УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УГЛЕТЕРМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2017 года по МПК C22B21/02 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на патент США № 11/950300, поданной 4 декабря 2007 г. и озаглавленной “Устройство, системы и способы углетермического получения алюминия”, которая включена сюда посредством ссылки во всей своей полноте.

Уровень техники

[0002] Металлический алюминий обычно производят двумя методами: традиционный способ Холла, при котором электрический ток пропускают между двумя электродами для электролитического восстановления оксида алюминия (глинозема) до металлического алюминия; и углетермический способ, при котором оксид алюминия химически восстанавливают до алюминия посредством химической реакции с углеродом. Суммарная реакция углетермического восстановления алюминия:

Al₂O₃+3C→2Al+3CO (1)

протекает или может быть сделана протекающей через серию химических реакций, таких как:

2Al₂O₃+9C→Al₄C₃+6CO (пар) (2)

Al₄C₃+Al₂O₃→6Al+3CO (пар) (3)

Al₂O₃+2C→Al₂O (пар)+2CO (пар) (4)

Al₂O₃+4Al→3Al₂O (пар) (5)

Al→Al (пар) (6).

[0003] Реакция (2), обычно известная как стадия получения шлака, часто протекает при температурах между 1875°С и 2000°С. Реакция (3), обычно известная как стадия получения алюминия, часто протекает при температурах выше примерно 2050°С. Во время реакций (2) и (3) могут образовываться алюминийсодержащие парообразные вещества, хотя алюминийсодержащие парообразные вещества могут образовываться и в результате реакций (4), (5) и (6).

Раскрытие изобретения

[0004] В широком смысле данное раскрытие относится к системам и способам углетермического получения алюминия. В таких системах и способах могут использоваться входящий сверху электрод и множество входящих сбоку электродов. В сочетании с такими электродами может быть использован переменный ток, который может способствовать эффективному получению алюминия.

[0005] Согласно одному аспекту раскрытия предложена система для углетермического получения алюминия, включающая в себя углетермический реактор и источник электропитания. Углетермический реактор включает в себя камеру, приспособленную содержать расплавленную ванну, причем эта камера по меньшей мере частично образована наружной оболочкой и днищем реактора углетермического получения алюминия. Комплект входящих сбоку электродов проходит через наружную оболочку и сообщается с камерой. Один единственный входящий сверху электрод сообщается с камерой, при этом входящий сверху электрод способен двигаться в направлениях вверх-вниз. В одном варианте воплощения используется крышка, которая по существу закрывает камеру. Крышка включает в себя первый проем для приема единственного входящего сверху электрода. В одном варианте воплощения крышка включает в себя по меньшей мере один дополнительный проем для приема подаваемой в камеру шихты.

[0006] Источник электропитания находится в электрическом соединении с комплектом входящих сбоку электродов. При одном подходе источник электропитания включает в себя электрический генератор, приспособленный подавать различную фазу напряжения на каждый электрод комплекта входящих сбоку электродов. При одном подходе источник электропитания приспособлен накладывать фазовый сдвиг относительно каждого электрода в комплекте электродов. В одном варианте воплощения источник электропитания выполнен с возможностью подавать равную величину каждой фазы напряжения на каждый электрод. В одном варианте воплощения источник электропитания выполнен с возможностью подавать регулируемую величину каждой фазы напряжения на каждый электрод. В одном варианте воплощения, когда входящий сверху электрод находится в первом положении и во время работы реактора, по меньшей мере некоторый ток из источника электропитания проходит через расплавленную ванну в конфигурации треугольник. В одном варианте воплощения, когда входящий сверху электрод находится во втором положении и во время работы реактора, по меньшей мере некоторый ток проходит через расплавленную ванну в конфигурации звезда.

[0007] Реактор может включать в себя внутреннюю стенку, взаимосвязанную с крышкой и простирающуюся по направлению к днищу реактора. В одном варианте воплощения внутренняя стенка по меньшей мере частично охватывает часть входящего сверху электрода. В другом варианте воплощения внутренняя стенка полностью охватывает часть входящего сверху электрода. В одном варианте воплощения внутренняя стенка взаимосвязана с системой подачи охлаждения. В одном варианте воплощения внутренняя стенка включает в себя по меньшей мере один канал, предназначенный для протекания через него теплоносителя. В одном варианте воплощения внутренняя стенка содержит по меньшей мере одно отверстие, которое полностью проходит сквозь стенку, и это по меньшей мере одно отверстие находится в проточном сообщении с упомянутым по меньшей мере одним дополнительным проемом в крышке, тем самым способствуя прохождению отходящего газа из камеры в упомянутый по меньшей мере один дополнительный проем во время работы реактора.

[0008] При одном подходе с упомянутым по меньшей мере одним дополнительным проемом проточно взаимосвязан питатель. Питатель может быть выполнен с возможностью подачи шихты в реактор через упомянутый по меньшей мере один дополнительный проем, тем самым способствуя взаимодействию между покидающим реактор отходящим газом и поступающей в реактор шихтой. В одном варианте воплощения питатель включает в себя подвижный элемент, расположенный вблизи упомянутого по меньшей мере одного дополнительного проема. Подвижный элемент может быть выполнен с возможностью проталкивания шихты в упомянутый по меньшей мере один дополнительный проем. В одном варианте воплощения питатель включает в себя нагреватель для предварительного нагревания шихтовых материалов перед подачей в реактор. В одном варианте воплощения питатель включает в себя бункер.

[0009] При одном подходе используют множество комплектов электродов. В одном варианте воплощения система включает в себя первый комплект электродов и второй комплект электродов. Относительная высота электродов и/или расстояние между электродами может варьироваться между комплектами или в комплектах. В одном варианте воплощения первый комплект электродов совмещен с первой горизонтальной плоскостью, а второй комплект электродов совмещен со второй горизонтальной плоскостью. В одном варианте воплощения первая горизонтальная плоскость отличается от второй горизонтальной плоскости. В одном варианте воплощения электроды расположены эквидистантно вокруг периметра наружной оболочки реактора. Электрическая система может быть устроена так, чтобы каждый комплект электродов мог работать независимо.

