Verfahren zur Gewinnung von Aluminium-SiBzium-Legierungen Seit Jahrzehnten werden Aluminium-Silizium-Le- gierungen, im folgenden AlSi-Legierungen bezeich net, durch Reduktion von oxydischen Rohstoffen, des Aluminiums und des Siliziums mit Hilfe von kohlen stoffhaltigen Reduktionsmitteln auf elektrothe#rm#i- schem Wegge erzeugt. Hierfür stehen in der Natur unerschöpfliche Rohstoffquellen zur Verfügung,<B>die</B> in vielen Lagerstätten weit verbreitet vorkommen. Am häufigsten werden die Rohstoffe in Form von Ka#olin, Ton und dergleichen angetroffen.
<B>C</B> Das heute angewandte Verfahren zur elektrother mischen Herstellung von, AlSi-Legierungen wird in Schachtöfen mit vertikalen Elektroden ausgeführt und ist empirisch entwickelt worden.. Immerhin ist es im Laufe der Jahre gelungen, den Gehalt der gewon nenen AlSi-Legierungen an Aluminium nach und nach zu erhöhen. Vor etwa<B>30</B> Jahren galt als oberste erreichbare Grenze ein Aluminiumgehalt von <B>65</B> 1/o. Später ist es 'gelungen, den Aluminiumgehalt bis auf 701/o zu steigern.
Es ist jedoch bisher nicht gelun- gen, einen höheren Aluminiumgehalt als 70 bis 72% (bezogen auf die Summe<B>Al +</B> Si) zu erzielen.. Die Versuche, eine aluminiumreichere Legierung zu er zeugen, ergaben. immer nur ein Produkt, das aus Alu miniumkarbid und AlSi-Legierung bestand.
C, Die vorlieaende Erfindung betrifft nun ein Ver fahren, und einen widerstandsbeheizten Ofen zur Ge winnung von Aluminium-Silizium-Legierungen durch elektrothermische Reduktion von oxydischen Roh stoffen des Aluminiums und Siliziums mit Hilfe von kohlenstoffhaltigen Reduktionsm#itteln in einem wi derstandsbeheizten Ofen. Sie gestattet die Erzeugung von praktisch kohlenstofffreien AlSi-Legierungen mit über 721/0 Aluminium.
Es wurde erkannt, dass die Herstellung von koh- lenstoff- bzw. karbidfreien AlSi-Le 'gierunggen durch unmittelbare Reduktion der Rohstoffe im Elektro ofen im wesentlichen ein thermisches Problem dar stellt, das in den allgemein hierfür benützten elektro thermischen öfen nicht gelöst werden kann. Da die Temperatur in den Elektroöfen derzeitiger Künstruk- tion hoch und schwankend ist, sind in diesen öfen unkontrollierbare Temperaturverhältnisse vorhanden.
Bei hohen und unkontrollierbaren Temperaturen kommt es nun bei Einwirkung von Kohlenstoff und kohlenstoffhalti,gen Gasen auf Tonerde und Kiesel- s#äure bzw. auf Aluminium und Silizium zur Entste hung der entsprechenden Karbide, sobald versucht wird, aluminiumreiche AlSi-Legierungen, <B>d.</B> h. solche Legierungen, die mehr als 651/o Aluminium enthal- ten#, zu erzeugen.
Die, Untersuchungen haben gezeigt, da!ss AlSi- ZD Legierungen mit 720,70 und mehr Aluminium gewon nen werden können, wenn folgende Bedingungen, gleichzeitig eingehalten werden:
<B>1.</B> Die Reduktion der Oxyde des Aluminiums und des Siliziums muss in einem engen Temperatur bereich erfolgen, in welchem die Geschwindigkeit der Reaktionen, die zur Bildung der AlSi-Legierung (auch Silikoaluminium genannt) führen, gross ist, bei dem bereits gebild'ete Karbide des Aluminiums und des Siliziums mit Tonerde und Kieselsäure unter Bil dung von Metall reagieren und bei welchem die Ver- dampfungsverluste an Aluminium und an Silizium noch gering sind.
