DE3408952C2

DE3408952C2 - Verfahren zur Herstellung von Korund durch reduzierendes Schmelzen von Bauxit im elektrischen Lichtbogen

Info

Publication number: DE3408952C2
Application number: DE3408952A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Chem. 7888 Rheinfelden Sroka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-12
Filing date: 1984-03-12
Publication date: 1986-08-28
Also published as: DE3408952A1

Abstract

Künstlicher Korund wird hergestellt durch reduzierendes Schmelzen von calziniertem Bauxit im elektrischen Lichtbogen-Ofen. Dabei werden die Begleitoxide des Bauxits (Fe2O3, SiO2, TiO2, etc.) durch Kohle partiell oder ganz zu Metall reduziert, das sich am Boden der Schmelze absetzt. Darüber kristallisiert α-Al2O3 als Korund aus mit einem Al2O3-Gehalt von etwa 95-96% (Normalkorund). Zur Erzielung eines höheren Gehalts an Aluminiumoxid wie z. B. bei Halbedelkorund oder Edelkorund kann man Kohle als Reduktionsmittel nicht mehr problemlos oder gar nicht mehr verwenden, da bei etwa 1800°C die Aluminiumcarbidbildung beginnt. Nach der bisherigen Arbeitsweise erreicht man den höheren Al2O3-Gehalt durch teilweisen oder vollständigen Ersatz des Bauxits durch Tonerde. Die Erfindung beruht darauf, daß anstelle der mit hohen Herstellungskosten befrachteten Tonerde weiterhin Bauxit aber mit einem nicht Aluminiumcarbid bildenden Reduktionsmittel zusammengeschmolzen wird. Hier bietet sich mit großem Vorteil das Aluminium als Reduktionsmittel an. Ein wesentliches Merkmal des aluminothermischen Verfahrens liegt darin, daß bei der vollständigen Reduktion des Bauxits ein Korund mit einem Gehalt an α-Al2O3 ≥ 99% entsteht, wie er bisher nur noch im Einkristallkorund nach dem HAGLUND-Verfahren erreicht wird. Die Herstellkosten des nach dem aluminothermischen Verfahren hergestellten Korunds sind etwa 40% niedriger als die des aus "BAYER"-Tonerde ...

Description

Na₃AlF₆ + Al₂O₃ ^ 3 NaAlOF₂ £=; 3 Na⁺ + 3 AlOFr

Demzufolge hat der Kryolith nicht nur die Funktion der Erniedrigung des Schmelzpunkts auf 950°C, sondern auch der kationischen Stromleitung.

Wie die elektrolytische Abscheidung von Aluminium ohne Kryolith vor sich gehen soll, ist unklar. Ebenso unklar ist das Verhalten der Bodenelektrode (Kathode), die mit einer Schicht aus schmelzflüssiger Ferrolegierung aus der ersten Stufe des Prozesses bedeckt ist. Diese Legierung müßte normalerweise das an ihr abgeschiedene Aluminium als Legierungsbestandteil aufnehmen.

Schließlich kommt man bei der Reduktion von Bauxit mit Kohle sehr schnell in das Gebiet der Aluminiumcarbid-Bildung. Bei 1800°C beginnt AI2O3 mit Kohlenstoff zu reagieren unter Bildung von metallischem Aluminium und Aluminiumcarbid. Aluminium bildet das Carbid AI4C3 und die Oxi-Carbide AI4O4C und AI2OC. Bei 1800°C bilden AI4O4C und AI2O3 eine eutektische Schmelze.

Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Korund zu finden, daß die vorstehenden Nachteile des bekannten Verfahrens vermeidet und diesem technisch und wirtschaftlich überlegen ist. Insbesondere soll dabei auch die Verunreinigung des erhaltenen Korunds durch Karbide vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bauxit unter Zusatz von metallischem Aluminium reduzierend geschmolzen wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden folgende Vorteile erreicht:

1· Eine Aluminiumearbid-Bildung tritt nicht auf, da die Charge kohlenstofffrei ist.

2. Es sind beliebige Reduktionsgrade zwischen Normalkorund (ca. 95% AI2O3) und Einkristallkorund (Al₂O₃ > 99%) einstellbar.

3. Ein Glühen des Korunds zur Zersetzung eventuell entstandener Carbide ist nicht erforderlich, wodurch ein bisher unerläßlicher Arbeitsgang und die damit verbundenen Kosten eingespart werden.

