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Verfahren zur Herstellung von Aluminium und Aluminiumlegierungen Die
technische Herstellung von Aluminium erfolgt im allgemeinen derart; daß Tonerde,
in einem Schmelzfluß von iryolith gelöst, durch Gleichstrom zersetzt wird. Die für
diesen Prozeß erforderliche Tonerde wird in der Technik dadurch gewonnen, daß tonerdehaltige
Rohstoffe, insbesondere Bauxit, durch Behandeln mit Natriumcarbonat oder Natriumhydroxyd
auf Natriumaluminat verarbeitet werden und dieses dann in Aluminiumoxyd übergeführt
wird.
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Weiterhin sind neuerdings auch noch andere Verfahren zur Gewinnung
von Aluminium bekanntgeworden, welche darauf beruhen, daß das tonerdehaltige Ausgangsmaterial,
z. B. Bauxit, auf elektrothermischem Wege in Tonerde übergeführt wird, welch letztere
dann als Ausgangsmaterial für die Gewinnung von Aluminium und Aluminiumlegierungen
dient.
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Es ist bekannt, daß das bisher in der Technik gewonnene Hüttenaluminium
und ebenso seine Legierungen auch bei nach dem Analysenergebnis genau chemisch gleicher
Zusammensetzung in ihren Eigenschaften, z. B. mit Bezug auf Bearbeitbarkeit, Gießfähigkeit,
Qualität der Legierungen, mitunter recht beträchtlichen Schwankungen unterworfen
sind. Selbst Aluminium und Aluminiumlegierungen, die nach ein und demselben Arbeitsverfahren
hergestellt sind und bei der chemischen Analyse Unterschiede in der Zusammensetzung
nicht erkennen lassen, zeigen häufig recht verschiedene Eigenschaften sowohl hinsichtlich
ihres mechanischen als auch hinsichtlich ihres chemischen Verhaltens, insbesondere
ihres Verhaltens gegen korrodierende Einflüsse, wodurch in die Verarbeitung und
die Fabrikation der daraus herzustellenden Gegenstände eine gewisse Unsicherheit
getragen wird.
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Es wurde nun gefunden, daß diese Schwierigkeiten im wesentlichen darauf
beruhen, daß zur Herstellung des bisher technisch erzeugten Aluminiums, hauptsächlich
aus Gründen der Billigkeit, allgemein vermittels Natriumverbindungen, z. B. über
Natriumaluminat, aus den mineralischen Rohstoffen, z. B. Bauxit, hergestellte Zwischenprodukte,
wie z.B. Aluminiumoxyd, verwendet werden.
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Versuche haben ergeben, daß Aluminium, das z. B. aus durch Aufschließen
von Bauxit oder sonstigen tonerdehaltigen Rohstoffen mit basischen Kaliumverbindungen
erhaltenem Kaliumaluminat entstanden ist, andere Eigenschaften besitzt als das bisher
fabrikmäßig aus Natriumaluminat unter Mitwirkung von Kryolith erzeugte Aluminium,
und zwar auch dann, wenn zwischen beiden Produkten analytisch keine Unterschiede
nachweisbar sind. Das gleiche ,gilt mit Bezug auf Legierungen, wie Aluminium-Titan-Legierungen,
ferner
Aluminium-Bor, Aluminium-Zirkon-Legierungen u`. dgl., die sich u. a. als aus-g
e Zeichnete Vorlegierungen für die Herstellung thermisch vergütbarer (z. B. noch
kupferhaltiger) Legierungen erwiesen haben. Weitere Untersuchungen haben dann ergeben,
daß man die Eigenschaften von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen dadurch wesentlich
verbessern bzw. nach gewünschter Richtung hin einstellen kann, daß man das Aluminium
bzw. die Legierung in an sich üblicher Weise, z. B. durch Elektrolyse oder auf thermischem
Wege, aus oxydischen Zwischenprodukten, wie Aluminiumoxyd oder Aluminate, herstellt,
die aus den mineralischen tonerdehaltigen Ausgangsstoffen, wie Bauxit, Ton u. dgl.,
durch Umsetzung mit basischen Verbindungen, wie Oxyden bzw. Hydroxyden, gegebenenfalls
Gemischen solcher Verbindungen, mindestens zweier verschiedener Alkalimetalle, z.
