DEP0043755DA - Verfahren zur Gewinnung reinen Aluminiums aus Aluminium enthaltenden Verbindungen, z. B. Tonerde - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Aluminium aus Aluminium enthaltenden Verbindungen, vorzugsweise aus Tonerde, thermisch oder elektrothermisch mittels Reduktionsmitteln, wie Kohle oder kohlenstoffhaltigen Stoffen, wie Azetylen, zu reduzieren. Das metallische Aluminium muß nach seiner Reduktion dem Einfluß des Reduktionsmittels, des Kohlenstoffes, und der Reduktionsprodukte, hauptsächlich des Kohlenoxydes, entzogen werden, da andernfalls bei langsamer Temperatursenkung die Gefahr einer Rückbildung zu Aluminiumoxyd und Aluminiumkarbid besteht. Dies vermeidet man entweder durch plötzliches Abkühlen auf Temperaturen, bei denen die Rückbildung nicht mehr vor sich geht, beispielsweise mittels dicht bei der Reduktionszone angeordneter Kühlflächen oder durch Kühlen und Verdünnen der Reduktionsprodukte mittels eines Spül- oder Schutzgases, beispielsweise mittels Wasserstoff oder mittels Metalldämpfen, aus denen das Aluminium dann abgeschieden werden kann.

Der Wasserstoff muß in reinem Zustande zugeführt werden. Er müßte also laufend von dem aus der Reduktion stammenden Kohlenoxyd befreit werden oder als Frischgas in genügender Menge zur Verfügung stehen.

Bei Verwendung von Metalldämpfen stört die Verunreinigung des Aluminiums durch diese Metalle.

Man kann das reduzierte Aluminium bekanntlich auch dadurch vor Rückoxydation und Karbidbildung schützen, daß man in der Reduktionszone andere Metalle zusetzt, die sich mit dem Aluminium legieren. Man gewinnt auch hier kein reines Aluminium, sondern muß es ebenfalls durch zusätzliche Behandlung, z.B. Dreischichtenelektrolyse oder Destillation, raffinieren.

Die beschriebenen Verfahren haben z.T. auch aus diesen Gründen zur Gewinnung von reinem Aluminium bisher keine technische Anwendung finden können, im Gegensatz zu ähnlichen Verfahren der Magnesiumgewinnung.

Es sind andererseits Verfahren bekannt und vorgeschlagen worden, bei denen metallisches Aluminium enthaltendes Material bei erhöhter Temperatur mit solchen Stoffen zur Reaktion gebracht wird, die mit dem Aluminium flüchtige Subverbindungen bilden, welche bei Temperaturerniedrigung in reines Aluminium und Verbindungen des dreiwertigen Aluminiums zerfallen.

Solche Stoffe sind z.B. die Halogene und ihre Verbindungen sowie die Chalkogene wie Schwefel, Selen und Tellur und ihre Verbindungen.

Von diesen sollen vor allem die Halogenide, unter diesen in erster Linie die Chloride, zur Raffination des Aluminiums angewandt werden.

Das metallische Aluminium wird dabei unter Wärmeverbrauch gemäß der Reaktionsgleichung umgesetzt. Die Reaktion verläuft bei Temperaturerhöhung unter Wärmeverbrauch von links nach rechts, bei Temperaturerniedrigung unter Abscheidung reinen Aluminiums umgekehrt.

Versuche jedoch, metallisches Aluminium aus Aluminiumoxyd direkt ohne vorherige Reduktion mit Kohle o.dgl. allein mittels Subverbindungen, vor allem mittels Subhalogeniden, zu reduzieren, sind bisher mißlungen.

Ein neuerer Vorschlag geht dahin, die Behandlung von Aluminiumoxyd oder solches enthaltenden Stoffen mit Halogeniden in Gegenwart von Reduktionsmitteln, wie Kohle und Silizium, durchzuführen, um unmittelbar metallisches Aluminium zu gewinnen; über den praktischen Erfolg dieses Vorschlages jedoch ist nichts bekannt geworden, zumal auch die dort genannte Bedingung, weit unterhalb der Destillationstemperatur zu arbeiten, eine gleichzeitige Reduktion und Aufnahme des Aluminiums mittels Aluminiumhalogeniden aus einem Gemenge von Tonerde mit Kohle unwahrscheinlich macht, da beide Reaktionen unter Wärmeverbrauch verlaufen.

