DE2724168C2

DE2724168C2 - Verfahren zur kontinuierlichen carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid

Info

Publication number: DE2724168C2
Application number: DE2724168A
Authority: DE
Inventors: Ernest William Arvida Quebec Dewing; Jean-Paul Robert Kingston Ontario Huni; Raman Radha Arvida Quebec Sood; Frederick William Kingston Ontario Southam
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1985-09-19
Also published as: CH637164A5; FR2352889A1; NO152566C; JPS52146708A; FR2352889B1; AU2543677A; PL198446A1; NO152566B; US4213599A; HU176637B; DE2724168A1; SU1055340A3; NO771867L; GB1590431A; ES459180A1; US4099959A; IN155948B; AU509732B2; CA1084974A; BR7703468A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid.

Die direkte carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid wird in den US-Patentschriften 28 29 961 und 74 032 beschrieben und die wissenschaftlichen Grundlagen der bei diesem Verfahren angewendeten Chemie und Thermodynamik sind allgemein bekannt (PT. Stroup, Trans. Met. Soc. AIME, 230, 356-72 (1964), W.L Worrell, Can. Met. Quarterly, 4,87-95 (1965), CN.

Cochran, Metal-Slag-Gas Reactions and Processes, 299—316 (1975) sowie die anderen dort angeführten Literaturstellen). Dennoch wurdt bisher kein technisches Verfahren, das auf diesen Prinzipien basiert, entwickelt, was zum großen Teil auf den Schwierigkeiten beruht die erforderliche Wärme in die Reaktion einzuführen und das außerordentlich heiße Gas, das während der Reaktion gebildet wird und welches erhebliche Mengen an Aluminiumwerten enthält, zu handhaben. Beispielsweise wird beim Verfahren gemäß US-PS 29 74032 das Erhitzen der Reaktionsmischung von oben mit einem offenen Bogen von Kohleelektroden gefordert; eine erhebliche örtliche Überhitzung ist unvermeidbar, wodurch die Schwierigkeiten hinsichtlich

is der Rauchprobleme erhöht werden und außerdem sind offene Bögen elektrisch von geringer Wirksamkeit und die Kohleelektroden werden einer sehr aggressiven

Umgebung ausgesetzt Es ist schon seit langem bekannt (US-PS 28 29 961),

daß die Gesamtreaktion

Al₂O₃+ 3C-2Al+ 3CO

stattfindet oder daß sie in zwei Stufen vorgenommen werden kann

2 Al₂G₃ + 9 C - AL₄C₃ + 6 CO

und

Al₄C₃ + Al₂O₃ - 6 Al + 3 CO

Wegen der niedrigeren Temperatur und der niedrigeren thermodynamischen Aktivität von Aluminium, bei welcher die Reaktion (ii) stattfinden kann, ist die Konzentration an Rauch (in Form von gasförmigem Al und gasförmigem Al₂O) die mit dem Reaktionsgas bei der Reaktion (ii) abgeführt wird, viel niedriger, wenn sie bei einer Temperatur, die für diese Reaktion angemessen ist vorgenommen wird, als die Konzentration an Rauch, die in dem Gas bei einer für die Reaktion (iii) angemessenen Temperatur abgeführt wird. Außerdem ist das Volumen an CO bei der Reaktion (iii) nur halb so groß wie das Volumen bei der Reaktion (ii).

Beide der angegebenen Reaktionsstufen sind endotherm und es sind Daten bekannt daß die für jede der beiden Stufen benötigte Energie in der gleichen Größenordnung liegt So beschreibt die vorstehend genannte US-PS

so 28 29 961 ein Verfahren zur kontinuierlichen carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid, bei dem in einer Reaktionsstufe I nach Zugabe von Kohlenstoff zu einer Aluminiumoxidschmelze bei Temperaturen von wenigstens 1900⁰C eine Schmelze aus Aluminiumoxid und Aluminiumcarbid und anschließend in einer Reaktionsstufe II bei Temperaturen von 1980 bis 2100°C aus der Aluminiumoxid/Aluminiumcarbid-Schmelze Aluminium gebildet wird. In Spalte 5, Zeile 13 kann der vorstehend genannten US-PS entnommen werden, daß das Verfahren in einem Lichtbogenofen durchgeführt wird. Dies bedeutet notwendigerweise, daß bei einer kontinuierlichen Verfahrensweise das ganze Kohlenmonoxid in der ersten Zone emittiert wird und daher die Menge an Aluminium- und Al₂O-Rauch, welcher aus dem System entfernt wird, sehr hoch ist Außerdem kann aus US-PS 28 29 961 nicht abgeleitet werden, die zwei Reaktionsstufen in verschiedenen Zonen gleichzeitig durchzuführen.

Ein Nachteil des Verfahrens gemäß der vorstehend genannten US-PS 28 29 961 liegt darin, daß das gesamte gebildete Kohlenmonoxid nach oben strömt und die Aluminiumschicht passiert, und anschließend die Vorrichtung bei der hoben Temperatur der aberschichteten Aluminiumschicht mit einem entsprechend hohen Rauchgehalt verlaßt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Verfügung zu steilen, wobei die Nachteile des bekannten Verfahrens dadurch vermieden werden, daß das Verfahren in zwei getrennten Reaktionszonen mit zwei separaten Gasentwicklungsstadien durchgeführt wird. Die Hauptmenge des entwickelten Kohlenmonoxids kann dabei bei verhältnismäßig niedriger Temperatur und einem relativ niedrigen Rauchgehalt die Vorrichtung verlassen. Dazu ist erforderlich, beim Obergang von der Reaktionszone für die Reaktionsstufe I zur Zone für die Reaktionsstufe II eine entsprechende Heizvorrichtung vorzusehen.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst

In den Ansprüchen 2 bis 4 sind weitere Ausbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1 angegeben.

