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BREVET D'INVENTION. "PERFECTIOONNEMENTS A LA PREPARATION DES METAUX ALCALINOTERREUX "
La présente invention est relative à des perfectionnements à la préparation du magnésium.
Conformément à la présente invention, on prépare le magnésium en chauffant un alliage de celui-ci en vase clos à une température supérieure à la température de volatilisation du magnésium et en condensant la vapeur métallique émise.
Sous sa forme la plus simple, l'invention consiste à volatiliser le magnésium en vase clos à partir d'un alliage de celui-ci avec l'aluminium, alliage préalablement préparé.
A la température requise pour la réalisation du procédé suivant l'invention , par exemple 1200-1300 , l'aluminium à un effet extrêmement destructeur sur n'importe lequel des creusets réfractaires ou des revêtements des fours utilisés. Si, par exemple, la matière alcalino-terreu-
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se contenant l'aluminium était simplement chauffée extérieurement dans un creuset, les frais élevés encourus par la désagrégation du creuset feraient que le pro-cédé ne , serait pas applicable industrielle roent. par suite, il est de grande importance lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, d'utiliser un procédé de chauffage au moyen duquel la chaleur est produite dans le corps du métal lui-même,
le creuset n'étant chauffé que par conduction à partir du métal chaud.
Une façon très commode de mise en pratique de la présente invention consiste à chauffer l'alliage d'aluminium et de magnésium dans un four électrique à haute fréquence revêtu de carbone ou autre matière de revêtement appropriée. par exemple, pour la mise en oeuvre du procédé, on peut, de façon commode, préparer un alliage d'aluminium et de magnésium par le procédé décrit dans le brevet belge ?595,804-du. 19 Janvier 1933, et cet alliage peut alors être chauffé dans un four à haute fréquence sans séparer l'alliage de la scorie consistant en particules-d'alliage dispersées dans l'oxyde d'aluminium qui se forme au cours de l'opération de réduction.
Il n'est toutefois pas nécessaire de préparer préalablement un alliage d'aluminium. Au contraire, l'aluminium métallique peut-être fondu dans le creuset avec de la magnésite calcinée ou-matière contenant de l'oxyde de magnésium, en morceaux de diriénsion suffisante pour surmon- ter la tension superficielle de l'aluminium fondu à une température supérieure¯au point de volatilisation de ce métal alcalino-terreux. L'aluminium, réduit alors l'oxyde de
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/premiers stades de l' opération avecle magnésium qui s'est formé @ magnésium et le Magnésium formé s'allie à 'l'aluminium et en même temps le magnésium se volatilise- et. peut être condensé de façon commode dans une chambre appropriée.
De cette façon on peut continuer la réaction jusqu'à ce que la masse d'aluminium ait été convertie en oxyde.
En conséquence, l'invention comporte en combinaison les étapes suivantes : a) - Chauffage de l'aluminium et de l'oxyde de magnésium dans un récipient fermé, à une température supérieure à celle de volatilisation du magnésium, ltoxyde de magnésium étant en morceaux de dimension suffisante pour surmonter la tension superficielle de l'aluminium fondu. b) - Condensation de la vapeur du métal alcalinoterreux, qui s'est formée.
Il est bon, pour pouvoir condenser le magnésium sans qu'il se forme de poudre, d'effectuer l'opération de réduction à une température aussi voisine que possible de la température de volatilisation du magnésium.
Le procédé,selon l'invention, présente le grand avantage qu'il n'est pas nécessaire d'avoir de.l'hydrogène pour empêcher une réaction inverse et qu'il n'est pas nécessaire d'avoir des moyens spéciaux pour faire le vide dans l'appareil, avant ou pendant la réaction. La petite quantité d'air qui est contenue initialement dans la chambre fermée., dans laquelle la réaction se produit, réagit dans les en -premier lieu, en donnant une petite quantité de poudre d'oxyde et de nitrure qui ne gêne pas la condensation ultérieure du métal.
Dans la mise en oeuvre de la distillation, le tube de condensation peut être plongé dans un bain d'huile et le magnésium condensé tombe dans ce bain d'huile en grands
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morceaux qui, après nettoyage, peuvent être facilement agglomérés par fusion, par exemple sous l'action d'un fondant ou par d'autres moyens.
