NO783989L - Fremgangsmaate ved fremstilling av aluminium - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av aluminium

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremstilling av aluminium ved direkte reduksjon av aluminiumoksyd med karbon. Den direkte karbotermiske reduksjon av aluminiumoksyd er beskrevet i US-patentet nr. 2.829.961 og 2.974.032 og ytteligere er involverte vitenskapelige prinsipper ved prosessen kjemi og termodynamikk meget vel forstått.

Det har lenge vært anerkjent (US-patent nr. 2.829.961) at den aktuelle totalreaksjon.; ved en karbotermiske reduksjon av aluminiumoksyd, nemlig,

A1203+' 3C = 2A1 + 3C0 (i)

kan finne sted eller kan bringes til å finne sted i to trinn: 2A1203+ 9C = A14C3+ 6CO (ii)

og

A14C3+ A1203= 6A1 + 3CO (iii)

Begge reaksjoner er meget endotermiske, men reaksjon (ii) som fører til dannelse av A1^C3kan fra tilgjengelige termodynamiske data sees å forløpe ved en vesentlig lavere temperatur enn reaksjon (iii) som fører til omdannelse av aluminiumkarbid til aluminium. Som følge av den lavere temperatur og lavere termodynamiske aktivitet av aluminium ved hvilken reaksjonen (ii) kan finné sted vil konsentrasjonen av røk, i form av gassformig Al og gassformig A120 som føres av med gassen fra reaksjonen (ii), når denne ut-føres ved temperaturen som er passende for denne reaksjon, være meget lavere enn konsentrasjonen i gassen ved temperaturen som

er passende for reaksjon (iii) . Ytteligere vil volumet av

Co fra reaksjon (iii) kun være halvparten av den fra reaksjon (ii) .

Eksisterende data indikerer at energien som er nødvendig for hver av de to trinnene er av samme størrelsesorden.

I norsk patent . (søknad 77.1867) er beskrevet en fremgangsmåte ved fremstilling av aluminiummetall ved karbotermisk reduksjon av aluminium, hvilken fremgangsmåte er basert på at det etableres en sirkulerende strøm av smeltet aluminium-slagg inneholdende kombinert karbon i form av aluminiumkarbid eller oksykarbid, og denne strøm av smeltet aluminiumoksyd slagg føres gjennom en lavtemperatur sone som i det minste delvis holdes ved en temperatur ved eller over den som er nødvendig for reaksjon mellom aluminiumoksyd og karbon under dannelse av aluminiumkarbid (reaksjon (ii)), holdes ved like men under den som er nødvendig for reaksjonen mellom aluminiumkarbid og aluminiumoksyd for å frigjøre Al-metall (reaksjon (iii)), og innføre karbon i denne sone og fremføre.strømmen av smeltet aluminiumoksyd, som nå er anriket med hensyn til Al^C^som følge av reaksjon (ii) til en høytemperatur sone (som i det minste .stedvis holdes ved en temperatur over en temperatur' som er nødvendig for reaksjon (iii)), oppsamle og fjerne aluminiummetall som frigjøres i høytempera-

tur sonen som følge av reaksjon (iii), hvoretter det smeltede aluminiumslagg fra høytemperatur sonen fremføres til den samme eller en annen lavtemperatur sone. Innføring av aluminiumoksyd for å gjøre opp tapet av oksydet forbrukt ved fremgangsmåten fore-tas fortrinnsvis i høytemperatur sonen.

Dannet aluminium og minst en vesentlig del av gassen utviklet under reaksjon (iii) fjernes fortrinnsvis fra det smeltede slagg ved gravitasjonsvirkning ved å tillate dem å stige igjennom det smeltede slagg, i høytemperatur sonen, slik at det dannede aluminium oppsamles som et supernantant lag på slagget og den utviklede gass blåses av til en gassutførselskanal som fører til et røk-fjerneapparat.

Fremgangsmåten beskrevet i det nevnte patent er i det vesentlige

■ forutsatt å være avhengig av innføring av den nødvendige energi

I

1 til systemet ved hjelp av elektrisk motstandsoppvarmning. Elektriskstrøm føres gjennom strømmen av smeltet slagg ved dennes overgang fra lavtemperatursonen og i det minste delvis gjennom en del av dens bane gjennom høytemperatursonen.