Die vorliegende Erfindung beruht darauf, daß man einen umlaufenden Strom aus geschmolzener Aluminiumoxid- bzw. Tonerdeschlacke bildet, welche Kohlenstoff in Form von Aluminiumcarbid oder -oxycarbid in kombinierter Form enthält daß man den Strom aus der geschmolzenen Aluminiumoxidschlacke durch ek:<e Zone niedriger Temperatur (die wenigstens zum Teil bei der Temperatur oder oberhalb der Temperatur gehalten wird, die für die Reaktion (ii) benötigt wird, aber unterhalb der Temperatur gehalten wird, die für die Reaktion (iii) benötigt wird) zirkuliert, daß man den Strom von geschmolzenem Aluminiumoxid einer Zone hoher Temperatur zuführt (die wenigstens zum Teil bei einer Temperatur gehalten wird, die bei oder oberhalb der für die Reaktion (iii) benötigten Temperatur liegt), daß man das gebildete metallische Aluminium sammelt und aus der Zone hoher Temperatur entfernt, daß man die geschmolzene Aluminiumoxid- bzw. Tonerdeschlakke von der Zone hoher Temperatur zu der gleichen oder einer nachfolgenden Zone niedriger Temperatur zurückführt, daß man Kohlenstoff in den umlaufenden Strom aus der geschmolzenen Aluminiumoxidschlacke in der Zone niedriger Temperatur zugibt und daß man Aluminiumoxid in den umlaufenden Strom einführt Die Einführung von Aluminiumoxid in den umlaufenden Strom kann an der gleichen Stelle oder an einer Stelle die verschieden von der Zugabe des Kohlenstoffs ist, erfolgen. Dabei ist es möglich, daß die geschmolzene Schlacke durch eine Zone niedriger Temperatur und eine Zone hoher Temperatur zirkuliert oder durch ein System zirkuliert welches aus einer Reihe von alternativ angeordneten Zonen niedriger Temperatur und Zonen hoher Temperatur besteht. Auch wenn eine Reihe von alternativ angeordneten Zonen niedriger Temperatur und hoher Temperatur vorliegt, ist es möglich, das Aluminiumoxid an einer einzigen Stelle zuzugeben.

Obwohl es möglich ist, das erfindungsgemäße Verfahren so durchzuführen, daß die geschmolzene Aluminiumoxidschlacke zwischen Zonen niedriger und hoher Temperatur im gleichen Gefäß zirkuliert wird, wird im allgemeinen bevorzugt daß diese Zonen in verschiedenen Gefäßen aufrechterhalten werden, so daß bei der Reaktion (iii) entwickelte Kohlenmonoxid getrennt von dem in der Reaktion (ii) gebildeten weggeführt werden kann, wodurch der Verlust an gasförmigem Aluminium und Aluminiumsuboxid vermindert wird.

Das gebildete Aluminium und wenigstens der größere Teil des bei der Reaktion (üi) entwickelten Gases werden vorzugsweise von der geschmolzenen Schlacke durch Schwerkrafteinfluß getrennt, indem man sie durch die geschmolzene Schlacke in der Zone hoher Temperatur aufsteigen läßt, so daß sich das gebildete

ίο Aluminium als obenauf schwimmende Schicht auf der Schlacke sammelt und das entwickelte Gas zu einer Gasausgangsleitung strömt, welche zu einer Vorrichtung für die Rauchentfernung führt.
Es liegen drei Gründe vor, Wärmeenergie in das Sys(em einzuführen, nämlich (a) um die Reaktion (ii) zu unterstützen, (b) um die Reaktion (üi) zu unterstützen und (c) um Wärmeverluste auszugleichen. Die gemäß (a) benötigte Wärme kann durch die Eigenwärme der Schlacke beim Eintreten in die Zone niedriger Temperatür zur Verfugung gestellt werden, falls die Wärmeverluste in dem Teil des Systems zwischen dem Punkt der Aluminiumbildung und der Gasbildung und der Zone niedriger Temperatur ausreichend vermindert werden können, ist es nicht erforderlich, irgendwelche zusätzliehe Energie in den Schlackestrom während des Durchflusses durch diesen Teil des Systems zuzuführen, weil er bereits eine ausreichende Eigenwärme hat In nahezu allen Fällen, bei denen elektrische Widerstandsheizung angewendet wird, findet in diesem Teil des Systems eine Wärmeerzeugung statt und dies kann dazu dienen, die verfügbare Wärmeenergie zum Antreiben der Reaktion (ii) zu erhöhen.

In der Zone niedriger Temperatur ist ein scharfer Temperaturabfall an dem Punkt an dem Kohlenstoff in den Schlackestrom eingegeben wird, und zwar wegen der endothermen Reaktionswärme der Reaktion (ii). Um die Temperatur der Schlacke beim Weiterlaufen von diesem Punkt zur Zone der hohen Temperatur zu erhöhen, wird Energie benötigt und daher wird der größte Teil oder die gesamte der benötigten Energie der Schlacke zugeführt, während dieses Fortschreitens und dem Fortschreiten durch die Zone hoher Temperatur bis zum Ende dieser Region, bei welcher Aluminium und Gas gebildet werden. Die Haupteinführung der Energie wird im allgemeinen erzielt indem man elektrischen Strom durch die Schmelze schickt Am einfachsten ist es, einen kontinuierlichen Strom durch die Schmelze zu schicken, wobei die physikalische Anordnung des Schlackestroms so vorgenommen wird, daß die größere

so Freigabe der Wärmeenergie erfolgt im Laufe des Fortschreitens der Schlacke von dem Punkt der niedrigsten Temperatur in der niedrigen Temperaturzone bis zu dem Ende der Region, bei welcher Aluminium und Gas gebildet werden.

