DE2737720B2

DE2737720B2 - Verfahren zur carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid

Info

Publication number: DE2737720B2
Application number: DE2737720A
Authority: DE
Inventors: Jozef Kazimierz Prof. Faringdon Oxfordshire Tylko (Grossbritannien)
Original assignee: TETRONICS RESEARCH AND DEVELOPMENT Co Ltd FARINGDON OXFORDSHIRE (GROSSBRITANNIEN)
Current assignee: TETRONICS RESEARCH AND DEVELOPMENT Co Ltd FARINGDON OXFORDSHIRE (GROSSBRITANNIEN)
Priority date: 1976-08-23
Filing date: 1977-08-22
Publication date: 1978-06-29
Also published as: ZA775034B; AU2815377A; GB1565065A; JPS5342113A; FR2362936A1; AU513270B2; US4177060A; IT1143758B; CA1093833A; DE2737720A1; DE2737720C3

Description

tionsbett weitere Wärmeenergie zweckmäßigerweise durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes zugeführt werden. Obwohl das Reaktionsbett hauptsächlich aus Aluminiumoxid besteht, haben Versuche gezeigt, daß das Reaktionsbett trotz der Zugabe verhältnismäßig kühler Beschickungsmaterialien bei der sehr hohen Temperatur des Verfahrensablaufs elektrisch leitend ist.

Die Beschickungsmaterialien oder mindestens ein Teil davon werden durch das Plasma oder die Plasmaströmungen in das Reaktionsbett zugeführt. Es ist deshalb besonders zweckmäßig, das feine, teilchenförmige Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid mit oder ohne Kohlenstoffteilchen in das Plasma einzubringen, wo es nicht nur eine hohe Temperatur erreicht, sondern auch noch weitere wünschenswerte elektronisehe und elektrische Eigenschaften erhält Der noch zur Deckung des gesamten Kohlenstoffbedarfs erforderliche Restkohlenstoff kann über einen Seitenkanal zugeführt werden, der auch zur Entlüfung der gasförmigen Reaktionsprodukte dient. Vorzugsweise hat der über den Seitenkanal zugeführte Kohlenstoff die Form grober Teilchen mit einer Größe von etwa 2 cm, um einen leichten Durchgang einer schnellen Gasströmung durch eine aus solchen Teilchen gebildete Materialsäule zu ermöglichen. Der auf diese Weise zugeführte Kohlenstoff kann auch dazu ausgenützt werden, Aluminiumdampf und AI2O zu kondensieren, welches mit dem Kohlenstoff reagiert und dadurch zusammen mit dem zugeführten Kohlenstoff in das Reaktionsbett zurückgeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Plasmareaktor zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des in F i g. 1 gezeigten Plasmareaktors, und

Fig.3 einen schematischen Schnitt durch einen Plasmareaktor mit einer Hilfseinrichtung zum Sammeln des Produktes.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Plasmareaktor mit einer abgeschlossenen Reaktionskammer, die innerhalb eines Mantels 1 von einer Wärmeisolation umschlossen ist.

Auf dem Oberteil des Mantels 1 befindet sich eine Tragkonstruktion 2, die einen Motor 3 trägt, der über einen Kurbeltrieb 4 mit einer Plasmakanone 5 gekuppelt ist. Die Plasmakanone 5 ist mittels eines Kugelgelenks im Sockel 6 der Tragkonstruktion 2 gelagert. Eine Drehung des Motors 3 erzeugt also einen Umlauf des unteren Endes der Plasmakanone 5 um die vertikale Reaktorachse. Dabei ist die Längsachse der Plasmakanone mit Bezug auf die Reaktorachse geneigt und die Plasmakanone dreht sich nicht um ihre eigene Achse, so daß beim Anschluß der nicht gezeigten Schläuche für die Gas- und Kühlmittelzufuhr zur Plasmakanone und des elektrischen Speisekabels 7 für die Plasmakanone keine Schwierigkeiten entstehen.

