PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102007007792A1 13.09.2007
Titel Verfahren zur Herstellung von Raffinataluminium
Anmelder Sumitomo Chemical Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yasuda, Hitoshi, Tsukuba, Ibaraki, JP;
Tabuchi, Hiroshi, Tsukuba, Ibaraki, JP;
Shiraishi, Mizuki, Niihama, Ehime, JP
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Anmeldedatum 16.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007007792
Offenlegungstag 13.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse C25C 3/06(2006.01)A, F, I, 20070216, B, H, DE
Zusammenfassung Gereinigtes Aluminium wird durch ein Dreischichtverfahren zur elektrolytischen Raffination unter Verwendung eines Dreischichtofens zur elektrolytischen Raffination, welcher eine Kathode und eine Anode umfasst und zwischen der Kathode und der Anode eine Raffinataluminiumschicht, eine Raffinationselektrolysebadschicht und eine anodische Mutterlegierungsschmelzschicht in dieser Reihenfolge von der Kathode bildet, wobei die Kathode aus einem Graphitmaterial mit einem Eisengehalt von 0,2 Gew.-% oder weniger und einem Porenflächenverhältnis von 22% oder weniger an der Oberfläche des Graphitmaterials besteht.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Raffinataluminium. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Raffinataluminium durch ein Dreischichtverfahren zur elektrolytischen Raffination unter Verwendung einer Kathode, die aus einem speziellen Graphitmaterial besteht.

Ein Dreischichtverfahren zur elektrolytischen Raffination ist zur Herstellung von Raffinataluminium mit einer Reinheit von 99,9 Gewichtsprozent (Gew.-%) oder mehr durch Raffination von Aluminiumrohmaterial (vgl. „PRODUCTS AND MANUFACTURING TECHNOLOGY OF ALUMINUM", 30. Oktober 2001, S. 117 (Japan Institute of Light Metals) und „ADVANCES IN RESEARCHES AND TECHNOLOGY OF LIGHT METALS", 30. November 1991, S. 194-196 (Japan Institute of Light Metals)) bekannt.

Wie in 1 gezeigt, verwendet das Dreischichtverfahren zur elektrolytischen Raffination einen Dreischichtofen zur elektrolytischen Raffination (3), welcher eine Kathode (1), die aus einem Graphitmaterial zur Raffination von Aluminium durch Dreischichtraffination besteht, und eine Anode (2) umfasst, und zwischen der Kathode (1) und der Anode (2) eine Raffinataluminiumschicht (B1), eine Raffinationselektrolysebadschicht (B2) und eine anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) in dieser Reihenfolge von der Kathode (1) bildet. In diesem Verfahren fließt ein Gleichstrom (I) von der Anode (2) in Richtung der Kathode (1) während des Zuführens eines Aluminiumrohmaterials (B) zu der anodischen Mutterlegierungsschmelzschicht (B3), und das Raffinataluminium (A) wird in die Raffinataluminiumschicht (B1) abgeschieden. Dadurch wird das Raffinataluminium (A) hergestellt.

In dem Dreischichtverfahren zur elektrolytischen Raffination werden die Raffinataluminiumschicht (B1), die Raffinationselektrolysebadschicht (B2) und die anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) durch das Fließen des Gleichstroms (I) dorthindurch auf eine hohe Temperatur von 750 bis 800°C erwärmt, und sie befinden sich im geschmolzenen Zustand. Außerdem ist die Kathode (1) gewöhnlich Luft ausgesetzt. Deshalb ist ein Graphitmaterial, das die Kathode (1) bildet, erforderlich, um bei einer derartig hohen Temperatur in Luft so wenig wie möglich aufgebraucht zu werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung von Raffinataluminium durch ein Dreischichtverfahren zur elektrolytischen Raffination unter Verwendung einer Kathode bereitzustellen, die aus einem speziellen Graphitmaterial besteht, welches bei einer hohen Temperatur in Luft weniger an Abnutzung leidet.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Raffinataluminium (A) unter Verwendung eines Dreischichtofens zur elektrolytischen Raffination (3) bereit, welcher eine Kathode (1) und eine Anode (2) umfasst und zwischen der Kathode (1) und der Anode (2) eine Raffinataluminiumschicht (B1), eine Raffinationselektrolysebadschicht (B2) und eine anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) in dieser Reihenfolge von der Kathode (1) bildet, wobei das Verfahren das Fließen eines Gleichstroms (I) von der Anode (2) in Richtung der Kathode (1) während des Zuführens eines Aluminiumrohmaterials (B) zu der anodischen Mutterlegierungsschmelzschicht (B3), und das Abscheiden des Raffinataluminiums (A) in die Raffinataluminiumschicht (B1) umfasst, wobei die Kathode (1) ein Graphitmaterial mit einem Eisengehalt von 0,2 Gew.-% oder weniger und ein Porenflächenverhältnis von 22% oder weniger an einer Oberfläche des Graphitmaterials umfasst.