Nach einer bevorzugten Verfahrensweise gemäß der Erfindung erzielt man die zyklische Bewegung der geschmolzenen Schlacke zwischen den Zonen, wo die Reaktionen (ii) und (iii) stattfinden und wobei in der Reaktion (ii) die Schlacke an AI4C3 angereichert wird und bei der Reaktion (iii) eine Verminderung an AI4C3 stattfindet unter gleichzeitiger Freigabe des Metalls, wenn man die in der Reaktion (iii) erzeugten Gasblasen als eine Gashubpumpe gebraucht. Vorzugsweise sind die Zonen zur Durchführung der Reaktionen (ii) und (iii) physikalisch voneinander getrennt aber es ist möglich, wenn auch weniger wünschenswert, die Reaktionen (ii) und (iii) in den unterschiedlichen Regionen eines einzigen Gefäßes vorzunehmen, wobei die elektrisch erhitzte ge-

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schmolzene Schlacke zwischen diesen verschiedenen gleich ist, was am Punkt Xder Fall ist; anschließend wird

Regionen durch den Gasauftrieb und/oder thermische bei weiterer Wärmezufuhr und/oder Abnahme des ört- Konvektion zirkuliert wird. liehen statischen Drucks (aufgrund der Flüssig/Gas-Mi- Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme schung) der Ablauf der Reaktion (iii) veranlaßt und der

auf die Zeichnungen näher beschrieben: 5 AUC3-Gehalt der Schmelze fällt ab. Bei einem konstan-

F i g. 1 zeigt einen Betriebszyklus nach einer bevor- ten Betrieb stellen sich die Bedingungen des Punktes U

zugten Verfahrensweise gemäß der vorliegenden Erfin- ein. Es ist offensichtlich, daß man zum Erzielen dieses

dung, Ergebnisses ein Gleichgewicht herstellen muß zwischen

F i g. 2 und 3 stellen jeweils eine Draufsicht und eine der Zufuhrgeschwindigkeit der Rohmaterialien, der

seitliche Ansicht einer einfachen Vorrichtung zur io Energiezugabe und der Umlaufgeschwindigkeit Der

Durchfahrung des Verfahrenszyklus gemäß F i g. 1 dar, durch das Dreieck UVX wiedergegebene Betriebszy- F i g. 4 stellt eine modifizierte Vorrichtung dar, klus ist idealisiert und die Werte von U und V, die in F i g. 5 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung ge- F i g. 1 angegeben sind, stellen nur eine mögliche Kom-

mäß F i g. 4 mit einem angeschlossenen Gasreiniger. bination von Betriebswerten dar.

F i g. 6 zeigt die Endansicht der Vorrichtung gemäß 15 Es ist wünschenswert mit einem Wert U, der so nahe F i g. 4, als möglich beim Punkt H liegt, zu arbeiten, um die F i g. 7 und 8 stellen jeweils Drauf- bzw. Seitenansich- Temperatur des entwickelten Gases so niedrig wie mög-

ten einer modifizierten Form der Apparaturen gemäß Hch zu halten und infolgedessen auch den Anteil an

F i g. 4 und 6 dar, Rauch. Versucht man jedoch, den Punkt V mit einer F i g. 9 und 10 stellen jeweils Drauf- und Seitenansich- 20 Zusammensetzung, die zu reich an AUC₃ ist, auszuwäh-

ten von weiter modifizierten Vorrichtungen zur Durch- len, d. h. unterhalb dem Punkt F, so fällt festes AUCj in

führung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, der Schlacke aus und dies ist unter Umständen uner-

F i g. 11 stellt eine Seitenansicht einer weiteren Modi- wünscht

fizierungsart der Vorrichtung gemäß F i g. 4 bis 6 dar, Obwohl Aluminiumoxid bzw. Tonerde mit dem Koh-

Fig. 12 und 13 stellen jeweils eine Drauf- bzw. Sei- 25 lenstoff in der Reaktionszone (ii) zugegeben werden tenansicht einer noch weiter modifizierten Art der Vor- kann, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Aluminiumrichtung gemäß F i g. 4 bis 6 dar, oxid kann der Region zugegeben werden, welche AIu-

F i g. 14 ist eine Seitenansicht einer nochmals weiter- miniummetall enthält, wobei möglicherweise ein vorteilmodifizierten Form der Apparaturen gemäß F i g. 4 bis hafter Abfall der in dem Metall gelösten Menge an 6, 30 AI4C3 erzielt wird. Da Aluminiumoxid dichter ist, fließt

Fig. 15 und 16 sind Drauf- bzw. Seitenansichten der es durch die obenauf schwimmende Schicht aus geApparaturen gemäß F i g. 4 bis 6 mit einer veränderten schmolzenem Metall in die geschmolzene Schlacke. Elektrodenanordnung, Falls die Aluminiumzufuhr nicht vollständig vorerhitzt

F i g. 17 ist eine Draufsicht einer Apparatur mit einer ist, wird die Wärme vorzugsweise in der Schlacke wäh-

noch weiter veränderten Elektrodenanordnung, 35 rend der Zurückführung zur Reaktionszone (ii) zugege-

Fig. 18 ist eine Draufsicht einer Apparatur, die mit ben, um den entstehenden Temperaturabfall auszuglei-

dreiphasigem Wechselstrom betrieben wird, und chen.

Fig. 19A und 19B stellen ein Temperaturprofil bzw. Zum besseren Verständnis der praktischen Anwendein Profil der eingeführten elektrischen Energie bei den barkeit des Verfahrens sind die hervorstechenden Systemen gemäß F i g. 2 und 3 dar. 40 Merkmale der zyklischen Betriebsweise schematisch in