Um die Plasmakanone 5 herum ist eine Reihe von Einlaßkanälen 8, nämlich etwa 6 bis 12 solcher Einlaßkanäle, angeordnet, die mit fein verteiltem Beschickungsmaterial aus einem Aufgabebehälter gespeist werden. Das teilchenförmige Beschickungsmaterial ist vorzugsweise ein vorreduziertes Material, das durch Erhitzen von hydriertem oder teilweise hydriertem Aluminiumoxid mit einem Kohlenwasserstoff gewonnen wurde und mittels Gasdruck zur Reaktorachse hin geblasen wird.

Im unteren Teil des Reaktors befindet sich ein Schmelzgefäß 9, das mindestens teilweise elektrisch leitfähig ist und mit welchem eine oder mehrere Leiterstäbe 10 mit großem Querschnitt verbunden sind, welche die elektrische Rückleitung zur Stromquelle 12 für die Plasmakanone bilden. Das Schmelzgefäß 9 bildet also eine Gegenelektrode für die Plasmakanone 5. Zum Anfahren ist eine an einem Dreharm montierte oder vertikal verschiebbare Hilfselektrode vorgesehen, um die Plasmasäule von der (dann noch stillstehenden) Plasmakanone 5 zu der durch das Schmelzgefäß bzw. durch darin befindliches Metall gebildeten Gegenelektrode hin aufzubauen.

Weiter sind im unteren Teil des Reaktors ein oder mehrere Gasauslaßkanäle 14 angeordnet, die jeweils mit einer Säule aus groben Kohlebriketts gefüllt sein können, die im Gegenstrom zu der Gasströmung bewegt und mit vorgegebener Geschwindigkeit dem Schmelzgefäß 9 zugeführt werden. Ferner sind ein Produktauslaßkanal IS und ein weiterer Auslaßkanal 16 für am Boden angesammelte Feststoffe vorhanden.

Für den Betrieb des in. F i g. 1 gezeigten Reaktors ist es gewöhnlich zu bevorzugen, zu Beginn eine geschmolzene Aluminiummetallschicht in direkter Berührung mit dem Schmelzgefäß 9 herzustellen. Sodann wird eine Plasmasäule von der Plasmakanone 5 zu dieser geschmolzenen Metallschicht in der obenerwähnten Weise aufgebaut. Anschließend wird der Motor angelassen, um die Umlaufbewegung der Plasmakanone zu erzeugen, so daß dann eine rotierende Plasmasäule 21 in der Reaktionskammer aufrechterhalten wird. Sodann wird Beschickungsmaterial durch die Einlaßkanäle 8 zugeführt. Dieses Beschickungsmaterial enthält vorzugsweise fein verteiltes, vorbehandeltes Aluminiumoxid. Über den Kanal 14 wird zusätzlich Kohlenstoff zugeführt. In vielen Fällen kann jedoch der gesamte benötigte Kohlenstoff mit dem Beschickungsmaterial in die Reaktionskammer eingebracht werden.

Mit fortschreitendem Verfahrensablauf bildet sich eine Schicht aus flüssigem Aluminium, die gelöstes Al₄C₃ enthält, als obere Schicht 22 auf einer unteren Schicht 23, die sich aus AI4C3 und AI2O3 zusammensetzt. Diese beiden Schichten sind infolge der schnellen Gasentwicklung aus der Charge des Schmelzgefäßes nicht scharf voneinander getrennt.

Während ihres Fallens durch die Reaktionskammer erhalten die Beschickungsmaterialteilchen eine Horizontalgeschwindigkeitskomponente aufgrund der Rotationsbewegung der Plasmasäule in Richtung des Pfeiles A, was die Bildung einer Teilchenwolke um den oberen Teil der Plasmasäule 21 herum bewirkt, die als Strahlungsschutzschild zwischen dem Plasma und der Wärmeisolation wirkt.