Dieser Temperaturbereich erstreckt sich von<B>2050</B> bis 22000C. Bei Einhaltung einer oberen Temperaturgrenze von 220011 <B>C</B> sind die Verdampfungsverluste noch gering; oberhalb von <B><I>C</I> im</B> 22000<B>C</B> steigt die Verflüchtigung des Aluminiums und des Siliziums stark an.
2. Das Reaktionsgernisch muss in möglichst kur zer Zeit auf den. für die Metallabscheidung günstigen Temperaturbereich erhitzt werden, damit der für die Karbidbildung günstige Temperaturbereich von<B>1600</B> bis 20000<B>C</B> so schnell durchlaufen wird, dass prak tisch keine Karbidbildung, stattfindet.
<B>3.</B> Die entstandene AlSi-Legrierung muss, mög lichst bald nach ihrer Bildung ununterbrochen aus dem heissen Reduktionsraum entfernt und auf ein-- Temperatur gebracht werden, bei der eine Au#fkoh- lung durch Einwirkung von Kohlenstoff und kohlen stoffhaltigen Gasen unter Bildung von Karbiden nicht mehr stattfinden kann. Man muss infolaedessen dafür sorgen, daiss die AlSi-Legierung möglichst rasch aus dem Reduktionsraum abfliesst.
Erfindungsgemäss, wird deshalb das Rohstoff- (remisch unmittelbar in einen auf<B>2050-</B> bis 2200-3 <B>C</B> <B>C</B> erhitzten Reduktionsraum g ,ebracht und darin erhitzt,
und die gebildete flüssige Aluminium-Silizium-Legie- rung wird nach Verlassen der Reduktionszone in einen Raum mit einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt der Legierung und<B>16000 C</B> abge- CD el führt.
Der widerstandsbeheizte Ofen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch ge kennzeichnet, dass unmittelbar unter dem gelochten Boden des Reduktionsraumes ein Zwischenraum an geordnet ist, der dazu dient, die flüssige Aluminium- Silizium-Legierung abzukühlen und den Boden des Reduktionsraumes von der sich sammelnden Alum!- nium-Silizium-Legierung zu trennen.
Die Reaktionsmischung wird vorzugsweise so zu- gegeben, Cr 01 däss eine überhitzung im Reduktionsraum verhindert wird. Mit anderen Worten, durch die Art und Weise der Zuaabe der Reaktionsmischung kann verhindert werden, dass die Temperatur im Reduk tionsraum auf eine Höhe steigt, bei welcher die Ver- damp,fungsverluste an Aluminium und an Silizium zu stark sind.
Das kann dadurch erreicht werden, dass die zuzugebende Reaktionsmischung eine Tem peratur hat, die genüg C gend Lief unter der obersten zu lässigen Grenze im Reduktionsraum liegt. Die Reak- C tionsmischuno, kann beispielsweise Raumtemperatur besitzen;<B>je</B> nach der Grösse und der Konstruktion des Ofens kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Reaktionsmischung im vorgewärmten Zustand zuzu führen. Ausserdem kann die Reaktionsmischunc ent weder kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen dem Ofen zugeführt werden.
Zweckmässigerweise verlässt die gebildete flüssige AlSi-Legierung die heisse Zone des Reduktionsraumes, ununterbrochen, und rasch, ohne dass sie durch eine weniger heisse Schicht der Reaktionsmasse durch sickern oder fliessen muss, in welcher sich Aluminium karbid bilden kann.
Bei den bekannten elektrother mischen Verfahren zur Gewinnung von Silikoalumi- nium fliesst die -ebildete Legierung durch eine Schicht unreagierter Beschickung hindurch, in der die Gefahr der Aufkohlung, <B>d.</B> h. der Karbidbildung, besteht.
Die AISI-Legierung wird nun nach dem Verlas sen der Reduktionszone in einen Raum mit einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt der Legie rung und 160011 <B>C</B> abgeführt. Bei dieser Temperatur kann eine Reaktion zwischen der AlSi-Legierun- mit Kohlenstoff unter Karbidbildung nicht mehr stattfin den. Der Kohlenstoff könnte entweder durch die Wandung des Sammelgefässes oder aber durch Teile des Reaktionsgemisches geliefert werden, die von der abfliessenden AlSi-Legierung aus dem Reduktions raum mitgerissen oder einfach aus dem Reduktions raum in den Sammelraum fallen.