Die Grundlagen des Verfahrens können am besten den F i g. 2 und 3 angegeben. Die geschmolzene Schlakaus der F i g. 1 ersahen werden, bei welcher die Bedin- ke kommt aus der (ii) Reaktionszone A bei einer Tempegungen für einen typischen Verfahrenszyklus in einem ratur im Bereich von beispielsweise 1950 bis 2050° C und Phasendiagramm des Systems AI2O3—AI4C3 aufgetra- ist mit AI4C3 angereichert und fließt dann in eine im gen wurden. Die Linie ABCD zeigt die Grenzen zwi- 45 allgemeinen U-förmige geheizte Leitung (HD) in welschen den Solidus- und Liquidusphasen an. Die Linie EF eher sie mittels eines zwischen den beiden Elektroden gibt die Temperaturbedingungen und die Zusammen- (E) fließenden Stromes durch Widerstandsheizung ersetzung, die zum Ablauf der Reaktion (ii) bei einer At- hitzt wird. Beim Weiterfließen in der Leitung (HD) mosphäre Druck erforderlich ist, an und die Linie GH steigt die Temperatur bis zu dem Punkt, an dem die zeigt die Temperaturbedingungen und die erforderliche 50 Reaktion (iii) (etwa 2050 bis 2150° C je nach der Schlak -Zusammensetzung für das Ablaufen der Reaktion (iii) kenzusammensetzung und dem örtlichen Druck) abiaubei einer Atmosphäre an. Es ist selbstverständlich daß fen kann. Dieser Punkt kann als der Punkt angesehen die Position der Linien £Fund GH sich nach oben ver- werden, bei welchem die schon erwähnte Zone hoher schiebt mit einer Zunahme des Druckes. Temperatur beginnt Von dort bis zum weiteren Verlauf

Nach dem Abtrennen des gebildeten Al- und CO-Ga- 55 zur Produktsammeizone (C) wird die zugeführte Enerses hat die geschmolzene Schlacke (bei annähernd gie zum Antrieb der Reaktion (iii) verwendet, wobei 1 Atm Gesamtdruck) eine Temperatur und eine Zusam- Gasblasen und Metalltröpfchen (B) gebildet werden, mensetzung, die dem Punkt {/entspricht Beim Kontakt Die Leitung in dieser Region sollte vertikal verlaufen mit dem zugeführten Kohlenstoff bei der Zone, in wel- oder schräg nach oben in Richtung des Flusses, damit eher die Reaktion niedriger Temperatur (ii) verläuft, fin- 60 die aufsteigenden Blasen als Pumpe wirken können. In det die Reaktion (ii) statt, wodurch sich die Schlacke an der Produktsammeizone (C) wird das Gas am Gasaus-AI4C3 anreichert und die Temperatur erniedrigt wird (da laß (GE) entfernt und das flüssige Al sammelt sich oben die Reaktion endotherm verläuft), bis der Punkt V er- auf der geschmolzenen Schlacke und kann am Abziehreicht ist Die angereicherte Schlacke aus der Reaktion punkt (TO) entfernt werden. Das flüssige Aluminium hat niedriger Temperatur (ii) wird dann erhitzt Die Reak- 65 einen großen Anteil an gelöstem AI4C3- Es sind jedoch tion (iii) verläuft in der Zone hoher Temperatur, wobei Verfahren bekannt um AI4C3 aus flüssigem Aluminium CO und Al abgegeben werden, wenn der Reaktions- zu entfernen, so daß diese nicht in die vorliegende Erfindruck der Flüssigkeit dem örtlichen statischen Druck dung eingeschlossen sind. Die Region, in welcher die

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Reaktion (iii) stattfindet, besteht somit hauptsächlich len, wo ein elektrischer Kontakt mit der Schlacke durch

aus dem ansteigenden Teil der Heizleitung (HD)obwoM das geschmolzene Aluminiummetall besteht, vergleichs-

in gewissem Umfang auch eine Reaktion in der Pro- weise kühl gehalten werden. In dem Schema der F i g. 2

duktsammelzone (C) stattfinden kann, wenn der stati- und 3 werden diese Elektrodenanordnungen für die

sehe Druck der ansteigenden Schlacke weiter fällt. Die 5 Elektroden E angewendet.

Schlacke, die an AI4C3 verarmt ist und im wesentlichen Trotz der bereits erwähnten Verminderung des die Temperatur des Punktes U in Fig. 1 hat, läuft nun in Rauchproblems beim erfindungsgemäße:n Verfahren das Rückleitungsrohr (RD) welches, da es elektrisch verbleiben doch noch einige Probleme. Frühere Versuparallel mit der Heizleitung (HD) verläuft, so dimensio- ehe (wie beispielsweise CA-PS 7 98 927) Rauchverluste niert ist, daß es einen höheren elektrischen Widerstand 10 zu vermindern, indem man das entwickelte CO mit zuals die Heizleitung (HD) aufweist und somit weniger geführtem Kohlenstoff und Aluminiumoxid in einem Strom aufnimmt Beim Erreichen der niedrigen Tempe- carbothermischen Reduktionsverfahren in Berührung ratur der Reaktion (ii) in der Zone (A), in welcher der bringt, sind auf Schwierigkeiten gestoßen, wegen des Kohlenstoff (CR) und Aluminiumoxid (AR) zugegeben teilweisen Schmelzens des dabei gebildeten Aluminiumwerden, reagiert die Schlacke mit diesen Stoffen, weil 15 oxycarbids, das sich durch die Umsetzung von Kohlendie Schlackentemperatur oberhalb des Gleichgewichtes stoff und AI2Ö3 bildet und wodurch der Ansatz zähflüsist Die Enthalpie der endothermen Reaktion wird durch sig wird. Nach einem bevorzugten Verfahren wird desKühlung der Flüssigkeit bereitgestellt Das Gas aus der halb vorgeschlagen, den Kohlenstoff und das Alumini-Reaktion (ii) wird in der Zone (A) erzeugt und wird umoxid getrennt mit dem Gas in Berührung zu bringen, durch einen zweiten Gasauslaß (GE 2) weggeführt 20 Das durch die Umsetzung zwischen Kohlenstoff und

Aluminiumcarbid, das schließlich von dem abgezoge· verdampftem Aluminium gebildete AI4C3 ist bei der be-

ncn Metall als Produkt abgetrennt wird, wird dem Sy- troffen en Temperatur fest und nicht zähflüssig. Das Gas

stern wieder zugeführt und zwar vorzugsweise bei der wird somit zunächst mit dem Kohlenstoff umgesetzt,