[0010] Также предложены способы эксплуатации реакторов углетермического получения алюминия. В одном аспекте способ включает в себя стадии создания расплавленной ванны и отходящего газа внутри углетермического реактора, подачу шихты в реактор углетермического получения через канал подачи шихты, протекание отходящего газа в канал подачи шихты и удаление по меньшей мере части алюминийсодержащих веществ из фазы отходящего газа в результате взаимодействия отходящего газа и шихты. Расплавленная ванна может включать в себя по меньшей мере один из металлического алюминия, карбида алюминия и шлака. Отходящий газ может включать в себя алюминийсодержащие парообразные вещества и монооксид углерода. Канал подачи шихты может быть образован проемом в крышке реактора углетермического получения алюминия, входящим сверху электродом, сообщающимся с расплавленной ванной, и внутренней стенкой, охватывающей входящий сверху электрод.

[0011] При одном подходе расплавленную ванну создают/поддерживают, пропуская через нее многофазный ток. В одном варианте воплощения расплавленную ванну создают/поддерживают, пропуская многофазный ток между множеством входящих сбоку электродов, сообщающихся с расплавленной ванной. В одном варианте воплощения расплавленную ванну создают/поддерживают, пропуская переменный ток от по меньшей мере одного из входящих сбоку электродов к входящему сверху электроду. В одном варианте воплощения способ включает в себя размещение входящего сверху электрода в первом вертикальном положении, при котором первая величина переменного тока может поступать на входящий сверху электрод. В свою очередь, способ может включать в себя сопутствующие стадии создания перемещения входящего сверху электрода во второе вертикальное положение, при котором вторая величина переменного тока может поступать на входящий сверху электрод.

[0012] При одном подходе стадия подачи шихты включает в себя предварительное кондиционирование шихты перед подачей шихты в расплавленную ванну. В одном варианте воплощения стадия подачи включает в себя предварительное нагревание шихты в зоне предварительного нагрева, расположенной снаружи от канала подачи шихты. Например, шихта может быть нагрета до температуры по меньшей мере примерно 100°С перед поступлением в канал подачи шихты, например, через вышеописанный питатель. Шихта может быть также нагрета/кондиционирована в то время, когда шихта находится в реакторе, но до того, как шихта подана в расплавленную ванну (например, через канал подачи шихты). В одном варианте воплощения способ включает в себя нагревание шихты до температуры по меньшей мере примерно 600°С в то время, когда шихта находится внутри канала подачи шихты. В одном варианте воплощения способ включает в себя нагревание шихты до температуры ниже точки плавления материалов шихты (например, не выше примерно 1900°С) в то время, когда шихта находится внутри канала подачи шихты. В одном варианте воплощения оксид алюминия и углеродистый материал шихты могут реагировать с образованием карбида алюминия в то время, когда шихта находится внутри канала подачи шихты.

[0013] Как упомянуто выше, способ может включать в себя создание отходящего газа во время работы реактора. В одном варианте воплощения способ включает в себя создание первой порции отходящего газа вне периметра внутренней стенки, которая охватывает часть входящего сверху электрода. В свою очередь, способ может включать в себя протекание по меньшей мере некоторой части этой первой порции отходящего газа в канал подачи шихты через отверстие, расположенное во внутренней стенке.

[0014] Как упомянуто выше, способ может включать в себя удаление по меньшей мере некоторых алюминийсодержащих веществ из образовавшегося отходящего газа. В одном варианте воплощения стадия удаления включает в себя реагирование по меньшей мере некоторых алюминийсодержащих веществ с углеродистым материалом шихты. В родственном варианте воплощения стадия удаления включает в себя конденсирование по меньшей мере некоторых алюминийсодержащих веществ на поверхности шихты. При одном подходе способ включает в себя охлаждение внутренней стенки благодаря подаче извне теплоносителя, такой как протекание теплоносителя через по меньшей мере один канал, расположенный внутри внутренней стенки. В свою очередь, стадия удаления алюминийсодержащих паров может включать в себя конденсацию алюминийсодержащих парообразных веществ на поверхности внутренней стенки.

[0015] Как может быть понятным, различные из вышеприведенных аспектов изобретения могут быть скомбинированы, давая различные углетермические реакторы и связанные с ними системы. Эти и другие аспекты, преимущества и новые признаки раскрытия изложены отчасти в нижеследующем описании изобретения и станут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с нижеследующим описанием и фигурами, либо могут быть выявлены при практическом осуществлении раскрытого здесь изобретения.

Краткое описание чертежей

[0016] Фиг.1 представляет собой вид в разрезе одного варианта воплощения углетермического реактора.

[0017] Фиг.2 представляет собой вид сверху углетермического реактора по фиг.1.

[0018] Фиг.3 представляет собой схематический вид одного варианта воплощения пропускания тока между первым комплектом входящих сбоку электродов углетермического реактора.

[0019] Фиг.4 представляет собой схематический вид одного варианта воплощения пропускания тока между вторым комплектом входящих сбоку электродов углетермического реактора.

[0020] Фиг.5 представляет собой схематический вид одного варианта воплощения углетермического реактора и схемы источника электропитания.

[0021] Фиг.6 представляет собой вид в разрезе одного варианта воплощения углетермического реактора с взаимосвязанным с ним питателем.

[0022] Фиг.7 представляет собой вид сбоку углетермического реактора по фиг.6 с вырезанной частью, иллюстрирующей внутренние признаки.

[0023] Фиг.8а представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один вариант воплощения способа эксплуатации углетермического реактора.

