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Verfahren und Schachtofen zur Gewinnung von Aluminium aus einem aluminiumhaltigen
Material durch Subhalogeniddestillation Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und einen Schachtofen zur Gewinnung von Aluminium aus einem aluminiumhaltigen Material
durch Subhalogeniddestillation, wobei eine sich abwärts bewegende Säule körnigen
aluminiumhaltigen Materials mit einem aufwärts fließenden Strom eines gasförmigen
Aluminiumtrihalogenides in Berührung gebracht wird.
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Bekanntlich wird die Subhalogeniddestillation bei Temperaturen im
Bereich zwischen 1000 und 1400° C, vorzugsweise zwischen etwa 1200 und l300° C,
durchgeführt. Dabei wird das aluminiumhaltige Material, beispielsweise eine carbothermische
Aluminiumlegierung, die durch direkte Reduktion von Bauxit mit Koks erhalten wird,
bei einer geeigneten innerhalb des genannten Temperaturbereichs liegenden Temperatur
mit einem gasförmigen Aluminiumtrihalogenid, in der Regel Aluminiumtrichlorid, in
Berührung gebracht. Dabei entsteht das entsprechende gasförmige Aluminiummonohalogenid.
Die Reaktion ist stark endotherm und reversibel, so daß das entstehende gasförmige
Aluminiummonohalogenid bei Abkühlung unter Bildung metallischen Aluminiums und des
entsprechenden Aluminiumtrihalogenids dissoziiert wird. Das metallische Aluminium
kondensiert aus, während das Aluminiumtrihalogenid in der Gasphase verbleibt, aufgefangen
und in die Reaktionszone zurückgeführt werden kann.
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Bei der Durchführung des Verfahrens in der oben beschriebenen Weise,
wobei die sich abwärts bewegende Säule im Gegenstrom mit dem gasförmigen Aluminiumtrihalogenid
in Berührung gebracht wird, spielt die Wahl der richtigen Betriebstemperatur eine
große Rolle, weil bei einer Temperatursteigerung die mechanische Festigkeit einer
Aluminiumlegierung mit sehr geringem Aluminiumgehalt deutlich abnimmt. Für die Durchführbarkeit
des Verfahrens mit gutem Wirkungsgrad ist es außerordentlich wichtig, daß die Körnchen
des aluminiumhaltigen Materials am unteren Ende der Säule nicht so zusammengequetscht
werden, daß die Oberfläche bzw. Austauschfläche für den Durchgang des gasförmigen
A@luminiumtrihalogeni,ds zu stark reduziert wird. Dieser Verlust an mechanischer
Festigkeit beschränkt beispielsweise die Reaktionstemperatur bei der Behandlung
einer carbothermischen Legierung auf Temperaturen bis etwa 1300° C. Andererseits
ist es bekannt, daß eine frische, verhältnismäßig wenig extrahierte carbothermische
Legierung auch noch bei einer höheren Temperatur von etwa 1350° C verhältnismäßig
fest ist. Diese Erkenntnis macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze, indem
einerseits die für die Aufrechterhaltung der gewünschten mechanischen Festigkeit
im unteren Teil der Säule notwendige Medrigere Temperatur in diesem Bereich eingestellt
und die für die Durchführung der Reaktion gewünschte höhere Temperatur im oberen
Bereich der Säule eingestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher dadurch
gekennzeichnet, da.ß der obere Teil der Säule des aluminiumhaltigen Materials auf
einer höheren, vorzugsweise um etwa 5 bis 75' C höheren Temperatur gehalten
wird als der untere Teil der Säule.
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Zweckmäßigerweise verwendet man zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens als aluminiumhaltiges Material die schon genannte carbothermische Legierung,
d. h. eine durch direkte Reduktion von Bauxit mit Koks erzeugte Aluminiumlegierung.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man-also
bei guter Aluminiumausbeute den oberen Teil der Legierungsmasse auf eine Temperatur
im Bereich von über 1300 bis etwa 1350° C und den unteren Teil der Legierungsmasse
in
der Säule auf eine Temperatur von etwa 1300° C halten. Die Temperatureinstellung
erfolgt dabei zweckmäßigerweise dadurch, daß man einen elektrischen Strom durch
die Legierung schickt, vorzugsweise im oberen Teil der Säule einen Strom mit wesentlich
höherer Energiedichte als durch den unteren Teil der Säule. Dies läßt sich beispielsweise
so bewerkstelligen, daß man durch den oberen Teil der Legierungsmasse einen Strom
mit der doppelten Energiedichte als durch den unteren Teil der Legierungsmasse schickt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich besonders
ein Schachtofen mit einem senkrecht angeordneten Ofenschacht, einem Gaseinlaß am
unteren Ende und einem Gasauslaß am oberen Ende sowie mit einer Beschickungsöffnung
für die frische körnige aluminiumhaltige Legierung am oberen Ende und mit einem
Auslaß für den Austrag der verbrauchten Legierung am unteren Ende des Ofenschachtes.