Produktsammeizone (C), weil es unvermeidlich Metall welcher das Aluminiumsuboxid und die Dämpfe aus

enthält, welches gewonnen werden sollte. 25 Aluminiummetall aus dem Gas entfernen. Das so gerei-

Obwoh! es im allgemeinen vorteilhaft ist, eine Vor- nigte Gas wird dann verwendet um das zugeführte Alurichtung zu bauen, in welcher die Reaktionen (ii) und (iii) miniumoxid aufzuheizen und mit diesem in Berührung getrennt durchgeführt werden, gibt es doch einige Fälle, zu kommen. Durch Getrennthalten der Kohlenstoffwo die Einfachheit der Vorrichtung für die Durchfüh- und Aluminiumoxidkomponenten ist es auch möglich, rung der Reaktionen in einem einzigen Gefäß mehr ins 30 diese beiden Reaktanten an verschiedenen Stellen des Gewicht fällt als die Nachteile. In diesem Fall kann die Systems, wie vorher beschrieben, einzuführen.
Schlacke auch durch Widerstandsheizung erhitzt wer- Für eine maximale Wärmewirtschaftlichkeit kann der den und sie kann auch umlaufen, entweder durch den zugeführte Kohlenstoff aus unkalzinierteitn Koks oder Auftrieb des Gases oder, falls der statische Druck zu Kohleteilchen bestehen und das zugeführte Aluminiumhoch ist, um eine Blasenbildung zu ermöglichen, durch 35 oxid aus Aluminiumoxidhydrat, so daß die Eigenwärme thermisch induzierte Konvektion. Der Widerstandshei- des Kohlenmonoxid verwendet werden kann, um diese zung kann beispielsweise erfolgen, indem man einen Stoffe zu Kalzinieren. Zu diesem Zwecke kann erforder-Strom zwischen vertikal angeordneten, in die Schlacke lichenfalls ein Teil des CO verbrannt werden,
eingetauchte Elektroden laufen läßt Die Reaktionszone (ii) enthält vorzugsweise einen

Die Energiezufuhr durch Widerstandsheizung hat er- 40 Sumpf, damit alle Komponenten, die dichter als die gehebiiche Vorteile in elektrischer Hinsicht Weil der Wi- schmolzene Schlacke sind, darin gesammelt und aus derstand, der durch einen Körper aus geschmolzener dem System herausgeführt werden können. Dadurch Schlacke gebildet wird, so ausgebildet sein kann, daß er wird ermöglicht, daß zumindest ein Teil von irgendweleinen ziemlich hohen elektrischen Widerstand hat kann chen metallischen Verunreinigungen (wie Fe oder Si), er bei einer höheren Spannung und einem niederen 45 die in den Ansatz geraten sind, in Form einer Fe-Si-Al-Strom als in einem Bogenofen vergleichbarer Energie- Legierung entfernt werden. Es kann tatsächlich erforaufnahme betrieben werden; es treten keine Probleme derlich sein, Eisen oder Eisenverbindungen zuzugeben, mit niedrigen Leistungsfaktoren auf und die Wärme um sicherzustellen, daß die dadurch gebildete Legierung wird in der Schlacke erzeugt, wo sie benötigt wird, so dicht genug ist, um niederzusinken,
daß keine Probleme hinsichtlich des Wärmeübergangs 50 In den F i g. 4 und 6 zirkuliert ein Strom aus geschmolvorliegen und Wärmeverhiste vermindert werden. Eine zener Schlacke 12 durch eine Apparatur, mit Material-Überhitzung in der Reaktionszone wird vermieden, was Zuführungskammern (Reaktionszone (ii)), Produktsamsich vorteilhaft in einer Verminderung der Raucherzeu- melkammern 5, U-förmige Widerstandsleitungen 2 mit gung im Vergleich zu dem bereits erwähnten Bogenver- Auslaßenden 4, die als Teile der Zone dienen, in denen fahren auswirkt Gleichzeitig können die Elektroden un- 55 die Reaktion hoher Temperatur (iii) verläuft und Rückter viel günstigeren Bedingungen betrieben werden, führleitungen 8, die den Endteil der Zone hoher Tempedenn sie leiten einen niedrigeren Strom und sie können ratur bilden und die, weil sie elektrisch in Serie mit der in eine viel weniger aggressive Umgebung eingebracht Heizleitung 2 geschaltet sind, einen größeren Querwerden. Werden sie in den Zonen angebracht, in wel- schnitt und/oder eine kürzere Länge als die erwähnten chen die Reaktion (Ii) verläuft, so ist die Temperatur eo Heizleitungen haben. Die Rückleitung 8 hat deshalb eiverhältnismäBig niedrig und das Gas enthält nur geringe nen verhältnismäßig niedrigen elektrischen Widerstand, Mengen an aggressiven Verbindungen und ein örtlicher wenn sie mit dem umlaufenden Strom der geschmolze-Oberschuß an Kohlenstoff kann aufrechterhalten wer- nen Schlacke 12 gefüllt ist und die Wärmeerzeugung den, indem man den Kohlenstoff um die Elektroden her- wird vermindert Die Einlaßenden der Leitungen 8 sind um zugibt, so daß kaum eine Tendenz besteht, daß die 65 unterhalb der unteren Grenze des Aluminiummetalls 13, Elektroden selbst angegriffen werden. Werden sie ande- welches oben auf der geschmolzenen Schlacke 12 rerseits in der Region angebracht, in welcher das Alumi- schwimmt, angebracht Die Elektroden 31 sind in den niununetall gesammelt wird, so können sie an den Stel- Nebenbehältern 20 der Sammelkammern 5 angebracht,

wo sie in Kontakt mit dem geschmolzenen Aluminium 13 sind. Die Trennwände 14 dienen dazu, daß die Temperatur des Metalls 13 in den Nebenbehältern 20 niedriger ist und auch zur Vermeidung, daß das in der Reaktion (iii) gebildete Gas (welches durch die Produktsammeikammer 5 fließt) die Elektroden 3 erreicht, so daß der Angriff durch den Al und A^O-Rauchgehalt des Gases an den Elektroden minimal gehalten wird. Die Kammern 1 und 5 sind mit Gasauslaßleitungen 6 und 11 ausgerüstet, um das große Volumen an entwickeltem Kohlenmonoxid abzuführen. Dabei ist ersichtlich, daß die Grenze zwischen der Zone niedriger Temperatur und der Zone hoher Temperatur an den Punkten in den Leitungen 2 verläuft, bei welcher die Reaktion (iii) beginnt und wo die Leitung 8 in die Kammer 1 eingeführt wird.