B. des Natriums und Kaliums oder Natriums und Lithiums usw., gewonnen worden sind.
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Es gelingt auf diese Weise, ein Aluminium zu erzeugen, das dem in
bekannter Weise erhältlichen Aluminium sowohl hinsichtlich seines gleichmäßigen
Verhaltens beim Vergießen als auch hinsichtlich seiner gleichmäßigen mechanischen
Eigenschaften als auch insbesondere hinsichtlich seiner Beständigkeit gegenüber
korrodierenden Einflüssen, z. B. der Atmosphärilien, ganz erheblich überlegen ist.
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Dasselbe gilt auch entsprechend für die Herstellung von Aluminiumlegierungen.
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Die praktische Auswertung der Erfindung kann auf verschiedenen Wegen
erfolgen.
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Man kann. z. B. derart verfahren, daß man einerseits Aluminium nach
üblichen Methoden, also z. B. aus durch Aufschließen von Bauxit mit Natriumcarbonat
oder Natriumhydroxyd und elektrolytische Behandlung der aus dem Natriumaluminat
gewonnenen Tonerde in einer Kryolithschmelze herstellt, während man andererseits
Aluminium in gleicher Weise, aber unter Verwendung der entsprechenden Kaliumverbindungen,
erzeugt. Durch Zusammenschmelzen der beiden Produkte in passenden Mengenverhältnissen
kann man dann Erzeugnisse von in der erwähnten Weise verbesserten Eigenschaften
erzielen.
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Man kann weiterhin z. B. derart vorgehen, daß man Bauxit mit einem
Gemisch von Natrium- und Kaliumhydroxyd aufschließt und das aus dem so erhaltenen
Doppelaluminat in üblicher Weise hergestellte Aluminiumoxyd in einem Elektrolyten
üblicher Zusammensetzung, z. B. in geschmolzenem Kryolith, elektrolysiert.
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Oder man kann auch aus einem Teil des Rohstoffs, z. B. Bauxit, durch
Umsetzung mit Natriumhydroxyd und aus einem anderen Teil des Rohstoffs durch Umsetzung
mit Kaliumhydroxyd Aluminiumoxyd erzeugen und aus einem Gemisch der beiden so getrennt
hergestellten Teile von Aluminiumoxyd metallisches Aluminium durch Elektrolyse im
Kryolithbad abscheiden.
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Das Kalium kann zwecks Verminderung von Kosten bei den Aufschlußoperationen
auch in Form billiger kaliumhaltiger Produkte, z. B. Abfallprodukte, in den Prozeß
eingeführt werden.
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In ähnlicher Weise kann man auch Aluminiumlegierungen, welche die
genannten günstigen Eigenschaften zeigen, z. B. solche, die noch Titan, Zirkon,
Bor, Silicium o. dgl., gegebenenfalls zwei oder mehrere solche Komponenten enthalten,
herstellen.
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Man kann z. B. Aluminium, das in der beschriebenen Weise aus unter
Mitwirkung der basischen Verbindungen mindestens zweier verschiedener Alkalimetalle
aus den Ausgangsstoffen erzeugten oxydischen Zwischenprodukten gewonnen wurde, mit
einer oder mehreren auf beliebige Weise hergestellten Legierungskomponenten, z.
B. durch Zusammenschmelzen, vereinigen.
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Oder man kann auch Aluminium, das aus unter Mitwirkung basischer Verbindungen
eines Alkalimetalls, z. B. Natrium, aus dem Ausgangsstoff hergestellten Zwischenproduktes
gewonnen ist, mit mindestens einem Legierungsmetall, das aus unter Mitwirkung basischer
Verbindungen mindestens eines im Herstellungsgange des Aluminiums nicht verwendeten
Alkalimetalls, z. B. Kalium, hergestellten Zwischenprodukten gewonnen ist, vereinigen
oder ganz oder teilweise von Gemischen der Zwischenprodukte der Legierungskomponenten
ausgehen und diese durch Reduktion, z. B. auf elektrolytischem oder elektrothermischem
Wege, in die gewünschte Legierung überführen, wobei mindestens die zur Erzeugung
einer der Legierungskomponenten verwendeten Zwischenprodukte unter Mitwirkung mindestens
zweier verschiedener Alkalimetalle hergestellt sein müssen.