Die durch das rotierende Plasma übertragene Rotationsbewegung unterstützt das Zusammenwachsen der kleinen Metalltröpfchen, die sich infolge der durch Berührung der Beschickungsmaterialteilchen mit dem Plasma stattfindenden Reaktion bilden.

Bei einer in Fi g. 2 gezeigten abgewandelten Ausführungsform des Reaktors haben die verwendeten Bezugszeichen gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. Bei dem abgewandelten Reaktor wird die Plasmasäule zwischen der Plasmakanone 5 und einer ringförmigen Gegenelektrode 30 erzeugt. Zwischen die Gegenelektrode 30 und die Plasmakanone 5 ist eine Hauptstromquelle 31 geschaltet, und zwischen Anschlüssen A"und V liegt eine Hilfsstromquelle 32. Bei dieser Hilfsstromquelle 32 kann es sich um eine Wechselstrom- oder

Gleichstromquelle handeln, die dazu dient, dem im Schmelzgefäß 9 befindlichen Material zusätzliche Energie zuzuführen. Der Stromkreis der Hilfsstromquelle wird zwischen der Gegenelektrode 30 und der ,Äl-AL«C3-Schicht 22 durch die durch die Gegenelektrode 30 hindurch verlaufenden Plasmaausströmungen geschlossen.

Fig.3 zeigt einen Reaktor gemäß Fig. 1 in Kombination mit einem Abstichbehälter 42, in welchem durch einen Kanal 41 Metall aus der Reaktionskammer hineingelangt und welcher eine Trennung des Metalls von dem AI4C3 ermöglicht. Das Aluminiummetall kann dann getrennt von dem schwereren AI4C3, das sich im Behälter 42 absetzt, durch einen weiteren Kanal 43 abgestochen werden.

Die oben beschriebenen Anordnungen sind lediglich Beispiele zur Erläuterung der Erfindung. Die durch die Erfindung erzielten Vorteile beruhen hauptsächlich auf drei Faktoren, nämlich:

1. Auf herkömmliche Graphitelektroden, wie sie in Lichtbogenofen verwendet werden, kann vollständig verzichtet werden (jedoch kann die ringförmige Gegenelektrode sehr zweckmäßig aus Graphit bestehen);

2. das Verfahren ist in industriellem Maßstab durchführbar, da die rotierende Plasmasäule die erforderliche Energie zur Reduktion des Aluminiumoxids liefert; und

3. es ist eine genaue Steuerung und eine Energiezufuhr durch das Reaktionsbett möglich, insbesondere bei dem Reaktor nach F i g. 2, wobei die Leistungsabgabe der Hilfsstromquelle 32 im Verhältnis zur Leistungsabgabe der Hauptstromquelle 31 gesteuert werden kann.

Beispiel

Zur carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid wurden 170 kg Beschickungsmaterial, das 122 kg Aluminiumoxid und 48 kg Kohlenstoff enthielt, in Form eines kreisförmigen Vorhangs feiner Teilchen (Teilchengröße kleiner als 240 Mikrometer) gleichförmig mit einem Durchsatz von etwa 48 bis 50 g/s in einen Plasmakegel eingestreut, der mittels einer Plasmakanone erzeugt wurde, die um einen Punkt ihrer Längsachse umlief und unter 9° mit Bezug auf die Vertikalrichtung geneigt war. Die Drehzahl der Plasmakanone betrug während des etwa 1 Stunde dauernden Versuchs 1850 U/min. Aiißerdem wurde während des Versuchs zusätzlich 0,5 kg Aluminiumstaub in den Reaktionsbehälter hinein verteilt. Die dem Plasma zugeführte Leistung betrug etwa 240 kW. Nach dem Trennen der Produkte bei etwa 700°C ergaben sich 51,4 kg Aluminiummetall und 11,1 kg Aluminiumcarbid. Die Plasmakanone wurde mit 900 Litern Argon gespeist. Das obige Beispiel wurde in einem im wesentlichen der Darstellung nach F i g. 2 entsprechenden Reaktor ausgeführt.