Das über die Gasauslaßleitungen 6 und U weggeführte Gas wird zunächst in einen Gaswäscher 40 geleitet, wo es über körnigen Kohlenstoff geleitet wird. Frisches Kohlenstoffmaterial, das aus Kohle oder »grünem« Koks bestehen kann, wird dem Gaswäscher 40 durch den Einlaß 4i zugeführt und läuft im Gegenstrom zu dem Gasstrom durch den Reiniger. Kohlenstoff, angereichert mit Aluminiumcarbid und anderen Aluminium enthaltenden Komponenten kondensiert aus dem Gas und wird der Materialzuführungskammer 1 durch die Versorgungsleitungen 9 zugeführt

Nach Durchlauf durch den ersten Wäscher 40 tritt das sich immer noch bei einer sehr hohen Temperatur befindende Gas in einen zweiten Wäscher 42 ein, welcher Aluminiumoxid enthält, damit das dem System zugeführte Aluminiumoxid vorerhitzt wird. Aluminiumoxid aus dem Aluminiumoxidbett in dem Wäscher 42 wird zu den Kammern 1 und/oder 5 durch die Versorgungsleitungen 10 zugegeben. Frisches Aluminiumoxid bzw. Tonerde, das in Form von Aluminiumoxid-Trihydrat vorliegen kann, wird dem Wäscher 42 durch den Einlaß 43 zugegeben und durchläuft den Wäscher im Gegenstrom zu dem Gasstrom, welcher durch die Auslaßleitung 44 weggeführt wird. Das Gas läuft dann durch Wärmeaustauscher zu einer Gasaufnahme- oder Gasverbrennungsvorrichtung für die Gewinnung von Wärmeenergie aus und für die Verbrennung von Kohlenmonoxid und flüchtigen Bestandteilen (falls vorhanden) aus dem zugeführten Kohlenstoffmaterial.

Aluminiumcarbid, das aus dem gebildeten Aluminium gewonnen wird, wird von einer Lagerkammer durch die Leitung 15 in die Sammelkammern 5 zurückgeführt

In allen Fig., mit Ausnahme von Fig.5, sind die Leitungen 9 und 10, die zu den Kammern 1 führen, und die Leitungen 10 und 15, die zu den Kammern 5 führen, aus Gründen der Einfachheit als Einzelleitung abgebildet worden.

Wie bereits dargelegt, wird Energie dem System zugeführt, indem man elektrischen Strom durch die geschmolzene Schlacke 12 durch die zwischen den Elektroden 3 gebildeten Strompfade schickt

Die geschmolzene Schlacke wird in den Grenzen gehalten, indem man eine Auskleidung aus erstarrter Schlacke innerhalb einer Stahlhülle bildet, wie es allgemein Praxis ist in der Schleifmittelindustrie, bei welcher geschmolzenes Aluminiumoxid gehandhabt wird und wo es bekannt ist, wassergekühlte Stahlhüllen für diesen Zweck zu verwenden. Um aber die Sicherheit des Systems zu gewährleisten und die Möglichkeit eines Durchbrechens der geschmolzenen Schlacke zu vermeiden, ist es zweckmäßig, folgende Maßnahmen zu treffen:

1. Es sollten zwei und vollständig unabhängige Wasserkühlsysteme vorliegen, die aus Brausen bestehen, welche auf die Stahlhüllen sprühen, wobei beide mehr als ausreichend sind um die notwendige Begrenzung aus der erstarrten Schlacke aufrechtzuerhalten und wobei normalerweise nur eines der Wasserkühlsysteme in Gebrauch ist

2. Infrarotstrahlendetektoren oder andere Temperaturfühler sollen zum Überwachen der Temperatur der Stahlhüllen vorhanden sein. Falls die Hüllentemperatur eine erste, voreingestellte Grenze übersteigt, wird das zweite Kühlsystem automatisch eingeschaltet W■-.:j: v, nach einer angemessenen Zeit die Temperatur sich noch immer oberhalb der ersten Grenze befindet oder wenn sie diese Grenze übersteigt zu einer Zeit zu der beide Kühlsysteme in Betrieb sind, so wird die Energiezufuhr zu dem System automatisch unterbrochen. Sofern zu irgendeiner Zeit die Temperatur eine zweite höher eingestellte Grenze übersteigt, wird die Energiezufuhr automatisch unterbrochen.

3. Ein Stromdetektor befindet sich in elektrischer Verbindung mit der Stahlhülle. Sollte sich ein elektrischer Pfad zwischen einer dar Elektroden und der Hülle ausbilden, so wird die Energiezufuhr au tomatisch unterbrochen und das doppelte W<u>serkühlsystem eingeschaltet Um festzustellen ob es sicher ist, wieder Energie zuzuführen, ist ein weiteres System vorgesehen, mittels dem man den elek- frischen Widerstand zwischen jeder der Elektroden und der Hülle messen kann.

Diese Merkmale sind nicht in den F i g. 4 bis 6 eingezeichnet worden.