Kravene for innføring av varmeenergi til systemet er trefold, nemlig, (a) for å underholde reaksjon (ii), (b) for å underholde reaksjon (iii) og (c) kompansere varmetap. Varmebehovet (a) kan tilveiebringes av slaggets' egenvarme når det går inn i lavtemperatursonen. Hvis varmetapene i delen av systemet mellom det punkt hvor aluminium og gass fraskilles og lavtemperatursonen

kan begrenses tilstrekkelig kan det være unødvendig å innføre ytteligere energi til slaggstrømmen under den strøm fra denne del av systemet da den allerede har tilstrekkelig egenvarme.

En form for et apparat for utførelse av fremgangsmåten innbefatter en eller flere materialtilsetningskammere, hvor reaksjonen mellom aluminiumoksyd og karbon under dannelse av aluminiumkarbid (reaksjon (ii)) finner sted ved en relativt lav temperatur og en eller flere høytemperatur kammere for fjernelse av fremstilt aluminium og gass dannet under reaksjon mellom aluminiumkarbid og aluminiumoksyd for å frigjøre Al-metall (reaksjon (iii)), hvert materialtilsetningskammer er forbundet med det etterfølgende høytempera-turkammer ved hjelp av en fremføringskanal som fører inn i høy-.temperaturkammeret gjennom en oppadrettet del. Hvert høytempera-turkammer er forbundet med et etterfølgende materialtilsetningskammer ved hjelp av en returkanal. Varmetilførselen til systemet oppnås ved .-.elektrisk motstandsoppvarmning av slagget og systemet var således arrangert at dette fant sted i det vesentlige i den fremførende kanal, eller i en hver slik kanal når apparatet innbefattet en serie materialtilsetningskammere og høytemperatur-kammere. Dette arrangement sikret at reaksjon (iii) fant sted i en vesentlig grad i den oppadrettede avsluttende del av kanalen med det resultat at gass" "ble frigjort i denne del av systemet virket som en gassløfte-pumpe for å drive strømmen av slagg rundt i systemet.

Når systemet innbefattet kun et enkelt materialtilsetningskammer og et høytemperaturkammer (og følgelig dannet fremføringskanalen og returkanalen parallelle elektriske forbindelser mellom de to kammere) var det nødvendig å dimensjonere disse kanaler noe forskjellige da kanalene i et fler-kammersystem hvor kanalene er forbundet elektrisk i serie.

Det vil være åpenbart at et system anordnet slik at den vesentlige varmeutvikling finner sted i fremføringskanalen eller kanalene så vil hastigheten med hvilken slagg sirkulerer også være avhengig av gassutviklingshastigheten i fremføringskanalen eller kanalene. Slaggsirkulasjonshastigheten kan kun forøkes eller nedsettes ved å forøke eller senke gassutviklingshastigheten i reaksjon (iii).

Hvis andre faktorer skal holdes konstant slik som ville være 'ønskelig under drift, vil kontroll av sirkulasjonshastigheten kun oppnås ved å forøke eller senke den pålagte spenning for å forøke eller senke strømstryken.

Imidlertid når energitilførslene forandres vil både sirkulas jons-hastigheten og produksjonshastigheten^forandres men ikke i samme forhold méd det resultat at slaggets sammensetning i systemet langsomt vil forandres til en ny verdi. Dette kan føre til problemer så som ustabilitet i den frosne aluminiumoksydforing i kanalene. I tillegg kan det oppstå ustabilitet i slaggstrømmen som følge av samspill mellom gassutvikling og de elektriske egenskaper i systemet. Dette kan føre til svigninger i opp-varmningsstrømmen.

Det er en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedring av prosessen som tillater at slaggsirkulasjonshastigheten kan kontrolleres uavhengig av tilført varmeenergi til systemet. Dette oppnås i henhold til foreliggende oppfinnelse ved å an-vende en ekstern trykkgasstilførsel for å fremme sirkulasjonshastigheten av slagget gjennom systemet. Kontroll av tilførselen av ekstern gass muliggjør'at slaggsirkulasjonshastigheten kan reguleres. Mere foretrukket anvendes den eksternt tilførte, gass for å tilveiebringe i det minste en vesentlig del av energien nødvendig for å drive slaggstrømmen. Den eksterne gasstilførsel kan innføres via en eller flere kanaler som fører inn i enten fremføringskanalen fra materialtilsetningskammeret til høy-

--temperaturkammeret eller til returkanalen som fører til det

i etterfølgende materialtilsetningskammer. Ytteligere er en I partsiel anvendelse av gass dannet under reaksjonen for å drive slagget ikke foretrukket da det ikke fullt ut utnytter oppfinn-elsens potensial med hensyn til å forenklte det anvendte apparat.