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Bei dieser Arbeitsweise kann man z. B. so vorgehen, daß man eine aus
Natriumaluminat oder aus Natrium-Kalium-Aluminat gewonnene Tonerde zusammen mit
Oxyden der Zusatzstoffe, also z. B. Titanoxyd, Zirkonoxyd, Boroxyd, Siliciumoxyd
u. dgl., reduziert, die aus den mineralischen Rohstoffen der betreffenden Zusatzstoffe,
z. B. durch Behandlung mit Hydroxyden oder Carbonaten mindestens eines anderen Alkalimetalls
über Zwischenprodukte, wie Kaliumtitanat oder Kaliumnatriumtitanat, Kaliumborat
oder Kaliumnatriumborat o. dgl., entstanden sind.
Die Mengenverhältnisse
der für die Herstellung der Zwischenprodukte verwendeten Alkaliv erbindungen können
innerhalb beträchtlicher Grenzen schwanken. Im allgemeinen kann man derart verfahren,
daß hauptsächlich Natriumverbindungen verwendet und Kaliumverbindungen in zusätzlichen
Mengen eingeführt werden, wobei auch. gleichzeitig Hydroxyde und/oder Oxyde und/
oder Carbonate der betreffenden Alkalimetalle verwendet werden können. Verbindungen
des stark elektronegativen Kaliums sollten dabei im allgemeinen immer vorhanden
sein. Es genügen davon mitunter bereits Mengen von z. B. 2 °4 der im ganzen verwendeten
Alkaliverbindungen. Es können aber Kaliumverbindungen auch in erheblich größeren
Mengen, die bis zu 5o % und mehr der Menge der insgesamt verwendeten Alkaliverbindungen
betragen können, angewendet werden.
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Als weiteres im Sinne der Erfindung in Form seiner basischen Verbindungen
anwendbares Alkalimetall kommt vornehmlich Lithium in Betracht, dessen Verbindungen
neben oder in Vereinigung mit den Verbindungen, z. B. des Natriums oder Kaliums
oder beider, angewendet werden können. Die Mengen der Lithiumverbindungen sind im
Vergleich zu denen der anderen Alkalimetallverbindungen sehr gering zu bemessen;
sie betragen nicht mehr als S % der insgesamt verwendeten Alkaliverbindungen und
werden im allgemeinen unterhalb 3 °)o derselben gehalten.
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Die Erfindung ist nicht auf die elektrolytische Herstellung von Aluminium
und Aluminiumlegierungen beschränkt; es kann vielmehr in sinnentsprechender Weise
auch die Herstellung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierungen ebenso wie die
der oxydischen Vorprodukte, z. B. Tonerde oder Allcalialuminat, auf beliebigen anderen
Wegen, z. B. vermittels elektrothermischer Verfahren, unter Mitwirkung der Oxyde
und/oder Hydroxyde und/oder Carbonate verschiedener Alkalimetalle stattfinden.
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Durch die Arbeiten von H o o p s und B e t t s ist ein Verfahren zur
Herstellung von Reinaluminium bekanntgeworden, das darin besteht, daß aus Bauxit
durch einen zweifachen elektrolytischen Prozeß -zunächst eine Legierung von Aluminium-Kupfer-Silicium
hergestellt und diese dann auf Reinaluminium verarbeitet wird. Durch dieses Verfahren
gelangt man zu einem Aluminium, das die eingangs erwähnten ungünstigen Eigenschaften
des üblichen Hüttenaluminiums nicht mehr in störender Weise besitzt. Dies Reinaluminium
stellt sich aber im Preis doppelt so hoch wie das Hüttenaluminium.
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Durch die vorliegende Erfindung ist es ermöglicht, die erwähnten Nachteile
des in üblicher Weise erzeugten Aluminiums bzw. seiner Legierungen in einfacher
und erheblich billigerer Weise zu beheben, wobei das Verfahren noch den Vorteil
bietet, daß es den jeweils gewünschten Eigenschaften der Produkte weitgehend angepaßt
werden kann und auch zur sofortigen Herstellung hochwertiger thermisch vergütbarer
Aluminiumlegierungen geeignet ist.