1 zeigt schematisch den Querschnitt eines Ofens zur elektrolytischen Raffination zur Herstellung von Raffinataluminium durch ein Dreischichtverfahren zur elektrolytischen Raffination.

Das Graphitmaterial, das die Kathode (1) des Ofens zur elektrolytischen Raffination (3) bildet, der in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, besteht aus einem Graphitmaterial mit einem Eisengehalt von 0,2 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise 0,15 Gew.-% oder weniger. Wenn der Eisengehalt 0,2 Gew.-% übersteigt, kann das Graphitmaterial teilweise abgenutzt werden.

Außerdem weist das Graphitmaterial ein Porenflächenverhältnis von 22% oder weniger, vorzugsweise 20% oder weniger an der Oberfläche des Graphitmaterials auf. Wenn das Porenflächenverhältnis 22% übersteigt, kann das Graphitmaterial teilweise abgenutzt werden.

Vorzugsweise weist das Graphitmaterial einen spezifischen Widerstand von 6 &mgr;&OHgr;m oder weniger auf. Wenn der spezifische Widerstand des Graphitmaterials 6 &mgr;&OHgr;m übersteigt, nimmt der Energieverlust wegen Wärmeerzeugung durch eine Kathode, die aus einem derartigen Graphitmaterial besteht, zu.

Allgemein wird ein Graphitmaterial durch Formen von Kokspulver unter Verwendung von Teer als Bindemittel, um ein kohlenstoffhaltiges Material zu erzeugen, und Backen des kohlenstoffhaltigen Materials bei einer Temperatur von etwa 3000°C hergestellt. Eisenverunreinigung im Graphitmaterial kann sich hauptsächlich aus Eisenverunreinigung in Aschen ergeben, die der Koks enthält, der als Rohmaterial verwendet wird. Ein Graphitmaterial mit einem geringen Eisengehalt kann unter Verwendung eines Koksrohmaterials mit einem geringen Eisengehalt, wie Nadelkoks, hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Eisengehalt im Graphitmaterial durch Backen des kohlenstoffhaltigen Materials bei einer Temperatur, die höher ist als eine herkömmliche Graphitisierungstemperatur von etwa 3000°C, verringert werden.

Das Porenflächenverhältnis des Graphitmaterials nimmt ab, wenn die Teilchengröße des Koksrohmaterials kleiner gemacht wird und/oder der Druck im nachfolgenden Verarbeitungsverfahren erhöht wird. Das Porenflächenverhältnis im peripheren Teil des verarbeiteten Graphitmaterials ist kleiner als das im Kern des verarbeiteten Graphitmaterials. Deshalb wird ein derartiger peripherer Teil des verarbeiteten Graphitmaterials selektiv als Graphitmaterial mit einem kleinen Porenflächenverhältnis verwendet, das für die Kathode (1) geeignet ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Das Graphitmaterial mit dem vorstehenden Eisengehalt und Porenflächenverhältnis ist im Handel zum Beispiel als eines für eine Lichtbogenelektrode, die bei der Stahlerzeugung mit einem Elektroofen verwendet wird, eines für eine negative Elektrode eines Lithiumionensekundärelements usw. erhältlich.