Die Wärme wird dem Reduktionsraum durch elektrische Widerstandsheizung zugeführt. Am zweck mässigsten, ist es, den Reduktionsraum seitlich mit einer leitenden Masse, z. B. aus Kohlegriess, zu um geben., durch die ein elektrischer Strom geführt wird. Es lassen sich aber auch Heizstäbe oder andere Heiz' leiter verwenden. Man sorgt also dafür, dass <B>d12</B> Wärme dem Redukti#onsraum seitlich zu-eführt wird. Es können, aber auch Heizstäbe durch, die Reak tionsmischung selbst im Reduktionsraum zusätzlich angeordnet werden.
Wesentlich ist eine genilgende Wärmezufuhr, damit der günstige Temperaturbereich eingehalten werden kann.
Die Zugabegeschwindigkeit der Reaktionsmischuno, <B>C C</B> kann so eingestellt sein, dass die dem Ofen, zuge führte Wärme sowohl für ein schnelles Aufheizen und zum Schmelzen der Reaktionsmischun- und die Reduktion, der Oxyde als auch für den Ausgleich der Verluste durch die abgeführten Reaktionspro dukte aufgebraucht. wird. Für die Einhaltung des günstigen Temperaturbereiches erweist es sich als vorteilhaft, die Reaktionsmischung so zuzuführen, dass der Reduktionsraum ständic, aefüllt ist.
Die physikalische Beschaffenheit des einzutragen den Reaktionsgemisches beeinflusst selbstverständlich den. Reaktionsverlauf. Üblicherweise wird das Re aktionsgemisch bei solchen Verfahren in Form von Briketts chargiert. Bei der Ausführung des erfin- dunorsgemässen Verfahrens wird ein besonders (yleich- mässi-er Reaktionsverlauf unter Einhaltuno, des Wärmegleichgewichtes dadurch erreicht, dass die Re aktionsmischung in Form von Krümeln ( Pellets ) von etwa<B>15</B> bis 20 mm Durchmesser zugeführt wird;
zur Bildunir der Krümel wird die Reaktionsmischuno, beispielsweise in an sich bekannter Weise nach Zu satz von 20 bis 250/9 Wass,c-r auf eine rotierende Scheibe gegeben oder in einer rotierenden Trommel behandelt. Es kann vorteilhaft sein, eini-e Prozente Schwefef in Foirm von Sulfiden, Sulfaten oder an deren Schwefelverbindungen der ReaktionsmIschung zuzugeben, um ein rascheres Schmelzen zu erreichen.
Bei der geeigneten Temperatur von beispielsweise etwa 21<B>000 C</B> ereibt sich sowohl ein schnelles Schmel zen als auch eine schnelle Reduktion. Beim laufen den Aufgeben weiterer Beschickung direkt auf die Oberfläche der ständig absinkenden, vorher aufgege- ., wirkt die neue Beschickung in benen Beschickung gewissem Masse etwas abkühlend auf die Schmelze ein, wodurch eine überhitzun <B>g</B> verhindert wird; da ein schmelzender Stoff nicht über seinen Schmelz punkt erhitzt werden kann, wird im Schmelzraum selbst eine ständig gleichbleibende Temperatur herr schen.
Der Reduktionsraum kann vorteilhafterweise senkrecht über dem Sammelgefäss angeordnet sein; bei einer solchen Anordnung kann die AJ.Si-Legie- rung am raschesten in das Sammelgefäss gelangen, z.B. durch freien Fa:
11. Wenn die Reduktionszone sich beispielsweise im untersten Teil eines Reduk- tionstieo,els befindet, der in genügendem Abstand über dem Sammelraum angeordnet ist, so dass die flüssige AlSi-Legierung nach Verlassen der Reduk tionszone sich im freien Fall genügend abkühlen kann, und durch diese Ano.rdnung das gesammelte Metall vom gelochten Tiegelboden. in genügendem Masse räumlich getrennt ist, sind Bedingungen ge schaffen, welche die Ausführung des erfindungs- ,gemässen Verfahrens gestatten.