Bei dem Reaktor nach F i g. 1 können bis zu 80% oder sogar noch mehr des zugeführten Kohlenstoffes über den seitlichen Kanal 14 zugeführt werden. Es ist jedoch zu bevorzugen, mindestens 20% und sogar bis zu 120% der für die Reduktion des Aluminiumoxids erforderlichen stöchiometrischen Menge Kohlenstoff mit dem oben in die Reaktionskammer eingeführten Beschikkungsmaterial zuzuführen, um die Reduktion der Aluminiumoxidteilchen im Plasma zu begünstigen. Jedoch läuft die Reaktion des Aluminiumoxids mit Kohlenstoff oder mit dem Kohlenstoffgehalt des AI4C3 infolge der direkten Berührung mit dem Plasma bei der Ausführungsform nach F i g. 1 oder mit den Plasmaströmungen in Verbindung mit der zusätzlichen direkten elektriscchen Widerstandsheizung bei der Ausführungsform nach F i g. 2 auch noch im unteren Schmelzgefäß weiter.

Es leuchtet ein, daß es zur Erzielung eines guten thermischen Wirkungsgrades wünschenswert ist, die überschüssige Wärmeenergie des aus den Gaskanälen ausströmenden Gases in größtmöglichem Ausmaß durch Wärmeaustausch mit den Beschickungsmateria-Hen auszunützen. Folglich kann das zur Vorwärmung der durch den Kanal 14 zugeführten groben Kohlenstoffteilchen verwendete Abgas nachfolgend auch noch zur Vorwärmung des zugeführten Aluminiumoxids verwendet werden, wenn auch in geringerem Maße.

Alternativ dazu kann das Beschickungsmaterial, wenn sämtliches Beschickungsmaterial von oben in die Reaktorkammer eingeführt wird durch das Abgas vorgewärmt und im Aufgabebehälter auf einer Temperatur von beispielsweise 700⁰C gehalten werden.

In beiden Fällen kann das teilchenförmige Beschikkungsmaterial vorgewärmt werden, indem man es durch einen aufsteigenden Abgasstrom in einem vertikalen oder stark geneigten Kanal hindurchfallen läßt.

Selbstverständlich kann auch sämtliches AI4C3, das aus dem durch den Kanal 15 abgestochenen Aluminiumprodukt abgeschieden wurden, entweder zusammen mit Koks durch den Kanal 14 oder zusammen mit dem Beschickungsmaterial durch die Einlaßkanäle 8 in den Reaktor zurückgeführt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxid und Kohlenstoff einem in einer Reaktionskammer befindlichen geschmolzenen Reaktionsbett zugeführt verden, daß weiter mittels mindestens einer um die vertikale Achse der Reaktionskammer umlaufenden Plasmakanone eine etwa kegelige Plasmasäule in der Reaktionskammer erzeugt und dem Reaktionsbett Energie durch Berührung mit dem Plasma oder Plasmaausströmungen aus dieser Plasmasäule zugeführt wird, und daß sich entwickelnde Gase aus der Reaktionskammer abgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der in das Reaktionsbett zugeführten Stoffe vor dem Eintritt in das Reaktionsbett mit dem Plasma der kegeligen Plasmasäule in Berührung gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumoxid in fein verteilter Form in das obere Ende der Reaktionskammer eingeleitet und in die kegelige Plasmasäule eingeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumoxid an mehreren, um die Achse der Reaktionskammer herum verteilten Stellen in die Reaktionskammer zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das fein verteilte Aluminiumoxid mit fein verteiltem Kohlenstoff innig vermischt ist, wobei die Kohlenstoffmenge mindestens 20% der zur Reduktion des Aluminiumoxids benötigten stöchiometrischen Menge beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 80% des Kohlenstoffes in Form grober Teilchen in das Reaktionsbett zugeführt werden und daß dieser Kohlenstoff vor dem Eintritt in die Reaktionskammer durch Berührung mit Abgasen vorgewärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmasäule zwischen der umlaufenden Plasmakanone und einer Gegenelektrode erzeugt wird, die durch eine elektrisch leitfähige Materialschicht in einem elektrisch leitenden Schmelzgefäß am Boden der Reaktionskammer gebildet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmasäule zwischen der umlaufenden Plasmakanone und einer horizontalen ringförmigen Gegenelektrode erzeugt wird, die oberhalb des Reaktionsbettes in der Reaktionskammer angeordnet ist, und daß außerdem mittels einer zwischen die Gegenelektrode und ein das Reaktionsbett enthaltendes elektrisch leitendes Schmelzgefäß geschalteten elektrischen Stromquelle zusätzlich Energie in das Reaktionsbett zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschickungsmaterial durch Berührung mit Abgas vorgewärmt und sodann in das obere Ende der Reaktionskammer eingeführt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid mit Hilfe von plasmaerzeugenden Einrichtungen.