Die grundlegende Vorrichtung kann in zahlreichen Veränderungen vorliegen, die gewisse betriebliche Vorteile aufweisen können. Solche Modifizierungen werden in den F i g. 7 bis 18 gezeigt In den F i g. 7 und 8 wird ein System gezeigt, bei dem die Widerstandsheizungsleitungen 2 aus einfachen aufwärtsgeneigten Rohren bestehen, die von dem untersten Teil 1 zu der Kammer 5 führen. Die Kammer 1 enthält einen Sumpf 16 für die Entfernung von metallischen Verunreinigungen, wie Fe oder Si, die mit den zugeführten Materialien (Kohlenstoff oder Aluminiumoxid) entweder in metallischer Form oder als reduzierbare Komponenten eingeführt worden sind. In diesem System wird eine Trennwand 17, deren untere Kante 18 bis zu dem Niveau des Aluminiummetalls 13 reicht ein gesetzt um die Rückführung der Schlacke aus der Trennkammer 5 zu der Materialzuführungskammer 1 (welche die Reaktionszone (ii) bildet) zu ermöglichen, ohne daß das Metall 13 passieren kann. In den F i g. 7 und 8 können die Grenzen zwischen der Zone niedriger Temperatur und der Zone hoher Temperatur an jeder Stelle entlang der aufwärtsführenden Leitungen 2 liegen, je nach den ausgewählten Betriebsbedingungen.

Eine Modifizierung dieser Anordnung wird in den F i g. 9 und 10 gezeigt, wo die beiden geradlinig anstei-

eo genden Heizleitungen der Fig.8 ersetzt worden sind durch eine einfache U-förmige Heizleitung 22 und zwei kleinere Rückführleitungen 28, durch welche die Schlakke aus der Materialzuführungskammer 1 zum Boden der Heizleitung 22 zurückläuft und wodurch Pfade ho-

es hen elektrischen Widerstands im Vergleich zu den entsprechenden Teilen der Leitung 22 gebildet werden. In den Fi g. 9 und 10 liegt die Grenze zwischen der Zone niedriger Temperatur und der Zone hoher Temperatur

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in der Leitung 22 zwischen den unteren Enden der Um- welche einphasigen Wechselstrom anwenden, uner-

kehrleitungen 28 und den oberen Enden der Leitung 22. wünscht sein, weil sie ein Ungleichgewicht in dem elek-

Bei einer anderen in Fig. 11 gezeigten Ausbildung trischen Verteilungssystem verursachen.. Fig. 18 zeigt der Vorrichtung kann die Widerstandsheizleitung aus wie die Erfindung unter Verwendung von dreiphasigem zwei Beinen 34 und 35 bestehen, die so geneigt sind, daß 5 Wechselstrom durchgeführt werden kann, so daß ein sie eine im wesentlichen V-förmige Leitung bilden an- Betrieb großer Einheiten mit Wechselstrom bei verhältstelle eines vertikalen Beins, das den unteren Teil der nismäßig hohen Spannungen und niedrigem Strom und Reaktionszone (ii) bildet und einem aufwärtsgeneigten den damit verbundenen wirtschaftlichen Vorteilen er-Bein, welches in die Trennzone führt, wie es in den folgen kann.

F i g. 7 und 8 gezeigt wird. Bei einer weiteren Alternati- io Die Beispiele in den F i g. 4 bis 18 zeigen nur einige

ve (Fig. 12 und 13) ist ein Umlauf-Bein 37 mit einem der möglichen Anordnungen für die Durchführung der

geringeren Durchmesser parallel zu dem aufwärts füh- Erfindung; Kombinationen der gezeigten Merkmale so-

renden Bein der Widerstandsheizleitung 2 vorgesehen, wie auch andere geometrische Änderungen, welche die

um einen Teil der Schlacke aus der Kammer 5 zu dem beschriebenen Prinzipien anwenden, sind auch durch

Boden der Leitung rückzuführen und dadurch einen bla- 15 die vorliegende Erfindung umfaßt

senfreieren Strompfad zu bilden. Dies kann für die elek- Dabei ist es selbstverständlich, daß die Gaswaschvor-

trische Stabilität des Systems vorteilhaft sein. richtung gemäß F i g. 5 auch bei den modifizierten Vor-

Bei einer noch anderen Alternative (F i g. 14) ist das richtungen der Fi g. 2,3 und 7 bis 18 angewendet wer-

nach unten gerichtete Bein 38 der Widerstandsheizlei- den kann.

tungen geneigt und das Aufwärtsbein 39 vertikal. Je 20 Zahlreiche verschiedene Mittel zum erstmaligen Einnach dem relativen Grad der Erhitzung und des Druck- richten eines Körpers aus geschmolzenem Aluminiumanstieges beim Fließen der Schlacke durch die Leitung oxid in der Vorrichtung sind denkbar. Die einfachste kann die Gasentwicklung aus der Reaktion (iii) stattfin- und bequemste Weise besteht darin, daß man zu Beginn den, bevor der Boden der Leitung erreicht ist Dies heißt die Vorrichtung mit Thermit (Al + Fe^Oa) füllt und diemit anderen Worten, daß die Grenze zwischen der Zone 25 ses zündet Das geschmolzene Aluminiumoxid wird anniedriger Temperatur und der Zone hoher Temperatur schließend durch den Durchgang des elektrischen Stroin dem Bein 38 in Richtung zu dessen unterem Ende mes in geschmolzenem Zustand gehalten,
liegt Weil das Gas, welches in dem leicht nach unten Fig. 19A zeigt schematisch die Veränderung der geneigten Bein 38 aufsteigt, eine viel geringere Pump- Temperatur in dem System der F i g. 2 und 3. Zu Beginn wirkung hat als das Gas in dem vertikalen nach oben 30 tritt die flüssige Schlacke bei der Reaktionstemperatur führende Bein, wird die Pumpwirkung in der gewünsch- 7"(iii) der Reaktion (iii) in die Kammer A und die Temten Richtung zur Kammer 5 aufrechterhalten und das peratur fällt schnell ab, wenn die Flüssigkeit mit dem Gas, das bei der Reaktion (iii) entwickelt wird bevor die zugeführten Kohlenstoff in Berührung kommt, auf-Schlacke den Boden der Leitung erreicht wird im Ge- grund der endothermen Reaktion (ii) bis die Temperatur genstrom durch die verhältnismäßig kühle absteigende 35 die Gleichgewichtstemperatur T(ii) erreicht Falls ein Schlacke in dem Bein 38 gewaschen. Es wird so in rauch- merklicher Wärmeverlust aus der Kammer (A) vorliegt vermindertem Zustand durch die Reaktionszone (ii) der fällt die Temperatur der Flüssigkeit weiter, bis sie in die Kammer 1 abgeführt Heizleitung (HD) eintritt In der Heizleitung wird, wie in