Comme la pression de vapeur de l'aluminium à ces températures est pratiquement nulle, le magnésium condensé de cette façon ne contient même pas de trace d'aluminium et est chimiquement pur à d'autres points de vue.
On a parfois const.até qu'il était utile de charger le creuset, d'abord avec de,la magnésite calcinée en morceaux; on place alors sur le dessus un plateau ayant une dimension telle qu'il couvre presque complètement l'intérieur du creuset, mais qu'il laisse suffisamment d'espace entre le bord du creuset et lui-même pour perme-ttre au métal de ruisseler.
Une fois que le plateau qui est de préférence en graphite, a été placé sur la charge de magnésite calcinée, on y verse de l'aluminium fondu ou un alliage fondu d'aluminium et de magnésium. Ce métal fait monter le plateau en le faisant flotter et, aussi un peu de magnésite calcinée au-dessous de lui, mais, dans son ensemble cette magnésite calcinée.est, de cette façon, depuis le début de la réaction, entourée par l'aluminium, assurant ainsi une réaction plus rapide et plus complète entre les particules de magnésite. et l'aluminium.
Une fois que la distillation est finie, le métal encore fon- du est enlevé en faisant basculer le creuset; on enlève alors le plateau, puis la scorie. Le plateau peut ensuite être réutilisé.
En utilisant un plateau ,on a constaté également qu'il était possible-de se servir, au lieu de morceaux de magnésite calcinée, de briquettes de magnésite calcinée et de carbone, qui sont placées sous le plateau.
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La réaction entre la magnésite calcinée et l'aluminium a, alors lieu d'abord et les briquettes conservent leur forme, mais consistent surtout en aluminium, carbure d'aluminium et oxyde d'aluminium et on peut les travailler pour obtenir l'aluminium. Il est également possible, au lieu de carbone d'utiliser d'autres substances susceptibles de former des briquettes avec la magnésite.
Dans la mise en oeuvre pratique du procédé selon l'invention de préparation du magnésium, on a ,constaté que. le magnésium ne distille pas assez facilement d'un alliage contenant moins de 8% de magnésium, par suite, on peut faire la distillation de façon commode en utilisant, comme matière de départ, avec la magnésite calcinée, un alliage.d'aluminium et de magnésium à 8%, par exemple en parties. égales en poids.
Le magnésium distille et ceci a lieu jusqu'à ce que, pratiquement tout le magnésium contenu dans la magnésite, et supérieur à ce qui est nécessaire pour maintenir un alliage à 8%, ait distillé. Lorsque la vitesse de distillation tombe, l'alliage restant contient approximativement 8% de magnésium.
En travaillant avec une série de fours, il est par suite possible, sur une grande échelle, d'utiliser l'alliage d'aluminium et de magnésium à 8% provenant d'un four en le versant dans le four suivant, avec l'aluminium frais.nécessaire et. de la magnésite calcinée, en morceaux.
On ferme alors le dispositif et l'on reprend la distillation jusqu'à ce que la vitesse de celle-ci tombe de nouveau, après quoi le métal fondu restant dans le four et consistant en un alliage d'aluminium et de magnésium à environ 8%, est envoyé dans le four voisin de la série, etc. Apres enlèvement de l'alliage d'aluminium et de magnésium à 8% dtun
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four quelconque, on enlève la scorie et on la traite séparément pour récupérer l'aluminium, le four étant alors prêt pour une nouvelle opération.
Dans la mise en oeuvre du procédé sur une échelle industrielle, il n'est pas pratique d'envoyer le magnésium condensé directement dans un bain d'huile, étant donné la quantité d'huile qui se volatiliserait et les dangers d'explosion, mais, si l'on empêche l'accès de l'air dans l'appa- reil.pendant le stade de volatilisation, il est possiblede recueillir le métal condensé dans une chambre, sans perte sérieuse.
Une disposition d'appareil, qui, ainsi qu'on l'a constaté, fonctionnait pratiquement de façon satisfaisante, est représentée sur le dessin annexé dans ¯lequel :
La figure 1 représente schématiquement la disposi- tion d'ensemble de l'appareil, et
La figure 2 une forme différente du joint à. huile.
Sur la figure 1, un four ordinaire à injection 1 est chauffé par un jet d'huile 2. Dans le four, se trouve un creuset de graphite 3 qui e:st assez long pour faire saillie au-dessus du four.