4. Es entstehen keine gasförmigen Reaktionsprodukte, wie z. B. CO oder CO2 bei der Reduktion mit Kohle.
5. Es treten weniger Staubverluste auf, wodurch verbesserte Umweltbedingungen erreicht werden.
6· Im Gegensatz zur Reduktion mit Kohle kann feinkörniger bis staubkörniger Bauxit verwendet werden, da die Charge nicht gasdurchlässig zu sein braucht.

7. Durch das schnelle Einstellen der chemischen Reaktionsgleichgewichte wird eine kürzere Schmelzdauer erreicht, was für Abstichverfahren wichtig ist.

8. Da die Oxidationswärme des Aluminiums im Inneren der Charge frei wird und nicht wie bei der Reduktion mit Kohle von außen durch den Lichtbogen auf die Charge übertragen wird, wird ein besserer Energiewirkungsgrad erzielt,

9. Das als Reduktionsmittel eingesetzte Aluminium wird in Korund umgewandelt und bleibt als Zubrand im System.

10. Durch die beiden aluminothermischen Reduktionsreaktionen auftretende Wärmetönung wird der Verbrauch an elektrischer Energie gesenkt.

Beispiel

In drei Versuchen wurde jeweils Bauxit im elektrischen Lichtbogenofen unter Zusatz variierter Mengen Aluminium-Metall reduzierend geschmolzen. Als Reduktionsmittel dieme Aluminium-Folien-Grieß handelsüblieher Körnung 0,4—23 mm.

Bauxitanalyse:

Al₂O₃ 83-84%

SiO₂ 4-5%

Fe₂O₃ 7-8%

TiO₂ 3- 4%

Aluminium-Foliengrieß-Analyse:

Al 96,0 -97,5%

Al₂O₃ 1,5 - 2,5%

Cu max. 0,05%

Zn max. 0,05%

C max. 1,2%

Schmelztiegel:

Zylindrisches mit Korundstampfmasse ausgekleidetes Gefäß. Der Boden ist als halbkugelförmige Kalotte ausgebildet, und mit Kohlestampfmasse ausgekleidet.

Abmessungen des Schmelztiegels:

Lichte Weite oben 400 mm

Lichte Höhe 180 mm

Schmelzvolumen:
14,2 Liter

Elektroden:

75 mm Durchmesser

Ofentransformator:

Strom sekundär 4000 Ampere (max)

Spannung sek. 10—250 Volt, in Stufen regelbar.

Einphasenbetrieb mit zwei Elektroden.

Es wurden für die Beschickung des Ofens drei unterschiedliche Mischungen aus Bauxit und Aluminium-Foliengrieß hergestellt:

1. 50 kg Bauxit + 3,00 kg Aluminium-Foliengrieß (6%)

2. 50 kg Bauxit + 3,25 kg Aluminium-Foliengrieß (6,5%)

3. 50 kg Bauxit + 3,50 kg Aluminium-Foliengrieß (7%)

Nach gutein Vermischen der Ausgangsstoffe wurden für jeden Versuch etwa 5 kg der Mischung in den Ofen eingebracht, der Transformator eingeschaltet, und der Ofen durch Kurzschließen der beiden Elektroden mittels einer dritten, von Hand bedienten Elektrode bei einer Spannung von 50 Volt gezündet. Anschließend wurde die Zündspannung auf 90 Volt erhöht. Nachdem sich der Lichtbogen stabilisiert hatte, und ein Schmelzbad entstanden war, wurde die Spannung wieder auf 50 Volt zurückgenommen. Die Spannung während des Betriebs betrug 50 bis 52 Volt bei einer Stromstärke von 1,9 bis 2,0 kA. Da keine Reaktionsgase entstanden, verliefen alle drei Schmelzen sehr ruhig. Wenn jeweils der Tiegel mit Schmelzgut gefüllt war, wurde der Ofentransformator abgeschaltet, die Elektroden hochgezogen, und der Ofen zum Abkühlen stehen gelassen. Nach dem Erkalten wurde der Korundblock aus dem Ofen herausgenommen, gewogen und analysiert, wobei die nicht verbrauchte Mischung zurückgewogen wurde.