Bei einer anderen in den Fig. 15 und 16 gezeigten Fig. 19B gezeigt wird, elektrische Energie zugeführt

Modifizierung können die Elektroden 3 elektrisch ver- 40 und die Temperatur steigt, bis T(iii) wieder erreicht

bunden sein mit der Schlacke am Boden der U-förmigen wird. Weitere Energiezufuhr führt nicht zu einem weite-

Widerstandsheizleitung 2 anstelle oder zusätzlich zu ren Temperaturanstieg, sondern zu der Reaktion (iii);

entweder der Lage der Reaktionskammer 1, in welcher das gebildete Gas erhöht den elektrischen Widerstand

die Reaktion (ii) verläuft, oder der Produktsammelkam- der Schlacke und der Grad der Energieaufnahme nimmt

mer 5. Dies kann man erzielen, indem man jede Elektro- 45 za In der Kammer C nimmt die Temperatur aufgrund

de 3 in eine Säule von geschmolzenem Aluminium in der Wärmeverluste wieder ab. In der Rückleitung (RD)

einem Standrohr 21, das oben offen ist und das von dem wird die Temperatur durch die elektrische Energie wie-

Boden der Widerstandsheizleitung 2 aufsteigt, ein- derum erhöht, bis sie die Temperatur F(iii) erreicht

taucht In diesem Falle beginnt die Zone der hohen oder auch nicht; falls die Reaktion (iii) wieder stattfindet,

Temperatur rechts von dem Standrohr 21, damit 50 wird durch die Gasblasen wiederum der Widerstand

Schwierigkeiten die auftreten falls das Gas in das Stand- erhöht und damit auch der Grad der aufgenommenen

rohr eindringt vermieden werden. Energie, in den Fig. i SÄ und Ϊ9Β beziehen sich die

Eine weitere mögliche Ausführungsform für die Vor- ununterbrochenen Linien auf die Leitung RD und zei-

richtung der Elektroden wird in Fig. 17 gezeigt, welche gen den Fall an, bei dem die Temperatur nicht T(iii)

eine Aufsicht auf eine modifizierte Art der Vorrichtung 55 erreicht Die gestrichelte linie zeigt den Fall an, bei dem

gemäß F i g. 7 und 8 darstellt und bei welcher vier Elek- die Temperatur 7*(iü) an irgendeiner Stelle der Leitung

troden 3 verwendet werden, die elektrisch verbunden RD erreicht wird.

sind, so daß die Heizströme zu den Durchlässen 2 be-

schränkt werden, wodurch ein Erhitzen der Schlacke Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

vermieden wird, während sie aus der Sammelkammer 60

zu der Materialzuführungskammer fließt Ähnliche Änderungen können bei den anderen Vorrichtungen wie
sie in den Figuren gezeigt werden, vorgenommen werden.

Das in den vorerwähnten Figuren beschriebene Sy- 65
stern kann entweder mit Wechsel- oder Gleichstrom
betrieben werden. Obwohl Wechselstrom im allgemeinen billiger ist als Gleichstrom, können große Einheiten,

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid, bei dem in einer Reaktionsstufe I nach Zugabe von Kohlenstoff zu einer Aluminiumoxidschmelze bei Temperaturen von 1900 bis 1980° C eine Schmelze aus Aluminiumoxid und Aluminiumcarbid und anschließend in einer Reaktionsstufe II bei Temperaturen von 1980 bis 2100⁰C aus der Aluminiumoxid/Aluminiumcarbid-Schmelze Aluminium gebildet wird, eine metallhaltige Schmelze aus Aluminium und Aluminiumcarbid und die entstehenden Gase abgezogen werden und der metallfreien Aluminiumoxidschmelze Aluminiumoxid, Kohlenstoff und/oder Aluminiumcarbid zugesetzt werden und diese erneut der Reaktionsstufe II zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionen in Stufe I und in Stufe II kontinuierlich in separaten Zonen durchgeführt werden und die aluminiumoxidhaltige Schmelze in Leitungen von der Zone für die Reaktionsstufe I zur Zone für die Reaktionsstufe II und von dort zur Zone für eine Reaktionsstufe I geführt wird, und daß die aluminiumoxidhaltige Schmelze während des Oberganges von der Zone für die Reaktionsstufe I zur Zone für die Reaktionsstufe II durch elektrische Widerstandsheizung aufgeheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumoxidhaltige Schmelze zwischen der Zone für die Reaktionsstufe I und der Zone für die Reaktionsstufe II schräg nach oben geführt wird und die Zirkulation der Schmelze durch den in dem aufwärts gerichteten Leitungsteil erzeugten Strom von Gasblasen bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 unter Zirkulation der aluminiumoxidhaltigen Schmelze durch je zwei alternierend angeordnete Zonsn für die Reaktion in Stufe I und die Reaktion in Stufe II, dadurch gekennzeichnet, daß durch Elektrodenpaare, die in die Schmelze eintauchen, elektrischer Strom durch die Schmelze geführt wird, wobei der elektrische Widerstand der Schmelze zwischen einer Zone für die Reaktion in Stufe I und der anschließenden Zone für die Reaktion in Stufe II größer ist als der elektrische Widerstand der Schmelze zwischen einer Zone für die Reaktion in Stufe II und der anschließenden Zone für die Reaktion in Stufe I.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Zone für die Reaktionsstufe II abgezogene Kohlenoxidgas, welches noch Aluminium- und Aluminiumsuboxiddampf enthält, durch ein Kohlenstoffbett, das frei von zugemischtem Aluminiumoxid ist, geleitet wird.