[0024] Фиг.8b представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один вариант воплощения способа эксплуатации углетермического реактора.

[0025] Фиг.8с представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один вариант воплощения способа эксплуатации углетермического реактора.

[0026] Фиг.8d представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один вариант воплощения способа эксплуатации углетермического реактора.

Подробное описание

[0027] Далее следуют подробные ссылки на прилагаемые чертежи, которые по меньшей мере способствуют иллюстрации различных имеющих отношение вариантов воплощения раскрытого здесь изобретения. Фиг.1 и 2 иллюстрируют один вариант воплощения углетермического реактора (также известного как углетермическая печь) для углетермического получения алюминия. В проиллюстрированном варианте воплощения реактор 1 содержит наружную оболочку 10 и днище 15, ограничивающие, по меньшей мере отчасти, камеру 11, приспособленную содержать расплавленную ванну 16. Реактор 1 дополнительно включает в себя множество входящих сбоку электродов 12, 13, которые проходят сквозь наружную оболочку 10 и находятся в сообщении с расплавленной ванной 16. В проиллюстрированном варианте воплощения первый комплект электродов 12 расположен на первой высоте относительно днища 15, а второй комплект электродов 13 расположен на втором, более высоком уровне высоты относительно днища 15. Реактор 1 дополнительно включает в себя один единственный входящий сверху электрод 14, сообщающийся с камерой 11, причем этот входящий сверху электрод 14 способен двигаться в направлениях вверх-вниз, как указано стрелкой 17. Реактор 1 также включает в себя крышку 18, по существу закрывающую камеру 11. Крышка 18 включает в себя по меньшей мере первый проем 20 для приема единственного входящего сверху электрода 14. Крышка 18 также включает в себя по меньшей мере один дополнительный проем 21 для приема шихты (не показанной), подаваемой в камеру 11.

[0028] При работе многофазный ток от источника электропитания (не показан) может быть подан на электроды 12, 13 и пропущен через расплавленную ванну 16 для получения металлического алюминия. В частности, многофазный ток может быть использован для резистивного нагрева расплавленной ванны 16 до температур, составляющих в пределах интервала от примерно 1875°С до примерно 2200°С, для способствования получению металлического алюминия. В одном варианте воплощения реактор 1 может эксплуатироваться в пределах интервала температур от примерно 1875°С до 2000°С для получения карбида алюминия и содержащего карбид алюминия шлака. Реактор 1 может эксплуатироваться в пределах интервала температур от примерно 2050°С до 2200°С для получения металлического алюминия из карбида алюминия и содержащего карбид алюминия шлака. Реактор 1 может эксплуатироваться в пределах интервала температур от примерно 1900°С до 1950°С для извлечения углерода из полученного металлического алюминия. Во время работы реактора 1 могут быть получены различные отходящие газы и различные вещества (например, Al₂O, Al, СО).

[0029] При одном режиме работы многофазный ток пропускают через расплавленную ванну 16 по конфигурации треугольник. Как проиллюстрировано на фиг.3, многофазный ток может быть подан на первый комплект электродов 12 и распределен между ними, тем самым способствуя нагреванию расплавленной ванны 16, например нижней части расплавленной ванны 16. Как проиллюстрировано на фиг.4, в свою очередь, многофазный ток может быть подан на второй комплект электродов 13 и распределен между ними, тем самым способствуя нагреванию расплавленной ванны 16, например верхней части расплавленной ванны 16. В частности, первая величина тока может быть пропущена через расплавленную ванну 16 при помощи первого комплекта электродов 12 во время первой последовательности. В свою очередь, вторая величина тока может быть пропущена через расплавленную ванну 16 при помощи второго комплекта электродов 13 во время второй последовательности. А значит, могут быть реализованы различные пути протекания тока внутри ванны. В частности, ток, протекающий между первым комплектом электродов 12, может протекать на первой высоте относительно днища 15, нагревая первую часть (например, нижнюю, нижнюю среднюю или среднюю часть) расплавленной ванны 16, а ток, протекающий между вторым комплектом электродов 13, может протекать на второй высоте относительно днища 15, нагревая вторую часть (например, среднюю, верхнюю среднюю или верхнюю часть) расплавленной ванны 16. Более того, на каждый комплект электродов могут быть поданы различные величины тока. Следовательно, может быть достигнута переменная напряженность электрического поля внутри реактора.

[0030] В проиллюстрированном варианте воплощения в состав реактора 1 входят третий комплект электродов 32 и четвертый комплект электродов 33, причем этот третий комплект электродов 32 горизонтально совмещен (выровнен) с первым комплектом электродов 12, а четвертый комплект электродов 33 горизонтально совмещен (выровнен) со вторым комплектом электродов 13. Один или более из этих комплектов электродов 33, 34 и/или дополнительные комплекты электродов могут быть использованы для дальнейшего способствования распределению электрического тока в расплавленной ванне 16, тем самым способствуя более равномерному и эффективному нагреванию расплавленной ванны 16. Более того, различные комплекты электродов могут быть выровнены в горизонтальном и/или вертикальном направлениях для способствования переменному распределению тока в расплавленной ванне 16.

[0031] В проиллюстрированных вариантах воплощения использовано по три электрода на комплект, и эти электроды равномерно разнесены по периметру реактора 1. В свою очередь, на каждый электрод такого комплекта электродов могут быть поданы три различные фазы напряжения. Может быть также использован фазовый сдвиг. Могут быть также использованы иные конфигурации. Например, может быть использовано по шесть электродов на комплект, и на каждый электрод такого комплекта электродов могут быть поданы шесть различных фаз напряжения. Количество электродов на комплект обычно зависит от применения. Каждый комплект электродов может работать независимо от других комплектов электродов.

