DE2951959C2 - Process and device for the production of aluminum or aluminum alloys by carbothermal reduction of aluminum oxide or mixtures of aluminum oxide and other oxides - Google Patents
Process and device for the production of aluminum or aluminum alloys by carbothermal reduction of aluminum oxide or mixtures of aluminum oxide and other oxidesInfo
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Description
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Aluminium oder Alumlniumleglerungen durch carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid oder Gemischen aus Aluminiumoxid und weiteren Oxiden.Process and device for the production of aluminum or aluminum alloy by carbothermal Reduction of aluminum oxide or mixtures of aluminum oxide and other oxides.
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Aluminium mittels carbothermlscher Reduktion von Aluminlum-•♦o oxid Im elektrischen Lichtbogenofen einschließlich der Herstellung von Legierungen des Aluminiums mit anderen Metallen (z. B. Silicium) durch Reduktion von Aluminiumoxid Im Gemisch mit anderen Oxiden (z. B. Siliciumdioxid)The invention relates to the production of aluminum by means of carbothermal reduction of aluminum • ♦ o oxide In the electric arc furnace including the manufacture of alloys of aluminum with other metals (e.g. silicon) by reducing aluminum oxide In a mixture with other oxides (e.g. Silicon dioxide)
Seit mindestens 20 Jahren Ist es bekannt, daß Aluminium mittels einer carholhermischen Reduktion vonFor at least 20 years it has been known that aluminum is produced by means of a thermal thermal reduction of
Aluminiumoxid herstellbar Ist. z. B. In einem Elnlauch-Llchtnogenofen. Die wissenschaftlichen PrinzipienAlumina is producible. z. B. In a light bulb oven. The scientific principles
4S bezüglich Chemie und Thermodynamik der betreffenden Reaktionen sind nun auch entwickelt worden.4S regarding chemistry and thermodynamics of the reactions concerned have now also been developed.
Trotzdem Ist es bisher noch nicht gelungen, ein auf diesen Prinzipien beruhendes technisch und wirtschaftlichNevertheless, it has not yet been possible to develop a technical and economic solution based on these principles
durchführbares Verfuhren anzugeben. j indicate practicable procedure. j
Wenn die Reduktion von Aluminiumoxid mittels Kohlenstoff unter vermindertem Druck durchgeführt wird, |When the reduction of alumina using carbon is carried out under reduced pressure, |
entstehen Alumlnlumoxldcarbld und Alumlniumcarblc» als Zwischenprodukte:Alumlnlumoxldcarbld and Alumlniumcarblc arise as intermediate products:
2 ΑΙ:Ο,-ι-3 C = Al4O,C+2 Co (g) (I) I2 ΑΙ: Ο, -ι-3 C = Al 4 O, C + 2 Co (g) (I) I
AI4O4C4+6C =A14C, +4CoIg) (II) IAI4O4C4 + 6C = A1 4 C, + 4CoIg) (II) I
Unterhalb I90CC sind außer dem CO alle Reaktionsteilnehmer In festem Zustand Um ein Gleichgewicht für einen Gasdruck von atm zu erhalten. Ist eine Temperatur um 2000" C erforderlich. Das Reaktionsgemisch Ist dann teilweise geschmolzen und die einfachen Gleichungen (I) und (II) sind nicht mehr unmittelbar anwendbar. Den endlichen metallerzeugenden Schritt kann man auch folgendermaßen beschrieben:Below I90CC, all reactants except for the CO are in the solid state in order to achieve equilibrium for to obtain a gas pressure of atm. A temperature of around 2000 "C is required. The reaction mixture is then partially melted and the simple equations (I) and (II) are no longer directly applicable. The finite metal-generating step can also be described as follows:
AI.OX+Al.C, = 8 Al (IMCO(g) (111)Al.OX + Al.C, = 8 Al (IMCO (g) (111)
Der errechnete Glelchgewlchtsgasdruck für diese Reaktion erreicht 1 atm bei etwa 21000C. in einem unter Atmosphärendruck arbeitenden Reduktionsofen muß die Reaktionszone auf einer Temperatur gehalten werden, die mindestens ausreicht, um den Glelchgewlchlsdruck des CO gleich 1 atm zu halten. Bei einem geringen Überdruck zur Begünstigung der Reaktion braucht man In diesem Fall eine Temperatur von etwa 2!SO"C. Bei (,s, dieser Temperatur besteht das System aus festem Kohlenstoff und zwei flüssigen Stoffen, nämlich einer OxId-Carbld-Schmelze und einer Metallschmelze. Gleichung (111) Ist hierfür nicht anwendbar und die metallerzeugende Reaktion kann schcmallsch wie folgt beschrieben werden:The calculated Glelchgewlchtsgasdruck for this reaction reaches 1 atm at about 2100 0 C. in an operating under atmospheric pressure reduction furnace, the reaction zone must be maintained at a temperature at least sufficient to maintain the Glelchgewlchlsdruck of CO equal to 1 atm. In the case of a slight overpressure to favor the reaction, a temperature of about 2! SO "C is required. At (, s, this temperature the system consists of solid carbon and two liquids, namely an oxide-carbide melt and a Molten metal. Equation (111) is not applicable for this and the metal-generating reaction can be described sonically as follows:
(Oxld-Carbld-Schmelze)+C (s) = (MetallschmelzeJ+CO (g) (IV)(Oxld-Carbld-Melt) + C (s) = (MetallschmelzeJ + CO (g) (IV)
Konkurrierend mit der Erzeugung von Kohlenstoffmonoxid und kondensierten Produkten wird flüchtiges AI2O (g) und AI (g) gebildet. In der ersten Reaktionsstufe, die formal durch d!e Gleichungen (I) und (II) beschrieben Ist, erreichen die Gleichgewichtsdrücke von Al2O und Al nur wenige Prozent des Gleichgewichtsdrucks von CO. In der Endstufe, die durch die Gleichungen (III) oder (IV) dargestellt Ist, sind die Anteile von Al2O und AI im Gleichgewichtsgas höher, aber nicht übermäßig. Es hat sich gezeigt, daß die Reaktion zwischen Aluminiumoxid und Kohlenstoff über einen Mechanismus vor sich geht, In den eine Gasphase mit einem hohen Anteil an Al2O und Al einbegriffen ist. Folglich sind die Verluste durch Verflüchtigung höher als man sie aus den Gleichgewichten erwarten sollte. Ferner hat die Metallschmelze eine niedrigere Dichte als die Oxid- ίο Carbld-Schmelze und schwimmt deshalb obenauf. Das bei der Reaktion (IV) entwickelte Co-Gas durchquert die Metalischmelze, wodurch weitere Verluste durch Verflüchtigung entstehen. Volatile AI 2 O (g) and AI (g) are formed in competition with the production of carbon monoxide and condensed products. In the first reaction stage, which is formally described by equations (I) and (II), the equilibrium pressures of Al 2 O and Al reach only a few percent of the equilibrium pressure of CO. In the final stage represented by equations (III) or (IV), the proportions of Al 2 O and Al in the equilibrium gas are higher but not excessive. It has been shown that the reaction between aluminum oxide and carbon proceeds via a mechanism which includes a gas phase with a high proportion of Al 2 O and Al. Consequently, the volatilization losses are higher than one should expect from the equilibria. Furthermore, the metal melt has a lower density than the oxide ίο carbide melt and therefore floats on top. The Co-gas developed in reaction (IV) crosses the metal melt, which causes further losses through volatilization.
Die Verflüchtigung von Al und Al2O muß aber nicht zwangsläufig zu Metallverlusten führen. Bei einem Eintauch-Llchtbogenofen strömen die Reaktionsgase aufwärts durch Schichten von kälterer Beschickung, wo sich die metallhaltigen Dämpfe kondensieren können. Dies bewirkt gleichzeitig eine Vorwärmung der Beschikkung. Allerdings wird bei einem hohen Anteil von Metalldämpfen Im Gas die Beschickung zu heiß, so daß Verluste infolge Verflüchtigung entstehen.However, the volatilization of Al and Al 2 O does not necessarily have to lead to metal losses. In a submerged arc furnace, the reaction gases flow upward through layers of colder feed, where the metal-containing vapors can condense. This also causes the feed to be preheated. However, if there is a high proportion of metal vapors in the gas, the charge becomes too hot, so that losses occur as a result of volatilization.
Eine weitere Schwierigkeit bei der carbothermischen Herstellung von Aluminium beruht auf der beträchtlichen Löslichkeit von Kohlenstoff im Metall bei Reaktlonstemperatu/. Diese beträgt etwa 20 Atomprozent C, wenn die Metallschmelze Im Gleichgewicht mit festem Kohlenstoff ist. Beim Abkühlen der . ,hmelze schlägt sich dieser Kohlenstoff als Aluminlumcarbirt. nieder. Aus der GleichungAnother difficulty in the carbothermal production of aluminum is due to the considerable Solubility of carbon in metal at reaction temperature. This is about 20 atomic percent C, when the molten metal is in equilibrium with solid carbon. When the. , hmelze beats this carbon turns out to be aluminum carbide. low. From the equation
(12 Λ1+3 C, geschmolzenes Gemisch ) = Al4C, (s)+8AI (1) (V)(12 Λ1 + 3 C, molten mixture) = Al 4 C, (s) + 8AI (1) (V)
Ist ersichtlich, daU etwa ein Drittel des Metalls als Carbid ausfä.:l. Dies erfordert einen nachfolgenden Tren- 2s nungsschriu und die Rückführung des Alumlnlumcarbld. Dies Ist nachteilig für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses.It can be seen that about a third of the metal turns out to be carbide.: L. This requires a subsequent split 2s ruling and the repatriation of the aluminum carbide. This is detrimental to the economy of the Process.
