EA015053B1

EA015053B1 - Карботермические процессы

Info

Publication number: EA015053B1
Application number: EA200970664A
Authority: EA
Inventors: Ягхоуб Саяд-Ягхоуби
Original assignee: ТЕРМИКАЛ АйПи ПТИ ЛТД.
Priority date: 2007-01-02
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2011-04-29
Also published as: JP2010514939A; US7896945B2; AU2007339733B2; EA200970664A1; EP2121521A1; CA2674121C; WO2008080188A1; CA2674121A1; US20100064850A1; CN101616867B; EP2121521A4; CN101616867A; AU2007339733A1

Abstract

Массу продукта, содержащего твердый карбид алюминия, получают вдуванием дисперсного глинозема в ванну (30) расплавленного металлического алюминия; и вдуванием углеродистого материала, состоящего из углерода, содержащего или дающего углерод, в ванну (30). Ванну (30) расплавленного металлического алюминия поддерживают при температуре перегрева для нагревания и реагирования углерода с расплавленным алюминием с получением твердого карбида алюминия, который смешивается с глиноземом с образованием массы (36), содержащей захваченный газ и захваченный расплавленный металлический алюминий и имеющей меньшую объемную или кажущуюся плотность, чем у алюминия. Массе дают возможность накапливаться в виде массы продукта, содержащего твердый карбид алюминия, на верхней поверхности ванны. Углеродистый материал представляет собой углеводородный материал или получен пиролизом, разложением или крекингом углеводородного материала.

Description

Область, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к карботермическим реакциям с участием глинозема.

Уровень техники

Для производства алюминия технология на основе карботермического процесса является многообещающей и предлагает перспективную альтернативу электролитической технологии Холла-Эру. Успешный карботермический процесс обладал бы потенциалом снижения требований по капитальным вложениям на 50-70% и эксплуатационным издержкам на 25-35% по сравнению с электролитическим способом. Кроме того, была бы обойдена проблема фторидных выбросов, в то время как количество образующихся углеродсодержащих газов было бы существенно ниже, чем при электролитическом производстве алюминия.

Попытки получить алюминий карботермическим способом предпринимались в течение более 100 лет. Однако все еще необходимо добиться оптимизации карботермического процесса с тем, чтобы обеспечить возможность успешного коммерческого производства алюминия. Способам, исследованным на данной стадии, требуются температуры свыше 2000°С и точный контроль реагентов и продуктов на различных сложных стадиях. Данные стадии включают в себя:

(a) реакцию глинозема и углерода с получением карбида алюминия при температуре выше 2000°С;

(b) реакцию карбида алюминия с глиноземом с получением металлического алюминия при температуре выше 2150°С; и (c) отделение алюминия от остающихся материалов. Проблемы, с которыми приходится сталкиваться в таком карботермическом процессе, включают успешное улавливание высокого уровня улетученного алюминия, снижение уровня потерь огнеупоров, трудности перемещения материалов между стадиями и проблему образования большого объема монооксида углерода. Такие проблемы являются неизбежными при столь высоких рабочих температурах, как 2000-2250°С.

Основными реакциями для карботермических процессов являются следующие:

2А1₂О₃+9С--А1₄С₃+ 6СО (1), и

А1₂О₃+А1₄С₃->6А1 + 3СО (2).

Эти реакции дают общую реакцию: А1₂О₃+3С—2А1+3СО (3).

Более ранние работы по производству алюминия с помощью этих реакций иллюстрируются патентами США 1219797 и 1222593, выданными Барнету и др. (Вате! е! а1.); патентами СшА 2090451 и 2255549, выданными Краху (Кгий); патентом США 27555178, выданным Расмуссену (Кактиккеп); патентом США 2776884, выданным одному Грюнерту (Сгиией); патентом США 2829961, выданным Миллеру и др. (МШег е! а1.); и патентом США 2974032, выданным Грюнерту (Сгипей). Более современная работа была нацелена на реагирование глинозема и углерода в расплавленной ванне, содержащей расплавленный шлак карбида алюминия и глинозема. Расплавленная ванна обычно работает с двумя зонами, в первой из которых образуется карбид алюминия, а во вторую этот карбид поступает для реагирования с глиноземом с получением металлического алюминия. Данная работа иллюстрируется патентом США 4385930, выданным Перссону (Регккоп); патентом США 6440193, выданным Йохансену и др. фойапкеп е! а1); патентом США 6475260, выданным Ла Кармере (ЬаСагшега); патентом США 6530970, выданным Линдстаду (Ьшбк1аб); патентом США 6849101, выданным Фруехану и др. (Егиейап е! а1.); и публикацией заявки на патент США 2006/0042413. Кроме того, представляют интерес следующие публикации: СагЬо!йегта1 Ргобисйоп о! А1ишшшш, авторы Моцфельдт и др. (Мо1хГе1б1 е! а1.), опубликованная в 1989 А1ит1шит-Уег1ад СтЬН в Дюссельдорфе, Германия; и А1итшшт СагЬоШегтю Тесйпо1о§у, поданная на рассмотрение в Министерство энергетики США по совместному договору номер ПЕ-ЕС36-00Ш13900 компаниями М1 Вгипо и А1соа 1пс. и датированная 31 декабря 2004 года.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение нацелено на предложение альтернативы подходам, принятым в предшествующем уровне техники, рассмотренном в изложенном здесь ранее Уровне техники. Настоящее изобретение также пытается предложить альтернативу способу, описанному в более ранней заявке РСТ/АИ 2006/001048, поданной 27 июля 2006 года, раскрытие которой включено сюда посредством ссылки, чтобы считаться частью настоящего описания. Как и в способе по РСТ/АИ 2006/001048, подход, принятый настоящим изобретением, имеет ряд преимуществ по отношению к предшествующему уровню техники, как будет очевидно из нижеследующего описания. Однако, вкратце, эти преимущества включают возможность получать карбид алюминия при относительно низких температурах по сравнению с температурами, необходимыми в предшествующем уровне техники, и возможность получать карбид алюминия и затем получать металлический алюминий из данного карбида в общем процессе, который генерирует меньше паров алюминия, чем в предшествующем уровне техники.

В соответствии с первым аспектом настоящее изобретение предлагает способ получения массы продукта, содержащего твердый карбид алюминия, причем этот способ включает в себя стадии:

(a) вдувания дисперсного глинозема в ванну расплавленного металлического алюминия;

(b) вдувания углеродистого материала (то есть материала, состоящего из углерода, содержащего или дающего углерод) в ванну расплавленного металлического алюминия;

- 1 015053 (с) поддержания ванны расплавленного металлического алюминия при температуре перегрева, достаточной для нагревания и реагирования углерода углеродистого материала с расплавленным алюминием ванны с получением твердого карбида алюминия, который смешивается с глиноземом с образованием массы, содержащей захваченный газ и захваченный расплавленный металлический алюминий и имеющей меньшую объемную или кажущуюся плотность, чем плотность алюминия в ванне; и (б) предоставления возможности массе смешанного с глиноземом твердого карбида алюминия, содержащей газ и металлический алюминий, накапливаться в виде массы продукта, содержащего твердый карбид алюминия, на верхней поверхности ванны;

при этом углеродистый материал представляет собой углеводородный материал или получен пиролизом, разложением или крекингом углеводородного материала.

Углерод из такого источника приводит к получению карбида алюминия в результате реакции:

4А1 + 3С>>А1.|С₃ (4).

Данная реакция заметна при примерно 1100°С. Однако она протекает с более быстрой кинетикой выше 1400°С. Реакция является экзотермической и, в противоположность реакции образования карбида по приведенному выше уравнению (1), она не дает никакого газообразного монооксида углерода. Это является очень важным преимуществом настоящего изобретения, поскольку реакция по уравнению (1) дает две трети от существенного объема монооксида углерода, получаемого в карботермических способах предшествующего уровня техники.

По мере того как вдувают углеродистый материал и дисперсный глинозем, реакция по уравнению (4) протекает в присутствии глинозема в расплавленном алюминии ванны. В результате, твердый карбид алюминия, полученный при реакции по уравнению (4), способен прикрепляться к чтицам глинозема, давая массу содержащего карбид алюминия продукта с захваченными газом и металлическим алюминием и с меньшей объемной или кажущейся плотностью, чем плотность расплавленного металлического алюминия.

В первой форме изобретения углеродистый материал, вдуваемый в ванну расплавленного алюминия, представляет собой, по меньшей мере частично, углеводородный материал, состоящий из по меньшей мере одного углеводорода, который вдувают непосредственно в ванну расплавленного алюминия. Углеродистый материал может, по существу, включать в себя углеводородный материал. Альтернативно, углеродистый материал может включать дисперсный углеродный материал, то есть материал, содержащий свободный или элементарный углерод, объединенный с углеводородным материалом. В любом случае, углеводородный материал может, по существу, включать в себя один единственный углеводород, или он может, по существу, включать в себя смесь по меньшей мере двух углеводородов.

Во второй форме изобретения углеродистый материал, вдуваемый в ванну расплавленного алюминия, по меньшей мере, частично включает углеродсодержащий материал, полученный по меньшей мере частичным пиролизом, разложением или крекингом углеводородного материала. В данной второй форме углерод углеродсодержащего материала может представлять собой элементарный углерод, такой как в форме сажи, или же он может представлять собой углеводородный материал более низкого порядка или смесь элементарного углерода и углеводородного материала более низкого порядка. Под углеводородным материалом более низкого порядка понимают углеводородный материал, который имеет более низкую среднюю молекулярную массу, чем исходный углеводородный материал более высокого порядка, подвергнутый пиролизу, разложению или крекингу для получения материала более низкого порядка. Как и в первой форме изобретения, дисперсный углерод может быть объединен с углеродсодержащим материалом.

В этой второй форме изобретения углеродистый материал, полученный пиролизом, разложением или крекингом, будет включать другой материал, в частности водород. По меньшей мере часть этого водорода может быть использована в качестве газа-носителя, с которым углеродистый материал вдувают в ванну расплавленного алюминия. Предпочтительно, весь водород используют в качестве газа-носителя. Однако, по меньшей мере тогда, когда углеродистый материал представляет собой элементарный углерод, по меньшей мере часть водорода можно отделить и использовать или продавать для других целей. Так, например, когда только что полученный углеродистый материал, по меньшей мере, по существу, включает в себя элементарный углерод и водород, эта смесь углерода и водорода может быть разделена путем собирания углерода на мешочных фильтрах, после чего часть водорода можно отделить для другого использования, а остаток рециркулируют, чтобы увлечь углерод для вдувания в расплавленный алюминий. И хотя весь объем только что полученного водорода может удерживаться и вдуваться с углеродом, такое отделение чти водорода может быть полезным. Кроме того, если необходим больший объем газа-носителя, чем обеспечивается рециркулируемым водородом, к рециркулируемому водороду может быть добавлен аргон для увеличения объема газа-носителя.

В первой форме изобретения углеводород, вдуваемый непосредственно в ванну расплавленного алюминия, реагирует на месте (ίη кйи). То есть углеводород способен реагировать непосредственно с алюминием, или же он подвергается пиролизу, разложению или крекингу ίη кйи, давая элементарный углерод и/или углеводород более низкого порядка, который реагирует ίη Ли с алюминием. В случае элементарного углерода реакция с расплавленным алюминием является такой, как показано реакцией (4)

- 2 015053 выше. В углеводородном материале, независимо от того, является он исходно вдуваемым или углеводородом более низкого порядка, эффективную общую реакцию можно представить следующим образом:

ЗС_пН2(п+1)+4иА1- >пЛ1,С_;-3(п-1)Н; (5).

Таким образом, конкретно при использовании метана в качестве углеводорода, эта реакция представляет собой:

ЗСН₄+4А1>А1₄Сз+6Н₂ (6).

Газообразный, жидкий или твердый углеводород может претерпевать пиролиз, разложение или крекинг при высоких температурах. Для алифатического соединения, это можно представить следующим образом:

С_пН2(_п+1)>иС+(и+1)Н2 (7).

Конкретно для метана реакция представляет собой:

СН4>С+2Н2 (8).

Однако скорость выделения углерода из высокотемпературного потока углеводородов можно увеличить посредством среды, которая имеет сродство к углероду. При равновесии это значение у водорода на несколько порядков величины выше, чем у реагирующего метана, когда присутствует алюминий.

Реакции (5)-(8) относятся к незамещенным алифатическим соединениям. Однако аналогичные общие и конкретные реакции применимы для других углеводородов. Кроме того, незамещенные углеводороды, то есть те, которые, по существу, не содержат элементов, отличных от углерода и водорода, являются предпочтительными, поскольку они исключают возможные нежелательные реакции с алюминием, углеродом и/или глиноземом и результирующее загрязнение ванны или карбида алюминия.

Реакция (7) показывает полный распад вдуваемого углеводородного материала на составляющие его элементы. Конечно, такой распад может быть частичным или протекать до полного распада за более чем одну стадию. Полученный углеводородный материал более низкого порядка может далее распадаться или расходоваться в реакциях, таких как реакции (5) и/или (8).

Во второй форме изобретения реакции, такие как частично иллюстрируемые реакциями (7) и (8), вынуждают протекать вне ванны расплавленного алюминия. Вслед за этим, элементарный углерод и/или углеводородный материал более низкого порядка, вместе с по меньшей мере частью полученного водорода, вдувают в расплавленный алюминий, в результате приводя к реакциям, включающим одну или более из реакций (4)-(8).

В каждой из первой и второй форм изобретения углеродистый материал, вдуваемый в ванну расплавленного алюминия, может представлять собой газ, жидкость, твердое вещество в пригодной к вдуванию форме, или смесь по меньшей мере двух из газа, жидкости и пригодного к вдуванию твердого вещества. Чтобы быть пригодным к вдуванию, твердое вещество должно находится в подходящей дисперсной форме.

Дисперсный глинозем и углеродистый материал, вдуваемые в ванну расплавленного алюминия, можно вдувать в одних и тех же или соответствующих местах. В любом случае требуется, чтобы получаемый карбид алюминия смешивался с глиноземом для того, чтобы сформировать требуемую массу смешанного с глиноземом твердого карбида алюминия. Когда вдуваемый углеродистый материал представляет собой текучую среду, дисперсный глинозем может увлекаться текучим углеродистым материалом для содействия вдуванию глинозема.

Как указано, углеродистый материал, вдуваемый в расплавленный алюминий, во второй форме изобретения может представлять собой или включать элементарный углерод, такой как сажа, увлеченный с водородом. Данную форму углеродистого материала можно получить с помощью коммерческого способа какого-либо вида, используемого в течение многих лет для получения углеродной сажи. В данном коммерческом способе метановоздушное пламя используют для нагрева печи для обжига кирпича до достаточной температуры, затем подачу воздуха прекращают, чтобы дать возможность метану разложиться в горячей печи по реакции (8), после чего печь охлаждают для извлечения сажи. Водород, полученный в результате данной реакции, сжигают для нагрева печи и подачи метана, но при адаптации данного процесса для получения углеродистого материала для второй формы изобретения, по меньшей мере часть водорода использовалась бы в качестве газа-носителя, в который увлекают углеродистый материал для вдувания в алюминий.

В варианте способа с углеродной сажей, для использования во второй форме изобретения, метан можно разлагать в горячем дисперсном глиноземе, таком как глинозем, поддерживаемый в псевдоожиженном слое вдуванием метана. Полученная в результате углеродная сажа собирается на чтицах глинозема, а водород, полученный при разложении метана, можно использовать в качестве газа-носителя, в который вовлекают глинозем и собранную сажу и вдувают в алюминий.

По мере того, как углеводороды разлагаются и подвергаются крекингу (уравнения 5 и 6), твердый углерод тонко диспергируется в получаемом водородном газе. Этот углерод имеет маленький размер чтиц (такой как 20-500 мкм) и большую площадь поверхности (например, 1-10 м²/г). Данный углерод является очень реакционноспособным и, как было обнаружено, реагирует с расплавленным алюминием при высоких температурах и образует карбид алюминия. Кроме того, было обнаружено, что карбид алю

- 3 015053 миния можно получить в присутствии дисперсного глинозема с образованием массы, требуемой настоящим изобретением.

Дисперсный глинозем и дисперсный углерод, если он используется, имеют размер чтиц, достаточно маленький для того, чтобы содействовать эффективному вдуванию в ванну в увлекающей их текучей среде-носителе. Глинозем может быть сорта, подходящего для применения в электролитическом способе выделения алюминия, и, как и при таком применении, он может представлять собой относительно мелкодисперсный порошок. Дисперсный углерод может представлять собой нефтяной кокс. Альтернативно, дисперсный углерод может быть каменным углем. Независимо от того, является ли он коксом, каменным углем или каким-либо другим типом углерода, желательно, чтобы содержание кремнезема было низким, таким как ниже 0,3 мас.%.

Ванну расплавленного алюминия поддерживают при температуре перегрева, при которой углерод вдуваемого углеродистого материала способен реагировать с расплавленным алюминием с образованием карбида алюминия. Чтобы добиться достаточной скорости реакции, температура ванны предпочтительно превышает примерно 1400°С, например, составляет примерно от 1550 до 1650°С.

Было обнаружено, что стадия вдувания по настоящему изобретению способна протекать безопасно. Эту стадию можно проводить без необходимости в особых требованиях за пределами тех, что обычно используются в пирометаллургических процессах с аналогичными или более высокими рабочими температурами. На самом деле, можно использовать более высокие температуры, превышающие примерно 1650°С, хотя таких более высоких температур предпочтительно избегают, поскольку они привносят ненужные эксплуатационные издержки. Процедуры для стадии вдувания аналогичны процедурам, используемым при производстве стали в кислородном конвертере (ВОР), где такие процедуры хорошо налажены и используются при более экстремальных условиях.

Вдувание в ванну углеродистого материала и глинозема, по отдельности или вместе увлеченными текучей средой-носителем, приводит к распределению углерода и глинозема по всей по меньшей мере одной области расплавленного алюминия. Таким образом, по мере того как алюминий и углерод реагируют с образованием твердого карбида алюминия, частицы глинозема и карбида алюминия тесно перемешиваются и становятся скрепленными (связанными) с образованием массы, включающей продукт, содержащий твердый карбид алюминия. Небольшие объемы металлического алюминия неизбежно оказываются захваченными в образующейся массе. Поскольку газ также диспергируется с углеродом и глиноземом, газовые карманы оказываются захваченными в формирующейся массе. Захваченный газ может, по существу, включать в себя водород, который образуется из углеводорода, подвергающегося пиролизу, разложению или крекингу перед воздействием или при воздействии на него высокой температуры ванны.

Как указано, углеводород может представлять собой метан. Альтернативно, углеводород может представлять собой этан, пропан, бутан, пентан, высшие алканы, или смеси таких углеводородов, такие как в природных газообразных углеводородах и нефтяных сжиженных газах, алкены, такие как этилен, бутилен и триметилэтилен. Можно использовать один единственный углеводород или смесь по меньшей мере двух углеводородов. Углеводород может представлять собой жидкость или даже твердое вещество, способные при нагревании образовывать углеродсодержащий газ-носитель, такие как высшие алканы и алкены. В случае каменноугольной смолы и других жидких и твердых углеводородов разложение и термический крекинг может приводить к образованию газообразных углеводородов, в некоторых случаях с образованием водорода и углерода. В той степени, в которой это происходит, углеводород, обеспечивающий источник углерода, может быть или становиться газообразным. Однако, по меньшей мере, в момент вдувания в ванну расплавленного алюминия, может присутствовать некоторый жидкий углеводород, такой как в виде струи капель, и поэтому уместно рассматривать диапазон пригодных к вдуванию углеводородов как являющиеся жидкими и/или газообразными и, следовательно, как являющиеся текучей средой. Это также охватывает использование дисперсного (т. е. в виде частиц) твердого углеводорода, даже если его разложение и термический крекинг не начинается до тех пор, пока он не был введен в расплавленный алюминий, поскольку дисперсный твердый углеводород обязательно будет находится в текучем состоянии вследствие того, что он увлечен газом-носителем. Сам увлекающий газ-носитель может быть углеводородом, или же он может представлять собой инертный газ, такой как аргон или водород.

Природа массы, включающей продукт, содержащий твердый карбид алюминия, образованный путем дутья в расплавленный алюминий, содействует извлечению металлического алюминия по реакции уравнения (2). Эта масса содержит карбид алюминия и глинозем, реагенты для уравнения (2). Регулируя отношение углерода к глинозему, обеспечиваемое вдуванием в расплавленный алюминий, можно управлять отношением карбида алюминия к глинозему в массе с тем, чтобы удовлетворить требования уравнения (2). В этом отношении, необходимо сделать допущение о той степени, с которой углерод также захватывается в массе, поскольку он будет доступен для взаимодействия с карманами металлического алюминия в соответствии с уравнением (4), давая дополнительный карбид алюминия.

В соответствии с дальнейшим аспектом настоящее изобретение также предлагает способ извлечения металлического алюминия. В нем продукт, содержащий карбид алюминия, получают в первой зоне в

- 4 015053 соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, и продукт, содержащий карбид алюминия, нагревают во второй зоне для реагирования карбида алюминия и глинозема продукта с получением металлического алюминия и монооксида углерода.

Вторая зона, в которой нагревают продукт, содержащий карбид алюминия, может быть отделена некоторым расстоянием от реакционного сосуда, в котором данный продукт образуется. То есть продукт, содержащий карбид алюминия, может быть перемещен в отдельный, второй реакционный сосуд, в котором его нагревают. Однако значительных преимуществ можно добиться, нагревая продукт, содержащий карбид алюминия, в той же установке, в которой его получают. Не самыми маловажными из данных преимуществ являются исключение необходимости перемещать продукт из одного сосуда в другой и минимизация потерь тепловой энергии перед нагреванием продукта во второй зоне для извлечения металлического алюминия по реакции уравнения (2).

Вторая зона предпочтительно находится непосредственно над первой зоной, в которой образуется продукт, содержащий карбид алюминия, так что, по мере того, как продукт накапливается на верхней поверхности ванны, он может поступать во вторую зону. Таким образом, первая и вторая зоны могут ограничиваться вертикально смежными реакторами одного единственного реакционного сосуда или отдельными, но вертикально смежными реакторами одной единственной реакторной установки. Как следствие, металлический алюминий, полученный по реакции уравнения (2), способен стекать в ванну расплавленного алюминия. Таким образом, алюминий из ванны, который расходуется при образовании карбида алюминия в первой зоне, возвращается в ванну. Алюминий, полученный расходованием глинозема во второй зоне, добавляется к алюминиевому содержимому ванны, делая необходимым выпуск алюминия.

Продукт, содержащий карбид алюминия, может нагреваться любым подходящим способом. Продукт можно нагревать электрически. Возможен индукционный нагрев, поскольку продукт, содержащий карбид алюминия, является проводящим и позволяет индукционный нагрев продукта. Однако электродуговой нагрев является предпочтительной и наиболее практичной формой нагрева.

В предпочтительной компоновке вторая зона, в которой нагревают продукт, содержащий карбид алюминия, выполнена в виде электродуговой печи (ЕАЕ), которая имеет множество электродов для обеспечения электроэнергии для нагрева продукта. ЕАЕ располагается над ванной и имеет отверстие в своем основании, в которое способен помещаться продукт, содержащий карбид алюминия, по мере того, как он образуется. Электроды располагаются таким образом, что каждый генерирует дугу в верхней части продукта, содержащего карбид алюминия, обеспечивая область интенсивного локального нагрева, в которой заставляют реагировать карбид алюминия и глинозем продукта.

Интенсивный локальный нагрев в дуге, генерируемой каждым электродом, может приводить к очень высокой температуре. Однако температура продукта, содержащего карбид алюминия, снижается с увеличением расстояния от дуги. Предпочтительно, компоновка является такой, что интенсивный локализованный нагрев является погруженным, так что вокруг периферии ЕАЕ температура продукта, содержащего карбид алюминия, является низкой, составляя примерно от 1000 до 1300°С. При такой компоновке основная масса продукта вокруг электродов будет находиться при температуре от примерно 1700°С до 2000°С. Нагрев в пределах данного диапазона оказывается достаточным для того, чтобы обеспечить протекание реакции по уравнению (2) с приемлемой скоростью для извлечения металлического алюминия, по меньшей мере, при предпочтительных условиях, разрешенных настоящим изобретением.

В предпочтительной форме изобретения, которая увеличивает скорость реакции по уравнению (2) при столь низкой температуре, как примерно 1700°С, монооксид углерода удаляют с верхней поверхности продукта, содержащего карбид алюминия, и из области генерируемого дугами интенсивного локального нагрева. Этого можно добиться:

(a) поддерживая достаточно низкое давление газа во второй зоне, над содержащим карбид алюминия продуктом, для выделения монооксида углерода; и (b) продувая верхнюю поверхность продукта, содержащего карбид алюминия, включая область генерируемого дугами интенсивного локального нагрева, водородом или, если используется аргон, комбинацией аргона и водорода.

Наиболее предпочтительно, монооксид углерода удаляют путем комбинирования работы при пониженном давлении над содержащим карбид алюминия продуктом и продувки верхней поверхности данного продукта водородом или комбинацией аргона и водорода.

Удаление монооксида углерода способствует прямой реакции по уравнению (2). Степень, с которой это происходит, является такой, что реакция протекает с приемлемой скоростью при температурах примерно от 1700 до 2000°С. Таким образом, в противоположность предложениям предшествующего уровня техники, не является необходимым работать при температуре выше 2150°С, чтобы дать возможность протекать реакции по уравнению (2).

Первая и вторая зона предпочтительно находятся в герметичной установке, достаточной для предотвращения доступа атмосферного воздуха. Газовое пространство второй зоны, над содержащим карбид алюминия продуктом, может сообщаться с системой создания вакуума, функционирующей для снижения давления в этом газовом пространстве до подходящего уровня. Достаточно сниженное давление

- 5 015053 позволяет прямой реакции по уравнению (2) протекать с достаточной скоростью при примерно 1700°С.

Пониженное давление над содержащим карбид алюминия продуктом заставляет газ подниматься вверх через продукт. Таким образом, газ из потока, вдуваемого в ванну расплавленного алюминия или образовавшегося в ней, способен выделяться из ванны и затем вытягиваться через этот продукт. Газ, состоящий из водорода или смеси аргона и водорода, выдувает монооксид углерода с верхней поверхности продукта, содержащего карбид алюминия. Однако, если продувающее действие данного газа является недостаточным, аргоном или водородом можно обдувать верхнюю поверхность продукта, содержащего карбид алюминия, чтобы посредством этого выдувать монооксид углерода с данной верхней поверхности. Продувочный газ можно подавать через фурму, простирающуюся во вторую зону, или через продольный проход, ограниченный внутри каждого электрода.

Для того чтобы изобретение можно было бы более легко понять, сделана ссылка на сопровождающие чертежи, которые представляют собой схематический вид в разрезе реакторной установки для использования в способе по настоящему изобретению.

Фиг. 1 показывает зависимость константы равновесия от температуры для реакций (6) и (8);

фиг. 2 показывает термодинамические результаты для системы А1-3Н₂; и фиг. 3 представляет собой схематический вид в разрезе реакторной установки для использования в способе по настоящему изобретению.

Исходной точкой для настоящего изобретения была моя экспериментальная работа с использованием аргона в качестве газа-носителя для вдувания глинозема и углерода в расплавленный алюминий и в качестве инертного газа для разбавления монооксида углерода, образующегося при нагревании массы, содержащей полученный в результате твердый карбид алюминия, для получения алюминия. Возможность использования газообразных, жидких или твердых углеводородов при обеспечении альтернативы аргону потребовало исследования, по существу, неисследованной термодинамики системы алюминийуглеводород и дополнительной экспериментальной работы. Как указано ранее со ссылкой на уравнения (5)-(8), углеводороды в газообразной форме, или способные превращаться посредством парообразования, разложения или крекинга в газовую фазу, предлагают возможность генерирования газовой фазы, подходящей для использования в качестве альтернативы аргону для применения в качестве газа-носителя и для предоставления источника углерода.

Фиг. 1 показывает термодинамический потенциал для реакций (6) и (8). Для реакции (6) этот потенциал выше, чем для реакции (8). Поэтому скорость выделения углерода из высокотемпературного потока углеводорода может быть увеличена расплавленным алюминием в качестве среды, которая имеет сродство к углероду.

По мере того, как углеводороды, такие как метан, разлагаются или термически крекируются по уравнениям (7) и (8), получается тонкодисперсный углерод, в то же время высвобождается газообразный водород. Этот тонкодисперсный углерод имеет маленький размер чтиц, такой как от примерно 20 мкм до примерно 500 мкм, и большую площадь поверхности, такую как от примерно 1 до 10 м²/г. Данный углерод является очень реакционноспособным и, при разложении и термическом крекинге в результате вдувания углеводорода в расплавленный алюминий, по реакции (4) образуется карбид алюминия. Полный эффект вдувания углеводорода представлен реакциями (5) и (6).

Эксперименты проводили с тем, чтобы определить жизнеспособность вдувания газообразного метана в расплавленный алюминий для того, чтобы получить твердый карбид алюминия. Эксперименты осуществляли в графитовых тиглях. Некоторое количество твердого алюминия помещали в каждый тигель. Затем тигель закрывали корундовой крышкой, сквозь которую было просверлено центральное отверстие. После помещения крышки на тигель периферийную поверхность раздела между ободом тигля и крышкой герметизировали, используя пасту карбида кремния. Затем к тиглю прикрепляли термопару, чтобы позволить проводить измерения температуры.

Корундовую трубку, используемую в качестве фурмы для вдувания метана в тигель, опускали концом вперед через отверстие в корундовой крышке тигля. Затем тигель помещали в камеру нагрева, в которой его нагревали для нагревания и плавления алюминия. Алюминий нагревали и плавили до требуемого уровня температуры выше его температуры плавления. При достижении данного уровня температуры, корундовую трубку опускали, погружая ее нижний конец в расплавленный алюминий, а затем через эту трубку в алюминий вдували метан. Замысел состоял в получении твердого карбида алюминия, посредством реакции по уравнению (6) или посредством комбинации реакций по уравнению (8) и уравнению (4), с выделением газообразного водорода. Чтобы обеспечить удаление образовавшегося водорода и предотвратить нарастание давления водорода в камере нагрева, сверху камеры перед началом подачи метана была установлена огнеупорная крышка с несколькими вентиляционными отверстиями.

Вдувание продолжали в течение достаточного периода времени, исходя из расхода метана относительно установленной доли алюминия. Количество алюминия занимало примерно половину объема, ограниченного герметичным тиглем и его крышкой, чтобы обеспечить увеличенное пространство, требующееся для твердого реакционного продукта. В конце данного периода вдувание метана прекращали и тиглю и его содержимому давали возможность охладиться в камере нагрева. После охлаждения тигель вынимали и вскрывали, разламывая, чтобы дать возможность исследовать его содержимое.

- 6 015053

Содержимое тигля оказалось представляющим собой единую твердую массу. Нижняя часть массы представляла собой алюминий, составляющий примерно половину начальной массы металла, помещенного в тигель. По всему металлу находились частицы, представлявшие собой, как было определено, карбид алюминия, который, очевидно, был диспергирован введенным при вдувании метаном. Выше металлического алюминия, как было определено, масса, по существу, включала карбид алюминия, содержащий незначительные доли захваченного алюминия из расплава и мелкодисперсных частиц углерода.

Было обнаружено, что желательной являлась минимальная температура перегрева расплавленного алюминия, равная примерно 1050°С. Ниже данного уровня скорость реакции имеет тенденцию замедляться. При температурах вплоть до 1200°С карбид алюминия был в тонкодисперсной и волокнистой слоистой структуре. Выше примерно 1200°С было обнаружено, что карбид является более сросшимся, чем волокнистым, с плотными карбидными слоями, разделенными тонкими слоями металлического алюминия. Слои карбида алюминия содержали осажденный углерод, хотя в целом осажденный углерод имел тенденцию к уменьшению с увеличением температуры реакции. Некоторое количество углерода также было обнаружено на внутренних поверхностях тигля, около поверхности расплава, и на крышке.

При температурах выше примерно 1050°С наблюдали, что образование карбида было быстрым, указывая на высокую реакционную способность углерода, имеющегося из вдуваемого газа метана. При более низких температурах, при которых образование карбида не было интенсивным или при которых алюминий не плавился, было обнаружено, что имеет место обширное осаждение углерода.

В одной серии опытов, проведенных при 1050°С, метан вдували при различных расходах, находящихся в диапазоне от 400 до 1000 мл/мин. В каждом случае было обнаружено, что слоистая структура карбида алюминия образовалась на поверхности расплавленного алюминия и наращивалась от нее, а углерод осаждался на этой слоистой структуре и на внутренних поверхностях тигля и его крышки. Было обнаружено, что изменения в расходе метана не давали какую-либо существенную разницу в эксплуатационных характеристиках.

Как указано, было обнаружено, что осаждение углерода снижается с увеличением температуры, указывая на увеличение скорости реакции (4) с повышением температуры. Возрастающую тенденцию к волокнистой, слоистой карбидной структуре ниже примерно 1200°С, как оказалось, можно было приписать ограниченному зародышеобразованию и росту карбида.

В данных опытах было отмечено, что вдувание метана и являющееся результатом этого получение карбида алюминия не оказывало какого-либо значительного влияния на подвод тепла, требуемого системой. То есть они не изменяли существенным образом температурный профиль системы. Данное наблюдение согласуется с тепловым балансом для образования карбида, которое требует трех молей метана на каждый моль получаемого карбида алюминия, что демонстрируется реакцией по уравнению (6). Тепловой баланс для данной реакции показывает, что тепло, требующееся для крекинга трех молей метана (примерно 66,5 ккал) только слегка превышает тепло, выделяемое при образовании одного моля карбида алюминия (примерно 66,0 ккал). Исходя из данного теплового баланса, было ясно, что вдувание газообразного метана в расплавленный алюминий не будет оказывать какое-либо значительное воздействие на температурный профиль системы и не будет создавать проблему контроля баланса энергии. Единственная требующаяся предосторожность имела отношение к образованию водорода. В данном процессе из каждого объема газа, введенного в систему, образуются два объема водорода. Это могло бы увеличить давление в камере нагрева. Однако обеспечение достаточной вентиляции гарантировало безопасные экспериментальные условия, которые можно воспроизвести при работе в коммерческом масштабе.

Образовавшийся продукт карбида алюминия был очень мелкодисперсным и хорошо подходил для смешения с дисперсным глиноземом, смоченным расплавленным алюминием. Таким образом, карбид алюминия хорошо подходит для производства при условиях способа по первому аспекту настоящего изобретения для получения содержащей твердый карбид алюминия массы, в которой карбид смешан с глиноземом. Аналогичным образом, карбид алюминия хорошо подходит для использования при получении металлического алюминия согласно второму аспекту настоящего изобретения.

Для получения массы, содержащей стехиометрический карбид алюминия, требуются один моль глинозема и три моля углерода. Таким образом, если метан используется в качестве единственного источника углерода, при стандартных условиях (8ТР) будет необходимо 67,2 л метана. В противоположность этому, требуемый объем аргона для внесения такого же количества материала должно составлять только примерно от трех до четырех литров. Углеродистый материал, включающий метан и другие углеводороды, можно использовать в качестве носителя для глинозема, а также в качестве источника углерода. Углеводород может поставлять часть или все количество требуемого углерода. Кроме того, углеводороды способны обеспечить очень чистый и реакционноспособный углерод, и поэтому можно избежать нежелательных примесей.

Вдувание больших объемов углеводорода в расплавленный алюминий в реакторе способно вызвать интенсивное перемешивание и лучшее смешение в зоне образования массы карбида алюминия такого реактора. В то же время, получение газообразного водорода можно использовать для разбавления СО атмосферы реактора в зоне получения металла. Если в качестве единственного источника углерода используют метан, требуемый объем метана составил бы примерно 1250 станд. м³ для производства каж

- 7 015053 дой тонны алюминия. Данный объем метана будет давать примерно 2500 м³ водорода в реакторе. Данный объем водорода в два раза выше, чем объем газообразного монооксида углерода, образующегося в реакторе на каждую тонну полученного металла. Поэтому водород способен разбавить газовую фазу и понизить температуру реакции для получения алюминия.

Использование метана в качестве единственного источника углерода дает возможность снизить стоимость устройства обработки отходящего газа. Отходящий газ состава СО-2Н₂ можно использовать для генерирования энергии. Уменьшение объема метана в реакторе будет обогащать содержание СО в выходящем газе, и требуемый уровень откачки будет выше.

Водород, полученный в реакторе, не будет реагировать с алюминием или соединениями алюминия в какой-либо существенной степени. Фиг. 2 показывает систему А1-3Н₂ в диапазоне от 0°С до 2500°С. На основе термодинамических расчетов в данной системе было обнаружено, что незначительное количество атомарного водорода и меньшая степень гидрата алюминия образуется при температуре выше 2000°С.

В способе по первому аспекту настоящего изобретения и соответствующей стадии получения карбида алюминия способа по второму аспекту изобретения работу предпочтительно проводят в температурном диапазоне от 1550 до 1650°С. То есть расплавленный алюминий, который подвергается воздействию газообразного водорода, предпочтительно, находится при некой температуре в данном диапазоне. Как показано на фиг. 2, ожидается, что ни атомарный водород, ни гидрат алюминия не образуются при температурах данного диапазона. Для того чтобы атомный водород и гидрат алюминия присутствовали, необходимы более высокие температуры.

Более высокие температуры могут создаваться на стадии получения металлического алюминия способа по второму аспекту настоящего изобретения. В частности, это имеет место, когда в зоне получения металла используют погруженную дугу, и некоторое количество атомарного водорода может присутствовать на участках дуги, и на данных участках может получаться гидрат алюминия. Однако было обнаружено, что гидрат и водород, растворенный в расплавленном алюминии, выше примерно 1400°С в присутствии глинозема будет реагировать согласно уравнению:

А1₂О₃(тв)+6Н(А1 расплав) ^2А1 (ж) +3Н₂О (г) (8), где (тв), (ж) и (г) соответственно указывают твердую, жидкую и газовую фазу, а (А1 расплав) указывает алюминий в ванне расплавленного алюминия.

Таким образом, присутствие водорода содействует эффективности производства металлического алюминия.

Технологически в способе по настоящему изобретению можно использовать углеродистый материал, включающий углеводородный материал, такой как метан, в качестве единственного источника углерода. Для данного варианта расход метана, например, для установки получения алюминия с производительностью 50000 т/год составлял бы примерно 9500 станд.м²/ч, а объем отходящего газа - 28500 станд. м²/ч. Данными объемами газа можно управлять в реакторе величиной, например, с конвертер для выплавки стали с емкостью от 100 до 110 т, то есть в небольшом конверторе в технологии производства стали.

Чертеж фиг. 3 показывает реакторную установку 10, которая включает в себя периферийную стенку 16, которая имеет форму усеченного цилиндра. Таким образом, стенка 16 имеет верхний и нижний края, которые лежат в приблизительно параллельных плоскостях, наклоненных относительно вертикальной оси цилиндра. На верхнем краю стенки 16 установка имеет куполообразный свод 18. На нижнем краю стенки 16 установка имеет наклоненное основание или металлоприемник 20. Между основанием 20 и нижним краем стенки 16 ограничен дугообразный проем 22 вследствие того, что основание 20 наклонено более мелко, чем плоскость, содержащая нижний край стенки 16. Снаружи от проема 22 установка 10 имеет дугообразную камеру 23, ограниченную стенкой 24 и, между верхним краем стенки 24 и стенки 16, сводом 26. Хотя это и не показано, основание 20 продолжается за пределами стенки 16, чтобы соединиться с нижним краем стенки 24. Камера 23 сообщается через отверстие в основании 20 с цилиндрической подкамерой 26, которая простирается ниже основания 20 и камеры 23, снаружи от стенки 16.

Установка 10 содержит в себе ванну 30 расплавленного алюминия, имеющую верхнюю поверхность 30а, которая может подниматься и опускаться в пределах высоты проема 22. Нижний уровень поверхности 30а задан переливом 31, ограниченным основанием 20 у проема в подкамеру 26. Алюминий ванны 30 заполняет подкамеру 26 и первый реактор 32. В реакторной установке 10 первый реактор 32 находится в занятом расплавленным алюминием объеме внутри относительно стенки 16 от проема 22. Реактор 32 имеет впуск 34, дающий возможность вдувания в расплавленный алюминий. Хотя это не показано, впуск 34 выполнен в виде дугообразного коллектора, обеспечивающего периферийный набор отверстий, проходящих через и вокруг части окружности стенки 16, чтобы дать возможность одновременного вдувания через каждое отверстие.

При использовании установки 10 расплавленный алюминий в первом реакторе 32 поддерживают при температуре перегрева, предпочтительно выше 1400°С, а более предпочтительно - в диапазоне от 1550 до 1650°С. Через каждое отверстие впуска 34 в реактор 32 в перегретый расплавленный алюминий вдувают поток С увлеченным текучей средой-носителем глиноземом, содержащий углеродистый материал, который представляет собой углеводородный материал или получен пиролизом, разложением или

- 8 015053 крекингом углеводородного материала, обеспечивая источник углерода. Углерод вдуваемых потоков реагирует с расплавленным алюминием, образуя твердый карбид алюминия по реакции уравнения (5) или комбинации реакций по уравнениям (7) и (4). Текучая среда-носитель может представлять собой углеводород или смесь углеводорода и по меньшей мере одного из аргона и водорода. Углеводород может представлять собой газ при температурах окружающей среды, или жидкость или твердое вещество при температурах окружающей среды, но способные давать подходящий газ при нагревании для или во время вдувания. Углерод может, по меньшей мере частично, обеспечиваться углеводородом, таким как подробно описано здесь ранее, который подвергается пиролизу, разложению или крекингу перед вдуванием в перегретый алюминий или при вдувании в него. Углерод, предоставляемый разложением или крекингом углеводорода, будет представлять собой частицы очень мелкодисперсных размеров. Частицы глинозема и, если они имеются, частицы углерода, предпочтительно имеют максимальный размер не более примерно 5 мм. Более предпочтительно, размер частиц составляет от 2 до 4 мм, хотя они могут быть меньше вплоть до примерно 20 мкм.

Твердый карбид алюминия, образовавшийся в первом реакторе 32, агрегируется с вдуваемым глиноземом, при этом в агрегированном материале захватывается некоторое количество расплавленного алюминия и газа. Газ может быть газом-носителем, если он представляет собой аргон или водород, или водородом, полученным разложением или крекингом углеводородного газа-носителя. Агрегированный материал имеет такую объемную или кажущуюся плотность, что он поднимается (всплывает), формируя массу 36 продукта, содержащего твердый карбид алюминия, у поверхности расплавленного алюминия.

Установка 10 содержит второй реактор 38, размещенный внутри периферийной стенки 16, над первым реактором 32. Масса 36 выступает над расплавленным алюминием в реакторе 32 в реактор 38. Реактор 38 включает в себя множество расходуемых графитовых электродов 40, простирающихся вниз через куполообразный свод 18. Они функционируют, обеспечивая электродуговой нагрев, как схематически изображено дугами 40а, чтобы нагреть массу 36 выше температуры в реакторе 32. Электродуговой нагрев проводят, чтобы вызвать интенсивный локализованный нагрев массы 36, который, по мере его протекания, становится погруженным нагревом. Для этого электроды предпочтительно группируют, например, до некоторой степени по центру относительно оси цилиндрической формы стенки 16. От интенсивного локализованного нагрева температура массы 36 снижается по направлению к стенке 16, у которой она может быть столь низкой, как примерно 1000°С, но предпочтительно не ниже примерно 1300°С. Это позволяет основной массе или объему массы 36 находится при температуре от примерно 1700°С до примерно 2000°С для реагирования карбида алюминия и глинозема массы 36 в соответствии с уравнением (2), чтобы получить расплавленный алюминий с высвобождением монооксида углерода.

Металлический алюминий, полученный нагреванием массы 36 электрическим током, подаваемым электродами, способен просачиваться вниз через массу 36 к расплавленному алюминию ванны 30 в первом реакторе 32. Возможность этого обеспечивается массой 36, имеющей достаточную пористость, а также зазорами между периферией массы 36 и стенкой 16.

Реакция по уравнению (2) способна протекать с достаточной скоростью, несмотря на то, что температура массы 36, как правило, составляет от примерно 1700°С до примерно 2000°С. Температуры в данном диапазоне являются низкими относительно уровней температуры в способах предшествующего уровня техники, таких как подробно описаны в вышеуказанных ссылках. Кинетика реакции повышается газами, выделяющимися из реактора 32, поднимающимися через массу 36 в реактор 38 и уносящими монооксид углерода, образующийся в ходе этой реакции. Данному удалению монооксида углерода предпочтительно содействуют являющиеся полыми электроды 40 с аргоном или водородом, поставляемым из источника подачи, связанного с верхним концом каждого электрода 40. Газ из этого источника протекает по длине каждого электрода 40, как изображено стрелкой А, к месту соответствующей генерируемой дуги.

Электроды могут быть подсоединены к источнику переменного электрического тока, причем горение дуги происходит между соседними электродами. Альтернативно, электроды могут быть подсоединены к источнику постоянного тока, причем горение дуги поддерживается электродом 46, показанным пунктирной линией по контуру. Электрод 45 проникает дальше в массу 36 и, предпочтительно, охлаждается водой.

Несмотря на относительно низкую температуру, при которой металлический алюминий извлекают в реакторе 38, будет выделяться некоторое количество паров алюминия. Степень, с которой это происходит, является низкой относительно предшествующего уровня техники из вышеприведенных ссылок. Однако она все еще достаточна, чтобы гарантировать процедуры улавливания выделившегося металла. Хотя это и не проиллюстрировано, область куполообразного свода 18 установки 10 является перфорированной между соответствующими отверстиями, по существу, заполненными каждым электродом 40, Перфорации позволяют некоторому количеству выделившихся паров алюминия улетучиться в камеру 46, размещенную над куполом 18, как изображено стрелками В. Пар расширяется в камере 46 и, следовательно, охлаждается до температуры, при которой, по существу, предотвращается его окисление по реакции:

6А1 + 3СОюА1₂О₃+А1₄С₃ (9).

- 9 015053

Кроме того, реакцию по уравнению (9) делают менее благоприятной разбавлением монооксида углерода газами, которые уносят монооксид углерода из реактора 38. Как следствие, пары алюминия, которые проходят через куполообразный свод 18, могут конденсироваться в виде металлического алюминия с незначительным окислением.

В той степени, с которой способна протекать реакция по уравнению (9), она будет иметь тенденцию происходить в пространстве реактора 38 ниже свода 18 из-за более высокой температуры, преобладающей в данном пространстве, чем за сводом 18. Кроме того, продукты будут иметь тенденцию собираться на нижней стороне свода 18. Образовавшиеся таким путем отложения в конечном итоге будут отламываться от свода 18. Таким образом, собранные отложения будут падать обратно в массу 36, позволяя извлекать содержащийся в них алюминий.

Камера 46 имеет выпуск 48, через который газы вытягивают присоединенным к выпуску 48 источником вакуума (не показан). Таким образом, в камере 46 и, следовательно, в реакторе 38 поддерживают пониженное давление. Данное пониженное давление непосредственно содействует удалению монооксида углерода из тех областей массы 36, в которых протекает реакция по уравнению (2). Кроме того, это пониженное давление в реакторе 38 увеличивает скорость, с которой газ из реактора 32 вытягивают через массу 36, дополнительно ускоряя удаление монооксида углерода. Как указано, данные факторы улучшают кинетику реакции по уравнению (2), давая ей возможность протекать эффективно при относительно низкой температуре, составляющей от примерно 1700°С до примерно 2000°С.

В течение периода работы может происходить нарушение баланса между отношением карбида алюминия к алюминию в массе 36 в реакторе 38. Тогда на массу 36 через впуск 49 можно подать восполняющее количество любого реагента.

Алюминий ванны 30 можно поддерживать при температуре перегрева выше 1400°С, предпочтительно, в диапазоне от 1550°С до 1650°С, посредством катушки 50 индукционного нагрева, предусмотренной вокруг подкамеры 26. Можно предусмотреть и другие нагревательные средства, если это требуется для гарантирования того, что весь алюминий ванны 30 находится при достаточной температуре перегрева. В частности, является целесообразным, чтобы та область ванны 30 под реактором 38, в которой происходит получение твердого карбида алюминия в результате вдувания углеродистого материалауглеводорода и глинозема, находилась при достаточной температуре выше 1400°С, предпочтительно, от 1550 до 1650°С.

Со стеканием расплавленного алюминия через массу 36 в ванну 30 объем ванны 30 постепенно увеличивается. Следовательно, необходимо выпускать алюминиевый продукт из установки 10. Для данной цели выпускная труба 52 простирается вниз от основания подкамеры 26 к сливному выпуску 54. Трубу 52 предпочтительно охлаждают, чтобы понизить температуру алюминия в ней, причем предпочтительным является водяное охлаждение.

Сливной выпуск 54 размещен на небольшом расстоянии выше нижнего конца трубы 52. Это сделано, чтобы дать возможность дроссу, оседающему из алюминия в подкамере 26 и трубе 52, собраться в трубе 52 ниже выпуска 54. На нижнем конце трубы 52 предусмотрен дополнительный выпуск 56, чтобы дать возможность время от времени выгружать дросс.

Реактор 32 имеет дренажный выпуск 32а, в то время как подкамера 26 также имеет дренажный выпуск 26а. В каждом случае это делается, чтобы обеспечить возможность полного удаления расплавленного металла, например, чтобы сделать возможным техническое обслуживание установки 10.

Как будет понятно, растворимость водорода является очень низкой в затвердевшем алюминии, но высокой в расплавленном алюминии и очень высокой в перегретом расплавленном алюминии. Таким образом, при использовании углеродистого материала-углеводорода во вдуваемом потоке значительная доля водорода, получаемого пиролизом, разложением или крекингом углеводорода, будет переходить в раствор в перегретом расплавленном алюминии. То же самое будет относиться к водороду, используемому в качестве газа-носителя, например, для дисперсного твердого углеводорода.

Продувка или вымывание водорода аргоном может быть достигнута использованием аргона, вдуваемого в трубу 52 через впуск 59 с тем, чтобы он поднимался вверх по трубе 52 и уносил с собой замещенный водород. Таким образом, в общем, является предпочтительным, чтобы все газы выпускались через выпуск 48, чтобы обеспечить возможность улавливания, рециркуляции или повторного использования.

Наконец, необходимо понимать, что в конструкции и компоновки описанных ранее частей могут быть внесены различные изменения, модификации и/или дополнения без отклонения от сущности и объема изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения массы продукта, содержащего твердый карбид алюминия, причем этот способ включает в себя стадии:

(a) вдувания дисперсного глинозема в ванну расплавленного металлического алюминия;

(b) вдувания углеродистого материала, состоящего из углерода, содержащего или дающего углерод,

- 10 015053 в ванну расплавленного металлического алюминия;

(с) поддержания ванны расплавленного металлического алюминия при температуре перегрева, достаточной для нагревания и реагирования углерода углеродистого материала с расплавленным алюминием ванны с получением твердого карбида алюминия, который смешивается с глиноземом с образованием массы, содержащая захваченный газ и захваченный расплавленный металлический алюминий и имеющей меньшую объемную или кажущуюся плотность, чем плотность алюминия ванны;

причем масса смешанного с глиноземом твердого карбида алюминия, содержащей газ и металлический алюминий, имеет возможность накапливаться в виде массы продукта, содержащего твердый карбид алюминия, на верхней поверхности ванны;

при этом углеродистый материал представляет собой углеводородный материал или получен пиролизом, разложением или крекингом углеводородного материала.
2. Способ по п.1, в котором дисперсный глинозем имеет максимальный размер частиц примерно 5 мм.
3. Способ по п.1 или 2, в котором углеводородный материал также содержит дисперсный углерод.
4. Способ по п.3, в котором дисперсный углерод имеет максимальный размер частиц примерно 5 мм.
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором углерод углеродистого материала, по меньшей мере частично, обеспечивается газом-носителем, включающим в себя углеводородный материал, который разлагается или подвергается крекингу, давая углерод и водород, при или до вдувания в ванну.
6. Способ по любому из пп.1-4, в котором углерод углеродистого материала обеспечивается комбинацией дисперсного углерода, захваченного в углеводородном материале, который разлагается или подвергается крекингу, давая углерод и водород, при или до вдувания в ванну.
7. Способ по п.5 или 6, в котором углеводород смешивают с аргоном, водородом или смесью аргона и водорода.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором ванну расплавленного алюминия перегревают до температуры свыше 1400°С.
9. Способ по п.8, в котором температура составляет от примерно 1550 до 1650°С.
10. Способ по любому из пп.1-9, в котором углеводород включает в себя по меньшей мере один из метана, этана, бутана, пентана, высших алканов, природных газообразных углеводородов, оснований нефти, жидких нефтепродуктов, алкенов и каменноугольной смолы.
11. Способ извлечения металлического алюминия, в котором продукт, содержащий карбид алюминия, получают в первой зоне способом по любому из пп.1-10, и продукт, содержащий карбид алюминия, нагревают во второй зоне для реагирования карбида алюминия и глинозема этого продукта с получением металлического алюминия и монооксида углерода.
12. Способ по п.11, в котором вторая зона находится над первой зоной, так что, по мере того, как продукт, содержащий карбид алюминия, накапливается на верхней поверхности ванны, этот продукт может поступать во вторую зону.
13. Способ по п.11 или 12, в котором нагрев во второй зоне представляет собой индукционный нагрев.
14. Способ по п.11 или 12, в котором нагрев во второй зоне представляет собой электродуговой нагрев.
15. Способ по п.14, в котором нагрев происходит множеством электродов, расположенных так, что каждый электрод генерирует дугу в верхней части продукта, содержащего карбид алюминия, обеспечивая область интенсивного локального нагрева, в которой заставляют реагировать карбид алюминия и глинозем продукта.
16. Способ по п.15, в котором основную массу продукта, содержащего карбид алюминия, вокруг электродов нагревают до температуры примерно от 1700 до 2000°С.
17. Способ по любому из пп.11-16, в котором монооксид углерода удаляют с верхней поверхности продукта, содержащего карбид алюминия, и из области интенсивного локального нагрева.
18. Способ по п.17, в котором монооксид углерода удаляют, по меньшей мере частично, путем поддержания достаточно низкого давления во второй зоне над продуктом, содержащим карбид алюминия.
19. Способ по п.17 или 18, в котором монооксид углерода удаляют, по меньшей мере частично, путем продувки верхней поверхности продукта, содержащего карбид алюминия, аргоном, водородом или комбинацией аргона и водорода.
20. Способ по любому из пп.11-19, в котором во второй зоне над продуктом, содержащим карбид алюминия, поддерживают пониженное давление.
21. Способ по п.20, в котором пониженное давление заставляет аргон, водород или смесь аргона и водорода подниматься вверх из первой зоны, через продукт, содержащий карбид алюминия.