Способ получения алюминия и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК C22B21/02 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к технологии получения алюминия и используемым в этом процессе конструкциям.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса путем обеспечершя его непрерывности.

Согласно предлагаемому способу смесь из окиси апюминия и углерода агломерируется, каждая частичка агломерата окружается углеродом и/ /илн графитом, изготовленные таким Образом частички (тепа) коксуются в плотно упакованной засыпке и восстанавливаются, и алюминий извлекается алюмофторидом из полученного таким образом карбида алюминия.

Согласно технологии загружают пригодный материал и проводят его предварительную обработку. Для, этого мелко измельченную окись алюминия смешивают со способным связываться носителем углерода, например углеродными связующими, такими, как деготь, пек, смола или, в особенности, так называемыми экстрактивными веществами, полученными из Каменного угля с помощью растворителей или под давлением. Свежая смесь из окиси алюминия и углродного связующего агломерируется в маленькие заготовки (окатыши),

Окатыши могут иметь форму изометрических далиндров, шаров или брикетов в виде подушек и в большом числе отформовываться на кольцевых валках или настольных прессах. Угатотненная и отформованная смесь из окиси алюминия и углеродистого связующего затем охватывается оболочкой только из углерода. Для образования оболоче служит пластически формуемая масс, которая готовится, например, из порошка нефтяного кокса и пека. Форно ванная заготовка засыпаемого материала сравнима с орехом, причем в качестве ядра применяется смесь из окиси алюминия и углеродистого связующего, а в качестве оболочки - малозольный порошок кокса и пека. Углеродная оболочка может быть получена опрессовкой или накаткой, как при получении окатышей.

Сырые заготовки сразу после изго товления коксуют. При этом пек в оболочке и углеродистое свяэукяцее в ядре превращаются в твердый углерод или кокс. Коксуемый пек в оболочке должен выполнять задачу хорошего свя

. 53433J

зующего кокса, так как к углеродистой оболочке предъявляются требования высокой прочности. Углеродистая оболочка и дальше должна быть стойкой к

5 давлению, удару и истиранию. Толщина ее стенки выбирается такой, чтобы оболочка смеси, находящейся в ядре окатыша, удовлетворяла механическим нагрузкам, которым подвергается ока10 тыш. Коксующаяся оболочка, кроме того, .должна проводить электрический ток, так как предусматривается электрический резистивныЙ нагрев окатышей. В засыпке или упаковке из фор15 мованных окатышей ток, главным обра- . зом, течет от окатыша к окатышу по углеродным оболочкам. При восстанов- лении окиси алюминия с углеродом в карбид апюминия углеродная оболочка

20 в изменяющихся условиях электрического сопротивления и подвода тепла остается стабильной при изменениях ядра во время восстановления. Редукционный газ оставляет ядро по порам,

25 имеющимся в угл родной оболочке. Кроме того, углеродистая оболочка служит в качестве маленькой транспортной емкости для продукта реак- гщи - карбида алюминия.

30 Прочность смеси ядра из окиси и кокса имеет подчиненное значение. Коксовый остаток углеродистого связующего в смеси ядра должен служить в качестве восстанавливающего угле35 рода для окиси алюминия и быть достаточным для восстановления до карбида алюминия. В откоксеванной смеси ядра, например, содержание кокса или восстанавливакйдего углерода должно составлять около 30-35%.

40

Перед введением в электрические восстановительные печи сырые заготовки должны быть откоксованы или обожжены. Обжиг происходит либо от дельно от восстановительной печи в . шахтных, туннельных или вращаюищхся цилиндрических печах до температуры около 800-1000 С, либо окатыши могут обжигаться непосредственно на

50 предварительной ступени восстановительной печи. Так как формованные окатыши все равно должны быть нагре- .ты до температуры восстановления, то при использовании комбинированной

55 печи для обжига и восстановления экономится энергия.

Предлагаемый способ получения карбидов с помощью алюминия может

быть также применен и для других образующих карбиды трудновосстанавливаемых металлов, таких как бор, кремний, титан, цирконий, титан, ниобий, молибден, вольфрам или уран, при восстановлении которых в дуговых печах возникают те же трудности, что и при электротермическом восстановлении . При этом карбиды названных металлов могут получаться непрерьгоно, в то время как все известные способы получения карбидов этих металлов дискретные. Становится возможным непрерывно получать тугоплавкие бориды, например бориды ти- тана или циркония, непосредственно из соответствукяцих окислов.