Eine weitere Schwierigkeit bei der carbothermischen Reduktion von Aluminiumoxid In einem Elntauch-Lichlbogenofen betrifft die Energiezufuhr und den Wärmeübergang. Wie oben erwähnt, schwimmt rile Metallschmelze obenauf und befindet sich direkt unter den Elektroden. Infolge der hohen elektrischen Leitfähigkeit des Metalls wird der Widerstand Im Ofenstromkreis n.edrlg und hierdurch haben sich Schwierigkelten ergeben, einen angemessenen Energieeingang Im Ofen aufrechtzuerhalten. Ferner erfolgt die Wärmeentwicklung vorwiegend an der Oberfläche des Metalls, was zu einer sehr hohen Metalltemperatur und beträchtlicher Verflüchtigung führt. Verdampftes Metall kondensiert sich In der oberhalb der Schmelze befindlichen Beschickung, rinnt herab in die heiße Zone und wird wieder verflüchtigt. Dieser zyklische Prozeß von Verdampfung und Kondensation hat zur Folge, daß ein großer Teil der erzeugten Wärme in den oberen Teil des Ofens überführt wird, anstatt abwärts zu der Oxid-Carbid-Schmelze geleitet zu werden, wo die Wärme für die endotherme Reaktion (IV) benötigt wird.Another difficulty with the carbothermal reduction of alumina in an electric arc furnace concerns the energy supply and the heat transfer. As mentioned above, rile molten metal floats on top and is located directly under the electrodes. As a result of the high electrical conductivity of the metal, the resistance in the furnace circuit is reduced and this has resulted in difficulties Maintain adequate energy input in the furnace. Furthermore, the development of heat takes place predominantly on the surface of the metal, resulting in a very high metal temperature and significant volatilization leads. Evaporated metal condenses in the charge located above the melt and runs descends into the hot zone and is evaporated again. This cyclical process of evaporation and condensation As a result, a large part of the heat generated is transferred to the upper part of the furnace, instead of being passed down to the oxide-carbide melt, where the heat for the endothermic reaction (IV) is required.
Aus tht.modynamischen Überlegungen könnte man schließen, daß die Reduktion eines Gemisches von Aluminiumoxid und Siliciumoxid zur Herstellung einer Alu-ninlum-Slllclum-Leglerung vorteilhafter wäre als die Reduktion von Aluminiumoxid allein und zwar In Bezug auf die Reaktionstemperatur und die Verluste durch Verflüchtigung, hauptsächlich wegen der wechselseitigen Erniedrigung der Aktivitäten von Aluminium und Silicium in deren flüssiger Legierung Die Dichte des Sillciums Ist jedoch geringer als die des Aluminiums und die Schwierigkeiten infolge der obenschwimmeriden Metallschicht sind vorherrschend.From theoretical considerations of dynamics one could conclude that the reduction of a mixture of Aluminum oxide and silicon oxide for the production of an aluminum-ninlum-Slllclum-Leglerung would be more advantageous than the reduction of alumina alone, in terms of reaction temperature and losses by volatilization, mainly due to the mutual degradation of the activities of aluminum and silicon in their liquid alloy. However, the density of silicon is lower than that of aluminum and the difficulties due to the floating metal layer are predominant.
Aus dc DE-OS 23 03 242 Ist eli. Verfahren zur carbothermischen Herstellung von Silclum und Ferroslllclum 4S bekannt, bei dem das Siliciumdioxid und der Kohlenstoff getrennt, vorzugsweise mittels einer Hohlelektrode zugeführt und die Ofengase nach oben abgeleitet werden. Dieses Verfahren Ist jedoch für die carbothermlsche Herstellung von Aluminium nicht brauchbar, well durch die Ansammlung eines Bades von überhitztem flüssigen Aluminium zu hor.i Verdampfungsverluste eintreten würden und das abgezogene Aluminium einen hohen Gehalt an gelöstem Kohlenstoff haben würde v> From dc DE-OS 23 03 242 is eli. Process for the carbothermal production of Silclum and Ferroslllclum 4S is known, in which the silicon dioxide and the carbon are fed separately, preferably by means of a hollow electrode, and the furnace gases are diverted upwards. This method is, however, not for the production of aluminum carbothermlsche useful would be well occur by the accumulation of a bath of superheated liquid aluminum to hor.i evaporation losses, and the extracted aluminum has a high content of dissolved carbon would have v>
Der Anmeldung liegt die Aulgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Aluminium oder Alumini
umlegierungen durch carbothermlsche Reduktion von Aluminiumoxid oder Gemischen aus Aluminiumoxid
und weiteren Oxiden unter Vermeidung der oben aufgezählten Schwierigkeiten hergestellt werden können, und
bei dem Im elektrischen Lichtbogenofen das Aluminiumoxid bzw das Oxiclßemlsch von oben eingeführt end
räumlich getrennt davon das erforderliche kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel, durch das Im Gegenatrom die
Reaktionsgase abgeführt werden, zugeführt wird.The application is based on the task of specifying a method with which aluminum or aluminum
Umalloys can be produced by carbothermal reduction of aluminum oxide or mixtures of aluminum oxide and other oxides while avoiding the difficulties listed above, and in the case of the aluminum oxide or the Oxiclßemlsch introduced from above in the electric arc furnace, spatially separated from the required carbon-containing reducing agent, through the counter-current the reaction gases are removed, is supplied.
Gegenstand der Erfindung Ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention also relates to a device for carrying out this method.
Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 In Anspruch 2 Ist eine Weiterbildung des Verfahrens nach AA angegeben. Der Anspruch 3 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgschlagenen Verfahrens. In den Ansprüchen 4 bis 6 sind vorteilhafte Ausbildungen dieser Vorrichtung angegeben.The problem posed is achieved by a method with the characterizing features of the claim 1 In claim 2 a further development of the method according to AA is given. Claim 3 relates to a Device for carrying out the proposed method. In claims 4 to 6 are advantageous Formations of this device indicated.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawings.
Flg. I zeigt schematisch die hauptsächlichen Merkmale des erflndungsgemäßcn Verfahrens.Flg. I shows schematically the main features of the method according to the invention.
Flg. 2 zeigt Int Vertlkalschnltt eine bevorzugte Ausfuhrungsform.Flg. Int Vertlkalschnltt shows a preferred embodiment.
FI g. 3 Ist ein Schnitt nach der Linie A-A der FI g. 2.FI g. 3 Is a section along the line AA of FI g. 2.
Das Verfahren gemä/l der Erfindung wird mit Bezug auf Flg. 1 erläutert. Das Reduktionsmittel In Form von metallurgischem Koks 1 wird von unten zugeführt und, wie durch den unteren Pfeil angedeutet, nach oben beweut. Das Oxid 2 wird von oben zugeführt und bewegt sich Im Maße der fortschreitenden Reaktion durchThe method according to the invention is explained with reference to FIG. 1 explained. The reducing agent in the form of metallurgical coke 1 is fed from below and, as indicated by the lower arrow, upwards mages. The oxide 2 is fed in from above and moves through as the reaction proceeds
Schwerkraft nach unten. Der obere Teil der Ofenanlage Ist Im wesentlichen gasdicht. Die benötigte Energie wird durch die Elektroden 3 zugeführt. Der Zwischenraum zwischen den Elektroden Ist mit einem elektrisch Isolierenden Oxid gefüllt. Die Wärmeerzeugung findet allein an den unteren Spitzen der Elektroden und In dem benachbarten Koks statt. Die intensive Wärmeerzeugung In dieser Zone bewirkt das Schmelzen des Oxides und ! 5 eine unmittelbare Reaktion mit dem Kohlenstoff. Das Primärprodukt Ist ein Gas mit hohem Gehalt an Al· undGravity down. The upper part of the furnace system is essentially gas-tight. The energy required will be fed through the electrodes 3. The space between the electrodes is electrically insulating Oxide filled. The heat generation takes place only at the lower tips of the electrodes and In the neighboring coke instead. The intense heat generation in this zone causes the oxide to melt and ! 5 an immediate reaction with the carbon. The primary product is a gas with a high content of Al · and
AljO-Dämpfen zusätzlich zu CO. Dieses Gas wird gezwungen, durch die Kohlenstoff- bzw. Koks-Beschickung nach unten zu strömen, wobei es fortschreitend gekühlt wird. Aluminiumdampf wird dann zu flüssigem Alurrsl-AljO steaming in addition to CO. This gas is forced through the carbon or coke feed to flow downwards, gradually cooling it. Aluminum vapor is then turned into liquid aluminum
nium kondensiert, während Aluminiumsuboxid mit dem Kohlenstoff reagiert, wobei flüssiges Aluminium und Kohlenstoffmonoxld entstehen.nium condenses, while aluminum suboxide reacts with the carbon, with liquid aluminum and Carbon monoxide arise.
ίο In der Reaktionszone kann sich außerdem flüssiges Oxld-Carbld und flüssiges Metall direkt bilden. Die Schmelzpunkte dieser zwei Phasen sind allerdings sehr verschieden. Das Oxld-Carbld verfestigt sich und verbleibt in der Koksbeschickung In einem kurzen Absland unterhalb der Reaktlonszonc. während das flüssige |ίο In addition, liquid oxide carbide and liquid metal can form directly in the reaction zone. the However, the melting points of these two phases are very different. The Oxld-Carbld solidifies and remains in the coke charge in a short distance below the reactor zone. while the liquid |
Metall weller hcrahfllcl.itMetal weller hcrahfllcl.it
Das flüssige Metall, so wie es sich zuerst bei hoher Temperatur bildet, enthält gelösten Kohlenstoff. BeimThe liquid metal, as it is first formed at high temperature, contains dissolved carbon. At the
n Hcrabrlnnen durch die Koksbeschickung wird das Metall nach und nach gekühlt, wobei festes Alumlnlumcarbld ausfällt und sich auf der Oberfläche des Kokses niederschlägt. Am unteren Ende der Koksbeschickung soll die Temperatur unter K)O(VC gehalten werden Bei dieser Temperatur Ist die Löslichkeit von Kohlenstoff Im flüssigen Aluminium praktisch gleich Null und das vom unleren Ende abfließende Metall Ist Im wesentlichen frei I von Kohlenstoff \ The metal is gradually cooled down by the coke charge, with solid aluminum carbide precipitating and depositing on the surface of the coke. At the lower end of the coke feed the temperature below K) O (VC to be maintained at this temperature of carbon is the solubility in liquid aluminum practically zero and the effluent from the end unleren metal is substantially free of carbon I \
in Während der fortschreitenden Abkühlung von Gas und flüssigem Metall beim Durchgang durch die Koksbe- |. in During the progressive cooling of gas and liquid metal as they pass through the coke bed |.