Ein derartiger Schachtofen zeichnet sich erfindungsgemäß noch dadurch aus, daß zur
elektrothermischen Beheizung und zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Temperaturbereiche
der Beschickung aus der körnigen aluminiumhaltigen Legierung mindestens zwei, vorzugsweise
vier Graphitelektroden im oberen und unteren Teil und dazwischen in der Mitte des
Ofenschachtes eingebaut sind.
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Bei einem derartigen Schachtofen bestimmt der Stromfluß bzw. die Energiedichte
und die Geschwindigkeit des Durchsatzes bzw. Einsatzes an Aluminiumtrihalogenid
pro Zeiteinheit die Legierungstemperatur.
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Während bei bekannten Schachtöfen die Energiedichte im oberen Teil
nur wenig höher als im unteren Teil des Schachtofens ist und infolge von Wärmeübergang
die Temperatur am oberen Ende der Reaktionszone sogar niedriger sein kann als die
Temperatur am unteren Ende der Säule, sind die Verhältnisse bei dem erfindungsgemäßen
Schachtofen bei entsprechender Verfahrensführung umgekehrt, so
| Erzeugung |
| 32 kg m9/h i 64 kg%ml-h I 128 kg/ms/h |
| Temperatur am oberen Ende des Schachtofens ..... 1260°
C l270° C 1280° C |
| Temperatur in einem Drittel der Höhe von oben ...
1265° C 1280` C 1310° C |
| Temperatur in zwei Drittel der Höhe von oben ..... l290°
C 1330° C l390° C |
| Temperatur am unteren Ende des Schachtofens .... 1300°C
1350° C 1420c 'C |
Die in obiger Tabelle enthaltenen Temperaturwerte lassen erkennen, daß bei einer
Steigerung der Ausbeute durch Vergrößerung der Menge des durchströmenden Gases eine
deutliche und unerwünschte Temperaturzunahme der Legierung am unteren Ende des Schachtofens
eintritt, also gerade an der Stelle, wo die Legierung der größten Druckbeanspruchung
durch die darüberliegende Säule ausgesetzt ist.
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Dadurch, daß man erfindungsgemäß dafür sorgt, daß der gemäß obiger
Tabelle von oben nach unten positiv verlaufende Temperaturgradient umgekehrt wird,
läßt sich die Aluminiumausbeute im Schachtofen erhöhen, ohne daß die unangenehm
hohen Temperaturen im unteren Bereich der Säule in Kauf genommen werden müssen.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Zwischenelektroden zwischen den oberen
und den unteren Elektroden daß sich am oberen Ende des Einsatzes eine höhere Temperatur
als am unteren Ende ausbildet.
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Bei einem bekannten Schachtofen kann die Energiedichte am unteren
Ende des Einsatzes beispielsweise 116 Wntt/dm3 und am oberen Ende etwa
176 Watt/dm3 betragen. Beim Betrieb eines derartigen Schachtofens erhält
man bei Annahme einer Energiedichte von etwa 35 Watt/dm3 im Legierungseinsatz eine
Aluminiumextraktion von rund 16 kg/h/3. Um eine derartige Ausbeute zu erzielen,
muß sich die Temperatur des Legierungseinsatzes von selbst so einstellen, daß der
genannte Massenübergang von Aluminium aus der Legierung in die Gasphase eintritt.
Da die chemische Reaktion sehr rasch verläuft, ist die den Ablauf des Gesamtverfahrens
bestimmende Geschwindigkeit derjenigen des Massenüberganges gleichzusetzen. Letztere
ist abhängig von Druck und Zusammensetzung des Gases in der Reaktionszone sowie
auch von der Zusammensetzung des Legierungseinsatzes und von dem örtlichen Grad
der Extraktion sowie der Temperatur.