Die Reaktion von Aluminiumoxid mit Kohlenstoff ist stark endotherm und kamn nur bei Temperaturen oberhalb von etwa 1950" C stattfinden. Zur Aufrechterhaltung der Reaktion ist deshalb eine kontinuierliche

ίο Energiezufuhr von außen wesentlich.

Die carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid war bereits Gegenstand umfangreicher Untersuchungen, Während Aluminiumlegierungen, beispielsweise Silicium, erfolgreich hergestellt werden konnten, haben Versuche zur Reduktion reinen Aluminiumoxids auf carbothermischem Wege gezeigt, daß dies zwar möglich, wirtschaftlich jedoch nicht attraktiv ist. Beispielsweise ist schon vorgeschlagen worden, Aluminium durch direkte Reduktion von Aluminiumoxid in einem Elektroofen zu erzeugen, in welchem ein Lichtbogen zwischen einer Mehrzahl vertikaler Elektroden und einer Ansammlung geschmolzenen Metalles erzeugt wird, wobei Kohlenstoff und Aluminiumoxid in bestimmtem Verhältnis zugegeben und die gasförmigen Reaktionsprodukte der Reduktionsreaktion abgeführt werden.

Bei diesem Verfahren bildet sich am Boden des Ofens ein Gemisch aus Aluminium und Aluminiumcarbid. Es hat sich jedoch als durchführbar erwiesen, diese Komponenten nach dem Abführen aus dem Ofen voneinander zu trennen, wonach das abgeschiedene Aluminiumcarbid wieder dem Ofenbeschickungsmaterial zugegeben und auf diese Weise in den Prozeß zurückgeführt wird.

Das obige Verfahren konnte aber trotz seiner augenscheinlichen Vorteile, wegen seines hohen Energiebedarfs und der Kosten für die Elektroden sowie wegen anderer Faktoren wie beispielsweise der Lichtbogensteuerung, unter den gegebenen besonderen Bedingungen mit dem gut eingeführten elektrolytischen Hall-Heroult-Verfahren nicht erfolgreich konkurrieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß es praktisch durchführbar und wirtschaftlich konkurrenzfähig ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Im Gegensatz zum obenerwähnten Verfahren der carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid in einem Elektroofen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Bedingungen erzeugt und aufrechterhalten, unter welchen es möglich ist, die obenerwähnte Reduktion durchzuführen, ohne jedoch die bei den früheren Versuchen auftretenden Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Gemäß der Erfindung wird die Energie zur Unterstützung der Reaktion in ein Aluminiumoxid und Kohlenstoff enthaltendes Reaktionsbett zugeführt, in dem die Oberfläche des Reaktionsbettes mit Plasma oder mit eine hohe Temperatur aufweisenden Plasmaströmungen aus einer Plasmakanone in Berührung gebracht wird.

Die wirksame Erhitzung des Reaktionsbettes erfolgt in bekannter Weise zweckmäßig mittels einer umlaufenden Plasmakanone.

Zusätzlich zu der Energiezufuhr durch die Berührung mit Plasma oder Plasmaströmungen kann dem Reak-