Schickung können zu einem gewissen Ausmaß verschiedene RUckreaktlonen auftreten, z. B. die Reaktion IVarious reverse reactions can occur to a certain extent, e.g. B. Reaction I.
zwischen flüssigem Metall und gasförmigem Kohlenstoffmonoxld gemäß Gleichung III von rechts und Uns und |between liquid metal and gaseous carbon monoxide according to equation III from the right and Us and |
die Reaktion zwischen flüssigem Aluminium und festem Kohlenstoff, wobei festes Alumlnlumcarbld entsteht. |the reaction between liquid aluminum and solid carbon, resulting in solid aluminum carbide. |
Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Ausmaße dieser beiden Reaktionen bei den In Betracht kommenden :'Experiments have shown, however, that the extent of these two reactions in the following: '
Temperaturen gering sind. Außerdem sind die Produkte dieser Reaktionen Feststoffe, die In der Koksbeschlk- |Temperatures are low. In addition, the products of these reactions are solids that In the Koksbeschlk- |
kung zurückbleiben |lag behind |
Das Verfahren beruht auf dem niedrigsten Schmelzpunkt des A'umlnlums (660° C). Bei Temperaturen unter- eThe process is based on the lowest melting point of the surrounding area (660 ° C). At temperatures below e
halb lOOO3 C am unteren Ende der Koksbeschickung Ist Aluminium die einzige verbleibende Flüssigkeit In dem |Halfway through 1,000 3 C at the bottom of the coke charge, aluminum is the only remaining liquid in the |
System Alle anderen Reaktionsprodukte sind Feststoffe, die In der Koksbeschickung festgehalten werden, und |System All other reaction products are solids trapped in the coke charge and |
jn diese Feststoffe werden mit der Aufwärtsbewegung der Koksbeschickung In die Reaktionszone zurückgebracht. ϊ;ιThese solids are returned to the reaction zone with the upward movement of the coke feed. ϊ; ι
Das V erfahren Ist ebenfalls anwendbar für die Herstellung niedrigschmelzender Legierungen des Aluminiums t, The method is also applicable for the production of low-melting alloys of aluminum t,
durch Reaktion der entsprechenden Oxide. Beispiele sind Alumlnlum-Sllclum-Legierungen mit bis zu 40 |by reaction of the corresponding oxides. Examples are aluminum-silver alloys with up to 40 |
Gewichts-». S: (Der Schmelzpunkt bei dieser Zusammensetzung beträgt 95O°C ). sWeight ». S: (The melting point for this composition is 95O ° C). s
Hin besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das flüssige Metall Im Ausmaß seines Entstehens In |A particular advantage of the process is that the liquid metal to the extent of its formation In |
der heißesten Reaktionszone unverzüglich aus der Nähe der Elektroden abfließt. Hierdurch ist vermieden, daß |the hottest reaction zone immediately flows away from the vicinity of the electrodes. This prevents |
sich ein Becken bzw. eine zusammenhängende Schicht von geschmolzenem Metall ansammelt und die fa pool or continuous layer of molten metal accumulates and the f
Wärmeerzeugung erfolgt In den Lichtbögen zwischen den Elektroden und der obersten Schicht des Kohlen- IHeat is generated in the arcs between the electrodes and the top layer of the carbon I
Stoffs, wodurch In dem Oxid-Kohlenstoff-Gemlsch die für die Reaktion erforderliche Hitze entsteht. |Substance that generates the heat required for the reaction in the oxide-carbon mixture. |
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden Berechnungen angegeben über den Energiebedarf und die «To further explain the invention, calculations are given on the energy requirement and the «
Energieverteilung In der Koksbeschickung. Die Berechnungen wurden für die Reduktion zu reinem Aluminium |Energy distribution in the coke feed. The calculations were made for the reduction to pure aluminum |
angestellt Als Energieaufwendungen wurden genommen die Energie für das Aufheizen des Aluminiumoxids fjemployed The energy required to heat the aluminum oxide fj was taken as the energy expenditure
von Raumtemperatur bis zum Schmelzpunkt, die Wärme zum Schmelzen des Aiumlnlumoxlds, die weitere | Erwärmung auf Reaktionstemperatur und die Reaktionswärme. Die Erwärmung des Kohlenstoffs wurde als Energiebedarf nicht mitgezählt, da sie durch den Gegenstrom des Reaktionsgases erfolgt. Die Kühlung des Gases wurde herab auf HOOK (827° C) angenommen, denn dies 1st eine angemessene Temperatur, wenn das Aluminium flüssig bleiben soll.from room temperature to the melting point, the heat to melt the aluminum oxide, the further | Heating to the reaction temperature and the heat of reaction. The warming of the carbon was called The energy requirement is not counted as it is caused by the countercurrent flow of the reaction gas. The cooling of the Gas was assumed to be HOOK (827 ° C) because this is a reasonable temperature if that Aluminum should remain liquid.