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Bei einem gegebenen Schachtofen kann man eine Zunahme der Ausbeute
also dadurch erreichen, daß man die elektrische Leistung und die Gasdurchflußmenge
proportional zu der gewünschten Ausbeutezunahme erhöht. Die Zusammensetzung der
Legierung und der Gase bleibt bei der erhöhten Produktion in jeder Ebene des Einsatzes
innerhalb des Schachtofen unverändert. Die Wirkung von Druckschwankungen kann dabei
vernachlässigt werden.
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In der folgenden Tabelle sind die Temperaturen an vier Stellen eines
Schachtofens, nämlich oben, in einem Drittel der Höhe von oben, zwei Drittel der
Höhe von oben und unten, bei drei verschiedenen Ausbeuten angegeben. Die Höhe des
Schachtofens betrug 12,2 m. Der Ofen wurde mit einem Druck am Auslaß von 1 atm und
mit einer Ausbeute von 97,511/o betrieben. Am Auslaß hatten sich 2511/o des Aluminiumtrichlorids
in Aluminiummonochiorid umgewandelt. Die Korngröße der für den Einsatz verwendeten
Legierung betrug etwa 25 mm. läßt sich die Temperatur entlang der Säule im Schachtofen
wesentlich besser als bei bekannten Anordnungen regulieren. Durch Anordnung einer
derartigen Zwischenelektrode ist es beispielsweise mölich, die weiter oben bei einem
Schachtofen bekannter Bauart genannten Energiedichten von 116 Watt/dm3 im unteren
Teil des Einsatzes und von 176 Watt/dm3 im oberen Teil des Einsatzes auf 70 bis
116 Watt/dm3 im unteren Teil zu verändern und im oberen Teil auf mindestens 282
Watt/dms zu erhöhen. Allein durch die Erhöhung der Energiedichte im oberen Teil
des Konverters läßt sich die Ausbeute unter Aufrechterhaltung der bisherigen Durchflußmenge
an Gas und bei gleichem Extraktionsgrad merklich erhöhen.
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Wird beispielsweise durch Temperaturerhöhung am oberen Ende der Säule
die Umwandlung am Auslaß von 25 auf 40 % gesteigert und die Menge des
eintretenden
Gasstroms konstant gehalten, nimmt die Ausbeute bzw. der Wirkungsgrad des Schachtofens
um 60% zu. In der nachstehenden Tabelle sind die
| Erzeugung (im Oberteil) |
| rund 32 kg/ms/h i rund 64 kg/mg/h ( rund 128 kg/ms/h I rund
256 kg/m3/h |
| Temperatur am oberen Ende des Schachtofens I 1300° C 1310°
C 1325° C 1350° C |
Zweckmäßigerweise erhöht man die Energiedichte nicht nur am oberen Ende der Säule
des Einsatzes, sondern über einen beträchtlichen Teil des Einsatzes nach unten.
Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung
einer Zwischenelektrode ist es erwünscht, die Zwischenelektrode so anzuordnen, daß
die Energiedichte in der Zone von der oberen Elektrode bis herab zu der Stelle,
wo dem Einsatz bereits etwa 50 bis 60% seines ursprünglichen Aluminiumgehalts entzogen
worden sind, ungefähr doppelt so groß ist wie am Boden.
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Betreibt man beispielsweise einen Schachtofen mit einer Ausbeute von
32 kg/m3/h unter der Zwischenelektrode sowie von 64 kg/m3/h über der Zwischenelektrode,
so stellt sich eine Temperatur im oberen Teil der Säule von 1310° C ein, während
sie am unteren Ende bis zu 1300° C betragen wurde. Je nach der pro Zeiteinheit gewünschten
Ausbeute lassen sich selbstverständlich auch höhere und niedrigere Temperaturen
am oberen und unteren Ende des Schachtofens einstellen. Die Temperaturwahl hängt
neben der Ausbeute, wie bereits erwähnt, noch von der Zusammensetzung und den physikalischen
Eigenschaften der Legierung im Einsatz ab. Eine Temperaturerhöhung am oberen Ende
des Schachtofens würde eine Ausbeutesteigerung bedeuten und zu einer durchschnittlichen
Erzeugung von mehr als 160 kg/m3/h führen. Bei der praktischen Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt man jedoch Ausbeuten von etwa 96 bis 128
kg/m3/h.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schachtofens schematisch dargestellt.