[0032] В проиллюстрированном варианте воплощения использовано множество комплектов входящих сбоку электродов. Однако может быть использован один единственный комплект входящих сбоку электродов.

[0033] Как упомянуто выше, электроды могут быть расположены любым подходящим образом для способствования работе углетермического реактора. В проиллюстрированном на фиг.1 варианте воплощения наружная оболочка 10 включает в себя нижний клиновидный участок 19, взаимосвязанный с днищем 15. Такой нижний клиновидный участок 19 полезен для размещения рабочих концов электродов 12, 13 ближе к центральной оси реактора 1. В свою очередь, тепло, вырабатываемое на рабочих концах электродов, будет поступать в более центральную часть расплавленной ванны 16, тем самым снижая потери тепла, происходящие на наружной оболочке. Следовательно, эффективность эксплуатации может быть повышена.

[0034] Использование многофазного потока в сочетании с входящими сбоку электродами 12, 13 обеспечивает преимущества перед известными конструкциями углетермических реакторов. Например, использование многофазного тока, в отличие от постоянного тока, позволяет использовать более высокие токовые нагрузки внутри реактора 1, что способствует более высоким удельным энергопотреблениям в ваттах. В свою очередь, для данного размера реактора может потребоваться меньше электродов, что снижает капитальные затраты и сложность реактора.

[0035] Величина тока, подаваемого в реактор 1, также может быть подобрана с учетом конкретной технологической стадии. Например, множество комплектов входящих сбоку электродов (например, 12, 13, 32 и/или 33) может быть использовано во время запуска реактора 1. В том случае, если реактор эксплуатируется в периодическом режиме (например, получение карбида алюминия и шлака, с последующим получением металла, за которым необязательно следует извлечение углерода из металлического алюминия, с последующим удалением металлического алюминия из реактора), то во время получения шлака могут быть использованы множественные комплекты входящих сбоку электродов для дальнейшего способствования равномерному получению карбида алюминия в расплавленной ванне 16. Альтернативно, во время операций могут быть преимущественно использованы нижние и/или средние ориентированные комплекты входящих сбоку электродов с тем, чтобы уменьшить величину тока, пропускаемого через верхнюю часть расплавленной ванны 16, и, следовательно, понизить температуру верхней части расплавленной ванны 16. В свою очередь, могут быть реализованы более низкие скорости образования паров. Подобным же образом, во время получения металла могут быть использованы множественные комплекты входящих сбоку электродов для способствования температурам, подходящим для восстановления карбида алюминия до металлического алюминия и углерода, но, как и при получении шлака, могут быть преимущественно использованы нижние и/или средние ориентированные комплекты входящих сбоку электродов с тем, чтобы регулировать нагревание верхней части расплавленной ванны 16. Аналогичным образом, множественные комплекты входящих сбоку электродов могут быть использованы во время извлечения углерода для способствования температурам, подходящим для извлечения углерода из фазы металла в фазу шлака, но, как и при получении шлака и металла, могут быть преимущественно использованы нижние и/или средние ориентированные комплекты входящих сбоку электродов с тем, чтобы регулировать нагревание верхней части расплавленной ванны 16. Средние и/или верхние входящие сбоку электроды могут быть периодически использованы во время данных стадий для того, чтобы добиться желаемых температур и/или температурных градиентов внутри расплавленной ванны 16. В том случае, если реактор 1 работает в непрерывном режиме, обсуждаемом более подробно ниже, то один или более комплектов входящих сбоку электродов могут быть приведены в действие по мере необходимости для того, чтобы добиться желаемых условий внутри реактора. Следовательно, использование множества комплектов входящих сбоку электродов и многофазного тока способствует специально подобранной (настроенной) работе реактора таким образом, чтобы создать желаемые температуру и/или температурные градиенты в расплавленной ванне.

[0036] Может быть также облегчено электромагнитное перемешивание расплавленной ванны 16. При одном подходе первый комплект электродов может пропускать ток через ванну по первому пути (например, по часовой стрелке). В свою очередь, второй комплект электродов может пропускать через ванну ток, совпадающий с первым путем (например, аналогично по часовой стрелке), либо по иному пути (например, против часовой стрелки). Благодаря электромагнитным эффектам подачи переменного тока через различные электроды может быть облегчено специально подобранное перемешивание расплавленной ванны. При одном подходе перемешивание расплавленной ванны осуществляют посредством совместно действующих путей протекания тока. При родственном подходе движение расплавленной ванны (например, взбалтывание, перемешивание) может быть снижено с помощью не действующих совместно путей протекания тока, которые находятся в противотоке направлению течения расплавленной ванны, посредством одного или более комплекта(ов) входящих сбоку электродов. Таким образом, могут быть достигнуты специально подобранные интенсивности перемешивания и направления течения.

[0037] Многофазный ток может быть подан на входящие сбоку электроды 12, 13 и/или входящий сверху электрод 14 для способствования получению расплавленной ванны 16, например нагревания расплавленной ванны 16 до соответствующих температур. Электрический ток обычно протекает через расплавленную ванну 16 в конфигурациях «треугольник» по фиг. 1, 3 и 4, когда входящий сверху электрод 14 находится в первом положении, например, когда входящий сверху электрод 14 поднят относительно расплавленной ванны 16. Однако, когда входящий сверху электрод 14 находится во втором положении (например, более низком положении, чем первое положение, например, когда часть входящего сверху электрода 14 погружена в расплавленную ванну 16), по меньшей мере некоторый ток может протекать с одного или более из входящих сбоку электродов 12, 13 во входящий сверху электрод 14 для способствования путям распределения переменного тока внутри расплавленной ванны 16. В частности, входящий сверху электрод 14 может быть опущен в расплавленную ванну 16 во время работы одного или более комплекта(ов) входящих сбоку электродов 12, 13. В свою очередь, по меньшей мере некоторая часть тока, подаваемого на входящие сбоку электроды 12, 13, может протекать к входящему сверху электроду 14 (например, по конфигурации течения тока «звезда»). Таким образом, входящий сверху электрод 14 может быть использован для способствования распределению тока внутри расплавленной ванны 16. В одном варианте воплощения ток, подаваемый на входящие сбоку электроды 12, 13, может протекать к входящему сверху электроду 14 тогда, когда входящий сверху электрод 14 находится достаточно близко к входящим сбоку электродам 12, 13, тем самым позволяя легко варьировать удельное энергопотребление в расплавленной ванне 16, например, при варьировании высоты входящего сверху электрода 14. Удельное энергопотребление может варьироваться для достижения различных условий в реакторе или в ответ на различные условия в реакторе. Например, удельное энергопотребление может варьироваться из-за колебаний сопротивления в фазе шлака или фазе расплавленного металлического алюминия, либо из-за изменений в количестве углерода, содержащегося в расплавленной ванне.

[0038] Входящий сверху электрод 14 может быть использован для способствования запуску реактора 1. В частности, входящий сверху электрод может перемещаться в направлениях вверх-вниз для способствования механическому массированию завалки. Входящий сверху электрод может быть также размещен таким образом, чтобы получать электрический ток от одного или более входящих сбоку электродов, тем самым позволяя току протекать через используемую при запуске завалку (например, исходные материалы глинозем и/или углерод) реактора 1 в различных направлениях и обеспечивать более равномерное нагревание. В одном варианте воплощения образующийся в результате поток электрического тока может сместиться (переключиться) с резистивной нагрузки треугольником на комбинацию звезда/треугольник. Чем ближе рабочий конец входящего сверху электрода к днищу 15, тем больше нагрузка смещается в сторону резистивной нагрузки звездой, что дает больше тепла на входящем сверху электроде. Кроме того, фазовые токи могут быть отрегулированы таким образом, чтобы способствовать протеканию дополнительного тока через входящий сверху электрод. В одном варианте воплощения рабочий конец входящего сверху электрода может быть резистивно нагрет за счет приема тока, что может еще больше содействовать нагреванию используемой при запуске завалки. Когда завалка достигнет подходящей температуры, входящий сверху электрод может быть перемещен в другое положение (например, выше относительно ванны, или удален из ванны). Функциональная возможность перемещения вверх-вниз входящего сверху электрода 14 может быть использована наряду с функциональной возможностью входящего сверху электрода 14 принимать электрический ток. Таким образом, входящий сверху электрод 14 может физически массировать первоначальную завалку/расплавленную ванну 16, способствуя протеканию через нее тока.

[0039] Один вариант воплощения источника электропитания для способствования подаче/распределению тока проиллюстрирован на фиг.5. В проиллюстрированном варианте воплощения источник 30 электропитания электрически подключен к первому комплекту электродов 12 проводами W₁–W₃. Источник 30 электропитания также электрически подключен к единственному входящему сверху электроду 14 проводом W₄. Источник 30 электропитания включает в себя различные конструктивные элементы для способствования распределению и подаче электрического тока на входящие сбоку электроды 12 и/или входящий сверху электрод 14 реактора 1. В частности, источник 30 электропитания включает в себя силовой фидер 31, переключатель 34, переключатель 35 ответвлений обмоток, силовой трансформатор 36, сильноточный переключатель 37 и шинное соединение 38. Такая конструкция способствует подаче тока на входящие сбоку электроды 12 и приему тока от единственного входящего сверху электрода 14. Подобные конструкции могут быть использованы для подачи мощности на электроды 13, 32 и/или 33 и приема тока от единственного входящего сверху электрода 14. Данная конструкция источника 30 электропитания в некоторых случаях также способствует подаче тока на входящий сверху электрод 14. Более конкретно, устройство сильноточного переключателя 37 и шинного соединения 38 позволяет переключать ток с входящих сбоку электродов 12 на входящий сверху электрод 14. Как упомянуто выше, подача тока на входящий сверху электрод 14 может быть использована, например, во время запуска реактора 1. Если во время подачи электрического тока на входящий сверху электрод 14 используется более чем один комплект электродов, то может быть использован сдвиг фаз трансформатора или другие методы изоляции или управления.

[0040] Помимо выгод от распределения тока при использовании входящего сверху электрода, могут быть также реализованы и другие преимущества. Например, поскольку входящий сверху электрод 14 способен двигаться в направлениях вверх-вниз (например, с помощью внешних механических средств), входящий сверху электрод 14 может быть использован для дальнейшего способствования перемешиванию расплавленной ванны 16 благодаря его физическому взаимодействию с расплавленной ванной 16. В одном варианте воплощения входящий сверху электрод 14 может быть погружен в расплавленную ванну 16, тем самым смещая и поднимая уровень расплавленной ванны 16 в реакторе 1, например, во время операций выпуска металла. В данном варианте воплощения выпуск металла (не показан) может быть расположен в пределах верхней части наружной оболочки 10. При подъеме уровня расплавленной ванны 16 (например, за счет погружения входящего сверху электрода 14) расплавленный металл, находящийся возле верхней части расплавленной ванны 16, может вытекать из реактора 1 через выпуск металла.