Aus obiger Betrachtung geht hervor, daß es nicht möglich Ist, auszudrücken, wie groß eine direkt als flüssiges Metall gebildete Fraktion von Aluminiummetall Ist und welche Fraktion anfänglich als Aluminiumdampf mit nachfolgender Kondensation In der Koksbeschickung gebildet wurde. Dies ist primär abhängig von der KinetikFrom the above it follows that it is not possible to express how big a one is directly as a liquid Metal formed fraction of aluminum metal is and what fraction is initially as aluminum vapor with Subsequent condensation was formed in the coke feed. This is primarily dependent on the kinetics
so der Reaktionen ;.nd Ist bei dem gegenwärtigen Stand des Wissens einer quantitativen Berechnung nicht zugänglich Ute Energieberechnungen wurden daher angestellt für zwei begrenzende Fälle:so the reactions; .nd With the current state of knowledge, a quantitative calculation is not accessible Ute energy calculations were therefore made for two limiting cases:
a) alles Metall wird direkt als Flüssigkeit erzeut unda) all metal is produced directly as a liquid and
b) alles Metall wird anfänglich als Dampf erzeugt.b) all metal is initially produced as steam.
Die thermodynamlschen Daten wurden entnommen aus JANAF Thermochemlcal Tables (Natl. Bur. Stand., Washington 1971) Die Temperaturen sind In Kelvin (K) angegeben, die Ergebnisse der Berechnungen zeigen folgende Tabellen.The thermodynamic data were taken from JANAF Thermochemical Tables (Natl. Bur. Stand., Washington 1971) Temperatures are given in Kelvin (K), which shows the results of the calculations following tables.
Alternative I: Alles Metall gebildet als flüssiges Al bei 2400 KAlternative I: All metal formed as liquid Al at 2400 K.
AhO3: Erwärmung 298-2327 K 61,1 kcal/molAhO 3 : heating 298-2327 K 61.1 kcal / mol
Schmelzung bei 2327 K 28,3Melting at 2327 K 28.3
Erwärmung 2327-2400 K 2,5Heating 2327-2400 K 2.5
AI2Oj(I) + 3 C(s) = 2 Al(I) + 3 CO(g) 282,2AI 2 Oj (I) + 3 C (s) = 2 Al (I) + 3 CO (g) 282.2
Primärer EnergiebedarfPrimary energy demand
Kühlung 2 AKl) 2400-1100 K 3 CO(g) 2400-1100 KCooling 2 AKl) 2400-1100 K 3 CO (g) 2400-1100 K
Erwärmung 3 C(s) 298-2400 K »Überschußwärme« in der KoksbeschickungHeating 3 C (s) 298-2400 K "excess heat" in the coke charge
Alternative II: Alles Metall gebildet als Al-Dampf bei 2600 KAlternative II: All metal formed as Al vapor at 2600 K.
Al2O3: Erwärmung 298-2327 K Schmelzung bei 2327 KAl 2 O 3 : heating 298-2327 K melting at 2327 K
Erwärmung 2327-2600 K Al2O3(D + 3 C(s) = 2 Al(g) + 3 CO(g) Primärer EnergiebedarfHeating 2327-2600 K Al 2 O 3 (D + 3 C (s) = 2 Al (g) + 3 CO (g) Primary energy requirement
Kondensation 2 Al, 2600 K Kühlung 2 AI(I) 2600-1100 K 3 CO(g) 2600-1100 KCondensation 2 Al, 2600 K, cooling 2 AI (I) 2600-1100 K 3 CO (g) 2600-1100 K
Erwärmung 3 C(s) 298-2600 K »Überschußwärme« in der KoksbeschickungHeating 3 C (s) 298-2600 K "excess heat" in the coke charge
IOIO
2020th
165,2 kcal/2 mol Al
3,55 kWh/kg Al165.2 kcal / 2 mol Al
3.55 kWh / kg Al
Es 1st zu bemerken, daß die Reaktionsteilnehmer und die Produkte für beide Alternativen die gleichen waren. Folglich 1st der Netto-Energlebedarf gleich dem primären Energiebedarf abzüglich der Überschußwärme, ungeachtet des angenommenen Reaktionsmechanismus und der Reaktionstemperatur, nämlich:Note that the reactants and products were the same for both alternatives. Consequently, the net energy requirement is equal to the primary energy requirement minus the excess heat, regardless the assumed reaction mechanism and the reaction temperature, namely:
AlLIAlLI
Alt. IIAlt. II
Primärer Energiebedarf 8,05 Überschußwärme 0,44Primary energy requirement 8.05 excess heat 0.44
Netto-EnergiebedarfNet energy demand
7,617.61
11,16 kWh/kg Al11.16 kWh / kg Al
7,61 kWh/kg Al7.61 kWh / kg Al
Die Überschußwärme wurde entfernt, um eine Temperatur unterhalb etwa 1000° C im unteren Teil der Koksbeschickung aufrechtzuerhalten. Dies kann teilweise geschehen durch den normalen Wärmeverlust an der Ofenwandung, teilweise auch durch entsprechende Luft- oder Wasserkühlung. Im letzten Fall kann die abgeführte Wärme über Austauscher Hilfszwecken zugeführt werden.The excess heat was removed to a temperature below about 1000 ° C in the lower part of the Maintain coke loading. This can happen in part due to normal heat loss from the Furnace wall, partly also by appropriate air or water cooling. In the latter case, the discharged Heat can be supplied for auxiliary purposes via exchangers.