Erfindungsgemäß werden das thermische oder elektrothermische Verfahren und das Raffinationsverfahren mit Hilfe von Subverbindungen in der Weise miteinander kombiniert, daß zunächst Aluminiumoxyd oder solches enthaltende Stoffe bei hohen Temperaturen z.B. mit Kohle reduziert werden und daß das frisch gebildete metallische Aluminium aus der Reduktionszone oder deren unmittelbarer Nachbarschaft durch solche Stoffe, die mit dem Aluminium flüchtige Subverbindungen zu bilden vermögen, abgeführt wird. Als Spül- und Schutzgas wird hier also ein derartiger Stoff, vorzugsweise dampfförmiges Aluminiumtrichlorid, gegebenenfalls mit schon gebildetem Aluminiumsubchlorid gemischt, verwendet. Hierdurch wird erstens die gewünschte Abkühlung des den Reduktionsvorgang verlassenden Gemisches aus Aluminiumdampf oder -Nebel mit den Reduktionsrückständen, wie Kohlenoxyd, erzielt, da sich bei der hohen Temperatur das Aluminiumtrichlorid praktisch restlos mit dem Aluminium zu Aluminiumsubchlorid unter Wärmeverbrauch umsetzt und der Chloriddampf mit Untertemperatur zugeführt werden kann. Zweitens wird gleichzeitig der Wärmebedarf der Chloridreaktion gedeckt und drittens die Rückbildung von Aluminium zu Oxyd und Karbid verhindert. Weiterhin ist es möglich, aus dem Aluminiumsubchlorid durch weitere Abkühlung reines Aluminium zu gewinnen.

Nach der bisherigen Lehre galt es als unumgängliches Erfordernis, das Arbeiten mit Aluminiumsubverbindungen bildenden Stoffen im Vakuum oder in einer für Aluminium inerten Atmosphäre durchzuführen. Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß unter den erfindungsgemäßen Arbeitsbedingungen auch bei Gegenwart von solchen Stoffen, die mit Aluminium leicht reagieren, wie z.B. Kohlenstoff, Kohlenoxyd usw., die Aluminiumsubverbindungen bildenden Stoffe erfolgreich angewandt werden können und das Aluminium aus dem Reduktionsraum auf einfache Weise entfernt und von seinen metallischen und nichtmetallischen Begleitern befreit werden kann.

Die Aufnahme des frisch gebildeten Aluminiums durch das Halogenid findet dabei statt, ohne daß es vorher mit den übrigen Reaktionspartnern zusammen langsam abkühlen und sich zu Oxyd und Karbid rückbilden kann. Es hat sich gezeigt, daß schon die Gegenwart ausreichender Mengen Halogenid oder anderer Stoffe, die bei den hohen Temperaturen Aluminiumhalogenid zu bilden vermögen, wie Chlor oder Chlorwasserstoff, in und/oder an der Reduktionszone genügt, um eine unerwünschte Rückbildung des Aluminiums zu Oxyd oder Karbid zu verhindern, da Aluminiumsubchlorid weniger zur Reaktion mit Sauerstoff und Kohlenstoff neigt als metallisches Aluminium.

Das Verfahren mit Hilfe der Subverbindungen ist auch mit Vorteil mit einem neuerdings vorgeschlagenen Verfahren zur thermischen Gewinnung von Aluminium zu kombinieren. Letzteres ist dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Reduktion der Aluminium enthaltenden Verbindungen in fein verteiltem Zustande in Gegenwart von Reduktionsmitteln derart vorgenommen wird, daß die Reduktionswärme einer hohe Temperaturen von vorzugsweise mindestens 1800°C erzeugenden Reaktion zwischen einerseits gasförmigen und andererseits gasförmigen oder feinverteilten, bei Raumtemperatur festen oder flüssigen Reaktionspartnern auf das zu reduzierende Gut unmittelbar einwirkt.

Eine solche Reaktion liegt z.B. bei einer Flamme vor, in der Kohlenstaub oder Kohlenwasserstoff mit Luft, insbesondere mit Sauerstoff, verbrannt werden.

Die wärmeerzeugende Reaktion kann jedoch auch als Verbrennung von insbesondere lose geschichteter Kohle mit Luft oder Sauerstoff, vorteilhaft im Schachtofen, vorliegen. Auch andere

Grenzflächenreaktionen, z.B. zwischen Aluminium und Chlor, sind anwendbar.

Das Aluminiumsubverbindungen bildende Mittel, vorzugsweise Aluminiumchlorid in Dampfform, wird in die Reaktionszone oder deren unmittelbare Nachbarschaft gebracht und nimmt das dort reduzierte Aluminium in Form einer leichtflüchtigen Verbindung auf. Da mit dem Einbringen und der Reaktion des Aluminiumhalogenids eine Abkühlung verbunden ist, ist es demnach vorteilhafter, es nicht zusammen mit den übrigen Stoffen zuzuführen, da diese auf eine möglichst hohe Temperatur kommen sollen, sondern getrennt an die Reduktionszone heranzuführen.

Die Abscheidung des Aluminiums aus dem Reaktionsgemisch muß bei niedrigerer Temperatur, vorzugsweise unter 1200°C, erfolgen. Will man das nach Abscheidung des Aluminiums verbleibende Aluminiumhalogenid wiedergewinnen, um es vorteilhafterweise im Kreislauf in den Prozess wieder einzuführen, so muss es von den mit ihm gemischten Verbrennungsgasen, z.B. vor allem dem Kohlenoxyd, getrennt werden. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß das Aluminiumhalogenid unter seine Verdampfungs- bzw. Sublimationstemperatur abgekühlt wird oder vorteilhafter unter geringem Wärmeverlust dadurch, daß es einer auf geeigneter Temperatur befindlichen Salzschmelze, die Aluminiumhalogenid zu lösen vermag, zugeführt wird. Es eignen sich beispielsweise die für eine Speicherung von Aluminiumchlorid bereits vorgeschlagenen Schmelzen aus Chloriden der Alkali- und/oder Erdalkalimetalle. Durch Aufheizung auf höhere Temperaturen kann das Aluminiumchlorid wieder ausgetrieben werden. Gleichzeitig eignen sich solche Schmelzen zur Abscheidung des gewonnenen Aluminiums.

Der technische und wirtschaftliche Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination liegt hauptsächlich darin, daß auch aus unreinen, Aluminiumoxyd enthaltenden Ausgangsstoffen, z.B. aus Ton, mittels billiger und unreiner Brennstoffe und Reduktionsmittel, z.B. auch aschereicher Kohle, unter geringem Energieaufwand ein reines Aluminium gewonnen werden kann.

Claims (6)

1) Verfahren zur Gewinnung von reinem Aluminium aus Aluminium enthaltenden Verbindungen, insbesondere aus unreiner Tonerde, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Aluminium enthaltenden Verbindungen thermisch oder elektrothermisch reduziert und das gebildete Aluminium von der Reduktionszone durch Zuleitung von Stoffen, wie z.B. den Halogenen oder Chalkogenen oder ihren Verbindungen, fortgeführt wird, die mit dem Aluminium derartige flüchtige Subverbindungen bilden, die bei weiterer Temperaturerniedrigung in reines Aluminium und Verbindungen des dreiwertigen Aluminiums zerfallen, worauf das Aluminium durch Abkühlen aus den Subverbindungen abgeschieden wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Reduktion der Aluminium enthaltenden Verbindungen in vorzugsweise feinverteiltem Zustandes in Gegenwart von Reduktionsmitteln unter unmittelbarer Einwirkung der Wärme einer hohe Temperaturen von vorzugsweise mindestens 1800°C erzeugenden Reduktion, die zwischen einerseits gasförmigen und andererseits gasförmigen oder feinverteilten, beim Raumtemperatur festen oder flüssigen, Reaktionspartnern, vorzugsweise in einer Flamme oder in einem Schachtofen verläuft, vorgenommen wird und daß die flüchtige Aluminiumsubverbindungen bildenden Stoffe in und/oder an die

Reduktionszone geleitet werden.

3) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reduktionszone Aluminiumsubhalogenid bildende, insbesondere subchloridbildende, Stoffe zugeführt werden.

4) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumhalogenid nach Verlassen der Reduktionszone durch Kondensation von den begleitenden, von der Reduktion herrührenden Gasen getrennt wird, um, vorzugsweise im unmittelbaren Kreislauf, dem Verfahren wieder zugeführt zu werden.

5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumhalogenid, vorzugsweise das Chlorid, nach Verlassen der Reduktionszone durch Lösen in einer Salzschmelze, die insbesondere für das Chlorid aus Chloriden der Alkali- und/oder Erdalkalimetalle besteht, von den begleitenden, von der Reduktion herrührenden Gasen befreit wird.

6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den Aluminiumhalogeniden freiwerdende reine Aluminium in der Salzschmelze, vorzugsweise in flüssigem Zustande, abgeschieden wird.