[0041] Возвращаясь к фиг.1 и как упомянуто выше, крышка 18 может включать в себя один или более проемов 21 для приема подаваемых в реактор 1 шихтовых материалов. Для подачи шихты в реактор 1 через проемы 21 могут быть использованы различные приспособления и способы, такие как простой бункер. Однако зачастую целесообразно предварительно кондиционировать шихту перед ее загрузкой в реактор 1. Следовательно, в одном варианте воплощения с реактором 1 соединен питатель с предварительным кондиционированием для подачи предварительно кондиционированной шихты в реактор. Один вариант воплощения устройства реактора/питателя с предварительным кондиционированием проиллюстрирован на фиг.6. В проиллюстрированном варианте воплощения питатель 24 с предварительным кондиционированием соединен с крышкой 18 реактора 1 и включает в себя один или более проходов 23 («проход(ов)»), взаимосвязанных с проемами 21 крышки 18. Шихту 22 подают в реактор 1 через проход(ы) 23 и проемы 21. Шихта 22 может содержать, например, глинозем и углеродистые материалы. Питатель может включать в себя нагреватель (не показан) для нагревания шихты 22 с тем, чтобы предварительно кондиционировать шихту до соответствующей температуры, такой как температура в интервале от 100°С до примерно 1900°С (например, чуть ниже точки ее плавления). Таким образом, проход(ы) 23 может/могут действовать в качестве зон предварительного нагрева. Питатель 24 может также включать в себя один или более подвижных элементов 25 («подвижный(ые) элемент(ы)») для способствования подаче шихты 22 к проемам 21. В частности, подвижный(ые) элемент(ы) 25 может/могут по меньшей мере частично содержаться внутри прохода(ов) 23 и быть выполненным(и) с возможностью проталкивания шихты 22 в проемы 21. Подвижный(ые) элемент(ы) 25 может/могут иметь конусную поверхность для способствования распределению шихты 22 внутри прохода(ов) 23.

[0042] Реактор 1 может также включать в себя внутреннюю стенку 26, которая по меньшей мере частично охватывает, а зачастую полностью охватывает, часть входящего сверху электрода 14, при этом обеспечивая кольцевое пространство между наружной поверхностью входящего сверху электрода 14 и внутренней стенкой 26. Внутренняя стенка 26 может быть взаимосвязана с крышкой 18 и может простираться по направлению к днищу 15 реактора 1. Внутренняя стенка может простираться на такое расстояние, что донная часть внутренней стенки 26 погружена в расплавленную ванну 16. Таким образом, внутренняя стенка 26 может по меньшей мере частично отделять входящий сверху электрод 14 от фазы 2 расплавленного металлического алюминия, получаемого во время работы реактора 1. В свою очередь, может быть реализовано уменьшенное протекание тока к фазе 2 расплавленного металлического алюминия, тем самым ограничивая получение отходящего газа G во время работы реактора 1. Таким образом, во время осуществления операций может быть получено больше металлического алюминия без короткого замыкания. В одном варианте воплощения непрерывное получение металла облегчается благодаря методике перелива, при которой шихту 22 непрерывно подают в реактор 1, из нее в результате вышеописанных реакций непрерывно получаются фаза 3 карбида алюминия и шлака и фаза 2 металлического алюминия, и полученный металлический алюминий вытекает из реактора 1 через выпуск металла (не показан), расположенный в верхней части наружной оболочки 10. При этом нижние/средние электроды могут работать при первой электрической мощности, нагревая нижнюю/среднюю части алюминийкарбидного шлака 3 до соответствующих температур получения шлака, в то время как средние/верхние электроды могут работать при второй электрической мощности, нагревая среднюю/верхнюю части алюминийкарбидного шлака до соответствующих температур получения металла.

[0043] В одном варианте воплощения с внутренней стенкой 26 может быть проточно взаимосвязана система охлаждения (не показана) для охлаждения внутренней стенки 26 с тем, чтобы еще больше ограничить получение отходящего газа G в контакте с ней. В частности, внутри внутренней стенки 26 могут быть проделаны каналы или другие подходящие устройства (не показаны) для способствования протеканию по ним теплоносителя. Такие каналы или другие устройства могут быть расположены вблизи наружного периметра ОР внутренней стенки 26 (например, вдали от внутреннего периметра IP) с тем, чтобы способствовать охлаждению фазы расплавленного металлического алюминия с ограниченным охлаждением шихты 22, находящейся вблизи внутреннего периметра IP внутренней стенки 26.

[0044] Внутренняя стенка 26, проем 21 и наружная поверхность входящего сверху электрода 14 могут образовывать канал подачи шихты, предназначенный для подачи шихты 22 в расплавленную ванну 16 реактора 1. Таким образом, канал подачи шихты может быть изменяемым (например, за счет перемещения входящего сверху электрода 14), и его длина может быть соответствующим образом выбрана согласно его назначению. Канал подачи шихты может быть отделен от по меньшей мере части расплавленного металлического алюминия внутренней стенкой 26. В свою очередь, может быть реализовано ограниченное взаимодействие между шихтой 22 и фазой 2 металлического алюминия, что уменьшает количество металлического алюминия, который, согласно термодинамике, возвращается в карбид алюминия. Следовательно, может быть реализована повышенная эффективность получения металла. Входящий сверху электрод 14 может двигаться в направлениях вверх-вниз, «массажируя» (растирая) шихту 22 в канале подачи шихты, чтобы ограничить агломерацию шихты 22 и зависание шихты 22. Использование канала подачи шихты также целесообразно тем, что шихта 22 в канале подачи шихты обеспечивает место для нагревания in situ шихты 22 и может снизить потери лучистой теплоты к крышке 18, тем самым еще больше повышая эффективность работы реактора.

[0045] Как проиллюстрировано на фиг.1, 6 и 7, во внутренней стенке 26 могут быть предусмотрены одно или более отверстий 27 («отверстие(я)»). В частности, отверстие(я) 27 может/могут находиться в проточном сообщении с проемом 21. Следовательно, повышение давления в реакторе 1 может быть снижено, так как отходящий газ G может покидать реактор 1 через проемы 21.