Bei der Betrachtung der Energie-Ökonomie des Verfahrens 1st auch die chemische Energie des Kohlenstoffmonoxids in Rechnung zu ziehen. Für jedes kg Al werden 1,36 m' CO-Gas (1 atm, 25° C) erzeugt mit einer Verbrennungswärme von 4,35 kWh. Nimmt man an, daß 70% dieser Wärme nutzbar gemacht werden, so sind von den Energieaufwendungen 3,0 kWh/kg AI abzuziehen. Andererseits entstehen Wärmeverluste Infolge Ableitung durch die Ofenwandungen und die Elektroden. Jedoch 1st bei Einbeziehung aller Umstände der Energiebedarf des Verfahrens der Erfindung vergleichsweise günstig gegenüber den gegenwärtig angewendeten elektrolytischen Verfahren, bei denen der Aufwand Im Bereich von 14 bis 17 kWh/kg Al Hegt.When considering the energy economy of the process, the chemical energy of the carbon monoxide is also important to be taken into account. For every kg of Al, 1.36 m 'CO gas (1 atm, 25 ° C) are generated with one Combustion heat of 4.35 kWh. Assuming that 70% of this heat is harnessed, so are Deduct 3.0 kWh / kg AI from the energy expenditure. On the other hand, there are heat losses as a result Dissipation through the furnace walls and the electrodes. However, when all circumstances are included, the energy requirement is of the method of the invention is comparatively cheap over the currently used electrolytic Processes in which the effort is in the range from 14 to 17 kWh / kg Al Hegt.
Das wichtigste technische Problem bei der Durchführung des Verfahrens ist die Aufwärtsbewegung der Kohlenstoffbeschickung Im Gegenstrom zum Reaktionsgas und dem flüssigen Metall. Die Fig.2 und 3 zeigen eine Vorrichtung, mit der diese Aufgabe gelöst ist.The most important technical problem in performing the method is the upward movement of the Carbon feed In countercurrent to the reaction gas and the liquid metal. Figures 2 and 3 show a device with which this object is achieved.
Bei dieser Vorrichtung werden Behälter 4 verwendet, die aus kohlenstoffhaltigem Material bestehen und mit Koks eefüllt werden. Der Boden dieser Behälter 4 gestattet den Durchgang von Gas und geschmolzenemIn this device, containers 4 are used, which are made of carbonaceous material and with Be filled with coke. The bottom of these containers 4 allows the passage of gas and molten material
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Metall, während er den Koks trägt. Der Boden Ist daher z. B. als Rost auj Stäben aus Kohlematerlal ausgebildet.
Im Maße wie diese Behälter aufwärts geschoben werden und die Koksbeschickung verbraucht wird, erreicht der
Boden des obersten Behälters die Reaktionszone, und sein Kohienstoffeaterlal nimmt als Reduktionsmittel an
der Reaktion teil. Ein Stahlzyllnder 5 dient als Behälter und zur Zuführung des Oxids, das von oben eingespeist
wird. Mit 6 Ist die Wandung des kohlenstoffhaltigen Behälters bezeichnet, nachdem dessen Boden bei der Reaktion
verzehrt Ist. Die Wandung wird herausgenommen und kann, mit einem neuen Boden versehen, als Behälter
wledervfrwendet werden. Sie kann auch zerkleinert und dann als Reduktionsmittel eingesetzt werden. Ziffer
7 bezeichne* die Elektroden Pphaslg).
Der Behälter 8 aus feuerfestem, für die Aufnahme von flüssigem Metall geeignetem Material Ist getragen von
einem Ständer 10, der mitteis des hydraulischen Zylinders angehoben und abgesenkt werden kann. Der Ständer
10 und mit Ihm ein Stapel von kohlenstoffhaltigen Behältern 4 werden Im Maße der durch den Kohlenstoffverbrauch
der Reaktion bedingten Geschwindigkeit aufwärts geführt bis der Boden des unteren Behälters etwa Im
Niveau mit der Abdeckung des unteren erweiterten Teils der Reaktionskammer steht. Der Kohlenstoffbehälter
wird dann In dieser Stellung festgehalten (die entsprechende mechanische Vorrichtung Ist nicht dargestellt) und
der Ständer 10 mit dem Metallbehälter 8 wird abgesenkt. Zur gleichen Zelt wird das linke der beiden Tore 9
geöffnet, und der die beiden hydraulischen Zylinder 11 tragende Wagen 12 wird nach rechts verschoben, bis
der leere Metallbehälter 13 und der Kohlenstoffbehällcr 14 mit der Koksbeschickung direkt unter dem Im Ofen«
schacht befindlichen Kohlenstoffbehälter steht. Die Behälter 13 und 14 werden aufwärts bewegt, so daß sie den
darüber befindlichen Behälterstapel tragen. Das rechts gelegene Tor 9 wird jetzt geschlossen, so daß das Reak-Metal while he carries the coke. The ground is therefore z. B. formed as a grate auj rods made of carbon material. As these containers are pushed up and the coke charge is consumed, the bottom of the top container reaches the reaction zone and its carbon material participates in the reaction as a reducing agent. A steel cylinder 5 serves as a container and for supplying the oxide, which is fed in from above. The wall of the carbon-containing container is denoted by 6 after its bottom has been consumed in the reaction. The wall is removed and, provided with a new bottom, can be reused as a container. It can also be crushed and then used as a reducing agent. Number 7 denotes * the electrodes Pphaslg).
The container 8 made of refractory material suitable for holding liquid metal is carried by a stand 10 which can be raised and lowered by means of the hydraulic cylinder. The stand 10 and with it a stack of carbon-containing containers 4 are moved upward at the rate caused by the carbon consumption of the reaction until the bottom of the lower container is approximately level with the cover of the lower extended part of the reaction chamber. The carbon container is then held in this position (the corresponding mechanical device is not shown) and the stand 10 with the metal container 8 is lowered. At the same time the left of the two gates 9 is opened, and the carriage 12 carrying the two hydraulic cylinders 11 is shifted to the right until the empty metal container 13 and the carbon container 14 with the coke charge are directly below the carbon container in the furnace shaft. The containers 13 and 14 are moved upwards so that they support the stack of containers above. Gate 9 on the right is now closed so that the reaction
2n tlonsgas nur durch den linken Ausgang abströmen kann. Dann wird der Deckel 15 des rechten Abteils weggenommen, und der Metallbehälter auf bekannte Welse mittels Vakuum entleert. Anschließend wird ein neuer Kohlenstoffbehälter aufgesetzt. Nach Absenken dieser beiden Behälter wird der Deckel 15 wieder aufgelegt, und die Vorrichtung Ist bereit zur nächsten Verschiebung In umgekehrter Richtung. Die Überführungszelt vom .1 Absenken eines Metallbehälters bis zum Ersatz durch den nächsten Ist kurz Im Vergleich zur Verbrauchszelt des2n tlon gas can only flow out through the left exit. Then the lid 15 of the right compartment is removed, and the metal container is emptied in known catfish by means of vacuum. Then a new one Carbon container put on. After lowering these two containers, the lid 15 is put back on, and the device is ready for the next shift in the opposite direction. The transfer tent from .1 Lowering a metal container until it is replaced by the next Is short compared to the consumption tent of the
j| 25 Inhalts eines Kohlenstoffbehälters, so daß das Verfahren praktisch kontinuierlich abläuft.j | 25 contents of a carbon container, so that the process is practically continuous.
Die obere Seite des Wagens 12 Ist durch feuerfeste und wilrmedämmende Steine geschützt. Zwischen dem bewegten und dem stehenden Mauerwerk Ist eine Labyrinthschleuse vorgesehen, wie sie von üblichen Tunnelöfen bekannt 1st. Der Wagen 12 bewegt sich Innerhalb einer gasdichten Einfassung, um das Entweichen von Kohlenstoffmonoxld durch die Labyrinthschleuse zu verhindern.The upper side of the car 12 is protected by fire-resistant and heat insulating stones. Between the Moving and standing masonry, a labyrinth sluice is provided, as is the case with conventional tunnel ovens known 1st. The carriage 12 moves within a gas-tight enclosure to prevent escape Prevent carbon monoxide through the labyrinth sluice.
Bei der Anlage gemäß Flg. 2 und 3 erfolgt die Beschickung In vertikalen Bewegungen. Dies Ist jedoch nicht Bedingung. Die Zuführ- und Abführwege können.auch In einem Winkel zur Reaktionskammer oder tangential angeordnet sein.With the system according to Flg. 2 and 3 the feeding takes place in vertical movements. However, this is not the case Condition. The feed and discharge paths can also be at an angle to the reaction chamber or tangentially be arranged.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792951959 DE2951959C2 (en) | 1979-12-22 | 1979-12-22 | Process and device for the production of aluminum or aluminum alloys by carbothermal reduction of aluminum oxide or mixtures of aluminum oxide and other oxides |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19792951959 DE2951959C2 (en) | 1979-12-22 | 1979-12-22 | Process and device for the production of aluminum or aluminum alloys by carbothermal reduction of aluminum oxide or mixtures of aluminum oxide and other oxides |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2951959A1 DE2951959A1 (en) | 1981-09-03 |
DE2951959C2 true DE2951959C2 (en) | 1985-07-04 |
Family
ID=6089387
Family Applications (1)
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DE19792951959 Expired DE2951959C2 (en) | 1979-12-22 | 1979-12-22 | Process and device for the production of aluminum or aluminum alloys by carbothermal reduction of aluminum oxide or mixtures of aluminum oxide and other oxides |
Country Status (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE880211C (en) * | 1939-03-14 | 1953-06-18 | Vaw Ver Aluminium Werke Ag | Process for the extraction of aluminum |
NL174714B (en) * | 1951-12-19 | Gen Electric | PROCEDURE FOR CONVERTING HEXAGONAL BORON NITRIDE INTO CUBIC BORN NITRIDE AND USING THIS IN A CUTTING TOOL. | |
NO129623B (en) * | 1972-01-25 | 1974-05-06 | Elkem Spigerverket As |
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1979
- 1979-12-22 DE DE19792951959 patent/DE2951959C2/en not_active Expired
Also Published As
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DE2951959A1 (en) | 1981-09-03 |
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