Et mere foretrukket system er anordnet på en slik måte at ingen vesentlig dannelse av gass finner sted verken i fremførings-kanalen eller tilbakeføringskanalen. I denne utførelses form for oppfinnelsen er både materialtilsetningskammeret eller kammerene og høytemperaturkammeret eller kammerene forsynt med midler for generering av varmeenergi inne i kammeret eller kammerene og midler er anordnet for direkte innføring av en strøm av ekstern gass inn i fremførings- og/eller returkanalene for å tilveiebringe sirkulasjon av slaggstrømmen.

Varme genereres fortrinnsvis både i hvert materialtilsetningskammer og i hvert høy^emperaturkammer ved hjelp av elektrisk-motstandsoppvarmning. Dette innbefatter at det anordnes minst to adskilte elektroder i slike kammere med fortrinnsvis en viss restriksjon i strømbanen mellom dem, for å tilveiebringe en lokal elektriskmotstand. Det er mulig å forutse andre midler for uavhengig oppvarmning av det smeltede slagg i disse kammere. Således i stedet for elektrisk motstandsoppvarmning kan innholdet i et kammer oppvarmes ved hjelp av en plasmakanon anordnet i de respektive kammere. Når elektrisk motstandsoppvarmning anvendes så innføres drivgassen mest passende i en kanal dannet i en av motstandsoppvarmningselektrodene og er plassert slik at gassen som utgår fra denne rettes inn i den nedre ende av en oppadrettet kanal som fører ut av kammeret i hvilket elektroden er anordnet. Da innholdet av hvert materialtilsetningskammer er ved en lavere temperatur og nødvendigvis i likevekt med karbon er de mindre agresive overfor en karbonelektrode og derfor inn-føres drivgassen mest passende gjennom en elektrode som tilveiebringer strøm for oppvarmning av slagg i materialtilsetningskammeret fortrinnsvis i hvert materialtilsetningskammer.

Med dette arrangement er det mulig å kontrollere slaggets sirkula-sjonshastighet fullstendig uavhengig av innført varmemengde til de respektive kammere ved å variere tilførselshastigheten for ,

j drivgassen (som fortrinnsvis vil være karbonmonoksyd sirkulert

fra kammerene). Sammensetningen av innholdet i hvert materialtilsetningskammer og i hvert høytemperaturkammer kan også kontrolleres ved ønskede verdier og følgelig er det mulig å etablere og bibeholde optimal kontroll av prosessen.

Selv om det er mulig å forutse et system av denne type hvor varme-generering kun utføres i hvert høytemperaturkammer så gir anvendelse av et uavhengig varmesystem i hvert av materialtilsetningskammerene en større driftsfleksibilitet til systemet.

De vedlagte tegninger illustrerer skjematisk et apparat for an-vedelse ved utøvelse av foreliggende fremgangsmåte.

I tegningene viser

Fig. 1: et sideriss av en utførelses form av apparatet,

Fig. 2: vertikalprojeksjon.av apparatet ifølge fig. 1,

Fig. 3: et sideriss av høytemperaturkammeret i apparat ifølge

fig. 1, og

Fig. 4: viser et grunnriss av en modifisert form av apparatet.

I apparatet ifølge fig. 1 og 2 sirkuleres det smeltede aluminium-slagg gjennom et system omfattende et materialtilsetningskammer 1, og et høytemperaturkammer 2 som er forbundet med hverandre ved hjelp av en fremføringskanal 3 og returkanal 4. Begge kanalene 3 og 4 heller oppover i slaggets strømningsretning.

Kammeret 1 er forsynt med elektroder 5 og 6, samt kanaler la og

lb for innføring av karbontilførselsmateriale og for bortføring av dannet karbonmonoksyd. Elektroden 6 er utformet som en hul grafittstav som danner innførselslederen for en strøm av drivgass igjennom passasjen 7 dannet i denne. Drivgassen avledes fra en ekstern tilførselskilde 6a via en leder 6b koblet til elektroden.6. Elektroden 6 er innført i kammeret 1 gjennom et forseglingsben og pakningsgland. Dette muliggjør at den rør-formede elektrode kan senkes for å kompansere for et vist for-bruk av elektroden. Den nedre ende av elektroden 6 er plassert

på en slik måte at strømmen av drivgass stiger opp i tilførsels-..kanalen 3 og fremmer slaggsirkulas jon fra kammeret 1 til høy- : temperaturkammeret 2.