Wie in 1 gezeigt, umfasst der Dreischichtofen zur elektrolytischen Raffination (3), der in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Kathode (1) und eine Anode (2). Zwischen der Kathode (1) und der Anode (2) sind eine Raffinataluminiumschicht (B1), eine Raffinationselektrolysebadschicht (B2) und eine anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) in dieser Reihenfolge von der Kathode (1) gebildet.

Die Kathode (1) und die Anode (2) werden im oberen Teil beziehungsweise dem unteren Teil des Ofens (3) bereitgestellt. Die Raffinataluminiumschicht (B1) ist in Kontakt mit der Kathode (1), während die anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) mit der Anode (2) in Kontakt ist.

Die Zusammensetzung der anodischen Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) kann 60 bis 70 Gew.-% Aluminium und 30 bis 40 Gew.-% Kupfer umfassen.

Die Zusammensetzung der Raffinationselektrolysebadschicht (B2) kann 35 bis 45 Gew.-% AlF3, 25 bis 45 Gew.-% BaF2, 5 bis 15 Gew.-% CaF2 und 5 bis 20 Gew.-% NaF umfassen.

Um das Aluminiumrohmaterial (B) in dem Dreischichtofen zur elektrolytischen Raffination (3) zu raffinieren, wird das Aluminiumrohmaterial (B) während des Fließens des Gleichstroms (I) von der Anode (2) in Richtung der Kathode (1) zu der anodischen Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) zugeführt.

Der Gleichstrom (I) fließt von der Anode (2) zur Kathode (1) durch die anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3), die Raffinationselektrolysebadschicht (B2) und die Raffinataluminiumschicht (B1) in dieser Reihenfolge. Die Raffinataluminiumschicht (B1), die Raffinationselektrolysebadschicht (B2) und die anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) liegen im geschmolzenen Zustand vor, der bei einer Temperatur von zum Beispiel 750 bis 800°C durch die Wärme aufrechterhalten wird, die mit dem Gleichstrom (I) erzeugt wird, der von der Anode zur Kathode (1) durch die Schichten (B3), (B2) und (B1) fließt.

Die Dichte des Gleichstroms (I), der von der Anode (2) zur Kathode (1) fließt, beträgt gewöhnlich 3 bis 4 A/cm2 pro Flächeneinheit der Kathode.

Der Ofen (3) wird durch einen Einlass (4) für Aluminiumrohmaterial mit Aluminiumrohmaterial (B) beschickt. Der Einlass (4) ist von der Raffinataluminiumschicht (B1) und der Raffinationselektrolysebadschicht (B2) durch eine Trennwand (5) getrennt, während er mit der anodischen Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) in Verbindung steht. Das Aluminiumrohmaterial (B), welches über den Einlass (4) beschickt wird, wird zu der anodischen Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) zugeführt und durch den Gleichstrom (I) geschmolzen. Dann wird das geschmolzene Aluminium raffiniert, während es die Raffinationselektrolysebadschicht (B2) durchquert, und scheidet sich in Richtung der Kathode (1) ab, wobei die Raffinataluminiumschicht (B1) erzeugt wird.

Schließlich wird das Raffinataluminium (A), das sich in die Raffinataluminiumschicht (B1) abgeschieden hat, durch ein herkömmliches Verfahren, zum Beispiel durch Abpumpen des Raffinataluminiums aus der Schicht (B1), wiedergewonnen. Das gewonnene Aluminium wird gewöhnlich durch Gießen abgekühlt.

BEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele, welche den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung keineswegs beschränken, ausführlich beschrieben.

Die Eigenschaften eines Graphitmaterials, das als Kathode in jedem Beispiel verwendet wird, wurden durch die folgenden Verfahren gemessen:

(1) Eisengehalt

Der Eisengehalt wurde durch Emissionsspektrometrie von induktivgekoppeltem Plasma (ICP) gemessen.