Es wurden folgende Versuchsergebnisse erzielt:

Versuch Nr. 1

Einsatz (kg) Bauxit

Al.-Fol.-Grieß Summe Einsatz (kg)

Einsatz Energie (kWh)

Korund-Ausbeute (kg)

Analysen Al₂O₃ SiO₂ Fe₂O₃ TiO₂ CaO MgO

37,20

2,23

39,43

36,72

2,39

39,11

37,28

2,61

39,89

72

34,90	34,90	35,20
88,51	89,24	88,24
98,6	99,0	99,0
0,07	0,04	0,05
0.08	0,04	0,03
0,90	0,75	0,60
0,07	0,05	0,24
0,07	0,08	0,05

99,79

99,96

99,97

Aus den Versuchsdaten ergeben sich rechnerisch die nachstehend aufgeführten spezifischen Verbrauchsziffern pro Tonne Rohkorund (Klinker)

Versuch Nr.
1

1066	1052	1059
65,0	68,5	73,9
2149	2006	2045

Bauxit (kg) Al.-Foliengrieß (kg) El. Energie (kWh)

Der bei den Versuchen erschmolzene Korund ist sehr dicht, kompakt und porenlos. Beim Brechen entstehen glatte, glänzende Flächen.

Die Farbe des Korunds ist grau, die vermutlich durch die Kohlestampfmasse der Ofenauskleidung bedingt ist.

Der Verbrauch an elektrischer Energie ist infolge der Kleinheit des Versuchsofens und des dadurch bedingten schlechten Wirkungsgrades relativ hoch. Aufgrund des theoretischen Energieverbrauchs und des bekannten Wirkungsgrads eines Produktionsofens dürfte er im Produktionsmeßstab vermutlich 1200 bis 1300 kWh/t Rohkorund (Klinker) betragen.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Korund durch reduzierendes Schmelzen von Bauxit im elektrischen Lichtbogenofen unter gleichzeitiger aluminothermischer Reduktion der Begleitoxide des Bauxits, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauxit unter Zusatz von metallischem Aluminium reduzierend geschmolzen wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Korund durch reduzierendes Schmelzen von Bauxit im elektrischen Lichtbogenofen unter gleichzeitiger aluminothermischer Reduktion der Begleitoxide des Bauxits.

Aus der DE-PS 6 42 644 ist ein Verfahren zur Herstellung von Korund bekannt, bei dem Bauxit unter Kohlenstoffzusatz im Wechselstromofen reduzierend verschmolzen wird. Nach Umschalten auf Gleichstrom soll in demselben Ofen durch Elektrolyse Aluminium in metallischer Form entstehen, welches unmittelbar nach seiner Entstehung die in der Schmelze noch vorhandenen Fremdmetalloxide in Metalle überführt und damit abscheidet.

Dieses bekannte Verfahren arbeitet in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird Bauxit mit Koks in herkömmlicher Weise reduziert, wie es auch bei der Darstellung von Normalkorund üblich ist. Dann wird die Energieeinspeisung von Wechsel- auf Gleichstrom umgestellt und die Schmelze einer AluminiumelektroJyse unterworfen, wobei das sich abscheidende Aluminium in der Schmelze aufsteigen soll.

Dieses Verfahren hat sich in der Praxis nicht durchgesetzt. Offensichtlich ist die zweite Stufe nur sehr schwer realisierbar und wenn, dann nur mit großem Aufwand an Investitions- und Herstellungskosten. Es ist nämlich neben der Wechsel- oder Drehstromeinspeisung eine Gleichstromanlage für die Elektrolyse der zweiten Stufe erforderlich. Die Elektrolyse des Aluminiums kann nicht wie im klassischen Verfahren bei 950°C im Kryolithbad stattfinden, sondern muß, da man reinen Korund haben will, beim Schmelzpunkt des Korunds (2050°C) durchgeführt werden. Dabei muß die Schmelze offen gehalten werden, damit die an der Anode in beträchtlicher Menge entstehenden CO-Gase entweichen können. Die Strahlung des 2050° C heißen und offenen Schmelzbades bedingt große Energieverluste und stellt höchste Anforderungen an Ofenausrüstung und Bedienungsmannschaft. In der ersten Stufe, in der Normalkorund erzeugt wird, beträgt der Energieverbrauch bereits 2500 bis über 3000 kWh/t Rohkorund.

Nach TIBOR ERDEY-GRUZ »Kinetik der Elektroden-Prozesse«, Verlag Akademiai Kiado, Budapest 1975, Seite 436, wird bei der Schmelzflußelektrolyse des Aluminiums die Leitung des kationischen Stroms praktisch von den Na⁺-lonen des Kryoliths übernommen, während die Al³⁺-Ionen sich erst durch die Zersetzung der Oxyfluoridionen bilden, und ihre Aktivität somit derart niedrig ist, daß ihre Teilnahme an der Leitung der Elektrizität unbedeutend ist. In der AbO3-haltigen Kryolithschmelze besteht folgendes Gleichgewicht: