit
eine höhere
Temperatur aufweist. Als Konsequenz werden Kristalle erst im kühlsten Teil der
Schicht aus geschmolzenem Metall gebildet. Diese Kristalle werden
zur Schicht aus Kühlflüssigkeit aufsteigen
oder absinken, und sobald sie nahe oder an der Kühlschicht sind, werden sie
zusammen mit der Kühlschicht
transportiert. Auf Grund des Temperaturgradienten im geschmolzenen
Metall werden die Kristalle an einen wärmeren Teil der Schicht aus
geschmolzenem Metal transportiert. Hier werden die im kälteren Teil
der Schicht aus geschmolzenem Metall gebildeten Kristalle rekristallisiert
und werden dadurch mehr (oder weniger) veredelt. Dieser Mechanismus
wiederholt sich über
die Länge
der Schicht aus geschmolzenem Metall. Auf diese Weise werden am
Ende der Schicht aus geschmolzenem Metall, sehr stark veredelte Kristalle
gebildet (oder sehr stark veredeltes geschmolzenes Metall zurückgelassen)
in Abhängigkeit
von der Länge
der Schicht aus geschmolzenem Metall. Die Kristalle und/oder das
geschmolzene Metall können
in der Nähe
des Ortes entfernt werden, wo die Kühlflüssigkeit abgeführt wird.
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Vorzugsweise
wird die Kühlflüssigkeit
recycelt und noch stärker
bevorzugt gekühlt.
Die Kühlflüssigkeit
wird auf diese Weise regeneriert, und durch Kühlen derselben kann die Temperatur,
bei der sie in eine Schicht aus Kühlflüssigkeit eingeführt wird,
kontrolliert werden. Zusammen mit der Recyclinggeschwindigkeit wird
auf diese Weise eine Kühlkapazität gegeben,
wenn keine separaten Kühlvorrichtungen
verwendet werden. Ferner wird in der Schicht aus Kühlflüssigkeit
ein Temperaturgradient zwischen der Stelle, wo die gekühlte Kühlflüssigkeit
in eine Schicht eingeführt
wird und der Stelle, wo die Kühlflüssigkeit
von der Schicht abgeführt
wird, existieren.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
wird das geschmolzene Metall relativ zur Schicht aus Kühlflüssigkeit
transportiert. Auf diese Weise ist es möglich, frisches geschmolzenes
Metall in eine Kristallisationsvorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens einzuführen,
durch das eine kontinuierliche fraktionierte Kristallisation des
geschmolzenen Metalls realisiert werden kann.
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Natürlich wird
bevorzugt, dass sowohl die Kühlflüssigkeit
als auch das geschmolzene Metall beide relativ zur Kristallisationsvorrichtung
transportiert werden, sodass eine kontinuierliche Kristallisation
mit einer genauen Kühlung
möglich
ist.
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Vorzugsweise
ist die verwendete Kühlflüssigkeit
ein geschmolzenes Salz. Ein geschmolzenes Salz reagiert nicht leicht
mit dem geschmolzenen Metall oder mit Metallkristallen und weist
eine hohe Kühlkapazität auf.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Schicht aus wenigstens teilweise verfestigtem geschmolzenen
Metall in Fächer
geteilt, die nahe der Schicht aus Kühlflüssigkeit miteinander kommunizieren.
Jedes der Fächer
bildet auf diese Weise im Prinzip seine eigene Kristallisationsvorrichtung,
aber die in einem Fach gebildeten und zur Schicht aus Kühlflüssigkeit
aufgestiegenen oder abgesunkenen Kristalle werden zum nächsten Fach
transportiert, wenn die Kühlflüssigkeit
in einer zur Durchführung
des Verfahrens verwendeten Kristallisationsvorrichtung transportiert
wird. Auf Grund der Kühlung
der Kühlflüssigkeit
werden Kristalle im geschmolzenen Metall gebildet. Der selektive
Transport von Kristallen führt zu
einem Gradienten in der Metallreinheit über die Länge der Schicht aus geschmolzenem
Metall, was zu einem Temperaturgradienten in der Schicht aus geschmolzenem
Metall führt.
Die Temperatur in jedem Fach unterscheidet sich daher leicht von
der Temperatur im nächsten
Fach, und die in einem Fach gebildeten Kristalle können teilweise
wieder im nächsten
Fach schmelzen, zu dem sie durch die Kühlflüssigkeit transportiert werden,
weil in dem Fach die Temperatur höher ist. Auf diese Weise wird
eine Kaskade von Kristallisationsvorrichtungen gebildet, durch die
die am Hochtemperatur-Ende der Schicht aus Kühlflüssigkeit gebildeten Kristalle
eine hohe oder niedrige Reinheit, im Vergleich zum geschmolzenen
Metall, aufweisen.