Le creuset est couvert pa-r un couvercle en graphite 4. Sur le côté du creuset, au-dessus du ni veau de. la partie supérieure du four, se trouve une ouverture 6 à laquelle est fixé le tuyau de condensation 1. au moyen dtun lut en graphite et argile réfractaire 5. Le tuyau de condensation 7 va à la partie supérieure d'une hotte 8, debout dans un bain d'huile peu profond 13. l'intérieur de la hotte se trouve un récipient cylindrique 9 en deux parties, réunies l'une à l'autre par le plateau 10 et la bague 11. Le récipient 2 repose sur un'anneau 12 de façon à le soulever au-dessus du
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niveau de l'huile, à l'intérieur .de la hotte.
Sur le côté de la hotte, est fixé un tube étroit 14 dont l'axe est dans l'alignement de celui du tube de condensation 7 et qui sort de la hotte dans un plan parallèle à celui du tube de conden- sation A ltextrémité de ce tube, se trouve une garniture 17 à travers laquelle passe une tige 15 qui monte jusqu'au coude du tube de condensation 7. Cette tige est fermée par un joint à huile à son extrémité inférieure. Dans ce tuyau 14 , se trouve également un tube d'entrée étroit 16 qui peut être fermé au moyen d'un robinet ou d'un tube en caoutchouc et d'une pince.
En fonctionnement, la matière contenant l'oxyde de magnésium, par exemple la magnésite calcinée, est placée dans le creuset 3 et on remplit ce creuset d'aluminium fondu jusqu'à environ moitié de sa hauteur. On ferme alors l'appareil et le creuset est chauffé à une température de 1200-1300 .
L'oxyde de magnésium est réduit et, à la tempéra- ture de réduction, il se volatilise et se condense dans le tube de condensation 7. Letube de condensation est chauffé par la chaleur de condensation à une température supérieure au point de fusion du magnésium et le métal fond et coule dans le récipient 9. De temps en temps, on remue la tige 15 pour être sûr qu'il ne s'accumule pas de magnésium condensé dans le tube de condensation 7 ce qui pourrait causer un engorgement du dispositif. A la fin de l'opération, on arrê- te le chauffage du four et, pendant qu'il se refroidit, il se produit une réduction de pression dans la hotte 8.
On lais- se entrer, par l'entrée 16, une quantité d'air suffisante pour éviter que l'huile soit aspirée dans la hotte, car si l'huile venait au contact du récipient 9 qui est encore très chaud, il se formerait rapidement de la vapeur d'huile, ce qui pourrait donner lieu à une explosion. On a constaté que
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la petite quantité d'air qu'il est nécessaire d'admettre de cette façon, ne provoque pas d'oxydation en quantité appréciable.
Lorsque le métal qui se trouve dans le récipient a été suffisamment refroidi, on enlève la hotte et on fait sauter le plateau 10 et la bague 11 de-sur le récipient 9 qui est alors démonté.
Au lieu du plateau 13 contenant l'huile, on a représenté sur la figure 2, une forme un peu différente du @ bain à huile. En ce cas,la hotte est fermée au moyen d'une plaque serrée sur elle,mais elle est munie d'un tube lat éral 18, recourbé en U et plongeant dans un petit bain d'huile 19.
Bien que l'appareil décrit ci-dessus comporte un four chauffé à l'huile, il est évidemment préférable d'utili- ser un four à haute fréquence pour les raisons mentionnées plus haut.
Le métal obtenu de'la façon décrite ci-dessus est sous forme de gros globules séparés par des pellicules d'oxy- de et de nitrure de magnésium. En le faisant fondre sous
Inaction d'un fondant tel que de la carnallite, on peut obte- nir un lingot plein d'une grande pureté.
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PATENT. "IMPROVEMENTS IN THE PREPARATION OF ALKALINOTERREOUS METALS"
The present invention relates to improvements in the preparation of magnesium.
In accordance with the present invention, magnesium is prepared by heating an alloy thereof in a closed vessel to a temperature above the volatilization temperature of magnesium and condensing the emitted metal vapor.
In its simplest form, the invention consists in volatilizing magnesium in a closed vessel from an alloy thereof with aluminum, an alloy prepared beforehand.