Kammeret 2 er forsynt med et par elektroder 8, som er lokalisert

i relativt kalde sidevegger 9, hvorved de er i kontakt med et lag av dannet Al som er mettet med Al^C^slik at A1/A14C3laget danner flytende elektroder i kontakt med slagget. Kammeret 2

har to separate produktoppsamlingssoner 10 i hvilke elektrodene henholdsvis er plasert for føring av strøm gjennom legeme av smeltet slagg i kammeret Gassutløpskanalene 2 b er anordnet over det smeltede slagg i begge oppsamlingssoner 10. Aluminiumoksyd tilføres ved visse punkter i systemet fortrinnsvis i oppsamlingssonene 10 via innmatningslederene 2a. I en foretrukket fremgangsmåte avtappes fremstilt metall vekselvis fra hver opp-samlingssone, mens aluminiumoksyd innmates til oppsamlingssonen som står for tur for avtapning, slik at karboninnholdet i metallet senkes.

Under drift innføres smeltet slagg i den øvre del av kammeret

1 i området for elektroden 5 og kommer umiddelbart i kontakt med nytilført karbontilførselsmateriale, slik at slagget umidel-bart avkjøles ved varmetap som følge av omsetningen mellom karbon i reaksjon (ii). Hovedutviklingen av karbonmonoksyd i kammeret 1 skjer derfor ved eller nær overflaten av slagget, selv om gassutvikling vil fortsette inntil partiklene av tilført karbon er forbrukt. Varmebehovet for bibeholdelse av valgte temperatur-betingelser i kammeret 1 opprettholdes ved å føre en strøm mellom elektrodene 5 og 6.

Kammeret 2 er formet slik at det er en begrenset passasje 12 mellom oppsamlingssonene 10 slik at den vesentlige energifri-gjøring skjer ved bunden av kammeret. Utviklet gass i dette området fremmer en kraftig sirkulasjon gjennom alle deler av kammeret i hvilke reaksjonen (iii) finner sted.

Som det fremgår av tegningene så er innløpet for fremførings-kanlen og utløpet for returkanalen fortrinnsvis anordnet på mot-satte sider av kanalen 12.

Fig. 4 viser en modifisert form av apparatet hvori anvendes to

-materialtilsetningskammere og to høytemperaturkammere. De i

I

samme henvisningstall anvendes på de samme deler som i fig. 1

og 2.. Da elektrodene i hvert av kammerene er anordnet som uav-hengige kretser er det ingen strømpassasje verken i fremførings-eller returkanalene. Sammenlignet med systemet beskrevet i norsk patent .............. (ansøkning 77.1867) så har systemet som er beskrevet under henvisning til tegingene den ytteligere fordel at varmen, som genereres i materialtilsetningskammeret og i høytemperaturkammeret kan kontrolleres separat og justeres for de beste driftsbetingelser for de respektive reaksjoner. Ytteligere kan sirkulasjonshastigheten av slagget gjennom systemet kontrolleres fullstendig uavhengig av varmetilførselen ved å for-øke eller senke tilførselshastigheten for drivgassen via kanalen 7. Det vil bemerkes at i motsetning til systemet beskrevet i norsk patent nr' (ansøkning 77.1867) så skjer ikke høytemperaturreaksjonen (iii) sted eller i vesentlig grad sted i fremføringskanalen i det viste apparat.

Imidlertid om ønsket kan.varmen genereres i fremføringskanalen eller i hver av fremføringskanalene ved å forbinde hver elektrode 6 og den tilstøtende elektrode 8 i det etterfølgende høytempera-turkammer til en separat kraftkilde. Denne teknikk er beskrevet i norsk søknad 7 8.3 987. Det er ytteligere en fordel ved anvendelse av en ekstern gasskilde for sikre sirkulasjon av slagget i systemet, nemlig i det tilfelle den elektriske krafttilførsel faller ut så kan sirkulasjonen bibeholdes og egenvarmen for slagget inneholdt i kammerene vil forsinke frysning i kanalene i et betydelig tids-rom, forutsatt at tilsetning av tilførselsmaterialer unngås.

Både for å tilveiebringe større driftssikkerhet i så måte og for

å tilveiebringe større driftsfleksibilitet er det foretrukket å anordne et gass-strøminnløp ved eller nær den nedre ende i hver av fremføringskanalene 3 og for eller hver returkanal 4 i systemet vist i tegningene.

Den eksternt tilførte gass for regulering av slaggsirkulasjonen ved foreliggende fremgangsmåte er mest foretrukket karbonmonoksyd. Hydrogen og argon er eksempler på andre egnede gasser for dette formål.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av aluminiummetall ved karbotermisk reduksjon av aluminiumoksyd, karakterisert ved at det etableres en sirkulerende strøm av smeltet aluminiumslagg, inneholdende kombinert karbon, i form av aluminiumkarbid og/oksykarbid, sirkulere strømmen av smeltet aluminium-slagg gjennom en lavtemperatursone holdt i det minste stedvis ved en temperatur ved eller over den som er nødvendig for omsetning av aluminiumoksyd med karbon under dannelse av aluminiumkarbid (reaksjon (ii)), men under den som er nødvendig for omsetning av aluminiumkarbid med aluminiumoksyd for dannelse av Al-metall (reaksjon (iii)) og innføre karbon i denne sone, fremføre strømmen av smeltet aluminiumoksyd anriket med hensyn til Al^C^ som følge av.reaksjon (ii) til en høytemperatursone som i det minste stedvis holdes ved en temperatur ved eller over temperaturen som er nødvendig for reaksjon (iii) og oppsamle og fjerne aluminium frigjort fra høytemperatursonen som følge av reaksjon (iii) hvoretter smeltet aluminiumslagg fra høytemperatursonen fremføres til den samme eller til en annen lavtemperatursone samtidig med at aluminiumoksyd innføres i det sirkulerende slagg, samt at slagget sirkuleres ved innføring av en ekstern gass fra en trykk-kilde.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den eksterne gasstilførsel tilveiebringer en vesentlig del av energien nødvendig for fremføring av slaggstrømmen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at reaksjon (ii) utføres i en eller flere materialtilsetningskammere og reaksjon (iii) utføres i en eller flere høytemperaturkammere og at slagget sirkuleres mellom kammerene via fremførings- og returkanalen og at varmen for bibeholdelse av reaksjonene (ii) og (iii) genereres i høytrykkskammerene og/ eller materialtilsetningskammerene.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at varme genereres i kammeret ved hjelp av elektrisk motstandsoppvarmning inne i dette ved hjelp av et par elektroder) som er anordnet i eller ved hvert av kammerene.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at minst et av de oppvarmede kammere er forsynt med hule elektroder som er anordnet nær den nedre ende av en oppadrettet leder som fører ut av kammeret og innføre den eksterne gass-strøm til systemet via den hule elektrode eller elektrodene.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at den hule elektrode er anordnet i eller i hver av materialtilsetningskammerene.

7. Apparat for fremstilling av aluminium ved direkte reduksjon av aluminiumoksyd med karbon i henhold til fremgangsmåten ifølge krav 1-6, karakterisert ved et eller flere materialtilsetningskammere hvor omsetning av aluminiumoksyd med karbon under dannelse av aluminiumkarbid (reaksjon (ii)) finner sted ved en relativt lavtemperatur og et eller flere høytempera-turkammer e for fjernelse av fremstilt aluminium og gass utviklet ved omsetning av aluminiumkarbid med aluminiumoksyd under fri-gjørelse av Al-metall (reaksjon (iii)), hvert materialtilsetningskammer er forbundet med en i slaggstrømmens retning oppadhellende forbindende kanal som fører inn i høytemperaturkammeret, og hvor hvert høytemperaturkammer er forbundet med et etterfølgende material tilsetningskammer ved hjelp av en returkanal, og at det er anordnet en ekstern tilførsel av gass og midler for innføring av gass fra den eksterne kilde for å sirkulere slaggsystemet for å fremme sirkulasjon av slagget.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved et par elektroder som er anordnet i en eller flere av kammerene for å tilveiebringe elektrisk motstandsoppvarming, at minst en av elektrodene i et av kammerene er hule og anordnet nær den nedre ende av en oppadhellende fremføringskanal som fører ut av kammeret, at middelet for innføring av gass er koblet'til den hule elektrode for innføring av gass gjennom denne.