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Vorzugsweise
wird das wenigstens teilweise verfestigte geschmolzene Metall gerührt. Durch
Rühren
des wenigstens teilweise geschmolzenen Metalls werden die Kristalle
in Suspension gehalten und werden nicht alle zur Schicht aus Kühlflüssigkeit
aufsteigen oder absinken.
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Falls
die Schicht aus wenigstens teilweise verfestigtem geschmolzenen
Metall in Fächer
aufgeteilt ist, wird vorzugsweise das wenigstens teilweise verfestigte
geschmolzene Metall in wenigstens einem Fach gerührt, stärker bevorzugt in allen Fächern. Daher
findet in jedem Fach, in dem das geschmolzene Metall gerührt wird,
Suspensionskristallisation statt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens wird wenigstens teilweise verfestigtes geschmolzenes
Metall zwischen beiden Enden der Länge der Schicht aus wenigstens
teilweise verfestigtem geschmolzenen Metall zugeführt, und
veredeltes Metall wird an einem Ende entfernt, und verbleibendes
geschmolzenes Metall wird am anderen Ende der Schicht aus Metall
entfernt. Durch Einführen
des wenigstens teilweise verfestigten geschmolzenen Metalls, in
dem die fraktionierte Kristallisation noch stattfinden muss, zwischen
beiden Enden der Länge
der Schicht aus wenigstens teilweise verfestigtem geschmolzenen
Metall, kann an einem Ende das veredelte Metall und am anderen Ende
das verbleibende geschmolzene Metall entfernt werden.
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Vorzugsweise
ist das verwendete Metall Aluminium. Aluminium ist eines der Metalle,
für die
das oben genannte Verfahren zur fraktionierten Kristallisation besonders
geeignet ist.
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Die
oben beschriebene fraktionierten Kristallisation wird vorzugsweise
zum Entfernen von Cu, Fe, Ga, Mg, Mn, B, Si, Sn, Zn oder Ni aus
Aluminium verwendet.
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Die
Erfindung wird nun durch eine beispielhafte Ausführungsform in Bezug auf die
beiliegende Zeichnung näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch eine Kristallisationsvorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
eine Kristallisationsvorrichtung 1 zur kontinuierlichen
fraktionierten Kristallisation eines geschmolzenen Metalls, welches
eines oder mehrere Fremdelemente enthält. Die Kristallisationsvorrichtung 1 weist
eine Kammer 2 mit einer Wand 3 auf, welche Wand
sehr gut isoliert ist, wie im Stand der Technik bekannt, normalerweise
durch spezielle feuerfeste Materialien.
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In
der Kammer 2 der Vorrichtung ist eine Schicht aus Kühlflüssigkeit 4 vorhanden,
zum Beispiel geschmolzenes Salz, und eine Schicht aus teilweise
geschmolzenem Metall 5, zum Beispiel Aluminium mit Kristallen.
Die Kühlflüssigkeit
kann mittels einer Pumpe 7 in ein Rückführungsrohr 6 eingezogen eingezogen
(siehe Pfeil A) und durch dieses transportiert werden. Eine Kühlvorrichtung 8 ist
im Rohr 6 vorhanden, um die Kühlflüssigkeit zu kühlen, bevor es
in die Kammer 2 wieder eintritt (siehe Pfeil B).
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Die
Schicht aus teilweise geschmolzenem Metall 5 ist in der
Schicht aus Kühlflüssigkeit 4 vorhanden,
indem es auf der Schicht aus Kühlflüssigkeit 4 schwimmt.
In der Schicht aus geschmolzenem Metall 5 werden auf Grund
der Kühlung
durch die Kühlflüssigkeit 4 Kristalle
gebildet. Geschmolzenes Metall ohne Kristalle wird durch einen Einlass 10 (Pfeil
D) zugeführt.
Geschmolzenes Kristall mit Kristallen wird durch einen Auslass 11 (Pfeil
E) an einem Ende der Kammer 2 ausgelassen, und geschmolzenes
Metall, welches eine Menge des Fremdelementes enthält, wird
als Nebenprodukt durch einen Auslass 12 (Pfeil F) ausgelassen.
Der Auslass 12 ist an einem Ende der Kammer angeordnet,
wo die Kühlflüssigkeit
wieder in die Kammer 2 eintritt, und der Auslass 11 am anderen
Ende der Kammer 2. Der Einlass 10 kann irgendwo
zwischen den Auslässen 11 und 12 angeordnet
sein, befindet sich aber vorzugsweise ungefähr in der Mitte zwischen den
beiden Enden der Kammer 2.