At the temperature required for carrying out the process according to the invention, for example 1200-1300, aluminum has an extremely destructive effect on any of the refractory crucibles or the linings of the furnaces used. If, for example, the alkaline earth material
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containing the aluminum was simply heated externally in a crucible, the high costs incurred by the disintegration of the crucible would mean that the process would not be applicable industrial roent. therefore, it is of great importance when carrying out the method according to the invention, to use a heating method by means of which heat is produced in the body of the metal itself,
the crucible being heated only by conduction from the hot metal.
A very convenient way to practice the present invention is to heat the alloy of aluminum and magnesium in a high frequency electric furnace coated with carbon or other suitable coating material. for example, for carrying out the process, an alloy of aluminum and magnesium can conveniently be prepared by the process described in Belgian Patent No. 595,804-du. January 19, 1933, and this alloy can then be heated in a high frequency furnace without separating the alloy from the slag consisting of alloy-particles dispersed in the aluminum oxide which forms during the operation of reduction.
However, it is not necessary to prepare an aluminum alloy beforehand. On the contrary, metallic aluminum may be melted in the crucible with calcined magnesite or material containing magnesium oxide, in pieces of sufficient direction to overcome the surface tension of the molten aluminum at a temperature. greater than the point of volatilization of this alkaline earth metal. Aluminum then reduces the oxide of
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/ early stages of the operation with the magnesium which has formed @ magnesium and the magnesium formed combines with the aluminum and at the same time the magnesium volatilizes- and. can be conveniently condensed in a suitable chamber.
In this way the reaction can be continued until the mass of aluminum has been converted into oxide.
Consequently, the invention comprises in combination the following steps: a) - Heating of the aluminum and of the magnesium oxide in a closed container, at a temperature higher than that of volatilization of the magnesium, the magnesium oxide being in pieces of sufficient size to overcome the surface tension of the molten aluminum. b) - Condensation of the alkaline earth metal vapor, which has formed.
It is good, in order to be able to condense the magnesium without the formation of powder, to carry out the reduction operation at a temperature as close as possible to the temperature of volatilization of the magnesium.
The process, according to the invention, has the great advantage that it is not necessary to have hydrogen to prevent a reverse reaction and that it is not necessary to have special means to make. the vacuum in the apparatus, before or during the reaction. The small amount of air which is initially contained in the closed chamber, in which the reaction takes place, reacts in -first, giving a small amount of oxide and nitride powder which does not interfere with condensation. subsequent metal.
In carrying out the distillation, the condensation tube can be immersed in an oil bath and the condensed magnesium falls into this oil bath in large quantities.
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pieces which, after cleaning, can be easily agglomerated by melting, for example under the action of a flux or by other means.
Since the vapor pressure of aluminum at these temperatures is virtually zero, magnesium condensed in this way does not even contain a trace of aluminum and is chemically pure in other respects.
It has sometimes been observed that it is useful to charge the crucible, first with magnesite, calcined in pieces; a tray is then placed on top of such a size that it almost completely covers the inside of the crucible, but that it leaves enough space between the edge of the crucible and itself to allow the metal to flow off .
After the platen, which is preferably graphite, has been placed on the load of calcined magnesite, molten aluminum or a molten aluminum-magnesium alloy is poured into it. This metal raises the plateau by making it float and, also a little calcined magnesite below it, but, as a whole this calcined magnesite. Is, in this way, from the start of the reaction, surrounded by the aluminum, thus ensuring a faster and more complete reaction between the magnesite particles. and aluminum.
Once the distillation is finished, the still molten metal is removed by tilting the crucible; the tray is then removed, then the slag. The tray can then be reused.
By using a tray, it was also found that it was possible to use, instead of pieces of calcined magnesite, briquettes of calcined magnesite and carbon, which are placed under the tray.
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The reaction between calcined magnesite and aluminum then takes place first and the briquettes retain their shape, but mostly consist of aluminum, aluminum carbide and aluminum oxide and can be worked to obtain aluminum. It is also possible, instead of carbon, to use other substances capable of forming briquettes with the magnesite.
In the practical implementation of the process according to the invention for preparing magnesium, it has been observed that. magnesium does not distill easily enough from an alloy containing less than 8% magnesium, therefore, the distillation can be done conveniently using, as a starting material, with the calcined magnesite, an alloy of aluminum and 8% magnesium, for example in parts. equal in weight.