(2) Porenflächenverhältnis an einer Oberfläche

Das Porenflächenverhältnis an der Oberfläche eines Graphitmaterials wurde wie folgt gemessen: die Oberfläche einer Graphitkathode wurde poliert und die polierte Oberfläche wurde durch ein optisches Mikroskop (Vergrößerung: 100) photographiert. Aus dem Mikrophoto wurde das Verhältnis der Gesamtfläche der Poren zur Gesamtoberfläche unter Verwendung eines Bildanalysesystems (IMAGE-PRO PLUS, hergestellt von Media Cybernetics, Inc.) gemessen.

Beispiel 1

Ein Graphitmaterial für eine Lichtbogenelektrode (extrudierter Graphit GS-G, Niedrigeisenqualität, erhältlich von SEC Carbon Limited) wurde verarbeitet, um einen Zylinder zu formen. Dann wurden die Graphitzylinder als Kathoden (1) des Dreischichtofens zur elektrolytischen Raffination (3), gezeigt in 1, verwendet. Dieses Graphitmaterial wies einen Eisengehalt von 0,12 Gew.-% und ein Porenflächenverhältnis von 18% auf.

Die Schmelztemperatur von Aluminium wurde zwischen 750°C und 800°C aufrechterhalten, und die Menge des Gleichstroms (I) betrug 3,4 A/cm2 bis 3,5 A/cm2. Nach dem 299 Tage langen Durchführen des Raffinierens von Aluminium wurden die Kathoden aus dem Ofen (3) entfernt, und dann wurden die Unterseiten der Kathoden visuell beobachtet. Die Unterseite war glatt erhalten.

Vergleichsbeispiel 1

Das Raffinieren von Aluminium wurde auf dieselbe Art und Weise wie die in Beispiel 1 durchgeführt, außer dass ein Graphitmaterial für eine Lichtbogenelektrode, die in einem Elektroofen zur Stahlerzeugung (extrudierter Graphit GS-G, gewöhnliche Qualität, erhältlich von SEC Carbon Limited) verwendet wird, anstelle des Graphitmaterials, extrudierter Graphit GS-G, Niedrigeisenqualität, verwendet wurde. Dieses Graphitmaterial wies einen Eisengehalt von 0,43 Gew.-% und ein Porenflächenverhältnis von 26% auf. Nach dem 257 Tage langen Durchführen des Raffinierens von Aluminium wurden die Kathoden aus dem Ofen (3) entfernt, und dann wurden die Unterseiten der Kathoden visuell beobachtet. Die Unterseite war in der Form einer Donut-ähnlichen Vertiefung teilweise abgenutzt.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von Raffinataluminium (A) unter Verwendung eines Dreischichtofens zur elektrolytischen Raffination (3), welcher eine Kathode (1) und eine Anode (2) umfasst und zwischen der Kathode (1) und der Anode (2) eine Raffinataluminiumschicht (B1), eine Raffinationselektrolysebadschicht (B2) und eine anodische Mutterlegierungsschmelzschicht (B3) in dieser Reihenfolge von der Kathode (1) bildet, wobei das Verfahren die Schritte des:

Fließens eines Gleichstroms (I) von der Anode (2) in Richtung der Kathode (1) während des Zuführens eines Aluminiumrohmaterials (B) zu der anodischen Mutterlegierungsschmelzschicht (B3), und

Abscheidens des Raffinataluminiums (A) in die Raffinataluminiumschicht (B1), umfasst,

wobei die Kathode (1) ein Graphitmaterial mit einem Eisengehalt von 0,2 Gew.-% oder weniger und ein Porenflächenverhältnis von 22% oder weniger an einer Oberfläche des Graphitmaterials umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Graphitmaterial einen Eisengehalt von 0,15 Gew.-% oder weniger aufweist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Graphitmaterial ein Porenflächenverhältnis von 20% oder weniger aufweist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gleichstrom (I) mit einer Dichte von 3 bis 4 A/cm2 pro Flächeneinheit der Kathode fließt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schichten (B1), (B2) und (B3) in geschmolzenen Zuständen vorliegen, die bei einer Temperatur von 750 bis 800°C gehalten werden.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com