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In
der Kammer 2 werden eine Reihe von Fächern gebildet, in dem Fächerwände 13 quer
in die Kammer 2 eingelegt werden. Diese Fächerwände erstrecken
sich von den Wänden
der Kammer 2 sowohl in die Schicht aus Kühlflüssigkeit
und in die Schicht aus teilweise geschmolzenem Metall, enden jedoch in
einem gewissen Abstand von der Kontaktoberfläche 14 zwischen den
Schichten. Die Anzahl der durch die Fächerwände gebildeten Fächer kann
in Abhängigkeit
von der Art des Metalls, der Verunreinigung des zu veredelnden Metalls
und des gewünschten
Veredelungsgrades variiert werden.
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In
jedem in der Schicht aus Kühlflüssigkeit gebildeten
Fach kann ein Kühlelement 15 zur
zusätzlichen
Kühlung
der Kühlflüssigkeit
vorhanden sein. In jedem Fach im teilweise geschmolzenen Metall
kann ein Mischelement 16 zum Rühren des geschmolzenen Metalls
mit Kristallen vorhanden sein, um die Kristalle in Suspension zu
halten und den Austausch von Material in den Kristallen und dem
geschmolzenen Metall zu verstärken.
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Die
oben beschriebene Kristallisationsvorrichtung kann zum Beispiel
für die
kontinuierliche fraktionierte Kristallisation von Aluminium mit
0,10 Si und 0,20 Fe (so genanntes P1020) verwendet werden, um Aluminium
zu erhalten, welches weniger als 0,01 Si und 0,01 Fe enthält (so genanntes
P0101).
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Für dieses
Kristallisationsverfahren muss die Kammer 2 der Kristallisationsvorrichtung 1 fünfzehn Fächer in
jeder Schicht haben, wobei jedes Fach für das geschmolzene Aluminium
die Größe von ungefähr 500 × 500 × 500 mm3 aufweist und jedes Fach für die Kühlflüssigkeit
eine Größe von ungefähr 500 × 500 × 300 mm3 aufweist, sodass die Kammer eine innere
Größe von ungefähr 7,5 m
(Länge) × 0,5 m (Breite) × 0,8 m
(Höhe)
aufweist.
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Die
Kühlflüssigkeit
muss schwerer sein als das geschmolzene Aluminium bei ungefähr 660 °C, welches
eine Dichte von 2.400 kg/m3 aufweist. Die Kühlflüssigkeit
kann ein Salz von NaCl und KCl und/oder NaF und KF sein, welches
BaCl2 und BaF2 enthält. Mit
dieser Zusammensetzung kann eine Dichte von 3000 kg/m3 und
ein Schmelzpunkt von 500 °C
erreicht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
das für Aluminium
mit der oben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt wird, ist wie folgt.
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Geschmolzenes
Aluminium mit einer P1020-Zusammensetzung wird durch den Einlass 10 bei
einer Temperatur gerade über
der Kristallisationstemperatur von ungefähr 660 °Celsius eingelassen. An der
Kontaktoberfläche 14 kontaktiert
die Schicht aus geschmolzenem Aluminium 5 die Schicht aus
geschmolzenem Salz 4, und da die Temperatur des geschmolzenen
Salzes unterhalb der Temperatur des geschmolzenen Aluminiums gehalten
wird, verringert sich die Temperatur des geschmolzenen Aluminiums und
Kristalle werden gebildet. Diese Kristalle enthalten weniger Fremdelemente
Si und Fe und sinken langsam durch das geschmolzene Aluminium auf
die Schicht aus geschmolzenem Salz.
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Das
geschmolzene Salz wird durch die Kammer 2 der Kristallisationsvorrichtung 1 transportiert, wobei
es Energie aus dem geschmolzenen Aluminium aufnimmt, bevor es durch
das Pumpen der Pumpe 7 in das Rückführungsrohr 6 eintritt
und in der Kühlvorrichtung 8 gekühlt wird.
Das gekühlte
geschmolzene Salz tritt wieder in die Kammer 2 ein, um das
geschmolzene Aluminium wieder zu kühlen. Das geschmolzene Salz
wird mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 3 m3/Stunde
transportiert. Auf seinem Weg durch die Kammer 2 nimmt
das geschmolzene Salz die Kristalle mit sich, die auf die Schicht
aus geschmolzenem Salz gesunken sind. Der Transport des geschmolzenen
Salzes durch die Kammer führt auch
zum Transport eines Teils des geschmolzenen Aluminiums, welches
allgemein durch die Pfeile G angedeutet ist. Es wird jedoch nicht
das gesamte transportierte geschmolzene Aluminium mit Kristallen
durch den Auslass 11 ausgelassen, sodass es auch einen
Gegenstrom gibt, der allgemein durch die Pfeile H angezeigt wird.