Der Zweck eines Trennraumes unter dem Re duktionsraum ist die möglichst rasche Unterbrechung des Kontaktes der flüssigen AlSi-Legierung mit der reagierenden Beschickung. Es können aber in diesem Tren,nraum zum Beispiel durchlöcherte Zwischen böden, angeordnet sein, welche eine überrnässige <B>Ab-</B> strahlung von Wärme aus dem Reduktionsraum nach unten verhindern oder eine solche Abstrahlung ganz unterbinden.
Der Trennraum kann auch durch ein Bett von Brocken oder Körnern aus einem die Wärme schlecht leitenden und mit der flüssigen AlSi-Legie- rung nichtreagierenden, Stoffe, z.B. mit Korund- brocken, teilweise angefüllt sein,. Solche Brocken oder Körner können auch auf gelochten Zwischen böden liegen.
Auch kann der Einbau von Schikanen zwischen Reduktions- und Sammelgefäss vorteilhaft sein.
Es kann an Stelle des vertikalen Aufbaues auch eine solche Anordnung, gewählt werden, bei welcher die AlSi-Legierung schräg in den Auffangbehälter fliesst. Bei einer solchen Anordnung wird man zweck- mässigerweise dafür sorgen, dass die Wandung, auf der entlang die AlSi-Legierung herunterfliesst, eine solche Zusammensetzung oder aber eine solche Temperatur hat, dass sie nicht unter Karbidbildung mit der AlSi-Legierung reagieren kann.
Es kann sich als günstig erweisen, im Trenn raum Kühlelemente anzuordnen, um die Abkühlung der durchlaufenden AlSi-Legierung zu beschleunigen.. Diese Elemente können beispielsweise aus Stäben aus inertem Material mit einer Einlage aus Kupfer bestehen, denen ausserhalb des Ofens die Wärme durch eine Kühlflüssigkeit entzogen wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, das Sammelgefäss mit einer Einrichtung zu versehen, durch welche es entweder beheizt oder gekühlt werden kann, so dass es auf die für die Einhaltung des Wärmegleich- gewichtes notwendige Temperatur eingestellt werden kann.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Ver fahrens kann selbstverständlich als Sammelgefäss auch eine Rinne oder eine Pfanne verstanden wer den, aus & r die AlSi-Legieruno, ununterbrochen in ein weiteres Gefäss oder gar in eine Giessvorrichtung, z. B. in eine Masselgiessmaschine, fliesst.
Damit das Rcaktionsgemisch in möglichst kur zer Zdt auf den günstigen Reduktionstemperatur- bereieh -ebracht und insbesondere der für die Kar- ,bidbildung günstiore Temperaturbereich von<B>1600</B> bis 20000<B>C</B> so schnell wie möglich durchlaufen wird, ist es zweckmässig, beim Anfahren den Reduktions raum schon vor dem Einbringen der Reaktions mischung auf eine Temperatur von<B>2050</B> bis 22000<B>C</B> zu, erhitzen.
Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren auch dann anwenden, wenn eine Alumi- nium-Silizium-Legierung angestrebt ist, die weniger als<B>72 0/9</B> Al enthält, z.
B. bis hinunter auf<B>65</B> "/o, <B>Al</B> ,oder gar 6011/9. Obwohl es schon gelungen, ist, Siliko- aluminium mit über 60% oder sogar über 651/o Al in den üblichen Elektroöfen zu erhalten, ist das er findungsgemässe Verfahren für die Gewinnung der artiger AlSi-Leoiieru"ngen überlegen, weil sich der Re- duktionspro,zäss,
viel besser beherrschen lässt und das <B>7</B> Verfahren, daher auch energiemässig vorteilhafter ist. Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren ge wonnenen AlSi-Leaierungen können einen ziemlich hohen, Gehalt an Eisen (wie etwa im Ferrosilikoalu- minium), an Titan und an anderen Elementen auf weisen.
Die Fig. <B>1</B> und 2 (im senkrechten bzw. waag rechten Schnitt) dienen, zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens an einem kleineren Versuchs ofen von rund<B>80</B> kW Leistung. Der eiserne Ofen mantel<B>1</B> ist mit einer Schamotteauskleidung 2 vor sehen und mit Kohlegriess <B>3</B> gefüllt.