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Die Vorteile des vorliegenden Verfahrens, z. B. hinsichtlich der Erhöhung
der Korrosionsbeständigkeit von erfindungsgemäß hergestelltem Aluminium gegenüber
in bekannter Weise nur aus vermittels basischer Verbindungen eines einzigen Alkalimetalls
erzeugten Zwischenprodukten hergestelltem Aluminium, ergeben sich aus den folgenden
Vergleichsversuchen.
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Aus einerseits nach bekannten Verfahren und andererseits nach dem
vorliegenden Verfahren hergestelltem Aluminium, dessen Gehalt an Al beide Male 99,5
°1o betrug, wurden Probestäbe gegossen. Diese Stäbe wurden in üblicher Weise der
Untersuchung auf Zerreißfestigkeit und Dehnbarkeit ausgesetzt, und zwar einmal in
unverändertem Zustande und das andere Mal nach einer Vorbehandlung durch Aufsprühen
einer Lösung von Kochsalz nach dem für die Prüfung auf Korrosionsfestigkeit üblichen
Verfahren, wobei die Behandlungsdauer bei allen Probestäben 2zo Tage betrug.
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Die Rubrik A der folgenden Tabelle zeigt die Ergebnisse, die erzielt
wurden mit einem als »AI-weich« bezeichneten Aluminium, das in bekannter Weise gewonnen
war durch Elektrolyse von Aluminiumoxyd im schmelzflüssigen Kryolithbad, wobei das
Aluminiumoxyd in üblicher Weise erzeugt war aus vermittels Natriumcarbonat aus Bauxit
hergestelltem Natriumaluminat.
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Die Rubrik B zeigt die Ergebnisse, die erzielt wurden mit einem mit
AK bezeichneten Aluminium, das nach dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung hergestellt
war durch Elektrolyse von Aluminiumoxyd im schmelzflüssigen Kryolithbad, wobei das
Aluminiumoxyd zu 85 °/o hergestellt war aus Bauxit über vermittels Natriumcarbonat
erzeugtes Natriumaluminat und zu 15 °i, aus Bauxit über vermittels Kaliumcarbonat
erzeugtes Kaliumaluminat.
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Aus der Tabelle ergibt sich die bedeutend geringere Beeinflussung
der mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Aluminiums durch
die Korrosionsbehandlung, während der bedeutend stärkere Angriff der Oberfläche
des nach dem bekannten Verfahren hergestellten Aluminiums auch für das Auge deutlich
zu erkennen war.
A Aluminium mit 99,5 °/o Al, hergestellt aus Aluminiumoxyd
(durch Schmelzflußelektrolyse im Kryolithbad), das aus Natriumaluminat gewonnen
wurde, welches hergestellt war durch Behandlung von Bauxit nur mit Natriumcarbonat
Bezeichnung: AI-weich. B Aluminium mit 99,5 % AI, hergestellt aus Aluminiumoxyd
(durch Schmelzflußelektrolyse im Kryolithbad), das zu 85 (/" erzeugt war aus Natriumaluminat,
hergestellt durch Behandeln von Bauxit mit Natriumcarbonat und zu 15 °/" aus Kaliumaluminat,
her&estellt durch Behandeln von Bauxit mit Kaliurncarbonat Bezeichnung: AK 1,
9,'#,14 und 15.
| I |
| Vor der Korrosionsbehandlung |
| Bezeichnung 1 Zerreißfestigkeitl Dehnung |
| AI-weich a .... 9,6 36,6 |
| AI-weich b .... 9,6 36,6 |
| II |
| Nach der Korrosionsbehandlung |
| Bezeichnung 1 Zerreißfestigkeitl De°)o hnung |
| AI-weich a .... 8,0 9,5 |
| AI-weich b .... 8,5 1215 |
| i |
| i |
| I |
| Vor der Korrosionsbehandlung |
| Bezeichnung Zerreißfestigkeit Dehnung |
| /o |
| AK i ......... 9)40 36,0 |
| AK 9 ......... 9,i5 37,0 |
| AK 14 . : . . . . . . . 8,40 32,0 |
| AK 15 .... . ..... 9,0o 32,0 |
| II |
| Nach der Korrosionsbehandlung |
| Bezeichnung 1 Zerreißfestigkeit) De hnung |
| AK i ......... 913 26,0 |
| AK 9 ......... 8,8 3520 |
| AK 14 . . . . . . . . . 8,5 28,5 |
| AK 15 ......... 9,1 30,o |