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Der Schachtofen 10 ist mit einer feuerfesten Auskleidung
11 versehen und weist oben eine Öffnung 12
zum Einbringen des Legierungseinsatzes
auf. In seinem oberen Teil ist weiter eine Öffnung 14 für die Ableitung der gasförmigen
Reaktionsprodukte, d. h. zum Austrag von Aluminiumtrichlorid und Aluminiummonochlorid
vorgesehen, welches durch die Leitung 15 einem in der Zeichnung nicht dargestellten
Kondensator zugeführt wird, in welchem das Aluminiummonohalogenid unter Verwendung
von metallischem Aluminium desproportioniert wird. Das dabei entstehende Aluminiumtrichlorid
kann dem Ofen durch die Leitung 16 wieder zugeführt werden. Die Leitung 18 mündet
in den ringförmigen Einlaßkanal 16, der sich über den Gesamtumfang des Ofens 10
erstreckt.
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Am Boden des Ofens 10 ist eine kegelförmige Austragsvorrichtung 19
für die Feststoffe vorgesehen. Der Kegel 19 ist mit einer Welle
20 zentrisch verbunden und kann von derselben gedreht werden. Durch Variation
der Drehzahl der Welle 20 läßt sich so der Abfluß der verbrauchten extrahierten
Legierung aus dem Bodendes Schachtofens 10 durch den Temperaturen am oberen und
unteren Ende des Schachtofens für verschiedene spezifische Ausbeuten an raffiniertem
Aluminium angegeben: Kanal 21 regeln. Der Kanal 21 steht mit der kreisringförmigen
Bodenaustragsöffnung 22 in Verbindung.
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Um einen besseren thermischen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es erwünscht,
mindestens einen Teil des dem Schachtofen 10 zugeführten gasförmigen Aluminiumtrihalogenids
im Gegenstrom mit der den Konverter verlassenden, heißen, verbrauchten Legierung
zu führen. Dies kann in der Weise erfolgen, daß man ein Aluminiumtrihalogenid von
verhältnismäßig niedriger Temperatur durch die Rohrleitung 24 dem Kanal
21 zuführt, wobei es mit der darin abgelagerten, heißen, verbrauchten Legierung
in Berührung kommt, bevor es in den unteren Teil des Schachtofens eintritt.
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Im oberen Teil des Schachtofens 10 ist ein Satz Graphitelektroden
25 angeordnet. Diese sind so eingebaut, daß sie mit der Oberfläche der Auskleidung
11 fluchten und in elektrischem Kontakt mit dem Einsatz bzw. der Säule 26
aus dem aluminiumhaltigen Material stehen. Im unteren Teil des Schachtofens ist
ein weiterer Satz Graphitelektroden 28 in gleicher Weise wie der obere Satz eingebaut.
Zwischen den beiden Elektrodensätzen 25, 28 ist ein dritter Satz 29 von Zwischenelektroden
in der gleichen Weise eingebaut. Wie man aus der Zeichnung erkennt, gehören zu jedem
Elektrodensatz 25, 28, 29 vier Elektroden, die in gleichmäßigen Abständen auf den
Umfang verteilt, also jeweils 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind. Ferner
sind in der Zeichnung nicht dargestellte, geeignete Einrichtungen vorgesehen, um
zwischen den Elektroden 28, 29 sowie 29, 25 ein geeignetes Spannungsgefälle aufrechtzuerhalten,,
damit zwischen denselben ein Strom mit einer ausreichenden Energiedichte fließt,
um die gewünschten Temperaturen in den verschiedenen Zonen des Schachtofens zu gewährleisten.
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Beim stetigen Betrieb des Schachtofens unter Gleichgewichtsbedingungen
wird der frische Legierungseinsatz durch die Öffnung 12 hindurch stetig eingeführt
und die heiße verbrauchte Legierung durch den Auslaß 22 und den Kanal 21 hindurch
gleichfalls stetig abgeführt. Eine Abwärmeverwertung erfolgt durch einen direkten
Wärmeaustausch in der beschriebenen Weise im Gegenstrom zwischen der ausgetragenen,
heißen, verbrauchten Legierung und dem verhältnismäßig kühlen Aluminiumtrichlorid,
das in den unteren Teil des Schachtofens durch die Leitung 24 und den Auslaß 22
für die verbrauchte Legierung eingeführt wird. Die Stromdichte im unteren Teil des
Legierungseinsatzes im Schachtofen kann etwa 35 bis 140 Watt/dms betragen, während
sie im oberen Teil 176 bis 353 Watt/dm3 betragen kann. Dabei stellt sich am unteren
Ende des Einsatzes eine Temperatur von 1250 bis 1280° C und im oberen Teil eine
Temperatur von 1300 bis 1350° C ein.