Zwei parallele Wandungen 4 aus Magnesits.teinen begrenzenden In nenraum beidseitig der Stromzuführungsnippel <B>5</B> aus Graphit und der wassergekühlten Stahlelektroden<B>6.</B> Im Ofen ist ein zylindriseher Tiegel<B>7</B> aus Graphit in einer solchen Höhe angeordnet, dass sein, unterer Teil, der als Reduktionsraum dient, sich auf glei cher Höhe wie die Stromzuführungsnippel <B>5</B> befin det. Der Tiegel<B>7</B> ist von einem Zylinder<B>8</B> aus Elek- trodenkohle umgeben, der dazu dient, die Wärme gleichmässig auf den Reduktionsraum zu übertragen.
Unter dem Reduktionstiegel<B>7</B> ist ein Durchlauf- gefäss <B>9</B> angeordnet, das ebenfalls aus Graphit be steht und einen gelochten Boden hat. Unter dem Durchlaufgefäss befindet sich das aus Tongraphit be stehende Auffanggefäss<B>10,</B> dessen unterer Teil un ten aus dem Ofen herausragt und zum Schutz vor allzu weit gehender Abkühlung von einem Mantel<B>11</B> <B>C</B><I>t2</I> aus Schamottepulver umgeben ist. Auf dem Reduk tionstiegel<B>7</B> ist,eine dicke Deck-platte 12 aus Elektro- denkohie mit zentraler öffnung für das Beschicken gelegt.
Wie ersichtlich, ist die reagierende Beschickung im Tiegel<B>7,</B> der durch Widerstandsheizung auf einer Temperatur von<B>2050</B> bis 220011 <B>C</B> gehalten wird, von der sich im Auffanggefäss<B>10</B> sammelnden AISI- Legierung räumlich getrennt. Die im Tiegel gebildete AISI-Legierungo; fliesst-, bevor sie sich aufkohlen kann, durch einen Lochboden, aus dem Reaktionsraum über das Durchlaufgefäss, <B>9</B> in das teilweise ausserhalb des Ofens befindliche Sammelgefäss<B>10</B> ab.
Die Tempera tur des Sammelgefässes beträgt nur etwa 90011 <B><I>C,</I></B> also etwa<B>1150</B> bis 130011 <B>C</B> weniger als chiejenige der Reduktionszone, so dass die flüssige AlSi-Legierung im Sammelgefäss gar keinen Kohlenstoff aufnimmt.
Die Fig. <B>3</B> und 4 zeigen im senkrechten bzw. im waagrechten Schnitt ein weiteres Beispiel eines klei nen Versuchsofens. Die Anordnung ist die gMöhe wie im Versuchsofen nach den Fig. <B>1</B> und 2. Die bei den, Wände aus Magnesitsteinen sind hier nicht vor handen; an ihrer Stelle sind die Stromanschlüsse für eine zusätzliche Heizung durch die Graphitheizstäbe <B>13</B> eingebaut.
In Öfen, der abgebildeten Art konnte unter an#- deren eine AlSi-Legierung mit 76,011/o, <B>Al</B> und 23,111/9 Si erhalten werden; der Rest bestand aus.
den üblichen, im elektrothermischen Silikoaluminium vorkommenden Verunreinigungen (Eisen, Titan usw.). Diese AlSi-Legierung wurde gewonnen aus einer Rohstoffmischung folgender Zusammensetzung: 27,4%. Rohkaolin 23,80/9 gebrannter Kaolin 23,60/9 Tonerde 2,1% Quarz 23,1% Holzkohle Die Mischung wurde zu Körnern von<B>15</B> bis 20 mm Durchmesser gekrümelt, die ohne Beschädi gung einen Fall von<B>1,5</B> bis 2 m aushielten.
Vor der Einführun- der Reaktionsmischunu <B><I>c</I></B> el wurde der Reduktionstiegel<B>7</B> auf eine Temperatur von 2100 bis 22001><B>C</B> erhitzt und auch während des ununterbrochenen Zuführens von Reaktionsmasse auf dieser Temperatur gehalten.