The magnesium distills and this takes place until virtually all of the magnesium contained in the magnesite, and more than what is needed to maintain an 8% alloy, has distilled off. When the distillation rate drops, the remaining alloy contains approximately 8% magnesium.
By working with a series of furnaces, it is therefore possible, on a large scale, to use the 8% aluminum-magnesium alloy from one furnace by pouring it into the next furnace, with the fresh aluminum. required and. calcined magnesite, in pieces.
The device is then closed and the distillation is resumed until the speed of the latter falls again, after which the molten metal remaining in the furnace and consisting of an alloy of aluminum and magnesium at about 8 %, is sent to the neighboring oven of the series, etc. After removing the 8% aluminum magnesium alloy
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Any furnace, the slag is removed and treated separately to recover the aluminum, the furnace then being ready for a new operation.
In carrying out the process on an industrial scale, it is impractical to send the condensed magnesium directly to an oil bath, given the quantity of oil which would volatilize and the dangers of explosion, but , if the access of air to the apparatus is prevented during the volatilization stage, it is possible to collect the condensed metal in a chamber without serious loss.
An arrangement of the apparatus, which, as has been found, operated practically satisfactorily, is shown in the accompanying drawing in which:
Figure 1 shows schematically the overall arrangement of the apparatus, and
Figure 2 a different shape of the seal. oil.
In Figure 1, an ordinary injection furnace 1 is heated by a jet of oil 2. In the furnace is a graphite crucible 3 which is long enough to protrude above the furnace.
The crucible is covered by a graphite cover 4. On the side of the crucible, above the level of. the upper part of the furnace, there is an opening 6 to which the condensation pipe 1 is attached by means of a graphite and fireclay lute 5. The condensation pipe 7 goes to the top of a hood 8, standing in a shallow oil bath 13. Inside the hood is a cylindrical vessel 9 in two parts, joined to each other by the plate 10 and the ring 11. The vessel 2 rests on a ring 12 so as to lift it above the
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oil level, inside the hood.
To the side of the hood is fixed a narrow tube 14, the axis of which is in alignment with that of the condensate tube 7 and which emerges from the hood in a plane parallel to that of the condensing tube At the end of the hood. this tube, there is a gasket 17 through which passes a rod 15 which rises to the elbow of the condensation tube 7. This rod is closed by an oil seal at its lower end. In this pipe 14 there is also a narrow inlet tube 16 which can be closed by means of a tap or a rubber tube and a clamp.
In operation, the material containing the magnesium oxide, for example calcined magnesite, is placed in crucible 3 and this crucible is filled with molten aluminum to about half its height. The apparatus is then closed and the crucible is heated to a temperature of 1200-1300.
The magnesium oxide is reduced and at the reduction temperature it volatilizes and condenses in the condensation tube 7. The condensation tube is heated by the heat of condensation to a temperature above the melting point of magnesium. and the metal melts and flows into the vessel 9. Occasionally, the rod 15 is wiggled to be sure that no condensed magnesium accumulates in the condensing tube 7 which could cause the device to clog. At the end of the operation, the heating of the oven is stopped and, as it cools, there is a reduction in pressure in the hood 8.
A sufficient quantity of air is allowed to enter through the inlet 16 to prevent the oil from being sucked into the hood, because if the oil came into contact with the container 9 which is still very hot, it would form. oil vapor quickly, which could result in an explosion. It was found that
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the small quantity of air which it is necessary to admit in this way does not cause oxidation in appreciable quantity.
When the metal which is in the container has been sufficiently cooled, the hood is removed and the plate 10 and the ring 11 are blown off the container 9 which is then dismantled.
Instead of the plate 13 containing the oil, FIG. 2 shows a slightly different shape of the oil bath. In this case, the hood is closed by means of a plate clamped on it, but it is provided with a side tube 18, bent in U and immersed in a small oil bath 19.
Although the apparatus described above has an oil heated oven, it is obviously preferable to use a high frequency oven for the reasons mentioned above.
The metal obtained as described above is in the form of large globules separated by films of oxide and magnesium nitride. By melting it under
Inaction of a flux such as carnallite, a solid ingot of great purity can be obtained.