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Auf
Grund der Energie, die das geschmolzene Salz aus dem geschmolzenen
Aluminium aufnimmt, wird die Schicht aus geschmolzenem Salz 4 graduell
vom linken Ende zum rechten Ende der Kammer aufgeheizt, wie in 1 dargestellt.
Infolgedessen gibt es auch eine Temperaturdifferenz im geschmolzenen
Aluminium, wobei das geschmolzene Aluminium am in 1 linken Ende
eine niedrigere Temperatur und am in 1 rechten
Ende eine höhere
Temperatur aufweist.
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Dieser
Temperaturgradient im geschmolzenen Aluminium ist sehr nützlich für die kontinuierliche fraktionierte
Kristallisation gemäß der Erfindung.
Ein Kristall, das in einem Fach der Kammer gebildet wird, wird bei
einer bestimmten Temperatur des geschmolzenen Aluminiums gebildet;
es wird stärker
veredelt als das geschmolzene Aluminium, in dem es gebildet wird.
Wenn dieses Kristall zum geschmolzenen Salz gesunken ist und in
das nächste
Fach transportiert worden ist, wird es sich in einem Fach befinden,
in dem die Temperatur des Aluminiums etwas höher ist. Infolgedessen wird
das Kristall teilweise oder gänzlich
geschmolzen, was zu einer Zusammensetzung des geschmolzenen Aluminiums
in diesem Fach führt,
die stärker
veredelt ist als das geschmolzene Aluminium im Fach zu seiner linken.
In diesem Fach werden wiederum Kristalle gebildet, die auch stärker veredelt
sind als das geschmolzene Aluminium, in dem sie gebildet werden.
Die Kristalle, die in einem rechten Fach gebildet werden, sind daher
stärker
veredelt als die Kristalle, die in einem danebenliegenden linken
Fach gebildet werden.
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Dieser
Mechanismus passiert in allen Fächern
der Kammer und führt
zu hochveredelten Kristallen am rechten Ende der Kammer und zu einem Nebenprodukt
mit einer hohen Konzentration von Si und Fe am linken Ende der Kammer.
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Die
Mischelemente 16 werden dazu verwendet, das geschmolzene
Aluminium in jedem Fach zu rühren,
sodass nicht alle gebildeten Kristalle zur Schicht aus geschmolzenem
Salz sinken, und in jedem Fach kann ein neues Gleichgewicht zwischen der Zusammensetzung
des in diesen Fach vorhandenen Aluminiums und der in diesem gebildeten
Kristalle erreicht werden. Die Größe und Rotationsgeschwindigkeit
der Mischelemente hängt
von der Größe der zu
bildenden Kristalle und der Geschwindigkeit des geschmolzenen Salzes
ab.
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Für die Kontrolle
der Kristallisation wird die Vorrichtung vorzugsweise mit Mitteln
ausgerüstet, um
die feste Fraktion, die chemische Zusammensetzung und/oder die Temperatur
der Metallschicht zu messen und zu kontrollieren.
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Mit
der oben beschriebenen Vorrichtung wird eine Produktion von etwa
20 Tonnen pro Tag von Aluminium mit P1010-Zusammensetzung erreicht;
das Nebenprodukt beträgt
nur etwa 10% davon.
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Es
versteht sich, dass viele Veränderungen gemacht
werden können
oder in Abhängigkeit
vom verwendeten Metall und des davon zu entfernenden Fremdmetalls
notwendig sein werden. Ferner wird es nicht immer notwendig sein,
alle Fächer
der Kristallisationsvorrichtung 1 gemäß 1 vorzusehen.
Zum Beispiel können
ein oder mehrere oder sogar alle Kühlelemente 15 weggelassen
werden, und/oder eine oder mehrere der Fächerwände 13 im geschmolzenen
Salz können
weggelassen werden, und/oder eins oder mehrere der Mischelemente
kann weggelassen werden, und sogar das Rückführungsrohr 6 mit der
Pumpe 7 und der Kühlvorrichtung 8 können weggelassen
werden, wenn es keine Notwendigkeit gibt, das geschmolzene Metall
zu transportieren und die Vorrichtung für einen Chargenprozess verwendet
wird. Es versteht sich, dass diese Änderungen in der Vorrichtung
das Verfahren zur fraktionierten Kristallisation eines geschmolzenen Metalls
beeinflussen. Der Schutzbereich der Erfindung wird somit nur durch
die beiliegenden Ansprüche
bestimmt.