[0046] Отходящий газ G может находиться в проточном сообщении с по меньшей мере частью канала подачи шихты. Таким образом, отходящий газ G, образовавшийся во время работы реактора 1, может поступать в канал подачи шихты и может взаимодействовать с содержащейся там шихтой 22. В частности, алюминийсодержащие вещества (например, Al₂O, Al) отходящего газа могут физически взаимодействовать с шихтой 22, например, за счет конденсации на поверхности шихты 22, тем самым удаляя по меньшей мере часть алюминийсодержащих веществ из отходящего газа G. Алюминийсодержащие вещества могут также химически взаимодействовать с шихтой 22, например, реакцией с углеродистыми материалами с получением карбида алюминия/шлака, тем самым удаляя по меньшей мере часть алюминийсодержащих веществ из отходящего газа G. Алюминийсодержащие вещества отходящего газа G могут также конденсироваться на наружном периметре ОР внутренней стенки 26. В свою очередь, неэффективность, вызванная потерями паров алюминия, может быть снижена.

[0047] Как проиллюстрировано, входящий сверху электрод 14 имеет цилиндрическую конструкцию. В других вариантах воплощения могут быть использованы и другие конфигурации (например, прямоугольная сплошная). В частном варианте воплощения (не показан) входящий сверху электрод является трубчатым. В данном варианте воплощения электрический ток может проходить через сплошную часть трубчатого входящего сверху электрода, а шихта 22 может проходить в реактор 1 через полую внутреннюю часть трубчатого входящего сверху электрода. В данном варианте воплощения диаметр трубы может быть подобран так, чтобы добиться желаемой скорости подачи шихты 22 в реактор 1. Шихта, выходящая из рабочего конца трубчатого входящего сверху электрода, может таким образом быть предварительно нагрета и может легко разжижаться при поступлении в расплавленную ванну 16.

[0048] Также предложены способы эксплуатации реактора углетермического получения алюминия, один вариант воплощения которых проиллюстрирован на фиг.8а. В данном варианте воплощения способ обычно включает в себя стадии создания расплавленной ванны в реакторе углетермического получения алюминия (810), подачи шихты в углетермический реактор через канал подачи шихты (820), протекания отходящего газа в канал подачи шихты (830) и удаления алюминийсодержащих веществ из отходящего газа (840). Способ может также необязательно включать в себя стадию подачи теплоносителя во внутреннюю стенку карботермического реактора (850). Эти стадии могут осуществляться последовательно или параллельно. Следовательно, одна или более из этих стадий могут осуществляться одновременно с одной или более другими стадиями.

[0049] Как проиллюстрировано на фиг.8b, стадия создания расплавленной ванны (810) может включать в себя стадию пропускания многофазного тока между множеством входящих сбоку электродов (812), сообщающихся с расплавленной ванной. Расплавленная ванна может включать по меньшей мере один из металлического алюминия, карбида алюминия и шлака. Во время стадии создания расплавленной ванны (810) может быть получен отходящий газ. Отходящий газ может включать в себя алюминийсодержащие вещества и монооксид углерода. Стадия создания расплавленной ванны (810) может включать в себя стадию протекания переменного тока от по меньшей мере одного из входящих сбоку электродов к входящему сверху электроду (814). Например, во время стадии (814) протекания переменного тока входящий сверху электрод может быть расположен в первом вертикальном положении (816), тем самым обеспечивая протекание первой величины переменного тока ко входящему сверху электроду (например, никакого переменного тока или некоторый переменный ток). В свою очередь, входящий сверху электрод может быть перемещен во второе вертикальное положение (818), при котором ко входящему сверху электроду может протекать вторая величина переменного тока (например, некоторый переменный ток или больше всего переменного тока). Таким образом, может быть облегчено изменяющееся (переменное) распределение тока внутри расплавленной ванны.

[0050] Как упомянуто выше, способ может включать в себя стадию подачи шихты в углетермический реактор через канал подачи шихты. Канал подачи шихты может быть по меньшей мере частично образован проемом в крышке углетермического реактора, входящим сверху электродом, сообщающимся с расплавленной ванной, и внутренней стенкой, охватывающей входящий сверху электрод. Как проиллюстрировано на фиг.8с, стадия (820) подачи шихты может включать в себя стадию предварительного нагревания шихты в зоне предварительного нагрева, расположенной вне реактора (822), например, через вышеописанный питатель 24. При этом шихта может быть нагрета в зоне предварительного нагрева до температуры в интервале от 100°С до 600°С. Стадия (820) подачи шихты может включать в себя стадию нагревания шихты в то время, когда шихта находится в канале подачи шихты (824). При этом шихта может быть нагрета в канале подачи шихты до температуры от примерно 600°С до примерно 1900°С. В свою очередь, оксид алюминия (глинозем) шихты может реагировать с углеродистым материалом шихты (826) с получением различных материалов, подаваемых в углетермический реактор, таких как карбид алюминия, шлак и родственные материалы.

[0051] Как проиллюстрировано на фиг.8d, стадия (810) создания расплавленной ванны может включать в себя стадию создания первой порции отходящего газа снаружи периметра внутренней стенки (860). В свою очередь, стадия протекания отходящего газа в канал подачи шихты (830) может включать в себя протекание по меньшей мере некоторой части первой порции отходящего газа в канал подачи шихты через примерно одно или более отверстий, распложенных во внутренней стенке (832).

[0052] Стадия удаления алюминийсодержащих веществ из отходящего газа (840) может быть осуществлена различными путями. В одном варианте воплощения по меньшей мере некоторые из алюминийсодержащих веществ подвергают реагированию с углеродистым материалом в шихте (842), получая в результате рециркулируемый материал (например, карбид алюминия, шлак) для повторной подачи в углетермический реактор. В другом варианте воплощения по меньшей мере некоторые из алюминийсодержащих веществ могут быть сконденсированы на поверхности шихты (844). Следовательно, потери паров алюминия могут быть ограничены.