Карбид алюминия, содержащийся в капсуле из углерода и полученный в ходе карботермического восстановле- ния из окиси алюминия, представляет собой промежуточный продукт, из которого может быть выделен алкашннй. Извлечение алюминия происходит с помощью газообразного фторида алюми- ния AlFj при температуре вьпие (AlFj сублимируется при температуре около 1100 С). Известно что фторид алюминия при высоких температурах реагирует с алюминием, образуя газо- образный субфторид алюминия A1F, который при понижении температуры снова превращается путем реакции окис- ления:-восстановления в алюминий и фторид алюминия. Транспортная реакци через субфторид алюминия может быть применена для вьщеления алюминия из его карбида. Для превращения карбида с фторидом алюминия в субфторид аг(юминия необходима темпера- тура 1500-1600°С.

В замкнутой реакционной камере пр реакций окисления-восстановления (в алкминий и фторид алюминия) субфторида алюминия поддерживается раз- ность температур, позволяющая обесточить автоматический круговой процесс извлечения алюминия.

На чертеже схематично представлен реактор дпя извлечения алюминия предлагаемым способом.

Реактор состоит из центральной цилиндрической камеры 1 и кольцевой камеры 2, Центральная камера образуется толстостенной гра я товой трубо 3 с наклонными окнами 4. Графитовая труба из-за своих больших размеров собирается из отдельных, вставляемых

510 t5

20 25 JQ ,

5

5

друг в друга колец. Сверху и снизу графитовая труба заканчивается присоединительными кольцами 5 из графита , в которые ввинчиваются токопод- водящие болты 6. Контактный прижим меяиу трубой из графита и присоединительными кольцами 5 обеспечивается пружиной 7 сжатия. Графитовая труба нагревается током резистивкьгм способом. По внешнему периметру реактор окружен кирпичами 8 с высоким содер- .жанием А1 ,0 .

Материал, содержащий карбид алюминия, через запираемую зону 9 подогрева с входной Температурой выше 1100°С подается в центральную камеру для реакций. Углеродный материал, оставшийся после извлечения алюминия, выпускается через охлаждаемую камеру и выводной диск 10 с заслонками 11. При вводе в эксплуатацию центральная камера реактора заполняется наряду с материалом, содержащим карбид алюминия, также и фтор11дом алюминия. При имеющейся в камере реактора температуре 1500-1600 0 фторид испаряется. Он конденсируется в слой 12 на стенке реактора. Слой фторида алюминия действует как дополнительная теплоизоляция, и его толщина растет при достаточном количестве A1F до тех пор, пока температура на внутренней поверхности слоя 12 не поднимется вьше 1100 С и AlFj не сможет больше конденсироваться. Тем самым внутри реактора создается атмосфера A1F . В центральной камере 1 A1F, при 1500-1600 с реагирует с карбидом алюминия с образованием AlF, который затем путем диффузии подводится к более холодной стенке реактора или к сконденсировавшемуся слою из AlFj , где он снова путем реакций окисления-восстановления превращается в алюминий в газообразный AlF. Таким образом алюминий постоянно транспортируется из внутренней зоны графитовой трубы через окна и кольцевую камеру к окружающей стенке. Там вьщелившийся а.тпоминий течет по стенке вниз, собирается на днище 13 кольцевой камеры и через выпускное отверстие 14 выпускается дискретно или через сифон (не показан) - непрерывно .

Температура предназначенного для извлечения алюминия засыпного материала в переходной зоне от зоны предварительного нагрева к центральной камере реактора должна быть выше, чем температура конденсации на наружных поверхностях слоя, чтобы на засыпном материале не осаждался алюминий. Подвод засьшного материала в реактор для извлечения алюминия происходит через загрузочное отверстие 15 и огнеупорную запирающую заслонку 16, открываемую при заполнении.

Загрузочное устройство может так же иметь и другую конструкцию, например, в виде конусного или клапанного затворов. Температура выгружаемого материала, остающегося после извлечения (алюминия) углеродного материала, должна быть вьше температуры наружных поверхностей слоя. В верхнем участке охлаждаемой зоны

17 остатки углерода создают теплоизо- 20 ванные при экструдировании зубья.

ляцию снизу и тем самым препятствуют местному превращению A1F в А1 и A1F в ходе реакций окисления-восстановления.

Реактор для извлечения алюминия может иметь гдалиндрическое или прямоугольное поперечное сечение. Он может состоять из нескольких реакторов, собранных в одну батарею.

Смесь из окиси алюминия и углеро- зо и элементом резистивного нагрева нада окружается стабильной углеродной оболочкой, и ядро из С в восстановительной печи восстанавливается в карбид алюминия. Целесообразно, чтобы углеродная оболочка перед входом в реактор была разрушена или взорвана для обеспечения бо- лее легкого доступа к карбиду алюминия. Выходящий из реактора углеродный материал возвращается в технологический цикл, т.е. снова используется для подготовки смеси А1.2,0з-углерода или для получения углеродной оболочки.

Согласно другому варианту можно |Использовать -заранее изготовленную емкость из углерода или графита для приема смеси из окиси алкя«1иния-угле- рода-связующего. Тогда нет необходимости в том, чтобы углеродные оболоч-jg капелек алюминия. Кроме того, в воски со всех сторон закрывали смесь из А1.0,-С. Предпочтительными являются формы сосудов, открытые с одной или двух сторон, такие как цилиндрические тигли или гильзы. Заранее изготовленные емкости из угля или графита исI

55

становительные печи к разгрузочным частям можно подводить водород или азот, чтобы с помощью водорода улучшить условия восстановления или, в случае применения азота, получить карбонктриды.

2534336

пользуются несколько раз в рабочем - цикле до их замены из-за износа или разрушения.

При использовании заранее изготовt ленной емкости способ осуществляют следующим образом.

Из пригодной углеродной массы на пресс-экструдере прессуются трубы, обжигаемые в кольцевой печи для обJO жига. Угольные трубы делятся на одинаковые по величине отрезки, т.е. на гильзы или кольца. Заранее изготовленные угольные гильзы заполняются с помощью запрессовьшания пластичной сме15 СЬЮ из окиси алюминия, порошка нефтяного кокса и связующего на базе смо-г лы. Чтобы лучше удержать смесь в уг- . леродных гильзах последние могут иметь направленные внутрь и отформоЗаполненные гильзы служат в качестве засыпного материала, как для восстановительной печи, так и для реактора при получения алюминия. 25 В шихте восстановительной печи коксуется масса из AljOi-C-связунлцего и в зоне восстановления восстанавливается до карбида алюминия, Углеродная гильза является опорным кор пусом

ходящейся в ней массы из . В шахтной части масса из -С-свя- зующего теряет 5-20% своего веса и .. при этом усаживается. Коксуемая масса

AljOi,-C при восстановлении до карбида алюминия также теряет (до 55%) веса при небольшой усадке.

Карбид алюминия образует пористую рыхлую раздавливаемую структуру. В

реакторе для извлечения алюминия полые пространства между несуашми гильзами из углерода способствуют хорошему диффузионному обмену, т.е. подводу газообразного A1F к карбиду

алюминия и отводу газообразного AlF.

В реактор желательна небольшая добавка фторида кальция и/или фторида магния к фториду алюминия (до 5 мае.%) для коагуляции вьщеленных

становительные печи к разгрузочным частям можно подводить водород или азот, чтобы с помощью водорода улучшить условия восстановления или, в случае применения азота, получить карбонктриды.

1. Способ получения , включающий термообработку окиси алюминия в присутствии углерода, взаи- модейстАе полученного продукта, содержащего карбид и алюми- нийтрифторид, при нагревании с образованием алюминийсубфторида и разложение субфторида до алюминия и алю- минийтрифторида, отличающий- с я тем, что, с целью повышения эффективнос:ти процесса путем обеспечения его непрерывности, перед термообработкой осуществляют агломерацию исходного материала с покрытием агломерационных частиц углеродом, нагревание проводят резистивньм способом, а разложение осуществляют конденсацией с помощью слоя нийтрифторида при 1100°С. 2. Устройство для получения алюминия, выполненное в виде реактора шахтного типа, отличающее- с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса путем обеспечения его непрерьшности, реактор снабжен вертикальной ретортой, выполненной из графита со сквозными щелями, расположенными под углом к стенке шахты реактора, при этом расстояние между стенками шахты реактора и реторты составляет 20-25 см, а нижний конец реактора выполнен со средством для отвода металла. СО д 00 й| 00 00