[0053] Хотя выше были подробно описаны различные варианты воплощения настоящего изобретения, очевидно, что специалистам в данной области техники придут на ум модификации и адаптации этих вариантов воплощения. Однако следует четко понимать, что такие модификации и адаптации находятся в рамках сути и объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к системе для углетермического получения алюминия. Система содержит углетермический реактор и источник электропитания. Реактор содержит множество входящих сбоку электродов и входящий сверху электрод. Источник электропитания выполнен с возможностью подачи многофазного тока на входящие сбоку электроды и/или входящий сверху электрод. Электроды сообщаются с расплавленной ванной реактора, и подаваемый на них многофазный ток пропускается через эту ванну, нагревая реактор. Величина тока, подаваемого на различные комплекты электродов, может быть отрегулирована так, чтобы способствовать подобранному нагреванию расплавленной ванны. Отходящий газ из углетермического реактора поступает в канал подачи шихты, предварительно нагревая шихту из алюминия и углеродного восстановителя. Обеспечивается повышение эффективности получения алюминия за счет использования переменного тока. 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система для углетермического получения алюминия, включающая в себя:

углетермический реактор, содержащий

камеру, предназначенную для содержания расплавленной ванны, по меньшей мере частично образованную наружной оболочкой и днищем углетермического реактора,

первый комплект входящих сбоку электродов, проходящих сквозь наружную оболочку и сообщающихся с камерой,

второй комплект входящих сбоку электродов, проходящих сквозь наружную оболочку и сообщающихся с камерой,

единственный входящий сверху электрод, сообщающийся с камерой, при этом входящий сверху электрод способен двигаться в направлениях вверх-вниз, и

крышку, по существу закрывающую камеру, при этом крышка выполнена с первым проемом для приема единственного входящего сверху электрода и с по меньшей мере одним дополнительным проемом для приема подаваемой в камеру шихты, и

источник электропитания, находящийся в электрическом соединении с первым и вторым комплектами входящих сбоку электродов, выполненный с возможностью подачи различной фазы напряжения на каждый электрод первого комплекта входящих сбоку электродов или наложения фазового сдвига на каждом электроде первого комплекта входящих сбоку электродов, и

при этом источник электропитания выполнен с возможностью подачи различной фазы напряжения на каждый электрод второго комплекта входящих сбоку электродов или наложения фазового сдвига на каждом электроде второго комплекта входящих сбоку электродов.

2. Система по п.1, в которой во время работы реактора, когда входящий сверху электрод находится в первом положении, ток проходит через расплавленную ванну в конфигурации треугольник.

3. Система по п.2, в которой во время работы реактора, когда входящий сверху электрод находится во втором положении, ток проходит через расплавленную ванну в конфигурации звезда.

4. Система по п.1, которая дополнительно содержит внутреннюю стенку, взаимосвязанную с крышкой и простирающуюся по направлению к днищу реактора, при этом внутренняя стенка по меньшей мере частично охватывает часть входящего сверху электрода.

5. Система по п.4, в которой внутренняя стенка взаимосвязана с системой подачи охлаждения.

6. Система по п.4, в которой во внутренней стенке выполнено по меньшей мере одно отверстие, причем упомянутое по меньшей мере одно отверстие находится в проточном сообщении с упомянутым по меньшей мере одним дополнительным проемом в крышке, тем самым способствуя прохождению отходящего газа из камеры в упомянутый по меньшей мере один дополнительный проем во время работы реактора.

7. Система по п.6, которая дополнительно содержит питатель, проточно взаимосвязанный с упомянутым по меньшей мере одним дополнительным проемом, при этом питатель выполнен с возможностью подачи шихты в реактор через упомянутый по меньшей мере один дополнительный проем, тем самым способствуя взаимодействию между покидающим реактор отходящим газом и поступающими в реактор шихтовыми материалами.

8. Система по п.7, в которой питатель содержит подвижный элемент, расположенный вблизи упомянутого по меньшей мере одного дополнительного проема и выполненный с возможностью проталкивания шихты в упомянутый по меньшей мере один дополнительный проем.

9. Система по п.7, в которой питатель содержит нагреватель для предварительного нагрева шихтовых материалов перед подачей их в реактор.

10. Система по п.7, в которой питатель содержит бункер.

11. Система по п. 4, в которой внутренняя стенка погружена своей донной частью в расплавленную ванну.

12. Система по п.11, в которой внутренняя стенка, по меньшей мере, частично отделяет входящий сверху электрод от расплавленного металлического алюминия расплавленной ванны.

13. Система по п.4, в которой между наружной поверхностью входящего сверху электрода и внутренней стенкой имеется кольцевое пространство.

14. Система по п. 1, в которой первый комплект входящих сбоку электродов совмещен с первой горизонтальной плоскостью, а второй комплект входящих сбоку электродов совмещен со второй горизонтальной плоскостью, при этом первая горизонтальная плоскость отличается от второй горизонтальной плоскости.

15. Система по п.14, в которой первая горизонтальная плоскость находится выше второй горизонтальной плоскости.

16. Система по п.14, в которой вторая горизонтальная плоскость находится выше первой горизонтальной плоскости.

17. Система по п.1, в которой электроды первого комплекта входящих сбоку электродов расположены эквидистантно один от другого вокруг периметра наружной оболочки, при этом источник электропитания выполнен с возможностью подачи регулируемой величины каждой фазы напряжения на каждый электрод.

18. Система по п. 1, которая дополнительно содержит третий комплект входящих сбоку электродов, проходящих сквозь наружную оболочку и сообщающихся с камерой, и четвертый комплект входящих сбоку электродов, проходящих сквозь наружную оболочку и сообщающихся с камерой.

19. Система по п.18, в которой третий комплект входящих сбоку электродов горизонтально совмещен с первым комплектом входящих сбоку электродов, а четвертый комплект входящих сбоку электродов горизонтально совмещен со вторым комплектом входящих сбоку электродов.